Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2001.03a
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pp.73-80
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2001
The shear strength of jointed rock is influenced by effective normal stress, joint wall compressive strength, joint roughness and so on. Since joint roughness makes considerable influences on shear strength of jointed rock, many studies tried to get quantitative joint roughness parameter. Until now, Joint Roughness Coefficient, JRC proposed by Barton has been prevalently used as a rock joint roughness parameter In spite of its disadvantages. In this study, a quantification of rock joint roughness is performed using surface roughness parameter, Rs. Proposed method is applied to rock core specimens, field joint surfaces, and JRC profiles. The scale of fluctuation is introduced to extend the suggested method to the large scale field joint surface roughness. Based on the quantification of joint surface roughness, joint shear tests are performed with the portable shear box. The relationship between joint surface roughness and joint shear strength is investigated and finally, a rock joint shear strength equation is derived from these results. The equation has considerable credibility and originality in that it is obtained from laboratory tests and expressed with quantified parameter.
Joint roughness is combination of primary and secondary roughness. Ordinarily primary roughness is a geostatistical part of a joint surface that has a periodic nature but secondary roughness or unevenness is a statistical part of that which have a random nature. Using roughness generating algorithms is a useful method for evaluation of joint roughness. In this paper after determining geostatistical parameters of the joint profile, were presented two roughness generating algorithms using Mount-Carlo method for evaluation of primary (GJRGAP) and secondary (GJRGAS) roughness. These based on geostatistical parameters (range and sill) and statistical parameters (standard deviation of asperities height, SDH, and standard deviation of asperities angle, SDA) for generation two-dimensional joint roughness profiles. In this study different geostatistical regions were defined depending on the range and SDH. As SDH increases, the height of the generated asperities increases and asperities become sharper and at a specific range (a specific curve) relation between SDH and SDA is linear. As the range in GJRGAP becomes larger (the base of the asperities) the shape of asperities becomes flatter. The results illustrate that joint profiles have larger SDA with increase of SDH and decrease of range. Consequencely increase of SDA leads to joint roughness parameters such Z2, Z3 and RP increases. The results showed that secondary roughness or unevenness has a great influence on roughness values. In general, it can be concluded that the shape and size of asperities are appropriate parameters to approach the field scale from the laboratory scale.
This paper introduces the surface roughness parameter, Rs to the characterization of joint roughness and quantitatively illustrates the influence of joint roughness on the joint shear strength. A new peak shear strength criterion for rock joints using Rs is suggested. The results show that the surface roughness parameter, Rs can appropriately reflect the degree of roughness for the rock joint surfaces tested in this study A measuring interval of 2mm and profile length of 5cm can be used to characterize the joint roughness of the rock core size surfaces; however, the scale of fluctuation, $\delta_\alpha$ should be considered to extend the surface roughness parameter, Rs to the large-scale field rock joint surfaces. For the smooth joint roughness, sliding of the rock cores is the principal shear mechanism; however, the breakage of roughness from the rock cores is inferred for rougher joint roughness.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.1205-1210
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2005
The behavior of rock mass and solute(e.g. groundwater, radioactivity) flow in fractured rock can be directly influenced by joint roughness. The characteristics of joint roughness is also a main factor for the rock classification(e.g. RMR, Q system) which is usually used in tunnel design. Nevertheless, most of JRC estimation has been carried out only by the examination with the naked eye. This JRC estimation has a lack of objectivity because each investigator judges JRC by his subjective opinion. Therefore, it will be desirable that the assessment of JRC is performed by a numerical analysis which can give a quantitative value corresponding to the characteristics of a roughness curve. Meanwhile, roughness curves for joint surfaces which are observed in drill cores have been obtained only along linear profiles. Although roughness curves are measured in the same joint surface, they can frequently show diverse aspects in a standpoint of roughness characteristics. If roughness curves can be measured along the elliptical circumferences of joint surfaces from core scanning images or Televiewer images, they will certainly be more comprehensive than those measured along linear profiles for roughness characteristics of joint surfaces. This study is focus on dealing with (1) extracting automatically roughness curves from core scan image or Televiewer image, (2) improving the accuracy of quantitative assessment of JRC using fractal dimension concept.
