A simplified constitutive modeling framework for rockburst analysis

Rockbursts represent a significant geohazard in deep underground excavations, characterized by violent, localized failures that are often delayed in time. Conventional stability models struggle to explain this temporal delay, creating a critical gap in understanding and prediction. This thesis addresses this problem by developing a simplified constitutive modeling framework to elucidate the fundamental mechanisms governing both instantaneous and delayed rockbursts. The methodology is founded on a conceptual sub-structuring of the rock mass into an excavation-disturbed advancement core, prone to failure, and a surrounding elastic region that provides confinement. This concept is translated into a one-dimensional parallel mechanical system. Initially, a rate-independent elastoplastic model with strain-softening is formulated to derive analytical conditions for load-controlled and snap-back instability, which are synthesized into a Load-Controlled Instability Domain (LCID). The framework is then extended to an elasto-viscoplastic model to investigate the role of time-dependency and creep in delayed failure. A key conclusion is that while the elastic confinement of the surrounding rock can suppress gradual softening, it cannot prevent the onset of catastrophic snap-back instability, which is governed solely by an intrinsic softening threshold of the advancement core. The elasto-viscoplastic analysis provides a clear mechanical basis for delayed rockbursts, framing them as a creep instability phenomenon. It reveals that the trigger for this time- dependent failure is a rate-independent stability criterion, confirming that the elastoplastic stability boundaries represent a fundamental limit that the system approaches over time. This research provides a robust theoretical framework for interpreting the complex interplay between material degradation, confinement, and time-dependency in triggering rockbursts, offering valuable insights for hazard assessment in deep underground engineering.

I fenomeni di rockburst (o colpi di roccia) rappresentano un significativo georischio negli scavi in sotterraneo a grande profondità, essendo caratterizzati da rotture violente, localizzate e spesso ritardate nel tempo. I modelli di stabilità convenzionali faticano a spiegare questo ritardo temporale, lasciando un’importante lacuna nella comprensione e previsione del fenomeno. Questa tesi affronta il problema sviluppando un modello costitutivo semplificato per delucidare i meccanismi fondamentali che governano sia i rockburst istantanei sia quelli ritardati. La metodologia si fonda su una sotto-strutturazione concettuale dell’ammasso roccioso in un nucleo di avanzamento disturbato dallo scavo, soggetto a rottura, e una regione elastica circostante che fornisce confinamento. Questo concetto è tradotto in un sistema meccanico unidimensionale in parallelo. Inizialmente, viene formulato un modello elastoplastico rate-independent con strain-softening per derivare le condizioni analitiche per l’instabilità a carico controllato e per quella di tipo snap-back, sintetizzate in un Dominio di Instabilità a Carico Controllato (LCID). Il modello viene poi esteso a una formulazione elasto-viscoplastica per studiare il ruolo della dipendenza dal tempo e del creep (scorrimento viscoso) nei fenomeni di rottura ritardata. Una conclusione fondamentale è che, sebbene il confinamento elastico dell’ammasso circostante possa sopprimere il softening graduale, non può prevenire l’innesco della catastrofica instabilità di tipo snap-back, la quale è governata unicamente da una soglia di softening intrinseca al nucleo di avanzamento. L’analisi elasto-viscoplastica fornisce una chiara base meccanica per i rockburst ritardati, inquadrandoli come un fenomeno di instabilità per creep. Si dimostra che l’innesco di questa rottura tempo-dipendente è un criterio di stabilità rate-independent, confermando che i limiti di stabilità elasto-plastici rappresentano un limite fondamentale a cui il sistema si avvicina nel tempo. Questa ricerca offre un robusto quadro teorico per interpretare la complessa interazione tra degradazione del materiale, confinamento e tempo nell’innesco dei rockburst, fornendo spunti preziosi per la valutazione del rischio nell’ingegneria del sottosuolo.