A flat-jointed bonded-particle model (BPM) has been proved to be an effective tool for simulating mechanical behaviours of intact rocks. However, the tedious and time-consuming calibration procedure imposes restrictions on its widespread application. In this study, a systematic approach is proposed for simplifying the calibration procedure. The initial relationships between the microscopic, constitutive parameters and macro-mechanical rock properties are firstly determined through dimensionless analysis. Then, sensitivity analyses and regression analyses are conducted to quantify the relationships, using results from numerical simulations. Finally, four examples are used to demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed systematic approach for the calibration procedure of BPMs.
In an uniaxial compressive test of a concrete standard specimen (150$\times$300 mm) the crack initiation and extension with the stress increase are the major reason of the failure, which is similar to the breakage of the particle bonding in the simulation by using particle bonded model, especially particle flow code in 3 dimensions (PFC3D) developed by Itasca Consulting Group Inc. That is the main motive to study the possibility of an uniaxial compressive strength test simulation. It is important to investigate the relationship between the micro-parameters and the macro-properties because the 3-dimensional particle bonded model uses the spherical particles to analyze the physical phenomena. Contact bonded model used herein has eight micro-parameters and there are five macro-properties; Young's modulus, Poisson's ratio, uniaxial compressive strength and the crack initiation stress and the ratio concerning the crack propagation with the stress. To simulate the compressive test we made quantitative relationships between the micro-parameters and the macro-properties by using the fractional factorial design and various sensitivity analyses including regression analysis, which result in the good agreement with the previous studies. Also, the stress-stain curve and the crack distribution over the specimen given by PFC3D showed the mechanical behavior of the concrete standard specimen under the uniaxial compression. It is concluded that the particle bonded model can be a good tool for the analyzing the mechanical behavior of concrete under the uniaxial compressive load.
In this study, Class II behavior of rock failure process under uniaxial and biaxial compression has been numerically simulated using bonded particle model. Class II behavior of rock was simulated by radial strain controlled uniaxial and biaxial compression tests using a suggested method of ISRM. Micro-parameters used in the simulation were determined based on the laboratory uniaxial compression tests carried out at ${\"{A}}sp{\"{o}}$ Hard Rock Laboratory, Sweden. Class II behavior of ${\"{A}}sp{\"{o}}$ rock was effectively simulated using newly proposed numerical technique in this study, and the results of numerical simulations show good similarity with the complete stress-strain curves for Class II behavior obtained from the laboratory tests.
Hydraulic fracturing is used as a method for promoting the fluid flow in the rock and, in the energy field such as geothermal development and the development of sales gas, many studies has been actively conducted. In many cases, hydraulic fracturing is not performed in isotropic rock and especially in the case of sedimentary rocks, hydraulic fracturing is conducted in the transverse isotropic rock. The direction of the crack growth on hydraulic fracturing does not necessarily coincides with the direction of maximum principal stress in the transverse isotropic rock. Therefore, in this study, bonded particle model with hydro-mechanical coupling analysis was adopted for analyzing the characteristics of hydraulic fracturing in transverse isotropic rock. In addition, experiments of hydraulic fracturing were conducted in laboratory-scale to verify the validity of numerical analysis. In this study, the crack growth and crack patterns showed significant differences depending on the viscosity of injection fluid, the angle of bedding plane and the influence of anisotropy. In the case of transverse isotropic model, the shear crack growth due to hydraulic fracturing appeared prominently.
The "pseudo-wedge" failure is a name for a complex instability occurring at the Sarcheshmeh open-pit mine (Iran). The pseudo-wedge failure contains both the rock bridge failure and sliding along pre-existing discontinuities. In this paper, a cross section of the failure area was first modeled using a bonded-particle method. The results indicated development of tensile cracks at the slope toe which explains the freedom of pseudo-wedge blocks to slide. Then, a three-dimensional discrete element method was used to perform a block analysis of the instability. The technique of shear strength reduction was used to calculate the factor of safety. Finally, the influence of geometrical characteristics of the mine wall on the pseudo-wedge failure was investigated. The safety factor significantly increases as the dip and dip direction of the wall decrease, and reaches an acceptable value with a 10-degree decrease of them.
