쉴드 TBM 공법은 터널 굴착으로 인한 터널 굴진면과 굴착면의 변형을 억제하여 지반의 변형을 최소화할 수 있는 공법이다. 이를 위해 쉴드 TBM의 운전 조건들을 적절히 제어하는 것은 매우 중요하다. 쉴드 TBM 공법의 여러 가지 운전 조건 중 굴진면압과 뒤채움주입압은 지반에 직접 압력을 가하는 과정으로 굴착에 인한 지반변위의 억제 뿐만 아니라, 지반 내 유효응력 및 간극수압의 변화에 영향을 미치는 요인이다. 굴진면압과 뒤채움압의 작용에 대한 지반의 반응은 지반의 강성 및 투수성에 따라 상이하다. 특히, 포화된 연약 점성토의 경우 굴진면압과 뒤채움압에 의한 지반 내 응력 변화의 영향이 장시간동안 잔류하므로 이에 대한 반응은 투수성이 큰 지반과 구별되는 거동을 보인다. 따라서 본 논문에서는 유한 요소법을 이용한 응력-간극수압 연계 매개변수해석을 통해 포화 점성토 지반에서 쉴드 TBM 운전 조건과 지반의 강성과 투수성이 지표침하에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 연구 결과, 점성토 지반의 지표침하는 즉시침하와 압밀침하로 구분할 수 있었으며, 특히 압밀침하 거동은 지반의 투수성과 강성의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한, 굴진면압과 뒤채움압의 증가가 항상 지표침하 감소로 이어지지는 않고, 임의 크기의 압력(한계 압력) 이상으로 증가된 굴진면압과 뒤채움압은 역으로 지표침하를 증가시키는 요인으로 작용할 수 있음이 확인되었다.
Kim, Kiseok;Oh, Juyoung;Lee, Hyobum;Kim, Dongku;Choi, Hangseok
Geomechanics and Engineering
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제15권3호
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pp.823-831
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2018
The most important issue during shield TBM tunneling in soft ground formations is to appropriately control ground surface settlement. Among various operational conditions in shield TBM tunneling, the face pressure and backfill pressure should be the most important and immediate measure to restrain surface settlement during excavation. In this paper, a 3-D hydro-mechanical coupled FE model is developed to numerically simulate the entire process of shield TBM tunneling, which is verified by comparing with real field measurements of ground surface settlement. The effect of permeability and stiffness of ground formations on tunneling-induced surface settlement was discussed in the parametric study. An increase in the face pressure and backfill pressure does not always lead to a decrease in surface settlement, but there are the critical face pressure and backfill pressure. In addition, considering the relatively low permeability of ground formations, the surface settlement consists of two parts, i.e., immediate settlement and consolidation settlement, which shows a distinct settlement behavior to each other.
Shield tunneling method is widely used to build tunnels in complex geological environment. Stability control of tunnel face is the key to the safety of projects. To improve the excavation efficiency or perform equipment maintenance, the excavation chamber sometimes is not fully filled with support medium, which can reduce the load and increase tunneling speed while easily lead to ground collapse. Due to the high risk of the face failure under non-fully support mode, the tunnel face stability should be carefully evaluated. Whether compressive air is required for compensation and how much air pressure should be provided need to be determined accurately. Based on the upper bound theorem of limit analysis, a non-fully support rotational failure model is developed in this study. The failure mechanism of the model is verified by numerical simulation. It shows that increasing the density of supporting medium could significantly improve the stability of tunnel face while the increase of tunnel diameter would be unfavorable for the face stability. The critical support ratio is used to evaluate the face failure under the nonfully support mode, which could be an important index to determine whether the specific unsupported height could be allowed during shield tunneling. To avoid of face failure under the non-fully support mode, several charts are provided for the assessment of compressed air pressure, which could help engineers to determine the required air pressure for face stability.
Based on the results of Han et al. (2016), in the failure zone ahead of the tunnel face it can be obviously identified that a shear failure band occurs in the lower part and a pressure arch happens at the upper part, which was often neglected in analyzing the face stability of shield tunnel. In order to better describe the collapse failure feature of the tunnel face, a new improved failure mechanism is proposed to evaluate the face stability of shield tunnel excavated in layered soils in the framework of limit analysis by using spatial discretization technique and linear interpolation method in this study. The developed failure mechanism is composed of two parts: i) the rotational failure mechanism denoting the shear failure band and ii) a uniformly distributed force denoting the pressure arch effect. Followed by the comparison between the results of critical face pressures provided by the developed model and those by the existing works, which indicates that the new developed failure mechanism provides comparatively reasonable results.
The mechanical face seal has been tested in Korea Aerospace Research Institute (KARl) for turbopump applications. In the turbopump under current development, the mechanical face seal is installed between fuel pump and turbine to prevent a mixture of fuel and combustion gas. Generally the mechanical face seal in turbopump is exposed to severe environment because of great rotational speed, high temperature of combustion gas and high level of pressure difference. Thus a series of tests were performed to guarantee the reliability of mechanical face seal by means of simulating the practical operating conditions. The tests were conducted up to 20,000 rpm with pressure difference of 800 kPa and temperature of 620 K In addition several carbon materials for mechanical face seal were conducted to the tests to compare the life time. During the tests, the performance against leakage was monitored and the carbon wear was also measured to estimate the life of a mechanical face seal The results show that the leakage flow rates of mechanical face seal is ignorable compared to an overall flow rate of fuel pump. The carbon material which has the finest wear resistance was found during the tests. Lastly no critical failure of mechanical face seal was found during the tests and the reliability of mechanical face seal for turbopump was successfully proved.
