Thermal flow through jointed rock mass was analyzed by numerical methods. The effect of a single set of joints on the heat conduction was analyzed by one-dimensional model and compared with the analytical solution. When a joint is completely dry, the joint behaves as a thermal break inducing jumps in temperature distribution even at steady state. Therefore when joints are completely dry, individual joint has to be taken into consideration to get a good result. When joints are partially or fully saturated, the thermal conductivity of the joints increases drastically and the jumps in temperature distribution become less severe. Therefore the effect of joint in heat conduction can be well absorbed by continuum anisotropic model whose thermal properties represent overall thermal properties of the intact part and the discontinuities. Since the effect of joints becomes less important as the degree of the saturation increases, the overall thermal response of the rock mass also becomes close to isotropic. Therefore it can be concluded that a great effort has to be made to obtain a precise in-situ thermal properties in order to get a good prediction of the thermal response of a jointed rock mass.
Kim, Chang-Yong;Hong, Sung-Wan;Bae, Gyu-Jin;Kim, Kwang-Yeom;Schubert, Wulf
한국지구물리탐사학회:학술대회논문집
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2003.11a
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pp.255-261
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2003
Tunnelling in poor and heterogeneous ground is a difficult task. Even with a good geological investigation, uncertainties with respect to the local rock mass structure will remain. Especially for such conditions, a reliable short-term prediction of the conditions ahead and outside the tunnel profile are of paramount importance for the choice of appropriate excavation and support methods. The information contained in the absolute displacement monitoring data allows a comprehensive evaluation of the displacements and the determination of the behaviour and influence of an anisotropic rock mass. Case histories and with numerical simulations show, that changes in the displacement vector orientation can indicate changing rock mass conditions ahead of the tunnel face (Schubert & Budil 1995, Steindorfer & Schubert 1997). Further research has been conducted to quantify the influence of weak zones on stresses and displacements (Grossauer 2001). Sellner (2000) developed software, which allows predicting displacements (GeoFit$\circledR$). The function parameters describe the time and advance dependent deformation of a tunnel. Routinely applying this method at each measuring section allows determining trends of those parameters. It shows, that the trends of parameter sets indicate changes in the stiffness of the rock mass outside the tunnel in a similar way, as the displacement vector orientation does. Three-dimensional Finite Element simulations of different weakness zone properties, thicknesses, and orientations relative to the tunnel axis were carried out and the function parameters evaluated from the results. The results are compared to monitoring results from alpine tunnels in heterogeneous rock. The good qualitative correlation between trends observed on site and numerical results gives hope that by a routine determination of the function parameters during excavation the prediction of rock mass conditions ahead of the tunnel face can be improved. Implementing the rules developed from experience and simulations into the monitoring data evaluation program allows to automatically issuing information on the expected rock mass quality ahead of the tunnel.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.3
no.2
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pp.3-12
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2001
This paper presents the proposed methods of DE (distinct element) modelling to estimate the stability of tunnels in jointed rock masses. First, the criterion to select the joint set(s) contributed to the discontinuous behaviour in a tunnel section is proposed. Selected joint set(s) is(are) considered to form the edges of distinct elements (rock blocks) and the others to modify the elastic properties of rock blocks. The complex DE model with the average and the deviation of joint orientation and joint length for each joint set was compared to the simple model with only the average of joint orientation and the assumption that joint length is infinite. As a result, the latter is suitable to the purpose of tunnel design because it can show the consistent behaviour of a jointed rock mass such as the locally discontinuous failure and the global anisotropic behaviour.
As a basic study for investigating the development of the stress-induced crack in Hoek-Brown rock, a homogenization technique of elastic cracks is proposed. The onset of crack is monitored by Hoek-Brown empirical criterion, while the orientation of the crack is determined by the critical plane approach. The concept of volume averaging in stress and strain component was invoked to homogenize the representative rock volume which consists of intact rock and cracks. The formulation results in the constitutive relations for the homogenized equivalent anisotropic material. The homogenization model was implemented in the standard FEM code COSMOSM. The numerical uniaxial tests were performed under plane strain condition to check the validity of the propose numerical model. The effect of friction between the loading plate and the rock sample on the mode of deformation and fracturing was examined by assuming two different contact conditions. The numerical simulation revealed that the homogenized model is able to capture the salient features of deformation and fracturing which are observed commonly in the uniaxial compression test.
In this study, a newly modified 3-dimensional strain-dependent hydraulic conductivity modification relation which incorporates the influences of normal deformation and shear dilation is suggested. Since rock mass is simulated as a orthogonally jointed medium, an anisotropic hydraulic conductivity field can be evaluated using that relation. The empirical relationship on the basis of GSI and disturbance factor has been used to estimate the value of a modulus reduction ratio (ratio of rock mass deformation modulus to rock matrix elastic modulus). Principal hydraulic conductivity directions is not generally coincident with the global coordinate due to the inclining of joint and the influence of joint inclination is evaluated under strain rotation. Result shows that change of hydraulic conductivity does decreases with the increase of GSI and disturbance factor has much effects on the hydraulic conductivity of rock mass getting GSI value above 50. It is found that the inclination of joint impacts on the variation of hydraulic conductivity.
