Fundamental Study on Shear Behavior of Non-persistent Joints

Abstract

The mechanical behavior of intact rock between adjacent joints (rock bridge) as well as the geometrical and mechanical properties of joints is highly influential with regard to the shear strength of the weakness planes. Usually, several non-persistent coplanar/en-echelon joints interact in a rock mass which is under pressure and eventually form a combined shear plane where failure takes place. Therefore, comprehensive knowledge of the shear mechanism of both joints and rock bridges is required to assess the shear strength of a probable failure path. To investigate the shear behavior of weakness planes a novel procedure was proposed to prepare casted specimens embedding non-persistent (disc-shaped) rough joints using 3D printing and casting technologies. Rock bridge ratio and joint dispersion effects of both single joint and coplanar intermittent joints on the shear strength of the 3D printed and plaster specimens were experimentally examined by conducting several direct shear tests under constant normal load (CNL) condition. The results showed that, regardless of the number of joints on the plane of weakness, the rock bridge ratio has an increasing effect on the shear strength. Digital image correlation (DIC) technique demonstrated that the moment of force exerted due to the boundary condition applied by a direct shear test machine disturbs the uniform distribution of the normal and shear loads on the plane of weakness. Hence, the joint layout on the plane of weakness could be influential to a great extent. DIC analysis also showed that the cracks mainly initiate in tensile mode. Moreover, it was found that the joints embedded in specimens with higher rock bridge ratios have smaller contribution to the shear strength. The influence of the joint roughness on the shear behavior of the rock mass containing a single non-persistent rough joint was studied through an extensive experimental work when other variables, namely nominal normal stress and rock bridge ratio are considered. Three levels for three different variables (joint roughness, rock bridge ratio, and nominal normal stress) were considered, and the effects of these factors on the shear behavior of prepared specimens were tested. The experimental results showed a clear influence of the three variables on the shear strength of the specimens. The rock bridge ratio and the normal stress were found to be relatively more influential than the joint roughness with regard to the shear strength of the specimens. It is proved that the shear strength cannot be traditionally evaluated by simply adding the shear strength of the jointed zone to that of the bridged zone while the zones are under identical normal stress. The results also showed that normal stress applied to the embedded jointed zone of weakness planes is smaller than that to the bridged zone but still considerable and should thus be taken into account during shear strength evaluation. Furthermore, three distinct phases of dilation were detected for specimens containing a non-persistent rough joint. The first phase demonstrates the dilation of the specimens before the failure point. A DIC analysis revealed that the dilation in this phase is partially due to the rotation of the specimens as a result of the inevitable existing gap between the upper and lower specimen holders of the direct shear test machine. In the second phase, dilation due to crack propagation and coalescence is followed by compression due to the closure of the enforced failure plane. Finally, the third phase of dilation complies with the dilation mechanism of a persistent rough joint. Moreover, a camcorder was used to analyze the location and sequence of the initiated cracks. In most cases, the first crack was initiated at the axis of rotation and propagated to the circumference of the embedded joint and the last crack propagated from the other side of the joint circumference, eventually resulting in a rupture. It is important to note that the cracks that initiated and propagated before the final crack did not significantly alter the path of the shear stress-shear displacement curves. The amount of normal load applied to the non-persistent embedded joints (joint normal stress) is one of the key factors for the estimation of joint friction contribution to the shear strength of rock mass containing the joints. Two different experimental approaches are proposed to measure the joint normalstress. The first approach (approach I) retrieves the joint normal stress by examining the normal stress-joint closure relationship of specimens containing non-persistent joints, and the second approach (approach II) utilizes joint crushed area as an indicator. The results of experiments carried out based on the approach I show that the joint normal stress is greater when the size of the embedded joint and the normal stress applied to the specimen containing that joint are greater. An analytical equation is proposed to evaluate the joint normal stress by assuming a uniform normal deformation throughout the rock mass undergoing normal stress, and is validated by the results of approach I experiments. Lastly, the effects of some influential factors, namely normal stress, rock bridge ratio, joint roughness, and material strength, on the shear behavior of the specimens containing a single non-persistent rough joint were experimentally analyzed to reach an empirical model representing the shear strength of the specimens. In order to investigate the pure effects of the main factors and their interactions on the shear strength of the specimens, and also to express the results of the experiments quantitatively, in terms of an empirical model, twenty seven-trial orthogonal array matrix (L27) developed by Taguchi techniques was selected for providing the experimental layout. The shear strength of twenty seven specimens was measured through conducting direct shear test based on the selected experimental layout. Finally, an empirical criterion which can precisely express the relationship between the shear strength of the specimens and the investigated parameters was proposed. 91% of the variability in the shear strength of the specimens can be explained by the proposed model.

