This paper describes a method of detecting formation boundaries, and permeable fractures, from frequency-domain Stoneley wave logs. Field data sets were collected between the depths of 330 and 360 m in well EE-4 in the Higashi-Hachimantai geothermal field, using a monopole acoustic logging tool with a source central frequency of 15 kHz. Stoneley wave amplitude spectra were calculated by performing a fast Fourier transform on the waveforms, and the spectra were then collected into a frequency-depth distribution of Stoneley wave amplitudes. The frequency-domain Stoneley wave log shows four main characteristic peaks at frequencies 6.5, 8.8, 12, and 13.3 kHz. The magnitudes of the Stoneley wave at these four frequencies are affected by formation properties. The Stoneley wave at higher frequencies (12 and 13.3 kHz) has higher amplitudes in hard formations than in soft formations, while the wave at lower frequencies (6.5 and 8.8 kHz) has higher amplitudes in soft formations than in hard formations. The correlation of the frequency-domain Stoneley wave log with the logs of lithology, degree of welding, and P-wave velocity is excellent, with all of them showing similar discontinuities at the depths of formation boundaries. It is obvious from these facts that the frequency-domain Stoneley wave log provides useful clues for detecting formation boundaries. The frequency-domain Stoneley wave logs are also applicable to the detection of a single permeable fracture. The procedure uses the Stoneley wave spectral amplitude logs at the four frequencies, and weighting functions. The optimally weighted sum of the four Stoneley wave spectral amplitudes becomes almost constant at all depths, except at the depth of a permeable fracture. The assumptions that underlie this procedure are that the energy of the Stoneley wave is conserved in continuous media, but that attenuation of the Stoneley wave may occur at a permeable fracture. This attenuation may take place at anyone of the four characteristic Stoneley wave frequencies. We think our multispectral approach is the only reliable method for the detection of permeable fractures.
The aim of this study was to investigate the change in compressive strength, freacture behavior and degradation of piezoelectric properties with compressive cyclic loading in Pb(Zr, Ti)O3 of tetragonal, morphotropic phase boundary and rhombohedral composition. The highest compressive strength was found in rhombohedral composition. After poling treatment the strength increased by 8.4% and 6.5% in tetragonal and morphotropic phase boundary compositions respectively while changed little in rhombohedral. The increase of compressive strength after poling treatment is believed to be due to the internal stress around grain boundary by domain alginment toward electric field direction in the microstructures having tetragonality and the occurrence of domain switching to the direction perpendicular to electrical field during fracture. Fracture mode relatively change from transgranular to intergranular was observed in the large grain sized tetragonal and morphotropic phase boundary compositions before and after poling but the transgranular fracture mode always remained in the rhombohedral composition. From the X-ray diffractometer analysis the domains parallel to the electric field direction is known to undergo rearrangement during the cyclic loading into random direction that is responsible for the degradation of piezoelectric property.
Nearly fully dense PZT samples both with tetragonal and with morphotropic phase boundary compositions were prepared by the conventional powder processing and sintering. A micro-indentation technique was used to evaluate the dependence of fracture toughness on remanent polarization, crack length and the direction of crack propagation. The result shows that the toughness increases with the remanent polarization along the poling direction and decreases in the transverse direction. The dependence of toughness on the remanent polarization is neither symmetric nor linear but rather shown to be saturated quickly with the increase in remanent polariztion. R-curve behaviors are observed in both poled and unpoled samples. Sequential SEM and XRD studies on annealed, poled, ground, fractured and etched samples show that domain switching is evident as a viable toughening mechanism but might depend upon the rate of crack propagation. Grain bridging is also observed as one of the active toughening mechanisms.
The dependence of strength, crack growth, fracture mode and degree of domain rearrangement of PZT ceramics on poling strength were studied. The PZT [(Pb0.94Sr0.06)(Zr0.46Ti0.54)O3+Nb(trace)] specimens were poled at 0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 kv/mm, and the strength of the specimens was measured by 3 point flexure system. The bending strength of the specimen decreased in different modes according to the bending directions; xz, zx and yz plane direction with x axis of the poling direction in Cartesian coordinate system. The strength differences between the directions increased as the poling strength increased. The fracture mode transferred to intergranular fracture mode from transgranular one as the poling strength increased. The mechanical breakdown occurred when the poling strength higher than 3 kV/mm was applied to the specimen. It was observed that the crack length increased in the normal direction to the poling direction, however, decreased in the parallel direction to the poling direction when the poled PZT specimen was indented by the Vickers indenter. However, the crack produced by indentation continuously was continuously increased little by little after indentation on the specimen. The domain rearrangement occurred as the poling strength increased and the domains were rearranged more effectively when the electric field was continuously increased little by little.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.22
no.2
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pp.120-125
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2005
Effect of transverse electric fields on fracture behavior in ferroelectric ceramics under purely electrical loading is investigated. It is shown that the shape and size of the domain switching zone depend strongly on the ratio of the transverse electric field to the coercive electric field as well as the direction of the applied electric field. Under small-scale conditions, the crack-tip mode I and II stress intensity factors induced by ferroelectric domain switching are numerically obtained. The crack kinking in ferroelectric ceramics is also discussed.