The numerical simulations of Heater Experiment-D (HE-D) at the Mont Terri rock laboratory in Switzerland were performed to investigate an applicability of FLAC3D to reproduce the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour in Opalinus Clay, as part of the DECOVLEX-2015 project Task B. To investigate the reliability of numerical simulations of the coupled behaviour using FLAC3D code, the simulation results were compared with the observations from the in-situ experiment, such as temperature at 16 sensors, pore pressure at 6 sensors, and strain at 22 measurement points. An anisotropic heat conduction model, fluid flow model, and transversely isotropic elastic model in FLAC3D successfully represented the coupled thermo-hydraulic behaviour in terms of evolution for temperature and pore pressure, however, performance of the models for mechanical behavior is not satisfactory compared with the measured strain.
Excavation of an opening in a saturated porous rock may lead to the development of pore pressure around the opening due to the redistribution of initial rock stresses. The built-up of pore pressure, in turn, may affect the mechanical behavior of rock mass and give the different pattern of stress distribution around the opening from that of the case where the coupling is neglected. In this study, the short time response of an opening excavated in saturated ground under anisotropic initial stress conditions was investigated numerically. Not on the wall of opening but at a short distance from the wall, the tangential stresses were peak during the short period after excavation when the hydro-mechanical coupling is considered.
In order to protect the environment from waste disposal activities, the prediction of the flux and flow paths of the contaminants from underground facilities should be assessed as accurately as possible. Especially, the prediction of the pathways and travel times of the nuclides from high level radioactive wastes in a deep repository to biosphere is one of the primary tasks for assessing the ultimate safety and performance of the repository. Since the contaminants are mainly transported with groundwater along the discontinuities developed within rock mass, the characteristics of groundwater flow through discontinuities is important for the prediction of contaminant fates as well as safety assessment of a repository. In this study, the actual fracture network could be effectively generated based on in situ data by separating geometric parameter and hydraulic parameter. The calculated anisotropic hydraulic conductivity was applied to a 3D porous medium model to calculate the path flow and travel time of the large studied area with the consideration of the complex topology in the area. Using the model, the pathways and travel times for groundwater were analyzed. From this study, it was concluded that the suggested techniques and procedures for predicting the pathways and travel times of groundwater from underground facilities to biosphere is acceptable and those can be applied to the safety assessment of a repository for radioactive wastes.
Effect of joints which pre-exist in the rock mass on the behavior of underground structures is studied. A finite element program is developed using a constitutive mode for rock masses exhibiting nonlinear anisotropic behavior. The initial loading scheme combined with reduced region of analysis is employed to minimize the problem size. A circular tunnel within rock mass is analyzed and the results are compared with those of elasto-plastic analysis to verify that the program is reasonable. The effect of joint direction is also analyzed in regard to stress relaxation, displacement, and deformation shape. It is concluded that the joint direction has significant influence on the nonlinear behavior of rock masses such that the vicinity of tunnel perpendicular to the direction of the joints is stressed to slide. It is also observed that the circular shape deforms to an elliptical shape with a major axis in the joint direction.
Zhang, Yuting;Ding, Xiuli;Huang, Shuling;Wu, Yongjin;He, Jun
Geomechanics and Engineering
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v.21
no.1
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pp.63-71
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2020
Strength anisotropy is a typical feature of thin-bedded rock masses and their strength will be degraded subjected to water immersion effect. Such effect is crucial for the operation of hydropower plant because the impoundment lifts the water level of upstream reservoir and causes the rock mass of nearby slopes saturated. So far, researches regarding mechanical property of natural thin-bedded rock masses and their strength variation under water immersion based on field test method are rarely reported. This paper focuses on a thin-bedded stratified rock mass and carries out field test to investigate the mechanical property and strength variation characteristics. The field test is highlighted by samples which have a large shear dimension of 0.5 m*0.5 m, representing a more realistic in-situ situation than small size specimen. The test results confirm the anisotropic nature of the concerned rock mass, whose shear strength of host rocks is significantly larger than that of bedding planes. Further, the comparison of shear strength parameters of the thin-bedded rock mass under natural and saturated conditions show that for both host rocks and bedding planes, the decreasing extent of cohesion values are larger than friction values. The quantitative results are then adopted to analyze the influence of reservoir impoundment of a hydropower plant on the surrounding rock mass stability of diversion tunnels which are located in the nearby slope bank. It is evaluated that after reservoir impoundment, the strength degradation induced incremental deformations of surrounding rock mass of diversion tunnels are small and the stresses in lining structure are acceptable. It is therefore concluded that the influences of impoundment are small and the stability of diversion tunnels can be still achieved. The finings regarding field test method and its results, as well as the numerical evaluation conclusions are hoped to provide references for rock projects with similar concerns.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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