26
Number of words of this Ph.D. Thesis summary: 7522 THESIS SUMMARY Javier Arzúa, Ph.D. STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ROCKS IN LABORATORY WITH PARTICULAR EMPHASIS ON DILATANCY

STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Number of words of this Ph.D. Thesis summary: 7522 

   

 

THESIS SUMMARY Javier Arzúa, Ph.D. 

STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND 

JOINTED ROCKS IN LABORATORY WITH 

PARTICULAR EMPHASIS ON DILATANCY 

  

 

Page 2: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

 

 

 

Page 3: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

1  

THESIS SUMMARY 

Excavation  in  rock masses  has  developed  during  last  years  a  boom,  primarily  due  to  improved 

technology, excavation equipment and treatment processes. Examples of major projects are found 

all around the world, for instance in the Swiss Alps, where the 57 km‐long Gotthard Base tunnel has 

recently been put in full service; large underground mines as some large caving projects in Sweden 

or South America; large open pit mines like Chuquicamata in Chile or Bingham Canyon in the United 

States of America. Also urban use of underground space is being promoted, this promotion mainly 

comes from the coldest countries in Northern Europe —where the existing rock mass beneath the 

cities has good quality— or countries with a limited surface space (like Japan). It is also required to 

go  underground  when  discussing  physics  laboratories  such  as  CERN —a  particle  accelerator  in 

Switzerland— or the U.S. Fermilab. 

In  addition  to  the  excavation  of  rock masses  for mining  or  civil  purposes,  sometimes  it  is  only 

necessary to fracture the rock mass in order to obtain an improvement of the properties required 

for a purpose, for instance, in the case of oil and gas, to cause fracturing of the rock to enhance the 

conductive capacity of the rock mass is a common (although socially controversial) practice, and, 

thus, obtain a higher output in less time; or in the case of caving mining methods, the rock is required 

to flow into the draw point, so it is necessary for the rock mass being sufficiently (whether or not 

naturally or by means of pre‐conditioning) fractured. 

One may realize that the best way to optimize the excavation or the breaking of the rock mass is to 

best know its behavior under the conditions —particularly the stress state— in which rock mass will 

be.  This  task  is  easy  to  say,  but  difficult  to  perform  due  primarily,  but  not  only,  to  the  natural 

heterogeneity of the rock mass. It should be noted here that a rock mass is a three‐dimensional set 

or  net  of  rock  blocks  crossed  by  geological  discontinuities  of  different  origin,  so  the  rock mass 

behavior depends not only on the constituting rock, but also on the discontinuities that intersect it. 

Both constituents also usually do not behave the same way all along a singular rock mass, because 

there  will  be  areas  which  may  have  suffered  certain  phenomena  (weathering,  metamorphism, 

failures…) that may have locally modified their properties and have not affected nearby areas. 

Since the early rock mechanics developments during the 60’s and 70’s of last century, much effort 

has been expended to studying and modelling the elastic —or prior‐to‐failure— behavior of rock 

masses, and, thus, there are models able to reasonably represent the actual pre‐failure behavior of 

rock  masses.  However,  post‐failure  behavior  has  been  much  less  studied,  due  to  the  inherent 

difficulties of such study and because, typically,  the primary objective of an engineer  is avoiding 

failure. But, as  it has been discussed  in previous paragraphs, the fracturing of the rock mass  is a 

requirement  for  some  applications  in mining  industry.  And  even  knowing  how  a  rock mass will 

behave in its plastic (“broken”) state is a key design factor in the prediction of the correct installation 

moment —distance to the face— of the support of a tunnel. This knowledge of post‐failure rock 

mass behavior can also be a key when analyzing damaged pillars  into an underground mine and 

proposing corrective measures. 

To  fully  characterize  a  rock mass —i.e.  to  obtain  the  complete  behavior  of  a  rock mass  under 

different conditions of stress— regardless of whether its behavior is elastic‐brittle, strain softening 

or elastic‐perfectly‐plastic, one must know the elastic parameters (Young’s modulus and Poisson’s 

Page 4: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

2  

ratio),  the  peak  failure  criterion  (typically  Hoek‐Brown  or  Mohr‐Coulomb),  the  residual  failure 

criterion  (which has  the  same shape as  the peak  failure  criterion but different parameters),  the 

evolving  failure  criterion  from  peak  to  residual  state,  the  post‐failure  parameters  linking  the 

relationship between stress and strain, and the post‐failure relationship between strains. A correct 

characterization of post‐peak behavior can be achieved if one knows, for instance (a) the dilation 

angle and the drop modulus —the slope of the axial stress‐axial strain curve during softening— or 

(b)  the  dilation  angle  and  the  plastic  parameter  values  for which  dilatancy  and  evolving  failure 

criterion are achieved. 

This  Ph.D.  thesis  aims  to  improve  our  understanding  of  post‐failure  behavior  of  rock  masses. 

Unfortunately,  the  in  situ  deformability  tests  of  rock masses  are  often  unaffordable  for  various 

reasons (scale of the required equipment; difficulty in isolating the factors; or the high cost, just to 

mention a few), so it is necessary to resort to laboratory testing where one can more easily control 

the  variables  that  come  into play.  Yet  there are  inherent difficulties  in  the  study of post‐failure 

behavior of rocks that need to be addressed when proposing an experimental program: 

A sufficiently large number of samples is needed to obtain a reliable result. The process of 

obtaining  and  preparing  the  specimens  is  long  and  must  be  done  accurately  to  meet 

International Standards (as proposed in the Suggested Methods of the International Society 

for Rock Mechanics, 2007). 

The press frame shall be stiffer than the tested rock, in order to be able to handle and to 

record the transition from peak to residual strength (softening phase). In the opposite case 

(the tested rock is stiffer than the press frame) the specimen will explosively or abruptly fail, 

making it impossible to collect reliable data on the softening phase. 