Ductile fracture prediction is critical for the reasonable damage extent assessment of ships and offshore structures subjected to accidental loads, such as ship collisions and groundings. A fracture model combining the Hosford-Coulomb ductile fracture model with the domain of solid-to-shell equivalence model (HC-SDDE), was used in fracture simulations based on shell elements for the punching fracture experiments of unstiffened and stiffened panels. The flow stress and ductile fracture characteristics of JIS G3131 SPHC steel were identified through tension tests for flat bar, notched tension bar, central hole tension bar, plane strain tension bar, and pure shear bar specimens. Punching fracture tests for unstiffened and stiffened panels are conducted to validate the presented HC-DSSE model. The calibrated fracture model is implemented in a user-defined material subroutine. The force-indentation curves and final damage extents obtained from the simulations are compared with experimental results. The HC-DSSE fracture model provides reasonable estimations in terms of force-indentation paths and residual damage extents.
Kim, Kyung-Su;Park, Kyung-Woo;Kim, Geon-Young;Choi, Heui-Joo
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.10
no.3
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pp.151-159
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2012
The potential repository domains for A-KRS (Advanced Korean Reference Disposal System for High Level Wastes) in geological characteristics of KURT (KAERI Underground Research Tunnel) facility site were proposed to develop a repository system design and to perform the safety assessment. The host rock of KURT facility site is one of major Mesozoic plutonic rocks in Korean peninsula, two-mica granite, which was influenced by hydrothermal alteration. The topographical features control the flow lines of surface and groundwater toward south-easterly and all waters discharge to Geum River. Fracture zones distributed in study site are classified into order 2 magnitude and their dominant orientations are N-S and E-W strike. From the geological features and fracture zones, the potential repository domains for A-KRS were determined spatially based on the following conditions: (1) fracture zone must not cross the repository; and (2) the repository must stay away from the fracture zones greater than 50 m. The western region of the fracture zones in the N-S direction with a depth below 200 m from the surface was sufficient for A-KRS repository. Because most of the fracture zones in N-S direction were inclined toward the east, we expected to find a homogeneous rock mass in the western region rather than in the eastern region. The lower left domain of potential domains has more suitable geological and hydrogeological conditions for A-KRS repository.
In order to validate the variable aperture channel model that can deal with the non-uniform How rate in flow domain, migration experiments of conservative tracer were performed in two artificial fractures, a parallel and a wedge-shaped fracture. These different fracture shapes were designed to give different flow pattern. The fractures were made from a transparent acrylic plastic plate and a granite slab with dimensions of 10 $\times$ 61 $\times$ 61 cm. Uranine (Fluorescein sodium salt) was used as a conservative tracer. The volumetric flow rates of uranine feed solution were 30 mL/ hr, giving a mean residence time in the fracture of approximately 24 hours for the parallel fracture and 34 hours for the wedge-shaped fracture. The migration plumes of uranine were photographed to obtain profiles in space and time for movement of a tracer in fractures. The photographed migration plume was greatly affected by the geometric shape of fractures. The variable aperture channel model could have predicted the experimental results for the parallel fracture with a large accuracy. It is expected that the variable aperture channel model would be effective to predict the transport of the contaminant, especially, with the flow rate variation in a fracture.
In this study, a procedure was introduced to estimate strength and deformation modulus of the 3-D discrete fracture network(DFN) systems using the distinct element method(DEM). Fracture entities were treated as non-persistent square planes in the DFN systems. Systematically generated fictitious fractures having similar mechanical characteristics of intact rock were combined with non-persistent real fractures to create polyhedral blocks in the analysis domain. Strength and deformation modulus for 10 m cube domain of various deterministic and stochastic 3-D DFN systems were estimated using the DEM to explore the applicability of suggested method and to examine the effect of fracture geometry on strength and deformability of DFN systems. The suggested procedures were found to effective in estimating anisotropic strength and deformability of the 3-D DFN systems.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.357-364
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2006
The meshfree method is extended by the local partition of unity method to model the cohesive cracks in two dimensional continuum The shape function of a particle whose domain of influence is completely cut by a crack is enriched by the step enrichment function. If the domain of influence contains a crack tip inside, it is enriched by the branch enrichment function without the stress singularity. It is found that this method is more accurate and converges faster than the meshless methods for LEFM cracks based on the visibility concept Several staic and dynamic examples are solved to verify the method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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