This paper deals with the analysis of rock slope stability using the distinct element method. This method consists in analysis of the interaction of discrete block assemblage delimited by elementary joints, which permits to consider the heterogeneous, anisotropic and discontinuous features of the rock mass. In particular, we were able to show that this method, and especially the BRIG3D software, is an outstanding tool which gives informations of greatest interest in order to analyze the toppling mechanisms. We have confirmed the fundamental role of the rock mass structure with different simulations. In the case of toppling phenomena, the essential parameter is the dip of major discontinuities. It has an influence on the intensity and volume of deformations. The anisotropic and heterogeneous features of the rock mass play also an important role. It is proved by insertion of thick rock bars in the structure or varying rock block sizes in the mass. These models modified considerably the stress distribution and the deformation distribution. Finally, we have analyzed the influence of mechanical parameters such as friction angle and tangential stiffness.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.1484-1489
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2005
An inhomogeneous and anisotropic rock has different properties at different location. Thus, this refers to any of the properties which we may be measuring. There are two concepts of rock mass, namely, CHILE(Continuous, Homogeneous, Isotropic, Linear Elastic) material and DIANE(Discontinuous, Inhomogeneous, Anisotropic, Non-linear Elastic) rock. The former is essentially the properties of intact rock, the latter is essentially the properties governed by the structure of rock. In geotechnical aspect, the most important parameter is strength of rock or rock mass. In particular, characteristics of strength of rock mass depend upon the orientation of discontinuities And this orientation of discontinuities has different properties at different direction of excavation. Therefore, it needs for characterization of different properties of discontinuity orientation against different direction of excavation.
For transversely isotropic rocks such as schist, shale, etc, a method to determine the anisotropic elastic constants was proposed. Theoretically, equations of elastic constants E1, E2, and G2 can be derived from the measured strains in arbitrary three directions. If we attach three strain gages in accordance with the directons of anisotropy on the rock specimen under uni-axial compression, anisotropic elastic constants can be determined by these equations. With this method, the degree of anisotropy of transversely isotropic rocks will be easily evaluated by simple laboratory test.
Scaled model tests were performed to evaluate the reinforcement effect of rock bolts in anisotropic rock mass. For this purpose, two tunnel cases were experimented which had different tunnel sizes, rock strengths, anisotropic angles and coefficients of lateral pressure. The fully grouted rock bolts of the D25 deformed bar were modeled as the basting pins with bead and were systematically installed at the roof and the side wall of the model tunnel. As results of the first case experimentations, the unsupported model showed initial crack at the roof of tunnel, but the supported model with rock bolts showed initial crack at the floor of tunnel where rock bolts were not installed. The crack initiating pressure and the maximum pressure of the supported model with rock bolts were 11% and 7% larger than those of the unsupported model, respectively. Moreover, the effect of the existing discontinuities in anisotropic rock mass on the fracture behavior of tunnel was reduced in the supported model, and so the reinforcement effect of rock bolt turned out to be experimentally verified. As results of the second case experimentations considering different support patterns, the crack initiating pressures of models were larger and the reduction ratios of tunnel area according to applied load were smaller as the length and the quantity of rock bolts were larger. Therefore, it was found that the performance of the rock bolts turned out to be improved as they were larger.
In order to investigate the characteristics in tensile strength of transversely isotropic rock, a new anisotropic tensile failure function was suggested. According to the function, the tensile strength is minimum in the normal direction to a weakness plane and rises exponentially to its maximum on a plane perpendicular to the weakness plane. The anisotropic function is defined in terms of three strength parameters which can be identified trom direct tensile tests of transversely isotropic rocks. By incorporating the suggested function into the critical plane approach, a numerical procedure which enables to search the tensile strength and the direction of critical plane at failure was presented. The validity of the suggested numerical procedure was checked through the simulation of direct tensile tests reported in a literature. The numerical results from the simulation were in good agreements with those from the laboratory tests.