Moreover, appropriate servo‐control for regulating the force exerted by the press on the 

specimen during the test is required, just to, again, gain control over the softening process 

between peak and residual strength. 

The sensors used to measure the strains during the tests shall be accurate enough for the 

required appreciation (between thousandths and tenths of a millimeter) and shall have a 

sufficiently  broad  range  of  measure,  in  order  to  capture  the  large  deformations  in  the 

residual  state.  The  latter  consideration  about  strain  sensors  precludes  the  use  of  strain 

gauges due to their  limited  range of measurement as well as other problems associated 

with their use, such as the inability to capture localized strains (shear bands). 

Since strain gauges cannot be used, it becomes impossible to measure the radial strain of 

the  specimen  in  triaxial  tests without  a  specifically  adapted Hoek’s  cell.  But  in  order  to 

obtain the complete stress‐strain curves of the tested specimen, one needs to measure, at 

least, another strain (lateral or volumetric) apart from the axial one. We could not measure 

lateral  strain,  so  we  measured  the  amount  of  hydraulic  fluid  that  must  be  entered  or 

removed  from  the  triaxial  cell  to  maintain  the  confining  stress  during  such  tests.  This 

amount of displaced fluid is assumed to be the lateral component of the volumetric strain, 

in  such  a way  that  the  volumetric  strain  can  be  related  to  the  volumetric  strain  of  the 

specimen and, thus, using both volumetric and axial strain, one can obtain the lateral strain. 

Therefore,  it  is  also necessary  to have  control  on  the  confining  stress  and  to be able  to 

measure  the  amount  of  displaced  fluid.  So,  one  needs  another  servo‐control  for  the 

confining stress. 

Page 5: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

3  

The further processing of the data collected during the tests requires the identification of 

the  elastic  (“reversible”)  and  plastic  (“irreversible”)  components  of  strains.  While  this 

distinction between elastic and plastic deformation is theoretically simplistic, since it does 

not  consider  inelastic  phenomena  (neither  elastic  nor  plastic  in  the  yield  sense,  but 

irreversible in any case), or the flaws (micro‐cracks, pores…) initial closure —that gives the 

initial concave shape to the axial stress‐ axial strain curve— it is valid for the level of detail 

in which the research of post‐failure behavior of rocks and rock masses is. The approach 

used in this Ph.D. thesis is sufficient, since it is assumed that the plastic strain does not begin 

until it reaches the stress level named Crack Damage. 

To  make  this  distinction  between  elastic  and  plastic  strains,  is  advisable  to  perform 

unloading‐reloading cycles during the tests, especially in the softening and residual phases. 

These cycles allow to obtain the locus known as Irrecoverable Strain Locus, which links axial 

and volumetric plastic strains. Thanks to the Irrecoverable Strain Locus one can obtain one 

of the most important parameters of post‐failure behavior of rocks and rock masses, the 

dilation angle, . These cycles will also help to control and record the transition from peak 

to residual strength. 

Still speaking of data processing, note that  it  is not an easy task and it  is also difficult to 

automate because of the natural variability of the tests results. This process involves some 

not‐so‐logical decisions that a computer is not always able to consider, so each one of the 

tests must be carefully analyzed. Moreover, the automation of the process may potentially 

present  some  associated  loss  of  control  and  monitoring  of  the  data  that  may  lead  to 

difficult‐to‐detect errors. 

All these reasons make the process of obtaining post‐failure behavior real data being long and costly, 

if one also adds the already commented thought about avoiding failure as the main objective of 

most engineers, it is not difficult to understand the lack of data related to post‐failure behavior of 

rocks and rock masses. However, over the years, as underground excavations have grown in size 

and numerical simulations become more and more important, easily available and more realistic, it 

has been shown that it is necessary to improve knowledge of post‐failure behavior of rocks and rock 

masses in order to understand the mechanisms that take place, and achieve the objectives of the 

numerical simulation. 

In order  to deepen on our knowledge of post‐failure behavior of  rocks,  this Ph.D.  thesis  initially 

(Chapters 3 and 4) proposed an experimental programme aimed at obtaining dilation angle in rocks 

from  laboratory  tests  on  standard NX‐sized  specimens  (54.74 mm  in  diameter). More  than  200 

unconfined and confined strength tests were performed on specimens from eight different intact 

rocks (Figure 1). These tests included the previously mentioned unloading‐reloading cycles in order 

to be able to identify the plastic strains that are necessary to calculate the dilation angle. Some other 

laboratory tests aimed at characterizing the rocks were also performed. 

Complete stress‐strain curves of each of these tests were obtained (Figure 2). The most relevant 

parameters needed to fully characterize the behavior of intact rock were also computed for each 

test: Young’s modulus and Poisson’s ratio; peak and residual strength, the latter only when possible, 

it is known that the residual strength of an unconfined strength test is usually null; drop modulus, 

also when it was possible to estimate; and the evolution of the dilation angle with increasing strain. 

Page 6: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

4  

From  these  individual  data,  the  evolution  of  the  parameters  of  each  of  the  studied  rocks  with 

confining  stress  was  also  studied,  showing  the  already  known  relationships,  namely,  when 

increasing  confinement,  Young’s  modulus,  peak  strength  and  residual  strength  increase,  while 

Poisson’s ratio does not seem to be affected and drop modulus reduces (the rock becomes more 

ductile). 

 

 

 

Figure 1. Different pictures of the eight studied rocks (Amarelo Pais granite, Blanco Mera, granite, Vilachán 

granite, Indiana limestone, Toral de los Vados limestone, Carrara marble, Touro amphibolite and Noia 

gneiss). 

Page 7: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

5  

 

Figure 2. Complete stress‐strain curve resulting from a confined compressive strength test on Amarelo País 

granite specimen with unloading‐reloading cycles. Also shown is how key parameters were obtained. 

The most used failure criteria in rock mechanics (Mohr‐Coulomb and Hoek‐Brown) were fitted to 

peak and residual strength results, obtaining very good fits in both cases (Figure 3). It is to remark 

that using  the generalized Hoek‐Brown criterion  (Hoek et al., 2002)  to  fit  the  results of  residual 

strength significantly improved the fit. 

