Hong-Joo Lee;Kyung-Nam Kang;Ki-Il Song;Sang-Don Lee
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.1
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pp.19-37
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2024
Rockbolts are the primary-supports in NATM tunnels and are widely used at tunnel construction sites. Among the rockbolts methods applied in domestic tunnel design, fully grouted rockbolts are the most representative and frequently used. Fully grouted rockbolts exhibit relative behavior between the bolt and the ground due to the grout material. However, during numerical analysis for tunnel design, fully grouted rockbolts are often modeled in a way that does not reflect their behavior characteristics. This may result in underestimating or overestimating the force of the supports. Based on a literature review, it was analyzed that fully grouted rockbolts are modeled using truss element or cable element. To analyze the effect of grout properties of cable elements on rockbolts behavior, this paper compared the behavior of rockbolts in two models: one estimating grout properties based on rockbolt pull-out test data, and another assuming complete adhesion between the rockbolts and the ground by applying large grout properties. Under identical tunnel conditions, the numerical analysis was conducted by modeling the fully grouted rockbolts differently using truss and cable elements, and the tunnel behavior was analyzed. The research results suggest that modeling fully grouted rockbolts as a function of the interface effect between the bolts and the ground, specifically considering grout, is desirable. The use of pull-out test data to simulate the behavior of actual fully grouted rockbolts was considered as a valid approach.
Ha, Kwang-Hyun;Lee, Sang-Eun;Chung, Sung-Rae;Chun, Byung-Sik
Journal of Soil and Groundwater Environment
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v.13
no.1
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pp.13-23
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2008
The triaxial compression tests and consolidation tests using NaCl solution and leachates as substitute pore (or saturated) water in samples were carried out to find out the behavior characteristics of strength, deformation and permeability coefficient of contaminated clay. Also, the chemical property analysis on the clay samples using scanning electron microscope and energy dispersive x-ray spectrometer were involved. The magnitudes of composition ratio were shown in the order of O, C, Si, Al, and Fe as a result of chemical composition analysis for clay samples. Besides, as the results of triaxial compression tests and consolidation tests, the shear strength, compression and permeability properties were increased with increasing in the concentration of contaminant (NaCl). It may be considered that these circumstances be caused by the changes of soil structure to flocculent structure due to the decrease in the thickness of diffuse double layer with increasing in the concentration of electrolyte. MT3D model was also using to grasp the procedures that the groundwater may be contaminated by the leachates permeated through the clay liner. The results of contaminant transport analysis showed a tendency that the predicted concentration of groundwater was higher with increasing in the initial concentration of $Cl^-$ ion and increased as a nonlinear curves with time. The transportation distance calculated by the use of regression equation between the distance from contaminant source and the concentration of $Cl^-$ ion was increased with increasing the initial concentration.
The rheological properties of Wyoming bentonites are strongly influenced by the size of particles, cation exchangeable capacity, arrangement and morphology of clay mineral. This paper presents the results of rheological investigations on the Wyoming bentonites aqueous dispersions: two types of particle flocculation were considered. For the Wyoming bentonite, 0g/L and 30g/L NaCl equivalent salinity were added in fresh and salt water to examine the rheological behavior. This paper examined the general rheological characteristics, compatibility of rheological models and correlation between soil structure and change in rheological properties of Wyoming bentonite caused by increasing salinity. From flow curves of bentonites hydrated with fresh water and salt water, the observed general flow behavior is very close to shear thinning with yield stress (or ideal Bingham fluid with yield stress and plastic viscosity). However, the change of shear stress at the same shear rate is clear, particularly for lower shear rate. Well-known rheological models are used to fit the data. There is a good agreement between rheological model and data: Carreau, Herschel-Bulkley and power-law for S=0g/L and bilinear, Herschel-Bulkley and power-law for S=30g/L. It may be due to the fact that the internal structural bonding (strong modification of particle-particle interactions from edge-to-edge and/or edge-to-face to face-to-face) in soil matrix is affected from the evolution of rheological properties with different salinities.
