Koltuk, Serdar;Fernandez-Steeger, Tomas M.;Azzam, Rafig
Geomechanics and Engineering
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v.9
no.4
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pp.513-530
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2015
Commonly, the base stability of sheeted excavation pits against seepage failure by heave is evaluated by using two-dimensional groundwater flow models and Terzaghi's failure criterion. The objective of the present study is to investigate the effect of three-dimensional groundwater flow on the heave for sheeted excavation pits with various dimensions. For this purpose, the steady-state groundwater flow analyses are performed by using the finite element program ABAQUS 6.12. It has been shown that, in homogeneous soils depending on the ratio of half of excavation width to embedment depth b/D, the ratio of safety factor obtained from 3D analyses to that obtained from 2D analyses $FS_{(3D)}/FS_{(2D)}$ can reach up to 1.56 and 1.34 for square and circular shaped excavations, respectively. As failure body, both an infinitesimal soil column adjacent to the wall (Baumgart & Davidenkoff's criterion) and a three-dimensional failure body with the width suggested by Terzaghi for two-dimensional cases are used. It has been shown that the ratio of $FS_{(Terzaghi)}/FS_{(Davidenkoff)}$ varies between 0.75 and 0.94 depending on the ratio of b/D. Additionally, the effects of model size, the shape of excavation pit and anisotropic permeability on the heave are studied. Finally, the problem is investigated for excavation pits in stratified soils, and important points are emphasized.
In the case of two-dimensional analysis generally applied in the analysis of Earth Retaining Wall, mutual interference occurs due to earth pressure, when the excavation width is small, and in the section where the excavation width is small, and the resulting influence makes it difficult to secure reliability in the horizontal displacement of the retaining wall when performing 2-dimensional analysis in a section with a small excavation width. This study performed two-dimensional and three-dimensional finite element analyses on excavation depth (H) and excavation width (B) under various conditions for the H-pile earth wall, in the geological conditions of clayey soil, sandy soil, and weathered rock, and examined the relationship between excavation width and horizontal displacement according to each condition, to identify the boundary of the excavation width, which is the range of mutual interference caused by earth pressure. As a result, it was possible to clearly distinguish the analytical boundary according to the excavation width only in the clayey soils with relatively large horizontal displacement. It is concluded that it is reasonable to perform a 3D finite element analysis, which is similar to the actual behavior, if the excavation scale (B/H) is 2.0 or less, with the digging width less than 12 m at a digging depth of 10 m or less, and with the the one less than 24 m at a digging depth of 10 m or more, and that 2-dimensional finite element analysis may be used in cases where the excavation width is greater than 12 m when the excavation scale (B/H) is 2.0 or more and the excavation depth is 10 m or less, and the excavation width is greater than 24 m at an excavation depth of 10 m or more.
Geological and geotechnical surveys, in general, should precede the excavation to ensure the safety of the tunnel and should be followed up according to the various geological condition during the excavation. However actually the standard support patterns which were decided during the design step used be insisted for the whole excavation steps in spite of the various geological conditions. OO tunnel was excavated with NATM and a support pattern type-V in weak rocks. When the tunnel was excavated up to 25m long, the severe displacement was generated in the portal area and the shotcrete was damaged to make the cracks and the tunnel face was totally collapsed. It might happen owing to the one-day heavy rain, but the exact reason for that accident should be found out and the new optimal support patternt needed. Consequently three dimensional numerical analysis was applied for the evaluation of the cause of the tunnel collapse instead of two dimensional analysis, because three dimensional analysis can show better the real field phenomenon than two dimensional analysis in which the load distribution methods are adopted for the tunnel excavation. We could simulate the actual situations with three dimensional finite difference code and propose the new optimal support patterns.
Wanchun Chen;Lixian Tang;Haijun Zhao;Qian Yin;Shuang Dong;Jie Liu;Zhaohan Zhu;Xiaodong Ni
Geomechanics and Engineering
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v.34
no.2
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pp.115-124
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2023
By conducting three-dimensional simulation with consideration of small-strain characteristics of soil stiffness, the effects of excavation geometry and tunnel cover to diameter ratio on deformation mechanisms of an existing tunnel located either at a side of basement or directly underneath the basement were systematically studied. Field measurements were used to verify the numerical model and model parameters. For basement excavated at a side of an existing tunnel, the maximum settlement and horizontal displacement of the tunnel are always observed at the tunnel springline closer to basement and tunnel crown, respectively, regardless of basement geometry. By increasing basement length and width by five times, the maximum movements of tunnel located at the side of basement and directly underneath the basement increase by 450% and 186%, respectively. Obviously, tunnel movements are more sensitive to basement length rather than basement width. For basement excavated at a side of an existing tunnel, tunnel movements at basement centerline become stable when basement length reaches 10 He (i.e., final excavation depth). Moreover, tunnel heaves due to overlying basement excavation become stable when the normalized basement length (L/He) is larger than 8.0. As tunnel cover to diameter ratio varies from 2.5 to 3.0, the maximum heave and tensile strain of tunnel due to overlying basement excavation decrease by up to 41.0% and 44.5%, respectively. If basement length is less than 8 He, the assumption of plane strain condition of basement-tunnel interaction grossly overestimates tunnel movements, and ignores tensile strain of tunnel along its longitudinal direction. Thus, three-dimensional numerical analyses are required to obtain a reasonable estimation of tunnel responses due to adjacent and overlying basement excavations in clay.