In this research, an approach combining a semi-analytical method and an analytical method is presented to investigate the static and dynamic post-buckling behavior of the sandwich functionally graded (FG) porous cylindrical shells exposed to external pressure. The sandwich cylindrical shell considered is composed of a viscoelastic core and two FG porous (FGP) face layers. The viscoelastic core is made of Kelvin-Voigt-type material. The material properties of the FG porous face layer are considered continuous through each face thickness according to a porosity coefficient and a volume fraction index. Two types of sandwich FG porous viscoelastic cylindrical shells named Type A and Type B are considered in the research. Type A shell has the porosity evenly distributed across the thickness direction, and Type B has the porosity unevenly distributes across the thickness direction. The FG face layers are considered in two cases: outside metal surface, inside ceramic surface (OMS-ICS), and inside metal surface, outside ceramic surface (IMS-OCS). According to Donnell shell theory, von-Karman equation, and Galerkin's method, a discretized nonlinear governing equation is derived for analyzing the behavior of the shells. The explicit expressions for static and dynamic critical buckling loading are thus developed. To study the dynamic buckling of the shells, the governing equation is examined via a numerical approach implementing the fourth-order Runge-Kutta method. With a procedure presented by Budiansky-Roth, the critical load for dynamic post-buckling is obtained. The effects of various parameters, such as material and geometrical parameters, on the post-buckling behaviors are investigated.
This paper presents a novel methodology for face stability assessment of rock tunnels under water table by combining the kinematical approach of limit analysis and numerical simulation. The tunnels considered in this paper are excavated in fractured rock masses characterized by the Hoek-Brown failure criterion. In terms of natural rock deposition, a more convincing case of depth-dependent mi, GSI, D and ${\sigma}_c$ is taken into account by proposing the horizontally layered discretization technique, which enables us to generate the failure surface of tunnel face point by point. The vertical distance between any two adjacent points is fixed, which is beneficial to deal with stability problems involving depth-dependent rock parameters. The pore water pressure is numerically computed by means of 3D steady-state flow analyses. Accordingly, the pore water pressure for each discretized point on the failure surface is obtained by interpolation. The parametric analysis is performed to show the influence of depth-dependent parameters of $m_i$, GSI, D, ${\sigma}_c$ and the variation of water table elevation on tunnel face stability. Finally, several design charts for an undisturbed tunnel are presented for quick calculations of critical support pressures against face failure.
The modeling on uplift pressure on the foundation of a dam on which it was constructed, and on the interface between the dam and foundation is a critical aspect in the analysis of concrete gravity dams. The evaluation of stress intensity factor at the crack tip of concrete gravity dam due to uplift pressure effect by surface integral method is performed in this study. The effects of body force, overtopping pressure and water pressure on the crack-face are also considered in this study.
In this paper, linear buckling analysis of a curved sandwich beam with a flexible core is investigated. Derivation of equations for face sheets is accomplished via the classical theory of curved beam, whereas for the flexible core, the elasticity equations in polar coordinates are implemented. Employing the von-Karman type geometrical non-linearity in strain-displacement relations, nonlinear governing equations are resulted. Linear pre-buckling analysis is performed neglecting the rotation effects in pre-buckling state. Stability equations are concluded based on the adjacent equilibrium criterion. Considering the movable simply supported type of boundary conditions, suitable trigonometric solutions are adopted which satisfy the assumed edge conditions. The critical uniform load of the beam is obtained as a closed-form expression. Numerical results cover the effects of various parameters on the critical buckling load of the curved beam. It is shown that, face thickness, core thickness, core module, fiber angle of faces, stacking sequence of faces and openin angle of the beam all affect greatly on the buckling pressure of the beam and its buckled shape.
Wind load acting on a standalone structure is different from that acting on a similar structure which is surrounded by other structures in close proximity. The presence of other structures in the surrounding can change the wind flow regime around the principal structure and thus causing variation in wind loads compared to a standalone case. This variation on wind loads termed as interference effect depends on several factors like terrain category, geometry of the structure, orientation, wind incident angle, interfering distances etc., In the present study, a three building configuration is considered and the mean pressure coefficients on each face of principle building are determined in presence of two interfering buildings. Generally, wind loads on interfering buildings are determined from wind tunnel experiments. Computational fluid dynamic studies are being increasingly used to determine the wind loads recently. Whereas, wind tunnel tests are very expensive, the CFD simulation requires high computational cost and time. In this scenario, Artificial Neural Network (ANN) technique and Support Vector Regression (SVR) can be explored as alternative tools to study wind loads on structures. The present study uses these data-driven approaches to predict mean pressure coefficients on each face of principle building. Three typical arrangements of three building configuration viz. L shape, V shape and mirror of L shape arrangement are considered with varying interfering distances and wind incidence angles. Mean pressure coefficients (Cp mean) are predicted for 45 degrees wind incidence angle through ANN and SVR. Further, the critical faces of principal building, critical interfering distances and building arrangement which are more prone to wind loads are identified through this study. Among three types of building arrangements considered, a maximum of 3.9 times reduction in Cp mean values are noticed under Case B (V shape) building arrangement with 2.5B interfering distance. Effect of interfering distance and building arrangement on suction pressure on building faces has also been studied. Accordingly, Case C (mirror of L shape) building arrangement at a wind angle of 45º shows less suction pressure. Through this study, it was also observed that the increase of interfering distance may increase the suction pressure for all the cases of building configurations considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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