Recently, with the development of high-performance processing devices such as GPGPU, a three-dimensional dynamic analysis technique that can replace expensive rock material impact tests has been actively developed in the defense and aerospace fields. Experimentally observing or measuring fracture processes occurring in rocks subjected to high impact loads, such as blasting and earth penetration of small-diameter missiles, are difficult due to the inhomogeneity and opacity of rock materials. In this study, a three-dimensional dynamic fracture process analysis technique (3D-DFPA) was developed to simulate the fracture behavior of rocks due to impact. In order to improve the operation speed, an algorithm capable of GPGPU operation was developed for explicit analysis and contact element search. To verify the proposed dynamic fracture process analysis technique, the dynamic fracture toughness tests of the Straight Notched Disk Bending (SNDB) limestone samples were simulated and the propagation of the reflection and transmission of the stress waves at the rock-impact bar interfaces and the fracture process of the rock samples were compared. The dynamic load tests for the SNDB sample applied a Pulse Shape controlled Split Hopkinson presure bar (PS-SHPB) that can control the waveform of the incident stress wave, the stress state, and the fracture process of the rock models were analyzed with experimental results.
We proposed a numerical method to simulate the hydro-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) in the paper. As a part of DECOVALEX-2023 Task G, we verified the method via benchmarks with analytical solutions. DECOVALEX-2023 Task G aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as a group of tetrahedral grains and calculated the interaction of the grains and their interfaces using 3DEC. The micro-parameters of the grains and interfaces were determined by a new methodology based on an equivalent continuum approach. In benchmark modeling, a single fracture embedded in the rock was examined for the effects of fracture inclination and roughness, the boundary stress condition and the applied pressure. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the fracture slip induced by boundary stress condition, the fracture opening induced by fluid injection, the stress distribution variation with fracture inclination, and the fracture roughness effect. In addition, the fracture displacements associated with the opening and slip showed good agreement with the analytical solutions. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.
We proposed a numerical method for the thermo-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) and simulated thermally induced fracture slip. The present study is the benchmark simulation performed as part of DECOVALEX-2023 Task G, which aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as an assembly of Voronoi grains and calculated the interaction of the grains (blocks) and their interfaces (contacts) using a distinct element code, 3DEC. Based on an equivalent continuum approach, the micro-parameters of grains and contacts were determined to reproduce rock as an elastic material. Then, the behavior of the fracture embedded in the rock was characterized by the contacts with Coulomb shear strength and tensile strength. In the benchmark simulation, we quantitatively examined the effects of the boundary stress and thermal stress due to heat conduction on fracture behavior, focusing on the mechanism of thermally induced fracture slip. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the thermal expansion and thermal stress increment, the fracture stress and displacement and the effect of boundary condition. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.
Jung-Wook, Park;Li, Zhuang;Jeong Seok, Yoon;Chan-Hee, Park;Changlun, Sun;Changsoo, Lee
Tunnel and Underground Space
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v.32
no.6
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pp.568-585
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2022
In the present study, we proposed a numerical method for simulating thermally induced fracture slip using a grain-based distinct element model (GBDEM). As a part of DECOVALEX-2023, the thermo-mechanical loading test on a saw-cut rock fracture conducted at the Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology was simulated. In the numerical model, the rock sample including a saw-cut fracture was represented as a group of random Voronoi polyhedra. Then, the coupled thermo-mechanical behavior of grains and their interfaces was calculated using 3DEC. The key concerns focused on the temperature evolution, thermally induced principal stress increment, and fracture normal and shear displacements under thermo-mechanical loading. The comparisons between laboratory experimental results and the numerical results revealed that the numerical model reasonably captured the heat transfer and heat loss characteristics of the rock specimen, the horizontal stress increment due to constrained displacement, and the progressive shear failure of the fracture. However, the onset of the fracture slip and the magnitudes of stress increment and fracture displacement showed discrepancies between the numerical and experimental results. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study.
