This technical report is to introduce the research on SRM (Synthetic Rock Mass) which was presented in 2007 ISRM Congress at Lisbon by Prof, Fairhurst who speak with emphasis on its importance and potential in rock engineering. The Synthetic Rock Mass approach to jointed rock mass characterization (Pierce et al. 2007) is reviewed relative to existing empirical approaches and current understanding of jointed rock mass behaviour. The review illustrates how the key factors affecting the mechanical behaviour of jointed rock masses may be considered and demonstrates that the SRM approach constitutes a significant step forward in this field. This technique, based on two well-established methods, Bonded Particle Modelling in PFC-3D (Potyondy and Cundall, 2004) and Discrete Fracture Network simulation, employs a new sliding joint model that allows for large rock volumes containing thousands of pre-existing joints to be subjected to any non-trivial stress path. Output from SRM testing includes rock mass brittleness and strength, evolution of the full compliance matrix and primary fragmentation.
In this paper, the effect of non-persistent joints was determined on the behavior of concrete specimens subjected to biaxial loading through numerical modeling using particle flow code in two dimensions (PFC2D). Firstly, a numerical model was calibrated by uniaxial, Brazilian and triaxial experimental results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, sixteen rectangular models with dimension of 100 mm by 100 mm were developed. Each model contains two non-persistent joints with lengths of 40 mm and 20 mm, respectively. The angularity of the larger joint changes from $30^{\circ}$ to $90^{\circ}$. In each configuration, the small joint angularity changes from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ in $30^{\circ}$ increments. All of the models were under confining stress of 1 MPa. By using of the biaxial test configuration, the failure process was visually observed. Discrete element simulations demonstrated that macro shear fractures in models are because of microscopic tensile breakage of a large number of bonded discs. The failure pattern in Rock Bridge is mostly affected by joint overlapping whereas the biaxial strength is closely related to the failure pattern.
Bio-grouting based on microbial-induced calcite precipitation (MICP) is recently emerging as a novel and environmentally friendly technique for improvement of coarse-grained ground. To date, the mechanical behaviour of bio-grouted coarse-grained soil with different calcite contents and grain sizes still remains poorly understood. The primary objective of this study is to investigate the influence of calcite content on the mechanical properties of bio-grouted coarse-grained soil with different grain sizes. This is achieved through an integrated study of uniaxial loading experiments of bio-grouted coarse-grained soil, 3D digitization of the grains in conjunction with discrete element modelling (DEM). In the DEM model, aggregates were represented by clump logic based on the 3D morphology digitization of the typical coarse-grained aggregates while the CaCO3 was represented by small-sized bonded particle model. The computed stress-strain relations and failure patterns of the bio-grouted coarse-grained soil were validated against the measured results. Both experimental and numerical investigation suggest that aggregate sizes and calcite content significantly influence the mechanical behaviour of bio-cemented aggregates. The strength of the bio-grouted coarse-grained soil increases linearly with calcite content, but decreases non-linearly with the increasing particle size for all calcite contents. The experimental-based DEM approach developed in this study also offers an optional avenue for the exploring of micro-mechanisms contributing to the mechanical response of bio-grouted coarse-grained soils.
Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Zhu, Zheming;Marji, Mohammad Fatehi
Computers and Concrete
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v.22
no.5
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pp.469-479
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2018
The Brazilian tensile strength of concrete samples is a key parameter in fracture mechanics since it may significantly change the quality of concrete materials and their mechanical behaviors. It is well known that porosity is one of the most often used physical indices to predict concrete mechanical properties. In the present work the influence of porosity shape on concrete tensile strength characteristics is studied, using a bonded particle model. Firstly numerical model was calibrated by Brazilian experimental results and uniaxial test out puts. Secondly, Brazilian models consisting various pore shapes were simulated and numerically tested at a constant speed of 0.016 mm/s. The results show that pore shape has important effects on the failure pattern. It is shown that the pore shape may play an important role in the cracks initiation and propagation during the loading process which in turn influence on the tensile strength of the concrete samples. It has also been shown that the pore size mainly affects the ratio of uniaxial compressive strength to that of the tensile one in the simulated material samples.
