A criterion and a method for solving a problem on the prevention of mine working fracture under the action of tectonic and gravitational forces are offered. Based on minimal criterion, theoretical analysis of the definition of the optimal shape of working in the rock mass weakened by arbitrarily located rectilinear cracks was carried out. A closed system of algebraic equations allowing to minimize the stress state and stress intensity factors depending on mechanical and geometrical characteristics of the rock, is constructed. The relation between the shape of the working and the stress intensity factors and also location and sizes of the cracks is obtained. The found optimal shape of working increases load-bearing capacity of the rock.
The failure mechanism of a deep hard rock tunnel under high geostress and high geothermalactivity is extremely complex. Uniaxial compression tests of granite at different temperatures were conducted. The complete stress-strain curves, mechanical parameters and macroscopic failure types of the rock were analyzed in detail. The brittleness index, which represents the possibility of a severe brittleness hazard, is proposed in this paperby comparing the peak stress and the expansion stress. The results show that the temperature range from 20 to $60^{\circ}C$ is able to aggravate the brittle failure of hard rock based on the brittleness index. The closure of internal micro cracks by thermal stress can improve the strength of hard rock and the storage capacity of elastic strain energy. The failure mode ofthe samples changes from shear failure to tensile failure as the temperature increases. In conclusion, the brittle failure mechanism of hard rock under the action of thermal coupling is revealed, and the analysis result offers significant guidance for deep buried tunnels at high temperatures and under high geostress.
A novel boundary stress resolution method is suggested in this paper, which is based upon the displacements of finite element analysis and of high precision with stress boundary condition strictly satisfied. The method is used to modify the Zienkiewicz-Zhu ($Z^2$) a posteriori error estimator and for the h-version adaptive finite element analysis of crack problems. Successful results are obtained.
The stress environment of deep rock masses is complex. Under the action of earthquakes or blasting, the strength and stability of anchored rock masses in fracture zones or faults are affected. To explore the variation in anchored rock masses under creep-fatigue loading, shear creep comparative testing of anchored marble specimens with or without fatigue loading is performed. Considering the damage variable of rock under fatigue loading, a rheological model is established to characterize the whole shear creep process of anchored rock masses under creep-fatigue loading. The results show that (1) the overall deformation of marble under creep-fatigue loading is larger than that under only shear creep loading, and the average deformation is increased by 18.3%. (2) By comparing the creep curves with and without fatigue loading, the two curves basically coincide when the first level stress is applied, and the two curves are stable with the increase in stress level. The results show that the strain difference among the specimens increases gradually in the steady-state stage and reaches the maximum at the fourth level. (3) The shear creep is described by considering the creep mechanical properties of anchored rock masses under fatigue loading. The accuracy of this creep-fatigue model is verified by laboratory tests, and the applicability of the model is illustrated by the fitting parameter R2. The proposed model provides a theoretical basis for the study of anchored rock masses under low-frequency earthquakes or blasting and new methods for the stability and reinforcement of rock masses.
In this study, direct shear tests were carried out on the 30 rock joint samples in order to investigate the influence of roughness and normal stress on the shear behaviour. Joint roughness profiles were measured by use of 3D laser profiler, and then the samples were equally classified into three individual groups according to the roughness index of rock joints. Peak shear strength, residual shear strength, shear stiffness, dilation angle of rock joints were investigated in condition of five different constant normal load. Peak shear strength was increased as roughness index was increased, and the influence of roughness on strength was found to be more considerable in case of lower normal stress condition. Residual shear strength and shear stiffness were increased as roughness index and normal stress were increased. Finally dilation angle was decreased as normal stress was increased, but it was increased as roughness index was increased in the same normal stress condition.