Unsaturated hydraulic conductivity (HC) is integrated theoretically from soil water retention curves (SWRC) by Mualem capillary model, but the prediction of HC is extremely sensitive to small variation of matric suction near saturation. Near saturation, the Mualem HC based on smooth SWRC decreases abruptly and has problems in the reliability of hydraulic behavior and the stability of numerical solutions. To improve van Genuchten-Mualem (VGM) HC, the van Genuchten SWRC model is modified within range of low matric suction (arbitrary air entry pressure). At an arbitrary air entry pressure, the VG SWRC is linearized in log scale until full saturation. The modified VG SWRC does not affect the fit of actual retention behavior and either the parameters of original VG SWRC fit. Using the modified VG SWRC, the VGM HC is modified to integrate for each interval decomposed by arbitrary air entry pressure. An analytical solution on modified VGM HC is proposed each interval, to protect the rapid change in HC near saturation. For silty soils, VGM models of HC function underestimate the unsaturated permeability characteristics and especially show rapid reduction near saturation. The modified VGM model predicts more accurate HC functions for Korean weathered soils. Furthermore, near saturation, the saturated HC is conserved by the modified VGM model. After 2-D infiltration analysis of an actual slope, the hydraulic behaviors are compared for VGM and the modified models. The prediction by the proposed model conserved the convergence of solutions on various rainfall conditions. However, the solution by VGM model did not converge since the conductivity near saturation reduced abruptly for heavy rainfall condition. Using VGM model, the factor of safety is overestimated in both initial and final stage during heavy rainfall. Stability analysis based on infiltration analysis could simulate the actual slope failure by the proposed model on HC.
Underground utility tunnel, the most representative cut and cover structure, is subjected to seismic force by displacement of the surrounding soil. In 2020, Korea Infrastructure Safety Corporation has published "Seismic Performance Evaluation Guideline for Existing Utility Tunnel." This paper introduces two seismic evaluation methods, RDM (Response Displacement Method) and RHA (Response History Analysis) adopted in the guide and compares the methods for an example of an existing utility tunnel. The test tunnel had been constructed in 1988 and seismic design was not considered. RDM is performed by single and double cosine methods based on the velocity response spectrum at the base rock. RHA is performed by finite difference analysis that is able to consider nonlinear behavior of soil and structure together in two-dimensional plane strain condition. The utility tunnel shows elastic behavior for RDM, but shows plastic hinge for RHA under the collapse prevention level earthquake.
Kim, Nag-Young;Park, Gun-Tae;Baek, Seung-Cheol;Lee, Kang-Hyun;Choi, Jin-Woong;Her, Yol
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.1
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pp.71-82
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2017
It is necessary to conduct a detailed geotechnical investigation on the tunnel section in order to secure the tunnel design and construction stability. It is necessary for the importance of geotechnical investigation that needed for the analysis of distribution and size of fractured fault zone and distribution of groundwater in tunnel. However, if it is difficult to perform the ground survey in the tunnel design due to ground condition of the tunnel section and the limited conditions such as civil complaint, the tunnel design is performed using the result of the minimum survey. Therefore, if weathered fault zone exists in the face the reinforcement method is determined in the design process to secure the stability of the tunnel. The most important factor in reinforcing the tunnel excavation surface is to secure the stability of the tunnel by performing quick reinforcement. In particular, if groundwater leaching occurs on the excavation surface, more rapid reinforcement is needed. In this study, fractured fault zone exists on the tunnel excavation surface and displacement occurs due to weathered fracture zone. When the amount of groundwater leaching rapidly increased under the condition of displacement, the behavior of tunnel displacement was analyzed based on tunnel collapse. In the study, reinforcement measures were taken because the first stage displacement did not converge continuously. After the first reinforcement, the displacement was not converged due to increased groundwater leaching and the second stage displacement occurred and chimney collapse occurred.
