This paper aims to estimate the range of the excavation damaged zone (EDZ) formation caused by the tunnel boring machine (TBM) advancement through dynamic three-dimensional large deformation finite element analysis. Large deformation analysis based on Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) analysis is used to accurately simulate the behavior during TBM excavation. The analysis model is verified based on numerous test results reported in the literature. The range of the formed EDZ will be suggested as a boundary under various conditions - different tunnel diameter, tunnel depth, and rock type. Moreover, evaluation of the integrity of the tunnel structure during excavation has been carried out. Based on the numerical results, the apparent boundary of the EDZ is shown to within the range of 0.7D (D: tunnel diameter) around the excavation surface. Through series of numerical computation, it is clear that for the rock of with higher rock mass rating (RMR) grade (close to 1st grade), the EDZ around the tunnel tends to increase. The size of the EDZ is found to be direct proportional to the tunnel diameter, whereas the depth of the tunnel is inversely proportional to the magnitude of the EDZ. However, the relationship between the formation of the EDZ and the stability of the tunnel was not found to be consistent. In case where the TBM excavation is carried out in hard rock or rock under high confinement (excavation under greater depth), large range of the EDZ may be formed, but less strain occurs along the excavation surface during excavation and is found to be more stable.
At Aspo hard rock laboratory in Sweden, an in-situ heater experiment called "$\"{A}"{s}"{p}"{o}$ Pillar Stability Experiment (APSE)" is prepared to assess capability to predict spatting and stability in a rock mass between deposition holes for radioactive waste. To Predict reasonably fracturing process at rock pillar under a planned configuration before testing, a boundary element code FRACOD has been applied for modelling. The code has been improved to simulate explicitly fracture evolution both at rock boundaries and in intact rocks. A new inverse stress reconstruction technique using boundary element has been also developed to transfer stress field by excavation and thermal loading into the FRACOD model. This article presents the results from predictive modelling far the planned in-situ test condition. Excavation induced stresses might cause slight fracturing in the pillar walls. Typical shear fractures have been initiated and propagated near central pillar walls during 120 days of heating, but overall rock mass remained stable under the considered configuration. The effects of pre-existing joints and properties of fractures are also discussed. It is found from the results that FRACOD can properly model essential rock spatting and propagation at deep tunnels and boreholes.at deep tunnels and boreholes.
The dynamic behaviour of the rock mass under the dynamic load is different from the static application of the maximum load of the same size. An experimental approach to investigating rock behavior under dynamic loads is more difficult than that under static conditions in control of dynamic loads, measurement and analysis of the results. Numerical methods are less constrained by performing the experiments numerically, rather than experimental ones, so they can be very powerful analytical tool at the design stage. However, even if the algorithms of the analysis method are appropriate, careful analysis is required because the calculation results may vary largely depending on input data and boundary conditions. In this paper, when investigating the behavior of rock structures under dynamic load numerically, the effects of boundary conditions, dynamic load and calculation time step, and dynamic load characteristics on the calculation results were reviewed to provide guidance on setting up boundary conditions and calculation time step related to dynamic analysis.
Claesson(2001)'s analytical solution, and two numerical models with Dirichlet and Neuman interior boundary condition respectively were investigated to estimate the transient temperature distribution with distances from the Taejon underground food cold storage pilot cavern. Claesson's solution, which is based on constant temperature boundary condition at the rock wall during a temperature decline step, showed relatively good agreement with temperature measurements in the rock mass in order of average error difference, 0.89$\^{C}$ without any adjustments on laboratory thermal properties to represent the rock mass. For the numerical model with heat flux through the rock wall, a boundary condition setting technique was newly proposed to overcome the difficulty of prescribing variable convective heat tranfer coefficient and far-field air temperature inside the cavern as they may be certainly changed according to the cooling-down time. The results showed also good agreement with measurements in order of average error difference, 1.58$\^{C}$, and were compared to those of the numerical model with fixed temperature at the rock wall. Finally, the most proper procedure to precisely predict the temperature profile around a cavern was proposed as a series of analysis steps including an analytical exact solution and numerical models.
Severe damage can occur around deposition holes due to complex interaction of thermo-hydro-mechanical (THM) loading during the long term operation of high level radioactive waste repository. Many candidate sites for repository are located in crystalline rock mass, therefore mechanism of damage follows the form of brittle fracture and failure. This paper briefly introduces major outcomes from 15 years international collaborative project, DECOVALEX, and presents major study results for current ongoing benchmark test study from DECOVALEX-THMC, to evaluate the effect of THM loading to rock mass in excavation damaged zone (EDZ) near deposition holes. Through benchmark test model by simplifying THM loading to boundary loading obtained numerical results are compared, and discrete fracture interaction after up to 1 million years operation is discussed.
