Li Zhou;Kai Su;Ding-wei Liu;Yin-quan Li;Hong-ze Zhu
Structural Engineering and Mechanics
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v.86
no.1
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pp.139-156
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2023
The reinforced concrete lining in the hydraulic pressure tunnel tends to crack during the water-filling process. The lining will be detached from the surrounding rock due to the inner water exosmosis along concrete cracks. From the previous research achievements, the cohesive element is widely adopted to simulate the concrete crack but rarely adopted to simulate the lining-rock interface. In this study, the zero-thickness cohesive element with hydro-mechanical coupling property is not only employed to simulate the traditional concrete crack, but also innovatively introduced to simulate the lining-rock interface. Combined with the indirect-coupled method, the hydro-mechanical coupling algorithm of the reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels is proposed and implemented in the finite element code ABAQUS. The calculated results reveal the cracking mechanism of the reinforced concrete lining, and match well with the observed engineering phenomenon.
Tunnel lining is the final support of a tunnel and reflects the results of the interaction between ground and support system. Recently it is very difficult to support and manage the tunnel because the cracks on tunnel lining cause many problems in supporting and managing tunnels. Therefore the analysis of the cracks is quite strongly required. In this study, mechanical behaviour of a tunnel lining was examined by model tests and by numerical analyses. Especially the model test was examined for double linings including shotcrete and concrete lining. The model tests were carried out under various conditions taking different loading shapes, horizontal stresses, thicknesses of linings and double lining, vault opening behind the concrete lining and rock-like medium surrounding the lining. Due to horizontal stress, compressive stress prevailed on the lining. Thus the bearing capacity of the lining increased. The existence of a vault opening behind the concrete lining reduced the bearing capacity by the similar amount of reduction of concrete lining thickness. Rock-like medium cast around the side wall of the lining restrained the deflection of the lining, and the bearing capacity for cracking and failure increased vary much. In numerical analyses a algorithm which can analysis the double lining by introduction of interface element was developed. And the results of the numerical analyses were compared with the results of the model tests.
Nemerical algorithms were developed to analyze the behavior of the double lining as well as ground mass separately or simultaneously. A lining interface element was especially developed, verified and applied to the study on the coupled interaction of shotcrete and the concrete lining. It could be known fro parameter studys on double lining support systems that as the contact surface between shotcrete and concrete lining was rougher, the more decreased bearing capacity against the cracking of the system. If the thickness of the shotcrete increased, the bearing capacity of the double lining also increased linearly with the thickness. If the thickness of the concrete lining increased, the bearing capacity of the double lining had the relationship of the characteristic S-shape of a sigmoid function with the thickness. When the thickness increased over a given value, it was not useful to increase more the thickness because bearing capacity had no remarkable change. It could be concluded that the behavior of the shotcrete and concrete lining was generally reversed before and after the ratio of horizontal to vertical earth preassure of 1.0 and 0.5 respectively. Therefore, we could guess that the movement which two shotcrete and concrete lining deflect toward each other around the crown caused a friction between two linings and thus this disadvantageous effect could contribute to reducing the bearing capacity against the cracking.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.6
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pp.575-586
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2015
In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Therefor in this study, it is implemented as a model for closer than actual states that the interface element applied to the existing GLI model. And the modified GLI formula is proposed with the ground load estimation that is from the numerical results for each ground and rock cover conditions. Based on the numerical results, the ground load acting on concrete lining is reduced to ave. 88~106% in case of IV ground condition and ave. 47~57% in case of weathered soil condition comparing with the existing GLI model. It can be anticipated that the results obtained from this study can be applied to an estimation of the ground load on the concrete lining modeled like as real states, consistent and economical design.
Shield tunnel having circular section located in the soil or soft rock layer is liable to deform in such a way that its two diagonal diameters crossing each other expand and contract alternately during earthquakes. Based on this knowledge, the ground-tunnel interaction effect for this particular vibration mode is investigated. The ground surrounding a tunnel is assumed to be a homogeneous elastic medium. The bonded boundary condition on the ground-tunnel interface is considered. This suggests a firm bond between the ground and the tunnel lining. As Poisson's ratio and stiffness of the ground increases, the strain induced within the tunnel lining increases.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
This study investigates a failure mechanism of a tunnel shotcrete lining with respect to a concentrated load due to blocky rock mass. First of all, it is carried out to survey relevant researches to shotcrete failures by literature reviews and to numerically re-investigate the failure modes of shotcrete lining given by previous researches. Through this study, the failure modes are relocated with the conditions which induce each failure mode newly proposed by this study. In addition to this, the arching shape of tunnel lining, which has not been considered in the previous research despite of inherent geometrical characteristics in tunnels, is taken into consideration in numerical investigation on lining failure in this study. As a result, it is shown that more simplified failure modes can be found on the tunnel boundary condition and the corresponding failure condition to each mode can be different from ones of the previous study due to a tunnel arching effect.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2004.03b
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pp.407-414
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2004
Interfacial properties between rock mass and shotcrete play a significant role in the transmission of loads from the ground to shotcrete. These properties have a major effect on the behaviours of rock mass and shotcrete. They, however, have merely been assumed in most of numerical analyses, and little care has been taken in identifying them. This paper aimed to identify interfacial properties including cohesion, tension, friction angle, shear stiffness, and normal stiffness, through direct shear tests as well as interface normal compression tests for shotcrete/rock cores obtained from a tunnel sidewall. Mechanical properties such as compression strength and elastic modulus were also measured to compare them with the time-dependent variation of interfacial properties. Based on experiments, interfacial properties between rock and shotcrete showed a significant time-dependent variation similar to those of its mechanical properties. In addition, the time-dependent behaviours of interfacial properties can be well regressed through exponential and logarithmic functions of time.
Interfacial properties between rock mass and shotcrete play a significant role in the transmission of loads from the ground to shotcrete. These properties have a major effect on the behaviours of rock mass and shotcrete. They, however, have merely been considered in most of numerical analyses, and little care has been taken in identifying them. This paper aimed to identify interfacial properties including cohesion, tension, friction angle, shear stiffness, and normal stiffness, through direct shear tests as well as interface normal compression tests for shotcrete/rock cores obtained from a tunnel sidewall. Mechanical properties such as compressive strength and elastic modulus were also measured to compare them with the time-dependent variation of interfacial properties. Based on the experiments, interfacial properties between rock and shotcrete showed a significant time-dependent variation similar to those of its mechanical properties. In addition, the time-dependent behaviours of interfacial properties could be well regressed through exponential and logarithmic functions of time.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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