In this study, a series of triaxial compressive strength tests were conducted for basaltic intact rocks sampled in the northeastern onshore and offshore, southeastern offshore and northwestern offshore of Jeju Island. Hoek-Brown constants $m_i$ were estimated from the results of the triaxial compression tests, and the properties of the Hoek-Brown constants $m_i$ were investigated. In addition, the cohesion and internal friction angle, strength parameters of Mohr-Coulomb failure criterion, obtained from the results of the triaxial compression tests were compared and analyzed with those estimated from Hoek-Brown failure criterion, respectively. As results, it was found that the Hoek-Brown constant $m_i$ is deeply related to the internal friction angle. As the internal friction grows, the Hoek-Brown constant $m_i$ increases exponentially. The cohesions estimated from the Hoek-Brown failure criterion, on average, are approximately 24% higher than those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion. The internal friction angles estimated from the Hoek-Brown failure criterion are similar to those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion.
The Hoek-Brown failure criterion for rock masses developed first in 1980 is widely accepted and has been applied in a variety of rock engineering problems including slope analyses. The failure criterion was modified over the years because rock mass strength by the original failure criterion in 1980 was overestimated. The modified failure criterion, named Generalized Hoek-Brown Failure Criterion, was proposed with a new classification called the Geological Strength Index(GSI) in 1994. Generally, Hoek-Brown failure criterion is applied in numerical analyses of rock mass behaviors using equivalent Mohr-Coulomb parameters estimated by linear regression method. But these parameters estimated by this method have some inaccuracies to be applied and to be incorporated into numerical models and limit equilibrium programs. The most important issue is that this method cannot take account of non-linear characteristics of Hoek-Brown criterion, therefore, equivalent Mohr-Coulomb parameters is used as constant values regardless of field stress distribution in rock masses. In this study, the numerical analysis on rock slope stability considering non-linear characteristics of Hoek-Brown failure criterion was carried out. Futhermore, by the latest Hoek-Brown failure criterion in 2002, the revised estimating method of equivalent Mohr-Coulomb parameters was applied and rock mass damage criterion is introduced to account for the strength reduction due to stress relaxation and blast damge in slope stability.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.9
no.3
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pp.263-273
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2007
When a tunnel or an underground structure is excavated in deep geological environments, the failure process is affected and eventually dominated by stress-induced fractures growing preferentially parallel to the excavation boundary. This fracturing is generally referred to as brittle failure by spatting and slabbing. Continuum models with traditional failure criteria such as Hoek-Brown or Mohr-Coulomb criteria have not been successful in prediction of the extent and depth of brittle failure. Instead cohesion weakening and frictional strengthening (CWFS) model is known to predict brittle failure well. In this study, CWFS model was applied to predict the brittle failure around a circular opening observed in physical model experiments. To obtain the input parameters for CWFS model, damage-controlled tests were carried out. The predicted depth and extent of brittle failure using CWFS model were compared to the results of the physical model experiment and numerical simulation using traditional model.
Friction angle and cohesion of rock masses can be estimated from Hoek and Brown failure criterion and then plastic corrections can be applied using Mohr-Coulomb yield function. This study finds that this estimation procedure would not be appropriate for weak rock masses and for cases where low confining stress is expected to develop. A procedure is outlined in this paper for estimating plastic corrections directly from Hoek and Brown material model. Comparative study shows that direct procedure would simulate non-linear failure surface better than indirect procedure especially in the low confining stress regime.
The strength parameters used in rock mass design are mainly estimated by equations using Hoek-Brown failure criterion because the tests to obtain the values are limited and expensive. To estimate the strength parameters, the Hoek-Brown failure criterion should be transformed to the Mohr-Coulomb failure criterion. But the processes are more or less cumbersome due to the several stages including the computation and the analyzing steps. In this study, several rock states of various conditions were modeled and then the strength parameters were estimated using the Hoek-Brown failure criterion. Thereafter by analyzing the results, some charts and equations estimating the strength parameters through only one step or easily in the field using the values of RMC, the uniaxial compressive strength and the rock constant ($m_i$), were suggested. And then the suggested method was compared and discussed with the existing method.
