Complex rock masses include various joint planes, bedding planes and other weak structural planes. The existence of these structural planes affects the mechanical properties, deformation rules and failure modes of jointed rock masses. To study the influence of the parameters of a nonpersistent joint network on the mechanical properties and failure modes of jointed rock masses, synthetic rock mass (SRM) technology based on discrete elements is introduced. The results show that as the size of the joints in the rock mass increases, the compressive strength and the discreteness of the rock mass first increase and then decrease. Among them, the joints that are characterized by "small but many" joints and "large and clustered" joints have the most significant impact on the strength of the rock mass. With the increase in joint density in the rock mass, the compressive strength of rock mass decreases monotonically, but the rate of decrease gradually decreases. With the increase in the joint dip angle in rock mass, the strength of the rock mass first decreases and then increases, forming a U-shaped change rule. In the analysis of the failure mode and deformation of a jointed rock mass, the type of plastic zone formed after rock mass failure is closely related to the macroscopic displacement deformation of the rock mass and the parameters of the joints, which generally shows that the location and density of the joints greatly affect the failure mode and displacement degree of the jointed rock mass. The instability mechanism of jointed surrounding rock is revealed.
This study examined the magnitude and distribution of earth pressure on the support system in a jointed rock mass due to the different joint spacing as well as varying the rock type and joint condition (joint shear strength and joint inclination angle). Based on a physical model test and its numerical simulation, a series of numerical parametric analyses were conducted using a discrete element method. The results showed that the magnitude and distribution of earth pressure were strongly affected by the different joint spacing as well as the rock type and joint condition. In addition, the study results were compared with Peck's earth pressure for soil ground, which indicated that the earth pressure in a jointed rock mass could be considerably different from that in soil ground. The study suggests that the joint spacing as well as the rock type and joint condition are important factors affecting the earth pressure in a jointed rock mass and they should be considered when designing a support system in a jointed rock mass.
This paper investigated the magnitude and distribution of earth pressure on the support system in jointed rock mass by considering different earth pressure coefficients, rock types and joint inclination angles. The study mainly focused on the effect of the earth pressure coefficients on the earth pressure. Based on a physical model test (Son & Park, 2014), extended studies were conducted considering rock-structure interactions based on the discrete element method, which can consider the joints characteristics of rock mass. The results showed that the earth pressure was highly influenced by the earth pressure coefficients as well as the rock type and joint inclination angles. The effects of the earth pressure coefficients increased when the rock suffered more weathering and has no joint slide. The test results were also compared with Peck's earth pressure for soil ground, and clearly showed that the earth pressure in jointed rock mass can be greatly different from that in soil ground. This study indicated the earth pressure coefficients considering the rock types and joint inclination angles are important parameters influencing the magnitude and distribution of earth pressure, which should be considered when designing the support systems in jointed rock mass.
This study examined the magnitude and distribution of earth pressure on the support system in a jointed rock mass due to the different joint sets as well as varying the rock type and joint condition (joint shear strength and joint inclination angle). Based on a physical model test and its numerical simulation, a series of numerical parametric analyses were conducted using a discrete element method. The results showed that the induced earth pressure was affected significantly by a joint set depending on the inclusion of the joint inclination angle, which induces a joint sliding condition, but the number of joint sets alone was not important, even though the earth pressure could be increased slightly as the number of joint sets is increased. In addition, the study results were compared with Peck's earth pressure for soil ground, which indicated that the earth pressure in a jointed rock mass could be considerably different from that in soil ground. The study suggests that the effects of joint sets as well as rock type and joint condition are important factors affecting the earth pressure in a jointed rock mass and they should be considered when designing a support system in a jointed rock mass.
A rock mass containing non-persistent joints can only fail if the joints propagate and coalesce through an intact rock bridge. Shear strength of rock mass containing non-persistent joints is highly affected by the both, mechanical behavior and geometrical configuration of non-persistent joints located in a rock mass. Existence of rock joints and rock bridges are the most important factors complicating mechanical responses of a rock mass to stress loading. The joint-bridge interaction and bridge failure dominates mechanical behavior of jointed rock masses and the stability of rock excavations. The purpose of this review paper is to present techniques, progresses and the likely future development directions in experimental and numerical modelling of a non-persistent joint failure behaviour. Such investigation is essential to study the fundamental failures occurring in a rock bridge, for assessing anticipated and actual performances of the structures built on or in rock masses. This paper is divided into two sections. In the first part, experimental investigations have been represented followed by a summarized numerical modelling. Experimental results showed failure mechanism of a rock bridge under different loading conditions. Also effects of the number of non-persistent joints, angle between joint and a rock bridge, lengths of the rock bridge and the joint were investigated on the rock bridge failure behaviour. Numerical simulation results are used to validate experimental outputs.