 

Figure 3. Peak and residual strength tests results and Mohr‐Coulomb and Hoek‐Brown failure criteria fits for 

the three studied granites. 

Page 8: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

6  

Finally, in this part of the Ph.D. thesis, and after obtaining the evolution of the dilation angle with 

plastic  strain  for  each  test,  all  obtained  data  for  this  parameter  were  pooled,  thus,  revealing 

dependencies as targeted by Alejano & Alonso (2005), namely, the dilation angle decreases with 

increasing both confining stress and plastic strain. 

The  obtained dilation  angle was  fitted  to  the,  at  that  time,  two existing models  of  evolution  of 

dilatancy. First one  (Alejano & Alonso, 2005), although very easy to  implement, was not able  to 

compute the peak dilation angle obtained in the tests, though it reasonably captured the evolution 

of the dilation angle with plastic strain. Second model (Zhao & Cai, 2010) fitted the data fairly well 

and  the  behavior  of  the  dilation  angle  was  precisely  captured  (Figure  4).  However,  this  model 

involves many difficulties due to the nine parameters —with difficult physical correlation— that are 

required to characterize the model, so its application to everyday engineering work is questionable. 

Alejano & Alonso (2005) also noted that the dilation angle should also depend on scale. The problem 

of scale in rock mechanics, although known, is not fully solved due to, again, the natural variability 

of the rock materials and the occurrence of discontinuities at all scales (from pores or micro‐cracks 

to regional faults). 

The problem of scale involves at least two causes with a similar effect: 

First cause of scale effect is the variation of strength when changing size of intact specimen, 

this can be named as sample scale effect. It is commonly assumed that the strength of a 

specimen  reduces monotonically  as  size  of  the  sample  increases —until  the  Elementary 

Representative Volume (REV) is achieved— due to the increasing occurrence of flaws as size 

increases. Recent researches (Masoumi et al., 2015) show that there is a double size effect 

for sedimentary rocks, as was also observed by Nishimatsu et al. (1969) from the uniaxial 

compressive tests on a number of different igneous rocks. 

This  double  size  effect  implies  that  UCS  (Uniaxial  Compressive  Strength)  increases  with 

increasing sample size up to 40‐60 mm in diameter and, above this size, strength decreases 

as sample size increases (again until REV is achieved). But, although there is still much to 

research  about  size  effect  of  intact  rock,  our  laboratory  equipment  did  not  allow  us  to 

perform triaxial tests on a sufficient variety of sizes in order to obtain reliable results, so we 

decided to explore the second cause of scale effect, as explained in following paragraphs. 

Second cause of scale effect is the variation of strength when considering the change from 

intact rock at laboratory scale to a jointed rock mass at the engineering work scale. This can 

be named as scale effect at  large or  structure effect. This Ph.D.  thesis has attempted to 

address  the  problem  of  scale  at  large  (Chapters  5  and  6)  creating  two  series  of  rock 

specimens crossed by  two artificial  joint  sets  (the  first  series of  specimens has  two sub‐

horizontal and one sub‐vertical joints, second series has three sub‐horizontal and two sub‐

vertical joints). Cutting and preparing these specimens was not simple since the author does 

not know any physical experiments as the tests presented here, so some previous tests were 

needed before reaching a methodology aimed to obtain and test jointed specimens with a 

reasonably degree of quality. 

 

Page 9: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

7  

 

Figure 4. Dilation angle vs. plastic shear strain for various confining levels and laboratory results and Zhao & 

Cai (2010) dilatancy model fits for the three studied granites. 

Page 10: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

8  

As said before, the author does not know an experimental study with the same characteristics as 

the one presented here, but, of course, there are several studies reflected in the literature on jointed 

rock mass physical model behavior, even  if many of them do not seem to have been adopted in 

engineering practice. These studies encompass both persistent (most of references provided below) 

and non‐persistent  (Prudencio & Van Sint  Jan, 2007;  Fan et al.,  2015) differently oriented  joints 

under  uniaxial  (Kulatilake  et  al.,  1997;  Singh  et  al.,  2002),  biaxial  (John,  1969;  Ladanyi  & 

Archambault, 1972; Kulatilake et al., 1997), triaxial (Brown & Trollope, 1970; Einstein & Hirschfield, 

1973) and true triaxial stress (Tiwari & Rao, 2004, 2006) conditions. 

A brief summary of the above cited references is presented in next paragraphs  in order to show 

main characteristics and main findings of these studies, as well as to note the differences with the 

current study. 

Physical  model  experiments  on  the  mechanics  of  jointed  rocks  to  study  their  strength  and 

deformability appeared in the literature during the sixties, with the study by John (1969). This author 

carried out a  large number of plain strain biaxial  tests on schematized model  rock systems with 

variable  parameters  of  joints  and  rock  elements made of  barite,  zinc  oxide  and  paraffin  oil.  He 

presented results of strength and deformability in terms of ratios, trying to correlate results with 

joint orientations. John (1969) identified the two basic mechanisms of failure associated to sliding 

through existing joints —when they were favorably oriented— and to failure through intact material 

more or less combined with discontinuities. In the current Ph.D. thesis, the mechanism associated 

to sliding has been avoided by appropriately orienting joints. 

Einstein and co‐workers (1969, 1973) carried out a similar study with gypsum plaster jointed blocks 

submitted to standard triaxial stresses. They advanced in the study of possible failure mechanisms 

based on the representation of Mohr‐Coulomb failure criteria of intact material, joints and jointed 

models. Disregarding sliding phenomena where statically possible, they differentiated two mixed 

failure mechanisms. At  low stresses,  that  is, below  the modified Griffith criterion  (McClintock & 

Walsh,  1967)  failure occurs  in  a more brittle manner  along  surfaces  (axial  splitting)  that  passed 

through intact material and intersected pre‐existing joints. At higher stresses —over the modified 

Griffith  criterion—  failure  occurs  through  the  intact  material,  although  the  strength  was  more 

difficult  to  estimate.  These  authors  stated  that  a  transition  from  brittle  to  ductile  behavior  is 

observed with increasing confinement, a fact also clearly observed in the results presented in this 

Ph.D. thesis. 

