Progressive and localized brittle failures around an excavated opening by the overstressed condition can act as a serious obstacle to ensure the stability and the economical efficiency of construction work. In this paper, the characteristics of the brittle failure around an circular opening with stress level was studied by the biaxial compressive test using sealed specimen and by the numerical simulation with $PFC^{2D}$, one of the discrete element codes. The occurring pattern and shape of the brittle failure around a circular opening monitored during the biaxial loading were well coincided with those of the stress induced failures around the excavated openings observed in the brittle rock masses. The crack development stages with stress level were evaluated by the detailed analysis on the acoustic emission event properties. The microcrack development process around a circular opening was successfully visualized by the particle flow analysis. It indicated that the scaled test had a good feasibility in understanding the mechanism of the brittle failure around an opening with a high reliability.
This paper considers the tensile strength of concrete samples in direct, CTT, modified tension, splitting and ring tests using both of the experimental tests and numerical simulation (particle flow code 2D). It determined that which one of indirect tensile strength is close to direct tensile strength. Initially calibration of PFC was undertaken with respect to the data obtained from Brazilian laboratory tests to ensure the conformity of the simulated numerical models response. Furthermore, validation of the simulated models in four introduced tests was also cross checked with the results from experimental tests. By using numerical testing, the failure process was visually observed and failure patterns were watched to be reasonable in accordance with experimental results. Discrete element simulations demonstrated that the macro fractures in models are caused by microscopic tensile breakages on large numbers of bonded discs. Tensile strength of concrete in direct test was less than other tests results. Tensile strength resulted from modified tension test was close to direct test results. So modified tension test can be a proper test for determination of tensile strength of concrete in absence of direct test. Other advantages shown by modified tension tests are: (1) sample preparation is easy and (2) the use of a simple conventional compression press controlled by displacement compared with complicate device in other tests.
In this study, the effect of circle tunnel on the force distribution around underground rectangular gallery was investigated using theoretical approach, experimental test and Particle flow code simulation (PFC). Gypsum model with dimension of 1500×1500 mm was built. Tensile strength of material was 1 MPa. Dimension of central gallery was 100 mm×200 mm and diameter of adjacent tunnel in its right side was 20 mm, 40 mm and 60 mm. Horizontal distance between tunnel wall and gallery edge were 25, 50, 75, 100 and 125 mm. using beam theory, the effect of tunnel diameter and distance between tunnel and gallery on the induced force around gallery was analyzed. In the laboratory test, the rate of loading displacement was set to 0.05 millimeter per minute. Also sensitivity analysis has been done. Using PFC2D, interaction between tunnel and gallery was simulated and its results were compared with experimental and theoretical analysis. The results show that the tensile force concentration has maximum value in center of the rectangular space. The tensile force concentration at the right side of the axisymmetric line of gallery has more than its value in the left side of the galleries axisymmetric line. The tensile force concentration was decreased by increasing the distance between tunnel and rectangular space. In whole of the configurations, the angles of micro cracks fluctuated between 75 and 105 degrees, which mean that the variations of tunnel situation have not any influence on the fracture angle.
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.
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.
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.
Experimental and discrete element methods were used to investigate the effects of echelon non-persistent joint on the failure behaviour of joint's bridge area under uniaxial compressive test. Concrete samples with dimension of 150 mm×100 mm×50 mm were prepared. Uniaxial compressive strength and tensile strength of concrete were 14 MPa and 1MPa, respectivly. Within the specimen, three echelon non-persistent notches were provided. These joints were distributed on the three diagonal plane. the angle of diagonal plane related to horizontal axis were 15°, 30° and 45°. The angle of joints related to diagonal plane were 30°, 45°, 60°. Totally, 9 different configuration systems were prepared for non-persistent joint. In these configurations, the length of joints were taken as 2 cm. Similar to those for joints configuration systems in the experimental tests, 9 models with different echelon non-persistent joint were prepared in numerical model. The axial load was applied to the model by rate of 0.05 mm/min. the results show that the failure process was mostly governed by both of the non-persistent joint angle and diagonal plane angle. The compressive strengths of the specimens were related to the fracture pattern and failure mechanism of the discontinuities. It was shown that the shear behaviour of discontinuities is related to the number of the induced tensile cracks which are increased by increasing the joint angle. The strength of samples increase by increasing both of the joint angle and diagonal plane angle. The failure pattern and failure strength are similar in both methods i.e. the experimental testing and the numerical simulation methods.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09c
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pp.55-60
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2010
Rockfill zones in CFRD consist typically of large granular materials, usually the maximum particle size up to several meters, which makes laboratory testing to determine the mechanical properties of rockfill difficult. Commonly, the design strength of the rockfills is obtained by scaling down the original rockfill materials and performing laboratory strength tests for the reduced size materials. The objective of the present study is to investigate the effect of particle size on the shear behavior and the strength for granular materials. A series of large-scale triaxial tests was conducted on large granular materials with the maximum particle size varying from 20 to 50mm. The test results showed that overall shear behaviors were similar between the samples with different particle sizes while there were slight differences in the magnitudes of the peak shear stress between the samples. In addition, a simulation of the granular material with the max. particle size of 20mm was performed using DEM code, $PFC^{2D}$, and compared with the test results. The deviatoric stress versus strain behaviors of experimental and numerical tests were found to be matched well up to the peak stress state.
Experimental and numerical simulation were used to investigate the effects of angle and number of T shape non-persistent crack on the shear behaviour of crack's bridge area under uniaxial compressive test. concrete samples with dimension of 150 mm×150 mm×40 mm were prepared. Within the specimen, T shape non-persistent notches were provided. 16 different configuration systems were prepared for T shape non-persistent crack based on two and three cracks. In these configurations, the length of cracks were taken as 4 cm and 2 cm based on the cracks configuration systems. The angle of larger crack related to horizontal axis was 0°, 30°, 60° and 90°. Similar to cracks configuration systems in the experimental tests, 28 models with different T shape non-persistent crack angle were prepared in numerical model. The length of cracks were taken as 4 cm and 2 cm based on the cracks configuration systems. The angle of larger crack related to horizontal axis was 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75° and 90°. Tensile strength of concrete was 1 MPa. The axial load was applied to the model. Displacement loading rate was controlled to 0.005 mm/s. Results indicated that the failure process was significantly controled by the T shape non-persistent crack angle and crack number. The compressive strengths of the specimens were related to the fracture pattern and failure mechanism of the discontinuities. Furthermore, it was shown that the compressive behaviour of discontinuities is related to the number of the induced tensile cracks which are increased by increasing the crack number and crack angle. The strength of samples decreased by increasing the crack number. In addition, the failure pattern and failure strength are similar in both methods i.e. the experimental testing and the numerical simulation methods (PFC2D).
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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