This paper investigates the mechanisms of tunnel spalling and massive tunnel failures using fracture mechanics principles. The study starts with examining the fracture propagation due to tensile and shear failure mechanisms. It was found that, fundamentally, in rock masses with high compressive stresses, tensile fracture propagation is often a stable process which leads to a gradual failure. Shear fracture propagation tends to be an unstable process. Several real case observations of spalling failures and massive shear failures in boreholes, tunnels and underground roadways are shown in the paper. A number of numerical models were used to investigate the fracture mechanisms and extents in the roof/wall of a deep tunnel and in an underground coal mine roadway. The modelling was done using a unique fracture mechanics code FRACOD which simulates explicitly the fracture initiation and propagation process. The study has demonstrated that both tensile and shear fracturing may occur in the vicinity of an underground opening. Shallow spalling in the tunnel wall is believed to be caused by tensile fracturing from extensional strain although no tensile stress exists there. Massive large scale failure however is most likely to be caused by shear fracturing under high compressive stresses. The observation that tunnel spalling often starts when the hoop stress reaches $0.4^*UCS$ has been explained in this paper by using the extension strain criterion. At this uniaxial compressive stress level, the lateral extensional strain is equivalent to the critical strain under uniaxial tension. Scale effect on UCS commonly believed by many is unlikely the dominant factor in this phenomenon.
Kim, Youngsang;Dang, My Quoc;Do, Tan Manh;Lee, Joon Kyu
Geomechanics and Engineering
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v.16
no.1
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pp.105-112
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2018
This paper presents results of a compressive investigation conducted on weathered soil stabilized with ground bottom ash (GBA) and red mud (RM). The effects of water/binder ratio, RM/GBA ratio, chemical activator (NaOH and $Na_2SiO_3$) and curing time on unconfined compressive strength of stabilized soils were examined. The results show that the water/binder ratio of 1.2 is optimum ratio at which the stabilized soils have the maximum compressive strength. For 28 days of curing, the compressive strength of soils stabilized with alkali-activated GBA and RM varies between 1.5 MPa and 4.1 MPa. The addition of GBA, RM and chemical activators enhanced strength development and the rate of strength improvement was more significant at the later age than at the early age. The potential environmental impacts of stabilized soils were also assessed. The chemical property changes of leachate from stabilized soils were analyzed in terms of pH and concentrations of hazardous elements. The observation revealed that the soil mixture with ground bottom ash and red mud proved environmentally safe.
Measurement of the unconfined compressive strength (UCS) of the rock is critical to assess the quality of the rock mass ahead of a tunnel face. In this study, extensive field studies have been conducted along 3,885 m of the new Nagasaki tunnel in Japan. To predict UCS, a hybrid model of artificial neural network (ANN) based on genetic algorithm (GA) optimization was developed. A total of 1350 datasets, including six parameters of the Measurement-While- Drilling data and the UCS were considered as input and output parameters respectively. The multiple linear regression (MLR) and the ANN were employed to develop contrast models. The results reveal that the developed GA-ANN hybrid model can predict UCS with higher performance than the ANN and MLR models. This study is of great significance for accurately and effectively evaluating the quality of rock masses in tunnel engineering.
Waste fills resulting from coal mining should consist of large, free-draining sedimentary rocks fragments. The successful performance of these fills is related to the strength and durability of the individual rock fragments. When fills are made of shale fragments, some fragments will be durable and some will degrade into soil particles resulting from slaking and inter-particle point loads. The degraded material fills the voids between the intact fragments, and results in settlement. A laboratory program with point load and slake durability tests as well as thin section examination of sixty-eight shale samples from the Appalachian region of the United States revealed that pore micro-geometry has a major influence on degradation. Under saturated and unsaturated conditions, the shales absorb water, and the air in their pores is compressed, breaking the shales. This breakage was more pronounced in shales with smooth pore boundaries and having a diameter equal to or smaller than 0.060 mm. If the pore walls were rough, the air-pressure breaking mechanism was not effective. However, pore roughness (measured by the fractal dimension) had a detrimental effect on point load resistance. This study indicated that the optimum shales to resist both slaking as well as point loads are those that have pores with a fractal dimension equal to 1.425 and a diameter equal to or smaller than 0.06 mm.
Ouch, Rithy;Ukritchon, Boonchai;Pipatpongsa, Thirapong;Khosravi, Mohammad Hossein
Geomechanics and Engineering
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v.12
no.6
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pp.1021-1046
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2017
The assessment of slope stability is an essential task in geotechnical engineering. In this paper, a three-dimensional (3D) finite element analysis (FEA) was employed to investigate the performance of different shear pin arrangements to increase the stability of a soil block resting on an inclined plane with a low-interface friction plane. In the numerical models, the soil block was modeled by volume elements with linear elastic perfectly plastic material in a drained condition, while the shear pins were modeled by volume elements with linear elastic material. Interface elements were used along the bedding plane (bedding interface element) and around the shear pins (shear pin interface element) to simulate the soil-structure interaction. Bedding interface elements were used to capture the shear sliding of the soil on the low-interface friction plane while shear pin interface elements were used to model the shear bonding of the soil around the pins. A failure analysis was performed by means of the gravity loading method. The results of the 3D FEA with the numerical models were compared to those with the physical models for all cases. The effects of the number of shear pins, the shear pin locations, the different shear pin arrangements, the thickness and the width of the soil block and the associated failure mechanisms were discussed.
