Failure patterns of rock specimens represent valuable information about the mechanical properties and crack evolution mechanism of rock. Several kinds of research have been conducted regarding the failure mechanism of brittle material, however; the influence of brittleness on the failure mechanism of rock specimens has not been precisely considered. In the present study, experimental and numerical examinations have been made to evaluate the physical and mechanical phenomena associated with rock failure mechanisms through the uniaxial compression test. In the experimental part, Unconfined Compressive Strength (UCS) tests equipped with Acoustic Emission (AE) have been conducted on rock samples with three different brittleness. Then, the numerical models have been calibrated based on experimental test results for further investigation and comparing the micro-cracking process in experimental and numerical models. It can be perceived that the failure mode of specimens with high brittleness is tensile axial splitting, based on the experimental evidence of rock specimens with different brittleness. Also, the crack growth mechanism of the rock specimens with various brittleness using discrete element modeling in the numerical part suggested that the specimens with more brittleness contain more tensile fracture during the loading sequences.
A laboratory test on uniaxial compressive strength was carried out by making 640 specimens in total, which were divided into two groups by their curing time of 7 and 28 days for 3 water content conditions of a water content at 100% saturation level and 10% and 20% increased water content from the state with clay, sand and gravel mixed grounds of 20 ground conditions of 4 types of stabilizer mixing conditions which were 8%, 10%, 12%, 14%, to understand laboratory strength characteristics for strength design of deep mixing ground. In case of clayey grounds, although the strength increased depending on the increase of stabilizer content, it showed to be analogous regardless of the curing time. And the impact on the strength development of deep mixing specimen according to water content was considered to be comparatively little compared to other grounds. For sandy grounds, the strength increment amount clearly showed to increase as stabilizer content increased, and also the increase of water content was determined to be decreasing the strength increment effect. For gravel mixed grounds, at 14% or over of stabilizer content, the effect on strength development was big making a large increase in strength, but compared to sandy grounds, the strength ratio depending on the curing time showed to be small.
In order to investigate the influence of the interfacial angel on failure characteristics and mechanism of combined coal-rock mass, 35 uniaxial/biaxial compressive simulation tests with 5 different interfacial angels of combined coal-rock samples were conducted by PFC2D software. The following conclusions are drawn: (1) The compressive strength and cohesion decrease with the increase of interfacial angle, which is defined as the angle between structure plane and the exterior normal of maximum principal plane, while the changes of elastic modulus and internal friction angle are not obvious; (2) The impact energy index $K_E$ decreases with the increase of interfacial angle, and the slip failure of the interface can be predicted based on whether the number of acoustic emission (AE) hits has multiple peaks or not; (3) There are four typical failure patterns for combined coal-rock samples including I (V-shaped shear failure of coal), II (single-fracture shear failure of coal), III (shear failure of rock and coal), and IV (slip rupture of interface); and (4) A positive correlation between interfacial angle and interface effect is shown obviously, and the interfacial angle can be divided into weak-influencing scope ($0-15^{\circ}$), moderate-influencing scope ($15-45^{\circ}$), and strong-influencing scope (> $45^{\circ}$), respectively. However, the confining pressure has a certain constraint effect on the interface effect.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.33
no.3
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pp.66-80
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1996
Recently, HT steel has been widely used in structure, and this enables to reduce the plate thickness. To use the HT steel effectively for a ship hull, the plate thickness becomes thin so that plate buckling may take place. Therefore, precise assessment of the behaviour of plat above primary buckling load is important. The plate under the load, that is called, secondary buckling load may undergo abrupt changes in wave form after primary buckling. This is very important when the collapse strength of the whole structures is considered. From this point of view, this paper discusses secondary buckling behaviour of thin plate under inplane compressive loading. A elastic large deflection analysis of plates with initial imperfection is performed assuming uniaxial compression, respectively, and the influence of secondary buckling is investigated. It is known that square plate is not influenced by non-symmetrical deflection coefficient but influenced by symmetrical deflection coefficient. Also, it has been found that rectangular plate($\alpha$=a/b) is influenced by all deflection coefficient, and the reduction of inplane stiffness of the plate after primary buckling is continued.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.33
