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.
Recently, a large number of open-pit mines are planning to change their mining method to underground types because the environmental concerns and legal regulations are increased with a rise in the standard of living. The K silica mine, which is one of them and located in Kyunggi province, is planning the establishment of a vertical shaft which will be used for ore-pass channel in their new glory hole mining method. This vertical shaft will be designed to join with a horizontal gangway excavated from the ground level. In this new mining system, the excavated ore particles will be stored inside a shaft and transported out with a help of a conveyor belt. Therefore the hang-up of ore particles in a shaft, the control of gate at the bottom of a shaft, the installation of dog-leg at the gate should be investigated identically. In this study, the PFC-2D code which is one of the discrete element numerical methods has been applied to simulate the particle flow mechanism in a shaft, and the optimum mine design has been proposed to maximize the productivity and to minimize the system damage.
In this paper, the anisotropy of tensile behaviours of layered rocks consisting internal notch has been investigated using particle flow code. For this purpose, firstly calibration of PFC2D was performed using Brazilian tensile strength. Secondly Brazilian test models consisting bedding layer was simulated numerically. Thickness of layers was 10 mm and layered angularity was $90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $60^{\circ}$, $45^{\circ}$, $30^{\circ}$, $15^{\circ}$ and $0^{\circ}$. The strength of bedding interface was too high. Each model was consisted of one internal notch. Notch length is 1 cm, 2 cm and 4 cm and notch angularities are $60^{\circ}$, $45^{\circ}$, $30^{\circ}$, $15^{\circ}$ and $0^{\circ}$. Totally, 90 model were tested. The results show that failure pattern was affected by notch orientation and notch length. It's to be noted that layer angle has not any effect on the failure pattern. Also, Brazilian tensile strength is affected by notch orientation and notch length.
Experimental and discrete element methods were used to investigate the effects of triple joints lengths and triple joint angle on the failure behavior of rock mass under uniaxial compressive test. Concrete samples with dimension of 20 cm × 20 cm × 5 cm were prepared. Within the specimen, three imbedded joint were provided. The joint lengths were 2 cm, 4cm and 6 cm. In constant joint lengths, the angle between middle joint and other joints were 30°, 60°, 90°, 120° and 150°. Totally 15 different models were tested under compression test. The axial load rate on the model was 0.05 mm/min. Concurrent with experimental tests, the models containing triple joints, length and joint angle are similar to the experiments, were numerical by Particle flow code in two dimensions (PFC2D). Loading rate in numerical modelling was 0.05 mm/min. Tensile strength of material was 1 MPa. The results show that the failure behaviors of rock samples containing triple joints were governed by both of the angle and the length of the triple joints. The uniaxial compressive strengths (UCS) of the specimens were related to the fracture pattern and failure mechanism of the discontinuities. Furthermore, it was shown that the compressive behavior of discontinuities is related to the number of the induced tensile cracks which are increased by decreasing the joint length. Along with the damage failure of the samples, the acoustic emission (AE) activities are excited. There were only a few AE hits in the initial stage of loading, then AE hits rapidly grow before the applied stress reached its peak. In addition, every stress drop was accompanied by a large number of AE hits. Finally, the failure pattern and failure strength are similar in both methods i.e., the experimental testing and the numerical simulation methods.
The biaxial failure mechanism of transversally bedding concrete layers was numerically simulated using a sophisticated two-dimensional discrete element method (DEM) implemented in the particle flow code (PFC2D). This numerical modelling code was first calibrated by uniaxial compression and Brazilian testing results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 rectangular models with dimension of $54mm{\times}108mm$ were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness were chosen in models, i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that in all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be noted that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.
In this research, the algorithm for simulating specific grain size distribution(GSD) with large diameter granular material was developed using the distinct element analysis program $PFC^{3D}$(Particle Flow Code). This modeling approach can generate the initial distinct elements without clump logic or cluster logic and prevent distinct element from escaping through the confining walls during the process. Finally the proposed distinct element model is used to simulate large triaxial compression test of the rockfill material and we compared the simulation output with lab test results. Simulation results of Assembly showed very well agreement with the GSD of the test sample and numerical modeling of granular material would be possible for various stress conditions using this application through the calibration.
