Knowledge of the failure behavior of friction materials considering their intermediate principal stress is related to an understanding of situations where these materials might be used: for example, the stability of deep-seated boreholes and fault slip analysis. This study designed equipment for physically implementing true triaxial compression and used it to assess specimens of plaster, a friction material. The material's mechanical behaviors are discussed based on the results. The applicability of the 3D failure criteria are also reviewed. The tested specimens were molded cuboids of width, length, and height 52, 52, and 104 mm, respectively. A total of 24 true triaxial compression tests were performed under various combinations of 𝜎3 and 𝜎2 conditions. Conventional uniaxial and triaxial compression tests were employed to estimate the mechanical properties of the plaster for use as parameters for 3D failure criteria. Examining the stress-strain relations of the plaster materials showed that a large difference between the intermediate principal stress and the minimum principal stress indicated strong brittle behavior. The mechanical behavior of the plaster used here reflects the change of intermediate principal stress. Nonlinear multiple regression analysis on the test data in the principal space showed that the modified Wiebols-Cook failure criterion and the modified Lade failure criterion were the most suitable 3D failure criteria for the tested plaster.
This paper deals with the buckling and postbuckling responses, and the progressive failure of square laminates of symmetric lay-up with a central rectangular cutout under in-plane shear load. A detailed investigation is made to show the effects of cutout size and cutout aspect ratio on the buckling and postbuckling responses, failure loads and failure characteristics of $(+45/-45/0/90)_{2s}$, $(+45/-45)_{4s}$ and $(0/90)_{4s}$ laminates. The 3-D Tsai-Hill criterion is used to predict the failure of a lamina while the onset of delamination is predicted by the interlaminar failure criterion. In addition, the effects of boundary conditions on buckling loads, failure loads, failure modes, and maximum transverse deflection for a $(+45/-45/0/90)_{2s}$ laminate with and without a square cutout have been presented. It is concluded that because of early onset of delamination at the net section of cutouts before first-ply failure, total strength of the laminate with very small cutouts can not be utilized.
This paper investigates the stability of a three-dimensional (3D) wedge under the pseudo-static action of an earthquake based on the nonlinear Barton-Bandis (B-B) failure criterion. The influences of the mechanical parameters of the discontinuity surface, the geometric parameters of the wedge and the pseudo-static parameters of the earthquake on the stability of the wedge are analyzed, as well as the sensitivity of these parameters. Moreover, a stereographic projection is used to evaluate the influence of pseudo-static direction on instability mode. The parametric analyses show that the stability coefficient and the instability mode of the wedge depend on the mechanical parameter of the rock mass, the geometric form of the wedge and the pseudo-static state of the earthquake. The friction angle of the rock φb, the roughness coefficient of the structure surface JRC and the two angles related to strikes of the joints θ1 and θ2 are sensitive to stability. Furthermore, the sensitivity of wedge height h, the compressive strength of the rock at the fracture surface JCS and the slope angle α to the stability are insignificant.
The generalized Hoek-Brown failure criterion, the strength parameters of which are determined by using the GSI index, is an empirical nonlinear failure criterion of rock mass and has been widely employed in various rock engineering practices. Many rock engineering practitioners, however, are still familiar with the description of the strength of rock mass in terms of friction angle and cohesion. In addition, almost all rock mechanics softwares incorporate the simple linear Mohr-Coulomb function. Therefore, it is necessary to provide a tool to implement the Hoek-Brown function in the framework of the Mohr-Coulomb criterion. In this study, the use of upper-bound solution of limit analysis for bearing capacity of a strip footing resting on the ground surface is proposed for the estimation of the equivalent friction angle and cohesion of rock mass incorporating the generalized Hoek-Brown failure criterion. The upper-bound bearing capacity is expressed in terms of friction angle by use of the relationship between tangential friction angle and tangential cohesion implied in the generalized Hoek-Brown function. The friction angle minimizing the upper-bound bearing capacity is taken as the equivalent friction angle. Through the illustrative implementations of the proposed method, the influences of GSI, $m_i$ and D on the equivalent friction angle and cohesion are investigated.
