<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Earth Sci.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Earth Science</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Earth Sci.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-6463</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">872792</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2022.872792</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Earth Science</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A New Numerical Procedure for the Excavation Response in Mohr&#x2013;Coulomb Rock Mass Exhibiting Strain-Softening Behavior</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Guan et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Numerical Procedure for Strain-Softening Rockmass</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>Kai</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1651891/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Quanyun</given-names>
</name>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Honglei</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>Wancheng</given-names>
</name>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Center for Rock Instability and Seismicity Research</institution>, <institution>Northeastern University</institution>, <addr-line>Shenyang</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1510276/overview">Huajin Li</ext-link>, Chengdu University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1674795/overview">Kui Wu</ext-link>, Xi&#x2019;an University of Architecture and Technology, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1416467/overview">Lan Cui</ext-link>, Institute of Rock and Soil Mechanics (CAS), China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1688267/overview">Wuqiang Cai</ext-link>, Tongji University, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Honglei Liu, <email>liuhonglei@mail.neu.edu.cn</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Environmental Informatics and Remote Sensing, a section of the journal Frontiers in Earth Science</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>24</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>872792</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>10</day>
<month>02</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>01</day>
<month>03</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Guan, Zhang, Liu and Zhu.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Guan, Zhang, Liu and Zhu</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>A new numerical procedure for calculating the excavation response of the Mohr&#x2013;Coulomb rock mass considering strain-softening behavior is proposed in this article. In this method, the plastic zone of the strain-softening rock mass is divided into the sufficient small plastic concentric annulus with constant radial stress increment, where the stress and strain distributions are characterized based on the existing analytical solutions of the brittle&#x2013;plastic rock in the plastic zone. According to the equilibrium equation, geometric equation, and Mohr&#x2013;Coulomb yield criterion, the stresses of each annulus can be calculated, and the explicit form of the displacement can also be determined by invoking the non-associated flow law and Hooke&#x2019;s law. On this basis, the excavation disturbance-induced response and the ground reaction curve (GRC) in the strain-softening rock mass can be calculated by iterative computation. The proposed method is verified by comparing both the numerical simulation results and the existing theoretical solutions. Extensive computations are then carried out to clarify some practical questions, including the effect of ground condition, the computation efficiency, and the engineering applicability. It is found that the proposed numerical procedure behaves more efficiently and accurately than the previous one for the strain-softening rock mass. This might, therefore, provide convenience and benefits from a computation standpoint for the preliminary design of underground openings in rock masses with slight deformation.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>strain-softening behavior</kwd>
<kwd>ground reaction curve</kwd>
<kwd>excavation disturbance</kwd>
<kwd>slight deformation</kwd>
<kwd>wall convergence</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">52004053 U1906208</contract-num>
<contract-num rid="cn002">2021-BS-052</contract-num>
<contract-num rid="cn003">N2101028</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">National Natural Science Foundation of China<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001809</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Natural Science Foundation of Liaoning Province<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100005047</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn003">Fundamental Research Funds for the Central Universities<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100012226</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>The prediction of the excavation response for the surrounding rock plays an important role in tunnel construction and support design (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Huang et&#x20;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B20">Qingke et&#x20;al., 2021</xref>), and the convergence&#x2013;confinement method (CCM) provides an effective way for analyzing the rock deformation by the ground reaction curve (GRC) and support capacity, in combination with the longitudinal deformation profile (LDP) of a tunnel. For the average quality rock mass with a geological strength index of between 30 and 60, the strain-softening behavior in the post-peak stage of the stress&#x2013;strain curve is common. Obtaining the excavation-induced ground response in strain-softening rock mass remains a great interest to practical engineering, since it is beneficial to the determination of the rock-support interaction process within the framework of the CCM. The establishment of a proper prediction method for stability and deformation evolution of rock material is beneficial to the engineering design and disaster control (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Cui et&#x20;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Li H, et&#x20;al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B37">Zhou et&#x20;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Li, et&#x20;al., 2021a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Li, et&#x20;al., 2021b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">He and Kusiak 2018</xref>).</p>
<p>At present, many scholars have theoretically performed research on the elastic&#x2013;plastic solutions of circular tunnels. When studying the post-peak mechanical behavior based on the elastic&#x2013;plastic mechanics theory, the elastic&#x2013;perfectly plastic, elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic, and strain-softening rock mass models are often adopted. On the basis of the previous studies on post-peak mechanical behavior, many factors have been considered. For an elastic&#x2013;perfectly plastic model, <xref ref-type="bibr" rid="B23">Su et&#x20;al. (2018)</xref> have presented analytical solutions for the stress and the displacement of a circular opening compatible with the Drucker&#x2013;Prager yield criterion. The analysis considered the interaction between the ground response and the support characteristic. <xref ref-type="bibr" rid="B12">Kabwe et&#x20;al. (2020)</xref> have presented solutions accounting for non-circular tunnels and intermediate principal stress based on Mohr&#x2013;Coulomb (M&#x2013;C) and Hoek&#x2013;Brown (H&#x2013;B) criteria. For an elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic model, <xref ref-type="bibr" rid="B28">Wang et&#x20;al. (2012)</xref> have proposed stress and displacement distribution solutions around a circular tunnel in an M&#x2013;C rock mass. <xref ref-type="bibr" rid="B34">Zareifard and Fahimifar (2016)</xref> have considered the damaged zone based on Park&#x2019;s research in elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic rock masses. Among the three models, the strain-softening model is most widely used in practical engineering, and its special cases can be considered as the elastic&#x2013;perfectly plastic and elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic models. Many scholars (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Song and Rodriguez-Dono 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Cui et&#x20;al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Wang and Zou 2018</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">Zareifard 2021</xref>) have used plastic variables, which characterize the strength deterioration for examining the GRC of a strain-softening rock mass. Meanwhile, there have been many strain-softening studies considering over-excavation and support systems (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Song and Rodriguez-Dono 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B31">Xue et&#x20;al., 2021</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B18">Li et&#x20;al. (2015)</xref> have used a simple strain-softening model with a brittleness coefficient to study the plastic radius, calculated using some assumptions and simplifications of non-expansion conditions.</p>
