This study investigates a failure mechanism of a tunnel shotcrete lining with respect to a concentrated load due to blocky rock mass. First of all, it is carried out to survey relevant researches to shotcrete failures by literature reviews and to numerically re-investigate the failure modes of shotcrete lining given by previous researches. Through this study, the failure modes are relocated with the conditions which induce each failure mode newly proposed by this study. In addition to this, the arching shape of tunnel lining, which has not been considered in the previous research despite of inherent geometrical characteristics in tunnels, is taken into consideration in numerical investigation on lining failure in this study. As a result, it is shown that more simplified failure modes can be found on the tunnel boundary condition and the corresponding failure condition to each mode can be different from ones of the previous study due to a tunnel arching effect.
Uniaxial compression tests were conducted on sandstone-CGFB composite samples with different interface angles, and their strength, acoustic emission (AE), and failure characteristics were investigated. Three macro-failure patterns were identified: the splitting failure accompanied by local spalling failure in CGFB (Type-I), the mixed failure with small sliding failure along with the interface and Type-I failure (Type-II), and the sliding failure along with the interface (Type-III). With an increase of interface angle β measured horizontally, the macro-failure pattern changed from Type-I to Type-II, and then to Type-III, and the uniaxial compressive strength and elastic modulus generally decreased. Due to the small sliding failure along with the interface in the composite sample with β of 45°, AE events underwent fluctuations in peak values at the later post-peak failure stage. The composite samples with β of 60° occurred Type-III failure before the completion of initial compaction stage, and the post-peak stress-time curve initially exhibited a slow decrease, followed by a steep linear drop with peaks in AE events.
Real-time characterization of the rock thermal deformation and fracture process provides guidance for detecting and evaluating thermal stability of rocks. In this paper, time -frequency characteristics of acoustic emission (AE) and electromagnetic radiation (EMR) signals were studied by conducting experiments during rock continuous heating. The coupling correlation between AE and EMR during rock thermal deformation and failure was analyzed, and the microcosmic mechanism of AE and EMR was theoretically analyzed. During rock continuous heating process, rocks simultaneously produce significant AE and EMR signals. These AE and EMR signals are, however, not completely synchronized, with the AE signals showing obvious fluctuation and the EMR signals increasing gradually. The sliding friction between the cracks is the main mechanism of EMR during the rock thermal deformation and fracture, and the AE is produced while the thermal cracks expanding. Both the EMR and AE monitoring methods can be applied to evaluate the thermal stability of rock in underground mines, although the mechanisms by which these signals generated are different.
Based on theories of rock mechanics, rock fragmentation, mechanics of elasto-plasticity, and energy dissipation etc., a method is presented for evaluating the rock fragmentation efficiency by using plastic energy dissipation ratio as an index. Using the presented method, the fragmentation efficiency of rocks with different strengths (corresponding to soft, intermediately hard and hard ones) under indentation is analyzed and compared. The theoretical and numerical simulation analyses are then combined with experimental results to systematically reveal the fragmentation mechanism of rocks under indentation of indenter. The results indicate that the fragmentation efficiency of rocks is higher when the plastic energy dissipation ratio is lower, and hence the drilling efficiency is higher. For the rocks with higher hardness and brittleness, the plastic energy dissipation ratio of the rocks at crush is lower. For rocks with lower hardness and brittleness (such as sandstone), most of the work done by the indenter to the rocks is transferred to the elastic and plastic energy of the rocks. However, most of such work is transferred to the elastic energy when the hardness and the brittleness of the rocks are higher. The plastic deformation is small and little energy is dissipated for brittle crush, and the elastic energy is mainly transferred to the kinetic energy of the rock fragment. The plastic energy ratio is proved to produce more accurate assessment on the fragmentation efficiency of rocks, and the presented method can provide a theoretical basis for the optimization of drill bit and selection of well drilling as well as for the selection of the rock fragmentation ways.
The fracture propagation mechanism and fractured rock mass failure mechanism were important research in geotechnical engineering field. Many failures and instability in geotechnical engineering were related on fractures propagation, coalescence and interaction in rock mass under the external force. Most of the current research were limited to two-dimensional for the brittleness and transparency of three-dimensional fracture materials couldn't meet the requirements of the experiment. New materials with good transparent and brittleness were developed by authors. The making method of multi fracture specimens were established and made molds that could be reused. The tension-compression ratio of the material reached above 1/6 in normal temperature. Uniaxial and biaxial loading tests of single and double fracture specimens were carried out. Four new fractures were not found in the experiment of two-dimensional fractures such as the fin shaped crack, wrapping wing crack and petal crack and anti-wing crack. The relationship between stress and strain of the specimens were studied. The specimens with the load had experienced four stages of deformation and the process of the fracture propagation was clearly seen in each stage. The expansion characteristics of the fractured specimens were more obvious than the previous research.
