KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.1
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pp.161-171
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1993
The aim of this study is to provide the stress-strain behavior of hardening geological materials such as rock or concrete on three dimensional spaces by using Desai model based on plastic theory. To validate proposed model, truly triaxial tests with high pressure under variety of stress paths in which three principal stresses were controlled independently using concrete materials were performed. The main results are summerized as follows: 1. Various stress paths for hardening materials used are satisfactorily explained by performing the truly triaxial test with high pressure. This is very important to investigate constitutive equations for materials like rock or concrete. 2. Since the proposed yield function is continuous, it avoids the singularity point at the intersection of two function in the previous models, thus, reducing the difficulties for computer implementation. 3. Analytic predictions for yielding behavior on $J_1-{\sqrt{J_{2D}}}$ octahedral and triaxial plane, as well as volumetric strain and stress-strain behavior agree well with experimental results.
Focusing on the bench length, this paper presents the results of 3-dimensional elafto-plastic FE Analysis un tunnels of full face, mini-bench and short bench excavated in weathered rock. Influences of unsupported span, horizontal to vertical stress ratio, thickness of shotcrete on the behavior of rock and support were a1so studied. Results showed that displacements of mini-bench tunnels responded more sensitively to bench lengths than those of short bench. The effects of bench excavation on upper half displacement increased with longer unsupported span. Horizontal to vertical stress ratio showed a greater influence on displacement and preceding displacement ratio or sidewall rather than those of crown and invert.
The state of in situ stress is an important factor in considering the suitability of a site as a geological repository for nuclear waste. In this study, three-dimensional distinct numerical analysis was conducted to investigate the effect of deformation zones on the state of stress in the Oskarshamn area, which is one of two candidate sites in Sweden. A discontinuum numerical model was constructed by explicitly representing the numerous deformation zones identified from site investigation and far-field tectonic stress was applied in the constructed model. The numerical model successfully captured the variation of measured stress often observed in the rock mass containing large-scale fractures, which shows that numerical analysis can be an effective tool in improving the understanding of the state of stresses. Discrepancies between measured and modelled stress are attributed to the inconsistent quality of measured stress, uncertainty in geological geometry. and input data for fractures.
Estimations of regional stress are demonstrated in this paper. Firstly, regional stress is defined and the characteristics of regional stress are then discussed based on the local stresses measured by the Compact Conical-ended Borehole Overcoring (CCBO) technique and the results from the earthquake focal mechanism. Secondly, the regional stresses are estimated by a back analysis of three-dimensional finite element models, using the local stresses measured by the CCBO and hydraulic fracturing.
If an underground research facility for the validation of disposal concept is constructed in KAERI, it is expected to have a thick weathered zone and varying surface topology. In this study, the influence of different geological conditions, tunnel slope, tunnel size, and sequential excavation is investigated by 3D mechanical analysis using FLAC3D. Around the tunnel, it is not expected to develop any plastic zone and the maximum stress might be as high as 5 ㎫. The maximum compressive stress will be developed at about 20 m to e dead end of the tunnel. There is no difference on stress and displacement distributions between the cases with and without sequential excavation. It is expected to have stress release in the roof and floor after the excavation of the tunnel. There is no significant influence of weathered zone size, tunnel size, and tunnel slope on the stress and displacement distributions. The modeling for the intersection shows the minimum factor of safety is above 3, when the in situ stress ratio K is 3. From the study, it was possible to demonstrate that the small scale disposal research tunnel in KAERI will be mechanically stable.
Based on the critical plane approach, a methodology far predicting the anisotropic strength ot transversely isotropic rock is Proposed. It is assumed that the rock failure is governed by Hoek-Brown failure criterion. In order to establish an anisotropic failure function, Mohr envelope equivalent to the original Hoek-Brown criterion is used and the strength parameters m, s are expressed as scalar functions of orientation. The conjugate gradient method, which is one of the robust optimization techniques, is applied to the failure function for searching the orientation giving the maximum value of the anisotropic function. While most of the existing anisotropic strength models can be applied only when the stress condition is the same as that of conventional triaxial compression test, the proposed model can be applied to the general 3-dimensional stress conditions. Through the simulation of triaxial compression tests for transversely isotropic rock sample, the validity of the proposed method is investigated by comparing the predicted triaxial strengths and inclinations of failure plane.
The domestic demand of natural gas has increased continuously due to the sudden rise of oil price and regulations on greenhouse gas to global warming. In order to improve the supply security of natural gas market in Korea, the agreement on supply of pipeline natural gas (PNG) in Russia was signed between Gazprom and Korea Gas Corporation in 2008. If the supply plan of Russian natural gas is realized, underground storage facilities would be required in order to balance supply and demand of natural gas because the gas demand is concentrated in the winter. This study investigated the safety of the storage facility in quantitative way considering several design parameters such as gas pressure, depth of the storage cavern, rock condition and in-situ horizontal stress ratio. Two dimensional stress analyses were conducted using axi- symmetry condition to examine the behavior of cavern depending upon suggested design parameters. Results showed that the factor of safety, defined as the ratio of 'shear strength'/'shear stress', was largely affected by the depth, rock class and gas pressure but was insensitive to the coefficient of lateral pressure(Ko).
