Yong Niu;Jinguo Wang;Yunjin Hu;Gang Wang;Bolong Liu
Geomechanics and Engineering
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제34권1호
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pp.1-15
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2023
This study conducts uniaxial compression tests on intact and single crack-contained rocks to investigate the time-frequency domain characteristics of acoustic emission (AE) signals monitored during the deformation failure process. A processing approach, short-time Fourier transform (STFT), is performed to obtain the evolution characteristics of time-frequency domain of AE signals. The AE signal modes at different deformation stages of rocks are different. Five modes of AE signal are observed during the cracking process of rocks. The evolution characteristics of time-frequency domain of AE signals processed by STFT can be utilized to evaluate the damage process of rocks. The difference of time-frequency domain characteristics between intact and cracked rocks is comparatively analyzed. The distribution characteristics of frequency changing from a single band-shaped cluster to multiple band-shaped clusters can be regarded as an early warning information of damage and failure of rocks. Meanwhile, the attenuation of frequency enables the exploration of rock failure trends.
Waterjet is a very useful technology for rock excavation because of low level noise and vibration during breaking rocks. To accurately predict the volume and shape excavated by the waterjet, it is important to understand waterjet fracture mechanisms. There have been various theoretical assumptions and approaches in the literature. In this study, waterjet mechanisms are classified into three standards: a mechanism scale, theoretical assumption for a target material, and jet phase. In addition, through a waterjet experimental study for weathered and intact granitic rocks, a fracture shape is observed and analyzed on comparison with the previous mechanisms. As a result, best waterjet mechanisms are selected to explain the fracture pattern of the granitic rocks.
Three empirical criteria of rock failure are analyzed in order to understand the meaning of coefficients. Transformation of equations is discussed to apply in the numerical analysis. New failure criterion for intact rocks is proposed in this study, which can be used directly in programming. New equation has the form of parabolic curve($\alpha$=0.5~1.0), and is based on Mohr's shear failure using data from triaxial tests. Its validity will be discussed in the next report.
With the exploitation of natural resources in China, underground resource extraction and underground space development, as well as other engineering activities are increasing, resulting in the creation of many defective rocks. In this paper, uniaxial compression tests were performed on rocks with double holes and fractures at different angles using particle flow code (PFC2D) numerical simulations and laboratory experiments. The failure behavior and mechanical properties of rock samples with holes and fractures at different angles were analyzed. The failure modes of rock with defects at different angles were identified. The fracture propagation and stress evolution characteristics of rock with fractures at different angles were determined. The results reveal that compared to intact rocks, the peak stress, elastic modulus, peak strain, initiation stress, and damage stress of fractured rocks with different fracture angles around holes are lower. As the fracture angle increases, the gap in mechanical properties between the defective rock and the intact rock gradually decreased. In the force chain diagram, the compressive stress concentration range of the combined defect of cracks and holes starts to decrease, and the model is gradually destroyed as the tensile stress range gradually increases. When the peak stress is reached, the acoustic emission energy is highest and the rock undergoes brittle damage. Through a comparative study using laboratory tests, the results of laboratory real rocks and numerical simulation experiments were verified and the macroscopic failure characteristics of the real and simulated rocks were determined to be similar. This study can help us correctly understand the mechanical properties of rocks with defects and provide theoretical guidance for practical rock engineering.
In structures excavated in rock mass, load progressively increases to a level and remains constant during the construction. Rocks display different elastic properties such as Ei and ʋ under different loading conditions and this requires to use the true values of elastic properties for the design of safe structures in rock. Also, rocks will undergo horizontal and vertical deformations depending on the amount of load applied. However, under constant loads, values of Ei and ʋ will vary in time and induce variations in the behavior of the rock mass. In some empirical equations in which deformation modulus of the rock mass is taken into consideration, elastic parameters of intact rock become functions in the equation. Hence, the use of time dependent elastic properties determined under constant loading will yield more reliable results than when only constant elastic properties are used. As well known, rock material will play an important role in the deformation mechanism since the discontinuities will be closed due to the load. In this study, Ei and ʋ values of intact rocks were investigated under different constant loads for certain rocks with high deformation capabilities. The results indicated significant time dependent variations in elastic properties under constant loading conditions. Ei value obtained from deformability test was found to be higher than the Ei value obtained from the constant loading test. This implies that when static values of elastic properties are used, the material is defined as more elastic than the rock material itself. In fact, Ei and ʋ values embedded in empirical equations are not static. Hence, this workattempts to emerge a new understanding in designing of safer structures in rock mass by numerical methods. The use of time-dependent values of Ei and ʋ under different constant loads will yield more accurate results in numerical modeling analysis.