Brown & Trollope (1970) carried out a series of triaxial compression tests on an idealized model of 

jointed rock made up of gypsum plaster one inch cubes, to produce square prisms of dimensions 

10x10x20 cm. Four directions of the joint sets were tested under five different confinements. They 

concluded that the strengths observed were always far lower than that of the intact material, except 

for the vertical‐horizontal case. They also remarked that linear strength laws were not applicable to 

the jointed rock models. 

Ladanyi & Archambault (1969, 1972) built models made of compressed brick rods, with a square 

cross‐section of 12.7 mm in side and a length of 63.5 mm. Some of their models with blocks were 

configured in a brick wall manner, that is to say, they presented continuous joints in one direction 

and  equally  persistent  and  spaced  joints with  the  continuity  and  spacing  of  a  block  side  in  the 

perpendicular direction. Large size tests of these models involving around one thousand blocks were 

Page 11: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

9  

carried out for seven possible orientations of joints (from 0 to 90) and for four levels of confinement 

(0.35, 0.7, 1.4, and 2.8 MPa). Results showed lower and more regular strength levels than those 

computed considering the combined theoretical response of joints and intact rock, as pointed out 

by Hoek (1983) (Figure 5). 

 

Figure 5. Comparison between (a) predicted and (b) observed strength of brickwall model tested by Ladanyi 

& Archambault (1972). Taken from Hoek (1983). This figure explains how the sharply defined predicted 

transitions between different failure modes do not occur in practice. 

Interpretation of these results by Hoek (1983) points to a number of relevant facts. Similar trends 

in theoretically predicted and observed strength values with joint orientations can be derived, even 

if observed values are systematically  lower than predicted ones. This means that  intact material 

peak strength is not attained. The sharply defined predicted transitions between different failure 

modes do not occur in practice, they are largely smoothed out due to rotation and crushing of blocks 

(Figure 5). Moreover, Hoek (1983) suggests that the degree of interlocking of the model blocks is 

extremely relevant in the strength response of the models, since it will control the freedom of the 

blocks  to move and  rotate.  In  the  light of  the mentioned  results,  the author  concludes  that  the 

behavior  of  jointed  rock  elements  or  rock  masses  with  some  joint  sets  with  similar  strength 

characteristics would tend to that of a homogeneous isotropic system. 

Although the author of this Ph.D. thesis do not fully agree with the latter statement, it is clear that 

in  practice  there  is  not  usually  a  single  crystal  clear  simple mechanism explaining  the  observed 

response of jointed rock systems, but a combination of mechanisms producing a strength response. 

In this sense, the author considers that the results presented  in this Ph.D. thesis need not to be 

assigned  to  a  particular  failure  mechanism  (in  fact,  it  is  observed  that  they  combine  various 

mechanisms) and they are valuable by themselves in that they can be interpreted from different 

scopes. 

Page 12: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

10  

Ramamurthy and Arora (1994) carried out a large number of unconfined and triaxial tests on intact 

and jointed (one set of notched joints) sandstone and plaster of Paris samples. Based on these data, 

they proposed a joint factor accounting for (i) the number of joints per meter length, (ii) inclination 

of the sliding joint, and (iii) shear strength along this joint. This factor is found to be related to the 

ratio of compressive strength of jointed rock to that of the intact rocks for the material tested. 

Singh et al., (2002) under uniaxial compression and Tiwari & Rao (2004, 2006) under standard and 

true triaxial compression, studied the deformability and strength behavior of sand‐lime brick jointed 

models. The first authors  identified failure mechanisms  in uniaxial compression,  including sliding 

through joints, splitting, shearing and rotation of blocks. In the extended true triaxial studies, the 

authors  mapped  failure  mechanisms,  showing  that  the  strain‐softening  is  the  most  common 

behavior under triaxial stresses when sliding is not statically possible, for instance when, such in the 

case showed in this Ph.D. thesis, the main set of joints dips around 20. For horizontal and vertical jointing, Tiwari & Rao (2006) also remarked that all stress‐strain curves tend to meet at a single point 

on failure, corresponding to the ultimate strength of intact rock. 

Kulatilake and his co‐workers (Kulatilake et al., 1997, 2001, 2003; Fan et al., 2015) also carried out 

some jointed rock physical models. They further developed a non‐linear rock mass failure criterion 

for biaxial loading conditions incorporating the fracture tensor component. 

Although  the  here  presented  tests  only  include  two  sets  of  persistent  joints  cut  in  particular 

orientations and tested only in one direction, this study differentiates from previous approaches in 

various  aspects:  blocks  are made  up  of  intact  hard  rock  instead  of  plaster  or  other  engineered 

typically weak material; samples present a standard size, that makes them comparable to intact rock 

tests;  various  unloading‐reloading  cycles  are  performed  in  every  test  to  reflect  post‐failure 

evolution; and, finally, various tests were carried out for every confining stress in order to ensure 

representativeness. 

The idea behind this Ph.D. thesis is to study how discontinuities not producing structurally controlled 

failures affect  the response of  jointed samples.  It  is sometimes  important  to single out behavior 

modes to try to understand them, avoiding other existing mechanisms. This is why the approach has 

been developed as it is, and the strength, elastic and post‐failure parameters have been investigated 

in a single direction. The followed methodology is  in line with modelling philosophy as stated by 

Baran and Sweezy (1968): “The purpose of models is not to give a mirror image of reality, not to 

include all its elements in their exact proportions, but rather to single out and make available for 

intensive investigation of those elements which are decisive. We abstract from non‐essentials, we 

blot out  the unimportant to get an unobstructed view of the  important, we magnify  in order  to 

improve the range and accuracy of our observation.” 