Kim, Ho-Jong;Kim, Kang-Hyun;Kim, Hong-Moon;Shin, Jong-Ho
Geomechanics and Engineering
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v.15
no.3
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pp.841-849
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2018
The purpose of a rock bolt is to improve the mechanical performance of a jointed-rock mass. The performance of a rock bolt is generally evaluated by conducting a field pullout test, as the analytical or numerical evaluation of the rock bolt behavior still remains difficult. In this study, wide range of field test was performed to investigate the pullout resistance of rock bolts considering influencing factors such as the rock type, water bearing conditions, rock bolt type and length. The test results showed that the fully grouted rock bolt (FGR) in water-bearing rocks can be inadequate to provide the required pullout resistance, meanwhile the inflated steel tube rock bolt (ISR) satisfied required pullout resistance, even immediately after installation in water-bearing conditions. The ISR was particularly effective when the water inflow into a drill hole is greater than 1.0 l/min. The effect of the rock bolt failure on the tunnel stability was investigated through numerical analysis. The results show that the contribution of the rock bolt to the overall stability of the tunnel was not significant. However, it is found that the rock bolt can effectively reinforce the jointed-rock mass and reduce the possibility of local collapses of rocks, thus the importance of the rock bolt should not be overlooked, regardless of the overall stability.
Failure of basic structures material is usually accompanied by expansion of interior cracks due to stress concentration at the cracks tip. This phenomenon shows the importance of examination of the failure behavior of concrete structures. To this end, 4 types of mortar samples with different amounts of nano-silica (0%, 0.5%, 1%, and 1.5%) were made to prepare twelve $50{\times}50{\times}50mm$ cubic samples. The goal of this study was to describe the failure and micro-crack growth behavior of the cement mortars in presence of nano-silica particles and control mortars during different curing days. Failure of mortar samples under compressive strength were sensed with acoustic emission technique (AET) at different curing days. It was concluded that the addition of nano-silica particles could modify failure and micro-crack growth behavior of mortar samples. Also, monitoring of acoustic emission parameters exposed differences in failure behavior due to the addition of the nanoparticles. Mortar samples of nano-silica particles revealed stronger shear mode characteristics than those without nanoparticles, which revealed high acoustic activity due to heterogeneous matrix. It is worth mentioning that the highest compressive strength for 3 and 7 test ages obtained from samples with the addition of 1.5% nano-silica particles. On the other hand maximum compressive strength of 28 curing days obtained from samples with 1% combination of nano-silica particles.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.7
no.1
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pp.51-61
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2005
In general the strength parameter of the ground will be changed by reinforcing the ground around tunnel. In this case, the concept of tunnel design, such as supporting system, excavation, lining and so on, should be modified based on the failure criteria or the ground changed by the reinforcement. This paper presents the variation mechanism of strength parameters and new failure criteria of the reinforced ground. In order to perform this research, theoretical and experimental works were carried out. It was clearly founded that the cohesion of strength parameters is only increased by reinforcement of ground, especially by rock bolting.
This paper presents the results of full-scale loading tests performed on 54 passive anchors and 4 group anchored footings grouted to various lengths at several sites in Korea. The test results, the failure mechanisms as well as uplift capacities of rock anchors depend mostly on rock type and quality, embedded fixed length, properties of the discontinuities, and the strength of rebar. Anchors in poor quality rocks generally fail along the grout/rock interfaces when their depths are very shallow (a fixed length of less than 1 m). However, even in such poor rocks, we can induce a more favorable mode of rock pull-up failure by increasing the fixed length of the anchors. On the other hand, anchors in good quality rocks show rock pull-up failures with high uplift resistance even when they are embedded at a shallow depth. Laboratory test results revealed that a form of progressive failure usually occurs starting near the upper surface of the grout, and then progresses downward. The ultimate tendon-grout bond strength was measured from $18{\sim}25%$ of unconfined compressive strength of grout. One of the important findings from these tests is that the measured strains along the corrosion protection sheath were so small that practically the reduction of bond strength by the presence of sheath would be negligible. Based on test results, the main parameters governing the uplift capacity of the rock anchor system were determined. By evaluation of the ultimate uplift capacity of anchor foundations in a wide range of in situ rock masses, rock classification suitable for a transmission tower foundation was developed. Finally, a very simple and economical design procedure is proposed for rock anchor foundations subjected to uplift tensile loads.
Zhu, Hong-Hu;Yin, Jian-Hua;Dong, Jian-Hua;Zhang, Lin
Geomechanics and Engineering
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v.2
no.2
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pp.89-106
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2010
Sliding within the dam foundation is one of the key failure modes of a gravity dam. A two-dimensional (2-D) physical model test has been conducted to study the sliding failure of a concrete gravity dam under overloading conditions. This model dam was instrumented with strain rosettes, linear variable displacement transformers (LVDTs), and embedded fiber Bragg grating (FBG) sensing bars. The surface and internal displacements of the dam structure and the strain distributions on the dam body were measured with high accuracy. The setup of the model with instrumentation is described and the monitoring data are presented and analyzed in this paper. The deformation process and failure mechanism of dam sliding within the rock foundation are investigated based on the test results. It is found that the horizontal displacements at the toe and heel indicate the dam stability condition. During overloading, the cracking zone in the foundation can be simplified as a triangle with gradually increased height and vertex angle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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