Rock failure analysis of the broken zone around a circular opening

• Autorzy: Lazemi H. A. , Marji M. F. , Bafghi A. R. Y. , Goshtasbi K.

Warianty tytułu

PL

Analiza pęknięcia skały w strefie naruszonej wokół otworu kolistego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper, considering the non-linear Hoek-Brown failure criterion, a new theoretical model is presented to predict the stress components and estimate the plastic zone radius around a circular tunnel. The tunnel is excavated in an elasto-plastic rock mass subjected to plane hydrostatic and axial in situ stresses. Effects of the axial in situ stress on the plastic zone radius and stress components are studied. Based on the combination of plane hydrostatic and axial in situ stresses with the equilibrium equation and a suitable failure criterion (Hoek & Brown failure criterion), several cases are considered. For each case, the stress components, the plastic zone radius and the necessary conditions for its occurrence are determined. The results obtained by the present method are compared with those using Mohr-Coulomb criterion and with the experimental data, illustrating the validity of the present model in predicting the failure zone radius.

PL

W artykule zaprezentowano opracowany w oparciu o nieliniowy warunek wytrzymałości Hoeka- Browna nowy model teoretyczny przeznaczony do prognozowania składowych naprężeń i estymowania promienia strefy plastycznej wokół tunelu o przekroju kołowym. Tunel wydrążony został w sprężysto- -plastycznej skale pozostającej pod wpływem płaskich stanów naprężenia (naprężeń hydrostatycznych) oraz naprężeń osiowych zarejestrowanych in situ. Przeanalizowano skutki oddziaływania naprężeń osiowych in situ na promień strefy plastycznej oraz na składowe naprężenia. Zakładając połączenie płaskich stanów naprężenia, naprężeń osiowych działających in situ z warunkiem równowagi i odpowiednim warunkiem wytrzymałości (warunek wytrzymałości Hoeka-Browna), przeanalizowano kilka wyodrębnionych przypadków. Dla każdego z rozważanych przypadków określono składowe naprężenia, promień strefy plastycznej oraz warunki niezbędne do jej wystąpienia. Wyniki uzyskane przy użyciu prezentowanej metody porównano z wynikami otrzymanymi w oparciu o warunek wytrzymałości Mohra-Coulomba oraz z danymi eksperymentalnymi, dowodząc zasadności stosowania obecnego modelu do prognozowania promienia strefy spękań.

Słowa kluczowe

EN

analytical solution; Hoek-Brown's criterion; plastic zone radius; axial in situ stress

PL

rozwiązanie analityczne; kryterium wytrzymałości Mohra-Coulomba; promień strefy plastycznej; naprężenie osiowe działające in situ

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 1
• Strony: 165--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Lazemi H. A.

• Department of Mining Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

autor

Marji M. F.

• Mine Exploitation Engineering Department, Faculty of Mining and Metallurgy, Yazd University, Yazd, Iran

autor

Bafghi A. R. Y.

• Mine Exploitation Engineering Department, Faculty of Mining and Metallurgy, Yazd University, Yazd, Iran

autor

Goshtasbi K.

• Department of Mining Engineering, Faculty of Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

Bibliografia

• Borecki M., Chudek M., 1972. Rock mechanics. Ślaśk Publishers, Katowice.
• Brady E.T., Brown B.H.G., 2004. Rock mechanics for underground mining. Springer, 3rd Ed.
• Brown E.T., Bray J.W., Ladanyi B., Hoek E., 1983. Ground response curves for rock tunnels. ASCE J. Geotech. Eng., 109, 15-39.
• Carranza-Torres C., 2004. Elasto-plastic solution of tunnel problem using the generalized form of the Hoek-Brown failurecriterion, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 41(3), 480-1.
• Carranza-Torres C., Fairhurst C., 1999. The elasto-plastic response of underground excavations in rock masses thatsatisfy the Hoek-Brown failure criterion, Int J Rock Mech. Min. Sci., 36, 777-809.
• Chudek M., 1986. Roof bolting. Part 1. Supports for tunnel headings and caverns. Śląsk, Katowice.
• Detournay E., 1986. Elastoplastic model of a deep tunnel for a rock with variable dilatancy. Rock Mech. Rock Eng., 19, 99-108.
• Duży S., 2007. Reliability analysis of support structure and stability of tunnel headings in collieries, taking into accountthe uncertainty of information. Journals of Silesian Polytechnics, no 1750.
• Guan Z., Jiang Y., Tanabasi Y., 2007. Ground reaction analyses in conventional tunneling excavation. Tunnel Undergr. Space Technol., 22, 230-7.
• Hoek E., Brown E.T., 1980. Underground excavation in rock. London, I.M.M.
• Keryszig E., 2006. Advanced engineering mathematics. John Wiley, 10th Ed.
• Kłeczek Z., 1994. Mining geomechanics. Śląskie Wydawnictwo Techniczne, Katowice.
• Lee Y.K., Pietruszczak S., 2008. A new numerical procedure for elasto- plastic analysis of a circular opening excavatedin a strain- softening rock mass, Tunnelling and Underground Space Technology.
• Majcherczyk T., 1995. Influence of roof bolts on the rock mass parameters. Archives of Mining Sciences 4.
• Park K.H., Kim Y.J., 2006. Analytical solution for a circular opening in an elastic-brittle-plastic rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 43, 616-22.
• Popov E.P., 1990. Strength of Materials. 2nd Ed., D. Van Nostrand Co.
• Reed M.B., 1986. Stresses and displacements around a cylindrical cavity in soft rock. Inst. Math. Anal. J. Appl. Math., 36, 223-45.
• Saad M., 2009. Elasticity, Theory, Application and Numerics. Academic Press.
• Salustowicz A., 1965. Zarys mechniki górotworu. Wyd. Slask. Katowice.
• Sharan S.K., 2003. Elastic-brittle-plastic analysis of circular openings in Hoek-Brown media, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 40, 817-24.
• Sharan S.K., 2005. Exact and approximate solutions for displacements around circular openings in elastic-brittle-plasticHoek-Brown rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 42, 542-9.
• Sharan S.K., 2008. Analytical solutions for stresses and displacements around a circular opening in a generalized Hoek-Brown rock, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 45, 78-85.
• Tajduś A., Wichur A., 2009. Underground structures in Poland- current expertise and practice (commemorating the 90thanniversary of AGH-UST). Mining Journal 5-6. Technical Deputy of Hara Institute, The reports collection on the 1st variant of Emam Zade Hashem tunnel (IRAN), 2002.
• Timoshenko S., 2010. Strength of Materials, 7th Ed, Krieger.
• Wang Y., 1996. Ground response of circular tunnel in poorly consolidated rock. J. Geotech. Eng., 122, 703-8.
• Wang S., Yin X., Tang H., Ge X., 2009. A new approach for analyzing circular tunnel in strain-softening rock masses, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 43, 102-112.
• Wichur A., 2009. Design of roof bolts in underground excavations. Górnictwo i Geoinżynieria (Mining and Geoengineering) 3/1.
• Zhong Lu A., Xu G., Sun F., Sun W., 2010. Elasto-plastic analysis of a circular tunnel including the effect of the axialin situ stress. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 47(1), 50-59.