During blasting, both shock wave and gas are generated in detonation process of explosives and the generated wave and gas expansion may create new fractures and damage rock mass. In order to explain and understand completely the fracture mechanism by blasting, we have to consider both effects of the wave and gas expansion simultaneously. In this study, we use a discrete element code, PFC2D and develop an algorithm which is capable of modeling both detonation and gas pressures acting on blasthole wall and visualizing generated cracks within rock mass. Moreover, the gas-pressure modeling method which applies a corresponding external force of gas pressure to parent particles of radial fractures is adopted to simulate a coopting between rock mass and gas penetrating created radial fractures. The developed algorithm is verified by reproducing numerical simulations of a lab-scale test blast successfully.
Ajamzadeh, M.R.;Sarfarazi, Vahab;Haeri, Hadi;Dehghani, H.
Smart Structures and Systems
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v.22
no.6
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pp.643-662
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2018
One of the methods for investigation of mechanical behavior of materials is numerical simulation. For simulation, its need to model behavior is close to real condition. PFC is one of the rock mechanics software that needs calibration for models simulation. The calibration was performed based on simulation of unconfined compression test and Brazilian test. Indeed the micro parameter of models change so that the UCS and Brazilian test results in numerical simulation be close to experimental one. In this paper, the effect of four micro parameters has been investigated on the uniaxial compression test and Brazilian test. These micro parameters are friction angle, Accumulation factor, expansion coefficient and disc distance. The results show that these micro parameters affect the failure pattern in UCS and Brazilian test. Also compressive strength and tensile strength are controlled by failure pattern.
Sarfarazi, Vahab;Haeri, Hadi;Marji, Mohammad Fatehi
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.1
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pp.43-50
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2019
In this research, the effect of bedding layer on the tensile failure mechanism of rocks has been investigated using PFC2D. For this purpose, firstly calibration of PFC2d was performed using Brazilian tensile strength. Secondly Brazilian test was performed on the bedding layer. Thickness of layers were 5 mm, 10 mm and 20 mm. in each thickness layer, layer angles changes from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Totally, 21 model were simulated and tested by loading rate of 0.016 mm/s. The results show that when layer angle is less than 15, tensile cracks initiates between the layers and propagate till coalesce with model boundary. Its trace is too high. With increasing the layer angle, less layer mobilizes in failure process. Also, the failure trace is very short. It's to be noted that number of cracks decrease with increasing the layer thickness. Also, Brazilian tensile strength is minimum when bedding layer angle is between $45^{\circ}$ and $75^{\circ}$. The maximum one is related to layer angle of $90^{\circ}$.
In this study, scaled model tests were performed on blasting demolition of reinforced concrete structures and the experimental results were analyzed in comparison with the results of numerical analysis. The tests were designed to induce a progressive collapse, and physical properties of the scaled model were determined using scale factors obtained ken dimension analysis. The scaled model structure was made of a mixture of plaster, sand and water at the ratio determined to yield the best scaled-down strength. Lead wire was used as a substitute for reinforcing bars. The scaled length was at the ratio of 1/10. Selecting the material and scaled factors was aimed at obtaining appropriately scaled-down strength. PFC2D (Particle Flow Code 2-Dimension) employing DEM (Distinct Element Method) was used for the numerical analysis. Blasting demolition of scaled 3-D plain concrete laymen structure was filmed and compared to results of numerical simulation. Despite the limits of 2-D simulation the resulting demolition behaviors were similar to each other. Based on the above experimental results in combination with bending test results of RC beam, numerical analysis was carried out to determine the blasting sequence and delay times. Scaled model test of RC structure resulted in remarkably similar collapse with the numerical results up to 900㎳ (mili-second).
This paper presents analysis of the interaction between tunnel and Qanat with a particular interest for the optimization of Qanat shape using the discrete element code, PFC2D, and the results will be compared with the FEM results of PLAXIS2D. For these concerns, using software PFC2D based on Discrete Element Method (DEM), a model with dimension of 100m ⁎ 100 m was prepared. A circular tunnel with dimension of 9 m was situated 20 m below the ground surface. Also one Qanat was situated perpendicularly above the tunnel roof. Distance between Qanat center and ground surface was 8 m. Five different shapes for Qanat were selected i.e., square, semi-circular, vertical ellipse, circular and horizontal ellipse. Confining pressure of 5 MPa was applied to the model. The vertical displacement of balls situated in ground surface was picked up to measure the ground subsidence. Also two measuring circles were situated at the tunnel roof and at the Qanat roof to check the vertical displacements. The properties of the alluvial soil of Tehran city are: γdry=19 (KN/㎥), E= 750 (kg/㎠), ν=0.35, c=0.3(kg/㎠), φ=34°. In order to validate the DEM results, a comparison between the numerical results (obtained in this study) and analytical and field monitoring have been done. The PFC2D results are compared with the FEM results. The results shows that when Qanat has rectangular shape, the tensile stress concentration at the Qanat corners has maximum value while it has minimum value for vertical ellipse shape. The ground subsidence for Qanat rectangular shape has maximum value while it has minimum value for ellipse shape of Qanat. The vertical displacements at the tunnel roof for Qanat rectangular shape has maximum value while it has minimum value for ellipse shape of Qanat. Historical shape of Qante approved the finding of this research.