As commented before, two sets of joints were cut in each specimen and in two series with different 

amount  of  joints.  These  joints  were  oriented  in  samples  in  order  to  avoid  slip  through  them. 

Accordingly,  sub‐horizontal  joints were  cut  forming and angle of  roughly 22 with  the  specimen 

bases, a smaller value than the tested friction angle —which was slightly over 30—. This angle was 

selected to make sliding through joints statically impossible, accounting for the response of a sample 

with a joint as described for instance, in Jaeger & Cook (1969) or Brady & Brown (2006). The idea 

was  to  study  how  joints  affect  the  response  of  samples,  but  avoiding  the  so‐called  structurally 

controlled failure or sliding through pre‐existing joints. 

Page 13: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

11  

22 and 20 of these “small scale rock masses” were obtained from one of the previously studied rocks 

(Blanco Mera granite) and triaxial compression strength tests were performed. It should be noted 

that due  to  the  characteristics of  the  specimens,  it was neither possible  to perform unconfined 

compression strength nor indirect tensile strength (Brazilian) tests. Tensile strength is assumed to 

be zero, since there  is no cohesion  in the  joints. The unconfined strength  is also considered null 

since, although these specimens could reach some UCS in these conditions, the value would be very 

small compared to the obtained triaxial strength, so it could be assumed zero. 

The  same  procedures  and  analyses  as  in  previous  chapters  were  performed  for  the  studied 

parameters.  The  results  were  again  compared  with  the  confining  stress,  revealing  the  same 

dependencies as for the intact specimens. But these results were also compared with those of the 

intact  specimens,  revealing  very  interesting  trends  that  shall  be  confirmed with more  intensive 

experimentation. 

Young’s modulus of  jointed specimens is significantly reduced compared to the intact specimens 

(Figure  6).  This  observation  is  logical  if  one  takes  into  account  the  lower  stiffness  of  the 

discontinuities relative to the rock matrix. In addition, it is the expected/observed behavior when 

the stiffness of the rock is compared to that of the rock mass. 

It was also observed that Young’s modulus grows with confinement, but it does not grow linearly as 

hitherto believed, but rather it seems to be a logarithmic relationship: there is a strong increase of 

Young’s modulus for small initial increments of confinement and, then, for successive increments of 

confinements, Young’s modulus growth slows down. 

It is well known the dependence of the elastic modulus of a jointed rock mass on its geotechnical 

quality  (Serafim &  Pereira,  1983),  for  instance,  and  considering  the  last  relevant  reference,  the 

formula of Hoek & Diederichs  (2006) may allow us  to obtain a value of GSI  (Geological Strength 

Index) for each tested jointed specimen. Acting this way, mean values of GSI = 55 and GSI = 50 are 

obtained for each series of jointed specimens. I will further take up these values. 

Poisson’s  ratio  hardly  changed  its  value  (0.16  in  intact  specimens  to  0.16  and  0.19  in  jointed 

specimens) so it seems reasonably to think that the general approach —in which, for good quality 

rock masses, one can consider the same Poisson’s ratio as for the rock— is realistic. 

Peak strength has been collected for each test as the ultimate strength of the specimen and showed 

its dependency on confinement, as previously observed in intact specimens. When comparing peak 

strength results of the intact specimens with those of the jointed cores, one can observe a reduction 

in strength as jointing increases. The most used failure criteria in rock mechanics (Mohr‐Coulomb 

and Hoek‐Brown) were fitted to the results. 

Mohr‐Coulomb failure criterion fitted relatively well to the results of all types of specimens. Figure 7 

shows the results of peak strength fits in p‐q axes and in 1‐3 axes. A noteworthy decrease in peak 

strength is observed when increasing jointing, although the slope of the fits remains similar. This 

suggests that the loss in strength mainly occurs in the cohesive component. 

 

Page 14: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

12  

 

Figure 6. Graphical representation of the apparent (a) tangent (or average) and (b) secant elastic Young’s 

moduli for the intact, (1+2) and (2+3) jointed specimens. 

Page 15: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

13  

 

Figure 7. Peak strength test results and Mohr‐Coulomb failure criterion fit for intact, (1+2) and (2+3) jointed 

specimens in terms of (a) p‐q line and (b) results in 1‐3 axes. 

Hoek‐Brown failure criterion could not be used in its simpler form (a=0.5; s=1) because the fits for 

jointed specimens gave out of range values of m parameter. So, in order to estimate jointed sample 

strength,  and  since  the  jointed  specimens  are  not  “intact  rock”,  it  seems  more  reasonable  to 

consider the generalized Hoek‐Brown failure criterion (Hoek et al., 2002) and obtain a GSI value for 

the tested specimens. Fitting this failure envelope to the triaxial tests results (Figure 8) mean GSI 

values of 83 and 67 are obtained for the (1+2) and (2+3) series of jointed specimens respectively. 

These values are larger than those computed using the elastic approach. But, let us now consider a 

reduction of strength in rock associated to sample scale up to a 70% (as commented by Martin et 

al., 2014; and Hoek & Brown, 1980). In this case, the mean obtained GSI of the jointed specimens 

are 65 and 50 respectively, which are near the values obtained with the elastic approach 

 

Figure 8. Peak strength test results and generalized Hoek‐Brown failure criterion fit for intact, (1+2) and (2+3) 

jointed specimens in terms of (a) (1‐3)2‐3 axes and (b) results in 1‐3 axes. 

Residual  strength  has  also  been  estimated  for  each  test  and  the  results  show  that  all  residual 

strength values of all unjointed and jointed specimens tend to coincide for each confinement. 

Page 16: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

14  

As for the peak strength, Mohr‐Coulomb (Figure 9) and generalized Hoek‐Brown (Figure 10) failure 

criteria were fitted to the residual strength fits obtaining similar results for all types of specimens. 