Although the evaluation of the mechanical properties and behavior of discontinuous rock masses is very important for the design of underground openings, it has always been considered the most difficult problem. One of the difficulties in describing the rock mass behavior is assigning the appropriate constitutive model. This limitation may be overcome with the progress in discrete element software such as PFC, which does not need the user to prescribe a constitutive model for rock mass. Instead, the micro-scale properties of the intact rock and joints are defined and the macro-scale response results from those properties and the geometry of the problem. In this paper, a $30m{\times}30m{\times}30m$ jointed rock mass of road tunnel site was analyzed. A discrete fracture network was developed from the joint geometry obtained from core logging and surface survey. Using the discontinuities geometry from the DFN model, PFC simulations were carried out, starting with the intact rock and systematically adding the joints and the stress-strain response was recorded for each case. With the stress-strain response curves, the mechanical properties of discontinuous rock masses were determined and compared to the results of empirical methods such as RMR, Q and GSI. The values of Young's modulus, Poisson's ratio and peak strength are almost similar from PFC model and Empirical methods. As expected, the presence of joints had a pronounced effect on mechanical properties of the rock mass. More importantly, the mechanical response of the PFC model was not determined by a user specified constitutive model.
Cohesie sediment movement in estuarine systems is strongly affected by the phenomena of aggregation and flocculation. Aggregation is the process where primary particles are clustered together in tightly-packed formations; flocculation is the process where aggregates and single particles are bonded together to form large particle groups of very low specific density. The size, shape and strength of the flocculants control the rate of deposition and the processes of pollutant exchange between suspended sediments and ambient water. In estuarine waters, suspended sediments above the lutocline form the mobile suspension zone while below the lutocline they form the stationary suspension zone. Suspended particles in the mobile zone are generally in a dispersed state and the controlling forces are the Brownian motion and the turbulent flow fluctuations. In the stationary suspension zone, the driving force is the gravity. This paper discusses the settling and particle flocculation characteristics under quiescient flow conditions. Particles are entering the study domain randomly. Particles in the mobile suspension zone are simulated by using the Smoluchowski's model. Flocs created in the mobil suspension zone are moving into the stationary suspension zone where viscosity and drag effects are important. Utilizing the concepts of the maximum Feret's diameter and the Minkowski's sausage logic, the fractal dimension of the flocs within the stationary suspension is estimated and then compared with results obtained by other studies.
Determination of the mechanical behaviour of jointed rock masses has been a challenge for rock engineers for decades. This problem is more pronounced for non-persistent jointed rock masses due to complicated interaction of rock bridges on the overall behaviour. This paper aims to study the effect of a non-persistent joint set configuration on the mechanical behaviour of rock materials under both uniaxial and biaxial compression tests using a discrete element code. The numerical simulation of biaxial compressive strength of rock masses has been challenging in the past due to shortcomings of bonded particle models in reproducing the failure envelope of rock materials. This problem was resolved in this study by employing the flat-joint contact model. The validity of the numerical model was investigated through a comprehensive comparative study against physical uniaxial and biaxial compression experiments. Good agreement was found between numerical and experimental tests in terms of the recorded peak strength and the failure mode in both loading conditions. Studies on the effect of joint orientation on the failure mode showed that four zones of intact, transition to block rotation, block rotation and transition to intact failure occurs when the joint dip angle varies from 0° to 90°. It was found that the applied confining stress can significantly alter the range of these zones. It was observed that the minimum strength occurs at the joint dip angle of around 45 degrees under different confining stresses. It was also found that the joint orientation can alter the post peak behaviour and the lowest brittleness was observed at the block rotation zone.