일반적으로 암반의 연약면은 한 평면상에 존재하는 여러 내포절리(non-persistent joint)가 상호작용하여 형성된다. 암반 연약면의 전단강도는 내포절리의 기하학적 그리고 기계적인 성질과 그 인접한 내포절리 사이에 존재는 무결암(석교; rock bridge)의 기계적인 성질에 의해 결정된다. 따라서, 전단파괴 가능성이 있는 연약면의 전단강도를 평가하기 위해서는 절리와 석교의 전단파괴 메커니즘에 대한 통합적인 이해가 필요하다. 이 연구에서는 연약면의 전단거동을 조사하기 위해 거칠기가 있는 절리를 내포하는 시편을 3D 프린팅 및 주조 기술 이용하여 제작하는 기법을 제안하였다. 일정수직하중(constant normal load; CNL) 조건 하의 직접전단시험을 통해, 석교 비 (rock bridge ratio)와 절리 분산도 (joint dispersion)가 단일 혹은 여러 내포절리를 가진 시편의 전단강도에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 연약면에 존재하는 내포절리의 개수와 상관 없이 석교 비가 증가하면 시편의 전단강도가 증가한다는 것을 확인하였다. 또한 디지털 이미지 상관법(digital image correlation)을 통해 직접전단시험기의 경계 조건 하에 발생하는 돌림힘이 연약면의 수직응력과 전단응력의 분포를 교란시킨다는 것을 확인하였다. 따라서 교란된 응력 분포에 의해 내포절리의 위치 분포가 연약면에 큰 영향을 미칠 수 있음을 보였다. 더 나아가, 디지털 이미지 상관법을 통해 전단과정에서 발생하는 균열이 대부분 인장균열임을 확인하였다. 그리고 큰 석교 비의 시편에 내포된 절리일수록 전단강도에 더 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 절리 거칠기가 단일 내포절리를 포함한 암반의 전단거동에 미치는 영향을 명목 수직응력 (nominal normal stress)과 석교 비를 고려하여 조사하였다. 3 가지 요인 (절리 거칠기, 명목 수직응력과 석교 비)에 대해 각각 3 가지 수준을 고려하였으며, 각 요인이 시편의 전단거동에 미치는 영향을 광범위한 실험을 통해 조사하였다. 실험 결과, 시편의 전단강도는 3 가지 요인으로부터 명확한 영향을 받았으며 그 중에서 석교 비와 명목 수직응력이 절리 거칠기에 비해 강한 영향을 끼쳤다. 또한 연약면의 전단강도를 단순히 절리면과 주변 무결암의 동일 수직응력 하의 전단강도 합으로 평가할 수 없다는 것을 확인하였다. 내포절리에 적용하는 수직응력이 석교에 적용하는 수직응력에 비해 작지만 연약면의 전단강도를 평가할 때 무시하지 못하는 정도였다. 더 나아가, 거칠기가 있는 내포절리를 포함한 시편의 전단팽창 (shear dilation) 과정을 3 단계로 구분할 수 있었다. 첫 번째 단계는 전단파괴 이전의 팽창을 나타낸다. 디지털 이미지 상관법을 통해 첫 번째 단계에 해당하는 변위의 일부는 직접전단시험기에서 시편을 고정하는 상부와 하부 사이에 존재하는 틈에 의한 시편의 회전에 기인한 것임을 확인하였다. 두 번째 단계에서는 균열 성장에 의한 팽창과 이를 뒤따르는 연약면의 닫힘이 나타난다. 마지막으로 세 번째 단계에서는 완전한 거친 절리 (persistent rough joint)의 전단팽창거동과 일치하는 거동이 나타난다. 전단과정에서 발생하는 균열의 위치와 순서의 경우 전단시험을 동영상 촬영하여 분석하였다. 대부분의 경우에 첫 번째 균열은 시편의 회전축에서 시작하여 내포절리의 가장자리로 성장하였으며 마지막 균열은 내포절리의 반대편 가장자리에서 성장하면서 최종적으로 시편이 파괴에 도달하였다. 이때 마지막 균열 이전에 성장한 균열들은 전단응력-변위곡선의 경로를 크게 바꾸지 못했다. 내포절리에 적용하는 수직응력(절리 수직응력; joint normal stress)은 절리의 마찰이 내포절리가 있는 암반의 전단강도에 미치는 영향을 예측하는데 필요한 주요인자이다. 이 연구에서는 절리 수직응력을 측정하기 위한 실험적 접근법 두 가지를 제안하였다. 첫 번째 접근법은 수직응력-절리 닫힘 관계를 이용하여 절리 수직응력을 측정하며, 두 번째 접근법은 절리의 파쇄 영역을 이용하여 절리 수직응력을 측정한다. 첫번째 접근법을 이용하여 절리 수직응력을 측정한 결과, 절리 수직응력은 내포절리의 크기가 클수록 그리고 시편에 적용된 수직응력이 클수록 큰 것으로 나타났다. 더 나아가 암반의 수직변위가 암반 내에서 균일하다 가정하여 절리 수직응력을 계산하는 이론식을 제안하였으며 실험에서 측정된 절리 수직응력을 통해 검증을 하였다. 마지막으로 수직응력, 석교 비, 절리 거칠기 그리고 재료 강도가 단일 내포절리를 가지는 시편의 전단거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하여 시편의 전단강도를 추정하는 경험식을 도출하였다. 전단강도에 대한 주요인자들의 순수한 영향과 인자 간의 상호작용에 의한 영향을 정량적으로 조사하기 위해, 다구찌 방법 (Taguchi method)의 27-직교 배열 (27-trial orthogonal array matrix; L27)하에서 27 개 시편의 전단강도를 측정하였다. 측정된 전단강도를 바탕으로 전단강도와 조사된 인자들의 관계를 정확히 표현하는 경험식을 도출 및 제안하였다. 제안한 경험식은 시편의 전단강도 변동성의 91%를 설명한다.