Rock dynamics is a relatively new discipline to study the mechanical behaviors of rock materials (or rock masses) under dynamic loading conditions. Many rock mechanics and rock engineering issues are concerned with the dynamic phenomena such as mining development, civil engineering, earthquake, military science, and various disasters. The significance of rock dynamic researches has been increased in these days. This paper introduces conventional experimental techniques for rock dynamic experimental methods and the particular characteristics of rock dynamic behaviors with several remarkable recent studies.
Park, Chan;Jung, Yong-Bok;Song, Won-Kyong;SunWoo, Choon;Kim, Bok-Chul;Cheon, Dae-Sung
Tunnel and Underground Space
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v.18
no.1
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pp.69-79
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2008
Dokdo is a volcano edifice originating from an oceanic island that was formed around 3 million to 2.2 million years ago, and it consists of Dongdo(eastern island) and Seodo(western island). Even though Dokdo is a small volcanic island, Dokdo has infinite potential value and significant economic, social, scientific, and technical aspects due to its resources, ecological and territorial value. In addition, it is of national interest with regards to the dispute with Japan over the dominium of Dokdo. A need to evaluate the ground stability of Dokdo, especially in Dongdo, has been seriously raised recently due to the various cracks caused by the progressive weathering and corrosion. This study dealt with the geology and geological layers of Dokdo and identified the status of ground cracks as the previous research to evaluate the ground stability of zones of concern in Dongdo. Also, this study analyzed the relationships between physical and mechanical properties with rock types. The results showed that the values of rock properties in Dokdo are lower contrary to the general rocks in Korea, and tuff was especially affected by the weathering and corrosion.
It is well known that rock properties can be affected by loading in underground condition. In the case of flooded underground mine or tunnels, rock properties variation due to loading might be different from the loading in dry condition. In order to verify the influence of saturated loading condition on rock properties, various laboratory tests had been carried out. Loading on the rock specimen was controlled to be ranged in between 20 ~ 80% of UCS. By comparing the variation of thermal, mechanical, and physical properties of rock specimens under the same load in saturated and dry condition, it was possible to find that the rock properties can be more significantly disturbed in the saturated loading condition than in dry loading condition.
Birnessite is a layered manganese oxide mineral with ~7 Å of d-spacing. Because of its high cation exchange capacity, birnessite greatly impacts the chemical compositions of ground water and fluids in sediment pores. Understanding the cation exchange mechanisms requires atomistic investigations of the crystal structures and coordination environments of hydrated cations in the interlayer. In this study, we conducted classical molecular dynamics (MD) simulations, an atomistic simulation method of computational mineralogy, for triclinic Na-birnessite and K-birnessite whose chemical formula are from previous experiments. We report our MD simulation results of the crystal structures, coordination environments of Na+ and K+, and the polytypes of birnessite and compare them with available experimental results. The simulation results well reproduced experimental lattice parameters and provided atomic level information for the interlayer cation and water molecule sites that are difficult to distinguish in X-ray experiments. We also report that the polytype of the Mn octahedral sheets is identical between Na- and K-birnessite, but the cation positions differ from each other, demonstrating a correlation between the coordination environment of the interlayer cations and the crystal lattice parameters. This study shows that MD simulations are very promising in elucidating ion exchange reactions of birnessite.
Mechanical energy is accumulated in the object when stress is exerted on rock specimens, and the failure is occurred when the stress is larger than critical stress. The accumulated energy is emitted as various forms including physical deformation, light, heat and sound. Uniaxial compression strength test and point load strength test were carried out in low temperature environment, and thermal variation of rock specimens were observed and analyzed quantitatively using thermal infrared camera images. Temperature of failure plane was increased just before the failure because of concentration of stress, and was rapidly increased at the moment of the failure because of the emission of thermal energy. The variations of temperature were larger in diorite and basalt specimens which were strong and fresh than in tuff specimens which were weak and weathered. This study can be applied to prevent disasters in rock slope, tunnel and mine in cold regions and to analyze satellite image for predicting earthquake in cold regions.
Brittle materials such as rocks and concretes exhibit large strain-rate dependency under dynamic loading conditions. This means that the mechanical properties of such materials can significantly be varied according to load velocity. Thus, the strain-rate dependency is recognized as one of the most important considerations in solving problems of blast engineering or rock dynamics. Unfortunately, however, studies for characterizing the dynamic properties of domestic rocks and other brittle materials are still insufficient in the country. In this study, dynamic tensile tests were conducted using the Hopkinson pressure bar apparatus to characterize the dynamic properties of Geochang granite and high-strength concrete specimens. The dynamic Brazilian disc test, which is suggested by ISRM, and the spalling method were applied. In general, the latter is believed to have some advantages in experiments under high-strain rate deformation. It was found from the tests that there were no significant difference between the dynamic tensile strengths obtained from the two different test methods for the two materials given. However, this was not the expected result before the tests. Actually, authors expected that there be some differences between them. Hence, it is thought that further investigations are needed to clarify this results.
Ranciéte is a hexagonal phyllomanganate mineral containing random Mn(IV) vacancies with hydrated Ca2+ cations charged balanced as interlayer cations. Its Mn2+ analogue is called takanelite, and ranciéite and takanelite are regarded as end-members of a solid solution series of (Ca2+,Mn2+)Mn4O9·nH2O. Because the minerals are found as very small particles associated with other minerals, the crystal structures of the solid solution series have yet to be defined. In this research, we conducted classical molecular dynamics (MD) simulations of ranciéite and takanelite by varying the Mn2+/Ca2+ interlayer cation ratio to find relations between the interlayer cations and mineral structures. MD simulation results of chalcophanite group minerals are compared with experimental results to verify our method applied. Then, lattice parameters of ranciéite and takanelite models are presented along with detailed interlayer structures as to the distribution and coordination of cations and water molecules. This study shows the potentials of MD simulations in entangling complicated phyllomanganates structures.
The Wheatstone bridge is an important electrical circuit that is widely used to measure extremely small resistance changes in strain gages. The strain gages are attached to the structure or specimen whose deformation is to be detected. The Wheatstone bridge finds one of its major applications in the areas of static and dynamic strength tests for various engineering materials. In the split Hopkinson pressure bar (SHPB) system, for example, the bridge circuit is required to measure the dynamic strains of the incident and transmitted bars along which the stress wave propagates. In this article, the principles of the Wheatstone bridge circuit are in detail explained for easy reference during laboratory experiments associated with rock dynamics. Especially, the circuit arrangements of the quater, half, and full bridges are presented with their basic uses.
Dynamic rock property is one of most important parameters in design of earthquake-resistant structures. In this study, free-free resonant column test has been conducted to obtain dynamic Young's modulus, dynamic shear modulus, and damping ratio among dynamic properties with granite specimen of Chungnam Yeongi area. The dynamic properties obtained from this test were compared with the physical properties from static rock tests, and their relationship has been analyzed. From our study, it has been concluded that the dynamic Young's modulus and the dynamic shear modulus are linearly proportional to the elastic wave velocity. And also the damping ratio has been identified to be in non-linear inverse proportion to the elastic wave velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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