Elastic behavior of the railway roadbed which supports the repeating dynamic loads of the train is mainly affected by the shear modulus of the upper roadbed. Therefore, shear wave velocity estimation of the uniformly compacted roadbed can be used to estimate the elastic behavior of the railway roadbed. The objective of this study is to suggest the relationship between the dynamic cone penetration index (DCPI) and the shear wave velocity ($V_s$) of the upper roadbed in order to estimate the shear wave velocity by using the dynamic cone penetration test (DCPT). To ensure the reliability of the relationship, the dynamic cone penetration test and the measurement of the shear wave velocity are conducted on the constructed upper roadbed. As a method for measurement of the shear wave velocity, cross hole is used and then the dynamic cone penetration test is performed at a center point between the source and the receiver of the cross hole. As a result of the correlation of the dynamic cone penetration index and the shear wave velocity at the same depths, the shear wave velocity is estimated as a form of involution of the dynamic cone penetration index with a determinant coefficient above 0.8. The result of this study can be used to estimate both the shear wave velocity and the strength of the railway roadbed using the dynamic cone penetrometer.
In situ rock mass is generally heterogeneous and discontinuous, with varying degrees of strength along the planes of weakness. The planes of weakness such as joints, faults, cracks and bedding planes, control the strength and deformation characteristics of the rock mass. Subsequently, the stability of underground opening depends upon the spatial distribution of discontinuities and their mechanical properties in relation with geometrical shape of openins as well as the mechanical properties of intact rock materials. Understanding the behaviour of a discontinuous rock mass remains a key issue for improving excavation design in hiかy stressed environments. Although recent advances in rock mechanics have provided guidelines for the design of underground opening in isotropic rock mass, prediction and control of deformation in discontinuous rock masses are still unclear. In this study, parametric study was performed to investigate the plastic zone size, stress distribution and deformation behavior around underground opening in a discontinuous rock mass using a continuum joint model. The solutions were obtained by an elasto-plastic finite difference analysis, employing the Mohr-Coulomb failure criteria. Non-associated flow rule and perfectly plastic material behavior are also assumed.
In this study, the pullout tests are conducted to evaluate pullout resistance of steel strip reinforcement with transverse members. The test results are compared with theoretical equations and then the failure mechanism of transverse members is evaluated. The bearing resistance stress(${\sigma}^{\prime}_b$) of transverse members, which is applied pullout force at 50mm displacement, is closed from punching shear failure to general shear failure. The behavior by increment of a number of transverse members became closer to general shear failure. The behavior of transverse members at maximum pullout force, which is closed to general shear failure, is indicated that it is unrelated to normal stress and a number of transverse members. However, if the allowable displacement of reinforced soil wall is considered, it is impossible to apply in design. The test results are compared with bearing resistance evaluations using Prandtl's plastic theory and cylindrical cavity expansion theory. The analysis results are indicated that the bearing resistance by pullout tests is closed to predicted result by Prandtl's plastic theory, which are located between general shear failure and punching shear failure.
Anisotropic characteristics of deformation are important to understand the particular behavior in the pre-failure state of soils. Recent experiments show that cross-anisotropic moduli of granular soils can be expressed by functions of normal stresses in the corresponding directions, which is closely linked to micromechanical characteristics of particles. Granular soils are composed of a number of particles so that the force-displacement relationship at each contact point governs the macroscopic stress-strain relationship. Therefore, the micromechanical approach in which the deformation of granular soils is regarded as a mutual interaction between particle contacts is one of the best ways to investigate the anisotropic elastic deformation of soils. In this study, a numerical program based on the theory of micromechanics is developed. Generalized contact model for the irregular contact surface of soil particles is adopted to represent the force-displacement relationship in each contact point far the realistic prediction of anisotropic moduli. To evaluate the model parameters, a set of analytical solutions of anisotropic elastic moduli is derived in the isotropic stress condition. A detailed procedure to determine the model parameters is proposed with emphasis on the practical applicability of micromechanical program to analyze the elastic behavior of the granular soils.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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