In thesis thesis, studies associated with the rehabilitation of the Malatya-Narli No: 7 Railroad Tunnel are presented. The rehabilitation work includes cleaning of two collapses and stopping of deformations occurring in the tunnel as well as characterizing the rock-mass by evaluating the cores obtained from 67 drill holes. Due to two collapses ocurred in the tunnel a large sinkhole (15x10x20 meters) was developed at the surface and the tunnel closed to train traffic for 10 months (September, 2002-July, 2003) covering the initiation of Iraq War. Originally, the tunnel had been opened into the paleo-landslide material in 1930. The rock-mass surrounding the tunnel consists of limestones, metavolcanics, and schists. Although the main problem in the tunnel is the reduced tunnel span caused by displacements triggerred by underground water, poor rock mass and time dependent deformations, from engineering point of view the other problems can be sited as collapses occurred in the tunnel, sinkhole devoloped at the surface and unstable sections existing in the tunnel. During the field studies, 15 deformation monitoring stations were installed aimed at determining the deviation from tunnel alignment. In order to provide stability of the tunnel Self Drilling Anchors (Mai bolts) were installed systematically around the tunnel. The details of the rock reinforcement design was presented in this thesis.

Thesis (M.Eng.(Mechanical and Aeronautical Engineering))--University of Pretoria, 2008. / Includes bibliographical references.

Thesis (PhD.(Mining Engineering)--University of Pretoria, 2008. / Summary in English. On title page: Submitted in partial fulfilment of the requirements for the degree Philosophiae Doctor in the Faculty of Engineering, Built Environment and Information Technology, University of Pretoria. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--Missouri University of Science and Technology, 2008. / Vita. The entire thesis text is included in file. Title from title screen of thesis/dissertation PDF file (viewed June 1, 2009) Includes bibliographical references (p. 229-234).

No presente trabalho, é apresentado um modelo numérico para análise tridimensional de túneis escavados em maciços rochosos reforçados por tirantes aderidos ao longo de todo o seu comprimento. O método numérico utilizado é o método dos elementos finitos. A abordagem usada na modelagem da interação maciço/tirante é o método de homogeneização de meios periódicos. Essa abordagem substitui o meio compósito constituído de rocha e tirantes por um meio homogeneizado equivalente, dispensando a tarefa de discretizar cada tirante separadamente. O comportamento do maciço é considerado elastoplástico perfeito, caracterizado pelo critério de Drucker-Prager, com regra de fluxo associada. O revestimento é considerado elástico, enquanto os tirantes são tratados como inclusões lineares em tração/compressão com lei de comportamento elastoplástica. Com esse modelo foi implementado um código, tridimensional, que simula o processo de escavação pelo método da ativação/desativação de elementos. Esse código é capaz de levar em conta diferentes situações de profundidade, geometria e estado inicial de tensões. Com a finalidade de avaliar o desempenho da abordagem de homogeneização, foi implementado um segundo código, que modela a interação maciço/tirante por meio do método incorporado. Esse método, muito usado em análises de concreto armado, tem em comum com o método de homogeneização a capacidade de lidar com diferentes configurações de reforços utilizando a mesma malha base. Ao final, os dois códigos são utilizados em modelagens de um caso real, o túnel experimental Kielder (Inglaterra), para o qual se dispõe de dados medidos in situ. A comparação destes dados com os resultados das duas modelagens mostra uma aproximação muito boa. / A numerical model for three-dimensional analysis of tunnels excavated in reinforced rock mass by fully grouted bolts is presented in this work. The numeric method utilized is the finite element method and the approach used in the modeling of the interaction mass/bolt is the homogenization of periodic media method. This approach replaces the composite medium formed by rock and bolts by a homogenized equivalent medium eliminating the task of discretizing each bolt separately. The rockmass behavior is considered elastoplastic perfect caracterized by the Drucker-Prager criterion with associated flow rule. The lining is elastic, while the bolts are treated as linear inclusions in tension / compression with elastoplastic behavior law. A three-dimensional code was implemented with this model that simulates the excavation process by means of the activation-deactivation method. This code is able to consider different situations of depth, geometry and initial state of stress. In order to evaluate the performance of the homogenization approach, a second code was implemented to model the interaction rockmass/bolts by means of the embedded method. This method, widely used in analysis of reinforced concrete, has in common with the approach of the homogenization the capacity to deal with different configurations of reinforcements with the same base mesh. Finally, the two codes are used to model a real case, the Kielder experimental tunnel (England), for which in situ measured data are available. The comparison of these data with the results of the two modeling shows a very good approximation.