<p>Many studies have focused on numerical solutions in strain-softening rock masses based on the finite difference method. <xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and Pietruszczak (2008)</xref> have deduced numerical solutions in M&#x2013;C and H&#x2013;B rock masses based on the finite difference method. Compared with the work of Brown et&#x20;al<xref ref-type="bibr" rid="B1">(1983</xref>), <xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and Pietruszczak (2008)</xref> have divided the plastic zone into assuming a constant radial stress between adjacent annuli instead of a constant radius. <xref ref-type="bibr" rid="B29">Wang et&#x20;al. (2010)</xref> have proposed an analytical solution for strain-softening rock masses and established the corresponding program by dividing the strain-softening process into some elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic processes. <xref ref-type="bibr" rid="B21">Shen and Gu (2021)</xref> have calculated the displacement of a tunnel after excavation by a layer-wise summation method, which can provide accurate predictions. In order to investigate the influence of intermediate principal stress, <xref ref-type="bibr" rid="B17">Li J, et&#x20;al. (2022)</xref> proposed a finite difference method to calculate the excavation response in Drucker&#x2013;Prager rock mass exhibiting strain-softening behavior. <xref ref-type="bibr" rid="B27">Wang et&#x20;al. (2021)</xref> developed a strain-softening numerical procedure considering the effects of confinement-dependent characteristic and the generalized 3D Hoek&#x2013;Brown strength criterion. <xref ref-type="bibr" rid="B33">Yu-ming et&#x20;al. (2021)</xref> established a numerical solution for strain-softening rock mass under three-dimensional principal stress condition, which is validated by numerical simulation results. <xref ref-type="bibr" rid="B3">Cui et&#x20;al. (2015)</xref> have proposed a multistep brittle&#x2013;plastic model with the assumption that the material properties follow a piecewise linear correction with plastic shear strain and proposed the critical value of shear modulus based on H&#x2013;B and M&#x2013;C yield criteria. Based on the previous studies, <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref> have proposed a new method for calculating the GRC in the strain-softening rock for a circular tunnel which starts with a constant radius increment and the plastic radius obtained by linear interpolation. However, the accuracy of this method depends on the initial plastic radius, and it is not convenient to calculate the stress field of each annulus. More recently, <xref ref-type="bibr" rid="B36">Zhang et&#x20;al. (2021)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B9">Guan et&#x20;al. (2018)</xref> have defined the normalized radii for the plastic zone and proposed a novel numerical procedure for strain-softening rock mass, which provides convenience for obtaining GRC. <xref ref-type="bibr" rid="B5">Ghorbani and Hasanzadehshooiili (2019)</xref> have proposed strain-softening numerical procedure, considering unified strength criteria.</p>
<p>To improve calculation accuracy and efficiency, a new but simple method is developed here for calculating the ground response in an M&#x2013;C rock mass exhibiting strain-softening behavior. First, the problem definition and the basic theory are introduced. During the theoretical derivation, the plastic zone is divided into some annuli, with the thickness determined by a constant radial stress increment. Then, the analytical solution of each annulus is obtained according to the equilibrium equation, geometric equation, and M&#x2013;C yield criterion. The method is verified by numerical simulation. Finally, the effects of ground conditions, the computation efficiency, and the engineering applicability are examined.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Problem Definition</title>
<p>A circular tunnel of radius <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is excavated under the plane strain condition (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>). The rock mass is considered to be a continuous, homogenous, isotropic, and initially elastic before the excavation disturbance. Here, a hydrostatic stress <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is imposed around the rock, and there is an internal support pressure <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the inner tunnel surface. When the internal support pressure <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is lower than a critical value <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a plastic zone appears around the tunnel. When the plastic zone develops, the strength parameters gradually decrease. When strain-softening behavior is considered, the plastic zone is divided into strain-softening and residual zones, and the interfacial radius between them is&#x20;<inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Mechanical model for a circular tunnel in strain-softening rock&#x20;mass.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g001.tif"/>
</fig>
<p>The mechanical behavior and constitutive relationship of the rock mass can be determined by the definition of the plastic internal variable <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, which can be calculated according to the plastic strain, expressed as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou, Li, and Wang 2017</xref>):<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the circumferential and radial plastic strain, respectively.</p>
<p>The strength parameters of the strain-softening rock mass are calculated according to the bilinear function as follows (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and Pietruszczak 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou, Li, and Wang 2017</xref>):<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m12">
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> denotes a strength parameter, such as cohesion force <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m13">
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, friction angle <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and dilation angle <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m15">
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the critical plastic internal variable that the strength parameter transforms from strain-softening to the residual state; and subscripts <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m18">
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> denote peak and residual values, respectively. In order to simplify the mechanical analysis, the deformation parameters (such as rock stiffness) are assumed to be constant once yielded.</p>
<p>The M&#x2013;C yield criterion shows the relationship between the stress <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as follows:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ,respectively.</p>
<p>To simplify the subsequent theoretical derivation and numerical programming, the dimensionless stress <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as follows:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the elastic modulus.</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref>, the yield surface in the plastic zone can be expressed as follows:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When the non-associated flow rule is adopted, the plastic potential function is given by the following equation:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> denotes the coefficient of dilation, which is expressed as follows:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>Theoretical Derivations</title>