It  is  to  remark  that  the  obtained  residual GSI  of  the  jointed  specimens  featured  a  confinement 

dependence (Figure 10.b), which is in line with Bahrani & Kaiser comments (2013), who indicated 

that  in  a  jointed  rock mass,  the  generalized Hoek‐Brown  failure  criterion  tend  to  systematically 

underestimate  the  strength  of  the  rock  mass  at  high  levels  of  confinement,  when  assuming  a 

constant value of GSI. 

 

Figure 9. Residual strength tests results and Mohr‐Coulomb failure criterion fit for intact, (1+2) and (2+3) 

jointed specimens and all tests together in terms of a) p‐q line, and b) results in 1‐3 axes. 

 

Figure 10. a) Residual strength tests results and generalized Hoek‐Brown failure criterion fit for intact, (1+2) 

and (2+3) jointed specimens. b) residual strength GSI results for intact, (1+2) and (2+3) jointed specimens, 

suggesting a relevant confinement effect in jointed samples. 

Drop modulus was also collected from each test and showed its dependency on confinement, as 

previously  observed  on  intact  specimens.  When  comparing  this  parameter  results  of  jointed 

specimens with intact ones a more ductile behavior is also observed in jointed specimens. The same 

explanation like for the Young’s modulus may be valid here. 

Page 17: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

15  

Summarizing and tanking up GSI values, empirical based correlations (Hoek & Diederichs, 2006) of 

elastic moduli suggest that (1+2) and (2+3) jointed samples behave elastically similar to rock masses, 

presenting average  values of GSI  around 56  and 50  respectively.  The application of  the Hoek & 

Brown approach  to peak  strength  results  suggests  that  jointed  and even more  jointed  samples’ 

strength would  correspond  to  rock masses  presenting  average  values of GSI  around 82  and 67, 

respectively. But if strength results are reduced to 70 % of the recorded values —in order to remove 

the scale‐effect— the GSI value corresponding to (1+2) jointed samples becomes 65 and that for 

(2+3)  jointed  samples  50.  Additionally,  post‐failure  response  indicates  that  the  jointed  samples 

behave as rock masses showing decreasing drop moduli and less dilation. In the case of (2+3) jointed 

samples  a  value  of  GSI  of  40  can  be  roughly  estimated  from  approaches  regarding  post‐failure 

response of rock masses. In conclusion, the response of (2+3) jointed samples may represent a rock 

mass with average rock mass quality (GSI=50‐40), whereas that of (1+2) jointed samples represent 

a somewhat better quality rock mass (55‐65).  

If we  think now  in a standard 4 m diameter  tunnel excavated  in a granitic  rock mass  showing a 

regular pattern of normal discontinuities with fair behavior and presenting a spacing of 0.9 m, an 

equivalent GSI of around 60 would be obtained. In the case of a spacing of 0.4 m, the estimated GSI 

would be around 50 (Figure 11). If we could test a 1 m diameter and 2 m high sample in both cases, 

the presented structure would be homothetic to that presented in our jointed samples. The stress 

strain response of these samples would be representative of the rock mass at the scale of the tunnel. 

Since the rock structure in these samples would be homothetic to our samples, the response of our 

samples should be the same of  the rock mass, once corrected the sample scale effect. We have 

corrected the sample scale effect (by considering 70% of peak strength) and we have shown that, in 

a rough way, the response of our samples is similar to that expectable for the equivalent rock mass.   

 

Figure 11. An approach to estimate rock mass parameters based on tested jointed samples representative of 

rock mass structure and comparison with the traditional approach based on GSI. 

This suggests that once reduced the sample scale effect, by considering a 70 % of the computed 

value of peak strength for every test in jointed samples, the stress‐strain response could be similar 

Page 18: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

16  

to that expectable in equivalent rock masses at the scale of the engineering work. Therefore, tests 

in jointed samples as presented can be of interest to investigate rock mass behavior. Remark that, 

in the same way as in rock joints, peak strength seems to be affected by scale but residual strength 

does not seem to be (Barton & Bandis, 1982). 

Even  if  the  jointed  samples  present  very  regular  fracture  patterns,  and  the  showed  results  are 

limited,  the  above  indicated  approaches  suggest  that  the  behavior  of  rock  masses  is  largely 

controlled by their structure, and this structure is associated to the geological stress history of the 

rock mass. Therefore, a continuous behavior  in terms of the complete stress‐strain curve can be 

derived as presented in Figure 12. This is in line with Archambault et al. (1993) suggestion on the 

fact that patterns of shear and tension discontinuities and the resultant shear strength scale effects 

in rocks and rock masses are the end result of a progressive material and mass softening mechanism 

associated to progressive shear deformation and failure, and to rotational simple shear complexity, 

which takes place at all scales.  

 

 Figure 12. Deduced behavior of intact and increasingly fissured rock samples in parallel with decreasing 

quality rock masses in terms of a) axial stress‐axial strain, b) strength, c) volumetric strain response and d) 

elastic moduli. 

In  Figure  12,  the  evolution  of  axial  stress‐axial  strain  behavior  for  three  different  levels  of 

confinement  is  represented  (Figure  12.a).  The  strength  weakening  is  associated  either  to  the 

occurrence of joint in a sample or to that of a joint structure in a rock mass. As far as the rock is 

Page 19: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

17  

more jointed or the rock mass more fractured, the peak strength diminishes even if residual strength 

seems  to  keep  constant  (Figure  12.b),  the  material  is  more  deformable  (Figure  12.d),  and  the 

capability of dilating is more limited (Figure 12.c). 

In this line we have also noted that the irrecoverable strain loci of jointed specimens superpose that 

of the  intact specimens  if they are moved downwards and rightwards (Figure 13). This seems to 

suggest that during the process of rock fissuring in the lab or during the process of rock failure in 

nature to produce a jointed rock mass, an irrecoverable strain takes place in such a way that when 

the material is reloaded, it retakes the volumetric strain process, stopped at a particular stage in the 

past. 

