Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2010.03a
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pp.213-220
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2010
This study presents a numerical simulation model of vertical ground heat exchangers, considering unsaturated hydro static ground conditions induced by the ground water table fluctuation. Heat transfer in ground and grout is modeled by a 3-D FEM transient conductive heat transfer model, where heat transfer between circulating fluid and heat exchanging pipe is treated as 1-D quasi steady state forced convective elements. To take into account the unsaturated ground condition, soil thermal conductivity and heat capacity which are dependent on the matric suction are applied to ground elements. Parametric studies considering various ground water table conditions are conducted to investigate the influence of unsaturated hydro static ground condition on the mean heat exchange rate of ground heat exchanger. Simulation results considering water table fluctuation show 60~100% of mean heat exchange rate for a saturated soil condition and 125~208% of that for a dry soil condition. Thus consideration of unsaturated soil condition is substantially recommended for more accurate design and performance evaluation for ground heat exchangers.
Journal of the Korean Society for Geothermal and Hydrothermal Energy
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v.8
no.1
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pp.21-31
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2012
This paper reviewed and evaluated some of the commonly used prediction models for thermal conductivity of soils with the experimental data. Semi-theoretical models for two-component materials were found inappropriate to estimate the thermal conductivity of dry state soils. It came out that the model developed by Cote and Konrad gave the best overall prediction results for unsaturated soils available in the literature. However, it still needs to be improved to cover a wider range of soil types and degrees of saturation. In the present study, parametric analysis is also conducted to investigate the effect of soil type and moisture content on the horizontal ground heat exchanger design. The analysis shows that horizontal ground heat exchanger pipe length is reduced with the increase of soil thermal conductivity and water content. The calculation results also show that horizontal ground heat exchanger size can be reduced to a certain extent by using backfilling material with a higher thermal conductivity of solid particles.
Detailed investigations were carried out on the stability of the dredged soil bed against wave actions, aimedat establishing the design method of artificial tidal flats using dredged soil. The soil was dredged at Nagoya port, Japan, and has a mean grain size of 0.013mm. Basic features of artificial dredged soil bed against wave actions were explained from a series of model experiments in a wave flume. The two types of section shapes were employed; one is a horizontal bed and the other is a sloped one. Changes of the bed profile, shear strength, grain size distribution and water content, according to the wave actions, were measured in detail. The cumulative effect of the wave actions, over about one week, was investigated. A dredged soil bed moves withthe wave actions with relatively small wave height. It should be especially. noted that the clay component is dissolved and flown out, away from the surface layer, and consequently the surface layer hardens, as if it is covered with sand. Wren the wave height is gradually increased, the bed is not liquefied and the shear strength of the dredged bed is increased by a wave-induced dissipation of pore pressures in the bed and a decrease of clay component by the wave-induced leakage.
Kim, Mincheol;Inakazu, Toyono;Koizumi, Akira;Koo, Jayong
Environmental Engineering Research
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v.18
no.1
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pp.37-43
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2013
Water distribution pipes installed underground have potential risks of pipe failure and burst. After years of use, pipe walls tend to be corroded due to aggressive soil environments where they are located. The present study aims to assess the degree of external corrosion of a distribution pipe network. In situ data obtained through test pit excavation and direct sampling are carefully collated and assessed. A statistical approach is useful to predict severity of pipe corrosion at present and in future. First, criteria functions defined by discriminant function analysis are formulated to judge whether the pipes are seriously corroded. Data utilized in the analyses are those related to soil property, i.e., soil resistivity, pH, water content, and chloride ion. Secondly, corrosion factors that significantly affect pipe wall pitting (vertical) and spread (horizontal) on the pipe surface are identified with a view to quantifying a degree of the pipe corrosion. Finally, a most reliable model represented in the form of a multiple regression equation is developed for this purpose. From these analyses, it can be concluded that our proposed model is effective to predict the severity and rate of pipe corrosion utilizing selected factors that reflect the fuzzy soil environment.
Seismic base isolation has been accepted as one of the most popular design procedures to protect important structures against earthquakes. However, due to lack of information and experimental data the application of base isolation is quite limited to nuclear power plant (NPP) industry. Moreover, the effects of inelastic behavior of soil beneath base-isolated NPP have raised questions to the effectiveness of isolation device. This study applies the wavelet analysis to investigate the effects of soil-structure interaction (SSI) on the seismic response of a base-isolated NPP structure. To evaluate the SSI effects, the NPP structure is modelled as a lumped mass stick model and combined with a soil model using the concept of cone models. The lead rubber bearing (LRB) base isolator is used to adopt the base isolation system. The shear wave velocity of soil is varied to reflect the real rock site conditions of structure. The comparison between seismic performance of isolated structure and non-isolated structure has drawn. The results show that the wavelet analysis proves to be an efficient tool to evaluate the SSI effects on the seismic response of base-isolated structure and the seismic performance of base-isolated NPP is not sensitive to the effects in this case.
