Numerical modeling of direct shear tests of rock joints

Abstract

Numerisk modellering spiller en stadig større rolle i felt innenfor ingeniørgeologi. For modelleringens bruk i forskning knyttet til konkrete aspekter for bergmekanikk, er sprekkdeformasjon når utsatt for normal- og skjærspenninger vært spesielt debattert grunnet deres kompliserte sammensetninger.

På grunn av dette har det vært vanlig å benytte forenklede beskrivelser av sprekkdeformasjon for praktiske formål, inkludert bruk av konstante verdier for normal- og skjærstivhet. I lys av dette har direkte skjærtester vært en vanlig måte å undersøke skjærdeformasjon av sprekker . Siden resultatene av skjærtester kan være avhengig av svært mange variabler, er muligheten for å replisere disse testene numerisk av høy interesse. Selv om enkelte forskere har forsøkt å gjøre dette og oppnådd lovende resultater, er disse modellene ofte avhengig av omfattende kalibrering for hver enkelt modell. Med utvikling av modeller for skjærtester gjennom intuitive og brukervennlige programvare, vil det være enklere for andre ingeniørgeologer med begrenser erfaring innen modellering å bygge videre på de oppnådde resultatene.

Arbeidet gjort i denne masteroppgaven presenterer noe av den bergmekaniske forskningen gjort over årene for å belyse utfordringene knyttet til de teoretiske tilnærmingene til dette tema. Videre, undersøkes noen andre forsøk gjort på å gjenskape skjærtester numerisk. Til slutt presenteres arbeidet gjort i utvikling av direkte skjærtester basert på ‘’Saw-tooth“- sprekker under normallast/deformasjon, laget gjennom det FEM-baserte modelleringsprogrammet ABAQUS.

Numerical modeling plays an increasingly larger role within fields of engineering geology. For its use of research on specific aspects of rock behavior, joint deformations under normal and shear stress have been particularly debated due to their complicated nature.

Because of this, simplified descriptions of joint deformation are often used in practical settings, which include using constant values for normal- and shear stiffness. In the context of this, direct shear tests are a common way to test the shear behavior of a rock joint. As the results of these shear tests are dependent on a large number of variables, the potential to replicate these lab tests through numerical modeling is of high interest. Though a handful of researchers have attempted this with promising results, these usually depend on advanced modeling software, which requires extensive calibration for each model. Developing functioning shear test models using more intuitive and user-friendly software makes it more convenient for researchers within the field of engineering geology to build upon the achieved results.

The work done in this thesis presents some of the rock mechanical research done over the years to highlight the challenges concerning this theoretical approach to this subject, followed by some of the research done in replicating direct shear tests numerically. Finally, work in developing a direct shear model based on saw-tooth joints under normal load/displacement created using the FEM software ABAQUS is explained in detail.