Comparison of Barton-Bandis and Mohr-Coulomb models for use in discontinuity shear stability analysis

Abstract

For mining and civil engineering projects rock slope stability is an essential part of safety and financial considerations. While large-scale stability can be simulated using rock mass properties, at smaller scale local variations in rock properties become significant and failure purely along discontinuities is possible. Wedging and rockfall are common occurrences at this scale. These are often prevented by bolting or shotcrete support. For temporary slopes such support measures can be costly, and an ability to simulate possible failures along discontinuity planes becomes useful for evaluation of support necessity. Traditionally the Mohr-Coulomb failure model has been used. However, a model has been developed specifically for discontinuity shear strength analysis. This Barton-Bandis model is based on basic friction of rock and joint roughness.

This study aims to compare the two models in practice both for accuracy and resources required. This is accomplished by carrying out a case study on the Siilinjärvi mine site rocks. Parameters for both models were collected with laboratory and in-situ tests. These included shear box, Schmidt hammer and tilt table tests as well as joint roughness profiling. The variability of these parameters was analysed and certain parameters were selected as the most appropriate for simulation. Several failure and non-failure cases were then simulated using these parameters to check their validity.

Parameters were easier to obtain for the Barton-Bandis model. Additionally, the variation in Barton-Bandis predictions for each sample was considerably smaller than the variation for Mohr-Coulomb predictions, and using the average of Mohr-Coulomb parameters would create a dangerously overconfident estimation of strength. Barton-Bandis results were easier to interpret. Parameters selected for simulation were preliminarily shown to be valid. It was found that joint continuity is a decisive factor for simulation even at small scale, and that assuming continuous joints can create disproportionately conservative strength estimates.

Kalliorakentamisen ja kaivosteollisuuden projekteissa kallioseinän stabiliteetti on olennainen osa rakennelman taloudellisuuden ja turvallisuuden tarkastelua. Suuren mittakaavan seinämästabiliteettia voidaan simuloida kivimassan ominaisuuksia hyödyntäen, kun taas pienemmällä mittakaavalla kiven ominaisuuksien paikallinen vaihtelu muuttuu ratkaisevaksi. Tällä mittakaavalla myös puhtaasti rakopintoja pitkin tapahtuvat sortumat ovat mahdollisia. Kiilasortumat ja kivien putoamiset ovat yleisiä ilmiöitä, jotka usein estetään pulttaamalla tai ruiskubetonoinnilla. Tilapäisien seinämien ja luiskien tapauksessa tällaiset tuentatoimet voivat olla kalliita, jolloin kyky simuloida rakopintoja pitkin tapahtuvia sortumia on hyödyksi tuentatarpeen arvioinnissa. Perinteisesti Mohr-Coulombin lujuusmallia on käytetty, mutta on kehitetty lujuusmalli myös nimenomaisesti raon leikkauslujuuden tarkasteluun. Tämä Barton-Bandis-malli perustuu kiven peruskitkaan sekä rakopinnan karkeuteen.

Tutkimuksen tavoitteena on vertailla näiden mallien tarkkuutta sekä niihin tarvittavia resursseja käytännössä. Vertaus tehtiin tapaustutkimuksella Siilinjärven kaivoksella. Molempien lujuusmallien parametrit kerättiin laboratorio- ja kenttäkokeilla. Kokeisiin sisältyi leikkausrasiakoe, Schmidtin vasarakoe sekä kallistuspöytäkokeet ja rakopintojen profiloinnit. Näiden parametrien vaihtelua analysoitiin ja edustavat parametrit valittiin simulointiin. Joitakin sortuneita ja sortumattomia kohtia simuloitiin parametrien soveltuvuuden tarkistamiseksi.

Parametrien hankinta oli helpompaa Barton-Bandis-mallille. Barton-Bandis-mallin näytekohtaisten lujuusennusteiden vaihtelu oli huomattavasti pienempää kuin Mohr-Coulomb-mallilla. Käyttämällä Mohr-Coulomb-mallin parametrien keskiarvoa saataisiin vaarallisen ylioptimistisia lujuusennusteita. Barton-Bandis-mallin tuloksia on näin ollen helpompi tulkita. Valittujen simulointiparametrien osoitettiin alustavasti olevan päteviä. Havaittiin, että rakojen jatkuvuus on ratkaiseva tekijä simuloinnissa myös pienessä mittakaavassa. Oletus rakojen täydellisestä jatkuvuudesta voi tuottaa suhteettoman konservatiivisia lujuusarvioita.