In this investigation, the interaction between opening space and neighboring joint has been examined by experimental test and Particle flow code in two dimension (PFC2D) simulation. Since, firs of all PFC was calibrated using Brazilian experimental test and uniaxial compression test. Secondly, diverse configurations of opening and neighboring joint were provided and tested by uniaxial test. 12 rectangular sample with dimension of 10 cm*10 cm was prepared from gypsum mixture. One quarter of tunnel and one and or two joint were drilled into the sample. Tunnel diameter was 5.5 cm. The angularities of joint in physical test were 0°, 45° and 90°. The angularities of joint in numerical simulation were 0°, 30°, 60°, -30°, -45°, -60° and its length were 2cm and 4cm. Loading rate was 0.016 m/s. Tensile strength of material was 4.5 MPa. Results shows that dominant type of crack which took place in the model was tensile cracks and or several shear bands develop within the model. The Final stress is minimum in the cases where oriented angle is negative. The failure stress decrease by decreasing the joint angle from 30° to 60°. In addition, the failure stress decrease by incrementing the joint angle from -30° to -60°. The failure stress was incremented by decreasing the number of notches. The failure stress was incremented by decreasing the joint length. The failure stress was incremented by decreasing the number of notches. Comparing experimental results and numerical one, showed that the failure stress is approximately identical in both conditions.
Wang, Zhijie;Ruiken, Axel;Jacobs, Felix;Ziegler, Martin
Geomechanics and Engineering
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v.7
no.6
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pp.665-678
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2014
In discrete element modeling, 2D software has been widely used in order to gain further insights into the fundamental mechanisms with less computational time. The porosities used in 2D DEM studies should be determined with appropriate approaches based on 3D laboratory porosities. This paper summarizes the main approaches for converting porosities from 3D to 2D for DEM studies and theoretical evaluations show that none of the current approaches can be widely used in dealing with soil mechanical problems. Therefore, a parabolic equation and a criterion have been suggested for the determination of 2D porosities in this paper. Moreover, a case study has been used to validate that the 2D porosity obtained from the above suggestion to be rational with both the realistic contact force distribution in the specimen and the good agreement of the DEM simulation results of direct shear tests with the corresponding experimental data. Therefore, the parabolic equation and the criterion are suggested for the determination of 2D porosities in a wide range of polydisperse particle systems, especially in dealing with soil mechanical problems.
Shemirani, Alireza Bagher;Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Akbarpour, Abbas;Babanouri, Nima
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.3
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pp.379-386
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2018
The present study addresses the direct and indirect methods of determining the mode-I fracture toughness of concrete using experimental tests and particle flow code. The direct method used is compaction tensile test and the indirect methods are notched Brazilian disc test, semi-circular bend specimen test, and hollow center cracked disc. The experiments were carried out to determine which indirect method yields the fracture toughness closer to the one obtained by the direct method. In the numerical analysis, the PFC model was first calibrated with respect to the data obtained from the Brazilian laboratory test. The crack paths observed in the simulated tests were in reasonable accordance with experimental results. The discrete element simulations demonstrated that the macro fractures in the models are caused by microscopic tensile breakages on large numbers of bonded particles. The mode-I fracture toughness in the direct tensile test was smaller than the indirect testing results. The fracture toughness obtained from the SCB test was closer to the direct test results. Hence, the semi-circular bend test is recommended as a proper experiment for determination of mode-I fracture toughness of concrete in the absence of direct tests.
In an uniaxial compressive test of a concrete standard specimen (150$\times$300 mm) the crack initiation and extension with the stress increase are the major reason of the failure, which is similar to the breakage of the particle bonding in the simulation by using particle bonded model, especially particle flow code in 3 dimensions (PFC3D) developed by Itasca Consulting Group Inc. That is the main motive to study the possibility of an uniaxial compressive strength test simulation. It is important to investigate the relationship between the micro-parameters and the macro-properties because the 3-dimensional particle bonded model uses the spherical particles to analyze the physical phenomena. Contact bonded model used herein has eight micro-parameters and there are five macro-properties; Young's modulus, Poisson's ratio, uniaxial compressive strength and the crack initiation stress and the ratio concerning the crack propagation with the stress. To simulate the compressive test we made quantitative relationships between the micro-parameters and the macro-properties by using the fractional factorial design and various sensitivity analyses including regression analysis, which result in the good agreement with the previous studies. Also, the stress-stain curve and the crack distribution over the specimen given by PFC3D showed the mechanical behavior of the concrete standard specimen under the uniaxial compression. It is concluded that the particle bonded model can be a good tool for the analyzing the mechanical behavior of concrete under the uniaxial compressive load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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