The process of stress-induced fracturing around underground excavations in brittle rock is associated with dilation or volume increase of the failed, fractured rock. Different attempts to account analytically for this dilation have been made within the framework of plasticity theory. This theory has been developed mostly for metals, strain-hardening materials or soils, but brittle failure of rock-like materials is characterized by strain-softening behaviour and the volume change is dominated by geometric factors, which may violate stability principles of plasticity. In this work a semi-empirical Rock Mass Bulking Model (RMBM) was developed, using as starting concepts: dilation angle, plastic strain rates, effective deformation modulus, effective Poisson's ratio, Griffith locus, and the definition of a bulking factor BF introduced by Kaiser et al. (1996). The model was calibrated in order to obtain bulking factors that are consistent with experimental data and case studies of measured bulking around underground excavations.
La fracturation provoquee par le stress autour des excavations souterraines dans le mineral friable est associee à la dilatation ou à l'augmentation du volume de la roche en rupture. Dans le cadre de la theorie de la plasticite, differents essais ont ete faits dans le but de trouver une justification analytique pour cette dilatation. Cette theorie a d'abord ete elaboree pour les metaux, les materiaux ou les sols d'ecrouissage, mais la rupture fragile de materiaux d'aspect rocheux est caracterisee par un comportement d'amollissement et le changement de volume est domine par des facteurs geometriques, ce qui pourrait ne pas être conforme aux principes de stabilite de la plasticite. Dans le present ouvrage, un Modèle semi-empirique de masse rocheuse a ete elabore, dont les concepts initiaux sont les suivants: angle de dilatation, vitesse de fluage plastique, module effectif de deformation, coefficient effectif de Poisson, locus de Griffith, et la definition d'un facteur de foisonnement FF apportee par Kaiser et al. (1996). Le modèle a ete calibre afin d'obtenir des facteurs de foisonnement qui soient conformes aux donnees experimentales et aux etudes de cas sur le foisonnement mesure autour des excavations souterraines.
Der Prozess von Bruechen in unterirdischen Abgrabungen in sprödem Gestein ist mit der Ausweitung oder der Volumenzunahme des gebrochenen Gesteins verbunden. Verschiedene Versuche im Rahmen der Verformbarkeitstheorie haben versucht, diese Ausweitung analytisch festzustellen. Die Verformbarkeitstheorie wurde hauptsachlich fuer Metalle, kalthartende Werkstoffe oder Böden entwickelt, da sprödes Versagen von Gestein ahnlichen Werkstoffen von kaltenhartendem Materialverhalten gekennzeichtnet ist, und die Volumenveranderung von geometrischen Faktoren beherrscht wird, die die Stabilitatsprinzipien der Plastizitat uebertreten.
In dieser Arbeit wurde ein halbempirisches Rock Mass Bulking Model (RMBM) (Modell fuer das Aufgehen der Gesteinsmasse), entwickelt, fuer das die folgenden Anfangsprinzipien benutzt wurden: Ausweitungswinkel, plastische Fliessensatze, wirksames Verformungsmodul, leistungsfahiges Poissons Verhaltnis, die Griffith Ortskurve und die Bestimmung eines Aufgehensfaktor BF 1 der von Kaiser et al. (1996) eingefuert wurde. Das Modell wurde so kalibriert, dass es die Aufgehenfaktoren erzielte, die mit den Vesuchsangaben und den Fallstudien von Aufgehensmessungen in unterirdischen Abgrabungen uebereinstimmen.
It is well known that the process of stress-induced fracturing around the excavations is associated with volume increase (dilation) of the failed, fractured rock, which depends on such factors as rock mass quality, in-situ stress, support pressure and excavation geometry and size (Gómez-Hernandez 2001). In rock mechanics, most attempts to account for this dilation have been made within the framework of the plasticity theory, using the flow rule concept (Gerongiannopoulos and Brown 1978, Elliot and Brown 1986, Michelis and Brown 1985, Maier and Hueckel 1979). In plasticity theory, a yield function F ({σ}), where {σ} are the stress components, is defined such that F =0 at yield. Following yield, strains are not uniquely defined by the current stress state, but depend on the stress history. However, it is possible to relate plastic strain increments (rates) to the current state of stress through a plastic potential function Q ({σ}). If Q=F, the flow rule is said to be associated and the vector of plastic strain rates is orthogonal to the yield surface at yield (Elliot and Brown 1986). Using this flow rule implies that the dilation angle is equal to the friction angle of the material.