<p>The displacement and stress of the surrounding rock are derived, and the calculation is progressed and equations are presented in the following.</p>
<sec id="s3-1">
<title>Solution for the Plastic Zone</title>
<p>To be convenient for the theoretical derivation and numerical programming of the plastic zone in the following parts, the following dimensionless radius <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m31">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and dimensionless displacement <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m32">
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are defined as follows:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The strains can be expressed in terms of the previous dimensionless radial displacement and radius.<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>U</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The stress&#x2013;strain field of the surrounding rock is solved by the finite difference method, with the plastic zone of the surrounding rock divided into <italic>n</italic> concentric annuli, and the stress increment <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is maintained constant between adjacent annuli (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2A</xref>). The radial stress at the elastic&#x2013;plastic interface is <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the stress at the tunnel wall is <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The locations at the outer and inner boundaries within the <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m38">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> th annulus correspond to the dimensionless radius <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2B</xref>), and the radial stresses are denoted by <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. Therefore, the increment of radial stress <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as follows:<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the internal support stress <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is equal to the critical support stress&#x20;<inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Schematic figure of numerical calculation strategy: <bold>(A)</bold> plastic region divided into the finite number of annuli and <bold>(B)</bold> stress boundary of the <italic>j</italic>th annulus.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g002.tif"/>
</fig>
<p>When the internal support pressure is lower than the critical value <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a plastic zone appears around the tunnel. For the rock mass which obeys the M&#x2013;C yield criterion, the critical value <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is calculated by the following equation:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The radial stress at the inner radius of each annulus can be solved as follows:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>For the <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> annulus in the presented strain-softening model here, if the annulus number is large enough, the stresses within the <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> annulus can be conveniently obtained by virtue of the existing brittle&#x2013;plastic closed form solution (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Park and Kim 2006</xref>), thus leading to the following stress expressions:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>For convenience in the programming, the dimensionless radial and circumferential stress within the <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> annulus can be also expressed integrating <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eqs 13</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">14</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs 4</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">8</xref> as follows:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq (4)</xref> with strength parameters (<inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m65">
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m66">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>) corresponding to those at <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Then, the dimensionless radius <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be derived using <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq (15)</xref> as follows:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>If <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m70">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is large enough, the displacement within the <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> plastic annulus can be given in a way similar to the brittle&#x2013;plastic analytical expression (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Park and Kim 2006</xref>) combining the non-associated flow law with Hooke&#x2019;s law; that is,<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>B,</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>To simplify the numerical programming, the dimensionless radial displacement at <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by the following equation:<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>The circumferential strain <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the radial strain <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> within the <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m83">
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> th plastic annulus is obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq (9)</xref> as follows:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>According to Hooke&#x2019;s law, the radial and circumferential elastic strain at <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as follows:<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Since the radial and circumferential strains are divided into elastic and plastic parts, combined with <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq (1)</xref>, the plastic&#x20;internal variable <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m89">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as follows:<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then, the strength parameters at <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be updated according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq&#x20;(2)</xref>.</p>
<p>The radial displacement and the radius at <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Eq (8)</xref> as follows:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, the plastic radius can be determined as follows:<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is solved iteratively by <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq&#x20;(17)</xref>.</p>
<p>The wall convergence displacement can be expressed as follows:<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>U</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The deformation within the plastic zone can be computed by combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eqs 25</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e27">27</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Solution for the Elastic Zone</title>
<p>The tunnel surrounding rock is elastic in the initial stage of excavation, and according to the research of <xref ref-type="bibr" rid="B24">Vrakas and Anagnostou (2014)</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B32">Yu and Houlsby (1995)</xref>, the response in the elastic zone outside the plastic zone can be expressed as follows:<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2dc;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Once the plastic radius <italic>Rp</italic> is solved <italic>via</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq (27)</xref>, the stresses and displacement in the elastic zone can be all obtained by <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq&#x20;(29)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>Calculation Progress</title>