Based on the critical plane approach, a methodology far predicting the anisotropic strength ot transversely isotropic rock is Proposed. It is assumed that the rock failure is governed by Hoek-Brown failure criterion. In order to establish an anisotropic failure function, Mohr envelope equivalent to the original Hoek-Brown criterion is used and the strength parameters m, s are expressed as scalar functions of orientation. The conjugate gradient method, which is one of the robust optimization techniques, is applied to the failure function for searching the orientation giving the maximum value of the anisotropic function. While most of the existing anisotropic strength models can be applied only when the stress condition is the same as that of conventional triaxial compression test, the proposed model can be applied to the general 3-dimensional stress conditions. Through the simulation of triaxial compression tests for transversely isotropic rock sample, the validity of the proposed method is investigated by comparing the predicted triaxial strengths and inclinations of failure plane.
Lee, Jun Seok;Bang, Chun Seok;Choe, Il Yun;Eom, Ju Hwan
Magazine of korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.1
no.1
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pp.67-80
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1999
The Grout-reinforcement technique which is widely used during the excavation of a shallow or an endangered tunnel can be classified into a couple of groups according to the properties and injection methods of the grout. The reinforcement design will, therefore, take a different approach based on the grouting method under consideration. However, the injection procedure is mainly performed by the experience of the foreman rather than engineering judgement , specifically the permeation grouting through the rock joints and its reinforcement effect Is not fully under-stood during the design stage, In this study, the anisotropic material properties of the grout-reinforced rock masses are derived from the concept of composite materials and the effect of intact rock, vertical grouting and permeation grouting is, therefore, fully accounted for. Through the parametric studies on the characteristics of rock joints, intact rock and grouting materials, various case studies have been considered. The results, illustrated via the design charts, can be directly used during the reinforcement design.
The effects of geologic structures such as rock joins and bedding planes on the thermal conductivity of a discontinuous rock mass are studied. The expressions for the equivalent thermal conductivities of jointed rock masses are derived and found to be anisotropic. The degree of anisotropy depends primarily on the thermal properties contrast between the joint phase and surrounding intact rock, the joint density expressed as volume fraction and the inclination angle of the joint. Within the context of 2-dimensional finite element heat transfer scheme, the isotherms around a circular hole are analyzed for both the isotropic and anisotropic rock masses in 3 different thermal boundary conditions. i.e. temperature, heat flux and convection boundary conditions. The temperature in the stratified anisotripic rock mass is greatly influenced by the thermal properties of the rock formation in contact with the heat source. Using the excavation-temperature coupled elastic plastic finite element method, analyzed is the thermo-mechanical stability of a circular opening subjected to 10$0^{\circ}C$ at a depth of 527m. It is found that the thermal stress concentration was enough to deteriorate the stability and form a plastic yield zone around the opening, in contrast to the safety factor greater than 2 resulted form the excavation-only analysis.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2000.11a
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pp.729-736
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2000
For nonhomogeneous and anisotropic rocks such as schist, shale, etc, a method to determine the anisotropic elastic constants was proposed. Many authors have investigated in detail the behavior elastic constants of anisotropy rocks(Pinto 1970, Amadei 1983, 1992, Amadei & Savage 1989). They concluded that equations of elastic constants E$_1$, E$_2$ and G$_2$ can be derived from the measured strains in arbitrary three directions. And, modulus of elasticity varies according to the inclination of discontinuity in specimens. If we attach three strain gages in accordance with the directions of anisotropy on the rock specimen under uni-axial compression and diametral compression tests, anisotropy elastic constants can be determined by these equations. With this method, the degree of anisotropy will be easily evaluated by simple laboratory test. This paper presents the results of elastic constants due to the angle of bedding planes of anisotropic rock, such as shale, in uni-axial compression and diametral compression tests
Many mechanical defects originated from various geological causes make rock mass exhibit anisotropic characteristics. Understanding how the stress distribution occurs in anisotropic rock mass is, therefore, very important for the design of footings on rock and rock structures. In this study, the patterns of elastic stress distribution, developed by acting line load on the surface, in transversely isotropic was investigated. The influence of joint stiffness, joint spacing, and dip angle on the stress distribution was examined. By assuming the Mohr-Coulomb criterion as joint slip condition, the development of joint slip zone was also discussed.
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