With the exploitation of natural resources in China, underground resource extraction and underground space development, as well as other engineering activities are increasing, resulting in the creation of many defective rocks. In this paper, uniaxial compression tests were performed on rocks with double holes and fractures at different angles using particle flow code (PFC2D) numerical simulations and laboratory experiments. The failure behavior and mechanical properties of rock samples with holes and fractures at different angles were analyzed. The failure modes of rock with defects at different angles were identified. The fracture propagation and stress evolution characteristics of rock with fractures at different angles were determined. The results reveal that compared to intact rocks, the peak stress, elastic modulus, peak strain, initiation stress, and damage stress of fractured rocks with different fracture angles around holes are lower. As the fracture angle increases, the gap in mechanical properties between the defective rock and the intact rock gradually decreased. In the force chain diagram, the compressive stress concentration range of the combined defect of cracks and holes starts to decrease, and the model is gradually destroyed as the tensile stress range gradually increases. When the peak stress is reached, the acoustic emission energy is highest and the rock undergoes brittle damage. Through a comparative study using laboratory tests, the results of laboratory real rocks and numerical simulation experiments were verified and the macroscopic failure characteristics of the real and simulated rocks were determined to be similar. This study can help us correctly understand the mechanical properties of rocks with defects and provide theoretical guidance for practical rock engineering.
Rock damage is the main cause of accidents in underground engineering. It is difficult to predict rock damage accurately by using only one parameter. In this study, a rock failure prediction model was established by using stress, energy, and damage. The prediction level was divided into three levels according to the ratio of the damage threshold stress to the peak stress. A classification predicting model was established, including the stress, energy, damage and AE impact rate using Bayesian method. Results show that the model is good practicability and effectiveness in predicting the degree of rock failure. On the basis of this, a multi-parameter classification predicting deterioration model of rock failure was established. The results provide a new idea for classifying and predicting rockburst.
Chen, Jie;Du, Chao;Jiang, Deyi;Fan, Jinyang;He, Yi
Geomechanics and Engineering
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v.10
no.3
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pp.325-334
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2016
Rock salt is a near-perfect material for gas storage repositories due to its excellent ductility and low permeability. Gas storage in rock salt layers during gas injection and gas production causes the stress redistribution surrounding the cavity. The triaxial cyclic loading and unloading tests for rock salt were performed in this paper. The elastic-plastic deformation behaviour of rock salt under cyclic loading was observed. Rock salt experienced strain hardening during the initial loading, and the irreversible deformation was large under low stress station, meanwhile the residual stress became larger along with the increase of deviatoric stress. Confining pressure had a significant effect on the unloading modulus for the variation of mechanical parameters. Based on the theory of elastic-plastic damage mechanics, the evolution of damage during cyclic loading and unloading under various confining pressure was described.
A number of true triaxial tests on rock samples have been conducted since the late 1960 and their results strongly suggest that the intermediate principal stress has a considerable effect on rock strength. Based on these experimental evidence, various 3-D rock failure criteria accounting for the effect of the intermediate principal stress have been proposed. Most of the 3-D failure criteria, however, are focused on the phenomenological description of the rock strength from the true triaxial tests, so that the associated strength parameters have little physical meaning. In order to confirm the likelihood that the intermediate principal stress dependency of rock strength is related to the presence of weak planes and their distribution to the preferred orientation, true triaxial tests are simulated with the transversely isotropic rock model. The conventional Mohr-Coulomb criterion is extended to its anisotropic version by incorporating the concept of microstructure tensor. With the anisotropic Mohr-Coulomb criterion, the critical plane approach is applied to calculate the strength of the transversely isotropic rock model and the orientation of the fracture plane. This investigation hints that the spatial distribution of microstructural planes with respect to the principal stress triad is closely related to the intermediate principal stress dependency of rock strength.
In this study, stress difference between isotropic and transversely isotropic rock mass, and planar principal stresses at the periphery of the tunnel in the rock with various ratio of anisotropy were determined theoretically. Stress differences between isotropic and anisotropic calculations at crown. side walls and floor of a tunnel with assumed stress states were analyzed and compare each other by $FLAC^{2D}$, a finite differential element method. As a result, magnitude and direction of principal stresses in the case of ignoring anisotropy were different from those of anisotropic cases, whatever the stress state was. Stress difference increased as the ratio of anisotropy increased. Direction or anisotropy affected stress difference, especially in the cases of anisotropic directions of $45^{\circ}\;and\;135^{\circ}$ of counterclockwise from x direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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