Jian Zhou;Zhi Ding;Jinkun Huang;Xinan Yang;Mingjie Ma
Geomechanics and Engineering
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v.36
no.1
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pp.51-69
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2024
Currently, composite lining mountain tunnels in China are generally classified based on the [BQ] method for the surrounding rock grade. Increasingly, tunnel field construction is replicated indoors for scale down model tests. However, the development of analogous materials for model tests of composite lining tunnels with different surrounding rock grades is still unclear. In this study, typical Class III and V surrounding rock analogous materials and corresponding composite lining support materials were developed. The whole processes of excavation-support dynamics of the mountain tunnels were simulated. Data on the variation of deformations, contact pressures and strains on the surrounding rock were obtained. Finally, a comparative analysis between model tests and numerical simulations was performed to verify the rationality of analogous material development. The following useful conclusions were obtained by analyzing the data from the tests. The main analogous materials of Class III surrounding rock are barite powder, high-strength gypsum and quartz sand with fly ash, quartz sand, anhydrous ethanol and rosin for Class V surrounding rock. Analogous materials for rockbolts, steel arches are replaced by aluminum bar and iron bar respectively with both shotcrete and secondary lining corresponding to gypsum and water. In addition, load release rate of Class V surrounding rock should be less than Class III surrounding rock. The fenestration level had large influence on the load sharing ratio of the secondary lining, with a difference of more than 30%, while the influence of the support time was smaller. The Sharing ratios of secondary lining in Class III surrounding rock do not exceed 12%, while those of Class V surrounding rock exceed 40%. The overall difference between the results of model tests and numerical simulations is small, which verifies the feasibility of similar material development in this study.
In this study, a series of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations carried out to evaluate the optimum design model of the internal flow path of drill bit. The Star-CCM+ code was adopted to simulate the multi-phase discharge flow of rock particles and flushing air during a drilling process. The input parameters for the flow simulation of rock particles and air were obtained from the in-situ drilling test results. After the three design factors were determined, the experimental design method (Taguchi method) was utilized to evaluate the optimum value of each factor.
Rockburst disasters pose serious threat to mining safety and underground excavation, especially in China, resulting in massive life-wealth loss and even compulsive closed-down of some coal mines. To investigate the mechanism of rockbursts that occur under a state of static forces, a stress model with sidewall as prototype was developed and verified by a group of laboratory experiments and numerical simulations. In this model, roadway sidewall was simplified as a square plate with axial compression and end (horizontal) restraints. The stress field was solved via the Airy stress function. To track the "closeness degree" of the stress state approaching the yield limit, an unbalanced force F was defined based on the Mohr-Coulomb yield criterion. The distribution of the unbalanced force in the plane model indicated that only the friction angle above a critical value could cause the first failure on the coal in the deeper of the sidewall, inducing the occurrence of rockbursts. The laboratory tests reproduced the rockburst process, which was similar to the prediction from the theoretical model, numerical simulation and some disaster scenes.
Evacuation and Fatalities Simulation is one of the core technologies for performance based design. Recently, developed programs in foreign countries have limitations such as simple fatality calculation and coarse visual interface. This study developed an advanced evaluation program for evacuation and fatalities to overcome limitations of existing programs and improve various applications, i.e., an evacuation algorithm using elevators as well as evacuation stairs. In addition, the evaluation program can let users make a decision of fatalities from fire by coupling with FDS (Fire Dynamics Simulator) from NIST and realizes three-dimensional virtual space using a graphic module.
This research is intended to investigate the behavior of the jointed rock under various loading conditions: static or dynamic load. The distributed state concept (DSC) is based on the idea that the response of the joint can be related to and expressed as the response of the reference states : relative intact (RI) and fully adjusted (FA) states. In the DSC, an initially RI joint modifies continuously through a process of natural self-adjustment, and a part of it approaches the FA state at randomly disturbed locations in the joint areas. In this study, based on the DSC concept, RI state, FA state, and disturbance function (D) are defined for characterizing the behavior of rock joint. From the results of this research, it can be stated that DSC model is capable of capturing the physical behavior of jointed rock such as softening and hardening and considering the size of joint and roughness of joint surface.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.6
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pp.989-1002
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2018
Grouting for the rock joint is to strengthen the rock strata by infiltrating cement grout materials into the rock joints. Grouting is one of a field of study which is difficult to develop deterministic and quantitative design approach because of multiphase behaviors of grout materials and 3 dimensional features of rock joints. Therefore, GIN (Grouting Intensity Number) can be a good index with appropriate monitoring of pressure and volume of grout. In this paper, we investigate the effects of joint roughness (JRC) and rheology of cement material during the infiltration of cement grout material into rock joint through CFD (computational fluid dynamics) analyses. With rough joint surface and increase of WC ratio, the frictional resistance during the grouting increases. The results have been summarized with polynomial correlations.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.24
no.4
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pp.351-362
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2020
Adaptive behaviors are one of ubiquitous features in evolutionary dynamics of populations, and certain adaptive behaviors can be witnessed by individuals' movements which are generally affected by local environments. In this paper, by revisiting the previous work, we investigate the sensitivity of species coexistence in the system of cyclic competition where species movement can be affected by local environments. By measuring the extinction probability through Monte-Carlo simulations, we find the relativistic effect of weights of local fitness and exchange rate for adaptive movement on species biodiversity which promotes species coexistence as the relativistic effect is intensified. In addition, by means of basins of initial conditions, we also found that adaptive movement can also affect species biodiversity with respect to the choice of initial conditions. The strong adaptive movement can eventually lead the coexistence as a globally stable state in the spatially extended system regardless of mobility.
