Physical and numerical modelling of shear behaviour of saw-toothed filled rock joint

Abstract

Large-scale geotechnical problems can be approached efficiently using numerical methods of analysis that have been developed during the last three decades, offering many benefits such as speed and accuracy of prediction. The fundamental scope of this doctoral thesis is the creation of a physical and numerical model to investigate the shear behaviour of the filled saw-toothed rock discontinuities using experimental results as input data. An artificial saw-toothed rock joint based on a cement-sand mixture was developed and several laboratory tests were initially performed to assess its physical and mechanical properties. Fine uniform river sand, whose properties were determined through several laboratory tests, was used as infill material. A series of direct shear tests were carried out in the laboratory using relatively large specimens (400 mm length) of the artificial saw-toothed, sand-filled rock discontinuities. Laboratory tests were performed in order to use their results as input data for the building of the numerical model and secondly for the verification of the numerical model. Hence, the shear behaviour of large filled rock joint specimens was examined experimentally and numerically.The distinct element method (DEM) was used through a commercially available computer programme (UDEC), to numerically simulate the direct shear test of a filled saw-toothed rock joint. The model was built using experimental results as input data. The suitability of the program was tested by comparing the computational results with the further respective results from the laboratory. A parametric study was also performed in UDEC, examining, the effect of seven parameters (type and thickness of infill, shear velocity slope asperity, applied normal stress, joint models and block discretisation) on the shear behaviour of a filled saw-toothed rock joint, utilizing the results of 140 simulations. This research has investigated the shear behaviour of a saw-toothed filled rock joint by simulating the shearing mechanism, both experimentally and numerically in UDEC using the DEM, to provide a useful model for further examination of infilled rock joints

Μεγάλης κλίμακας γεωτεχνικά προβλήματα μπορεί να προσεγγιστούν αποτελεσματικά με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων ανάλυσης που έχουν αναπτυχθεί κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριών δεκαετιών, προσφέροντας πολλά οφέλη, όπως η ταχύτητα και η ακρίβεια της πρόβλεψης. Ο βασικός σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία ενός φυσικού και αριθμητικού μοντέλου για τη διερεύνηση της διατμητικής συμπεριφοράς πριονωτών ασυνεχειών με υλικό πλήρωσης με την χρήση πειραματικών αποτελεσμάτων ως δεδομένα για την κατασκευή ενός αριθμητικού μοντέλου.Μια τεχνητή πριονωτή βραχώδη ασυνέχεια βασισμένη σε μείγμα τσιμέντου-άμμου παρασκευάστηκε με σκοπό να εξεταστεί εργαστηριακά όσον αφορά τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες της. Ως υλικό πλήρωσης χρησιμοποιήθηκε λεπτόκοκκη, ομοιόμορφη ποταμίσια άμμος, της οποίας οι ιδιότητες προσδιορίστηκαν μέσα από εργαστηριακές δοκιμές. Αρκετές σειρές άμεσων δοκιμών διάτμησης διεξήχθησαν στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας σχετικά μεγάλα δοκίμια (400 mm μήκος) τεχνητής πριονωτής, βραχώδους ασυνέχειας με αμμώδες υλικό πλήρωσης. Πληθώρα εργαστηριακών δοκιμών εκτελέστηκαν ώστε να χρησιμοποιήσουν τα αποτελέσματά τους ως δεδομένα για την κατασκευή του αριθμητικού μοντέλου και επίσης για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων από τα αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης. Ως εκ τούτου, η διατμητική συμπεριφορά των μεγάλων βραχωδών δοκιμίων με υλικό πλήρωσης εξετάστηκε πειραματικά και αριθμητικά.Η μέθοδος των διακεκριμένων στοιχείων (DEM) χρησιμοποιήθηκε μέσα από ένα εμπορικά διαθέσιμο πρόγραμμα υπολογιστή (UDEC), για την αριθμητική προσομοίωση της δοκιμής άμεσης διάτμησης μιας πριονωτής βραχώδους ασυνέχειας με υλικό πλήρωσης. Το μοντέλο «χτίστηκε» χρησιμοποιώντας ως δεδομένα τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών . Η καταλληλότητα του προγράμματος ελέγχθηκε συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της αριθμητικής ανάλυσης με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών.Μια παραμετρική μελέτη πραγματοποιήθηκε επίσης με την χρήση του UDEC. Εξετάστηκε, από άποψη αριθμητικής ανάλυσης, το αποτέλεσμα των επτά παραμέτρων (είδος και πάχος του υλικού πλήρωσης, ταχύτητα διάτμησης, τραχύτητα, εφαρμοζόμενη ορθή τάση, είδη ασυνεχειών και διακριτοποίηση στοιχείων) στην διατμητική συμπεριφορά μιας πριονωτής βραχώδους ασυνέχειας με υλικό πλήρωσης, αξιοποιώντας τα αποτελέσματα 140 προσομοιώσεων.Η παρούσα έρευνα επιχείρησε να διερευνήσει την διατμητική συμπεριφορά μιας πριονωτής βραχώδους ασυνέχειας με αμμώδες υλικό πλήρωσης, με την προσομοίωση του διατμητικού μηχανισμού της, τόσο πειραματικά στο εργαστήριο όσο και αριθμητικά (UDEC) με την χρήση της μεθόδου των διακεκριμένων στοιχείων.