A study of distribution and propagation of cracks in natural and artificial rocks

Realizing the process of crack propagation and deformation around underground rock excavations and openings that occur due to induced stresses has always been of great interest to engineers in tunneling, mining, and nuclear waste disposal facilities. In tunneling and mining operations, such external loads and excavation disturbance can incite the crack initiation, propagation, and coalescence in rock masses, affecting the mechanical behavior of the rock. This impacts on the long-term stability of such structures. There is need of more insight in the deformation and failure mechanisms of rocks which can triggered by discontinuities is vital in assessing the stability of such underground rock structures. Since the visual observation of the damage has limited applications, in the recent years, laboratory tests are being coupled with Acoustic emission technique for damage assessment both in the laboratory and in situ for the determination of stress induced damage in rocks. The aim of this work is to determine the crack propagation behavior for uniaxial test and a novel inclined shear test for natural and artificial rock samples. Discrete element method, because of its numerous advantages is used as the main numerical tool for the simulations. Also, a new approach has been applied in Finite element method for the Uniaxial compression test through stress intensity factor method to determine the fracture toughness of marble and an artificial rock. The software used for the Finite element and discrete element simulations are Plaxis 2D and EDEM, respectively. An attempt to fit the stress strain curve up to the peak load was made and the calibrated micro and macro parameters for the Discrete element simulations has been reported. From the results of FEM, it is found that the Fracture toughness of marble lies within the range provided in literature and hence the fracture toughness for the artificial rock is expected to be within the range as there is no fracture toughness data in literature for the of the artificial rock used in the numerical analysis. The DEM simulations of the Uniaxial test provided not exact but satisfactory results. The stress strain curves match the peak. The crack propagation patterns and load level at localizations have been mentioned in the results. The stiffness and peak shear stress values for the inclined shear test should have supposedly decreased with increasing shear angles, however in the numerical simulations, such effect of was not seen which was later found out that the discrete element bonding model was unable to model the change in confinements and hence there is a need of a user defined model or to find a technique to use in the same bonding model which is able to solve this issue.

Realizzare il processo di propagazione e deformazione delle fessure attorno agli scavi e alle aperture rocciose sotterranee che si verificano a causa delle sollecitazioni indotte è sempre stato di grande interesse per gli ingegneri negli impianti di tunneling, estrazione mineraria e smaltimento dei rifiuti nucleari. Nelle operazioni di scavo di gallerie e di miniere, tali carichi esterni e perturbazioni di scavo possono incitare l'inizio, la propagazione e la coalescenza della fessura negli ammassi rocciosi, influenzando il comportamento meccanico della roccia. Ciò influisce sulla stabilità a lungo termine di tali strutture. È necessario approfondire i meccanismi di deformazione e cedimento delle rocce che possono essere innescati da discontinuità: è vitale per valutare la stabilità di tali strutture rocciose sotterranee. Poiché l'osservazione visiva del danno ha applicazioni limitate, negli ultimi anni si stanno accoppiando prove di laboratorio con tecniche di emissione acustica per la valutazione del danno sia in laboratorio che in situ per la determinazione del danno indotto da stress nelle rocce. Lo scopo di questo lavoro è determinare il comportamento di propagazione delle fessure per la prova uniassiale e una nuova prova di taglio inclinato per campioni di roccia naturale e artificiale. Il metodo degli elementi discreti, per i suoi numerosi vantaggi, viene utilizzato come principale strumento numerico per le simulazioni. Inoltre, un nuovo approccio è stato applicato nel metodo degli elementi finiti per il test di compressione uniassiale attraverso il metodo del fattore di intensità dello stress per determinare la resistenza alla frattura del marmo e di una roccia artificiale. I software utilizzati per le simulazioni agli elementi finiti e agli elementi discreti sono rispettivamente Plaxis 2D e EDEM. È stato effettuato un tentativo di adattare la curva di deformazione allo stress fino al carico di picco e sono stati riportati i parametri micro e macro calibrati per le simulazioni di elementi discreti. Dai risultati di FEM, si è riscontrato che la tenacità alla frattura del marmo rientra nell'intervallo fornito in letteratura e quindi si prevede che la tenacità alla frattura per la roccia artificiale rientri nell'intervallo in quanto non ci sono dati sulla resistenza alla frattura in letteratura per la roccia artificiale utilizzata nell'analisi numerica. Le simulazioni DEM del test Uniaxial hanno fornito risultati non esatti ma soddisfacenti. Le curve di sforzo-deformazione corrispondono al picco. Nei risultati sono stati menzionati i modelli di propagazione delle fessure e il livello di carico nelle localizzazioni. I valori di rigidità e tensione di taglio di picco per la prova di taglio inclinato avrebbero dovuto diminuire con l'aumentare degli angoli di taglio, tuttavia nelle simulazioni numeriche, tale effetto non è stato visto che è stato successivamente scoperto che il modello di incollaggio a elementi discreti non era in grado di modellare il cambiamento nei confini e quindi c'è bisogno di un modello definito dall'utente o di trovare una tecnica da utilizzare nello stesso modello di incollaggio che sia in grado di risolvere questo problema.