This paper proposes an elasto-plastic finite difference method which is useful for the stability evaluation of concrete lining installed in a deep circular tunnel. Mohr-Coulomb criterion is assumed for the condition of yielding in both the rock mass and concrete lining. In order to take into account the installation delay of lining after the excavation, the outer boundary pressure acting on the lining was calculated with the consideration of the convergence occurred before the lining installation. The distributions of stress and displacement in the rock mass and lining were calculated based on the method proposed Lee & Pietruszczak (2008). The applicability of the proposed method was demonstrated by conducting the elasto-plastic analysis of concrete lining supporting an imaginary compressed air storage tunnel. The analysis result revealed that the exact determination of the boundary pressures acting on the concrete lining is of importance in the stability analysis of concrete lining.
Crack-controlled method which utilizes the dynamic energy such as explosives and propellent gases have been applied to the development of mineral resource and oil and civil engineering. It is necessary to consider the fracture processes associated with the material properties and external forces to control crack propagation using borehole pressure. To investigate the influence of the applied borehole pressure waveform on the crack propagation in rock masses having different material properties, a no-free surface model was used, consisting of a borehole in rock with a continuous boundary. Loading rates ranging from 1 to 100MPa/${\mu}s$ with different rock mass properties was employed to investigate the loading rate dependency of fracture patterns in the rock mass.
Impulsive vibration velocity is monitored at the surface and the boundary surface of rocks as various impulsive forces of horizontal and vertical directions were given to rocks which had difference in uniaxial compressive strength for investigate to the vibration velocity of rocks according to the impulsive direction and the monitoring site. The vibration velocity of the boundary surface of rocks was about 2.9 times or much larger than that of the surface at the same scaled distance in the case of horizontal impulsive forces, and was above 4.2 times in the case of vertical impulsive forces. The attenuation exponents of the vibration velocity equations in the surface and the boundary surface of rocks make a vast difference with the impulsive directions, but is makes little difference in the case of the same impulsive direction. The ratio of vibration constants of the surface to the boundary surface of rocks is that square and cube root scaled equation is a range of 2.7∼3.0 and 4.9∼5.0 respectively in the case of horizontal impulsive forces, and is a range of 4.2∼5.7 and 7.7∼11.5 respectively in the case of vertical impulsive forces.
In rock mass subject to high in-situ stresses, the failure process of rock is dominated by the stress-induced fractures growing parallel to the excavation boundary. When the ratio of in situ stresses compared to rock strength is greater than a certain value, progressive brittle failure which is characterized by popping and spatting of rock debris occurs due to stress concentration. Traditional constitutive model like Mohr-Coulomb usually assume that the normal stress dependent frictional strength component and the cohesion strength component are constant, therefore modelling progressive brittle failure will be very difficult. In this study, a series of numerical analyses were conducted for surrounding rock mass near crude oil storage cavern using CW-FS model which was known to be efficient for modelling brittle failure and the results were compared with those of linear Mohr-Coulomb model. Further analyses were performed by varying plastic shear strain limits on cohesion and internal friction angle to find the proper values which yield the matching result with the observed failure in the oil storage caverns. The obtained results showed that CW-FS model could be a proper method to characterize essential behavior of progressive brittle failure in competent rock mass.
The generalized Hoek-Brown (GHB) criterion, which is recognized as one of the standard failure conditions for rock mass, is specialized for rock engineering applications and covers a wide range of rock mass conditions. Accordingly, many research efforts have been devoted to the incorporation of this criterion into the stability analysis of rock structures. In this study, the slip-line analysis method, which is a kind of elastoplastic analysis method, is combined with the GHB failure criterion to derive analytical equations that can easily calculate the plastic radius and stress distribution in the vicinity of the circular tunnel. In the process of derivation of related formulas, it is assumed that the behavior of rock mass after failure is perfectly plastic and the in-situ stress condition is hydrostatic. In the formulation, it is revealed that the plastic radius can be calculated analytically using the two respective tangential friction angles corresponding to the stress conditions at tunnel wall and elastic-plastic boundary. It is also shown that the plastic radius and stress distribution calculated using the derived analytical equations coincide with the results of Lee & Pietruszczak's numerical method published in 2008. In the latter part of this paper, the influence of the quality of the rock mass on the size of the plastic zone, the stress distribution, and the change of the tangential friction angle was investigated using the derived analytical equations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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