The generalized Hoek-Brown (GHB) failure criterion developed by Hoek et al. (2002) is a nonlinear function which defines a stress condition at failure of rock mass. The relevant strength parameter values are systematically determined using the GSI value. Since GSI index is a value quantifying the condition of in-situ rock mass, the GHB criterion is a practical failure condition which can take into the consideration of in-situ rock mass quality. Considering that most rock mechanics engineers are familiar with the linear Mohr-Coulomb criterion and that many rock engineering softwares incorporate Mohr-Coulomb criterion, the equations for the equivalent friction angle and cohesion were also proposed along with the release of the GHB criterion. The proposed equations, however, fix the lower limit of the minor principal stress range, where the linear best-fitting is performed, with the tensile strength of the rock mass. Therefore, if the tensile stress is not expected in the domain of analysis, the calculated equivalent friction angle and cohesion based on the equations in Hoek et al. (2002) could be less accurate. In order to overcome this disadvantage of the existing equations for equivalent friction angle and cohesion, this study proposes the analytical formula which can calculate optimal equivalent friction angle and cohesion in any minor principal stress interval, and verified the accuracy of the derived formula.
A simple analytical approach for stability assessment of underground storage caverns against ground uplift of overburden rock above the rock caverns for high pressurized fluid such as compressed air energy storage (CAES) and compressed natural gas (CNG) was developed. In the developed approach, we assumed that failure plane of the overburden is straight upward to ground surface, and factor of safety can be calculated from a limit equilibrium analysis in terms of this cylindrical shape failure model. The frictional resisting force on the failure plane was estimated by Hoek-Brown strength criterion which replaces with Mohr-Coulomb criterion such that both intact rock strength and rock mass conditions can be considered in the current approach. We carried out a parametric sensitivity analysis of strength parameters under various rock mass conditions and demonstrated that the factor of safety againt ground uplift was more sensitive to Mohr-Coulomb strength criterion rather than Hoek-Brown criterion.
A number of true triaxial tests on rock samples have been conducted since the late 1960 and their results strongly suggest that the intermediate principal stress has a considerable effect on rock strength. Based on these experimental evidence, various 3-D rock failure criteria accounting for the effect of the intermediate principal stress have been proposed. Most of the 3-D failure criteria, however, are focused on the phenomenological description of the rock strength from the true triaxial tests, so that the associated strength parameters have little physical meaning. In order to confirm the likelihood that the intermediate principal stress dependency of rock strength is related to the presence of weak planes and their distribution to the preferred orientation, true triaxial tests are simulated with the transversely isotropic rock model. The conventional Mohr-Coulomb criterion is extended to its anisotropic version by incorporating the concept of microstructure tensor. With the anisotropic Mohr-Coulomb criterion, the critical plane approach is applied to calculate the strength of the transversely isotropic rock model and the orientation of the fracture plane. This investigation hints that the spatial distribution of microstructural planes with respect to the principal stress triad is closely related to the intermediate principal stress dependency of rock strength.
We conducted laboratory simulations of deep vertical drilling into the earth's crust to induce borehole breakouts and investigated their potential use for estimating in situ stress magnitudes in Westerly granite and Berea sandstone. Our experiments consisted of two major stages, a series of triaxial tests and borehole-breakout formation tests under a wide range of far-field stresses. We derived the Mohr-Coulomb, Nadai and Mogi failure criteria from the triaxial test results. Each criterion was compared with the stress condition at breakout boundaries. We concluded that the well known Mohr-Coulomb criterion is not compatible with the stress condition at breakout failure. On the other hand, polyaxial (truly triaxial) failure criteria such as the Nadai criterion for Berea sandstone and the Mogi criterion for Westerly granite were much more suitable for predicting breakout failure zone. Such failure criteria appeared to enable the reliable estimation of the magnitude of one of two horizontal principal stresses if the other one is known.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.34
no.3
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pp.947-954
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2014
In general, Fracture of the material is not occurring of the maximum normal stress or the maximum shear stress failure in the state. Maximum normal stress and maximum shear stress in the state of Critical coupling from being destroyed based on the Mohr-Coulomb theory. Couple of different mixtures, including permeable asphalt pavement, SMA and dense-graded asphalt mixture, were used for compression triaxial test at $45^{\circ}C$ and $60^{\circ}C$. Mohr-Coulomb theory to the analysis of compression triaxial test result of the internal friction angle $38.9^{\circ}{\sim}46.9^{\circ}$ measured somewhat irregularly, but in the case of cohesion, depending on whether the temperature and immersion of the specimen appeared differently. In addition, Indirect tensile test and compression triaxial test of the asphalt mixture to determine the correlation between compression triaxial test results assessed as cohesion and internal friction angle calculated using the theoretical Indirect tensile strength and measured indirectly tensile strength were analyzed. The Measured & Predicted IDT St values tended to be proportional.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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