Failure around an underground opening is a function of in-situ stress magnitudes, intact rock strength and the distribution of fractures in the rock mass. At high in-situ stress, the failure process is affected and eventually dominated by stress-induced fractures preferentially growing parallel to the excavation boundary. This fracturing is often observed in brittle type of failure such as slabbing or spatting. Recent studies dies on the stress-induced damage of rock revealed its importance especially in a highly stressed regime. As the constructions of underground structures at deep depths increased, the cases of the brittle failure also increased and furthermore spalling was occurred in Korea at low depths. To improve the stability of the underground structures at highly stressed regime, the characteristics of brittle failure should be examined, but they have not yet been properly investigated. Therefore in this report the characteristics of brittle failure such as types, failure mechanism and modeling methods etc. were considered in all aspects, based on the previous researches.
In this study, scaled-model tests were performed to investigate the effect of underground openings on the stability of surface structure around the abandoned coal mine areas. Four types of test models which had respectively different depths of openings and different ground reinforcement conditions were introduced, where the modelling materials were the mixture of sand, plaster and water. The model with deep openings were turned out more stable to the structure than the model with shallow ones, because the crack-initiating pressure of the former was 2.5 times as much as that of the latter. The models with ground reinforcement were also fumed out more stable than the model without reinforcement, because the crack-initiating pressure of the former was 2.4 times as much as that of the latter. Subsidence profiles were analysed to find the characteristics of slope and curvature, and the model with large reinforcement were turned out the most stable.
Park, Chan-Hee;Kim, Taehyun;Park, Eui-Seob;Jung, Yong-Bok;Bang, Eun-Seok
Tunnel and Underground Space
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v.29
no.6
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pp.468-479
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2019
It is essential to comprehend coupled hydro-mechanical behavior to utilize subsurface for the recent demand for underground space usage. In this study, we developed a new simulator for numerical simulation as a tool for researching to consider the various domestic field and subsurface conditions. To develop the new module, we combined OpenGeoSys, one of the scientific software package that handles fluid mechanics (H), thermodynamics (T), and rock and soil mechanics (M) in the subsurface with FLAC3D, one of the commercial software for geotechnical engineering problems reinforced. In this simulator development, we design OpenGeoSys as a master and FLAC3D as a slave via a file-based sequential coupling. We have chosen Terzaghi's consolidation problem related to single-phase fluid flow at a saturated condition as a benchmark model to verify the proposed module. The comparative results between the analytical solution and numerical analysis showed a good agreement.
Development of underground space is conducted for various useful facility and underground structures and deep excavation technology for reclaimed area has been researched and developed. The seepage flow and behavior of phreatic line in reclaimed area was predominated by transient flow caused by tidal action. Also the soil-water characteristic relation is most important factor for transient flow analysis, therefore the research about the soil-water characteristic is strongly required. In this paper, laboratory tests (pressure cell, desiccator, and tensiometer test) and theoretical analysis were performed to investigate the soil-water characteristic such as air-entry value, metric suction, and residual water content. And the feasibility of prediction method for soil-water characteristic are presented by transient seepage analysis and comparison between analysis results and in-situ measured seepage flux in LNG TK-00 storage tank. Based on the result of laboratory and theoretical analysis, Fredlund and Xing's method provide to work out well for reclaimed ground soils. Also, the transient analysis result is more reasonable and effective for design of deep excavation work in coastal and reclaimed ground.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.23
no.4
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pp.253-263
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2021
Concrete structures are damaged by aging and external environmental factors. This type of damage is to appear in the form of cracks, to proceed in the form of spalling. Such concrete damage can act as the main cause of reducing the original design bearing capacity of the structure, and negatively affect the stability of the structure. If such damage continues, it may lead to a safety accident in the future, thus proper repair and reinforcement are required. To this end, an accurate and objective condition inspection of the structure must be performed, and for this inspection, a sensor technology capable of detecting damage area is required. For this reason, we propose a deep learning-based image processing algorithm that can detect spalling. To develop this, 298 spalling images were obtained, of which 253 images were used for training, and the remaining 45 images were used for testing. In addition, an improved loss function and data augmentation technique were applied to improve the detection performance. As a result, the detection performance of concrete spalling showed a mean intersection over union of 80.19%. In conclusion, we developed an algorithm to detect concrete spalling through a deep learning-based image processing technique, with an improved loss function and data augmentation technique. This technology is expected to be utilized for accurate inspection and diagnosis of structures in the future.