The strength of lumped cokes can be represented by some index numbers. Although some indexes are suggested, these indexes are not enough to enlighten fracture mechanism. To find essential mechanism, a computational way, discrete element method, is applied to the uniaxial compression test for cylindrical specimen. The cylindrical specimen is a kind of lumped particle mass with parallel bonding that will be broken when the normal stress and shear stress is over a critical value. It is revealed that the primary factors for cokes fracture are parallel spring constant, parallel bond strength, bonding radius and packing ratio the parallel bond strength and radius of the parallel combination the packing density. Especially, parallel spring constant is directly related with elastic constant and yield strength.
Shemirani, Alireza Bagher;Haeri, Hadi;Sarfarazi, Vahab;Akbarpour, Abbas;Babanouri, Nima
Structural Engineering and Mechanics
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v.66
no.3
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pp.379-386
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2018
The present study addresses the direct and indirect methods of determining the mode-I fracture toughness of concrete using experimental tests and particle flow code. The direct method used is compaction tensile test and the indirect methods are notched Brazilian disc test, semi-circular bend specimen test, and hollow center cracked disc. The experiments were carried out to determine which indirect method yields the fracture toughness closer to the one obtained by the direct method. In the numerical analysis, the PFC model was first calibrated with respect to the data obtained from the Brazilian laboratory test. The crack paths observed in the simulated tests were in reasonable accordance with experimental results. The discrete element simulations demonstrated that the macro fractures in the models are caused by microscopic tensile breakages on large numbers of bonded particles. The mode-I fracture toughness in the direct tensile test was smaller than the indirect testing results. The fracture toughness obtained from the SCB test was closer to the direct test results. Hence, the semi-circular bend test is recommended as a proper experiment for determination of mode-I fracture toughness of concrete in the absence of direct tests.
The microstructure of vitreous bonded abrasives, which are used as the essential materials in the precise grinding, was investigated theoretically using two particle model. In this paper, a general equation applicable for a case in which there is a gap between abrasive grits is suggested. As a result, it was known that both the volume ratio of grit to glassy bond(V\ulcorner/V\ulcorner) and porosity(V\ulcorner) are the function of $\alpha$(the ratio of distance between grit to diameter of grit) and $\theta$(the angle from the center of pore to that of grit). Because the value $\alpha$ and $\theta$ can be get easily by using these suggested equations, the microstructure could be explained quantitatively. Also the raised error with the increasing amount of bond was modified by the simple assumption. As a result, in that case, both V\ulcorner/V\ulcorner and V\ulcorner were known to be the function of $\alpha$ and $\theta$(the ratio diameter of pore to that of grit).
Reflecting the fact that there are increasing number of old high-story apartment structures in urban area, it is expected that the demand of blasting demolition will increase in the near future. It is of great important to make up for the insufficient empirical knowledge in blasting demolition through priori method such as computer simulation. Computer simulation of the blasting demolition involves complicated process. In the past domestic researches, two-dimensional bonded particle model was used to examine the overall demolition behavior of a five-story simple structure. It was observed that the two-dimensional simulation did not properly simulate the collapsing behavior of a structure mainly due to the reduced degree of freedom. In this study, three-dimensional simulation was tried. It consumed a great amount of calculation time, which limited the extent of the study. A few parameters, such as delay times, amount of charge at each hole, ball properties, were modified in order to check oui; their effect on the collapsing behavior. The differences were observed as expected but the collapsing behavior did not exactly coincide with the test blasting with a scaled model.
This paper proposes a novel time-domain homogenization model combining the viscoelastic constitutive law with Eshelby's inclusion theory-based micromechanics model to predict the mechanical behavior of the particle reinforced composite material. The proposed model is intuitive and straightforward capable of predicting composites' viscoelastic behavior in the time domain. The isotropization technique for non-uniform stress-strain fields and incremental Mori-Tanaka schemes for high volume fraction are adopted in this study. Effects of the imperfectly bonded interphase layer on the viscoelastic behavior on the dynamic mechanical behavior are also investigated. The proposed model is verified by the direct numerical simulation and DMA (dynamic mechanical analysis) experimental results. The proposed model is useful for multiscale analysis of viscoelastic composite materials, and it can also be extended to predict the nonlinear viscoelastic response of composite materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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