<p>A flow chart summarizing the calculation process for obtaining the excavation response is shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>, and the details are presented in the following steps:</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Flow chart of the calculations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g003.tif"/>
</fig>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_1">
<label>Step 1:</label>
<p>The basic parameters are set first, including the excavation radius <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <italic>in situ</italic> hydrostatic field stress <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, internal support stress <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, critical plastic internal variable <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the peak and residual strength parameters of the rock mass <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, accounting that the calculation process starts from the elastic&#x2013;plastic interface, the initial values for the computation are set as: <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_2">
<label>Step 2:</label>
<p>The thickness of each plastic annulus is determined by a&#x20;constant radial stress increment as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eq (10)</xref>. Therefore, the radial stress <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the dimensionless inner radius <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the <italic>j</italic>th annulus is calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq (12)</xref>, while the dimensionless radius <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is solved by <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq&#x20;(17)</xref>.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_3">
<label>Step 3:</label>
<p>The dimensionless displacement within each annulus is obtained in a way similar to the brittle&#x2013;plastic analytical expression. The total strain within each annulus is solved using <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Eq (9)</xref>. The elastic strain is calculated using Hooke&#x2019;s law, and plastic strain can be then determined.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_4">
<label>Step 4:</label>
<p>The plastic internal variable <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is calculated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Eq (24)</xref>. The mechanical behavior of the rock mass is then determined by comparing the plastic internal variable <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with critical plastic internal variable <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The strength parameters of each annulus are updated using <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq (2)</xref>.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_5">
<label>Step 5:</label>
<p>Set <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and repeat the previous steps <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m121">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;times.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_6">
<label>Step 6:</label>
<p>When <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the plastic radius is determined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq (27)</xref>. The displacement and stresses of each annulus in the plastic zone are calculated by <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq (25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eqs 15</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, respectively.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="step" id="Step_7">
<label>Step 7:</label>
<p>The stresses and displacement in the elastic zone are calculated according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e29">Eq&#x20;(29)</xref>.</p>
</statement>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Validation of the Numerical Procedure</title>
<sec id="s4-1">
<title>Numerical Simulation Verification</title>
<p>The GRC obtained by the proposed method is compared with the numerical simulation results from COMSOL Multiphysics to verify the validity of the numerical procedure. The parameters provided by <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref> are adopted, with <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 3&#xa0;m, <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 20&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m126">
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 10&#xa0;GPa, &#x3bc; &#x3d; 0.25, <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.7&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 30&#xb0;, <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 22&#xb0;<inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 3.75&#xb0;, and <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 3.75&#xb0;.</p>
<p>The two-dimensional rotational axisymmetric numerical model is shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>. The in-plane axial <italic>in situ</italic> stress <italic>q</italic> is taken as <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to satisfy the stress boundary conditions in the plane strain problem, which is exerted on top of the model. The right boundary is restrained by the confining stress <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the bottom end set as a roller, and left boundary is taken as a symmetrical boundary. The strain-softening constitutive model is used in the numerical simulation and the plastic zone radius <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained by measuring the radius for <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Two-dimensional axisymmetric numerical&#x20;model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g004.tif"/>
</fig>
<p>The comparison results between the numerical simulation and the presented method with <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.008 are shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>. It can be observed that, the stresses and displacement distribution of the strain-softening rock are in good agreement with the numerical simulation results, which indicates that the proposed numerical procedure is capable of predicting the ground response accurately.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison results with numerical simulation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Theoretical Verification</title>
<p>The procedure result is also compared with the work of <xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and&#x20;Pietruszczak (2008</xref>). The relevant parameters are: <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2.5&#xa0;m, <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 37.5&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>50</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 36.5&#xa0;GPa, &#x3bc; &#x3d; 0.25, <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 3.637&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1.878&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 29.52&#xb0;, <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 20.64&#xb0;, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 7.38&#xb0;, <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 7.38&#xb0;, and <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1190</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6</xref> shows that the GRC obtained by the procedure is perfectly consistent with that by <xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and Pietruszczak (2008)</xref>, which emphasizes the effectiveness of the proposed method in analyzing the excavation response.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Comparison with theoretical solution of <xref ref-type="bibr" rid="B13">Lee and Pietruszczak (2008)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Analysis of the Excavation Response</title>
<p>This section examines the influence of some parameters on the ground response. The parameters are as follows: <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2.5&#xa0;m, <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 37.5&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m152">