According to the National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH), about 100 million rock anchors were installed in the USA mining industry during 1999 (Dolinar, 2000). The rock bolt usage in US coal mining industry fell from 85 million in the year 1988 to 68 million by 2005 (Tadolini, 2006), and is assumed to be close to that number of rock anchors consumed currently since, the tonnage from underground is almost the same. Most underground coal mines have conditions such as moisture in the atmosphere, ground water with different chemical contents that are conducive for corrosion of rock anchors and ancillaries (such as plates), and the effects of this on the performance of the anchors had been researched in the US to an extent from the past research at Southern Illinois University Carbondale (SIUC). In addition to the general corrosion like pitting and crevice, stress corrosion adds to the process a potentially serious threat and results in material failure underground due to stress corrosion cracking (SCC) yet the effects are not fully understood in the USA. The results of this research therefore will have a positive and direct effect on rock related safety. During this research project in situ specific tests were conducted with bolts to try and determine the corrosion potential in a specific coal-mining region. The coal mining areas were divided into three regions and were named as East, Mid-West and West respectively. To enhance the value/importance of the field data collected from the mines, a metal mine and a salt mine (two non-coal mines) were included in the plan and the data analysis proved that the methodology developed for determining the corrosion potential underground is applicable to any underground mines. The Insitu studies include water samples collection and analysis and open circuit potential (OCP/Eoc) testing and analysis. Open Circuit Potential (OCP) data were recorded to estimate probability of active corrosion. Hypothetically, probability of active corrosion is lower if the actual OCP of roof bolts in the mine is less than the characteristic OCP of the steel grade, and vice versa. The effects of certain factors such as the roof condition, reference distance (distance between bolt and reference electrode) on the open circuit potential data during the measurements were studied to ensure its impact on the corrosion potential determination technique developed. The findings from this research helps standardize the corrosion potential determination methodology. The preliminary study of stress corrosion cracking of the subject test sample (Grade 60 rebar roof bolt) was conducted in this research work. The experimental study invloves testing a complete roof bolt in the mine simulated environment. The mine simulated environment in the test cell consists of the roof strata material collected from the mine site with continuous flow of water at slower and varaible flow rate (0 to 3 ml/minute) with pH in the range of 7.5 to 9.0. The results showed that stress corrosion could be very serious problem when it comes to long term mining applications. The stress corrosion test cell developed and tested was proved to be significant in conducting the long term stress corrosion tests. The strength results of the Grade 60 rebar roof bolt tested had a significant strength loss after 3 months of testing in the stress corrosion cell. Hence, more SCC studies are deemed necessary to evaluate the seriousness of the problem and if possible eliminate it.

Este trabalho estuda os resultados obtidos da aplicação de um modelo tridimensional de previsão de comportamento de túneis profundos em rocha reforçados com tirantes passivos. Utiliza-se o método dos elementos finitos e simula-se a escavação pelo sistema de ativação e desativação de elementos. Os tirantes são tratados com uma lei de comportamento elastoplástica e o maciço reforçado com tirantes é considerado um meio homogêneo anisotrópico em escala macroscópica, através do método de homogeneização dos meios periódicos. Para a análise paramétrica foi verificada a influência dos parâmetros do sistema de reforço e do maciço. Resultados em termos de convergência do túnel e tensões são apresentados e indicam que, para o caso analisado, o comprimento dos tirantes é um fator de reduzida influência. A densidade de tirantes possui maior importância, porém, esta não é afetada por modificações na coesão e no módulo de elasticidade do maciço. A distância de aplicação dos tirantes à face de escavação se mostrou significativa somente para valores abaixo de 1/3 do raio do túnel, para valores acima, os deslocamentos já ocorreram e, portanto, não mobilizavam mais os tirantes. Verificou-se que a concentração de tensões σrr acontece na parte superior e inferior do túnel e, também, antes da frente de escavação. O ângulo de atrito demonstrou influência irrisória na convergência, diferentemente da coesão que diminui a convergência, tanto do teto como da parede do túnel, à medida que seu valor aumenta. O empuxo lateral exibiu ainda maior significância, revelando o quanto é importante sua correta determinação, especialmente na convergência lateral do túnel. Ainda, constatou-se a grande importância da combinação de tirantes com revestimento em concreto, que juntos, diminuíram em aproximadamente 25% os deslocamentos no teto do túnel. / This work studies the results obtained from the application of a three-dimensional model to predict the behavior of bolted reinforced rock mass deep tunnel. The finite element method is used to model and simulate the excavation through the activation and deactivation of elements. The bolts are treated with an elastoplastic law and the rock mass is considered as a homogenized anisotropic medium on the macroscopic scale through the homogenization method of periodic media. In the parametric analysis was studied the influence of the parameters of the reinforcement system and the rock mass. Results in terms of convergence of the tunnel and stresses are presented and indicate that, for the studied case, the length of the bolts is a factor of little influence. The density of bolts has a greater importance, however, its influence was not affected by changes in cohesion and elasticity modulus of the rock mass. The distance between the bolted zone and the facing of the tunnel was a significant parameter only for values below 1/3 of the tunnel’s radius, for distances greater than this, the displacements had already occurred and did not mobilize the bolts anymore. It was verified that stress concentration σrr occurs in the top and bottom of the tunnel, and also before the facing of the excavation. The friction angle demonstrated negligible influence on the convergence, unlike the cohesion, which decreases the convergence of the roof and tunnel’s wall as its value increases. The coefficient of lateral earth pressure at rest, k0, exhibited even greater significance, revealing how important its correct determination is, especially for the lateral convergence of the tunnel. Still, it was observed the great importance of the combination of bolts and concrete lining, which together decreased by approximately 25% the displacement of the tunnel’s roof.

