Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.7
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pp.529-535
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2016
In this theoretical study, the strength parameters of the Drucker-Prager yield criterion and Mohr-Coulomb yield criterion were set to equal values, in order to analyze the correlation among the parameters. The Drucker-Prager strength parameters ${\alpha}$ and k were represented by the Mohr-Coulomb strength parameters c and ${\phi}$. Specifically it can be seen that k is function of c, ${\phi}$ and ${\alpha}$ is function of ${\phi}$ alone. Drucker-Prager strength parameter ${\alpha}$ increases as the internal friction angle of soil increases. ${\alpha}_{av}$ which is the average of ${\alpha}_c$ and ${\alpha}_i$ was proportional to internal friction angle in which ${\alpha}_c$ and ${\alpha}_i$ are ${\alpha}$ values corresponding to the circles of the Drucker-Prager yield cirteria circumscribes and inscribes the Mohr-Coulomb yield criterion respectively. The values of the ${\alpha}_{av}$ was 0.07 and 0.29 which correspond to the internal friction angle of $10^{\circ}$ and $45^{\circ}$ respectively. In addition, value of ${\alpha}_c/{\alpha}_i$ was proportional to internal friction angle of soil and the values of ${\alpha}_c/{\alpha}_i$ 1.12 and 1.62 which corresponds to internal friction angle of $10^{\circ}$ and $45^{\circ}$ respectively.The influence of the Mohr-Coulomb strength parameters on the Drucker-Prager strength parameter k was investigated and it was found that k was mainly influenced by the cohesion of the soil, except in the case of the minimum assumed value of c of 10kPa. The deviator stresses, $S_{c0}$ and $S_{t0}$, which correspond to the cases of the Mohr-Coulomb yield criterion under uniaxial compression and uniaxial tension, respectively, and $S_{0(ave)}$, which is the average value of $S_{c0}$ and $S_{t0}$, decrease as the internal friction angle increases. Furthermore, the hexagon, which represents the Mohr-Coulomb yield locus, becomes more irregular, and the deviations of $S_{c0}$ and $S_{t0}$ from $S_{0(ave)}$ also increase, as the internal friction angle increases.
In this study, a series of triaxial tests to Jeju basalt were carried out and then shear strength parameters of rock were estimated by the Lade's three-dimensional failure criterion. Also, the characteristics of shear strength parameters and failure plane which were estimated by the three-dimensional failure criterion were analyzed and this failure criterion was compared with the Mohr-Coulomb failure criterion. The variables of ${\eta}_1$ and m are derived from the relationship between ($I_1^3/I_3-27$) and ($P_a/I_1$) during the failure period using the Lade's three-dimensional failure criterion. The failure plane size of Tracy-basalt has the largest plane and that of Scoria has the smallest plane among other octahedral planes which is the three-dimensional failure plane. Also, the failure plane of Tracy-basalt is formed as a triangle and that of Scoria is formed as a circle among other octahedral planes. As the result of comparison with the triaxial test results and the Lade's failure envelope and the Mohr-Coulomb failure envelope, the Lade's failure envelope matched up under higher stress, while the Mohr-Coulomb failure envelope matched up under lower stress. Also, the Lade's three-dimensional failure plane is larger than the Mohr-Coulomb three-dimensional failure plane. It means that the shear strength parameters estimated by the Lade's failure criterion is larger than that of the Mohr-Coulomb failure criterion.
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.
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.
An anisotropic version of Mohr-Coulomb failure criterion is proposed in order to provide a strength criterion for transversely isotropic rock. The concept of fabric tensor introduced by Pietruszczak & Mroz (2001) is employed to define the friction angle and cohesion as scalar functions of the fabric tensors. The anisotroy in these two strength parameters are calculated in association with the consideration of the relative rotation between the principal stress coordinate and the principal material triad. The critical plane on which the anisotropic function maximized is found by an optimization technique based on the Lagrange multiplier method. To demonstrate the performance of the anisotropic failure criterion, conventional triaxial tests on the samples having various inclinations of weakness plane are simulated and the resulting triaxial strength and dip angle of failure plane are discussed.
