Surface damage due to subsidence is an inevitable consequence of underground mining, which may be immediate or delayed for many years. The surface damage due to abandoned underground mine is observed to be two subsidence types such as simple sinkhole or trough formation to a large scale sliding of the ground from with in the subsided area. An evaluation of the risk of a subsidence occurrence is vital in the areas affected by mining subsidence. For a subsidence prediction or a risk evaluation, there has been used various methods using empirical models, profile functions, influence functions and numerical models. In this study, a simple but efficient evaluation method of subsidence hazard is suggested, which is based on a diffusion theory and uses just information about geometry of caving and topography. The diffusion model has an analogous relationship with granular model which can explain a mechanism of subsidence. The diffusion model is applied for the evaluation of subsidence hazard in abandoned metal and coal mines. The model is found to be a simple but efficient tool because it needs information of geometry of caving and gangway and the topography.
Membrane penetration is the most important factor influencing the measurement of volume change for triaxial consolidated-drained shear test for coarse-grained soil. The effective pressure p, average particle size $d_{50}$, thickness $t_m$ and elastic modulus $E_m$ of membrane, contact area between membrane and soil $A_m$ as well as the initial void ratio e are the major factors influencing membrane penetration. According to the membrane deformation model given by Kramer and Sivaneswaran, an analytical solution of the membrane penetration considering the initial void ratio is deduced using the energy conservation law. The basic equations from theory of plates and shells and the elastic mechanics are employed during the derivation. To verify the presented solution, isotropic consolidation tests of a coarse-grained soil are performed by using the method of embedding different diameter of iron rods in the triaxial samples, and volume changes due to membrane penetration are obtained. The predictions from presented solution and previous analytical solutions are compared with the test results. It is found that the prediction from presented analytical solution agrees well with the test results.
Haeri, Hadi;Sarfarazi, V.;Zhu, Zheming;Hokmabadi, N. Nohekhan;Moshrefifar, MR.;Hedayat, A.
Structural Engineering and Mechanics
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v.69
no.2
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pp.221-230
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2019
In this paper, shear behavior of non-persistent joint surrounded in concrete and gypsum layers has been investigated using experimental test and numerical simulation. Two types of mixture were prepared for this study. The first type consists of water and gypsum that were mixed with a ratio of water/gypsum of 0.6. The second type of mixture, water, sand and cement were mixed with a ratio of 27%, 33% and 40% by weight. Shear behavior of a non-persistent joint embedded in these specimens is studied. Physical models consisting of two edge concrete layers with dimensions of 160 mm by 130 mm by 60 mm and one internal gypsum layer with the dimension of 16 mm by 13 mm by 6 mm were made. Two horizontal edge joints were embedded in concrete beams and one angled joint was created in gypsum layer. Several analyses with joints with angles of $0^{\circ}$, $30^{\circ}$, and $60^{\circ}$ degree were conducted. The central fault places in 3 different positions. Along the edge joints, 1.5 cm vertically far from the edge joint face and 3 cm vertically far from the edge joint face. All samples were tested in compression using a universal loading machine and the shear load was induced because of the specimen geometry. Concurrent with the experiments, the extended finite element method (XFEM) was employed to analyze the fracture processes occurring in a non-persistent joint embedded in concrete and gypsum layers using Abaqus, a finite element software platform. The failure pattern of non-persistent cracks (faults) was found to be affected mostly by the central crack and its configuration and the shear strength was found to be related to the failure pattern. Comparison between experimental and corresponding numerical results showed a great agreement. XFEM was found as a capable tool for investigating the fracturing mechanism of rock specimens with non-persistent joint.
Jeoung Seok Yoon;Anne Strader;Jian Zhou;Onno Dijkstra;Ramon Secanell;Ki-Bok Min
Tunnel and Underground Space
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v.33
no.1
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pp.57-69
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2023
In this study, we simulated induced seismicity in the Groningen natural gas reservoir using 2D hydro-mechanical coupled discrete element modelling (DEM). The code used is PFC2D (Particle Flow Code 2D), a commercial software developed by Itasca, and in order to apply to this study we further developed 1)initialization of inhomogeneous reservoir pressure distribution, 2)a non-linear pressure-time history boundary condition, 3)local stress field monitoring logic. We generated a 2D reservoir model with a size of 40 × 50 km2 and a complex fault system, and simulated years of pressure depletion with a time range between 1960 and 2020. We simulated fault system failure induced by pressure depletion and reproduced the spatiotemporal distribution of induced seismicity and assessed its failure mechanism. Also, we estimated the ground subsidence distribution and confirmed its similarity to the field measurements in the Groningen region. Through this study, we confirm the feasibility of the presented 2D hydro-mechanical coupled DEM in simulating the deformation of a complex fault system by hydro-mechanical coupled processes.
