Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Rock failure analysis based on a coupled elastoplastic-logarithmic damage model

Abdia M., Molladavoodi H., Salarirad H.

Archives of Mining Sciences

|

2017

|

Vol. 62, no. 4

753--774

EN

The rock materials surrounding the underground excavations typically demonstrate nonlinear mechanical response and irreversible behavior in particular under high in-situ stress states. The dominant causes of irreversible behavior are plastic flow and damage process. The plastic flow is controlled by the presence of local shear stresses which cause the frictional sliding. During this process, the net number of bonds remains unchanged practically. The overall macroscopic consequence of plastic flow is that the elastic properties (e.g. the stiffness of the material) are insensitive to this type of irreversible change. The main cause of irreversible changes in quasi-brittle materials such as rock is the damage process occurring within the material. From a microscopic viewpoint, damage initiates with the nucleation and growth of microcracks. When the microcracks length reaches a critical value, the coalescence of them occurs and finally, the localized meso-cracks appear. The macroscopic and phenomenological consequence of damage process is stiffness degradation, dilatation and softening response. In this paper, a coupled elastoplastic-logarithmic damage model was used to simulate the irreversible deformations and stiffness degradation of rock materials under loading. In this model, damage evolution & plastic flow rules were formulated in the framework of irreversible thermodynamics principles. To take into account the stiffness degradation and softening on post-peak region, logarithmic damage variable was implemented. Also, a plastic model with Drucker-Prager yield function was used to model plastic strains. Then, an algorithm was proposed to calculate the numerical steps based on the proposed coupled plastic and damage constitutive model. The developed model has been programmed in VC++ environment. Then, it was used as a separate and new constitutive model in DEM code (UDEC). Finally, the experimental Oolitic limestone rock behavior was simulated based on the developed model. The irreversible strains, softening and stiffness degradation were reproduced in the numerical results. Furthermore, the confinement pressure dependency of rock behavior was simulated in according to experimental observations.

PL

Zachowanie materiału skalnego otaczającego wyrobiska podziemne w odpowiedzi na wysokie stany lokalnych naprężeń działających in situ jest zazwyczaj nieodwracalne i nieliniowe. Reakcje nieodwracalne spowodowane są w głównej mierze przez płynięcie plastyczne i procesy uszkodzeń. Płynięcie plastyczne uwarunkowane jest przez występowanie lokalnych naprężeń ścinających powodujące obsunięcia skał. W trakcie tego procesu ilość wiązań netto pozostaje praktycznie niezmieniona. Całościowy efekt płynięcia plastycznego w skali makroskopowej polega na tym, że właściwości elastyczne (np. sztywność) stają się niewrażliwe na działanie nieodwracalnych procesów tego rodzaju. Podstawową przyczyną reakcji nieodwracalnych reakcji w materiałach quasi-kruchych, do których należą skały, jest powstawanie uszkodzeń wewnątrz materiału. W skali mikroskopowej, proces uszkodzenia rozpoczyna się od zainicjowania i stopniowej propagacji mikro-pęknięć. Gdy długość mikro- pęknięć osiągnie wartość graniczną, zaczynają one łączyć się ze sobą w rezultacie powodując powstanie lokalnych mezo-pęknięć. W ujęciu makroskopowym i fenomenologicznym, następstwami procesu uszkodzenia jest obniżenie sztywności, powstawanie dylatacji szczelin oraz miękniecie materiału. W pary wykorzystano sprzężony model elastoplastyczno- logarytmiczny do symulacji nieodwracalnych odkształceń i utraty sztywności materiału skalnego pod wpływem naprężeń. W modelu tym ewolucje uszkodzeń i opis płynięcia plastycznego sformułowano w oparciu o reguły nieodwracalnych przemian termodynamicznych. Aby uwzględnić utratę sztywności oraz miękniecie materiału w obszarach gdzie występowały największe naprężenia wykorzystano zmienną logarytmiczną opisującą uszkodzenie. Odkształcenia plastyczne zamodelowano z wykorzystaniem modelu plastycznego opartego na warunku plastyczności Drukera-Pragera. Zaproponowano także algorytm do obliczania kolejnych kroków procedury numerycznej, oparty na zaproponowanym modelu plastycznym oraz konstytutywnym modelu uszkodzeń. Opracowany model pracuje w środowisku VC++. Został on następnie wykorzystany jako osobny, nowy model konstytutywny zapisany w kodzie DEM (UDEC). W części końcowej przeprowadzono symulację zachowania wapienia oolitowego w oparciu o zaproponowany model. Nieodwracalne odkształcenia, utrata sztywności zostały odtworzone w postaci wyników procedury numerycznej. Ponadto, przeprowadzono symulacje zachowania skał w zależności od działającego na nie ciśnienia w oparciu o obserwacje eksperymentalne.