Park, Dohyun;Ryu, Dong-Woo;Choi, Byung-Hee;Sunwoo, Choon;Han, Kong-Chang
Tunnel and Underground Space
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v.23
no.4
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pp.308-318
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2013
Thermal stratification in heat stores is essential to improve the efficiency of energy storage systems and deliver more useful energy on demand. It is generally well known that the degree of thermal stratification in heat stores varies depending on the aspect ratio (the height-to-width ratio) and size of the stores. The present study aims to investigate the effect of the aspect ratio and storage volume of rock caverns for storing hot water on thermal stratification in the caverns and heat loss to the surroundings. Heat transfer simulations using a computational fluid dynamics code, FLUENT were performed at different aspect ratios and storage volumes of rock caverns. The variation of thermal stratification with respect to time was examined using an index to quantify the degree of stratification, and the heat loss to the surroundings was evaluated. The results of the numerical simulations demonstrated that the thermal stratification in rock caverns was improved by increasing the aspect ratio, but this effect was not remarkable beyond an aspect ratio of 3-4. When the storage volume of rock caverns was large, a higher thermal stratification was maintained for a relatively longer time compared to caverns with a small storage volume, but the difference in thermal stratification between the two cases tended to decrease as the aspect ratio became larger. In addition, the numerical results showed that the heat loss to the surrounding rock tended to increase with an increase in aspect ratio because the surface area of rock caverns increased as the aspect ratio became larger. The total heat loss from multiple small caverns with a reduced storage volume per cavern was larger compared to a single cavern with the same total storage volume as that of the multiple caverns.
Grouting technology is one of the ground improvement methods used in water controlling and reinforcement of rock mass in underground structure construction. It is necessarily required to find out the characteristics of grout flow through discontinuities in a rock mass for an adequate grout design and performance assessment. Laminar flow is not always applicable in simulating a grout flow in a rock mass, since the rock joints usually have apertures at a micro-scale and the flow through these joints is affected by the joint roughness and the velocity profile of the flow changes partially near the roughness. Thus, the influence of joint roughness and aperture on the grout flow in rough rock joint was numerically investigated in this study. The commercial computational fluid dynamics code, FLUENT, was applied for this purpose. The computed results by embedded Herschel-Bulkley model and VOF (volume of fluid) model, which are applicable to simulate grout flow in a narrow rock joint that is filled with air and water, were well compared with that of analytical results and previously published laboratory test for the verification. The injection pressure required to keep constant injection rate of grout was calculated in a variety of Joint Roughness Coefficient (JRC) and aperture conditions, and the effect of joint roughness and aperture on grout flow were quantified.
An advancing cutting roof for gob-side entry retaining with no-pillar mining under specific geological conditions is more conducive to the safe and efficient production in a coalmine. This method is being promoted for use in a large number of coalmines because it has many advantages compared to the retaining method with an artificial filling wall as the gateway side filling body. In order to observe the inner structure of the gateway cutting roof and understand its stability mechanism, an equivalent material simulation experiment for a coalmine with complex geological conditions was carried out in this study. The results show that a "self-stabilization bearing structure" equilibrium model was found after the cutting roof caving when the cut line deviation angle was unequal to zero and the cut height was greater than the mining height, and the caving roof rock was hard without damage. The model showed that its stability was mainly controlled by two key blocks. Furthermore, in order to determine the optimal parameters of the cut height and the cut line deviation angle for the cutting roof of the retaining gateway, an in-depth analysis with theoretical mechanics and mine rock mechanics of the model was performed, and the relationship between the roof balance control force and the cut height and cut line deviation angle was solved. It was found that the selection of the values of the cut height and the cut line deviation angle had to conform to a certain principle that it should not only utilize the support force provided by the coal wall and the contact surface of the two key blocks but also prevent the failure of the coal wall and the contact surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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