no.5
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pp.1765-1775
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2013
The application of FRP wire as a mean of improving strength and ductility capacity of concrete cylinders under axial compressive load through confinement is investigated experimentally in this study. An experimental investigation involves axial compressive test of three confining amounts of FRP wire and three concrete compressive strengths. The effectiveness of FRP wire confinement on the concrete microstructure were examined by evaluating the internal concrete damage using axial, circumferential, and volumetric strains. The axial stress-strain relations of FRP wire confined concrete showed bilinear behavior with transition region. It showed strain-hardening behavior in the post-cracking region. The load carrying capacity was linearly increased with increasing of the amount of FRP wire. The ultimate strength of the 35 MPa specimen confined with 3 layer of FRP wire was increased by 286% compared to control one. When the concrete were effectively confined with FRP wire, horizontal cracks were formed by shearing. It was developed from sudden expansion of the concrete due to confinement ruptures at one side while the FRP wire was still working in hindering expansion of concrete at the other side of the crack. The FRP wire failure strains obtained from FRP wire confined concrete tests were 55~90%, average 69.5%, of the FRP wire ultimate uniaxial tensile strain. It was as high as any other FRP confined method. The magnitude of FRP wire failure strain was related to the FRP wire effectiveness.
In this study, Hoek-Brown constants (mi) were calculated through nonlinear regression analyses using the results of the triaxial compression tests for the basaltic intact rocks in Jeju Island. The relationships of the mi with the uniaxial compressive strength (UCS), Brazilian tensile strength (BTS) and UCS/BTS of the Jeju basalts were investigated, respectively. In addition, a method that can be used in determining Hoek-Brown failure envelopes including the tensile and compressive failures of the Jeju basalts has been proposed. As results, the mi values had no clear correlations with the UCS, BTS and UCS/BTS of the Jeju basalts, but there were two strong correlations between UCS and mi/UCS, and between BTS and mi/BTS of the Jeju basalts. In addition, it was found that the tensile strengths calculated by the Hoek-Brown failure criterion underestimate the tensile strengths of the Jeju basalts through the relationship between the mi and UCS/BTS of the Jeju basalts. The method presented in this study is considered to be useful in determining the Hoek-Brown failure envelope for the tensile and compressive failures of the Jeju basalts.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.11
no.4
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pp.327-351
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2009
Laboratory tests are performed in this paper to investigate the brittle failure characteristics of over-stressed rocks taken in deep depth. Also, numerical simulation performed using that the so-called CWFS(Cohesion Weakening Frictional Strengthening) model is known to predict brittle failure phenomenon reasonably well. The most typical rock types of Korean peninsula - granite and gneiss - were used for testing. Results of uniaxial compression tests showed that the crack initiation stress was about 41 % to 42% of the uniaxial compressive strength regardless of rock types, where as, the crack damage stress of granite was about 75%, and that of gneiss was about 97%. Through the damage-controlled test, strength parameters of each rock were obtained as a function of damage degree. After the peak, the crack damage stress and the maximum stress were decreased, The cohesion was decreased and the friction angle was increased with increase of rock damage. Before reaching the peak, the elastic modulus was slightly increased, while decreased after the peak. Poisson's ratio was increased as the damage of rock proceeds. Comparison of uniaxial compression tests and damage-controlled tests shows the crack initiation stress estimated from the damage-controlled test fluctuated within the range of crack initiation stress obtained from the uniaxial compression test; the crack damage stress was less than that estimated from the uniaxial compression test. In order to predict the critical depth that brittle failure occurs, numerical simulations using the CWFS model were performed for an example site. Material parameters obtained from the laboratory tests mentioned above were used for CWFS simulation. Comparison between the critical depth predicted from the numerical simulation using the CWFS model and that predicted by using the damage index proposed by Martin et al.(l999), showed that critical depth cannot be reasonably predicted by the currently used damage index except for circular tunnels. A modified damage index was proposed by the author which takes the shape of tunnels other than circular into account.