Based on the effective stress principle, a new formula for shear strength of unsaturated soil is derived under the general nonlinear Mohr-Coulomb (M-C) strength criterion to improve the classical strength criterion of unsaturated soil. Meanwhile, the simple irrigation model under steady seepage is adopted to obtain the distribution of the matrix suction or the degree of saturation (DOS) above the groundwater table in the slope. Then, combined with the improved strength criterion of unsaturated soil and the simple irrigation model under steady seepage, the limit equilibrium (LE) solutions for the unsaturated slope stability are established according to the global LE conditions of the entire sliding body with assumption of the stresses on the slip surface. Compared to the classical strength criterion of unsaturated soil, not only the cohesion soil but also the internal friction angle is affected by the matric suction or the DOS in the improved strength criterion. Moreover, the internal friction angle related to the matric suction has the nonlinear characteristics, particularly for a small of the matric suction. Thereafter, the feasibility of the present method is verified by comparison and analysis on some slope examples. Furthermore, stability charts are also drawn to quickly analyze the unsaturated slope stability.
A major concern in deep excavation project in soft clay deposits is the potential for adjacent buildings to be damaged as a result of the associated excessive ground movements. In order to accurately determine the wall deflections using a numerical procedure such as the finite element method, it is critical to use the correct soil parameters such as the stiffness/strength properties. This can be carried out by performing an inverse analysis using the measured wall deflections. This paper firstly presents the results of extensive plane strain finite element analyses of braced diaphragm walls to examine the influence of various parameters such as the excavation geometry, soil properties and wall stiffness on the wall deflections. Based on these results, a multivariate adaptive regression splines (MARS) model was developed for inverse parameter identification of the soil relative stiffness ratio. A second MARS model was also developed for inverse parameter estimation of the wall system stiffness, to enable designers to determine the appropriate wall size during the preliminary design phase. Soil relative stiffness ratios and system stiffness values derived via these two different MARS models were found to compare favourably with a number of field and published records.
The upsurge of population, internal migration, economic activities and developmental works has brought significant land use and land cover (LULC) change over the period of 1990 and 2010 in the Bagmati basin of Nepal. Along with alteration on various other ecosystem services like water yield, water quality, soil loss etc. carbon sequestration is also altered. This study thus primary deals with evaluation of LULC change and its impact on the soil carbon storage for the period 1990 to 2010. For the evaluation, InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs) Carbon model is used. Residential and several other infrastructural development activities were prevalent on the study period and as a result in 2010 major soil carbon reserve like forest area is decreased by 7.17% of its original coverage in 1990. This decrement has brought about a subsequent decrement of 1.39 million tons of carbon in the basin. Conversion from barren land, water bodies and built up areas to higher carbon reserve like forest and agriculture land has slightly increased soil carbon storage but still, net reduction is higher. Thus, the spatial output of the model in the form of maps is expected to help in decision making for future land use planning and for restoration policies.
Ground motions recorded in near-fault sites, where the rupture propagates toward the site, are significantly different from those observed in far-fault regions. In this research, finite element modeling is used to investigate the effect of pile cap stiffness on the seismic response of soil-pile-structure systems under near-fault ground motions. The Von Wolffersdorff hypoplastic model with the intergranular strain concept is applied for modeling of granular soil (sand) and the behavior of structure is considered to be non-linear. Eight fault-normal near-field ground motion records, recorded on rock, are applied to the model. The numerical method developed is verified by comparing the results with an experimental test (shaking table test) for a soil-pile-structure system. The results, obtained from finite element modeling under near-fault ground motions, show that when the value of cap stiffness increases, the drift ratio of the structure decreases, whereas the pile relative displacement increases. Also, the residual deformations in the piles are due to the non-linear behavior of soil around the piles.
Soils are natural granular materials whose mechanical properties differ according to the size and composition of the particles, so soils exhibit an obvious scale effect. Traditional soil mechanics is based on continuum mechanics, which can not reflect the impact of particle size on soil mechanics. On that basis, a matrix-reinforcing-particle cell model is established in which the reinforcing particles are larger-diameter sand particles and the matrix comprises smaller-diameter bentonite particles. Since these two types of particles deform differently under shear stress, a new shear-strength theory under direct shear that considers the stress concentration and bypass phenomena of the matrix is established. In order to verify the rationality of this theory, a series of direct shear tests with different reinforcing particle diameter and volume fraction ratio are carried out. Theoretical analysis and experimental results showed that the interaction among particles of differing size and composition is the basic reason for the size effect of soils. Furthermore, the stress concentration and bypass phenomena of the matrix enhance the shear strength of a soil, and the volume ratio of reinforcing particles has an obvious impact on the shear strength. In addition, the newly proposed shear-strength theory agrees well with experimental values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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