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Impact of a damage-based cohesion degradation–friction angle reinforcement model on tunnel surrounding rock stability.

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Τίτλος: Impact of a damage-based cohesion degradation–friction angle reinforcement model on tunnel surrounding rock stability.
Συγγραφείς: Hu, Jun1 (AUTHOR), Shi, Junxin1 (AUTHOR), Zhang, Shuai2 (AUTHOR), Yang, Jiwen3 (AUTHOR) yangjiwen2021@163.com
Πηγή: Canadian Geotechnical Journal. 9/11/2025, Vol. 62, p1-20. 20p.
Θεματικοί όροι: *Damage models, *Cohesion, *Material plasticity, *Computer simulation, *Shear strength, *Strains & stresses (Mechanics), *Phyllite, *Tunnel design & construction
Γεωγραφικοί όροι: China
Abstract (English): This study addresses the stability of surrounding rock in tunnels constructed through carbonaceous phyllite. A novel damage constitutive model, termed the DP-CWFS model, is proposed by integrating the Drucker–Prager strength criterion with the cohesion weakening–friction strengthening (CWFS) model. The model is implemented in the FLAC3D numerical simulation software via a dynamically linked library (.dll) compiled using Visual Studio 2015. The constitutive model is validated against laboratory triaxial compression test results. The findings demonstrate that the proposed DP-CWFS model effectively captures the elastic behavior, post-yield strengthening, strain-softening characteristics, brittle failure behavior, and residual strength of carbonaceous phyllite. Based on this model, numerical simulations were conducted to analyze stress redistribution, plastic zone evolution, and deformation patterns following excavation of the Yaowangmiao Tunnel in Shaanxi Province, China. The simulation results reveal that when excavation-induced damage is considered, the stress release in surrounding rock is significantly intensified, the plastic zone expands markedly, and the predicted deformations are in good agreement with field monitoring data. The case study confirms that the DP-CWFS model can reliably describe the mechanical evolution of soft rock tunnel surrounding rock under complex geological conditions, offering theoretical and technical support for tunnel stability assessment and support design optimization. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
Abstract (French): Cette étude porte sur la stabilité de la roche environnante dans les tunnels construits à l'aide de phyllite carbonée. Un nouveau modèle constitutif de dommages, appelé modèle DP-CWFS, est proposé en intégrant le critère de résistance de Drucker–Prager au modèle d'affaiblissement de la cohésion et de renforcement par frottement (CWFS). Le modèle est implémenté dans le logiciel de simulation numérique FLAC3D via une bibliothèque à liens dynamiques (.dll) compilée à l'aide de Visual Studio 2015. Le modèle constitutif est validé par rapport aux résultats des essais de compression triaxiale en laboratoire. Les résultats montrent que le modèle DP-CWFS proposé capture efficacement le comportement élastique, le renforcement post-rupture, les caractéristiques de ramollissement dû à la déformation, le comportement de rupture fragile et la résistance résiduelle de la phyllite carbonée. Sur la base de ce modèle, des simulations numériques ont été effectuées pour analyser la redistribution des contraintes, l'évolution de la zone plastique et les comportements de déformation après l'excavation du tunnel de Yaowangmiao dans la province du Shaanxi, en Chine. Les résultats de la simulation révèlent que lorsque l'on tient compte des dommages causés par l'excavation, la libération de contraintes dans la roche environnante est considérablement intensifiée, la zone plastique s'étend de façon marquée et les déformations prévues concordent bien avec les données de surveillance sur le terrain. L'étude de cas confirme que le modèle DP-CWFS peut décrire de manière fiable l'évolution mécanique de la roche environnante des tunnels dans les roches tendres sous des conditions géologiques complexes, offrant un soutien théorique et technique pour l'évaluation de la stabilité des tunnels et l'optimisation de la conception des supports. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
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  Data: This study addresses the stability of surrounding rock in tunnels constructed through carbonaceous phyllite. A novel damage constitutive model, termed the DP-CWFS model, is proposed by integrating the Drucker–Prager strength criterion with the cohesion weakening–friction strengthening (CWFS) model. The model is implemented in the FLAC3D numerical simulation software via a dynamically linked library (.dll) compiled using Visual Studio 2015. The constitutive model is validated against laboratory triaxial compression test results. The findings demonstrate that the proposed DP-CWFS model effectively captures the elastic behavior, post-yield strengthening, strain-softening characteristics, brittle failure behavior, and residual strength of carbonaceous phyllite. Based on this model, numerical simulations were conducted to analyze stress redistribution, plastic zone evolution, and deformation patterns following excavation of the Yaowangmiao Tunnel in Shaanxi Province, China. The simulation results reveal that when excavation-induced damage is considered, the stress release in surrounding rock is significantly intensified, the plastic zone expands markedly, and the predicted deformations are in good agreement with field monitoring data. The case study confirms that the DP-CWFS model can reliably describe the mechanical evolution of soft rock tunnel surrounding rock under complex geological conditions, offering theoretical and technical support for tunnel stability assessment and support design optimization. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
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  Data: Cette étude porte sur la stabilité de la roche environnante dans les tunnels construits à l'aide de phyllite carbonée. Un nouveau modèle constitutif de dommages, appelé modèle DP-CWFS, est proposé en intégrant le critère de résistance de Drucker–Prager au modèle d'affaiblissement de la cohésion et de renforcement par frottement (CWFS). Le modèle est implémenté dans le logiciel de simulation numérique FLAC3D via une bibliothèque à liens dynamiques (.dll) compilée à l'aide de Visual Studio 2015. Le modèle constitutif est validé par rapport aux résultats des essais de compression triaxiale en laboratoire. Les résultats montrent que le modèle DP-CWFS proposé capture efficacement le comportement élastique, le renforcement post-rupture, les caractéristiques de ramollissement dû à la déformation, le comportement de rupture fragile et la résistance résiduelle de la phyllite carbonée. Sur la base de ce modèle, des simulations numériques ont été effectuées pour analyser la redistribution des contraintes, l'évolution de la zone plastique et les comportements de déformation après l'excavation du tunnel de Yaowangmiao dans la province du Shaanxi, en Chine. Les résultats de la simulation révèlent que lorsque l'on tient compte des dommages causés par l'excavation, la libération de contraintes dans la roche environnante est considérablement intensifiée, la zone plastique s'étend de façon marquée et les déformations prévues concordent bien avec les données de surveillance sur le terrain. L'étude de cas confirme que le modèle DP-CWFS peut décrire de manière fiable l'évolution mécanique de la roche environnante des tunnels dans les roches tendres sous des conditions géologiques complexes, offrant un soutien théorique et technique pour l'évaluation de la stabilité des tunnels et l'optimisation de la conception des supports. [ABSTRACT FROM AUTHOR]
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