The strength parameters used in rock mass design are mainly estimated by equations using Hoek-Brown failure criterion because the tests to obtain the values are limited and expensive. To estimate the strength parameters, the Hoek-Brown failure criterion should be transformed to the Mohr-Coulomb failure criterion. But the processes are more or less cumbersome due to the several stages including the computation and the analyzing steps. In this study, several rock states of various conditions were modeled and then the strength parameters were estimated using the Hoek-Brown failure criterion. Thereafter by analyzing the results, some charts and equations estimating the strength parameters through only one step or easily in the field using the values of RMC, the uniaxial compressive strength and the rock constant ($m_i$), were suggested. And then the suggested method was compared and discussed with the existing method.
Friction angle and cohesion of rock masses can be estimated from Hoek and Brown failure criterion and then plastic corrections can be applied using Mohr-Coulomb yield function. This study finds that this estimation procedure would not be appropriate for weak rock masses and for cases where low confining stress is expected to develop. A procedure is outlined in this paper for estimating plastic corrections directly from Hoek and Brown material model. Comparative study shows that direct procedure would simulate non-linear failure surface better than indirect procedure especially in the low confining stress regime.
The generalized Hoek-Brown (GHB) failure criterion developed by Hoek et al. (2002) is a nonlinear function which defines a stress condition at failure of rock mass. The relevant strength parameter values are systematically determined using the GSI value. Since GSI index is a value quantifying the condition of in-situ rock mass, the GHB criterion is a practical failure condition which can take into the consideration of in-situ rock mass quality. Considering that most rock mechanics engineers are familiar with the linear Mohr-Coulomb criterion and that many rock engineering softwares incorporate Mohr-Coulomb criterion, the equations for the equivalent friction angle and cohesion were also proposed along with the release of the GHB criterion. The proposed equations, however, fix the lower limit of the minor principal stress range, where the linear best-fitting is performed, with the tensile strength of the rock mass. Therefore, if the tensile stress is not expected in the domain of analysis, the calculated equivalent friction angle and cohesion based on the equations in Hoek et al. (2002) could be less accurate. In order to overcome this disadvantage of the existing equations for equivalent friction angle and cohesion, this study proposes the analytical formula which can calculate optimal equivalent friction angle and cohesion in any minor principal stress interval, and verified the accuracy of the derived formula.
The Hoek-Brown failure criterion for rock masses developed first in 1980 is widely accepted and has been applied in a variety of rock engineering problems including slope analyses. The failure criterion was modified over the years because rock mass strength by the original failure criterion in 1980 was overestimated. The modified failure criterion, named Generalized Hoek-Brown Failure Criterion, was proposed with a new classification called the Geological Strength Index(GSI) in 1994. Generally, Hoek-Brown failure criterion is applied in numerical analyses of rock mass behaviors using equivalent Mohr-Coulomb parameters estimated by linear regression method. But these parameters estimated by this method have some inaccuracies to be applied and to be incorporated into numerical models and limit equilibrium programs. The most important issue is that this method cannot take account of non-linear characteristics of Hoek-Brown criterion, therefore, equivalent Mohr-Coulomb parameters is used as constant values regardless of field stress distribution in rock masses. In this study, the numerical analysis on rock slope stability considering non-linear characteristics of Hoek-Brown failure criterion was carried out. Futhermore, by the latest Hoek-Brown failure criterion in 2002, the revised estimating method of equivalent Mohr-Coulomb parameters was applied and rock mass damage criterion is introduced to account for the strength reduction due to stress relaxation and blast damge in slope stability.
Since the generalized Hoek-Brown criterion (GHB) provides an efficient way of identifying its strength parameter values with the consideration of in-situ rock mass condition via Geological Strength Index (GSI), this criterion is recognized as one of the standard rock mass failure criteria in rock mechanics community. However, the nonlinear form of the GHB criterion makes its mathematical treatment inconvenient and limits the scope of its application. As an effort to overcome this disadvantage of the GHB criterion, the explicit approximate analytical equations for the minimum principal stress, which is associated with the maximum principal stress at failure, are formulated based on the Taylor polynomial approximation of the original GHB criterion. The accuracy of the derived approximate formula for the minimum principal stress is verified by comparing the resulting approximate minimum principal stress with the numerically calculated exact values. To provide an application example of the approximate formulation, the equivalent friction angle and cohesion for the expected plastic zone around a circular tunnel in a GHB rock mass are calculated by incorporating the formula for the approximate minimum principal stress. It is found that the simultaneous consideration of the values of mi, GSI and far-field stress is important for the accurate calculation of equivalent Mohr-Coulomb parameter values of the plastic zone.
A simple analytical approach for stability assessment of underground storage caverns against ground uplift of overburden rock above the rock caverns for high pressurized fluid such as compressed air energy storage (CAES) and compressed natural gas (CNG) was developed. In the developed approach, we assumed that failure plane of the overburden is straight upward to ground surface, and factor of safety can be calculated from a limit equilibrium analysis in terms of this cylindrical shape failure model. The frictional resisting force on the failure plane was estimated by Hoek-Brown strength criterion which replaces with Mohr-Coulomb criterion such that both intact rock strength and rock mass conditions can be considered in the current approach. We carried out a parametric sensitivity analysis of strength parameters under various rock mass conditions and demonstrated that the factor of safety againt ground uplift was more sensitive to Mohr-Coulomb strength criterion rather than Hoek-Brown criterion.
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.
Recently, twin-tunnel is often designed in the aspects of disaster prevention and economical reasons. However, the design cases and the studies are relatively insufficient. By the twin-tunnel excavation, deviate stresses of pillar between tunnels are increased and the increased stresses induce the instability of the twin-tunnel. In this study, numerical analyses about the twin-tunnel behaviour were conducted with varying ground strength, width of pillar and depth of earth cover and a series of regression analyses were carried out by using the results of numerical analyses for the twin-tunnel. Based on the numerical analyses, an estimation method of derived stresses is suggested through the regression analyses. Also, based on the results of regression analyses, an quantitative estimation method considering the reinforcement effects is also suggested. Then various parametric studies were conducted to be considered the reinforcement type and various design parameters. Finally, the efficiency of the suggested method based on the Hoek-Brown Failure Criterion is verified through the results of parametric studies.
The generalized Hoek-Brown (GHB) criterion, which is recognized as one of the standard failure conditions for rock mass, is specialized for rock engineering applications and covers a wide range of rock mass conditions. Accordingly, many research efforts have been devoted to the incorporation of this criterion into the stability analysis of rock structures. In this study, the slip-line analysis method, which is a kind of elastoplastic analysis method, is combined with the GHB failure criterion to derive analytical equations that can easily calculate the plastic radius and stress distribution in the vicinity of the circular tunnel. In the process of derivation of related formulas, it is assumed that the behavior of rock mass after failure is perfectly plastic and the in-situ stress condition is hydrostatic. In the formulation, it is revealed that the plastic radius can be calculated analytically using the two respective tangential friction angles corresponding to the stress conditions at tunnel wall and elastic-plastic boundary. It is also shown that the plastic radius and stress distribution calculated using the derived analytical equations coincide with the results of Lee & Pietruszczak's numerical method published in 2008. In the latter part of this paper, the influence of the quality of the rock mass on the size of the plastic zone, the stress distribution, and the change of the tangential friction angle was investigated using the derived analytical equations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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