Tensile strength is considered key properties for characterizing rock material in engineering project. It is determined by direct and indirect methods. Point load test is a useful testing method to estimate the tensile strengths of rocks. In this paper, the effects of rock shape on the point load index of gypsum are investigated by PFC2D simulation. For PFC simulating, initially calibration of PFC was performed with respect to the Brazilian experimental data to ensure the conformity of the simulated numerical models response. In second step, nineteen models with different shape were prepared and tested under point load test. According to the obtained results, as the size of the models increases, the point load strength index increases. It is also found that the shape of particles has no major effect on its tensile strength. Our findings show that the dominant failure pattern for numerical models is breaking the model into two pieces. Also a criterion was rendered numerically for determination of tensile strength of gypsum. The proposed criteria were cross checked with the results of experimental point load test.
In this paper, the shear behavior of soft filling in rectangular-hollow concrete specimens was simulated using the 2D particle flow code (PFC2D). The laboratory-measured properties were used to calibrate some PFC2D micro-properties for modeling the behavior of geo-materials. The dimensions of prepared and modeled samples were 100 mm×100 mm. Some disc type narrow bands were removed from the central part of the model and different lengths of bridge areas (i.e., the distance between internal tips of two joints) with lengths of 30 mm, 50 mm, and 70 mm were produced. Then, the middle of the rectangular hollow was filled with cement material. Three filling sizes with dimensions of 5 mm×5 mm, 10 mm×5 mm, and 15 mm×5 mm were provided for different modeled samples. The parallel bond model was used to calibrate and re-produce these modeled specimens. Therefore, totally, 9 different types of samples were designed for the shear tests in PFC2D. The shear load was gradually applied to the model under a constant loading condition of 3 MPa (σc/3). The loading was continued till shear failure occur in the modeled concrete specimens. It has been shown that both tensile and shear cracks may occur in the fillings. The shear cracks mainly initiated from the crack (joint) tips and coalesced with another one. The shear displacements and shear strengths were both increased as the filling dimensions increased (for the case of a bridge area with a particular fixed length).
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.3
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pp.261-275
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2012
This paper presents numerical analysis of the mud cake infiltration behaviour which is influenced tunnel face stability during excavation by slurry shield TBM. This analysis method can make useful data to select proper shield TBM type and to set up the construction plan. But effective analysis did not proposed until now. In this paper, we carried out numerical analysis using by $PFC^{2D}$ fluid coupling simulation which is suitable for sandy soil modelling. As a analysis result, we checked that the slurry infiltration behaviour varied with soil permeability and slurry characteristic(specific weight, viscosity etc). This analysis method is helpful safety excavation through anticipating the proper slurry viscosity at the design stage and verifying the slurry quality at initial excavation stage.
Although the evaluation of the mechanical properties and behavior of jointed rock masses is very important for the design of tunnel and underground openings, it has always been considered the most difficult problem. One of the difficulties in describing the rock mass behavior is the selection of the appropriate constitutive model. This limitation may be overcome with the progress in discrete element software such as PFC, which does not need the user to prescribe a constitutive model for rock mass. In this paper, a 30\;m\;\times\;30\;m\;\times\;30\;m m jointed rock mass of road tunnel site was analyzed. h discrete fracture network was developed from the joint geometry obtained from core logging and surface survey. Using the discontinuities geometry from the DFN model, PFC simulations were carried out, starting with the intact rock and systematically adding the joints and the stress-strain response was recorded for each case. With the stress-strain response curves, the mechanical properties of jointed rock masses were determined. As expected, the presence of joints had a pronounced effect on mechanical properties of the rock mass. More importantly, getting the mechanical response of the PFC model doesn't require a user specified constitutive model.
In this investigation, the interaction between opening space and neighboring joint has been examined by experimental test and Particle flow code in two dimension (PFC2D) simulation. Since, firs of all PFC was calibrated using Brazilian experimental test and uniaxial compression test. Secondly, diverse configurations of opening and neighboring joint were provided and tested by uniaxial test. 12 rectangular sample with dimension of 10 cm*10 cm was prepared from gypsum mixture. One quarter of tunnel and one and or two joint were drilled into the sample. Tunnel diameter was 5.5 cm. The angularities of joint in physical test were 0°, 45° and 90°. The angularities of joint in numerical simulation were 0°, 30°, 60°, -30°, -45°, -60° and its length were 2cm and 4cm. Loading rate was 0.016 m/s. Tensile strength of material was 4.5 MPa. Results shows that dominant type of crack which took place in the model was tensile cracks and or several shear bands develop within the model. The Final stress is minimum in the cases where oriented angle is negative. The failure stress decrease by decreasing the joint angle from 30° to 60°. In addition, the failure stress decrease by incrementing the joint angle from -30° to -60°. The failure stress was incremented by decreasing the number of notches. The failure stress was incremented by decreasing the joint length. The failure stress was incremented by decreasing the number of notches. Comparing experimental results and numerical one, showed that the failure stress is approximately identical in both conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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