In this study, an experimental study in sand ground that was prepared by raining method was performed for modeling the bearing capacity behavior of strip footing above a cavity. The critical range of bearing capacity of the strip footing affected by underground cavity was investigated by comparing results between experiment and theory. The size of the critical region depends on several factors such as footing shape, soil property, cavity size and cavity shape. The ultimate bearing capacity was more influenced by the depth of the underground cavity than the eccentricity of the underground. In addition, an underground cavity influences on not only the decrease of the bearing capacity, but also the differential settlement of a strip footing.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.2
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pp.129-142
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2016
The underground cavity known as one of the reasons of ground surface settlement is a discontinuous character. Therefore, it is limited to analyze with continuum analysis. In this research, The spherical underground cavity affecting the ground surface settlement is studied with Discrete Element Method. Ground properties, depth and diameter of the spherical underground cavity are chosen as factors of the spherical underground cavity and the effect of the each factor variations on the ground surface settlement is analyzed. Relative depth to the diameter of the spherical underground cavity is also studied. The result of the research suggests the basis of underground cavity collapse prediction and standard of support.
Chao Li;Meng-meng Lu;Bin Zhu;Chao Liu;Guo-Yao Li;Pin-Qiang Mo
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.1
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pp.9-19
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2024
This study presents an energy analysis for large-strain cavity expansion problem based on the general strength criterion and energy theory. This study focuses on the energy dissipation problem during the cavity expansion process, dividing the soil mass around the cavity into an elastic region and a plastic region. Assuming compliance with the small deformation theory in the elastic region and the large deformation theory in the plastic region, combined with the general strength criterion of soil mass and energy theory, the energy dissipation solution for cavity expansion problem is derived. Firstly, from an energy perspective, the process of cavity expansion in soil mass is described as an energy conversion process. The energy dissipation mechanism is introduced into the traditional analysis of cavity expansion, and a general analytical solution for cavity expansion related to energy is derived. Subsequently, based on this general analytical solution of cavity expansion, the influence of different strength criterion, large-strain, expansion radius, cavity shape and characteristics of soil mass on the stress distribution, displacement field and energy evolution around the cavity is studied. Finally, the effectiveness and reliability of theoretical solution is verified by comparing the results of typical pressure-expansion curves with existing literature algorithms. The results indicate that different strength criterion have a relatively small impact on the displacement and strain field around the cavity, but a significant impact on the stress distribution and energy evolution around the cavity.
Kim, Soo-Lo;Kim, Tae-Heok;Shin, Dong-Chun;Kwon, Hyun-Ho
Tunnel and Underground Space
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v.19
no.6
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pp.534-544
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2009
The collapse of the underground cavity can cause the abrupt local subsidence of the ground surface. It can be hazardous to the stability of road and building for human activity. Therefore it is necessary to develop reinforcement methods for the filling of the underground cavity. This study was executed to improve the material quality and systems to fill the calcium-aluminate mineral $(C_{12}A_7)$ environmentally, and minimize the loss of filling materials for the steep underground cavity. Filling material which was developed in this study is composed of rapid hardening material and additives. The developed material had rapid hardening and non-separation ability in the water cavity condition, so it made the effective underground dam in the cavity with prevention of material loss when it was poured in the water cavity. Results of heavy metal leaching test for environmental assessment showed that it was environmentally suiTable material for the filling in the mine cavity.
An, Joon-Sang;Kang, Kyung-Nam;Song, Ki-Il;Kim, Byung-Chan
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.2
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pp.287-303
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2018
In recent years, the occurrence of ground subsidence phenomenon is frequent in Korea. The Korean government has enacted a special law on underground safety and the law will be enforced from January 1, 2018. Under this new law, underground excavation should be assessed for underground safety impacts. After excavation construction, periodic geophysical surveys should be conducted to investigate the occurrence of underground cavities. When underground cavities were discovered, the underground safety was assessed through numerical analysis. However, it is controversial because the method of numerical modeling the discovered underground cavity is due to be established. In this study, the effect of the depth of the underground cavity from the shape of the underground cavity to the underground cavity was studied using a continuum analysis program. In this study, a method to reflect the shape of the underground cavity to the numerical modeling is presented. The relationship between the shape and depth of the underground cavity, and the factor of safety calculated by the shear strength reduction method (SSR) is presented. The results of this study are expected to form the basic data on underground safety impact assessment.
