Since the failure behavior of transversely isotropic rocks is significantly different from that of isotropic rocks, it is necessary to develop a transversely isotropic rock failure function in order to evaluate the stability of rock structures constructed in transversely isotropic rock masses. In this study, a spatial distribution function for strength parameters of transversely isotropic rocks is proposed, which is based on the Cassini oval curve proposed by 17th century astronomer Giovanni Domenico Cassini to model the orbit of the Sun around the Earth. The proposed distribution function consists of two model parameters which could be identified through triaxial compression tests on transversely isotropic rock samples. The original Mohr-Coulomb (M-C) failure function is extended to a three-dimensional transversely isotropic M-C failure function by employing the proposed strength parameter distribution function for the spatial distributions of the friction angle and cohesion. In order to verify the suitability of the transversely isotropic M-C failure function, both the conventional triaxial compression and true triaxial compression tests of transversely isotropic rock samples are simulated. The predicted results from the numerical experiments are consistent with the failure behavior of transversely isotropic rocks observed in the actual laboratory tests. In addition, the simulated result of true triaxial compression tests hints that the dependence of rock strength on intermediate principal stress may be closely related to the distribution of the microstructures included in the rock samples.
In geological media with anisotropic properties, the strength anisotropy in intact rock is the most important issue in engineering aspects. Point-ioad(P/L) strength test designed to estimate the uniaxial compressive strength(${\sigma}_c$) can be used to evaluate the anisotropic strength characteristics of rocks. The relationship between ${\sigma}_c$ and P/L strength indices(I$_s$), obtained from the banded gneisses distributed in the Cheongyang area, varies depend mainly on the dip angle($\beta$) of foliation. The axial P/L strength indicies(I$_{sa}$) decreases with the increment of $\beta$, whereas diametral P/L strength indices(I$_{sa}$) increase with it. However, the ${\sigma}_c$ decreases with the increments of $\beta$ below about 40$^{\circ}$, but it increases with the increments of $\beta$ over about 40$^{\circ}$ in general. The correlation between ${\sigma}_c$ and I$_s$ suggests that ${\sigma}_c$ is related to the Isa withing low angle($\beta$<40$^{\circ}$) and the I$_{sd}$ within high angle ($\beta$>40$^{\circ}$), respectively. The ratios of I$_s$ to ${\sigma}_c$ are obtained as 11 to 14 in the the gneisses in the study area. The ratio of 24, which is generally adopted value, cannot always be truthworth to the gneisses in the study area. The ratio for the dykes, however, show a good correlation as 21 to 24.5 and, the value of 24 can be used for a homogeneous and isotropic materials such as dykes.
Tran, M. Khoa;Park, Jung-Hee;Byun, Yong-Hoon;Shin, Ho-Sung;Lee, Jong-Sub
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.27
no.12
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pp.17-25
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2011
A fabric of soil media may change due to certain factors such as dissolution of soluble particles, desiccation, and cementation. The fabric changes affect the mechanical behavior of soils. The purpose of this study is to investigate the effects of geo-material dissolution on shear strength. Experiments and numerical simulations are carried out by using a conventional direct shear and the discrete element method. The dissolution specimens are prepared with different volumetric salt fraction in sand soils. The dissolution of the specimens is implemented by saturating the salt-sand mixtures at different confining stresses in the experimental study or reducing the sizes of soluble particles in the numerical simulations. Experimental results show that the angle of shearing resistance decreases with the increase in the soluble particle content and the shearing behavior changes from dilative to contractive behavior. The numerical simulations exhibit that macro-behavior matches well with the experimental results. From the microscopic point of view, the particle dissolution produces a new fabric with the increase of local void, the reduction of contact number, the increase of shear contact forces, and the anisotropy of contact force chains compared with the initial fabric. The shearing behavior of the mixture after the particle dissolution is attributed to the above micro-behavior changes. This study demonstrates that the reduction of shearing resistance of geo-material dissolution should be considered during the design and construction of the foundation and earth-structures.