In this study, a series of three-dimensional numerical parametric study was conducted to investigate deformation mechanisms of an existing box culvert due to an adjacent multi-propped basement excavation in clays. Field measurements from an excavation case history are first used to calibrate a baseline Hardening Soil Small Strain (HS-small) model, which is subsequently adopted for parametric study. Results indicate that the basement-box culvert interaction along the basement centerline can be considered as a plane strain condition when the length of excavation (L) reaches 14 He (i.e., final excavation depth). If a plane strain condition (i.e., L/He=12.0) is assumed for analyzing the basement-box culvert interaction of a short excavation (i.e., L/He=2.0), the maximum settlement and horizontal movement of the box culvert are overestimated significantly by up to 15.7 and 5.1 times, respectively. It is also found that the deformation of box culvert can be greatly affected by the basement excavation if the distance between the box culvert and retaining wall is less than 1.5 He. The induced deformation in the box culvert can be dramatically reduced by improving the ground inside the excavation or implementing other precautionary measures. For example, by adding jet grouting columns within the basement and installing an isolation wall behind the retaining structures, the maximum settlements of box culvert are shown to reduce by 37.2% and 13.4%, respectively.
This paper presents the results of deformation measurement and numerical analysis carried out to study the behaviour of the rock mass around large underground oil storage caverns. Displacements during excavation have been monitored using borehole extensometers which had been installed before the excavation of caverns proceeded. Numerical analysis has been carried out to examine the three-dimensional behaviour of rock and the face advance effect. The input parameters for this analysis were determined from the results of laboratory and field tests. The deformation modulus of the rock mass was determined from plate loading test at the site and in-situ stresses were measured from the overcoring method with USBM deformation gauge. The results from this study gave a clear picture for three-dimensional behaviour of the rock mass, hence would be used for the optimum design.
This paper analyzed the effects related to the difference of the geometrical shape of the ground excavation by comparing the displacements of the earth retaining wall of the strut resulting from the change of the excavation breadth B and the excavation length L, adopting the three dimensional FDM analysis. It appeared that the displacement of the earth retaining wall of the strut increases in accordance with the increase of L/B and it decreases as it becomes nearer from the center to the comer where the temporary structural system forms, and the wale member is closured because of the effects of the confining effect by the closure of the earth retaining wall and the wale member. This paper proposed a formula in which the results of three dimensional FDM analysis which considers the shape of the excavation plane can be obtained from those of two dimentional FDM analysis which does not consider the shape of the excavation plane. And the results of the formula were compared with those of the site instrumentation analysis.
Near-surface excavations may cause the tilting and destruction of the adjacent superstructures in big cities. The stability of a huge excavation and its nearby superstructures was studied in this paper. Some test instruments monitored the deformation and loads at the designed location. Then the numerical models of the excavation were made in FLAC3D (a three-dimensional finite difference code) and Plaxis-3D (a three-dimensional finite element code). The effects of different supporting and reinforcement tools such as nails, piles, and shotcretes on the stability and bearing capacity of the foundation were analyzed through different numerical models. The numerically approximated results were compared with the corresponding in-field monitored results and reasonable compatibility was obtained. It was concluded that the displacement in excavation and the settlement of the nearby superstructure increases gradually as the depth of excavation rises. The effects of support and reinforcements were also observed and modeled in this study. The settlement of the structure gradually decreased as the supports were installed. These analyses showed that the pile significantly increased the bearing capacity and decreased the settlement of the superstructure. As a whole, the monitoring and numerical simulation results were in good consistency with one another in this practically important project.
In the present study, a method of the three-dimensional limit equilibrium stability analysis of shape of the potential failure wedge for the concave-shaped excavation corner is assumed on the basis of the results of the FLACSU program analysis. Estimation of the three-dimensional seepage forces expected to act on the failure wedge is made by solving the three-dimensional continuity equation of flow with appropriate boundary conditions. By using the proposed method of three-dimensional stability analysis of the concave-shaped excavation corner, a parametric study is performed to examine the reinforcement effect of skew soil nailing system, range of the efficient skew angles and seepage effect on the overall stability. Also examined is the effect of an existence of the right-angled excavation corner on three-dimensional deflection behaviors of the convex-shaped skew soil nailing walls. The results of analyses of the convexshaped excavation corner with skew soil nailing system is further included to illustrate the effects of various design parameters for typical patterns of skew nails reinforcement system.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.4
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pp.717-729
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2018
Considering the stability of the ground in the process of excavation design is essential because there is a risk of basal heave due to the load of the surrounding ground during the vertical excavation. However, calculation of the factor of safety for basal heave should be performed with two-dimensional equation, and the equation cannot reflect three-dimensional shape of vertical excavation. In this study, an equation for factor of safety for the basal heave was proposed with considering the effect of three-dimensional shape. It is confirmed that the equation can more appropriately reflect the basal heave stability 3D circular vertical excavation than the existing equation. Using the equation proposed in this study, it is possible to derive an appropriate factor of safety according to the 3D excavation shape during the circular vertical shaft excavation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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