Park, Jung-Wook;Guglielmi, Yves;Graupner, Bastian;Rutqvist, Jonny;Park, Eui-Seob
Tunnel and Underground Space
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v.29
no.3
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pp.197-213
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2019
We simulated the fault reactivation experiment conducted at 'Main Fault' intersecting the low permeability clay formations of Mont Terri Underground Research Laboratory in Switzerland using TOUGH-FLAC simulator. The fluid flow along a fault was modelled with solid elements and governed by Darcy's law with the cubic law in TOUGH2, whereas the mechanical behavior of a single fault was represented by creating interface elements between two separating rock blocks in FLAC3D. We formulate the hydro-mechanical coupling relation of hydraulic aperture to consider the elastic fracture opening and failure-induced dilation for reproducing the abrupt changes in injection flow rate and monitoring pressure at fracture opening pressure. A parametric study was conducted to examine the effects of in-situ stress condition and fault deformation and strength parameters and to find the optimal parameter set to reproduce the field observations. In the best matching simulation, the fracture opening pressure and variations of injection flow rate and monitoring pressure showed good agreement with field experiment results, which suggests the capability of the numerical model to reasonably capture the fracture opening and propagation process. The model overestimated the fault displacement in shear direction and the range of reactivated zone, which was attributed to the progressive shear failures along the fault at high injection pressure. In the field experiment results, however, fracture tensile opening seems the dominant mechanism affecting the hydraulic aperture increase.
An advancing cutting roof for gob-side entry retaining with no-pillar mining under specific geological conditions is more conducive to the safe and efficient production in a coalmine. This method is being promoted for use in a large number of coalmines because it has many advantages compared to the retaining method with an artificial filling wall as the gateway side filling body. In order to observe the inner structure of the gateway cutting roof and understand its stability mechanism, an equivalent material simulation experiment for a coalmine with complex geological conditions was carried out in this study. The results show that a "self-stabilization bearing structure" equilibrium model was found after the cutting roof caving when the cut line deviation angle was unequal to zero and the cut height was greater than the mining height, and the caving roof rock was hard without damage. The model showed that its stability was mainly controlled by two key blocks. Furthermore, in order to determine the optimal parameters of the cut height and the cut line deviation angle for the cutting roof of the retaining gateway, an in-depth analysis with theoretical mechanics and mine rock mechanics of the model was performed, and the relationship between the roof balance control force and the cut height and cut line deviation angle was solved. It was found that the selection of the values of the cut height and the cut line deviation angle had to conform to a certain principle that it should not only utilize the support force provided by the coal wall and the contact surface of the two key blocks but also prevent the failure of the coal wall and the contact surface.
Landslides which is one of the major natural hazard is defined as a mass movement of weathered material rock and debris due to gravity and can be triggered by complex mechanism. It causes enormous property damages and losses of human lift directly and indirectly. In order to mitigate landslide risk effectively, a new method is required to develope for better understanding of landslide risk based on the damaged cost produce, investment priority data, etc. In this study, we suggest a new evaluation method for slope stability using risk analysis. 30 slopes including 10 stable slopes, 10 slopes of possible failure and 10 failed slopes along the national and local roads are examined. Risk analysis comprises the hazard analysis and the consequence analysis. Risk scores evaluated by risk analysis show very clear boundaries for each category and are the highest for the failed slopes and the lowest for the stable slopes. The evaluation method for slope stability suggested by this research may define the condition and stability of slope more clearly than other methods suggested by others.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.09c
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pp.72-77
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2010
The Incheon Bridge, which was opened to the traffic in October 2009, is an 18.4 km long sea-crossing bridge connecting the Incheon International Airport with the expressway networks around the Seoul metropolitan area by way of Songdo District of Incheon City. This bridge is an integration of several special featured bridges and the major part of the bridge consists of cable-stayed spans. This marine cable-stayed bridge has a main span of 800 m wide to cross the vessel navigation channel in and out of the Incheon Port. In waterways where ship collision is anticipated, bridges shall be designed to resist ship impact forces, and/or, adequately protected by ship impact protection (SIP) systems. For the Incheon Bridge, large diameter circular dolphins as SIP were made at 44 locations of the both side of the main span around the piers of the cable-stayed bridge span. This world's largest dolphin-type SIP system protects the bridge against the collision with 100,000 DWT tanker navigating the channel with speed of 10 knots. Diameter of the dolphin is up to 25 m. Vessel collision risk was assessed by probability based analysis with AASHTO Method-II. The annual frequency of bridge collapse through the risk analysis for 71,370 cases of the impact scenario was less than $0.5{\times}10^{-4}$ and satisfies design requirements. The dolphin is the circular sheet pile structure filled with crushed rock and closed at the top with a robust concrete cap. The structural design was performed with numerical analyses of which constitutional model was verified by the physical model experiment using the geo-centrifugal testing equipment. 3D non-linear finite element models were used to analyze the structural response and energy-dissipating capability of dolphins which were deeply embedded in the seabed. The dolphin structure secures external stability and internal stability for ordinary loads such as wave and current pressure. Considering failure mechanism, stability assessment was performed for the strength limit state and service limit state of the dolphins. The friction angle of the crushed stone as a filling material was reduced to $38^{\circ}$ considering the possibility of contracting behavior as the impact.
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