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 36.5&#xa0;GPa, &#x3bc; &#x3d; 0.25, <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 3.637&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1.878&#xa0;MPa, <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 29.52&#xb0;, <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 20.64&#xb0;, <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 7.38&#xb0;, <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 7.38&#xb0;, and <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.1190</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s5-1">
<title>Influence of the Annulus Number</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure&#x20;7</xref> shows the GRCs under different annulus numbers in the plastic zone. It can be seen that the results are almost identical and a stable numerical solution can be achieved, despite of a quite small <italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 50 assumed. It means that a rapid numerical convergence can be expected for the proposed procedure, which is beneficial in providing an accurate but a simple method in a preliminary tunneling design. For the purpose of ensuring the speed and accuracy of numerical calculation, the annulus number n in the plastic zone is taken as 50 in the following&#x20;parts.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Influence of the annulus number.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>Influence of the Dilatancy Angle</title>
<p>In order to examine the influence of the dilatancy angle on ground response, three cases are compared, and those are <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 15&#xb0;, <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 7.38&#xb0;, and <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0&#xb0;. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>, the rock displacement increases with the dilatancy angle, and it tends to be identical for big support pressure, which can be attributed to the pure elastic response in far field that is independent of the rock dilatancy.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Influence of the dilatancy&#x20;angle.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g008.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s5-3">
<title>Influence of the Elastic Modulus</title>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure&#x20;9</xref> shows the influence of the elastic modulus <italic>E</italic> on GRC. It can be seen that the elastic modulus plays an important role on ground response. More specifically, the poorer quality of rock, the higher the displacement then more easily the rock mass deforms. Therefore, for the rock mass involving under adverse conditions, cautions should be paid due to the high squeezing potential and large deformation possibility.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Influence of the elastic modulus.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="feart-10-872792-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s6">
<title>Discussion</title>
<p>
<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref> established the first strain-softening numerical procedure for GRC by resorting to existing analytical solutions, which is similar to the present method, so it would be beneficial here to discuss the present method with respect to that by <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref>. In their approach, the computation starts with the assumption of constant radius increment within the plastic zone instead of constant radial stress increment in this study, which leads to the necessity to determine the actual radius <italic>Rp</italic> of the plastic zone based on a linear interpolation strategy in combination with the finite difference analysis. Despite that, this manipulation makes the calculation of GRC convenient, the accuracy and efficiency highly depend on not only the annulus number <italic>n</italic> but also the initially assumed value of the plastic radius and its increment &#x2206;<italic>R</italic>, which may bring negative influence on the robustness of procedure. Moreover, the stress and displacement distributions in the surrounding rock are also difficult to be determined as stated by <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref>, which makes the analysis of the fictitious support pressure and the rock-support interaction using the convergence&#x2013;confinement method quite inconvenient. Conversely, our numerical procedure starts with constant radial stress increment assumption (see <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>), and the ground response including GRC and stresses and displacement can be all solved for without additional variables required except the annulus number,&#x20;<italic>n.</italic>
</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>In order to investigate the computation efficiency and accuracy, comparison results are given for the elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic rock mass. <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref> lists the basic parameter values, and <xref ref-type="table" rid="T2">Table&#x20;2</xref> shows the computation data by different methods. It can be observed that, the efficiency and accuracy of procedure by <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou et&#x20;al. (2017)</xref> varies with plastic radius increment &#x2206;<italic>R</italic> and annulus number <italic>n</italic>, while the present method in this study shows better accuracy and convergence, accounting that the results are perfectly consistent with the analytical solutions even when the value of <italic>n</italic> is small. Moreover, the distributions of stresses and displacement in the surrounding rock can be all obtained based on our numerical procedure, as shown in the previous <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>2) As shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure&#x20;9</xref>, when the rock stiffness is low, significant deformation can be observed, with the wall convergence even reaching up to half of the designed radius <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which means that the undeformed (initial) and the deformed (current) tunnel configuration differs remarkably. This phenomenon can be magnified in weak rocks with high deformability and low strength, which makes the calculated wall convergence irrational within the framework of the infinitesimal strain theory adopted in this article, accounting that a slight configuration difference observed in tunneling is one of the main prerequisites. In fact, as emphasized by <xref ref-type="bibr" rid="B24">Vrakas and Anagnostou 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Vrakas and Anagnostou 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B26">Vrakas 2016</xref> and <xref ref-type="bibr" rid="B9">Guan et&#x20;al., 2018</xref>, 2020a, 2020b;; <xref ref-type="bibr" rid="B6">Guan, Zhu, and Zhang 2021</xref>, when tunneling through rock masses under squeezing conditions with strains exceeding 10%, the characteristic of geometric non-linearity should be taken into consideration and the large deformation elasto&#x2013;plastic theory is recommended. Nevertheless, our numerical procedure remains sufficiently accurate and high efficiency for the plane strain excavation problem, as long as the wall convergence rate is lower than 10%, and this aim ought to be kept in&#x20;mind.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Basic parameters for the elastic&#x2013;brittle&#x2013;plastic rock mass (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou, Li, and Wang 2017</xref>).</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Parameters</th>
<th align="left">Hard rock</th>
<th align="left">Soft rock</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Tunnel radius <italic>r</italic>
<sub>0</sub> (m)</td>
<td align="center">1</td>
<td align="center">1</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Hydrostatic <italic>in situ</italic> stress <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (MPa)</td>
<td align="center">1</td>
<td align="center">1</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Internal support stress <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (MPa)</td>
<td align="center">0</td>
<td align="center">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Elastic modulus <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m166">
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> (MPa)</td>
<td align="center">50</td>
<td align="center">5</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Poisson&#x2019;s ratio &#x3bc;</td>
