The validation based on the experimental data demonstrates that the concrete strength under triaxial compression (TC) is overestimated by Lubliner-Oller strength criterion (SC) but underestimated by Lubliner-Lee SC in ABAQUS. Moreover, the discontinuous derivatives of failure criterion exists near the unexpected breakpoints. Both resulted from the piecewise linear meridians of the original Lubliner SC with constants γ. Following the screen for the available failure criteria to determine the model parameter γ of Lubliner SC, Menétrey-Willam SC (MWSC) is considered the most promising option with a reasonable aspect ratio Kc but no other strength values required and only two new model parameters introduced. The failure surface of the new Lubliner SC based on MWSC (Lubliner-MWSC) is smooth and has no breakpoints along the hydrostatic pressure (HP) axis. Finally, predicted results of Lubliner-MWSC are compared with other concrete failure criteria and experimental data. It turns out that the Lubliner-MWSC can represent the concrete failure behavior, and MWSC is the optimal choice to improve the applicability of the concrete damaged plasticity model (CDPM) under TC in ABAQUS.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.925-930
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2006
During the excavation of a tunnel portal, failure zones around the tunnel heading occur and also the ground supports itself. In a portal, its location and the ground characteristic have a great influence on the stability of the tunnel. Therefore, the failure mechanism of a tunnel heading and how to assess the stability of the tunnel are very important. In this paper, the numerical analyses were executed to evaluate the safety factor using strength reduction technique. The influence area of an excavation was also predicted through a case study in which no-support case and support case with the Pattern P-6 were compared in terms of the ground class and the shear strain.
International conference on construction engineering and project management
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2013.01a
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pp.576-582
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2013
Typical highway infrastructure systems include roadway pavement, drainage systems, tunneling, and other hardware components such as guardrails, traffic signs, and lighting. Tunnels in a highway system have provided significant advantages to overcoming various natural challenges including crossing underneath bodies of water or through mountainous areas. While only a few tunnel failure cases have been reported, the failure rate is likely to increase as these assets age and because agencies have not emphasized tunneling asset management. A tunnel system undergoes a deterioration life cycle pattern that is similar to other infrastructure systems. There are very few agencies in the United States implementing comprehensive tunnel asset management programs. While current tunnel asset management programs focus on inspection, maintenance, and operation safety, there is an increasing need for the development of a comprehensive life cycle tunnel asset management program. This paper describes a conceptual framework for a comprehensive tunnel asset management program. The framework consists of three basic phases including a strategic plan, a tactical plan, and an operational plan to provide better information to the decision makers. The strategic plan is a basic long term approach of tunnel asset management. The tactical plan determines specific objectives and the operational plan actually applies asset management objectives in practice. The information includes operational condition, structural condition, efficiency of the system, emergency response, and life cycle cost analysis for tunnel capital improvement project planning.
In this study, both 2D and 3D failure shapes of rock mass above the water-filled cavity are put forward when the surrounding rock mass cannot bear the pressure caused by the water-filled cavity. Based on the analytical expressions derived by kinematic approach, the profiles of active and passive failure patterns are plotted. The sensitivity analysis is conducted to explore the influences of different rock parameters on the failure profiles. During the excavation of the deep tunnels above the karst cavity, the water table always changes because of progressive failure of cavity roof. Therefore, it is meaningful to discuss the effects of varying water level on the failure patterns of horizontal rock layers. The changing laws of the scope of the failure pattern obtained in this work show good consistency with the fact, which could be used to provide a guide in engineering.
This paper presents a novel methodology for face stability assessment of rock tunnels under water table by combining the kinematical approach of limit analysis and numerical simulation. The tunnels considered in this paper are excavated in fractured rock masses characterized by the Hoek-Brown failure criterion. In terms of natural rock deposition, a more convincing case of depth-dependent mi, GSI, D and ${\sigma}_c$ is taken into account by proposing the horizontally layered discretization technique, which enables us to generate the failure surface of tunnel face point by point. The vertical distance between any two adjacent points is fixed, which is beneficial to deal with stability problems involving depth-dependent rock parameters. The pore water pressure is numerically computed by means of 3D steady-state flow analyses. Accordingly, the pore water pressure for each discretized point on the failure surface is obtained by interpolation. The parametric analysis is performed to show the influence of depth-dependent parameters of $m_i$, GSI, D, ${\sigma}_c$ and the variation of water table elevation on tunnel face stability. Finally, several design charts for an undisturbed tunnel are presented for quick calculations of critical support pressures against face failure.