Jian Zhou;Mingjie Ma;Luheng Li;Yang Ding;Xinan Yang
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.3
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pp.319-334
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2024
The current theories on the interaction between surrounding rock and support in deep-buried tunnels do not consider the form of pre-reinforcement support or the flexibility of primary support, leading to a discrepancy between theoretical solutions and practical applications. To address this gap, a comprehensive mechanical model of the tunnel with pre-reinforced rock was established in this study. The equations for internal stress, displacement, and the radius of the plastic zone in the surrounding rock were derived. By understanding the interaction mechanism between flexible support and surrounding rock, the three-dimensional construction analysis solution of the tunnel could be corrected. The validity of the proposed model was verified through numerical simulations. The results indicate that the reduction of pre-deformation significantly influences the final support pressure. The pre-reinforcement support zone primarily inhibits pre-deformation, thereby reducing the support pressure. The support pressure mainly affects the accelerated and uniform movement stage of the surrounding rock. The generation of support pressure is linked to the deformation of the surrounding rock during the accelerated movement stage. Furthermore, the strength of the pre-reinforcement zone of the surrounding rock and the strength of the shotcrete have opposite effects on the support pressure. The parameters of the pre-reinforcement zones and support materials can be optimized to achieve a balance between surrounding rock deformation, support pressure, cost, and safety. Overall, this study provides valuable insights for predicting the deformation of surrounding rock and support pressure during the dynamic construction of deep-buried weak rock tunnels. These findings can guide engineers in improving the construction process, ensuring better safety and cost-effectiveness.
Proceedings of the Korean Society for Rock Mechanics Conference
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2000.09a
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pp.93-103
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2000
The concrete plug in an underground cavern prevents the stored product (oil, gas, etc) from leaking and the excessive show of underground water, so it plays an important role in construction and operation of the storage cavern. Additionally, it should maintain its stability under every possible loading condition. Once the plug is constructed, the cavern is isolated from the external access. Therefore, mechanical and hydraulic consideration should be made in construction to fulfill its function. Therefore, in this study, numerical analyses were conducted to study the optimal shape and thickness of the plug with respect to the various conditions of installation depth, the shape of the plug, in-situ stress ratio (K), the condition of rock-plug interface, and the effect of Excavation Damaged Zone (EDZ). This paper also presents the effect of slot depth on the hydraulic behavior of the plug. These analyses were carried out by using the 2-dimensional finite difference code, rm FLAC, and the 3D code, m FLA $C^{3D}$./.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2009.06a
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pp.187-187
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2009
Opening of fractures induced by shear dilation or normal deformation can be a significant source of fracture permeability change in fractured rock, which is important for the performance assessment of geological repositories for spent nuclear fuel. As the repository generates heat and later cools the fluid-carrying ability of the rocks becomes a dynamic variable during the lifespan of the repository. Heating causes expansion of the rock close to the repository and, at the same time, contraction close to the surface. During the cooling phase of the repository, the opposite takes place. Heating and cooling together with the, virgin stress can induce shear dilation of fractures and deformation zones and change the flow field around the repository. The objectives of this work are to examine the contribution of thermal stress to the shear slip of fracture in mid- and far-field around a KBS-3 type of repository and to investigate the effect of evolution of stress on the rock mass permeability. In the first part of this study, zones of fracture shear slip were examined by conducting a three-dimensional, thermo-mechanical analysis of a spent fuel repository model in the size of 2 km $\times$ 2 km $\times$ 800 m. Stress evolutions of importance for fracture shear slip are: (1) comparatively high horizontal compressive thermal stress at the repository level, (2) generation of vertical tensile thermal stress right above the repository, (3) horizontal tensile stress near the surface, which can induce tensile failure, and generation of shear stresses at the comers of the repository. In the second part of the study, fracture data from Forsmark, Sweden is used to establish fracture network models (DFN). Stress paths obtained from the thermo-mechanical analysis were used as boundary conditions in DFN-DEM (Discrete Element Method) analysis of six DFN models at the repository level. Increases of permeability up to a factor of four were observed during thermal loading history and shear dilation of fractures was not recovered after cooling of the repository. An understanding of the stress path and potential areas of slip induced shear dilation and related permeability changes during the lifetime of a repository for spent nuclear fuel is of utmost importance for analysing long-term safety. The result of this study will assist in identifying critical areas around a repository where fracture shear slip is likely to develop. The presentation also includes a brief introduction to the ongoing site investigation on two candidate sites for geological repository in Sweden.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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