The existence and exact location of cavity is very important for the stability of the large underground storage house or building. Numerical method such as finite element method and finite diference methods are widely used because of model's complexity. Preliminary tests such as calculation step test, mesh size test and model size test were tried. Upper shadow zone and lower shadow zone can be calculated from 50% amplitude level of measuring data. From these statistical methods, the calculatied position of cavity coincided nearly with actual position of model testing cavity.
In order to prevent the ground subsidence accidents caused by the occurrence of underground cavity, it is necessary to evaluate the mechanical characteristics in the relaxation zone of the underground cavity. Also, the relaxation zone including underground cavity be appropriately reinforced. This paper described analysis results based on finite element method that was conducted to analyze the mechanism for occurrence of the relaxation zone around the underground cavity. The finite element analysis applied in forced displacement was carried out to simulate the underground cavity and relaxation zone, and then there were compared with previous research results. The analysis results showed that the void distribution of soil around the underground cavity has figured out. As a result, the area of the relaxation zone could be quantitatively presented by reduction characteristics of the shear stress.
The existence of underground cavity should be considered in the assessment of georisk such as ground subsidence. Even if the shear strength of the ground around the cavity is known, it is difficult to accurately analyze the safety around the cavity due to the uncertainties related to geometric conditions such as the cavity size. In this paper, stability chart representing dimensionless stability constants was proposed based on the ground strength and geometric conditions. Numerical analysis had been carried out accounting for the stability constants such as the ground strength, the adhesion and friction angles, and the size and depth of the underground cavity. The proposed charts can help estimating the stability of ground with underground circular cavity.
Recently, the number of ground subsidence resulting from underground cavity has been increased. Accordingly, the importance of restoration of stress release zone around the underground cavity has been emphasized. The stress release zone is composed of low density soils having extremely low stiffness and degree of compaction, which can lead to additional cavity expansion and collapse of overlying ground. Therefore, in this study, the suitability of restoration method of underground cavity using expansive material for reinforcement of stress release zone around the cavity is verified. The basic physical properties and expansion characteristics of the expansive material were examined. The experiment equipment capable simulating of stress release zone was developed and is used to investigate the effect of expanding material on stress release zone. The stress release zone was simulated using the spring in numerical analysis. The factors of the volume ratio of the underground cavity to the expansion material, the degree of stress relaxation, and the shape of the cavity were varied in numerical simulations, and the behavior of stress release zone was analyzed based on the numerical analysis results. Analysis variables are factors that affect each other. Also, filling of underground cavity and capacity of restoration of stress release zone were confirmed when the expansive material was inserted into underground cavity.
In this study, the bearing capacity behavior of strip footing located above a continuous cavity in sand was investigated experimentally. The model footing test was performed in a model box made by using raining method in sand. The model footing test results were compared with those obtained from theoretically proposed equations. The results of the analysis indicate that there is a critical region under the footing. For strip footing, there exists a critical depth below which the presence of the cavity has negligible influence on the footing performance. Only when the cavity is located within this region will the footing performance be significantly affected by the presence of the cavity. The size of the critical region depends on several factors such as footing shape, soil property, cavity size and cavity shape. When the cavity is located within the critical region, the bearing capacity of the footing varies with various factors, such as the size and location of the cavity and the depth of foundation. Based on the experimental study, the following conclusions were induced. 1. The ultimate bearing capacity due to the eccentricity of a underground cavity increases at the rate of the small rather than that due to the depth of a underground cavity. This indicates that the bearing capacity of a strip footing is influenced on the depth rather than the eccentricity of a underground cavity. 2. The critical $depth(D/B)_{cr}$, by underground cavity in sand soil ground that is made by the relative density($D_r$)=55%, 65%, 75%, approaches a range of about 8~10 in case of W/B=1, and about 11~13 in case of W/B=2. 3. In case of the relative density($D_r$) 75%, the most outstanding differential settlement trend is shown in the depth of 4~8cm regardless of the size of cavity, namely, when the value of D/B is 1~2. Therefore, a underground cavity influences on not only the decrease of the bearing capacity but also the differential settlement of a strip footing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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