In order to study the effect of stress and water pressure on the permeability of fractured rock mass under three-dimensional stress conditions, a single fracture triaxial stress-seepage coupling model was established; By using the stress-seepage coupling true triaxial test system, large-scale rock specimens were taken as the research object to carry out the coupling test of stress and seepage, the fitting formula of permeability coefficient was obtained. The influence of three-dimensional stress and water pressure on the permeability coefficient of fractured rock mass was discussed. The results show that the three-dimensional stress and water pressure have a significant effect on the fracture permeability coefficient, showing a negative exponential relationship. Under certain water pressure conditions, the permeability coefficient decreases with the increase of the three-dimensional stress, and the normal principal stress plays a dominant role in the permeability. Under certain stress conditions, the permeability coefficient increases when the water pressure increases. Further analysis shows that when the gob floor rock mass is changed from high stress to unloading state, the seepage characteristics of the cracked channels will be evidently strengthened.
This paper focuses on the cracking and fragmentation process in rock materials containing a pair of non-parallel flaws, which are through the specimen thickness, under vertical compression. Several numerical experiments are conducted with varying flaw arrangements that affect the initiation and tensile wing cracks, shear crack growth, and crack coalescing behaviors. To obtain realistic numerical results, a parallelized peridynamics formulation coupled with a finite element method, which is able to capture arbitrarily occurring cracks, is employed. From previous studies, crack initiation and propagation of tensile wing cracks, horsetail cracks, and anti-wing cracks are well understood along with the coalescence between two parallel flaws. In this study, the coalescence behaviors, their fragmentation sequences, and the role of an x-shaped shear band in rock material containing two non-parallel flaws are discussed in detail on the basis of simulation results strongly correlated with previous experimental results. Firstly, crack initiation and propagation of tensile wing cracks and shear cracks between non-parallel flaws are investigated in time-history and then sequential coalescing behavior is analyzed. Secondly, under the effect of varying inclination angles of two non-parallel flaws and overlapping ratios between a pair of non-parallel flaws, the cracking patterns including crack coalescence, fragmentation, and x-shaped shear band are investigated. These numerical results, which are in good agreement with reported physical test results, are expected to provide insightful information of the fracture mechanism of rock with non-parallel flaws.
Water-induced strength reduction is one of the most critical causes for rock deformation and failure. Understanding the effects of water on the strength, toughness and deformability of rocks are of a great importance in rock fracture mechanics and design of structures in rock. However, only a few studies have been conducted to understand the effects of water on fracture properties such as fracture toughness, crack propagation velocity, consumed energy, and microstructural damage. Thus, in this study, we focused on the understanding of how microscale damages induced by water saturation affect mesoscale mechanical and fracture properties compared with oven dried specimens along three notch orientations-divider, arrester, and short transverse. The mechanical properties of calcite-cemented sandstone were examined using standard uniaxial compressive strength (UCS) and Brazilian tensile strength (BTS) tests. In addition, fracture properties such as fracture toughness, consumed energy and crack propagation velocity were examined with cracked chevron notched Brazilian disk (CCNBD) tests. Digital Image Correlation (DIC), a non-contact optical measurement technique, was used for both strain and crack propagation velocity measurements along the bedding plane orientations. Finally, environmental scanning electron microscope (ESEM) was employed to investigate the microstructural damages produced in calcite-cemented sandstone specimens before and after CCNBD tests. As results, both mechanical and fracture properties reduced significantly when specimens were saturated. The effects of water on fracture properties (fracture toughness and consumed energy) were predominant in divider specimens when compared with arrester and short transverse specimens. Whereas crack propagation velocity was faster in short transverse and slower in arrester, and intermediate in divider specimens. Based on ESEM data, water in the calcite-cemented sandstone induced microstructural damages (microcracks and voids) and increased the strength disparity between cement/matrix and rock forming mineral grains, which in turn reduced the crack propagation resistance of the rock, leading to lower both consumed energy and fracture toughness ($K_{IC}$).
Blasting, using shock and dynamic energy of explosive, is very effective tunnel excavation method. But it had serious problem which is the blast vibration and over-break. In recent study, pre-cracked excavation method using notch hole reduced blast vibration and over-break in tunnel, so we performed study about developing notch bit system for making notch hole. In order to make notch hole effectively we had perform drilling experiments changing length and height of notch and in order to improve speed and precision of drilling we had developed notch bit system which consists of drilling bit, notch bit, adapter and notch guide.
Characterization of discontinuous media is an endeavor that poses great challenge to engineers in practice. Since the inherent defects in cracked domains can substantially influence material resistance and govern its behavior, a lot of work is dedicated to efficiently model such effects. In order to overcome difficulties of material instability problems, one needs to comprehensively represent the geometry of cracks along with their impact on the mechanical properties of the intact material. In the present study, stress-strain results from laboratory experiments on Inada granite was used to derive crack tensor as a tool for the evaluation of fractured domain stability. It was found that the formulations proposed earlier could satisfactorily be employed to attain crack tensor via the invariants of which judgment on cracks population and induced anisotropy is possible. The earlier criteria based on crack tensor analyses were reviewed and compared to the results of the current study. It is concluded that the geometrical parameters calculated using mechanical properties could confidently be used to judge the anisotropy as well as strength of the cracked domain.
