In this paper the effect of bedding layer on the failure mechanism of rock in direct shear test has been investigated using particle flow code, PFC. For this purpose, firstly calibration of pfc2d was performed using Brazilian tensile strength. Secondly direct shear test consisting bedding layer was simulated numerically. Thickness of layers was 10 mm and rock bridge length was 10 mm, 40 mm and 60 mm. In each rock bridge length, bedding layer angles changes from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Totally 21 models were simulated and tested. The results show that two types of cracks develop within the model. Shear cracks and tensile cracks. Also failure pattern is affected by bridge length while shear strength is controlled by failure pattern. It's to be noted that bedding layer has not any effect on the failure pattern because the layer interface strength is too high.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.4
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pp.321-336
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2012
The shear behavior at the particle/surface interface such as rock joint can determine the mechanical behavior of whole structure. Therefore, a fundamental understanding of the mechanisms governing its behavior and accurately estimation of the interface strength is essential. In this paper, PFC, a numerical analysis program of discrete element method was used to investigate the effects of the surface roughness crushing on interface strength. The surface roughness was characterized by smooth, intermediate, and rough surface, respectively. Particle shape was classified into one ball model of circular shape and 3 ball model of triangular shape. The surface shape was modelled by wall model of non-crushing surface and ball model of crushing surface. The results showed that as the bonding strength of ball model decreases, lower interface strength is induced. After the surface roughness crushing was occurred, the interface strength tended to converge and higher bonding strength induced lower surface roughness crushing. Higher friction angle was induced in wall model and higher surface roughness induced the higher friction angle. From these findings, it is verified that the surface roughness and surface roughness crushing effect on the particle/surface interface shear behavior.
Granular soils having a large particle size have been used as a filling material in the construction of foundation, harbor, dam, and so on. Consequently, the shear behavior of this granular soil plays a key role in respect of stability of structures. For example, soil particle crushing occurring at the interface between structure and soil and/or within soil mass can cause a disturbance of ground characteristics and consequently induce issues in respect of stability of structures. In order to investigate the shear behavior according to an existence and nonexistence of particle crushing, numerical analyses were conducted by using the DEM (Discrete Element Method)-based software program PFC2D (Particle Flow Code). By dividing soil particle bonding model into crushing model and noncrushing model, total four particle bonding models were simulated and their results were compared. Noncrushing model included one ball model and clump model, and crushing model included cluster model and Lobo-crushing model. The combinations of soil particle followed the research results of Lobo-Guerrero and Vallejo (2005) which were composed of eight circles. The results showed that the friction angle was in order of clump model > cluster model > one ball model. The particle bonding model compared to one ball model and noncrushing model compared to crushing model showed higher shear strength. It was also concluded that the model suggested by Lobo-Guerrero and Vallejo (2005) is not appropriate to simulate the soil particle crushing.
Numerical simulations by three-dimensional Particle Flow Code($PFC^{3D}$, Itasca) considering distinct element method (DEM) were carried out for prediction of triaxial compression test with sand material. The effect of scale conditions for numerical model and distinct material on final prediction results was analyzed by numerical models under various scale conditions, and following observations were made from the numerical experiments. It is very useful to model the initial material condition without any porosity conversion from 2-D to 3-D DEM. Numerical experiments have shown that in all cases considered, 3D distinct element modeling could provide good agreement on stress-strain behavior, volume change and strength properties with laboratory testing results. It was important thing to assess reasonable scale ratio of numerical model and distinct elements for saving calculation time and securing calculation efficiency under condition with accuracy and appropriateness as numerical laboratory. As results of DEM simulations under various scale conditions, most of results show that shear strength properties as cohesion and internal friction angle are similar in condition of $D_{mod}/D_{gmax}$ < 10. It shows that 3-D distinct element method could be used as efficient tool to assess strength properties by numerical laboratory technique.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2011.09a
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pp.3-21
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2011
Laboratory experiments and numerical simulations using Particle Flow Code (PFC2D) were performed to study the effects of joint separation and joint overlapping on the full failure behavior of rock bridges under direct shear loading. Through numerical direct shear tests, the failure process is visually observed and the failure patterns are achieved with reasonable conformity with the experimental results. The simulation results clearly showed that cracks developed during the test were predominantly tension cracks. It was deduced that the failure pattern was mostly influenced by both of the joint separation and joint overlapping while the shear strength is closely related to the failure pattern and its failure mechanism. The studies revealed that shear strength of rock bridges are increased with increasing in the joint separation. Also, it was observed that for a fixed cross sectional area of rock bridges, shear strength of overlapped joints are less than the shear strength of non-overlapped joints.
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.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.09a
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pp.591-604
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2009
This paper presents some important issues in modeling rock behaviour around an underground opening at depth which characterized as stress-induced fractural failure of rock. Unlike other conventional modeling approaches, stress-induced rock failure is highly complex process due to its own heterogeneous and discrete natures. Because of this complexity, many researchers has been struggled to mimic such processes as close as possible to reality with various approaches in both analytical, and numerical approaches for past few decades. Such approaches which are based on continuum mechanics, analytical fracture mechanics, and DEM(Discrete Element Method) were explored in this paper, and fundamental shortcomings for each approaches were illustrated here. In addition, DEM approach using $PFC^{2D}$(Particle Flow Code) was also implemented and illuminated in this paper and discuss the improvement and considerations for the future research.
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.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.751-758
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2005
In this study, the Discrete Element Code was applied to the analysis of falling rock blocks. The simulation was performed using the PFC2D computer code. Falling rock blocks should be applied as additional force to each others. The force affect the motion of falling rock blocks. This was used to find out the behavior of each blocks. This study revealed that the DEM can successfully capture the behavior of falling rock blocks.
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