In highly stressed conditions, the excavation damage zone induced by stress redistribution and disturbance must be evaluated after tunnel excavation. Therefore, the investigation of stress-induced deformation and fracture in rock is indispensable. In this study, fracture and damage mechanisms of rock induced by the accumulation of microcracks were investigated by the moving point regression technique as well as acoustic emission measured during uniaxial compression tests. Especially, the modified procedures to determine damage thresholds more systematically were newly proposed, and successfully applied to rock. From experiments, crack initiation and track damage stress levels were estimated to be $33{\~}36\%$ and $84{\~}89\%$ of uniaxial compressive strength respectively, for both of Hwangdeung granite and Yeosan marble. However, the normalized crack closure stress level for Yeosan marble was much higher than for Hwangdeung granite. In addition, the largest proportion of total axial strain in Hwangdeung granite was attributable to elastic deformation and initial microcracking. However, the greatest part of axial deformation in Yeosan marble arose from initial crack closure and unstable cracking. Finally, it was seen that unstable cracking after the crack damage stress level played a key part in the lateral deformation in rocks under uniaxial compression.
Influenced by various mining activities, fractures in rock masses have different densities, set numbers and lengths, which induce different mechanical properties and failure modes of rock masses. Therefore, precisely expressing the failure criterion of the fractured rock influenced by coal mining is significant for the support design, safety assessment and disaster prevention of underground mining engineering subjected to multiple mining activities. By adopting PFC2D particle flow simulation software, this study investigated the propagation and fractal evolution laws of the micro cracks occurring in two typical kinds of rocks under uniaxial compressive condition. Furthermore, it calculated compressive strengths of the rocks with different confining pressures and box-counting dimensions. Moreover, the quantitative relation between the box-counting dimension of the rocks and the empirical parameters m and s in Hoek-Brown strength criterion was established. Results showed that with the increase of the strain, the box-counting dimension of the rocks first increased slowly at the beginning and then exhibited an exponential increase approximately. In the case of small strains of same value, the box-counting dimensions of hard rocks were smaller than those of weak rocks, while the former increased rapidly and were larger than the latter under large strain. The results also presented that there was a negative correlation between the parameters m and s in Hoek-Brown strength criterion and the box-counting dimension of the rocks suffering from variable mining activities. In other words, as the box-counting dimensions increased, the parameters m and s decreased linearly, and their relationship could be described using first order polynomial function.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.5
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pp.357-371
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2023
In cable tunnel construction using TBM, the vertical shaft is an essential structure for entrance and exit of TBM equipment and power lines. Since a shaft penetrates the ground vertically, it often encounters rock mass. Blasting or rock splitting methods, which are mainly used to the rock excavation, cause public complaints due to the noise, vibration and road occupation. Therefore, mechanical excavation using vertical shaft excavation machine are considered as an alternative to the conventional methods. However, at the current level of technology, the vertical excavation machine has limitation in its performance when applied for high strength rock with a compressive strength of more than 120 MPa. In this study, the potential utilization of waterjet technology as an excavation assistance method was investigated to improve mechanical excavation performance in the hard rock formations. Rock cutting experiments were conducted to verify the cutting performance of the abrasive waterjet. Based on the experimental result, it was found that ensuring excavation performance with respect to changing in ground conditions can be achieved by adjusting waterjet parameters such as standoff distance, traverse speed and water pressure. In addition, based on the relationship between excavation performance, uniaxial compressive strength and RQD, it was suggested that excavation performance could be improved by artificially creating joints using the abrasive waterjet. It is expected that these research results can be utilized as fundamental data for the introduction of vertical shaft excavation machines in the future.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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