<td align="center">0.2</td>
<td align="center">0.2</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (MPa)</td>
<td align="center">0.173</td>
<td align="center">0.276</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (MPa)</td>
<td align="center">0.061</td>
<td align="center">0.055</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (&#xb0;)</td>
<td align="center">55</td>
<td align="center">35</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (&#xb0;)</td>
<td align="center">52</td>
<td align="center">30</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">1e<sup>&#x2212;10</sup>
</td>
<td align="center">1e<sup>&#x2212;10</sup>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Calculation results for different elasto-plastic analysis methods.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th rowspan="3" align="left"/>
<th colspan="6" align="center">Calculation results by <xref ref-type="bibr" rid="B38">Zou, Li, and Wang (2017)</xref>
</th>
<th colspan="3" align="center">This study</th>
<th colspan="3" align="center">Analytical solutions (<xref ref-type="bibr" rid="B19">Park and Kim 2006</xref>)</th>
</tr>
<tr>
<th colspan="4" align="center">
<inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th rowspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th colspan="2" align="center">
<inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
<tr>
<th align="center">
<inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;&#x3d;&#x20;0.5</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;&#x3d;&#x20;0.2</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;&#x3d;&#x20;0.1</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x20;&#x3d;&#x20;0.05</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center">
<inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td colspan="13" align="left">Hard rock</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 500</td>
<td align="char" char=".">1.332</td>
<td align="char" char=".">1.170</td>
<td align="char" char=".">1.153</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.588</td>
<td align="char" char=".">2.083</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.586</td>
<td align="char" char=".">2.080</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">1.143</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">1.586</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">2.080</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 200</td>
<td align="char" char=".">1.332</td>
<td align="char" char=".">1.170</td>
<td align="char" char=".">1.152</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.588</td>
<td align="char" char=".">2.080</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.586</td>
<td align="char" char=".">2.080</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 100</td>
<td align="char" char=".">1.332</td>
<td align="char" char=".">1.170</td>
<td align="char" char=".">1.152</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.587</td>
<td align="char" char=".">2.081</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.586</td>
<td align="char" char=".">2.080</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 50</td>
<td align="char" char=".">1.331</td>
<td align="char" char=".">1.169</td>
<td align="char" char=".">1.150</td>
<td align="char" char=".">1.142</td>
<td align="char" char=".">1.576</td>
<td align="char" char=".">2.061</td>
<td align="char" char=".">1.144</td>
<td align="char" char=".">1.586</td>
<td align="char" char=".">2.080</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="13" align="left">Soft rock</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 500</td>
<td align="char" char=".">1.812</td>
<td align="char" char=".">1.764</td>
<td align="char" char=".">1.761</td>
<td align="char" char=".">1.759</td>
<td align="char" char=".">4.031</td>
<td align="char" char=".">12.218</td>
<td align="char" char=".">1.762</td>
<td align="char" char=".">4.044</td>
<td align="char" char=".">12.303</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">1.761</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">4.044</td>
<td rowspan="4" align="char" char=".">12.30</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 200</td>
<td align="char" char=".">1.808</td>
<td align="char" char=".">1.761</td>
<td align="char" char=".">1.757</td>
<td align="char" char=".">1.755</td>
<td align="char" char=".">4.009</td>
<td align="char" char=".">12.085</td>
<td align="char" char=".">1.762</td>
<td align="char" char=".">4.044</td>
<td align="char" char=".">12.303</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 100</td>
<td align="char" char=".">1.802</td>
<td align="char" char=".">1.755</td>
<td align="char" char=".">1.751</td>
<td align="char" char=".">1.749</td>
<td align="char" char=".">3.977</td>
<td align="char" char=".">11.886</td>
<td align="char" char=".">1.762</td>
<td align="char" char=".">4.044</td>
<td align="char" char=".">12.303</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2003;<italic>n</italic>&#x20;&#x3d; 50</td>
<td align="char" char=".">1.790</td>
<td align="char" char=".">1.743</td>
<td align="char" char=".">1.738</td>
<td align="char" char=".">1.736</td>
<td align="char" char=".">3.907</td>
<td align="char" char=".">11.470</td>
<td align="char" char=".">1.762</td>
<td align="char" char=".">4.044</td>
<td align="char" char=".">12.303</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s7">
<title>Conclusion</title>
<p>A new numerical procedure is presented to analyze the excavation-induced response in a strain-softening rock mass. During the calculation process, the plastic zone is divided into finite annuli, and thickness is determined by a constant radial stress increment. The ground behavior in the plastic zone is obtained explicitly by virtue of the existing analytical solutions of the brittle&#x2013;plastic rock, which makes the derivation and calculation simple but effective. The comparison results with existing studies and numerical simulation show that the proposed method behaves more efficiently and accurately than the previous numerical procedure for strain-softening rock mass, and the ground response including GRC and stresses and displacement can be all calculated conveniently. However, more attention should be paid when the proposed strain-softening numerical procedure based on the infinitesimal strain theory is applied to a practical problem involving in large deformations with wall convergence over&#x20;10%.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Author Contributions</title>
<p>KG contributed to the implementation of the theoretical derivation and writing of the draft, QZ contributed to the data analysis and writing of the draft, HL contributed to the revision and approval of the draft, and WZ contributed to the discussion and implementation of the numerical procedure.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 52004053 and U1906208), Natural Science Foundation of Liaoning Province (Grant No. 2021-BS-052), and Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. N2101028).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s11">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors, and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brown</surname>
<given-names>E. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bray</surname>