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.
본 연구에서는, 제주도 화산암의 일축압축강도·압열인장강도를 이용하여 점착력과 내부마찰각을 간편하게 추정하기 위한 방법을 제안하기 위하여, 제주도 화산암석에 대한 삼축압축시험, 일축압축시험 및 압열인장시험의 결과로부터 각각 산정된 점착력 및 내부마찰각을 서로 비교·분석하였으며, 퍼센트 오차 평균값을 이용하여 그 추정 정도를 살펴보았다. 그 결과, 제주도 화산암의 일축압축강도·압열인장강도를 이용한 점착력과 내부마찰각의 다양한 간이 추정법을 제안할 수 있었으며, 제안된 방법 중에서 삼축압축시험 결과로부터 산정된 점착력 및 내부마찰각에 가까운, 다시 말해서 정도가 높은 값을 추정하기 위해서는, 일축압축강도를 이용하여 추정하는 방법이 가장 바람직하다는 것을 알 수 있었다.
제주도 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공성 구조를 보이고 있으며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 뿐만 아니라, 제주도의 기반암은 여러 차례의 화산활동으로 인해 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 본 연구에서는 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 다양한 물성 시험 및 일축압축강도 시험을 수행하고, 그 결과를 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리적, 역학적 특성과 비교 분석하였다. 그 결과 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리, 역학적 특성은 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석과 유사한 관계에 있음을 확인할 수 있었으며, 물리적 특성과 역학적 특성의 상관관계로부터 대략적인 설계정수를 추정할 수 있었다.
암석 물성을 간접적으로 추정하기 위한 방법으로 슈미트 해머 타격법이 보편화되어 있다. 그러나 보고된 대부분의 방법들은 단일 타격법으로 오차를 많이 내포하고 있으며 연속 타격법의 경험식도 자료 처리방법에 불합리한 점들이 많아 범용하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 기존의 ASTM, ISRM, BSI, Poole와 Farmer 및 Hucka의 방법들을 검토하고, 국내에서 출토된 150개의 화성암, 변성암 및 퇴적암을 대상으로 시험을 시행하여 이들 방법들의 불합리한 점들을 수정, 보완하여 최적의 시험방법과 새로운 자료 처리방법을 제시하였다.
현장타설말뚝의 주변마찰력을 산정하기 위하여 Hoek-Brown 모델의 일반공식이 수정되었다. 원지반 상태를 고려하는 Hoek-Brown의 일반공식에 근거하여 본 연구에서 제안된 단위주변면마찰력의 산정기법은 이전 원지반 무결암의 일축 압축강도만을 고려하여 단위주면마찰력을 산정하는 방법에 비해 상당한 뛰어난 적용성을 보인다. 본 연구에서 제안된 방법을 이용하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 단위주면마찰력에 대한 상한계와 하한계를 구성하는 것이 가능하며, 기존 문헌에 보고된 단위주면마찰력에 대한 시험결과의 대부분이 이 두 범위에 존재하는 것으로 확인되었다. 또한 제안된 방법을 통해 단위주면마찰력을 산정할 때 입력 변수에 대한 기본적인 가정만으로도 예측치와 측정치간에는 훌륭한 상관관계를 보였다. 여기서 도출된 상관관계식을 기존의 공식들과 비교한 결과 무결암의 강도가 작은 경우에는 Horvath와 Kenney의 제안식이, 그리고 암의 강도가 큰 경우에는 Rosenberg와 Journeaux의 제안식이 상관식과 근사한 결과를 보였다. 한편 GSI 및 구속압에 대한 영향분석을 수행한 결과 두 인자들과 정규화된 단위주면마찰력은 동반 상승하는 관계를 보였으며, 단위주면마찰력의 산정식이 멱함수의 형태일 경우에는 단위주면마찰력과 일축압축 강도 사이에 적용되는 계수는 GSI 및 구속응력에 따라 변하는 것으로 관측되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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