Backfilling of mine stopes with waste rocks or tailings is commonly done to enhance ground stability. It is also an alternative for mining wastes disposal. A successful application of underground backfilling requires an accurate evaluation of the stress distribution in stopes. Over the years, various analytical solutions have been proposed to assess these stresses. Most of them were based on the arching theory, considering uniform stresses across horizontal layer elements. The vertical and horizontal stresses in vertical stopes are principal stresses only along the vertical center line, but not close to the walls where there is rotation of the principal stresses. A few solutions use arc layer elements that follow the iso-contours of the minor principal stresses, based on numerical solutions. In this paper, a modified analytical solution is developed for the stresses in vertical backfilled stopes, considering a circular arc distribution. The proposed solution is calibrated with a few numerical modeling results and then validated by additional numerical simulations under different conditions.
This paper presents the parametric numerical analysis on the ultimate bearing capacity of the purlin-sheet roofs connected by standing seam clips. The effects of several factors on failure modes and ultimate bearing capacity of the purlins are studied, including setup of anti-sag bar, purlin type, sheet thickness and connection type et al. A simplified design formula is proposed for predicting the ultimate bearing capacity of purlins. Results show that setting the anti-sag bars can improve the ultimate bearing capacity and change the failure modes of C purlins significantly. The failure modes and ultimate bearing capacity of C purlins are significantly different from those of Z purlins, in the purlin-sheet roof connected by standing seam clips. Setting the anti-sag bars near the lower flange is more favorable for increasing the ultimate bearing capacity of purlins. The ultimate bearing capacity of C purlins increases slightly with sheet thickness increasing from 0.6 mm to 0.8 mm. The ultimate bearing capacity of the purlin-sheet roofs connected by standing seam clips is always higher than those by self-drilling screws. The predictions of the proposed design formulas are relatively in good agreement with those of EN 1993-1-3: 2006, compared with GB 50018-2002.
Analysis of slope stability failures, as one of the complex natural hazards, is one of the important research issues in the field of civil engineering. Present paper adopts and investigates four soft computing-based techniques for this problem: Patient Rule-Induction Method (PRIM), M5' algorithm, Group Method of data Handling (GMDH) and Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS). A comprehensive database consisting of 168 case histories is used to calibrate and test the developed models. Six predictive variables including slope height, slope angle, bulk density, cohesion, angle of internal friction, and pore water pressure ratio were considered to generate new models. The results of test studies are used for feasibility, effectiveness and practicality comparison of techniques with each other, and with the other available well-known methods in the literature. Results show that all methods not only are feasible but also result in better performance than previously developed soft computing based predictive models and tools. It is shown that M5' and PRIM algorithms are the most effective and practical prediction models.
Lin, P.;Li, S.C.;Xu, Z.H.;Li, L.P.;Huang, X.;He, S.J.;Chen, Z.W.;Wang, J.
Geomechanics and Engineering
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v.13
no.6
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pp.947-961
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2017
An innovative spiral variable-section capillary model is established for piping critical hydraulic gradient of cohesion-less soils causing water/mud inrush in tunnels. The relationship between the actual winding seepage channel and grain-size distribution, porosity, and permeability is established in the model. Soils are classified into coarse particles and fine particles according to the grain-size distribution. The piping critical hydraulic gradient is obtained by analyzing starting modes of fine particles and solving corresponding moment equilibrium equations. Gravities, drag forces, uplift forces and frictions are analyzed in moment equilibrium equations. The influence of drag force and uplift force on incipient motion is generally expounded based on the mechanical analysis. Two cases are studied with the innovative capillary model. The critical hydraulic gradient of each kind of sandy gravels with a bimodal grain-size-distribution is obtained in case one, and results have a good agreement with previous experimental observations. The relationships between the content of fine particles and the critical hydraulic gradient of seepage failure are analyzed in case two, and the changing tendency of the critical hydraulic gradient is accordant with results of experiments.
Tensile strength is considered key properties for characterizing rock material in engineering project. It is determined by direct and indirect methods. Point load test is a useful testing method to estimate the tensile strengths of rocks. In this paper, the effects of rock shape on the point load index of gypsum are investigated by PFC2D simulation. For PFC simulating, initially calibration of PFC was performed with respect to the Brazilian experimental data to ensure the conformity of the simulated numerical models response. In second step, nineteen models with different shape were prepared and tested under point load test. According to the obtained results, as the size of the models increases, the point load strength index increases. It is also found that the shape of particles has no major effect on its tensile strength. Our findings show that the dominant failure pattern for numerical models is breaking the model into two pieces. Also a criterion was rendered numerically for determination of tensile strength of gypsum. The proposed criteria were cross checked with the results of experimental point load test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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