The objective of this study is to perform finite element analyses(FEA) using the anisotropic hardening constitutive model on the basis of the total stress concept. An anisotropic hardening model was then developed to solve the problem and its mathematical formulations and experimental verifications were also described. In a companion paper, the constitutive equation will be formulated for accurate and efficient solutions of FEA, and coded into a nonlinear analysis program, and finally a field problem will be analyzed. The proposed model includes the failure criterion of a von Mises type and the anisotropic hardening rule based on the generalized isotropic hardening description, which can model the nonlinearity and the anisotropy of the stress-strain relationship. As a result this study could verty the experimental results for UU triaxial tests, CU triaxial tests for overconsolidated samples, and anisotropic loading tests with the rotation of principal stress axes for $K_0$consolidated samples.
A cationic surfactant, cetyltrimethylammonium $\rho$-toluenesufonate (CTA$\rho$TS), forms long threadlike micelles in aqueous solution. The threadlike micelles make concentrated entanglement networks, so that the solution shows pronounced viscoelastic behavior as concentrated polymer systems do. However, a mechanism for a process responsible for the longest relaxation time of the threadlike micellar system is different from that of semi-dilute to concentrated polymer systems. The threadlike micellar system exhibits unique viscoelasticity described by a Maxwell model. The longest relaxation time of the threadlike micellar system is not a function of the concentration of CTA$\rho$TS, but changes with that of $\rho$-toluenesufonate ($\rho$$TS^{-}$) ions in the bulk aqueous phase supplied by adding sodium $\rho$-toluenesulfonate (NapTS). The rates of molecular motions in the threadlike micelles are not influenced by the concentration of $\rho$$TS^{-}$ anions, therefore, molecular motions in the threadlike micelles (micro-dynamics) are independent of the longest relaxation mechanism (macro-dynamics). A nonionic surfactant, oleyldimethylamineoxide (ODAO), forms long threadlike micelles in aqueous solution without any additives. The aqueous threadlike micellar system of ODAO also shows Maxwell type viscoelastic behavior. However, the relaxation mechanism for the longest relaxation process in the system should be different from that in the threadlike micellar systems of CTA$\rho$TS, since the system of ODAO does not contain additive anions. Because increase in the average degree of protonation of head groups of ODAO molecules in micelles due to adding hydrogen bromide causes the relaxation time remarkably longer, changes in micro-structure and micro-dynamics in the threadlike micelle are closely related to macro-dynamics in contrast with the threadlike micellar system of CTA$\rho$TS.
Brazilian splitting tests, uniaxial compression tests and triaxial compression tests are carried out on the coal samples cored from Shanxi group $II_1$ coal seam of Jiaozuo coal mine, Henan province, China, to obtain their property parameters. Considering the bedding has notable effect on the property parameter of coal, the samples with different bedding angles are prepared. The effects of bedding on the anisotropic characteristics of the coal seam are investigated. A geological geomechanical model is built based on the geology characteristics of the Jiaozuo coal mine target reservoir to study the effects of bedding on the fracture propagations during hydraulic fracturing. The effects of injection pressure, well completion method, in-situ stress difference coefficient, and fracturing fluid displacement on the fracture propagations are investigated. Results show bedding has notable effects on the property parameters of coal, which is the key factor affecting the anisotropy of coal. The hydraulic cracks trends to bifurcate and swerve at the bedding due to its low strength. Induced fractures are produced easily at the locations around the bedding. The bedding is beneficial to form a complicated fracture network. Experimental and numerical simulations can help to understand the effects of bedding on hydraulic fracturing in coalbed methane reservoirs.
This study used fowl sperm from three White Leghom rooster reared at our laboratory. Semen samples were exposed to the magnetic field strengths of from 650 to 5700 Gauss for one. two, or three days to investigate the influence of magnetic field on the orientation of fowl spermatozoa. Fowl spermatozoa were found to orient with their long axis of heads perpendicular to the magnetic field direction. The fowl spermatozoa were initially influenced when magnetic field intensities were from 650 to 5700 Gauss and the highest values (70.67, 72.49 and 71.79%) were found in the 5700 Gauss treatment at one, two, and three days exposure, respectively. Although percentages of the perpendicular oriented fowl spermatozoa increased along with the enhancement of the magnetic field intensity, the degree of orientation was only significantly higher in the treatments having the magnetic field strength from 1500 to 5700 Gauss than that in the control treatment at all exposure time. In addition, the experimental results also showed that the percentages of all orientational types of fowl spermatozoa (perpendicular category including upward perpendicular and downward perpendicular and parallel type consisting of leftward parallel and rightward parallel) in all treatments tended to be stable during exposure time. From the results of this study. it is suggested that (1) the diamagnetic anisotropy of the inside structural components of fowl spermatozoa induce them to orient perpendicular to the magnetic field direction, (2) the degree of orientation increased according to the enhancement of magnetic field strengths, (3) fowl spermatozoa had not an high sensitivity to the magnetic field, and the level of perpendicular orientation of fowl spermatozoa in this study is nearly similar to that of cattle sperm in the study of Suga et al. (2000).
