Определение модуля деформации и характеристик анизотропного поведения блочных массивов горных пород

Автор: Ахрами О., Джавахери Купаи Х., Ахангари К.

Журнал: Горные науки и технологии @gornye-nauki-tekhnologii

Рубрика: Свойства горных пород. Геомеханика и геофизика

Статья в выпуске: 2 т.9, 2024 года.

Бесплатный доступ

Всесторонне изучена анизотропия деформационного поведения блочных массивов горных пород. В качестве ключевого параметра выбран модуль одноосной деформации. В целом он является анизотропным и зависит от направления нагружения, а также от свойств ненарушенной породы, трещин и элементов их залегания. Представительные объемы блочных массивов горных пород были численно смоделированы методом дискретных элементов и одноосно нагружены в различных направлениях. Затем были изучены режим разрушения и модуль деформации для различных направлений нагружения и различных относительных элементов залегания трещин. Внедрена и использована новая нелинейная матрица жесткости трещин в зависимости от напряжения, в которой учитываются состояние поверхности трещин в виде коэффициента шероховатости (JRC) и ненарушенного массива пород в виде предела прочности при одноосном сжатии (UCS). Результаты оценок представлены в виде роз-диаграмм, демонстрирующих изменение модуля деформации блочного массива горных пород в зависимости от коэффициента шероховатости швов, прочности при одноосном сжатии ненарушенной породы и структуры массива горных пород по относительному углу трещины. Также представлена ожидаемая степень анизотропии для различных условий поверхностных трещин и прочности при одноосном сжатии ненарушенной породы. В таблице геологического индекса прочности (GSI) результаты классифицированы таким образом, что, присвоив значение JRC каждому классу состояния поверхности трещин, можно определить модуль деформации и степень анизотропии, соответствующие значениям GSI. Согласно этой схеме можно сделать вывод, что влияние шероховатости трещин на модуль деформации блочных массивов горных пород больше, чем влияние предела прочности при одноосном сжатии ненарушенной породы. Полученные результаты подтверждают идею о том, что блочный массив имеет критическую деформацию, которая не зависит от угла нагружения θ и направления третьей системы трещин α.

Еще

Модуль деформации, блочный массив горных пород, анизотропия, матрица жесткости трещин, степень анизотропии, режим разрушения

Короткий адрес: https://sciup.org/140306906

IDR: 140306906   |   DOI: 10.17073/2500-0632-2023-08-143

Список литературы Определение модуля деформации и характеристик анизотропного поведения блочных массивов горных пород

