Modeling slope stability utilising fracture mechanics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-03-24
Department
Major/Subject
European Mining Course
Mcode
R3008
Degree programme
Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
84 + 28
Series
Abstract
The stability of slopes are commonly assessed in ways, which exclude the fractures of the rock mass, rather than including them as extending elements. The failures of slopes have been noted to advance through internal flaws and failure zones of the rock mass, such as fractures. By connecting these weakness zones with each other, a surface can be formed, which ultimately acts as a path of failure for the slope. The reason for this study was to research an alternative approach, based on fracture mechanics, to model the stability of slopes. The fracture propagation of a slope was approached by the means of numerical modeling, using a fracture mechanics code, Fracod2D. The software was specifically developed to model the path of fracture propagation, under various thermal-, hydrological-, or time related conditions. With the means to implement hydrological, and thermal coupling to the models, the slope stability could be assessed under the effect of temperatures affected by winter season, and ice ring expansion. As a result of this study, a method for reducing the fracture toughness parameters KIC, and KIIC to represent the properties of rock mass was developed. It was found out, that the effects of temperature change from winter season affect only the surface layer of the rock mass until the depth of 4m, depending on the thermal properties of the host rock. Regarding the fracturing, it was found out that the fractures do not coalesce with each other, unless the distance between the fracture tips is of very small distance, compared to the model geometry. In addition, once the process of fracturing itself has begun to occur, the process is very sensitive towards factors having an effect on the prevailing stress-field, such as water pressure and ice expansion.

Luiskan stabiliteetti analyysi suoritetaan useimmiten menetelmin, joissa rakojen kasvun vaikutus kalliomassan lujuuteen jätetään huomioimatta. Kalliomassasta koostuvien luiskien sortumapintojen on huomattu muodostuvan heikkouksista kuten raoista tai rakovyöhykkeistä, jotka yhdistyessään mahdollistavat lopullisen luiskan sortuman. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on lähestyä luiskan stabiliteetin mallintamista rakomekaaniselta pohjalta, jolloin luiskan stabiliteetin menetys oletetaan tapahtuvan rakojen kasvusta johtuen. Rakojen kasvun aiheuttamaa stabiliteetin muutosta tutkittiin numeerisesti mallintaen, käyttäen rakojen kasvun mallitamiseen erityisesti suunniteltua ohjelmaa nimeltään Fracod2D. Fracod2D mahdollistaa rakojen kasvun mallintamisen erilaisten hydrologisten, termodynaamisten, sekä aikariippuvaisten kuormitusten alaisena. Näiden ominaisuuksien avulla luiskan stabiliteettia pystyttiin analysoimaan talvesta johtuvan lämpötilan muutoksen, sekä siitä johtuvan jään lajenemisvaikutuksen aiheuttamasta lisätystä kuormasta. Työn tuloksena kehitettiin menetelmä rakomekaanisten lujuusparametrien KIC, ja KIIC madaltamiseksi, mittakaavatekijän kasvaessa laboratorionäytteistä kohti kivimassaa. Talvesta johtuva lämpötilaero sekä jään laajenemispaine vaikuttavat vain kallion pintakerroksissa, noin 4m syvyyteen. Rakojen huomattiin yhdentyvän vain silloin, kun rakojen päät sijaitsevat hyvin lähellä toisiaan. Mallinnuksissa selvisi, että luiskat eivät olleet herkkiä rakomekaanisien lujuusparametrien muutoksille. Kun rakojen kasvua alkaa ilmetä, mallit tulevat erittäin herkiksi jännitystilan muutoksille, kuten jään- tai vedenpaineen aiheuttamaan jännitilan kasvuun.
Description
Supervisor
Rinne, Mikael
Thesis advisor
Antikainen, Juha
Keywords
slope stability, fracture mechanics, modeling, fracod, luiskan stabiliteetti, rakomekaniikka, mallinnus, fracod
Other note
Citation