Kim, Ji-Won;Kang, Seok-Jun;Kim, Jin-Seop;Cho, Gye-Chun
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.6
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pp.561-577
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2021
The compacted bentonite buffer in a geological repository for high-level radioactive waste disposal is saturated due to groundwater inflow. Saturation of the bentonite buffer results in bentonite swelling and bentonite penetration into the rock discontinuities present around the disposal hole. The penetrated bentonite is exposed to groundwater flow and can be eroded out of the repository, resulting in bentonite mass loss which can affect the physical integrity of the engineered barrier system. Hence, the evaluation of buffer-rock interactions and coupled behavior due to groundwater inflow and bentonite penetration is necessary to ensure long-term disposal safety. In this study, the effects of the bentonite penetration and swelling on the physical properties of jointed rock mass were evaluated using the quasi-static resonant column test. Jointed rock specimens with bentonite penetration were manufactured using Gyeongju bentonite and hollow cylindrical granite rock discs obtained from the KAERI underground research tunnel. The effects of vertical stress and saturation were assessed using the P-wave and S-wave velocities for intact rock, jointed rock and jointed rock with bentonite penetration specimens. The joint normal and joint shear stiffnesses of each joint condition were inferred from the wave velocity results assuming an equivalent continuum. The joint normal and joint shear stiffnesses obtained from this study can be used as input factors for future numerical analysis on the performance evaluation of geological waste disposal considering rock discontinuities.
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 jointed rock mass behavior often plays a major role in the design of underground excavation, and their failures during excavation and in operation, are usually closely related to joints. This research attempts to evaluate the effects of two basic geometric factors influencing tunnel behavior in a jointed rock mass; joints spacing and joints orientation. A hybridized indirect boundary element code known as TFSDDM (Two-dimensional Fictitious Stress Displacement Discontinuity Method) is used to study the stress distribution around the tunnels excavated in jointed rock masses. This numerical analysis revealed that both the dip angle and spacing of joints have important influences on stress distribution on tunnel walls. For example the tensile and compressive tangential stresses at the boundary of the circular tunnel increase by reduction in the joint spacing, and by increase the dip joint angle the tensile stress in the tunnel roof decreases.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1996.10a
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pp.95-102
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1996
In this study, a stochastic finite element model is proposed with a view to consider the uncertainty of physical properties of discontinuous rock mass in the analysis of structural behavior on underground caverns. In so doing, the LHS(Latin Hypercube sampling) technique has been applied to make up weak points of the Crude Monte Carlo technique. Concerning the effect of discontinuities, a joint finite element model is used that is known to be superior in explaining faults, cleavage, things of that nature. To reflect the uncertainty of material properties, the variables such as the the elastic modulus, the poisson's ratio, the joint shear stiffness, and the joint normal stiffness have been used, all of which can be applicable through normal distribution, log-normal distribution, and rectangulary uniform distribution. The validity of the newly developed computer program has been confirmed in terms of verification examples. And, the applicability of the program has been tested in terms of the analysis of the circular cavern in discontinuous rock mass.
For the mechanical stability assessment of a deep underground high-level waste repository. computer simulations using FLAC3D were carried out and important parameters including stress ratio, depth, tunnel size, joint spacing, and joint properties were chosen from sensitivity analysis. The main effect as well as the interaction effect between the important parameters could be investigated effectively using fractional factorial design . In order to analyze the stability of the disposal tunnel and deposition hole in a discontinuous rock mass, different modelings were performed under different conditions using 3DEC and the influence of joint distribution and properties, rock properties and stress ratio could be determined. From the three dimensional modelings, it was concluded that the conceptual repository design was mechanically stable even in a discontinuous rock mass.