Recently, as the utilization of underground space increases, the demand for underground excavation increases. In this study, the concrete mixture with a new material was used to develop and evaluate the stability of the CS-H wall that can greatly minimize the problems of existing wall and minimize the impact of ground depression and surrounding ground that may occur in the future for excavation of over 30 m deep in urban areas. The fiber reinforcement formulation of steel fibers, synthetic fibers, and glass fibers, along with fine aggregate parts of PS-ball and ferronickel, were mixed. The Mixture ratios were determined by conducting slump test compresive strength test, modulus of elastic test, flexural strength test, splitting tensile strength test and conductivity test. As a result of the test, the steel fiber mixture showed very good results compared to other reference values in all items, and it is considered to be the most suitable for the CS-H wall to be developed.
In this research, experimental and numerical simulations were adopted to investigate the effects of ligament angle on compressive strength and failure mode of rock-like material specimens containing two non-coplanar filled fissures under uniaxial compression. The experimental results show that with the increase of ligament angle, the compressive strength decreases to a nadir at the ligament angle of $60^{\circ}$, before increasing to the maximum at the ligament angle of $120^{\circ}$, while the elastic modulus is not obviously related to the ligament angle. The shear coalescence type easily occurred when ${\alpha}$ < ${\beta}$, although having the same degree difference between the angle of ligament and fissure. Numerical simulations using $PFC^{2D}$ were performed for flawed specimens under uniaxial compression, and the results are in good consistency with the experimental results. By analyzing the crack evolution process and parallel bond force field of rock-like material specimen containing two non-coplanar filled fissures, we can conclude that the coalescence and propagation of crack are mainly derived from parallel bond force, and the crack initiation and propagation also affect the distribution of parallel bond force. Finally, the displacement vectors in ligament region were used to identify the type of coalescence, and the results coincided with that obtained by analyzing parallel bond force field. These experimental and numerical results are expected to improve the understanding of the mechanism of flawed rock engineering structures.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.15
no.2
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pp.135-148
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2013
Recently, road tunnels have become longer and the plans for long and deep road tunnel have been underway in urban areas. These long and deep tunnel excavations include NATM and TBM. Shield TBM is applied to around 80% of traffic tunnels in Europe, and approximately 30% of them in other developed countries. However, as much of equipment is imported from foreign countries at high prices and distribution rate of TBM tunnel is considerably low in Korea, NATM excavation method is commonly used. To increase TBM tunnel, it is necessary to do assure economic feasibility with the supply-demand of TBM equipment. For this, the selection of standardized TBM diameter is urgently needed. Therefore, the study aims to estimate the standardized optimum section properties of TBM by examining TBM excavation cross section utilization depending on the volume of traffic, the number of lane and its cross-section type(single or double deck), and ventilation system.
Population concentration in urban areas has led traffic management a central issue. To mitigate traffic congestions, the government has planned to construct large-cross-section tunnels deep underground. This study focuses on estimating the damage caused to frame structures owing to tunnel excavation. When constructing a tunnel network deep underground, it is necessary to divide the main tunnel and connect the divergence tunnel to the ground surface. Ground settlement is caused by excavation of the adjacent divergence tunnel. Therefore, predicting ground settlement using diverse variables is necessary before performing damage estimation. We used the volume loss and cover-tunnel diameter ratio as the variables in this study. Applying the ground settlement values to the settlement induction device, we measured the extent of damage to frame structures due to displacement at specific points. The vertical and horizontal displacements that occur at these points were measured using preattached LVDT (Linear variable differential transformer), and the lateral strain and angular distortion were calculated using these displacements. The lateral strain and angular distortion are key parameters for structural damage estimation. A damage assessment chart comprises the "Negligible", "Very Slight Damage", "Slight Damage", "Moderate to Severe Damage", and "Severe to Very Severe Damage" categories was developed. This table was applied to steel frame and concrete frame structures for comparison.
The biaxial failure mechanism of transversally bedding concrete layers was numerically simulated using a sophisticated two-dimensional discrete element method (DEM) implemented in the particle flow code (PFC2D). This numerical modelling code was first calibrated by uniaxial compression and Brazilian testing results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 rectangular models with dimension of $54mm{\times}108mm$ were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness were chosen in models, i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that in all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be noted that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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