The ice damage occurs frequently in cold and dry region of western China in winter ice period and spring thaw period. In the drift ice condition, it is easy to form different extrusion force or impact force to damage tunnel lining, causing project failure. The failure project could not arrive the original planning and construction goal, giving rise to the water allocation pressure which influences diversion irrigation and farming production in spring. This study conducts the theoretical study on contact-impact algorithm of drift ices crashing diversion tunnel based on the symmetric penalty function in finite element theory. ANSYS/LS-DYNA is adopted as the platform to establish tunnel model and drift ice model. LS-DYNA SOLVER is used as the solver and LS-PREPOST is used to do post-processing, analyzing the damage degrees of drift ices on tunnel. Constructing physical model in the experiment to verify and reveal the impact damage mechanism of drift ices on diversion tunnel. The software simulation results and the experiment results show that tunnel lining surface will form varying degree deformation and failure when drift ices crash tunnel lining on different velocity, different plan size and different thickness of drift ice. The researches also show that there are damages of drift ice impact force on tunnel lining in the thawing period in cold and dry region. By long time water scouring, the tunnel lining surfaces are broken and falling off which breaks the strength and stability of the structure.
In this study, a new analytical-numerical procedure is developed to give the stresses and strains around a circular tunnel in rock masses exhibiting different stress-strain behavior. The calculation starts from the tunnel wall and continues toward the unknown elastic-plastic boundary by a finite difference method in the annular discretized plastic zone. From the known stresses in the tunnel boundary, the strains are calculated using the elastic-plastic stiffness matrix in which three dimensional Hoek-Brown failure criterion (Jiang and Zhao 2015) and Mohr-Coulomb potential function with proper dilation angle (i.e., non-associated flow rule) are employed in terms of stress invariants. The illustrative examples give ground response curve and show correctness of the proposed approach. Finally, from the results of a great number of analyses, a simple relationship is presented to find out the closure of circular tunnel in terms of rock mass strength and tunnel depth. It can be valuable for the preliminary decision of tunnel support and for prediction of tunnel problems.
Shield tunneling method is widely used to build tunnels in complex geological environment. Stability control of tunnel face is the key to the safety of projects. To improve the excavation efficiency or perform equipment maintenance, the excavation chamber sometimes is not fully filled with support medium, which can reduce the load and increase tunneling speed while easily lead to ground collapse. Due to the high risk of the face failure under non-fully support mode, the tunnel face stability should be carefully evaluated. Whether compressive air is required for compensation and how much air pressure should be provided need to be determined accurately. Based on the upper bound theorem of limit analysis, a non-fully support rotational failure model is developed in this study. The failure mechanism of the model is verified by numerical simulation. It shows that increasing the density of supporting medium could significantly improve the stability of tunnel face while the increase of tunnel diameter would be unfavorable for the face stability. The critical support ratio is used to evaluate the face failure under the nonfully support mode, which could be an important index to determine whether the specific unsupported height could be allowed during shield tunneling. To avoid of face failure under the non-fully support mode, several charts are provided for the assessment of compressed air pressure, which could help engineers to determine the required air pressure for face stability.
In the design stage of a tunnel, the wall convergence is commonly estimated through an elasto-plastic analysis of the tunnel, which has been a topic drawing many researcher's attention so far. Despite its importance, however, the elasto-plastic behavior of a circular tunnel excavated in a generalized Hoek-Brown rockmass is still poorly understood. In this study, a simple munerical method based on Lee & Pietruszczak (2008) for the elasto-plastic analysis of a circular tunnel surrounded by reinforced annulus is proposed. It is assumed that the tunnel is excavated in a strain-softening rockmass obeying the generalized Hoek-Brown failure condition. The commercial code FLAC is used for the verification of the proposed method. The influence of the Hoek-Brown strength parameter a and the thickness of the reinforcement annulus on the elasto-plastic behavior around the tunnel was discussed by conducting some example analyses. The results show that the influence of these two parameters on the distribution of stresses and displacements is substantial.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1999.03a
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pp.315-322
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1999
The probabilistic keyblock concept which was based upon block theory was applied to the example site by using the observed block moulds data. The more was the block failure likelihood (P(B)) which was defined by the product of the joint combination probability, the shape parameter and the instability parameter, the more were the frequencies of failures observed. If we can acquire these data during a tunnel construction stage, they will be used as a very useful data to construct another tunnel in the neighborhood. Furthermore, a sedimentary rock may have larger P(B) values than a crystalline rock, and for the given P(B) value, the percent block moulds are larger in the former than latter.
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