2

Study of Ground Response Curve (GRC) based on a damage model

Molladavoodi H.

Archives of Mining Sciences

|

2013

|

Vol. 58, no. 3

655--672

EN

Analysis of stresses and displacements around underground openings is necessary in a wide variety of civil, petroleum and mining engineering problems. In addition, an excavation damaged zone (EDZ) is generally formed around underground openings as a result of high stress magnitudes even in the absence of blasting effects. The rock materials surrounding the underground excavations typically demonstrate nonlinear and irreversible mechanical response in particular under high in situ stress states. The dominant cause of irreversible deformations in brittle rocks is damage process. One of the most widely used methods in tunnel design is the convergence-confinement method (CCM) for its practical application. The elastic-plastic models are usually used in the convergence-confinement method as a constitutive model for rock behavior. The plastic models used to simulate the rock behavior, do not consider the important issues such as stiffness degradation and softening. Therefore, the use of damage constitutive models in the convergence-confinement method is essential in the design process of rock structures. In this paper, the basic concepts of continuum damage mechanics are outlined. Then a numerical stepwise procedure for a circular tunnel under hydrostatic stress field, with consideration of a damage model for rock mass has been implemented. The ground response curve and radius of excavation damage zone were calculated based on an isotropic damage model. The convergence-confinement method based on damage model can consider the effects of post-peak rock behavior on the ground response curve and excavation damage zone. The analysis of results show the important effect of brittleness parameter on the tunnel wall convergence, ground response curve and excavation damage radius.

PL

Analiza naprężeń i przemieszczeń powstałych wokół otworu podziemnego wymagana jest przy szerokiej gamie projektów z zakresu budownictwa lądowego, inżynierii górniczej oraz naftowej. Ponadto, wokół otworu podziemnego powstaje strefa naruszona działalnością górniczą wskutek oddziaływania wysokich naprężeń, nawet w przypadku gdy nie są prowadzone prace strzałowe. Reakcja materiału skalnego znajdującego się w otoczeniu wyrobisk podziemnych jest zazwyczaj procesem nieliniowym i nieodwracalnym, zwłaszcza w stanach wysokich naprężeń in situ. Główną przyczyną nieodwracalnych odkształceń skał kruchych jest pękanie. Jedną z najczęściej stosowanych metod w projektowaniu tuneli (wyrobisk podziemnych) jest metoda konwergencji i zamknięcia, popularna ze względu na zakres zastosowań. Metoda ta zazwyczaj wykorzystuje modele sprężysto- plastyczne, jako konstytutywne modele zachowania skał. Modele plastyczne wykorzystywane dotychczas do symulacji zachowania skał nie uwzględniają pewnych kluczowych aspektów, takich jak obniżenie sztywności czy rozmiękczanie. Dlatego też zastosowanie konstytutywnych modeli w metodzie konwergencji i zamknięcia jest sprawą kluczową przy projektach obejmujących struktury skalne. W pracy tej omówiono podstawowe założenia modelu continuum uszkodzeń i spękań. Zaimplementowano wielostopniową procedurę do badania tunelu o przekroju kolistym znajdującego się pod polem naprężeń hydrostatycznych, przy wykorzystaniu modelu pękania górotworu. Krzywą odpowiedzi gruntu oraz promień strefy naruszonej wybieraniem obliczono przy wykorzystaniu izotropowego modelu uszkodzeń. Metoda konwergencji i zamykania oparta na tym modelu uwzględnia zachowanie skał po wystąpieniu szczytowych naprężeń i powstaniu strefy naruszonej wybieraniem. Analiza wyników wykazała znaczny wpływ parametrów związanych z kruchością na konwergencję ścian wyrobiska, kształt krzywej odpowiedzi gruntu oraz promień strefy naruszonej wybieraniem.

