Numerical simulation in exploration geophysics provides important insights into subsurface wave propagation phenomena. Although elastic wave simulations take longer to compute than acoustic simulations, an elastic simulator can construct more realistic wavefields including shear components. Therefore, it is suitable for exploration of the responses of elastic bodies. To overcome the long duration of the calculations, we use a Graphic Processing Unit (GPU) to accelerate the elastic wave simulation. Because a GPU has many processors and a wide memory bandwidth, we can use it in a parallelised computing architecture. The GPU board used in this study is an NVIDIA Tesla C1060, which has 240 processors and a 102 GB/s memory bandwidth. Despite the availability of a parallel computing architecture (CUDA), developed by NVIDIA, we must optimise the usage of the different types of memory on the GPU device, and the sequence of calculations, to obtain a significant speedup of the computation. In this study, we simulate two- (2D) and threedimensional (3D) elastic wave propagation using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method on GPUs. In the wave propagation simulation, we adopt the staggered-grid method, which is one of the conventional FD schemes, since this method can achieve sufficient accuracy for use in numerical modelling in geophysics. Our simulator optimises the usage of memory on the GPU device to reduce data access times, and uses faster memory as much as possible. This is a key factor in GPU computing. By using one GPU device and optimising its memory usage, we improved the computation time by more than 14 times in the 2D simulation, and over six times in the 3D simulation, compared with one CPU. Furthermore, by using three GPUs, we succeeded in accelerating the 3D simulation 10 times.
Seo, Seunghwan;Jin, Hyunsik;Kim, Dongwook;Chung, Moonkyung
Journal of the Korean Geosynthetics Society
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제18권4호
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pp.75-85
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2019
The lateral load from traffic depends on standard truck's axle loads and locations, loading distance from the inner wall. The method of limit state design has been adopted and used for design of roads in the Republic of Korea since 2015. The concept of equivalent height of soil accounting for traffic loading is often used for design of retaining walls to quantify the traffic loads transmitted to the inner wall faces. Due to the different characteristics of the standard design trucks between Korea and US (AASHTO), the direct use of the guidelines from AASHTO LRFD leads to incorrect estimation of traffic load effects on retaining walls. This paper presents the results of evaluation of equivalent height of soil to reflect the standard truck of the nation, based on the findings from analytical solutions using 3D finite element method. Compare to US, the standard truck loading has a structure where the axle load is concentrated so that the equivalent load height is estimated to be slightly larger than AASHTO for lower retaining wall height. It would be reasonable to present the equivalent load height in Korea more conservatively than AASHTO in terms of securing long term stability of the retaining wall structure.
Resistivity method is a practical and effective geophysical technique to detect leakage zones in embankment dams. Generally, resistivity survey conducted along the crest assumes that the embankment dam has a 2D structure. However, the 3D topography of embankments distorts significantly resistivity data measured on anywhere of the dam. In this study, we analyse the influence from 3D effects created by specific dam geometry through the 3D finite element modeling technique. We compared 3D effects when resistivity surveys are carried out on the upstream slope, left edge of the crest, center of the crest, right edge of the crest and downstream slope. We ensure that 3D effect is greatly different according to the location of the survey line and data obtained on the downstream slope are most greatly influenced by 3D dam geometry. Also, resistivity data are more influenced by the electrical resistivity of materials constituting reservoir than 3D effects due to specific dam geometry. Furthermore, using resistivity data synthesized with 3D modeling program for an embankment dam model with leakage zone, we analyse the possibility of leakages detection from 2D resistivity surveys performed along the embankment dam.
The benefits of utilizing internal reinforced members, such as soil nails and ground anchors, in maintaining stable excavations and slopes have been known among geotechnical engineers to be very effective. Occasionally, however, both soil nails and ground anchors are simultaneously used in one excavation site. In the present study, a method of limit equilibrium stability analysis of the excavation zone reinforced with the vertically or horizontally mixed nail-anchor system is proposed to evaluate the global safety factor with respect to a sliding failure. The postulated failure wedges are determined based on the results of the $FLAC^{2D}\; 및\; FLAC^{3D}$ program analyses. This study also deals with a determination of the required thickness of the shotcrete facing. An excessive facing thickness may be required due to both the stress concentration and the relative displacement at the interface zone between the soil nailing system and the ground anchor system. A simple finite element method of analysis is presented to estimate the corresponding relative displacement at the interface zone between two different support systems. As an efficient resolution to reduce the facing thickness, the modified bearing plate system is also proposed. Finally with various analysis related to the effects of design parameters, the predicted displacements are compared with the results of the $FLAC^{2D}$ program analyses.