Tunnel excavation in jointed rock mass induces a displacement along tunnel excavation line and its assessment is very important to ensure the stability of tunnel and a demanded space. Tunnel displacement is directly related to the deformation modulus of ground and therefore it is essential to know the value of the parameter. However, most rock masses where tunnels are constructed are generally jointed and it is difficult to find out the deformation modulus of jointed rock mass simply based on an homogeneous isotropic elastic medium because the deformation modulus is highly affected by joint condition as well as rock type. Accordingly, this study carried out extensive numerical parametric studies to examine the variation of deformation modulus in different joint conditions and rock types under the condition of tunnel excavation. The study results were compared with existing empirical relationships and also shown in the chart of deformation modulus variation in different jointed rock mass conditions.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.515-520
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2005
The behavior of jointed rock mass is much different from that of intact rock due to the presence of joints. Similarly, the characteristics of elastic wave propagation in jointed rock are considerably different from those of intact rock. The propagation of elastic waves in jointed rock is greatly dependent on the state of stress. The roughness, filling materials, and spacing of joints also affect wave propagation in jointed rock. If the wavelength of elastic waves is much larger than the spacing between joints, wave propagation in jointed rock mass can be considered as wave propagation in equivalent continuum. A rock resonant column testing apparatus is made to measure elastic waves propagating through jointed rock in the state of equivalent continuum. Three types of wave, i.e, torsional, longitudinal and flexural waves are monitored during rock resonant column tests. Various roughness and filling materials are applied to joints, and rock columns with various spacings are used to understand how these factors affect wave propagation under a small strain condition. The experimental results suggest that the characteristics of wave propagation in jointed rock mass are governed by the state of stress and influenced by roughness, filling materials and joint spacings.
In situ rock mass is generally heterogeneous and discontinuous, with varying degrees of strength along the planes of weakness. The planes of weakness such as joints, faults, cracks and bedding planes, control the strength and deformation characteristics of the rock mass. Subsequently, the stability of underground opening depends upon the spatial distribution of discontinuities and their mechanical properties in relation with geometrical shape of openins as well as the mechanical properties of intact rock materials. Understanding the behaviour of a discontinuous rock mass remains a key issue for improving excavation design in hiかy stressed environments. Although recent advances in rock mechanics have provided guidelines for the design of underground opening in isotropic rock mass, prediction and control of deformation in discontinuous rock masses are still unclear. In this study, parametric study was performed to investigate the plastic zone size, stress distribution and deformation behavior around underground opening in a discontinuous rock mass using a continuum joint model. The solutions were obtained by an elasto-plastic finite difference analysis, employing the Mohr-Coulomb failure criteria. Non-associated flow rule and perfectly plastic material behavior are also assumed.
Water inrush is a major hazard for mining and excavation in deep coal seams or rock masses. It can be attributed to the coalescence of rock fractures in rock mass due to the interaction of fractures, hydraulic flow and stress field. One of the key technical challenges is to understand the course and mechanism of fluid flows in rock joint networks and fracture propagation and hence to take measures to prevent the formation of water inrush channels caused by possible rock fracturing. Several case observations of fluid flowing in rock joint networks and coupled fracture propagation in underground coal roadways are shown in this paper. A number of numerical simulations were done using the recently developed flow coupling function in FRACOD which simulates explicitly the fracture initiation and propagation process. The study has demonstrated that the shortest path between the inlet and outlet in joint networks will become a larger fluid flow channel and those fractures nearest to the water source and the working faces become the main channel of water inrush. The fractures deeper into the rib are mostly caused by shearing, and slipping fractures coalesce with the joint, which connects the water source and eventually forming a water inrush channel.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.2C
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pp.83-92
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2011
Elastic modulus in rockmass is an important factor to represent the characteristic of rock deformation and is used to estimate the displacement due to tunnel excavation. Nevertheless, the study to estimate the elastic modulus, which condisiders the rock type and joint characteristics (joint shear strength and joint inclination angle), has been done in less frequency. Accordingly, this study is aimed at providing the method to estimate the elastic modulus of rockmass in the various rock and joint conditons and the results grasped from the study. For this purpose, the 2D discrete numerical analysis will be carried out and the displacements due to tunnel excavation will be investigated with the consideration of rock and joint conditions. Then the displacement results will be used to estimate the elastic modulus of rockmass in which rock and joint conditions are considered with the utilization of the elastic theory of circular tunnel. The results of elastic modulus, which considers the conditions of various rock and joint, would be expected to have a great practical use in field.
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