A new constitutive criterion, relating stress and displacements, is proposed to model the shear resistance of joints under constant normal load conditions. It is based on an empirical description of the surface, and on the results from more than 50 constant-normal-load direct-shear tests performed on replicas of tensile joints and on induced tensile fractures for seven rock types. This constitutive model is able to describe experimental shear tests conducted in the laboratory. Moreover, the parameters required in the model can be easily measured through standard laboratory tests. The proposed criterion was also used to estimate the joint roughness coefficient (JRC) value. The predicting values were successfully correlated with JRC values obtained by back analysis of shear tests.

The purpose of this paper is to present Y-Geo, a new numerical code for geomechanical applications based on the combined finite-discrete element method (FDEM). FDEM is an innovative numerical technique that combines the advantages of continuum-based modeling approaches and discrete element methods to overcome the inability of these methods to capture progressive damage and failure processes in rock. In particular, FDEM offers the ability to explicitly model the transition from continuum to discontinuous behavior by fracture and fragmentation processes. Several algorithmic developments have been implemented in Y-Geo to specifically address a broad range of rock mechanics problems. These features include (1) a quasi-static friction law, (2) the Mohr-Coulomb failure criterion, (3) a rock joint shear strength criterion, (4) a dissipative impact model, (5) an in situ stress initialization routine, (6) a material mapping function (for an exact representation of heterogeneous models), and (7) a tool to incorporate material heterogeneity and transverse isotropy. Application of Y-Geo is illustrated with two case studies that span the capabilities of the code, ranging from laboratory tests to complex engineering-scale problems.

Summary We measured the frequency-dependent Young's modulus and attenuation using the forced-oscillation technique on intact and two thermally cracked granite under dry and fluid-saturated conditions at 5 MPa differential pressure. Crack density and aspect ratio increased with an increase in thermal treatment temperature. Significant dispersion of Young's modulus was observed over the apparent frequency range of 0.2 – 2.10Hz in the cracked samples when saturated with pore fluid. We conclude from our analysis that squirt flow is a dominant mechanism of dispersion and attenuation in cracked crystalline rocks.

Frost heave in water-bearing rock masses poses significant threats to geotechnical engineering. This paper developed a novel three-dimensional (3D) frost model, based on the combined finite-discrete element method (FDEM), to investigate the frost heave process in rock masses where thermal transfer, water migration, water-ice phase transition (ice growth) and ice-rock interaction are explicitly simulated. The proposed model is first validated against existing experimental and analytical solutions, and further applied to investigate path-dependent frost heave behavior under various freezing conditions. Results show that freezing direction plays a vital role in the dynamic ice growth and ice-rock interaction, thus affecting the frost heave behavior. In the top-down freezing regime, ice plugs form first at the crack's top surface, sealing the crack and preventing water migration, which can amplify ice pressure. Parametric studies, including rock Young's modulus, ice-rock friction, and rock hydraulic conductivity, further reveal that the temporal aspects of ice development and rock mechanical response strongly affect ice-rock interaction and hence the frost heave mechanism. Furthermore, some typical phenomena (e.g. water/ice extrusion and frost cracking) can also be well captured in this model. This novel numerical framework sheds new light on frost heave behavior and enriches our understanding of frost heave mechanisms and ice-rock interaction processes within cold environment engineering projects.