Purpose: The purpose of this study was to compare the stress distribution characteristics of four different abutment connections on SS-$III^{(R)}$ fixture under occlusal loading, using 3-dimensional finite element method. Materials and methods: The fixture of SS-$III^{(R)}$ (Osstem, Korea) with 4 mm diameter and 11.5 mm length and 4 types of abutments were analyzed; Solid, Com-Octa, ComOcta Gold, and Octa abutment. The models were placed in the area of first molar in the mandible. The 4 loading conditions were; (1) the vertical loading of 100 N on the central fossa, (2) the vertical loading of 100 N on the buccal cusp, (3) the $30^{\circ}$ inclined loading of 100 N to lingual side on the central fossa, and (4) the $30^{\circ}$ inclined loading of 100 N to the lingual side on the buccal cusp. The 3G.Author program was used, the von-Mises stress was calculated and the stress contours were plotted on each part of the implant systems and the surrounding bone structures. Results: Regardless of abutment types and loading conditions, higher stress concentration was observed at the cortical bone. In cancellous bone, the highest stress was observed at apical portion and the maximum stress occurred at the implant neck. The higher internal stress was observed in the fixtures than in the bone. The lowest stress was observed at loading condition 1 and the stress concentration was also lower than any other loading conditions. Conclusion: Within the limitation of the result of this study, it seems that the abutment connection type does not affect much on the stress distribution of bone structure.
Park, Woo-Jin ;Park, Dong-Su;Shin, Mun-Beom;Seo, Young-Kyo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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제39권5호
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pp.51-63
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2023
Numerical analysis was conducted to determine the effect of soil behavior by thawing and freezing of seasonal frozen soil on pile foundations. The analysis was performed using the finite element method (FEM) to simulate soil-pile interaction based on the atmosphere temperature change. Thermomechanical coupled modeling using FEM was applied with the temperature-dependent nonlinear properties of the frozen soil. The analysis model cases were applied to the MCR and HDP models to simulate the elastoplastic behavior of soil. The numerical analysis results were analyzed and compared with various conditions having different length and width sizes of the pile. The results of the numerical analysis showed t hat t he HDP model was relat ively passive, and t he aspect and magnit ude of t he bearing capacit y and displacement of the pile head were similar depending on the length and width of the pile conditions. The vertical displacement of the pile head by thawing and freezing of the ground showed a large variation in displacement for shorter length conditions. In the MCR model, the vertical displacement appeared in the maximum thaw settlement and frost heaving of 0.0387 and 0.0277 m, respectively. In the HDP model, the vertical displacement appeared in the maximum thaw settlement and frost heaving of 0.0367 and 0.0264 m, respectively. The results of the pile bearing capacity for the two elastoplastic models showed a larger difference in the width condition than the length condition of the pile, with a maximum of about 14.7% for the width L condition, a maximum of about 5.4% for M condition, and a maximum of about 5.3% for S condition. The significance of the effect on the displacement of the pile head and the bearing capacity depended on the pile-soil contact area, and the difference depended on the presence or absence of an active layer in the soil and its thickness.
A turn-buckle is capable of adjusting the tensile force by left-hand threads and right-hand threads between tension members. There are different types of turn-buckles according to tension member and connection form but the practical and existing turn-buckles are incapable of measuring the tensile force. A turn-buckle for adjusting and measuring tensile force has therefore been developed. This study shows the ultimate strength and reliability for measurement of the new turn-buckles through finite element analysis of the developed ones. From analytic results of the new turn-buckles which have the measurement limit loads of 100kN, 200kN and 300kN, the ultimate strength is approximately five times stronger than the measurement limit capacity. Additionally, a review of the new turn-buckle, which has the measurement limit load of over 300kN, shows that there is a tendency for the size of turn-buckle to become larger. So the connection devices were designed and the loading test was conducted from the concept that the parallel connection of turn-buckle with 300kN capacity can measure the tensile force of 600kN. The results of parallel loading test show the sufficient possibility. Furthermore, the mock-up test was constructed to investigate the release of initial load and corrosion when the new turn-buckle is installed at the outdoor and exposed to rain and atmosphere.