  • Singh B. Continuum characterization of jointed rock masses: Part I – The constitutive equations. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1973;10(4):311–335. https://doi.org/10.1016/0148-9062(73)90041-7
  • Gerrard C. M. The equivalent elastic properties of simplified and jointed rock masses. In: Beer G., Brooker J. R., Carter J. P. (Eds.) Proceedings of the 17th International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics. May 6–10, 1991. Cairns, Australia. Rotterdam: A. A. Balkemam, Brookfield; 1991. Pp. 333–337.
  • Oda M. An experimental study of the elasticity of mylonite rock with random cracks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988;25:59–69.
  • Amadei B., Savage W. Z. Effect of joints on rock mass strength and deformability. In: Hudson J. A. (Ed.) Comprehensive Rock Engineering – Principle, Practice and Projects. Vol. 1. Oxford, UK: Pergamon; 1993. Pp. 331–365.
  • Kulhawy F. H. Geomechanical model for rock foundation settlement. Journal of the Geotechnical Engineering Division. 1978:104(2):211–227. https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000582
  • Serafim J. L., Pereira J. P. Consideration of the geomechanical classification of Bieniawski. In: Proceedings of the International Symposium on Engineering Geology and Underground Construction. Vol. 1. September 12–15, 1983. Lisbon, Portugal; 1983. Pp. 33–44.
  • Gokceoglu C., Sonmez H., Kayabasi A. Predicting the deformation moduli of rock masses. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003;40(5):701–710. https://doi.org/10.1016/S1365-1609(03)00062-5
  • Hoek E., Diederichs M. S. Empirical estimation of rock mass modulus. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2006;43(2):203–215. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2005.06.005
  • Heuze F. E. Scale effects in the determination of rock mass strength and deformability. Rock Mechanics. 1980;12:167–192. https://doi.org/10.1007/BF01251024
  • Agharazi A., Derek Martin C., Tannant D. A three-dimensional equivalent continuum constitutive model for jointed rock masses containing up to three random joint sets. Geomechanics and Geoengineering. 2012;7(4):227–238. https://doi.org/10.1080/17486025.2012.714476
  • Cundall P. A. A computer model for simulating progressive large scale movements in blocking rock systems. In: Proceedings of the Symposium of the International Society on Rock Mechanics. France. 1971.
  • Lemos J. V., Hart R. D., Cundall P. A. A generalized distinct element program for modeling jointed rock mass. In: Stephansson O. (Ed.) Proceedings of the International Symposium on Fundamentals of Rock Joints. 15–20 September 1985. Bjorkiden, Sweden; 1985. Pp. 335–343.
  • Cundall P. A. Formulation of a three-dimensional distinct element model – Part I. A scheme to detect and represent contacts in a system composed of many polyhedral blocks. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1988;25(3):107–116. https://doi.org/10.1016/0148-9062(88)92293-0
  • Kulatilake P. H. S. W., Wang S., Stephansson O. Effect of finite size joints on the deformability of jointed rock in three dimensions. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1993;30(5):479–501. https://doi.org/10.1016/0148-9062(93)92216-D
  • Min K. B., Jing L. Numerical determination of the equivalent elastic compliance tensor for fractured rock masses using the distinct element method. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2003;40(6):795–816. https://doi.org/10.1016/S1365-1609(03)00038-8
  • Ivars D. M., Pierce M. E., Darcel C. et al. The synthetic rock mass approach for jointed rock mass modelling. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2011;48(2):219–244. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2010.11.014
  • Hoek H., Brown E. T. Practical estimates of rock mass strength. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1997;34(8):1165–1186. https://doi.org/10.1016/S1365-1609(97)80069-X
  • Goodman R. E., Taylor R. L., Brekke T. L. A model for the mechanics of jointed rock. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1968;94(3):637–659. https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.0001133
  • Bandis S. C., Lumsden A. C., Barton N. R. Fundamentals of rock joint deformation. International Journal
  • of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1983;20(6):249–268. https://doi.org/10.1016/0148-9062(83)90595-8
  • Duncan J. M., Chang C. Y. Nonlinear analysis of stress and strain in soil. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division. 1970;96(5):1629–1655. https://doi.org/10.1061/JSFEAQ.000145
  • Priest S. D. Discontinuity analysis for rock engineering. London etc.: Chapman & Hall; 1993.
  • Barton N., Choubey V. The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics and Rock Engineering. 1977;10:1–54. https://doi.org/10.1007/BF01261801
  • Barton N. R. Review of a new shear strength criterion for rock joints. Engineering Geology. 1973;7(4):287–332. https://doi.org/10.1016/0013-7952(73)90013-6
  • Barton N. R. The shear strength of rock and rock joints. International Journal of Rock Mechanics and Mining
  • Sciences & Geomechanics Abstracts. 1976;13(9):255–279. https://doi.org/10.1016/0148-9062(76)90003-6
  • Barton N. R., Bandis S. C. Review of predictive capabilities of JRC-JCS model in engineering practice, In: Barton N., Stephansson O. (Eds.) Proceedings of the International Symposium on Rock Joints. November 1990, Loen, Norway. Rotterdam: Balkema; 1990. Pp. 603–610.
  • Deere D. U., Miller R. P. Engineering classification and index properties for intact rock. Technical Report No. AFWL-TR-65-116. Air Force Weapons Laboratory (WLDC). Kirtland Air Base, New Mexico; 1966.
  • Robertson A. The interpretation of geological factors for use in slope theory. In: Planning Open Pit Mines, Proceding of the Symposium on the Theoretical Background to the Planning of Open Pit Mines with Special Reference to Slope Stability. August 29–September 4, 1970, Johannesburg, South Africa. A. A. Balkema; 1970. Pp. 55–71.
  • Goodman R. E. Introduction to Rock Mechanics. 2nd Edition. New York: John Wiley & Sons Ltd.; 1989.
  • Cuba A. Personal Communication. 1990.
  • Schultz R. A. Relative scale and the strength and deformability of rock messes. Journal of Structural Geology. 1996;18(9):1139–1149.
  • Jaeger J. C., Cook N. G. W., Zimmerman R. W. Fundamentals of rock mechanics. Oxford: Blackwell Publishing Ltd.; 2007.
  • Yang Z. Y., Chen J. M., Huang T. H. Effect of joint sets on the strength and deformation of rock mass models. Effect of joint sets on the strength and deformation of rock mass models. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 1998;35(1):75–84. https://doi.org/10.1016/s1365-1609(98)80024-5
  • Bieniawski Z. T. Determining rock mass deformability: experience from case histories. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1978;15(5):237–247. https://doi.org/10.1016/0148-9062(78)90956-7
  • Hoek E. Practical Rock Engineering. Revision version. 2004.
  • Carvalho J. Estimation of rock mass modulus. Personal communication. 2004.
  • Sonmez H., Gokceoglu C., Ulusay R. Indirect determination of the modulus of deformation of rock mass based on the GSI system. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2004;41(5):849–857. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2003.01.006
  • Voznesenskii A. S., Osipov Yu. V., Ushakov E. I. et al. Effect of weak inclusions on the fracture toughness of interfaces between various rocks. Engineering Failure Analysis. 2023;146:107140. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107140
Еще
Статья научная