Numerical simulations by three-dimensional Particle Flow Code($PFC^{3D}$, Itasca) considering distinct element method (DEM) were carried out for prediction of triaxial compression test with sand material. The effect of scale conditions for numerical model and distinct material on final prediction results was analyzed by numerical models under various scale conditions, and following observations were made from the numerical experiments. It is very useful to model the initial material condition without any porosity conversion from 2-D to 3-D DEM. Numerical experiments have shown that in all cases considered, 3D distinct element modeling could provide good agreement on stress-strain behavior, volume change and strength properties with laboratory testing results. It was important thing to assess reasonable scale ratio of numerical model and distinct elements for saving calculation time and securing calculation efficiency under condition with accuracy and appropriateness as numerical laboratory. As results of DEM simulations under various scale conditions, most of results show that shear strength properties as cohesion and internal friction angle are similar in condition of $D_{mod}/D_{gmax}$ < 10. It shows that 3-D distinct element method could be used as efficient tool to assess strength properties by numerical laboratory technique.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.4
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pp.267-274
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2024
Hydrogen embrittlement fracture poses a challenge in ensuring the structural integrity of materials exposed to hydrogen-rich environments. This study advances our comprehension of hydrogen-induced fracture through an integrated numerical modeling approach. In addition, it employs a ductile fracture model named the Gurson-cohesive model (GCM) and hydrogen diffusion analysis. GCM is employed as a fracture model that combines the Gurson model to illustrate the continuum damage evolution and the cohesive zone model to describe crack surface discontinuity and softening behavior. Moreover, porosity and stress triaxiality are considered as crack initiation criteria . A hydrogen diffusion analysis is also integrated with the GCM to account for hydrogen enhanced decohesion (HEDE) mechanisms and their subsequent impacts on crack initiation and propagation. This framework considers the influence of hydrogen on the softening behavior of the traction-separation relationship on the discontinuous crack surface. Parametric studies explore the sensitivity to diffusion properties and hydrogen-induced fracture properties. By combining numerical models of hydrogen diffusion and the ductile fracture model, this study provides an understanding of hydrogen-induced fracture and thereby contributes significantly to the ongoing efforts to design materials that are resilient to hydrogen embrittlement in practical engineering applications.
In this study, a new methodology for the assessment of liquefaction potential is proposed. Since there is no data on the liquefaction damage in Korea, the dynamic behavior of fully saturated soils is characterized through laboratory dynamic tests. There are two experimental parameters related to the soil liquefaction resistance characteristics : the one is the index of disturbance determined by $G/G_{max}$ curve and the other is a plastic shear strain trajectory evaluated from stress-strain curve. The proposed methodology takes advantage of the site response analysis based on real earthquake records to determine the driving effect of earthquake. In the evaluation of liquefaction resistance characteristics, it is verified experimentally that the magnitude of cyclic shear stress has no influence on the critical value of plastic shear strain trajectory at which the initial liquefaction occurs. Cyclic triaxial tests under the conditions of various cyclic stress ratios and torsional shear tests are carried out far the purpose of verification. Through this study, the critical value at the initial liquefaction is found unique regardless of the cyclic stress ratio. It is also f3und that liquefaction resistance curve drawn with disturbance and plastic shear strain trajectory can simulate the behavior of fully saturated soils under dynamic loads.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.11
no.2
s.54
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pp.81-94
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2007
In most experimental researches on the liquefaction phenomenon, an earthquake as a random vibration has been regraded as a sinusoidal wave or a triangular wave with an equivalent amplitude. Together with the development in the part of signal control and data acquisition, dynamic experimental equipments in the soil dynamics have also developed rapidly and further more, several real earthquakes have been simulated in the large model test such as shaking table tests and centrifuge tests. In Korea, several elementary laboratory tests to simulate the real earthquake load were performed. From these test results, it was reported that the sinusoidal wave cannot reliably reflect the soil dynamic behavior under the real earthquake motion. In this study, 4 types of dynamic motions such as the sinusoidal wave, the triangular wave, the incremental triangular wave and several real earthquake motions which were classified with shock-type and vibration-type were loaded to find something new to explain the change of the excess pore water pressure under the real earthquake load. Through the detailed investigation and comparison on all test results, it is found that the dynamic flow is generated by the soil plastic deformation and the velocity head of dynamic flow is changed the pressure head in the un-drained condition. It can be concluded that the change of the excess pore water pressure is related to the pressure head of dynamic flow. Lastly, a new hypothesis to explain such a liquefaction initiation phenomenon under the real earthquake load is also proposed and verified.