3

Development of a damage model for rock materials under compressive and tensile stress fields

Molladavoodi H., Mortazavi A.

Archives of Mining Sciences

|

2010

|

Vol. 55, no 3

637-668

EN

With increase in depth and size of underground openings, the extent of damage zone around these structures grows and becomes major safety and design issues. The dominant causes of irreversible deformations are plastic flow and damage process. Most of the existing elastic-plastic models employed in the analysis and design of underground structures only consider the plastic flow and not the full damage process. In order to realistically modeling the rock damage process, the important issues such as stiffness degradation, dilatation, softening, anisotropy, and significant differences in rock response under tensile and compressive loadings must be considered. Therefore, developments of realistic damage models are essential in the design process of underground structures. In this paper basic thermodynamic arguments and the general formulation of elastic - degrading material are outline. Then, a more clear and accurate definition of the damage resistance function and its hardening and softening law are established. In the definition of damage yield function, many authors considered only the tensile microcracking (mode 1). Since quasi brittle materials such as rock degrade under compressive and shear microcracking (mode 2), separate positive and negative yield functions are introduced. Accordingly, two different algorithms are proposed to evaluated the damage associated with compressive and tensile loadings. The computational algorithm and the developed constitutive models is presented and the end.

PL

Wraz ze wzrostem głębokości i rozmiarów wyrobisk podziemnych, zasięg strefy zniszczenia wokół obiektów podziemnych rośnie, co stanowi poważny problem związany z projektowaniem działań wydobywczych i bezpieczeństwem. Główne przyczyny nieodwracalnych odkształceń to płyniecie plastyczne i proces niszczenia. Większość modeli elasto-plastycznych wykorzystywanych w analizie i projektowaniu obiektów podziemnych uwzględnia jedynie płyniecie plastyczne, a nie pełny proces niszczenia. Dla realistycznego modelowania procesów niszczenia skał należy uwzględnić także inne kluczowe zagadnienia: zmniejszenie sztywności, dylatacje, zmiękczenia, anizotropię skał, znaczne różnice w zachowaniu materiału skalnego pod wpływem obciążeń rozciągających i ściskających. Dlatego też niezbędne są dalsze prace nad modelowaniem procesów niszczenia dla ułatwienia projektowania obiektów podziemnych. W artykule tym przedstawiono krótko aspekty termodynamiczne oraz ogólne rozważania na temat materiałów o malejącej podatności. Następnie podano jasną i dokładną definicję funkcji odporności na zniszczenie wraz z regułami dotyczącymi twardnienia i zmiękczania materiałów. W definicji podatności na zniszczenie wielu autorów uwzględnia jedynie mikro-pęknięcia rozciągające (tryb 1). Ponieważ quasi-kruche materiały, przykładowo skały, ulegają degradacji pod wpływem mikro-spękań spowodowanych przez naprężenia ściskające ora ścinające (tryb 2), wprowadzono odpowiednio dodatnie i ujemne funkcje podatności. Zaproponowano dwa algorytmy do oceny uszkodzeń spowodowanych przez obciążenia rozciągające i ściskające. W końcowej części artykułu zaprezentowano algorytm obliczeniowy opracowanego modelu konstytutywnego.