Jung-Wook Park;Chan-Hee Park;Li Zhuang;Jeoung Seok Yoon;Changlun Sun;Changsoo Lee
Tunnel and Underground Space
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v.33
no.3
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pp.189-207
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2023
In the present study, the thermoshearing experiment on a rough rock fracture were modeled using a three-dimensional grain-based distinct element model (GBDEM). The experiment was conducted by the Korea Institute of Construction Technology to investigate the progressive shear failure of fracture under the influence of thermal stress in a critical stress state. The numerical model employs an assembly of multiple polyhedral grains and their interfaces to represent the rock sample, and calculates the coupled thermo-mechanical behavior of the grains (blocks) and the interfaces (contacts) using 3DEC, a DEM code. The primary focus was on simulating the temperature evolution, generation of thermal stress, and shear and normal displacements of the fracture. Two fracture models, namely the mated fracture model and the unmated fracture model, were constructed based on the degree of surface matedness, and their respective behaviors were compared and analyzed. By leveraging the advantage of the DEM, the contact area between the fracture surfaces was continuously monitored during the simulation, enabling an examination of its influence on shear behavior. The numerical results demonstrated distinct differences depending on the degree of the surface matedness at the initial stage. In the mated fracture model, where the surfaces were in almost full contact, the characteristic stages of peak stress and residual stress commonly observed in shear behavior of natural rock joints were reasonably replicated, despite exhibiting discrepancies with the experimental results. The analysis of contact area variation over time confirmed that our numerical model effectively simulated the abrupt normal dilation and shear slip, stress softening phenomenon, and transition to the residual state that occur during the peak stress stage. The unmated fracture model, which closely resembled the experimental specimen, showed qualitative agreement with the experimental observations, including heat transfer characteristics, the progressive shear failure process induced by heating, and the increase in thermal stress. However, there were some mismatches between the numerical and experimental results regarding the onset of fracture slip and the magnitudes of fracture stress and displacement. This research was conducted as part of DECOVALEX-2023 Task G, and we expect the numerical model to be enhanced through continued collaboration with other research teams and validated in further studies.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1999.10a
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pp.345-350
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1999
In this study the results of investigation on the physical and mechanical properties of a rockfill dam body were provided. On the crest of the old Namgang dam to be excavated partially, various in-situ tests(boring with SPT, sampling of undisturbed sample, field density test, field permeability test) and geophysical investigation works were performed Rock materials, i.e., shale and sandstone, were collected, and their slake durability was evaluated using slaking durability testing method which is suggested by ISRM.
This paper presents a sensor model design based on Monte Carlo Localization method. First, we define the measurement error of each sample using a map matching method by 2-D laser scanners and a pre-constructed grid-map of the environment. Second, samples are assigned probabilities due to matching errors from the gaussian probability density function considered of the sample's convergence. Simulation using real environment data shows good localization results by the designed sensor model.
Seismic wave velocity change has been monitored due to the accumulation of micro-cracks by uniaxial loads on the rock samples from Seokmo Island with stepwise increase in 5 stages. After the load was applied up to 95% of UCS, P- and S-wave velocities varied in ranges of 0.9 ~ 18.3% and 2.8 ~ 14.8% of fresh rock sample velocities, respectively. Unlike seismic velocity of the dry rock samples that showed overall decreases after the loading, velocity changes of saturated rock samples were much more complicated. These seemed to be due to the mixture of two contradictory mechanisms; i.e. accumulation of micro-crack causes an increase in porosity and a decrease in wave velocity, while saturation causes an increase in wave velocity. Most of tested rocks showed a trend of velocity increase with low axial load and then velocity decrease at later stages. Starting stage of velocity decrease differs from samples to samples. After the failure of rock occurred, noticeable increases of porosity and decreases of wave velocity have been observed. It showed overall trend that the more the quartz contents and the lower the silicate, the higher the Young's modulus.
The Landslide in natural slope is occurred mostly by a heavy rain of the summer. This landslide is influenced in soil property of the surface than the rock mass. Soils in natural slope are created by weathering phenomena of the bedrock. These soils differed to the geological conditions such as sedimentary rock, metamorphic rock and volcanic rock. Therefore, estimation of landslide in natural slope is the most important analysis of the bedrock distributions and soil characteristics. This study analyzed the soil property to the natural slopes of Busan area where is distributed to volcanic rock, granite and sedimentary rock. Soil sample conducted various soil tests for estimate the soil physical property and soil engineering characteristics, and analysis of the correlation of geological conditions. In the experiment result, soils were mainly classified by a clayey sand. It is also established that $1.07{\sim}1.99kg/cm^3$ for wet density, $28.2{\sim}39.6^{\circ}$ for angle of shearing resistance, and $8.10{\times}10^{-5}{\sim}8.38{\times}10^{-2}cm/sec$ for coefficient of permeability. From the physical parameter, the soils are estimated to the permeable ground with good shear strength, and soil properties are showed a differential tendency for each geological condition.
Park, Eui-Seob;Jung, Yong-Bok;Ryu, Chang-Ha;SunWoo, Choon;Choi, Yong-Kun;Heo, Sung;Cheon, Dae-Sung
Tunnel and Underground Space
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v.17
no.3
s.68
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pp.165-174
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2007
The technique, which reproduces the figures of objects from measured data of the objects using 3-D laser scanner, is called reverse engineering. Recently, research studies into applications of reverse engineering to rock engineering are increasing in number, in the discontinuity surveys for rock slopes out of man's reach, or rapid discontinuity surveys for wide range areas. For analysis of discontinuity using reverse engineering, a program for processing point clouds data from the 3-D laser scanner, for sampling from these point clouds data, and finally analyzing the discontinuity is needed. However, existing programs rarely have sufficient functions to properly analyze the discontinuities. In this study, a program was developed, which can automatically sample discontinuities from the point clouds data which measured in a rock slope using a 3-D laser scanner, and which can also undertake statistical analysis of the discontinuities. This developed program was verified by the application of discontinuity surveys in a rock slope and a tunnel. By undertaking the discontinuity survey using a 3-D laser scanner and the developed program, the feasibility and rapidity of such surveys is expected to improve in areas out of man's reach in geotechnical surveys. Taking into consideration the fact that the international level of related techniques is at a rudimentary stage, the possibility of prior occupation of a broad market is also expected.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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