Cutouts are often provided in structural and aircraft components for ventilation, for access, inspection, electric lines and fuel lines or sometimes to lighten the structure. This paper addresses the effects of cutout shape (i.e., circular, square, diamond, elliptical-vertical and elliptical-horizontal) and size on buckling and postbuckling response of quasi-isotropic (i.e., $(+45/-45/0/90)_{2s}$) composite laminate under uni-axial compression. The finite element method is used to carry out the investigation. The formulation is based on first order shear deformation theory and von Karman's assumptions are used to incorporate geometric nonlinearity. The 3-D Tsai-Hill criterion is used to predict the failure of a lamina while the onset of delamination is predicted by the interlaminar failure criterion. It is observed that for the smaller size cutout area there is no significant effect of cutout shape on load-deflection response of the laminate. It is also concluded that the cutout size has substantial influence on the buckling and postbuckling response of the laminate with elliptical-horizontal cutout, while this effect is observed to be the least in case of laminate with elliptical-vertical cutout.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1994.03b
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pp.3-12
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1994
Based on the shear failure mechanism, hydraulic fracturing criteria are extended to three dimensional stress state. According to the situation of the directions of borehole and major principal stress axes, three equations can be derived for three dimensional hydraulic fracturing problems. By comparing these equations, a single criterion is selected for hydraulic fracturing pressure in cohesive soils. The criterion is a function of maximum principal stress, minimum principal stress and soil parameters in UU conditions. The equation indicates that with any increase in maximim principal stress, hydraulic fracturing pressure decreases. In order to prove the integrity of the criteria, laboratory tests are performed on compacted cubical specimens using true a triaxial apparatus. The shape and direction of fractures are determined by injecting colored water after fracture initiation. It is found that the direction of fractures are perpendicular to the o1 plane.
In this study, a new analytical-numerical procedure is developed to give the stresses and strains around a circular tunnel in rock masses exhibiting different stress-strain behavior. The calculation starts from the tunnel wall and continues toward the unknown elastic-plastic boundary by a finite difference method in the annular discretized plastic zone. From the known stresses in the tunnel boundary, the strains are calculated using the elastic-plastic stiffness matrix in which three dimensional Hoek-Brown failure criterion (Jiang and Zhao 2015) and Mohr-Coulomb potential function with proper dilation angle (i.e., non-associated flow rule) are employed in terms of stress invariants. The illustrative examples give ground response curve and show correctness of the proposed approach. Finally, from the results of a great number of analyses, a simple relationship is presented to find out the closure of circular tunnel in terms of rock mass strength and tunnel depth. It can be valuable for the preliminary decision of tunnel support and for prediction of tunnel problems.
The calculation of active earth pressure behind retaining wall is a typical three-dimensional (3D) problem with spatial effects. With the help of limit analysis, this paper firstly deduces the internal energy dissipation power equations and various external forces power equations of the 3D retaining wall under the nonlinear strength condition, such as to establish the work-energy balance equation. The pseudo-static method is used to consider the effect of earthquake on active earth pressure in horizontal state. The failure mode is a 3D curvilinear cone failure mechanism. For the different width of the retaining wall, the plane strain block is inserted in the symmetric plane. By optimizing all parameters, the maximum value of active earth pressure is calculated. In order to verify the validity of the new expressions obtained by the paper, the solutions are compared with previously published solutions. Agreement shows that the new expressions are effective. The results of different parameters are given in the forms of figures to analysis the influence caused by nonlinear strength parameters.
Many hydropower stations in southwest China are located in regions of brittle rock mass with high geo-stresses. Under these conditions deep fractured zones often occur in the sidewalls of the underground caverns of a power station. The theory and methods of fracture and damage mechanics are therefore adopted to study the phenomena. First a flexibility matrix is developed to describe initial geometric imperfections of a jointed rock mass. This model takes into account the area and orientation of the fractured surfaces of multiple joint sets, as well as spacing and density of joints. Using the assumption of the equivalent strain principle, a damage constitutive model is established based on the brittle fracture criterion. In addition the theory of fracture mechanics is applied to analyze the occurrence of secondary cracks during a cavern excavation. The failure criterion, for rock bridge coalescence and the damage evolution equation, has been derived and a new sub-program integrated into the FLAC-3D software. The model has then been applied to the stability analysis of an underground cavern group of a hydropower station in Sichuan province, China. The results of this method are compared with those obtained by using a conventional elasto-plastic model and splitting depth calculated by the splitting failure criterion proposed in a previous study. The results are also compared with the depth of the relaxation and fracture zone in the surrounding rock measured by field monitoring. The distribution of the splitting zone obtained both by the proposed model and by the field monitoring measurements are consistent to the validity of the theory developed herein.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2008.05a
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pp.320-323
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2008
In this study, a macroscopic approach was carried out to gain insight into the bending mechanism of metallic sandwich plates. Shear force-punch stroke curves for various clearances were analytically derived for mild steel (CSP 1N) sandwich plates with the total thickness of 3 mm and 0.5 mm face sheets. As the clearance increases, shear force of the inner structures and sensitivity of punch stroke decrease. These data are useful to derive a criterion of judgment for core shear failure and de-bonding failure during U-bending.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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