<given-names>J.&#x20;W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ladanyi</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoek</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1983</year>). <article-title>Ground Response Curves for Rock Tunnels</article-title>. <source>J.&#x20;Geotechnical Eng.</source> <volume>109</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>15</fpage>&#x2013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/(asce)0733-9410(1983)109:1(15)</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sheng</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>J.-j.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Regression Model for Predicting Tunnel Strain in Strain-Softening Rock Mass for Underground Openings</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>119</volume>, <fpage>81</fpage>&#x2013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2019.04.014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>J.-J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>R.-J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>Y.-K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Elasto-plastic Analysis of a Circular Opening in Rock Mass with Confining Stress-dependent Strain-Softening Behaviour</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>50</volume>, <fpage>94</fpage>&#x2013;<lpage>108</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2015.07.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pei</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Liquefaction within a Bedding Fault: Understanding the Initiation and Movement of the Daguangbao Landslide Triggered by the 2008 Wenchuan Earthquake (Ms &#x3d; 8.0)</article-title>. <source>Eng. Geology.</source> <volume>295</volume>, <fpage>106455</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.enggeo.2021.106455</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ghorbani</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hasanzadehshooiili</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>A Comprehensive Solution for the Calculation of Ground Reaction Curve in the crown and Sidewalls of Circular Tunnels in the Elastic-Plastic-EDZ Rock Mass Considering Strain Softening</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>84</volume>, <fpage>413</fpage>&#x2013;<lpage>431</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2018.11.045</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Q. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Application of the Convergence-Confinement Method to Excavation Response of Roadway in Rock Mass Considering Large Deformation</article-title>. <source>IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci.</source> <volume>861</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>042090</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1755-1315/861/4/04209010.1088/1755-1315/861/4/042090</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020a</year>). <article-title>Finite Strain Analysis of Squeezing Response in an Elastic-Brittle-Plastic Weak Rocks Considering the Influence of Axial Stress</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>97</volume>, <fpage>103254</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2019.103254</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020b</year>). <article-title>Re-profiling of a Squeezing Tunnel Considering the post-peak Behavior of Rock Mass</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>125</volume>, <fpage>104153</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2019.104153</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guan</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Niu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>A Finite Strain Numerical Procedure for a Circular Tunnel in Strain-Softening Rock Mass with Large Deformation</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>112</volume>, <fpage>266</fpage>&#x2013;<lpage>280</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2018.10.016</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kusiak</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Performance Assessment of Wind Turbines: Data-Derived Quantitative Metrics</article-title>. <source>IEEE Trans. Sustain. Energ.</source> <volume>9</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>65</fpage>&#x2013;<lpage>73</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSTE.2017.2715061</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Multi-Step Combined Control Technology for Karst and Fissure Water Inrush Disaster during Shield Tunneling in Spring Areas</article-title>. <source>Front. Earth Sci.</source> <volume>9</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2021.795457</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kabwe</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Karakus</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chanda</surname>
<given-names>E. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Proposed Solution for the Ground Reaction of Non-circular Tunnels in an Elastic-Perfectly Plastic Rock Mass</article-title>. <source>Comput. Geotechnics</source> <volume>119</volume>, <fpage>103354</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2019.103354</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>Y.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pietruszczak</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>A New Numerical Procedure for Elasto-Plastic Analysis of a Circular Opening Excavated in a Strain-Softening Rock Mass</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>23</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>588</fpage>&#x2013;<lpage>599</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2007.11.002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pu</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arachchige</surname>
<given-names>D. D. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021a</year>). <article-title>Short-Term Nacelle Orientation Forecasting Using Bilinear Transformation and ICEEMDAN Framework</article-title>. <source>Front. Energ. Res.</source> <volume>9</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2021.780928</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yuan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arachchige</surname>
<given-names>D. D. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arachchige</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021b</year>). <article-title>Monitoring and Identifying Wind Turbine Generator Bearing Faults Using Deep Belief Network and EWMA Control Charts</article-title>. <source>Front. Energ. Res.</source> <volume>9</volume>, <fpage>39</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2021.799039</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Deng</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Detection and Segmentation of Loess Landslides via Satellite Images: a Two-phase Framework</article-title>. <source>Landslides</source> <volume>19</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>673</fpage>&#x2013;<lpage>686</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10346-021-01789-010.1007/s10346-021-01789-0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Jinwang.</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>Xiufeng.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>Caihua.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zheng</surname>
<given-names>Xiangtian.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A Proposed Algorithm to Compute the Stress-Strain Plastic Region and Displacement of a Deep-Lying Tunnel Considering Intermediate Stress and Strain-Softening Behavior</article-title>. <source>Appl. Sci.</source> <volume>12</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>85</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/app12010085</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fantuzzi</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Elasto-plastic Analysis of a Circular Borehole in Elastic-Strain Softening Coal Seams</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>80</volume>, <fpage>316</fpage>&#x2013;<lpage>324</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2015.10.002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>K.-H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>Y.-J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Analytical Solution for a Circular Opening in an Elastic-Brittle-Plastic Rock</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>43</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>616</fpage>&#x2013;<lpage>622</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2005.11.004</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qingke</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siyuan</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hongtao</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lichao</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jianpeng</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Disturbance Process of Sandy Gravel Stratum Caused by Shield Tunneling and Ground Settlement Analysis</article-title>. <source>Front. Earth Sci.</source> <volume>9</volume>, <fpage>782927</fpage> <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/feart.2021.782927</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shen</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gu</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>An Improved Analytical Approach for Analyzing a Circular Opening Excavated in a Strain-Softening Rock Mass</article-title>. <source>Arab J.