Kim, Dong-Joon;Youn, Jun-Ung;Jee, Sung-Hyun;Choi, Jaehyung;Lee, Jin-Sun;Kim, Dong-Soo
Journal of the Korean Geotechnical Society
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제30권1호
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pp.49-63
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2014
Bearing capacity factor $N_{\gamma}$ and shape factor were studied for rigid strip and circular footings with a rough base on sand by numerical modelling considering the effect of dilation angle. The numerical model was developed with an explicit finite difference code. Loading procedures and interpretation methods were devised in order to shorten the running time while eliminating the exaggeration of the reaction caused by the explicit scheme. Using the Mohr-Coulomb plasticity model with associated (${\psi}={\phi}$) and nonassociated (${\psi}$ < ${\phi}$) flow-rules, the bearing capacity factor $N_{\gamma}$ was evaluated for various combinations of internal friction angles and dilation angles. Bearing capacity factor decreased as the dilation angle was reduced from the associated condition. An equation applicable to typical sands was proposed to evaluate the relative bearing capacity for the nonassociated condition compared to the associated condition on which most bearing capacity factor equations are based. The shape factor for the circular footing varied substantially when the plane-strain effect was taken into account for the strip footing. The numerical results of this study showed closer trends with the previous experimental results when the internal friction angle was increased for the strip footing. Discussions are made on the reason that previous equations for the shape factor give different results and recommendations are made for the appropriate design shape factor.
Although the Granular Compaction Pile (GCP) has been used for many decades, several failures still occur such as bulging, shear failure and other phenomena, indicating that more refined study is needed. The main objective of the study is to evaluate the stress concentration ratio for both area replacement ratio and shear strength of soil through literature review and numerical analysis. Numerical analysis using the finite element program ABAQUS has been performed for the composite ground with GCP. The behavior stress and settlement of composite ground have been analyzed for both the area replacement ratio (10~40%) and shear strength of soil (25~75 kPa). As a result of numerical analysis, as the soil strength and area replacement ratio increased, the average stree related coefficient and stress concentration ratio for depth tended to decrease, and stress related coefficient of upper layer tend to decrease equally, but the stress concentration ratio decreased. Therefore, tendency that the value in th upper layer differs from the value in other depths was displayed. Care should be taken because it is possible to make mistakes in designing the entire composite ground with the values measured in the upper layer. Also, the settlement reduction factor was compared with the existing equation and numerical analysis. And the value obatined from the existing equation and numerical analysis are similar.
Kim, Min-Seok;Na, Seung-Ju;Yang, Yeol-Ho;Kim, Daehyeon
Journal of the Korean Geosynthetics Society
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제15권3호
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pp.27-37
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2016
Although many studies on the Granular Compaction Pile (GCP) have been done by many researchers, the GCP design has not been systematically done due to the absence of the rational design methodology. As the GCP design has been mostly done by engineers' own experiences, some failure cases have been reported to occur. For this reason, it is very difficult to confirm definite causes of the failure and establish the prevention plans for the failure. Therefore, this study aims to investigate the optimal mixing ratio of gravel and sand, the effects of the internal friction angle of the GCP on the stress concentration ratio and the vertical and horizontal settlements. In order to analyze the behavior of the soft ground reinforced with the GCP depending on the different design parameters such as the stress concentration ratio and the internal friction angle, a number of finite element (FE) analyses were performed. From the direct shear test, the optimal mixing ratio of gravel to sand was found to be 70:30. Based on the numerical analyses, as the internal friction angle increased, the stress concentration ratio increased and it converged to a constant value. In addition, the larger the internal friction angle, the smaller the settlements. Consequently, the use of the optimal mixing ratio of gravel and sand can lead to reducing both the lateral flow and the heaving phenomenon.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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