In this study, a new analytical-numerical procedure is developed to give the stresses and strains around a circular tunnel in rock masses exhibiting different stress-strain behavior. The calculation starts from the tunnel wall and continues toward the unknown elastic-plastic boundary by a finite difference method in the annular discretized plastic zone. From the known stresses in the tunnel boundary, the strains are calculated using the elastic-plastic stiffness matrix in which three dimensional Hoek-Brown failure criterion (Jiang and Zhao 2015) and Mohr-Coulomb potential function with proper dilation angle (i.e., non-associated flow rule) are employed in terms of stress invariants. The illustrative examples give ground response curve and show correctness of the proposed approach. Finally, from the results of a great number of analyses, a simple relationship is presented to find out the closure of circular tunnel in terms of rock mass strength and tunnel depth. It can be valuable for the preliminary decision of tunnel support and for prediction of tunnel problems.
In this paper, a comparative study of the effects of soil modelling on the interaction between tunnelling in soft soil and adjacent piled structure is presented. Several three-dimensional finite element analyses are performed to study the deformation of pile caps and piles as well as tunnel internal forces during the construction of an underground tunnel. The soil is modelled by two material models: the simple, yet approximate Mohr Coulomb (MC) yield criterion; and the complex, but reasonable hardening soil (HS) model with hyperbolic relation between stress and strain. For the former model, two different values of the soil stiffness modulus ($E_{50}$ or $E_{ur}$) as well as two profiles of stiffness variation with depth (constant and linearly increasing) were used in attempts to improve its prediction. As these four attempts did not succeed, a hybrid representation in which the hardening soil is used for soil located at the highly-strained zones while the Mohr Coulomb model is utilized elsewhere was investigated. This hybrid representation, which is a compromise between rigorous and simple solutions yielded results that compare well with those of the hardening soil model. The compared results include pile cap movements, pile deformation, and tunnel internal forces. Problem symmetry is utilized and, therefore, one symmetric half of the soil medium, the tunnel boring machine, the face pressure, the final tunnel lining, the pile caps, and the piles are modelled in several construction phases.
Kim, Young-Su;Lee, Jae-Ho;Jin, Guang-Ril;Shin, Shi-Un;Kwon, Tea-Soon;Han, Hee-Su
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.03a
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pp.821-832
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2008
The hazard warning levels are necessary for the rational design and safety construction of underground space, as mountain and urban tunnel. Sakurai provided the hazard warning levels for assessing the stability of tunnels using the critical strain of rock mass, which is defined as a ratio between uni-axial compressive strength and the Young's modulus. The concept of critical strain guidelines is introduced in this study for the assessment of tunnel safety during excavation. Moreover, in this paper, the critical strain properties of sedimentary rock in Korea has investigated and analysed in detail by Lab. test, as the uniaxial and triaxial compression tests. Finally, critical strain properties of sedimentary rock on uniaxial and triaxial stress condition is discussed the relationship of failure strain values, uniaxial and triaxial compression strengths, confining pressure and Young's modulus.
In this study, the finite element method for nonlinear problems is developed theroretically to see the design loads of foundation, when the circular plate resting on elasto-viscoplastic soil medium is loaded axisymmetrically. The paper shows that the plastic zone of soil medium is displayed at the near the edge of plate at the first place; when the plastic zone of soil medium is linked around central axis, the external load is termed by allowable load or design load, and then the contact pressure changes abruptly, in this case it is approved to be the risk of shear failure. The results of numerical analysis using the Mohr-Coulomb yield criterion, and experimental analysis for a appropriate safety factor are approximative, but numerical results are smaller than the value based on Terzaghi's theory.
Uncertainties in geomechanical input parameters which mainly related to inappropriate data acquisition and estimation due to lack of sufficient calibration information, have led wellbore instability not yet to be fully understood or addressed. This paper demonstrates a workflow of employing Quantitative Risk Assessment technique, considering these uncertainties in terms of rock properties, pore pressure and in-situ stresses to makes it possible to survey not just the likelihood of accomplishing a desired level of wellbore stability at a specific mud pressure, but also the influence of the uncertainty in each input parameter on the wellbore stability. This probabilistic methodology in conjunction with Monte Carlo numerical modeling techniques was applied to a case study of a well. The response surfaces analysis provides a measure of the effects of uncertainties in each input parameter on the predicted mud pressure from three widely used failure criteria, thereby provides a key measurement for data acquisition in the future wells to reduce the uncertainty. The results pointed out that the mud pressure is tremendously sensitive to UCS and SHmax which emphasize the significance of reliable determinations of these two parameters for safe drilling. On the other hand, the predicted safe mud window from Mogi-Coulomb is the widest while the Hoek-Brown is the narrowest and comparing the anticipated collapse failures from the failure criteria and breakouts observations from caliper data, indicates that Hoek-Brown overestimate the minimum mud weight to avoid breakouts while Mogi-Coulomb criterion give better forecast according to real observations.