 

Figure 13. Volumetric strain vs. axial strain response of three characteristic samples, where also the 

irrecoverable strain loci is delineated in dotted lines. Observe that when moving the irrecoverable strain loci 

of fissured samples downwards and rightwards, these irrecoverable strain loci tend to superpose over the 

locus corresponding to intact rock sample. 

Finally, in this part of the study, obtained dilation angle values were fitted to the mobilized dilation 

angle model by Zhao & Cai (2010) (Figure 14) and to the newly proposed dilatancy model by Walton 

&  Diederichs  (2015)  (Figure  15)  and  compared  to  the  previously  obtained model  of  the  intact 

specimens. The dilation angle showed  its dependence on degree of  jointing,  resulting  in smaller 

dilation angles  for  the  jointed specimens than  for  intact ones at  lower confinements, but with a 

decreasing  gap  between  intact  and  jointed  specimens  as  confining  stress  increases,  becoming 

almost equal for confinements from 6 MPa onwards.  

Page 20: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

18  

 

 

Figure 14. Zhao & cai (2010) dilatancy model fits for different confining stresses and for the three types of 

specimens —intact, (1+2) and (2+3) jointed specimens—. Please, note the different vertical scale. 

Page 21: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

19  

 

Figure 15. Walton & Diederichs (2015) dilatancy model fits for different confining stresses and for the three 

types of specimens —intact, (1+2) and (2+3) jointed specimens—. Please, note the different vertical scale. 

Note that where the dilatant behavior of rock masses may have significance for engineering works 

is on the free sides of an excavation —i.e. where the confinements are low— so that this discovery 

in the dilation angle difference between intact and jointed specimens at low confinement may have 

a relevant impact on rock engineering.   

Page 22: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

20  

Although the dilation angle is an important parameter in the post‐failure behavior of rocks and rock 

masses,  itself alone  is not able to define this behavior, so hereafter (Chapter 7) a model able to 

represent the strain‐softening behavior is proposed. For this purpose —from the stress‐strain curves 

of the first tests carried out on the three granitic rocks— the relations between the axial stresses 

and the plastic strains before, during and after the softening phase (transition from peak to residual 

strength) were obtained (Figure 16). 

 

Figure 16. Estimate of relevant 1‐p points from stress‐strain complete curves. 

Subsequently, an empirical approach was applied and a mathematical equation was fitted to the 

obtained pairs of points (axial stress and plastic strain). Combining this model of evolution of the 

relationship between axial stresses and plastic strains with the mobilized dilation angle model of 

Zhao & Cai (2010) previously fitted, allowed the author to simulate using FLAC (Itasca, 2011) the 

dilatant softening behavior of the studied rocks.  

Since it is known that mesh size of the numerical model when considering strain‐softening behavior, 

affects  the  results  (Varas  et  al.,  2005),  we  also  tried  different  mesh  sizes  to  try  to  check  this 

possibility. 

While there are still differences between the model and actual behavior, the obtained approach is 

much better than existing models (Figure 17). 

Page 23: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

21  

 

Figure 17. Complete stress‐strain curve (σ1 ‐ 1, σ1 ‐ 3 and v ‐ 1) for two triaxial tests (2 and 6 MPa) in 

Amarelo País granite. Actual tests and FLAC results with mesh size 15 x 60 corresponding to such confining 

pressures. 

Finally  (Chapter  8),  to  illustrate  the differences  between  considering or  not  a  variable  dilatancy 

model, a numerical model of a deep tunnel using FLAC (Itasca, 2011) was created  (Figure 18) and 

different situations were compared by considering three rock mass qualities (three different post‐

failure behaviors) with both a constant and a variable dilation angle approaches.  

 

Figure 18. FLAC mesh used to perform the tunnel simulations to investigate face behavior 

Page 24: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

22  

The  results  show  that  for  average  rock masses  (those  presenting  strain‐softening  behavior)  the 

consideration of a variable dilation angle increases calculated strains on the face and walls of the 

tunnel, while it does not seem to affect the extent of the yielded zone (Figure 19). 

 

Figure 19. Displacement distributions around the tunnel face for different behaviors of the average quality 

rock mass.   

Page 25: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

23  

REFERENCES: 

Alejano, L.R., Alonso, E. 2005. Considerations of the dilatancy angle in rocks and rock masses. Int J 

Rock Mech Min Sci. 42(4): 481‐507. 

Archambault, G., Roleau, A., Daigneault, R., Flamand, R. 1993. Progressive failure of rock masses by 

a self‐similar anastomosing process of rupture at all scales and its scale effect on their shear 

resistance. Scale effects in rock masses 93, Pinto da Cunha (ed.). Balkema, Rotterdam: 133‐

41. 

Bahrani, N., Kaiser, P.K. 2013. Strength degradation of non‐persistently jointed rock mass. Int J 

Rock Mech Min Sci. 62:28‐33. 

Baran, P., Sweezy, P. 1968. Monopoly capital. New York: Monthly review press . 

Barton, N., Bandis, S.C. 1982. Effects of block size on the shear behavior of jointed rocks. 23rd US 

Symposium on Rock Mechanics. Rotterdam, Balkema. 10:739‐760. 

Brady, B.G.H., Brown, E.T. 2006. Rock mechanics for underground mining. 3rd ed. Dordrecht: 

Springer. 

Brown, E.T., Trollope, D.H. 1970. Strength of a model of jointed rock. ASCE J. Soil Mech. Found. Div. 

Proc. 96: 685–704. 

Einstein, H.H., Nelson, R.A., Bruhn, R.W., Hirschfeld, R.C. 1969. Model studies of jointed rock 

behaviour. Proc. 11th Symp. of Rock Mechanics: Theory and Practice. Berkeley, California. 

AIME, New York. 83‐103. 

Einstein, H.H., Hirschfeld, R.C. 1973. Model studies on mechanics of jointed rocks. ASCE J. Soil 

Mech. Found. Div. Proc. 90: 229–248. 

