Effect of Roughness on the Peak Shear Strength of Clay Infilled Joints under Constant Normal Stiffness

The shear behaviour of infilled joints produced from ordinary gypsum plaster (gyprock) and bentonite was investigated in the laboratory under Constant Normal Stiffness (CNS) conditions. Shear tests were performed on saw-tooth profiles having Joint Roughness Coefficients (JRC) of 4.75 and 9.25 under an initial normal stress (sno) of 0.30 to 1.10 MPa, and at a normal stiffness (kn) of 8.5 kN/mm. Test data under the same sno and infill thickness to asperity height ratio (t/a) were analysed for two different sets of JRC. The peak shear stress plotted against the t/a ratio under constant sno revealed an increase in peak shear stress with the increase in JRC, up to a t/a ratio of about unity. The effect of roughness on the peak shear stress was observed to be minimal when the t/a ratio exceeded 1.40. A mathematical model for the prediction of peak shear stress due to the increased infill thickness has been developed based on a hyperbolic stress-strain relationship and energy balance principles. The model predictions are in good agreement with the laboratory observations. Le comportement de cisaillement des joints remplis produits à partir de plâtre ordinaire et de bentonite a été étudié dans le laboratoire sous des conditions de rigidité normales constantes. Des essais de cisaillement ont été réalisés sur des profils en dents de scie ayant des coefficients de rugosité des joints (CRJ) variant de 4,75 à 9,25 sous un effort normal initial (sno) de 0,30 à 1,10 MPa, et une rigidité normale (kn) de 8,5 kN/mm. Le résultat des essais conduits sous la même contrainte et épaisseur de remplissage au rapport aspérité/hauteur (t/a) ont été analysés pour deux ensembles différents de CRJ. La variation de l'effort de cisaillement maximal contre le rapport t/a sous une contrainte normale constante a indiqué une augmentation de l'effort de cisaillement maximal avec l'augmentation du CRJ, jusqu'à un rapport de t/a proche de l'unité. L'effet de la rugosité sur l'effort de cisaillement maximal a été minimal quand le rapport t/a a excédé 1,40. Un modèle mathématique pour la prévision de l'effort de cisaillement maximal dû à l'épaisseur accrue du remplissage des joints a été développé sur la base de la variation entre contraintes hyperboliques et déformation et sur des principes de bilan énergétique. Les prévisions du modèle sont en bon accord avec les observations de laboratoire. Das Scherverhalten in mit gewöhnlichem Gips und Bentonit gefüllten Klüften wurde im Labor unter Bedingungen konstanter Normalsteifheit (CNS) untersucht. Scherversuche wurden durchgefürt für Sägezahnprofile mit Werten des Fugenrauhigkeitskoeffizienten (JRC) von 4.75 und 9.25 unter Normalspannungs-werten (sno) von 0.30 bis 1.10 MPa, und bei Normalsteifheit (kn) von 8.5 kN/mm. Testresultate für gleiche Werte von sno und Verhältnis Fülldicke zu Rauhigkeit (t/a) wurden untersucht für zwei verschiedene Werte von JRC. Die Beziehung zwischen maximaler Schubspannung und und t/a Verhältnis unter konstantem sno zeigte einen Anstieg der maximalen Schubspannung mit zunehmendem JRC, bis zu einem t/a Verhältnis von etwa 1.0. Der Einfluss der Rauhigkeit auf den Maximalwert der Schubspannung war minimal solange das t/a Verhältnis den Wert von 1.40 überstieg. Ein mathematisches Modell wurde entwickelt für die Vorhersage der Schubspannung die von zusätzlicher Fülldicke erwartet werden kann, ausgehend von einer hyperbolischen Spannungs-Dehnung Beziehung und dem Energiegleichgewichts-prinzip. Die Modellvorhersagen zeigten gute Uebereinstimmung mit den Laborbeobachtungen.