The behavior of a jointed rock mass depends mainly on the geometrical and mechanical properties of joints. The failure mode of a rock mass and kinematics of rock blocks are governed by the orientation, spacing, and persistence of joints. The mechanical properties such as dilation angle, shear strength, maximum closure, strength of asperities and friction coeffiient play important roles on the stability and deformation of the rock mass. The normal and shear behaviour of a joint are coupled due to dilation, and the joint deformation depends also on the boundary conditions such as stiffness conditons. In this paper, the joint constitutive law including the dilatant behaviour of a joint is numerically modelled using the edge-to-edge contact logic in distinct element method. Also, presented is the method to quantify the input parameters used in the joint law. The results from uniaxial compression and direct shear tests using the numeical model of the single joint were compared to the analytic results from them. The boundary effect on the behaviour of a joint is verified by comparing the results of direct shear test under constant stress boundary condition with those under constant stiffness boundary condition. The numerical model developed is applied to a complex jointed rock mass to examine its performance and to evaluate the effect of joint dilation on tunnel stability.
Many mechanical defects originated from various geological causes make rock mass exhibit anisotropic characteristics. Understanding how the stress distribution occurs in anisotropic rock mass is, therefore, very important for the design of footings on rock and rock structures. In this study, the patterns of elastic stress distribution, developed by acting line load on the surface, in transversely isotropic was investigated. The influence of joint stiffness, joint spacing, and dip angle on the stress distribution was examined. By assuming the Mohr-Coulomb criterion as joint slip condition, the development of joint slip zone was also discussed.
Tunneling-induced displacement in a jointed rock mass is an important factor to control tunnel stability and to secure a demanded space and construction quality. The magnitude of the inducible displacements is significantly affected by an elastic modulus and therefore, in a rock mass where a joint controls tunnel behavior, it is very important to estimate an elastic modulus of jointed rock mass reliably. Elastic modulus of jointed rock mass is affected by many factors such as rock type, joint condition, and loading condition. Nevertheless, most existing studies were focused on rough empirical relationships based on compressive loading conditions, which are different from tunnel excavation loading conditions, without a systematic approach of rock, joint, and loading conditions together. Therefore, this study considered rock and joint conditions systematically to estimate an elastic modulus of jointed rock mass under tunnel excavation loading. The controlled factors considered in this study are rock types and joint conditions (joint shear strength, joint inclination angle, number of joint sets, and joint spacing). Numerical parametric studies have been carried out with a consideration of different rock and joint conditions; the results have been compared with existing empirical relationships; and charts of elastic modulus change of different rock and joint conditions have been provided. The results are expected to have a great practical use for estimating the convergence induced by tunnel excavation in jointed rockmass.
This study examined the magnitude and distribution of the earth pressure on the support system in a jointed rock mass by considering different joint shear strength, rock type, and joint inclination angle. The study particularly focused on the effect of joint cohesive strength for a certain condition. Based on a physical model test (Son and Park, 2014), extended parametric studies were conducted considering rock-structure interactions based on the discrete element method, which can consider the rock and joint characteristics of rock mass. The results showed the earth pressure was strongly affected by the joint cohesive strength as well as the rock type and joint inclination angle. The study indicated that the effect of joint cohesive strength was particularly significant when a rock mass was under the condition of joint sliding. This paper investigates the magnitude of joint cohesive strength to prevent a joint sliding for each different condition. The test results were also compared with Peck's earth pressure, which has been frequently used for soil ground. The comparison indicated that the earth pressure in a jointed rock mass can be significantly different from that in soil ground. This study is expected to provide a better understanding of the earth pressure on the support system in a jointed rock mass.
Dae-Sung Cheon;Seungbeom Choi;Won-Kyong Song;Seong Kon Lee
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.4
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pp.330-354
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2024
In site characterization of high-level radioactive waste, discontinuity(joint) distribution and rock mass classification, which are key evaluation parameters in the rock engineering field, were evaluated using deep boreholes in the Wonju granite and Chuncheon granite, which belong to Mesozoic Jurassic era. To evaluate joint distribution characteristics, fracture zones and joint surfaces extracted from ATV data were used, and major joint sets were evaluated along with joint frequency according to depth, dip direction, and dip. Both the Wonju and Chuncheon granites that were studied showed a tendency for the frequency of joints to increase linearly with depth, and joints with high angles were relatively widely distributed. In addition, relatively large amounts of weathering tended to occur even in deep depth due to groundwater inflow through high-angle joints. RQD values remained consistently low even at considerable depth. Meanwhile, joint groups with low angles showed different joint characteristics from joint sets with high angles. Rock mass classification was performed based on RMR system, and along with rock mass classification for 50 m intervals where uniaxial compressive strength was performed, continuous rock mass classification according to depth was performed using velocity log data and geostatistical techniques. The Wonju granite exhibited a superior rock mass class compared to the Chuncheon granite. In the 50 m interval and continuous rock mass classification, the shallow part of the Wonju granite showed a higher class than the deep part, and the deep part of the Chuncheon granite showed a higher class than the shallow part.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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