ABSTRACT

The safe design of excavations created in a fractured rock mass is of paramount importance in rock engineering. Depending on the nature of the stress regime acting on an excavation, and the associated deformational behaviour of the rock mass surrounding the excavation, a number of potential failure mechanisms exist. These involve a combination of shear failure on existing joints, extension of critically oriented joints and propagation of new fractures through previously intact rock. Conventional numerical codes usually adopt either a continuum or discontinuum approach; this often results in significant over simplification and kinematic limitations particularly when modelling complex rock mass behaviour in the close vicinity of excavations. This paper describes the results from several case examples using a combined finite element-discrete element code, ELFEN that incorporates a crack propagation mode. Through the use of selected rock engineering examples, the authors demonstrate the potential of the code in the realistic simulation of complex rock failure both in underground and surface excavation applications.

RÉSUMÉ

La conception sûre des excavations creees dans une masse de roche fracturee est d'importance primordiale dans la geotechnique. Selon la nature du regime d'effort autour d'une excavation, et le deformation associe de la masse de roche autour de l'excavation, il exsite un certain nombre de mecanismes potentiels d'echec. Ceux-ci comportent une combinaison d'echec de cisaillement sur les joints existants, la prolongation des joints d'orientation critique et la propagation de nouvelles ruptures dans la roche precedemment intacte. Les codes numeriques conventionnels adoptent habituellement l'approche, soit d'un continuum, soit de discontinuum; ceci a souvent comme consequence une sursimplification significative et les limitations cinematiques en particulier en modelant le comportement complexe de la masse de roche très proche des excavations. Cet article decrit les resultats de plusieurs exemples de cas en utilisant un code qui s'agit d'une combination d'element discret et d'element fini, ELFEN qui incorpore un mode de propagation de fissure. Par l'utilisation des exemples choisis geotechniques, les auteurs demontrent le potentiel du code dans la simulation realiste de l'echec complexe de roche pour les applications aux excavations soit au fond soit à l'exterieure.

ZUSAMMENFASSUNG

Das sichere Design der Aushöhlungen, die in einer zerbrochenen Felsenmasse verursacht werden, ist vom paramount Wert in der Felsentechnik. Abhangig von der Natur des Druckregimes, das auf einer Aushöhlung und dem dazugehörigen deformationalen Verhalten der Felsenmasse umgibt die Aushöhlung fungiert, bestehen eine Anzahl von möglichen Ausfalleinheiten. Diese beziehen eine Kombination des Scherausfalls auf vorhandenen Verbindungen, Verlangerung der kritisch orientierten Verbindungen und Ausbreitung der neuen Brueche durch vorher intakten Felsen. Herkömmliche numerische Codes nehmen normalerweise entweder ein kontinuum oder discontinuum Annaherung an; dieses ergibt haufig bedeutende Übervereinfachung und kinematische Beschrankungen, besonders wenn es kompliziertes Felsenmasseverhalten in der Nahe der Aushöhlungen modelliert. Dieses Papier beschreibt die Resultate von einigen Fallbeispielen mit einem kombinierten begrenzten Element - getrennten Elementcode, ELFEN, das einen Sprungausbreitungmodus enthalt. Durch den Gebrauch von vorgewahlten Felsentechnikbeispielen, demonstrieren die Autoren das Potential des Codes in der realistischen Simulation des komplizierten Felsenausfalls bei Anwendungen fuer beide Tagebaue und Untergrundsaushöhlungen.

Introduction

Jing and Hudson1 recently presented a summary of the techniques, advances, problems and likely future development directions in numerical modelling for rock mechanics and rock engineering. They indicated that a major challenge still exists: adequate representation of rock fracture systems and fracture behaviour. Recent advances and associated developments in hybrid finite-/discrete-element codes now allow for the concurrent modelling of intact behaviour, deformation of pre-existing discontinuities and the development of new fractures within a specified material. This paper describes results from modelling of both surface and underground excavation case examples using the combined finite element-discrete element code, ELFEN.2

The most commonly applied numerical methods for rock mechanics problems are: continuum methods, discrete methods and hybrid continuum/discrete methods. Recent examples of the application of continuum analyses to modelling of rock failure around underground excavations include Eberhardt3, Fang and Harrison4, Hajiabdolmajid et al.5, Martin and Maybee6 and Meyer et al.7. Numerous examples of continuum analyses applied to modelling of slope instability can also be found in the literature. A common approach to simulating brittle rock failure is to adopt an elastic-brittle-plastic or strain-softening constitutive criterion.

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