Fan, X., Kulatilake, P.H.S.W., Chen, X. 2015. Mechanical behavior of rock‐like jointed blocks with 

multinon‐persistent joints under uniaxial loading: A particle mechanics approach. Eng. Geol. 

190:17‐32. 

Hoek, E., Brown, E.T. 1980. Empirical strength criterion for rock masses. J Geotech Eng Div ASCE. 

1013‐1025. 

Hoek, E. 1983. Strength of jointed rock masses. 1983 Rankine lecture. Géotechnique. 23(3):187‐

223. 

Hoek, E., Carranza‐Torres, C., Corkum, B. 2002. Hoek‐Brown failure criterion – 2002 edition. In: 

Proceedings of the NARMS‐TAC 2002, Mining innovation and technology. Toronto, Canada. 

Vol. 1: 267‐73. 

Hoek, E., Diederichs, M.S. 2006. Empirical estimation of rock mass modulus. Int J Rock Mech Min 

Sci. 43(2): 203‐215. 

ISRM. 2007. The complete ISRM suggested methods for rock characterization, testing and 

monitoring: 1974–2006. Prepared by the commission on testing methods, ISRM. Ankara, 

Turkey: Ulusay R, Hudson JA. 

Itasca Consulting Group. 2011. FLAC version 7.0 ‐ theory and background (Fifth ed.). Minneapolis, 

Minnesota. 

Jaeger, J.C. and Cook, N.G.W. 1969. Fundamentals of Rock Mechanics. London: Chapman and Hall. 

John, K.W. 1969. Festigkeit und Verformbarkeit von druckfesten regelmässig gefügten 

Diskontinuen. Heft 37. Inst. Soil Mech. Rock Mech., Universität Fridericiana, Kurlsruhe, 

Germany. 

Page 26: STUDY OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF INTACT AND JOINTED ... · Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D

Study of the mechanical behavior of intact and jointed rocks in laboratory with particular emphasis on dilatancy Ph.D. Thesis summary by Javier Arzúa 

24  

Kulatilake, P.H.S.W., He, W., Um, J., Wang, H. 1997. A physical model study of jointed rock mass 

strength under uniaxial compressive loading. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 34: 

692‐693. 

Kulatilake, P.H.S.W., Liang, J., Gao, H. 2001. Experimental and numerical simulations of jointed rock 

block strength under uniaxial loading. J. Eng. Mech. 127: 1240–7. 

Kulatilake, P.H.S.W., Malana, B., Park, J. 2003. A new rock mass failure criterion for biaxial loading 

conditions. Proc. 10th ISRM Congress, Gauteng, South Africa, September 2003, vol.1, pp. 

669–675. 

Ladanyi, B., Archambault, G. 1969. Simulation of shear behaviour of a jointed rock mass. Proc. 11th 

Symp. of Rock Mechanics: Theory and Practice. Berkeley, California. AIME, New York. 105‐

125. 

Ladanyi, B., Archambault, G. 1972. Évaluation de la résistance au cisaillement d’un massif rocheux 

fragmenté. Proc. 24th Int. Geol. Cong., Montreal. 130: 249‐260. 

McClintock, F.A., Walsh, J.B. 1967. Friction on Griffith cracks under pressure. Proc. 4th U.S. Congr. 

Appl. Math. Berkeley, California. 1015‐1021. 

Marinos, P., Hoek, E. 2000. GSI – A geologically friendly tool for rock mass strength estimation. 

Proc. GeoEng 2000 Conference. Melbourne, Australia. pp .1422‐1442.  

Martin, C.D., Lu, Y., Lan, H., Christiansson, R. 2014. Numerical approaches for estimating the effect 

of scale on rock mass strength. In proceedings 7th Nordic Grouting Symposium and 2nd Nordic 

Rock Mechanics Symposium. Ghotemburg, 13‐14 November, 2014. pp: 93‐106. 

Masoumi, H., Saydam, S. and Paul P.C. 2015. Unified size‐effect law for intact rock. Int J Geomech 

(ASCE). 16(2). 

Nishimatsu, Y., Yamagushi, U., Motosugi, K., Morita, M. 1969. The size effect and experimental 

error of the strength of rocks. J Min Mat Proc Inst Japan. 18: 1019‐1025. 

Prudencio, M., Van Sint Jan, M. 2007. Strength and failure modes of rock mass models with non‐

persistent joints. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci. 44: 890‐902. 

Ramamurthy, T., Arora, V.K.. 1994. Strength predictions for jointed rocks in confined and 

unconfined states. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr. 31: 9‐22. 

Serafim, J. L., Pereira, J. P. 1983. Consideration of the geomechanical classification of Bieniawski. 

Proc. Int. Symp. On Engineering Geology and Underground Construction. Lisbon 1(II): 33‐44. 

Singh, M., Rao, K.S., Ramamurthy, T. 2002. Strength and deformational behaviour of a jointed rock 

mass. Rock Mech. Rock Eng. 35: 45–64. 

Tiwari, R.P., Rao, K.S. 2004. Physical modeling of a rock mass under a true‐triaxial stress state. Int. 

J. Rock. Mech. Min. Sci. 41 (supplement 1): 396–401. 

Tiwari, R.P., Rao, K.S. 2006. Post failure behaviour of a rock mass under the influence of triaxial and 

true triaxial confinement. Eng. Geol. 84: 112–129. 

Varas, F., Alonso, E., Alejano, L.R., Fdez.‐Manin, G. 2005. Study of bifurcation in the problem of 

unloading a circular excavation in a strain softening material. Tunn undergr Sp Tech. 20: 

311‐322. 

Walton, G., Diederichs, M.S. 2015. A new model for the dilation of brittle rocks based on laboratory 

compression test data with separate treatment of dilatancy mobilization and decay. Geotech 

Geol Eng. 33:661‐679. 

Zhao, X.G., Cai, M. 2010. A mobilized dilation angle model for rocks. Int J Rock Mech Min Sci. 47(3): 

368‐84.