Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2001.10a
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pp.27-33
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2001
Objective of this study is to investigate the structural behavior of the concrete lining in water pressure tunnel. In many cases, the concrete lining of water pressure tunnel has not considered as a major structure comparing to the other structures, resulting in use of conservative analysis and design. For the detailed analysis of concrete lining of water pressure tunnel, factors such as rock pressure and water pressure have to be considered. In this study, analysis of concrete lining was performed by using beam element method, shell element method and solid element method. Analysis results showed that the tensile stress at crown of concrete lining is greatly affected by the stability of concrete lining and the tensile stress for the concrete lining has to be evaluated for the section where maximum moment is occurred.
Kim, Moon-Kyum;Jang, Kyung-Gook;Won, Jong-Hwa;Kim, Tae-Min
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.624-629
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2008
When TBM excavates a tunnel, existing concrete lining segments are used as supporting structures for driving force. Axial stress on the lining segments are apt to be large in case of direct driving force. However, it drastically decline as it is farther and father from TBM and later, it tends to converge after a certain point. Such tendencies show similar results of finite element analysis. At the initial intervals, the values of finite element analysis are larger, while at the later intervals, the actual stress values are larger. It concludes that such tendencies are attributable to that the concrete lining segments have partially burst and cracked in the axial direction at the initial intervals. And differences of stresses at the later intervals are created by the changed plasticity of ground and the friction on the external sides of the lining segments.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2001.03a
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pp.89-96
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2001
A concrete lining of NATM tunnel is the final product of a process that involves planning and evaluation of user needs, geotechnical investigations, analysis of ground-lining interaction, construction, and observations and modifications during construction. The designer must consider the lining in context of the many function, construction, and geotechnical requirements. Also, the loss of supporting capacity of shotcrete lining due to poor rock qualities and shotcrete erosion must be considered. The values, shapes, and estimating methods of rock load and water pressure are very different with every designers. Estimating methods of rock loads used in the design of NATM tunnel concrete lining are investigated. Numerical analyses are done in various conditions. And the rock loads estimated from radial stress and plastic zone are compared respectively.
The present study focuses on the performance of basalt fiber reinforced concrete (BFRC) lining in tunnel situated in sandstone rock when subjected to internal blast loading. The blast analysis of the lined tunnel is carried out using the three-dimensional (3-D) nonlinear finite element (FE) method. The stress-strain response of the sandstone rock is simulated using a crushable plasticity model which can simulate the brittle behavior of rock and that of BFRC lining is analyzed using a damaged plasticity model for concrete capturing damage response. The strain rate dependent material properties of BFRC are collected from the literature and that of rock are taken from the authors' previous work using split Hopkinson pressure bar (SHPB). The constitutive model performance is validated through the FE simulation of SHPB test and the comparison of simulation results with the experimental data. Further, blast loading in the tunnel is simulated for 10 kg and 50 kg Trinitrotoluene (TNT) charge weights using the equivalent pressure-time curves obtained through hydrocode simulations. The analysis results are studied for the stress and displacement response of rock and tunnel lining. Blast performance of BFRC lining is compared with that of plain concrete (PC) and steel fiber reinforced concrete (SFRC) lining materials. It is observed that the BFRC lining exhibits almost 65% lesser displacement as compared to PC and 30% lesser displacement as compared to SFRC tunnel linings.
The purpose of maintenance monitoring is to offer the objective and continuous data in order to be lasting security affirmation and best fitted maintenance of tunnel structure. Though recently the examples of maintenance monitoring which Is applied to tunnel are rapidly increasing, long-term measured monitoring actual results and rationally analysis method researches are wholly lacking. In this study, it is analyzed that the relationship of stress and reinforcement stress of concrete lining, i.e., last support materials of tunnel through regression analysis based on the monitoring result of the subway tunnel, which was accomplished the monitoring for long period, passing the weathering. Also, through the analysis of the stress and the safety of concrete lining, it is estimated that the frequency of maintenance monitoring and the in-situ application of the criteria value of management.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
Tunnel lining is the final support of a tunnel and reflects the results of the interaction between ground and support system. Recently it is very difficult to support and manage the tunnel because the cracks on tunnel lining cause many problems in supporting and managing tunnels. Therefore the analysis of the cracks is quite strongly required. In this study, mechanical behaviour of a tunnel lining was examined by model tests and by numerical analyses. Especially the model test was examined for double linings including shotcrete and concrete lining. The model tests were carried out under various conditions taking different loading shapes, horizontal stresses, thicknesses of linings and double lining, vault opening behind the concrete lining and rock-like medium surrounding the lining. Due to horizontal stress, compressive stress prevailed on the lining. Thus the bearing capacity of the lining increased. The existence of a vault opening behind the concrete lining reduced the bearing capacity by the similar amount of reduction of concrete lining thickness. Rock-like medium cast around the side wall of the lining restrained the deflection of the lining, and the bearing capacity for cracking and failure increased vary much. In numerical analyses a algorithm which can analysis the double lining by introduction of interface element was developed. And the results of the numerical analyses were compared with the results of the model tests.
This paper proposes an elasto-plastic finite difference method which is useful for the stability evaluation of concrete lining installed in a deep circular tunnel. Mohr-Coulomb criterion is assumed for the condition of yielding in both the rock mass and concrete lining. In order to take into account the installation delay of lining after the excavation, the outer boundary pressure acting on the lining was calculated with the consideration of the convergence occurred before the lining installation. The distributions of stress and displacement in the rock mass and lining were calculated based on the method proposed Lee & Pietruszczak (2008). The applicability of the proposed method was demonstrated by conducting the elasto-plastic analysis of concrete lining supporting an imaginary compressed air storage tunnel. The analysis result revealed that the exact determination of the boundary pressures acting on the concrete lining is of importance in the stability analysis of concrete lining.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2001.03a
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pp.33-40
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2001
In this research, the cracking of tunnel concrete lining was investigated and analyzed through long-term measurement and nonlinear numerical analysis. For one year after the casting of lining, the stresses and strains were measured by the sensors installed in hard rock tunnel lining. The measurements showed that only small stresses which were less than cracking stress occurred in every survey sections regardless of sensor directions. It could be induced that the external load applied to the lining was small or ignorable. Also, it was carried out short-term numerical analysis based on such site condition as ambient temperature, the- degree of overbreak and mold staying period. Long-term numerical analysis based on creep & shrinkage and nonlinear cracking was carried out. The output showed that construction condition and ambient environments could make the lining concrete crack without external loads. The cracks formed in this process does not indicate the structural instability of the tunnel.
To investigate the mechanical behavior of the post-tensioned prestressed concrete lining (PPCL), the desilting tunnel of the Xiaolangdi Hydro Project in China is adopted as a case, and a detailed three-dimensional continuum model verified by the observation results is established for the PPCL. The radial stresses, longitudinal stresses, axial forces and bending moments of the PPCL under the completed cable tension condition (CCTC) and design water pressure condition (DWPC) are analyzed, respectively. The numerical results reveal that the PPCL concrete is significantly compressed in the circumferential direction by the prestress, while the prestress has a negligible influence on the radial stresses of the PPCL concrete. It should be noted that the concrete near the anchor slots has a complex and adverse stress state with stress concentration, longitudinal tensioning and large bending moment. In addition, a simplified shell model and a further simplified beam model which can take the influences of the prestress loss and the anchor slot into consideration are proposed for the PPCL. The results of the simplified models are in a good agreement with these of the three-dimensional continuum model, and they can be used as efficient approaches for the structural design and analysis of the PPCL.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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