Tunnel and Underground Space (터널과지하공간)

Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering (한국암반공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Stability Analysis of Concrete Plugs Using a 3-D Failure Criterion

3차원 파괴조건식을 이용한 콘크리트 플러그의 안전도 평가

  • 이연규 (군산대학교 해양과학대학 해양건설공학과) ;
  • 송원경 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ;
  • 박철환 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) ;
  • 최병희 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부)
  • Received : 2011.11.29
  • Accepted : 2011.12.12
  • Published : 2011.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

A new failure criterion for concrete, which takes into account the effect of the intermediate principal stress, is proposed. The new criterion, which takes the advantages from both the Mohr-Coulomb and the Willam-Warnke criteria, is linear in the meridian section, while its octahedral section is always smooth and convex. Fitting the triaxial compression data with the proposed criterion shows the high performance of the new criterion. A new formula for the factor of safety of concrete is defined based on the new failure criterion and it is employed in the stability analysis of the concrete plugs installed in the pilot plant. The new formula for the factor of safety measures the degree of closeness of a stress state to the failure surface in the octahedral plane. Finally, 3-D finite element analyses of pilot plant were carried out to obtain the stress distributions in the plugs. Then, the stress distributions are converted to those of factor of safety by use of the proposed formula. Based on the distribution of factor of safety in the concrete plugs, the stability of the tapered and wedge-shaped plugs is evaluated.

중간주응력을 고려할 수 있는 새로운 콘크리트 파괴조건식을 제안하였다. 제안된 파괴조건식은 Mohr-Coulomb 파괴조건식과 Willam-Warnke의 파괴조건식의 장점을 수용하고 있으므로 자오면에서는 선형파괴식으로 나타나고 팔면체응력면에서는 항상 볼록인 궤적을 보이며 특이성을 갖지 않는다. 진삼축압축시험 결과를 이용한 회귀분석을 통하여 제안된 파괴조건식의 적합성을 검증하였다. 제안된 파괴조건식에 기초한 안전율 공식을 정의하고 이를 파일롯 플랜트에 설치된 콘크리트 플러그의 안전도 해석에 이용하였다. 제안된 안전율 공식은 팔면체응력면에서 응력상태 점의 파괴곡면에 대한 접근도를 의미한다. 마지막으로 플러그의 응력분포를 계산하기 위해 파일롯 플랜트에 대한 3차원 응력해석을 실시하였다. 플러그의 응력분포는 제안된 안전율 공식을 이용하여 안전율 분포로 변환시켰다. 콘크리트 플러그의 안전율 분포특성 분석을 통해 테이퍼형 및 쐐기형 플러그의 안전도를 평가하였다.

Keywords

References

  1. 김택곤, 김지연, 이진무, 2008, 압축공기에너지 저장(CAES)의 현황과 전망, 2008 한국암반공학회 춘계학술발표회 논문집, pp. 123-131.
  2. 김형목, 류동우, 정소걸, 송원경, 2009a, 복공식 압축공기 지하저장을 위한 가변성 분할 라이닝 터널기술, 터널과 지하공간(한국암반공학회지), Vol. 19, pp. 77-85.
  3. 김형목, 류동우, 정소걸, 송원경, 2009b, 일본의 압축공기 지하암반저장 기술, 2009 한국암반공학회학술발표회 논문집, pp. 9-19.
  4. 이연규, 송원경, 박철환, 최병희, 2010, 압축공기 저장용 파이롯 터널에 설치된 콘크리트 플러그의 안정성 해석, 터널과 지하공간(한국암반공학회지), Vol. 20, pp. 446-454.
  5. 이연규, 2011, Mohr-Coulomb 파괴곡면에 근사하는 암석의 3차원 파괴조건식 고찰, 터널과 지하공간(한국암반공학회지), Vol. 21, pp. 93-102.
  6. 한국지질자원연구원(KIGAM), 2010, 압축공기에너지 지하저장 pilot plant 구축 상세 설계 용역 설계보고서.
  7. Al-Ajmi, A. M. and Zimmerman, R. W., 2005, Relation between the Mogi and the Coulomb failure criteria, Int J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 42, pp. 431-439. https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.11.004
  8. Chang, C. and Haimson, B. C., 2000a, A new true triaxial cell for testing mechanical properties of rock and its use to determine rock strength and deformability of Westerly granite, Int J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 37, pp. 285-296. https://doi.org/10.1016/S1365-1609(99)00106-9
  9. Chang, C. and Haimson, B. C., 2000b, True triaxial strength and deformability of the German Continental deep drilling program (KTB) deep hole amphibolite, J. Geophys. Res., Vol. 105, pp. 18999-19013. https://doi.org/10.1029/2000JB900184
  10. Colmenares, L. B. and Zoback, M. D., 2002, A statistical evaluation of intact rock failure criteria constrained by polyaxial test data for five different rocks, Int J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 39, pp. 695-729. https://doi.org/10.1016/S1365-1609(02)00048-5
  11. Drucker, D. and Prager, W., 1952, Soil mechanics and plastic analysis or limit design. Q. Appl. Math., Vol. 10, pp. 157-165. https://doi.org/10.1090/qam/48291
  12. Drucker, D., 1959, A definition of stable inelastic material, J. Appl. Mech., Vol. 26, pp. 101-106.
  13. Ewy, R., 1999, Wellbore-stability predictions by use of a modified Lade criterion. SPE Drill Completion, Vol. 14(2), pp. 85-91. https://doi.org/10.2118/56862-PA
  14. Launay, P. and Gachon H., 1972, Strain and ultimate strength of concrete under triaxial stress, Paper 13, ACI Special Publication 34, American Concrete Institute.
  15. Mogi K., 1967, Effect of the intermediate principal stress on rock failure, J. Geophys. Res., Vol. 72, pp. 5117-5131. https://doi.org/10.1029/JZ072i020p05117
  16. Mogi, K., 1971, Fracture and flow of rocks under high triaxial compression. J. Geophys. Res., Vol. 76, pp. 1255-1269. https://doi.org/10.1029/JB076i005p01255
  17. Mogi, K., 2007, Experimental rock mechanics, Taylor & Francis.
  18. Nayak, G. C. and Zienkiewicz, O. C., 1972, Convenient forms of stress invariants for plasticity. J. Struct. Div. ASCE, Vol. 98, pp. 949-953.
  19. Solidworks Corp., 2007, Solidworks 2007.
  20. Takahashi, M. and Koide, H., 1989, Effect of the intermediate principal stress on strength and deformation behavior of sedimentary rocks at the depth shallower than 2000m, Rock at great depth (V. Maury & D. Fourmaintraux Ed.), Vol 1, 19-26.
  21. Willam, K. J. and Warnke, E. P., 1974, Constitutive model for triaxial behavior of concrete, Colloquium on Concrete Structures Subjected to Triaxial Stresses, ISMES Bergamo, IABSE Report, 19.
  22. Zhou, S., 1994, A program to model the initial shape and extent of borehole breakout. Comput. Geosci., Vol. 20, pp. 1143-1160. https://doi.org/10.1016/0098-3004(94)90068-X