Direct shear tests were carried out on the rock joints and artificial discontinuities to investigate the influence of joint roughness on the shear strength and deformation behaviour. Single direct shear testing apparatus used in experiment was designed and manufactured. Its capacity is 200 tons of shear load, 20 tons of normal load and 50$\textrm{cm}^2$ of maximum shear area. Test samples were cement mortar with artificial discontinuity and sandstone with natural joint. Peak shear strength was increased as joint roughness or normal stress was increased, especially, linearly increased with roughness angle in cement mortar. If joint roughness angle was constant at low normal stress, shear strength was not affected by width and height of joint roughness in cement mortar. Peak shear strengths obtained from tests were larger than the values calculated by Barton's equation, and shear stiffness was increased with joint roughness coefficient.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2000.11a
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pp.745-750
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2000
The shear strength of rock discontinuities is very important in many rock engineering project including analysis of tunnel and slope. But shear strength of rock that acquired through discontinuity shear test is different from soil shear test and more complex. Shear strength is effected by the factors which are various, but it is the best influence of filling material and joint roughness. In this research, we studied shear strength characters of natural joint of phillite that was placed importance on joint roughness, JRC is less low than 8.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.760-767
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2006
Underestimation of rock joint shear strength comes from an inadequate consideration of roughness mobilization behavior, which is changed by asperity size as well applied normal load. In this study, we performed rock joint shear tests, and studied the roughness mobilization characteristics related with the scale of normal stress and asperities. Test specimens with artificial triangular asperities were manufactured. The specimens consisted of 3 types, and each type represented unevenness, waviness and total roughness(superposition of unevenness and waviness). The experimental results show that the roughness mobilization characteristics are varied by the scale of normal stress and asperities. Furthermore, the investigation shows that the rate of geometrical component and mechanical component in the total roughness is also varied by the scale of normal stress and asperities. These results suggest that we should consider the roughness mobilization characteristics for the roughness quantification and the shear strength modelling.
Rock joint surface roughness, which is known to be one of the most important factors for defining shear strength of rock mass, has been researched in various methods. However, approaches to separate a roughness into two groups (primary and secondary) for evaluating the roughness have been rarely performed. In this study, elements of secondary roughness were eliminated through direct shear testing with tensile joint specimen and they were quantified with joint parameters. It is revealed that roughness parameters decrease with increasing the normal stress and sampling intervals, except for the case in which the normal stress is larger than 1.5 MPa. Also it is analyzed that ratio of area reduction in the opposite direction of shearing decreases with increasing the roughness parameter.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.8
no.2
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pp.183-196
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2006
Rock joint roughness obtained from the camera-type 3D scanner was classified into waviness and unevenness. The classification criteria were established in the previous study; digital filtering was used to distinguish one from another. The classified and original profiles were used to produce metal moulds. For accurate machining of the moulds, the WEDM(Wire-cut Electric Discharge Machining) was adopted. Specimens were cast using high strength gypsum, and joint shear tests were performed by varying normal stress from low value to high one. Roughness mobilization characteristics depending on the asperity scale and the applied normal stress were investigated. A new equation was proposed to predict shear strength of rock joint, which can consider the characteristics of roughness mobilization and roughness parameters. The roughness quantification composed of waviness and unevenness was found to be a useful method to predict the joint shear strength.
The ten standard roughness profiles suggested by Barton and Choubey (1977) were extended to make three-dimensional (3D) joint models whose profiles were identical at any cross section. Replicas of joint models were produced using plaster of Paris, and direct shear tests were performed to verify the joint roughness coefficients (JRC) of the standard roughness profiles. Joint shear strengths measured by direct shear tests were compared with those predicted by the shear failure criterion suggested by Barton (1973) based on JRC, joint compressive strength (JCS), and joint basic friction angle (𝜙b). Shear strengths measured from joints of the first and fourth standard roughness profiles were close to predicted values; however, shear strengths measured from the other joint models were lower than predicted, the differences increasing as the roughness of joints increased. Back calculated values for JRC, JCS, and from the results of the direct shear tests show measured shear strengths were lower than predicted shear strengths because of the JRC values. New JRC were back calculated from the measured shear strength and named JRCm. Values of JRCm were lower than the JRC for the standard roughness profiles but show a strong linear relationship to JRC. Corrected JRCm values for the standard roughness profiles are provided and revised relationships between JRCm and JRC, and new shear strength criterion are suggested.
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