A novel theoretical solution is presented for created (zero initial radius) cavity expansion problem based on CamClay model and considers the effect of initial anisotropic in-situ stress and drained conditions. Here the strain of this theoretical solution is small deformation in elastic region and large deformation in plastic region. The works for cylindrical and spherical cavities expanding in drained condition from zero initial radius are investigated. Most of the conventional solutions were based on the isotropic and undrained condition, however, the initial stress state of natural soil mass is anisotropy by soil deposition history, and drained cavity expansion calculation is closer to actual engineering in permeable soil mass. Finally, the parametric study is presented in order to the engineering significance of this work.
This study presents an elasto-plastic (EP) solution for drained cavity expansion on the basis of unified strength failure criterion and considers the influence of initial stress state. Because of the influence of initial consolidation of soil mass, the initial stress may be anisotropic in the natural soil mass. In addition, the undrained hypothesis is usually used in the calculation of cavity expansion problem, but most of the cases are in the drained situation in practical engineering. Eventually, the published solution and the presented solution are compared to verify the suitability of the study.
Cavity expansion is a classical problem in the field of solid mechanics with a wide range of applications in geotechnical and petroleum engineering. A drained solution is developed for cylindrical cavity expansion in anisotropic soils under biaxial in-situ stresses using a K0-based anisotropic modified Cam-clay model (K0-AMCC). The problem is formulated by solving differential equations using an auxiliary variable, which provides analytical expressions for the volume and four stress components of the soil around the cylindrical cavity. The solution is validated by comparisons with existing well-developed solutions. The results show that the present solution well captures the cavity expansion responses in anisotropic soils under biaxial in-situ stresses, and removes limiting assumptions that the cylindrical cavity expands under uniform in-situ stress in isotropic soils. The elastic-plastic boundary of the expanding cylindrical cavity in K0-consolidated anisotropic soils under biaxial in-situ stresses is a circle rather than an ellipse in isotropic soils, and the mathematical proof is provided in detail.
The creep and consolidation behaviors of clays subjected to thermal cycles are of fundamental importance in the application of energy geostructures. This study aims to numerically investigate the physical mechanisms for the temperature-triggered volume change of saturated clays. A recently developed thermodynamic framework is used to derive the thermo-mechanical constitutive model for clays. Based on the model, a fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) finite element (FE) code is developed. Comparison with experimental observations shows that the proposed FE code can well reproduce the irreversible thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays, as well as the thermal expansion of heavily overconsolidated clays under drained heating. Simulations reveal that excess pore pressure may accumulate in clay samples under triaxial drained conditions due to low permeability and high heating rate, resulting in thermally induced primary consolidation. Results show that four major mechanisms contribute to the thermal volume change of clays: (i) the principle of thermal expansion, (ii) the decrease of effective stress due to the accumulation of excess pore pressure, (iii) the thermal creep, and (iv) the thermally induced primary consolidation. The former two mechanisms mainly contribute to the thermal expansion of heavily overconsolidated clays, whereas the latter two contribute to the noticeable thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays. Consideration of the four physical mechanisms is important for the settlement prediction of energy geostructures, especially in soft soils.
Recently, due to the expansion of urban infrastructure for the citizen convenience, the shield tunnel construction has increased considering the civil complaints minimization and construction stability. Most shield tunnels are designed based on the assumption of the undrained condition that underground water does not inflow, but they are operated in the field as drained tunnels with drainage facility to drain underground water. Therefore, the drained condition needs to be considered in the shield tunnel design. It is also necessary to consider the weathered granite soil that is widely distributed throughout the country and consequently is encountered in most of construction sites. In this paper, the model test which can control total stress and pore water pressure and simulate the underground tunnel located in the weathered granite soil below ground water level is conducted. Total stress, pore water pressure and an inflow water into an inner pipe were measured using the testing device. Test results showed that the total stress in a drained condition was lower than in an undrained condition because pore water pressure decreased in a drained condition and an inflow water into an inner pipe was proportional to the loading stress in a drained condition. As a result, if a drained condition is considered in the shield tunnel design, the more economical design can be expected because of the stress reduction of the lining.