Purpose: This study compared shear bond strengths of five self-adhesive cements with phosphate monomer to zirconium oxide ceramic with and without airborn particle abrasion. Materials and methods: One hundred zirconia samples were air-abraded ($50{\mu}mAl_2O_3$). One hundred composite resin cylinders were fabricated. Composite cylinders were bonded to the zirconia samples with either Permacem 2.0 (P), $Clearfil^{TM}$ SA Luting (C), $Multilink^{(R)}$ Speed (M), $RelyX^{TM}$ U200 Automix (R), G-Cem $LinkAce^{TM}$ (G). All bonded specimens were stored in distilled water ($37^{\circ}C$) for 24 h and half of them were additionally aged by thermocycling ($5^{\circ}C$, $55^{\circ}C$, 5,000 times). The bonded specimens were loaded in shear force until fracture (1 mm/min) by using Universal Testing Machine (Model 4201, Instron Co, Canton, MA, USA). The failure sites were inspected under field-emission scanning electron microscopy. The data was analyzed with ANOVA, Tukey HSD post-hoc test and paired samples t-test ($\alpha$=.05). Results: Before and after thermocycling, $Multilink^{(R)}$ Speed (M) revealed higher shear-bond strength than the other cements. G-Cem $LinkAce^{TM}$ (G) showed significantly lower bond strengths after thermocycling than before treatment (P<.05), but the other groups were not significantly different (P>.05). Conclusion: Most self-adhesive cements with phosphate monomer showed high shear bond strength with zirconia ceramic and weren't influenced by thermocycling, so they seem to valuable to zirconia ceramic bonding.
This study presents an application of hydro-mechanical coupled Particle Flow Code 3D (PFC3D) to simulation of fluid injection induced fault slip experiment conducted in Mont Terri Switzerland as a part of a task in an international research project DECOVALEX-2019. We also aimed as identifying the current limitations of the modelling method and issues for further development. A fluid flow algorithm was developed and implemented in a 3D pore-pipe network model in a 3D bonded particle assembly using PFC3D v5, and was applied to Mont Terri Step 2 minor fault activation experiment. The simulated results showed that the injected fluid migrates through the permeable fault zone and induces fault deformation, demonstrating a full hydro-mechanical coupled behavior. The simulated results were, however, partially matching with the field measurement. The simulated pressure build-up at the monitoring location showed linear and progressive increase, whereas the field measurement showed an abrupt increase associated with the fault slip We conclude that such difference between the modelling and the field test is due to the structure of the fault in the model which was represented as a combination of damage zone and core fractures. The modelled fault is likely larger in size than the real fault in Mont Terri site. Therefore, the modelled fault allows several path ways of fluid flow from the injection location to the pressure monitoring location, leading to smooth pressure build-up at the monitoring location while the injection pressure increases, and an early start of pressure decay even before the injection pressure reaches the maximum. We also conclude that the clay filling in the real fault could have acted as a fluid barrier which may have resulted in formation of fluid over-pressurization locally in the fault. Unlike the pressure result, the simulated fault deformations were matching with the field measurements. A better way of modelling a heterogeneous clay-filled fault structure with a narrow zone should be studied further to improve the applicability of the modelling method to fluid injection induced fault activation.
Reaction between silica and silane coupling agent without solvent was investigated using transmission mode Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermogravimetric analysis (TGA). Bis[3-(triethoxysilylpropyl) tetrasulfide] (TESPT) was used as a silane coupling agent. After removing the unreacted TESPT, formation of chemical bonds was analyzed using FTIR and content of reacted TESPT was determined using TGA. Content of the coupling agent bonded to silica increased with increase in the coupling agent content, but the oligomers were formed by condensation reaction between coupling agents when the coupling agent was used to excess. In order to identify bonds formed among silica, coupling agent, and rubber, a silica-coupling agent-BR model composite was prepared by reaction of the modified silica with liquid BR of low molecular weight and chemical bond formation of silica-coupling agent-BR was investigated. Unreacted rubber was removed with solvent and analysis was performed using FTIR and TGA. BR was reacted with the coupling agent of the modified silica to form chemical bonds. Polarity of silica surface was strikingly reduced and particle size of silica was increased by chemical bond formation of silica-coupling agent-BR.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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