The failure of a thin-walled tube was studied in this paper based on three failure models. Both proportional and non-proportional loading paths were applied. Proportional loading consisted of combined tension-torsion. Cyclic non-proportional loading was also applied. It was a circular out-of-phase axial-shear stress loading path. The third loading path was a combination of a constant internal pressure and a bending moment. The failure models under study were equivalent plastic strain, modified Mohr-Coulomb (Bai-Wierzbicki) and Tearing parameter models. The elasto-plastic analysis was conducted using J2 criterion and nonlinear kinematic hardening. The return mapping algorithm was employed to numerically solve the plastic flow relations. The effects of the hydrostatic stress on the plastic flow and the stress triaxiality parameter on the failure were discussed. Each failure model under study was utilized to predict failure. The failure loads obtained from each model were compared with each other. The equivalent plastic strain model was independent from the stress triaxiality parameter, and it predicted the highest failure load in the bending problem. The modified Mohr-Coulomb failure model predicted the lowest failure load for the range of the stress triaxiality parameter and Lode's angle.
Experiments on steel-concrete interface are performed to investigate and determine the mechanical roles and properties of interface parameters. The intrinsic different nature of bonded and unbonded interfaces are addressed based on the experimental observations that were obtained from two types of tests considering bonded and unbonded interfaces. The unbonded tests are performed for the specimens that are in unbonded when the initially bonded specimens are tested first. Four cases of lateral confinements including pure slip, and low and medium levels of lateral pressure are taken into account to investigate the effects of lateral confinements on interface behavior. It is shown that the maximum shear strengths, the levels of residual strengths and the Mode II fracture energy release rates are linearly related to the confinement levels. Based on the experimental evidences obtained from this study, the values of interface parameters required in a steel-concrete interface constitutive model will be presented in the companion paper.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.7
no.4
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pp.91-102
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1987
In this study, the finite element method using 8-node isoparametric element is developed theoretically and simulated to see the deformation of soil and plate, when the circular plate resting on Boussinesq's soil type is loaded axisymmetrically. The results of numerical analysis using the Mohr-Coulomb yield criterion, and experimental analysis are approximative, assuming that soil is elasto-plastic medium. The paper shows that the plastic zone of soil medium is displayed at the near the edge of plate at the first place; when the plastic zone of soil medium is linked around central axis, the external load is termed by critical load, and then the contact pressure changes abruptly, in this case it is approved to be the risk of shear failure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.2
s.173
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pp.472-480
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2000
A macroscopic yield criterion for porous solids with pressure-sensitive matrices modeled by Coulomb's yield criterion was obtained by generalizing Gurson's yield criterion with consideration of the hydrostatic yield stresses for a spherical thick-walled shell and by fitting the finite element results of a voided cube. The macroscopic yield criterion is valid for negative mean normal stresses as well as for positive mean normal stresses. From the yield criterion, a plastic potential function for the porous solids was derived either for plastic normality flow or for plastic non-normality flow of pressure- sensitive matrices. In addition, the elastic relation, an evolution equation of the plastic flow stress of the matrices and an evolution equation of the void volume fraction were presented to complete a set of constitutive relations. The set of constitutive relations was implemented into a finite element code ABAQUS to analyze the material behavior of rubber-toughened epoxies. The cavitation and the deformation behavior were analyzed around a crack tip under three-point bending and around notch tips under four-point bending. In the numerical analyses, the cavitation of rubber particles was considered via a stress-controlled nucleation model. The numerical results indicate that a reasonable cavitation zone can be obtained with void nucleation controlled by the macroscopic mean normal stress, and a plastic zone is smaller around a notch tip under compression than under tension. These numerical results agree well with corresponding experimental results on the cavitation and plastic zones.
This study deals with simple solutions for a spherical or circular opening excavated in elastic-brittle plastic rock mass compatible with a linear Mohr-Coulomb (M-C) or a nonlinear Hoek-Brown (H-B) yield criterion. Based on total strain approach, the closed-form solutions of stresses and displacement are derived simultaneously for circular and spherical openings using original H-B and M-C yield criteria. Two simple numerical procedures are proposed for the solution of generalized H-B and M-C yield criteria. Based on incremental approach, the similarity solution is derived for circular and spherical openings using generalized H-B and M-C yield criteria. The classical Runge-Kutta method is used to integrate the first-order ordinary differential equations. Using three data sets for M-C and H-B models, the results of the radial displacements, the spreading of the plastic radius with decreasing pressure, and the radial and circumferential stresses in the plastic region are compared. Excellent agreement among the solutions is obtained for all cases of spherical and circular openings. The importance of the use of proper initial values in the similarity solution is discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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