Este trabalho estuda os resultados obtidos da aplicação de um modelo tridimensional de previsão de comportamento de túneis profundos em rocha reforçados com tirantes passivos. Utiliza-se o método dos elementos finitos e simula-se a escavação pelo sistema de ativação e desativação de elementos. Os tirantes são tratados com uma lei de comportamento elastoplástica e o maciço reforçado com tirantes é considerado um meio homogêneo anisotrópico em escala macroscópica, através do método de homogeneização dos meios periódicos. Para a análise paramétrica foi verificada a influência dos parâmetros do sistema de reforço e do maciço. Resultados em termos de convergência do túnel e tensões são apresentados e indicam que, para o caso analisado, o comprimento dos tirantes é um fator de reduzida influência. A densidade de tirantes possui maior importância, porém, esta não é afetada por modificações na coesão e no módulo de elasticidade do maciço. A distância de aplicação dos tirantes à face de escavação se mostrou significativa somente para valores abaixo de 1/3 do raio do túnel, para valores acima, os deslocamentos já ocorreram e, portanto, não mobilizavam mais os tirantes. Verificou-se que a concentração de tensões σrr acontece na parte superior e inferior do túnel e, também, antes da frente de escavação. O ângulo de atrito demonstrou influência irrisória na convergência, diferentemente da coesão que diminui a convergência, tanto do teto como da parede do túnel, à medida que seu valor aumenta. O empuxo lateral exibiu ainda maior significância, revelando o quanto é importante sua correta determinação, especialmente na convergência lateral do túnel. Ainda, constatou-se a grande importância da combinação de tirantes com revestimento em concreto, que juntos, diminuíram em aproximadamente 25% os deslocamentos no teto do túnel. / This work studies the results obtained from the application of a three-dimensional model to predict the behavior of bolted reinforced rock mass deep tunnel. The finite element method is used to model and simulate the excavation through the activation and deactivation of elements. The bolts are treated with an elastoplastic law and the rock mass is considered as a homogenized anisotropic medium on the macroscopic scale through the homogenization method of periodic media. In the parametric analysis was studied the influence of the parameters of the reinforcement system and the rock mass. Results in terms of convergence of the tunnel and stresses are presented and indicate that, for the studied case, the length of the bolts is a factor of little influence. The density of bolts has a greater importance, however, its influence was not affected by changes in cohesion and elasticity modulus of the rock mass. The distance between the bolted zone and the facing of the tunnel was a significant parameter only for values below 1/3 of the tunnel’s radius, for distances greater than this, the displacements had already occurred and did not mobilize the bolts anymore. It was verified that stress concentration σrr occurs in the top and bottom of the tunnel, and also before the facing of the excavation. The friction angle demonstrated negligible influence on the convergence, unlike the cohesion, which decreases the convergence of the roof and tunnel’s wall as its value increases. The coefficient of lateral earth pressure at rest, k0, exhibited even greater significance, revealing how important its correct determination is, especially for the lateral convergence of the tunnel. Still, it was observed the great importance of the combination of bolts and concrete lining, which together decreased by approximately 25% the displacement of the tunnel’s roof.