This study described a results of groundwater injection test in cavity, in order to evaluate characteristics of cavity expansion under pavement. That is, groundwater amount proportional to the cavity volume was injected into the generated cavity step by step, and then the cavity with the changed size was monitored as the injected groundwater was drained. The test result showed that the cavity volume by groundwater injection increased, and then it converged or decreased. This means that some of the relaxation soil around the cavity collapsed, and the fine-grained soils in some soils filled the void in the surrounding soils when the cavity is expanded by groundwater injection. The volume change and expansion characteristics of the cavity according to the groundwater injection step were analyzed. The result showed that the cavity extended laterally. Therefore, it was found that the cavity expansion is caused by the repetition of the relaxation soil collapse due to the groundwater flow and the loss of the collapsed soil below the cavity.
Kim, Chan-Kee;Cho, Won-Bum;Park, Wook-Keun;Kim, Eui-Jo;Kim, Young-Chul
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09a
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pp.1117-1121
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2010
Several isotropic compression-expansion tests and a series of drained conventional traxial tests with various confining pressures for relative density of Beakma river sand 25%, 50%, 80% and 100% selecting Lade's Single Work-Hardening constitutive model. This examination materials use regression analysis as a basis, depending on the relative density of soil parameters change statement attributes. Yield fuction represent the soil parameters h and $\alpha$ is not affected by the changes in the relative density. $\eta_1$ could be replaced by fomula. And Numerical analysis results predicted very good and could confirm that.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.40
no.2
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pp.148-158
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1998
The aims of this study are to evaluate the application on the stress-strain behavior of granite Soil using Lade's double work hardening constitutive model based on the theories of elasticity and plasticity. From two different sites of construction work, two disturbed and compacted weathered granite samples which are different in partical size and degree of weathering respectively were obtained. The specimen employed were sampled at Iksan and Pochon in order to predict the constitutive model. Using the computer program based on the regression analysis, 11 soil parameters for the model were determined from the simple tests such as an isotropic compression-expansion test and a series of drained conventional triaxial tests. In conclusion, it is shown that Lade's double work hardening model gives the good applicability for processing of stress-strain, work-hardening, work-softening and soil dilatancy. Therefore, this model in its present form is applicable to the compacted decomposed granite soil.
Magazine of the Korean Society of Agricultural Engineers
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v.38
no.2
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pp.133-144
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1996
To get accurate results, the realistic stress-strain relationships of soils are dependent on a number of factors such as soil types, density, stress levels and stress path. Such attempts are continuously being made by the developement of analytical models for soils incorporating all such factors. Isotropic compression-expansion test and a series of drained conventional triaxial tests with several stress path for Baekma river sand were performed to investigate parameters characteristics of Lade's single work hardening model dependant on the stress path. Using the computer program based on the regression analysis, the values of parameters for the model were determined. In conclusion, the parameters of Lade's model are little influenced by the stress paths. Though yield criterion parameters ( h, ${\alpha}$a) are much influenced by stress level and stress path, the parameters don't have influence on stress-strain behavior.
This study was performed a series of the isotropic compression-expansion tests and the drained triaxial tests with various the relative densities 40%, 60%, 80% and 95% for bottom ash. Using the tests results the characteristic of the parameters of Lade's single hardening constitutive model were investigated. The soil parameters Kur and n representing elastic behavior are not much affected by the change of the relative density. The other parameters such as failure criterion(m, ${\eta}_1$), hardening function(c, p) and plastic potential(${\psi}_2$, ${\mu}$) are in a positive linear relationship with the relative density. Since the soil parameters h and ${\alpha}$ representing yield function do not change much to the change of relative density and also closely related to failure criterion, they can be replaced by failure criterion ${\eta}_1$. We also observed that predicted values from the Lade's single hardening constitutive model were well consistent with the observed data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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