To numerically simulate the advance of EPB TBM, various type of numerical analysis methods have been adopted including discrete element method (DEM), finite element method (FEM), and finite difference method (FDM). In this paper, an EPB TBM driving model was proposed by using coupled DEM-FDM. In the numerical model, DEM was applied in the TBM excavation area, and contact properties of particles were calibrated by a series of triaxial tests. Since the ground around the excavation area was coupled with FDM, the horizontal stress considering the coefficient of earth pressure at rest could be applied. Also, the number of required particles was reduced and the efficiency of the analysis was increased. The proposed model can control the advance rate and rotational speed of the cutter head and screw conveyor, and derive the torque, thrust force, chamber pressure, and discharging during TBM tunnelling.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.3C
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pp.93-102
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2011
Most experimental studies on soil liquefaction are related to clean sands. However, soils in the field or reclaimed grounds commonly contain some amounts of silt and clay rather than clean sand only. Many researchers investigated the effect of fine contents on liquefaction resistance and mainly used non-plastic fines such as silts. In this study, 10% of plastic fines with various plasticity index (PI) such as 8, 18, 50, and 377 were mixed with wet Nakdong River sand and then loose, medium, and dense specimens were prepared by undercompaction method. A series of undrained cyclic triaxial tests were carried out by applying three different cyclic stress ratios. As a result, the liquefaction resistance tended to decrease as a PI of fines in the specimens with equal fine content increased. On the other hand, the difference between loose specimens with low and high plasticity fines was not clearly observed in terms of liquefaction resistance. However, in the case of dense specimens, liquefaction resistance decreased up to 40% as a plasticity of fines increased.
Park, Mi-Hee;Chang, Chan-Dong;Jo, Yeong-Uk;Choo, Min-Kyoung;Yum, Byoung-Woo
The Journal of Engineering Geology
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v.21
no.2
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pp.147-156
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2011
We conducted laboratory experiments to determine the physical and mechanical properties, and the failure behaviors, of cements for use as grouting material in a $CO_2$-injection borehole. Samples with lour different ratios of water to cement mass (0.4, 1, 2, and 3) were tested. The analyzed properties (porosity, sonic velocity, modulus, and compressive and tensile strengths) varied systematically as a function of the ratio of water to cement (w/c), showing a sharp change between w/c ratios of 0.4 and 1. Triaxial compression tests revealed a clear boundary between brittle and ductile failure depending on the w/c ratio and confining pressure. The present results can be utilized as input parameters for numerical models to understand the initial deformation and failure behavior of grouting cements in a $CO_2$-injection borehole.
Kim, Soo-Il;Park, Keun-Bo;Park, Seong-Yong;Seo, Kyung-Bum
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.3
s.49
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pp.125-134
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2006
Conventional methods for the assessment of liquefaction potential were primary for severe earthquake regions $(M{\geq}7.5)$ such as North America and Japan. In Korea, an earthquake related research has started in 1997, but most contents in the guidelines were still quoted from literature reviews of North America and Japan, which are located in strong earthquake region. Those are not proper in a moderate earthquake regions including Korea. Also the equivalent uniform stress concept (Seed & Idriss, 1971) using regular sinusoidal loading which is used, in a conventional method for the assessment of liquefaction potential, can't reflect correctly the dynamic characteristics of real irregular earthquake motions. In this study, cyclic triaxial tests using irregular earthquake motions are performed with different earthquake magnitudes, relative densities, and fines contents. Assessment of liquefaction potential in moderate earthquake regions is discussed based on various laboratory test results. From the results, screening limits in seismic design were re-investigated and proposed using normalized maximum stress ratios under real irregular earthquake motions. Also from the tests using constant wedge loading and incremental wedge loading, the characteristics of liquefaction resistance of saturated sand under irregular ground motions are investigated.
There are many technical problems, which can not be resolved by the concept of saturated soil mechanics. Unsaturated soils show an apparent cohesion due to negative pore pressure and relatively lower permeability due to entrapped air compared to saturated soils. The determination of engineering properties of soils with various moisture content is very important to evaluate shear strength and stability of natural and engineered soils. So various researches should be made on unsaturated soils. Especially, sandy soils are widely distributed near Nakdong river, one of the four rivers where Restoration Projects were carried out. Many structures such as dams, flood control facilities, detention facilities and reservoirs have been built in this area. In this study, unsaturated triaxial compressive tests were conducted on sands or silty sands at Nakdong river in order to provide their fundamental characteristics for design and construction of geotechnical structures. As a result of the tests, the maximum deviator stress increased as the confining stress and matric suction increased. The cohesion increased non-linearly as the matric suction increased, but the angle of internal friction was marginally changed.
Kim, Jeong-Ho;Kim, Seung-Wook;Kim, Hong-Taek;Hwang, Jeong-Soon
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.22
no.7
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pp.73-83
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2006
The behaviour characteristics of Granular Compaction Pile (GCP) are mainly governed by the lateral confining pressure mobilized in the soft soil matrix to restrain the bulging failure of the granular compaction pile. The GCP method is most effective in soft soil with undrained shear strength ranging $15{\sim}50kPa$. However, the efficiency of this method reduces the more compressible soil conditions, which does not provide sufficient lateral confinement. In the present study, the GCP method reinforced with uniformly graded permeable concrete is suggested for the extension of application to the soft ground. Also, large triaxial compression tests are conducted on composite-reinforced soil samples for verification of availability of the suggested method and the settlement estimation method of the reinforced GCP is proposed. Furthermore, for the verification of the proposed method, predicted settlements by the proposed method are compared with results of 3-dimensional numerical analyses. In addition, parametric studies are performed together with detailed analyses of relevant design parameters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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