&#x20;Geosci.</source> <volume>14</volume> (<issue>19</issue>), <fpage>2050</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12517-021-08402-7</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rodriguez-Dono</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Numerical Solutions for Tunnels Excavated in Strain-Softening Rock Masses Considering a Combined Support System</article-title>. <source>Appl. Math. Model.</source> <volume>92</volume>, <fpage>905</fpage>&#x2013;<lpage>930</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2020.11.042</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Mechanical Analysis of the Circular Tunnel Considering the Interaction between the Ground Response Curve and Support Response Curve</article-title>. <source>Math. Probl. Eng.</source> <volume>2018</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2018/7892010</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vrakas</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anagnostou</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>A Finite Strain Closed-form Solution for the Elastoplastic Ground Response Curve in Tunnelling</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Numer. Anal. Meth. Geomech.</source> <volume>38</volume> (<issue>11</issue>), <fpage>1131</fpage>&#x2013;<lpage>1148</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nag.2250</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vrakas</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anagnostou</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>A Simple Equation for Obtaining Finite Strain Solutions from Small Strain Analyses of Tunnels with Very Large Convergences</article-title>. <source>G&#xe9;otechnique</source> <volume>65</volume>, <fpage>936</fpage>&#x2013;<lpage>944</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1680/jgeot.15.P.036</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vrakas</surname>
<given-names>Apostolos.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <source>Analysis of Ground Response and Ground-Support Interaction in Tunnelling Considering Large Deformations</source>. <publisher-loc>Zurich, Switzerland</publisher-loc>: <publisher-name>ETH Z&#xfc;rich</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3929/ethz-a-010778160</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bai</surname>
<given-names>J.-b.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yan</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chang</surname>
<given-names>Z.-g.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Y.-b.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>W.-g.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>The Elastoplastic Solutions of Deep Buried Roadway Based on the Generalized 3D Hoek-Brown Strength Criterion Considering Strain-Softening Properties</article-title>. <source>Geofluids</source> <volume>2021</volume>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>15</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2021/557537610.1155/2021/5575376</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ge</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Theoretical Solutions of a Circular Tunnel with the Influence of Axial <italic>In Situ</italic> Stress in Elastic-Brittle-Plastic Rock</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>30</volume>, <fpage>155</fpage>&#x2013;<lpage>168</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2012.02.016</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tang</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ge</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A New Approach for Analyzing Circular Tunnel in Strain-Softening Rock Masses</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>47</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>170</fpage>&#x2013;<lpage>178</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2009.02.011</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feng</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fu</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Controllable Self-Assembly of Polystyrene-Block -Poly(2-Vinylpyridine)</article-title>. <source>Polym. Int.</source> <volume>67</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>619</fpage>&#x2013;<lpage>626</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.12989/GAE.2018.16.6.61910.12989/GAE.2018.16.6.61910.1002/pi.5550</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xue</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Spatial Correlation-Based Characterization of Acoustic Emission Signal-Cloud in a Granite Sample by a Cube Clustering Approach</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Mining Sci. Tech.</source> <volume>31</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>535</fpage>&#x2013;<lpage>551</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijmst.2021.05.008</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>H. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Houlsby</surname>
<given-names>G. T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1995</year>). <article-title>A Large Strain Analytical Solution for Cavity Contraction in Dilatant Soils</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Numer. Anal. Methods Geomech.</source> <volume>19</volume> (<issue>11</issue>), <fpage>793</fpage>&#x2013;<lpage>811</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/nag.1610191104</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yu-ming</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chao</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ming-yao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jin-feng</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Numerical Solutions for Strain-Softening Surrounding Rock under Three-Dimensional Principal Stress Condition</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Nonlinear Sci. Numer. Simulation</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/ijnsns-2019-0253</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zareifard</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fahimifar</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Analytical Solutions for the Stresses and Deformations of Deep Tunnels in an Elastic-Brittle-Plastic Rock Mass Considering the Damaged Zone</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>58</volume>, <fpage>186</fpage>&#x2013;<lpage>196</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2016.05.007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zareifard</surname>
<given-names>M. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Ground Response Curve of Deep Circular Tunnel in Rock Mass Exhibiting Hoek-Brown Strain-Softening Behaviour Considering the Dead Weight Loading</article-title>. <source>Eur. J.&#x20;Environ. Civil Eng.</source> <volume>25</volume> (<issue>14</issue>), <fpage>2509</fpage>&#x2013;<lpage>2539</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/19648189.2019.163274510.1080/19648189.2019.1632745</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X.-F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>B.-S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>R.-C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>G.-M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A Finite Strain Solution for Strain-Softening Rock Mass Around Circular Roadways</article-title>. <source>Tunnelling Underground Space Tech.</source> <volume>111</volume>, <fpage>103873</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tust.2021.103873</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wei</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Seepage Channel Development in the crown Pillar: Insights from Induced Microseismicity</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Rock Mech. Mining Sci.</source> <volume>145</volume>, <fpage>104851</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijrmms.2021.104851</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zou</surname>
<given-names>J.-f.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>A New Procedure for Ground Response Curve (GRC) in Strain-Softening Surrounding Rock</article-title>. <source>Comput. Geotechnics</source> <volume>89</volume>, <fpage>81</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compgeo.2017.04.009</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>