The feasibility of using stress-wave technique in the transverse direction for the assessment of early stages of decay was investigated using compression test specimens having different annual ring orientations subjected to decay by Tyromyces palustris for various time intervals. Decay detection, quantitative assessment of decay, and the prediction of residual strength of decayed wood with less than five percent weight loss can be feasible using stress-wave parameters (wave velocity, wave impedance, and stress-wave elasticity) and their percent reduction due to decay, measured by stress-wave technique in the transverse direction. The use of stress-wave technique in the transverse direction for the application of this technique to structural members in service is desirable, when considering the easiness of attachment of accelerometers of stress-wave measuring device on the surface of members and also accurate detection of localized decayed areas. In stress-wave technique in the transverse direction, stress-wave parameters measured were different according to the angles between wave propagation path and annual ring, due to the anisotropy of wood structure. Therefore, it is recommended to use percent reduction in stress-wave parameters instead of stress-wave parameters. This evaluation method using percent reduction in stress-wave parameters is ideal when it is impossible to observe annual ring orientation on the transverse surface of wood.
Rots, Jan G.;Invernizzi, Stefano;Belletti, Beatrice
Computers and Concrete
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v.3
no.4
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pp.213-233
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2006
Over the past years techniques for non-linear analysis have been enhanced significantly via improved solution procedures, extended finite element techniques and increased robustness of constitutive models. Nevertheless, problems remain, especially for real world structures of softening materials like concrete. The softening gives negative stiffness and risk of bifurcations due to multiple cracks that compete to survive. Incremental-iterative techniques have difficulties in selecting and handling the local peaks and snap-backs. In this contribution, an alternative method is proposed. The softening diagram of negative slope is replaced by a saw-tooth diagram of positive slopes. The incremental-iterative Newton method is replaced by a series of linear analyses using a special scaling technique with subsequent stiffness/strength reduction per critical element. It is shown that this event-by-event strategy is robust and reliable. First, the model is shown to be objective with respect to mesh refinement. Next, the example of a large-scale dog-bone specimen in direct tension is analyzed using an isotropic version of the saw-tooth model. The model is capable of automatically providing the snap-back response. Subsequently, the saw-tooth model is extended to include anisotropy for fixed crack directions to accommodate both tensile cracking and compression strut action for reinforced concrete. Three different reinforced concrete structures are analyzed, a tension-pull specimen, a slender beam and a slab. In all cases, the model naturally provides the local peaks and snap-backs associated with the subsequent development of primary cracks starting from the rebar. The secant saw-tooth stiffness is always positive and the analysis always 'converges'. Bifurcations are prevented due to the scaling technique.
Tunnel collapse often occurs during deep underground tunneling (> 40 m depth) in South Korea. Natural cavities as well as water supply pipes, sewer pipes, electric power cables, artificial cavities created by subway construction are complexly distributed in the artificial ground in the shallow depths of the urban area. For deep tunnel excavation, it is necessary to understand the properties of the ground which is characterized by porous elements and various geological structures, and their influence on the stability of the ground. This study analyzed geological factors for risk assessment in deep excavation in South Korea based on domestic and overseas case study. As a result, a total of 7 categories and 38 factors were derived. Factors with high weights were fault and fault clay, differential stress, rock type, groundwater and mud inrush, uniaxial compressive strength, cross-sectional area of tunnel, overburden thickness, karst and valley terrain, fold, limestone alternation, fluctuation of groundwater table, tunnel depth, dyke, RQD, joint characteristics, anisotropy, rockburst and so forth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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