Three points bending flexural test was modelled numerically to study the crack propagation in the pre-cracked beams. The pre-existing double internal cracks inside the beam models were considered to investigate the crack propagation and coalescence paths within the modelled samples. Notch configuration effects on the failure stress were considered too. This numerical analysis shown that the propagation of wing cracks emanating from the tips of the pre-existing internal cracks caused the final breaking of beams specimens. It was also shown that when two notches were overlapped, they both mobilized in the failure process and the failure stress was decreased when the notches were located in centre line. However, the failure stress was increased by increasing the bridge area angle. Finally, it was shown that in all cases, there were good agreements between the discrete element method results and, the other numerical and experimental results. In this research, it is tried to improve the understanding of the crack propagation and crack coalescence phenomena in brittle materials which is of paramount importance in the stability analyses of rock and concrete structures, such as the underground openings, rock slopes and tunnel construction.
Huang, Shuling;Pei, Qitao;Ding, Xiuli;Zhang, Yuting;Liu, Dengxue;He, Jun;Bian, Kang
Geomechanics and Engineering
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v.23
no.2
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pp.151-163
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2020
Grouting method is an effective way of reinforcing cracked rock masses and plugging water gushing. Current grouting diffusion models are generally developed for horizontal cracks, which is contradictory to the fact that the crack generally occurs in rock masses with irregular spatial distribution characteristics in real underground environments. To solve this problem, this study selected a cement-sodium silicate slurry (C-S slurry) generally used in engineering as a fast-curing grouting material and regarded the C-S slurry as a Bingham fluid with time-varying viscosity for analysis. Based on the theory of fluid mechanics, and by simultaneously considering the deadweight of slurry and characteristics of non-uniform spatial distribution of viscosity of fast-curing grouts, a theoretical model of slurry diffusion in an oblique crack in rock masses at constant grouting rate was established. Moreover, the viscosity and pressure distribution equations in the slurry diffusion zone were deduced, thus quantifying the relationship between grouting pressure, grouting time, and slurry diffusion distance. On this basis, by using a 3-d finite element program in multi-field coupled software Comsol, the numerical simulation results were compared with theoretical calculation values, further verifying the effectiveness of the theoretical model. In addition, through the analysis of two engineering case studies, the theoretical calculations and measured slurry diffusion radius were compared, to evaluate the application effects of the model in engineering practice. Finally, by using the established theoretical model, the influence of cracking in rock masses on the diffusion characteristics of slurry was analysed. The results demonstrate that the inclination angle of the crack in rock masses and azimuth angle of slurry diffusion affect slurry diffusion characteristics. More attention should be paid to the actual grouting process. The results can provide references for determining grouting parameters of fast-curing grouts in engineering practice.
Thermomechanical characteristics of rocks such as thermal shock, thermal expansion, thermal cracking were experimentally investigaed using Iksan granite, Cheonan tonalite and Chung-ju dolomite to obtain the basic data for proper design and Chung-ju dolomite to obtain the basic data for proper design and stability analysis of underground structures subjected to temperature changes. The effect of thermal shock did not appear when the heating speed was under 3$^{\circ}C$/min. and there existed little difference between multi-staged cyclic heating and single-cycled heating. Thermal expansion of rocks was affected by mineral composition, crack porosity and the degree of thermal craking. In quartz-beraring multimineralic rocks such as Iksan granite and Cheonan tonalite, the thermal expansion coefficient increaseed continuously with temperature rise, but that of Chung-ju dolomite which was a monomineralic rock showed a constant value for the temperature above 250$^{\circ}C$, Chung-ju dolomite yielded the lowest critical threshold temperature(Tc) of 100$^{\circ}C$ and unstable thermal cracking was initiated above the new threshold temperature(Tc')of 300$^{\circ}C$. Above Tc' thermal cracks grew but they were not interconnected. Iksan granite showed closing of microcracks to the temperature of 100$^{\circ}C$, then expanded linearly to Tc of 200$^{\circ}C$. Above Tc, thermal cracking was initiated and progressed rapidly and almost all the grain boundaries were cracked at 600$^{\circ}C$. Cheonan tonalite also showed similar behavior to iksan granite except that Tc was 350$^{\circ}C$ and that thermal cracks propagated more rapidly. Thermal expansions calculated by Turner's equation were found to be valid in predicting the thermal expansion and cracking behavior of rocks.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1990.10a
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pp.35-50
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1990
This paper describes the importance of incorporating the titre-dependent deformation behaviour in the design and construction of tunnels in swelling rocks. Two tunnel projects, in which authors got involved in Canada, are chosen to demonstrate the importance. In diversion tunnels for Oldman River Dan Projects time-dependent deformation characteristics of the mudrocks obtained from teat tunnel program were neglected in the design and construction of the tunnels and several sectional of concrete lining in tunnels were cracked extensively. In SABNGS No.3 Projects an extensive experimental program was carried out to study time-dependent deformation behaviour of highly swelling Queenston shale, with the air of establishing the constitutional relationship for the rock-structure time interaction analysis.
Park Won-Chun;Mun Kyoung-Ju;Jung Jong-Ju;Soh Yang-Seob
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.11a
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pp.301-304
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2004
The objective of this study is to evaluate the physical properties of ultra fine-ground cement for grouting materials. This study investigates the compressive strength of cement paste, homogenized gel and solidified soil matrix with ultra fine-ground cement. Also It is estimated the injection properties of ultra fine-ground cement. From the test results, the compressive strength of ultra fine-ground cement is higher than that of portland cement. The injection properties are sufficient to apply silt-sand soil and minute-cracked rock bed. Also the properties of soil stability like water permeability coefficient are enough to be adapted various grouting specification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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