No presente trabalho, é apresentado um modelo numérico para análise tridimensional de túneis escavados em maciços rochosos reforçados por tirantes aderidos ao longo de todo o seu comprimento. O método numérico utilizado é o método dos elementos finitos. A abordagem usada na modelagem da interação maciço/tirante é o método de homogeneização de meios periódicos. Essa abordagem substitui o meio compósito constituído de rocha e tirantes por um meio homogeneizado equivalente, dispensando a tarefa de discretizar cada tirante separadamente. O comportamento do maciço é considerado elastoplástico perfeito, caracterizado pelo critério de Drucker-Prager, com regra de fluxo associada. O revestimento é considerado elástico, enquanto os tirantes são tratados como inclusões lineares em tração/compressão com lei de comportamento elastoplástica. Com esse modelo foi implementado um código, tridimensional, que simula o processo de escavação pelo método da ativação/desativação de elementos. Esse código é capaz de levar em conta diferentes situações de profundidade, geometria e estado inicial de tensões. Com a finalidade de avaliar o desempenho da abordagem de homogeneização, foi implementado um segundo código, que modela a interação maciço/tirante por meio do método incorporado. Esse método, muito usado em análises de concreto armado, tem em comum com o método de homogeneização a capacidade de lidar com diferentes configurações de reforços utilizando a mesma malha base. Ao final, os dois códigos são utilizados em modelagens de um caso real, o túnel experimental Kielder (Inglaterra), para o qual se dispõe de dados medidos in situ. A comparação destes dados com os resultados das duas modelagens mostra uma aproximação muito boa. / A numerical model for three-dimensional analysis of tunnels excavated in reinforced rock mass by fully grouted bolts is presented in this work. The numeric method utilized is the finite element method and the approach used in the modeling of the interaction mass/bolt is the homogenization of periodic media method. This approach replaces the composite medium formed by rock and bolts by a homogenized equivalent medium eliminating the task of discretizing each bolt separately. The rockmass behavior is considered elastoplastic perfect caracterized by the Drucker-Prager criterion with associated flow rule. The lining is elastic, while the bolts are treated as linear inclusions in tension / compression with elastoplastic behavior law. A three-dimensional code was implemented with this model that simulates the excavation process by means of the activation-deactivation method. This code is able to consider different situations of depth, geometry and initial state of stress. In order to evaluate the performance of the homogenization approach, a second code was implemented to model the interaction rockmass/bolts by means of the embedded method. This method, widely used in analysis of reinforced concrete, has in common with the approach of the homogenization the capacity to deal with different configurations of reinforcements with the same base mesh. Finally, the two codes are used to model a real case, the Kielder experimental tunnel (England), for which in situ measured data are available. The comparison of these data with the results of the two modeling shows a very good approximation.

Este trabalho estuda os resultados obtidos da aplicação de um modelo tridimensional de previsão de comportamento de túneis profundos em rocha reforçados com tirantes passivos. Utiliza-se o método dos elementos finitos e simula-se a escavação pelo sistema de ativação e desativação de elementos. Os tirantes são tratados com uma lei de comportamento elastoplástica e o maciço reforçado com tirantes é considerado um meio homogêneo anisotrópico em escala macroscópica, através do método de homogeneização dos meios periódicos. Para a análise paramétrica foi verificada a influência dos parâmetros do sistema de reforço e do maciço. Resultados em termos de convergência do túnel e tensões são apresentados e indicam que, para o caso analisado, o comprimento dos tirantes é um fator de reduzida influência. A densidade de tirantes possui maior importância, porém, esta não é afetada por modificações na coesão e no módulo de elasticidade do maciço. A distância de aplicação dos tirantes à face de escavação se mostrou significativa somente para valores abaixo de 1/3 do raio do túnel, para valores acima, os deslocamentos já ocorreram e, portanto, não mobilizavam mais os tirantes. Verificou-se que a concentração de tensões σrr acontece na parte superior e inferior do túnel e, também, antes da frente de escavação. O ângulo de atrito demonstrou influência irrisória na convergência, diferentemente da coesão que diminui a convergência, tanto do teto como da parede do túnel, à medida que seu valor aumenta. O empuxo lateral exibiu ainda maior significância, revelando o quanto é importante sua correta determinação, especialmente na convergência lateral do túnel. Ainda, constatou-se a grande importância da combinação de tirantes com revestimento em concreto, que juntos, diminuíram em aproximadamente 25% os deslocamentos no teto do túnel. / This work studies the results obtained from the application of a three-dimensional model to predict the behavior of bolted reinforced rock mass deep tunnel. The finite element method is used to model and simulate the excavation through the activation and deactivation of elements. The bolts are treated with an elastoplastic law and the rock mass is considered as a homogenized anisotropic medium on the macroscopic scale through the homogenization method of periodic media. In the parametric analysis was studied the influence of the parameters of the reinforcement system and the rock mass. Results in terms of convergence of the tunnel and stresses are presented and indicate that, for the studied case, the length of the bolts is a factor of little influence. The density of bolts has a greater importance, however, its influence was not affected by changes in cohesion and elasticity modulus of the rock mass. The distance between the bolted zone and the facing of the tunnel was a significant parameter only for values below 1/3 of the tunnel’s radius, for distances greater than this, the displacements had already occurred and did not mobilize the bolts anymore. It was verified that stress concentration σrr occurs in the top and bottom of the tunnel, and also before the facing of the excavation. The friction angle demonstrated negligible influence on the convergence, unlike the cohesion, which decreases the convergence of the roof and tunnel’s wall as its value increases. The coefficient of lateral earth pressure at rest, k0, exhibited even greater significance, revealing how important its correct determination is, especially for the lateral convergence of the tunnel. Still, it was observed the great importance of the combination of bolts and concrete lining, which together decreased by approximately 25% the displacement of the tunnel’s roof.