In this study, a series of triaxial tests on Jeju basalt were carried out and then rock strength parameters were estimated by the Mohr-Coulomb failure criterion and the Hoek-Brown failure criterion using the test results. The characteristics of both failure criterions were investigated through comparing the estimated rock strength parameters. As the result of the Mohr-Coulomb criterion, the cohesions and the internal friction angles are determined as 5.35 MPa and $50.25^{\circ}$ of Pyoseonri basalt, 16.99 MPa and $60.66^{\circ}$ of Trachy-basalt, and 2.33 MPa and $37.05^{\circ}$ of Scoria, respectively. The cohesions and internal friction angles were estimated by the Hoek-Brown failure criterion in the basis of the results of regression analysis. The cohesions and the internal friction angles are determined as 4.77 MPa and $52.47^{\circ}$ of Pyoseonri basalt, 14.69 MPa and $60.70^{\circ}$ of Trachy-basalt, and 2.22 MPa and $47.60^{\circ}$ of Scoria, respectively. As the result of comparison between the Mohr-Coulomb failure criterion and the failure envelope predicted by the Hoek-Brown criterion, the cohesion estimated by the Hoek-Brown criterion is usually lower than that obtained from the Mohr-Coulomb criterion, whereas the friction angle estimated by the Hoek-Brown criterion is higher than that obtained from the Mohr-Coulomb criterion.
Kim, Bumjoo;Kim, Khiwoong;Lee, Seungho;Hwang, Youngcheol;Park, Dongsoon
Journal of the Korean GEO-environmental Society
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v.9
no.1
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pp.47-54
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2008
In this study, the effect of water content condition was investigated on the Mohr-Coulomb shear strength parameters which are commonly used as the input data in the soil slope analysis. For the purpose, a series of direct shear test was conducted in different water content conditions on the two types of weathered soils and a dam core material, obtained from the domestic slope construction sites and the dam construction site, respectively. The comparisons between the values of the Mohr-Coulomb ${\phi}_{peak}$ and $c_{peak}$, estimated from the relationships between the normal stress and the peak shear stress for the samples in the four different water content conditions (i.e., dry side, optimum, wet side, and saturated), showed that overall, the values of $c_{peak}$ decreased gradually while those of ${\phi}_{peak}$ did not vary much with increasing the water content. A rough estimate for the varying ratio of the values of ${\phi}_{peak}$ and $c_{peak}$ indicated that the values of $c_{peak}$ decreased by every 25% of the $c_{peak}$ values in dry side, while those of ${\phi}_{peak}$ were constant, as the water content condition changed from dry, optimum, and wet to saturated, respectively.
The stability of the designed rock slope is analysed based on two kinds of shear strength model. Besides the deterministic analysis, a probabilistic approach on Monte Carlo simulation is proposed to deal with the uncertain characteristics of the discontinuity and the results obtained from two models are compared to each other. To carry out the research of characteristics of the discontinuity, BIPS, DOM Scanline survey data and direct shear test data are used, and chi-square test is used for determining the probability distribution function. The rock slope is evaluated to be stable in the deterministic analysis, but in the probabilistic analysis, the probability of failure is more than 5%, so, it is considered that the rock slope is unstable. In the shear strength models, the probability of the failure based on the Mohr-Coulomb model(linear model) is higher than that of the Barton model. It is supported by the fact that the Mohr-Coulomb model is more sensitive to block size than the Barton model. In fact, there is no reliable way to estimate the unit cohesion of the Mohr-Coulomb model except f3r back analysis and in the case of small block failure in the slope, Mohr-Coulomb model may excessively evaluate the factor of the safety. So, the Barton model of which parameters are easily acquired using the geological survey is more reasonable for the stability of the studied slope. Also, the selection of the proper shear strength model is an important factor for slope failure analysis.
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.
In this study, a series of triaxial compressive strength tests were conducted for basaltic intact rocks sampled in the northeastern onshore and offshore, southeastern offshore and northwestern offshore of Jeju Island. Hoek-Brown constants $m_i$ were estimated from the results of the triaxial compression tests, and the properties of the Hoek-Brown constants $m_i$ were investigated. In addition, the cohesion and internal friction angle, strength parameters of Mohr-Coulomb failure criterion, obtained from the results of the triaxial compression tests were compared and analyzed with those estimated from Hoek-Brown failure criterion, respectively. As results, it was found that the Hoek-Brown constant $m_i$ is deeply related to the internal friction angle. As the internal friction grows, the Hoek-Brown constant $m_i$ increases exponentially. The cohesions estimated from the Hoek-Brown failure criterion, on average, are approximately 24% higher than those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion. The internal friction angles estimated from the Hoek-Brown failure criterion are similar to those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion.
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