In a shotcrete support system, the cooperation of the ground and the shotcrete lining makes it possible to transfer the shear stress to the shotcrete lining, which is dedicated to form a stable structure. In this study, a homogeneous model ground with constant strength was produced by using gypsum and the tunnel was excavated with a top heading method under the definite initial stress. During the excavation, the stress in the ground around the tunnel and the deformation of shotcrete lining were measured, The tensile stress was generated in tangential direction in the ground near the tunnel and in the shotcrete lining due to tunnel excavation. This shows the unified behavior of the ground and shotcrete lining, which is the most typical characteristic of the shotcrete support. As a result, the rates of in-situ stress during the excavation at a top boundary line was 9% and at top arch heading 15%. It was 48% right after excavating the heading and 94% before cutting the bench.
$CO_2$ sequestration for alleviating global warming is a hot issue in the world. In this study, TOUGH2 and FLAC3D were combined for analyzing the hyro-mechanical coupling behaviors expected in $CO_2$ sequestration and applied it to Sleipner project carried out in Norway. In the analysis, the influence of pore pressure on in situ stress was considered and the influence of caprock permeability on hydro-mechanical behaviors was analyzed. In the condition of constant injection rate, pressure and saturation at the injection well, liquid and gas saturation in rock, major and minor stress variations with time and distance from the injection well, and horizontal and vertical displacements after injection could be investigated. The major principal stress was quickly increased in the early stage and then slowly decreased to a stable value, which was higher than the initial value. In contrast, the minor principal stress returned to initial value after some increase in the early stage. Surface upheaval was steadily increased and it was up to 15mm in 2 years after injection. When the caprock's permeability was changed from $3e-15m^2{\sim}3e-18m^2$, it was found that the injection well pressure and surface upheaval were inversely propotional to the permeability.
Based on recent studies on rock socketed drilled shafts, it was found that the side resistance of rock socketed drilled shafts is affected by unconfined compressive strength of rock, socket roughness, rock types and joints, and initial normal stress. Especially, the socket roughness is affected by rock types and joints, drilling methods, and diameters. Since existing roughness measurement systems could be conducted only in the air, a new roughness measurement system, which can measure rock socket roughness in the air and also in the water, is needed. However, the development of new roughness measurement system fur civil engineers has been faced with difficulties of electrical applications. In this study, the laboratory verification system far BKS-LRPS (Backyoung-KyungSung Laser Roughness Profiling System) was developed, which can be applied both in the water and air. Based on the laboratory verification, it was found that the improved BKS-LRPS could define effective measurement distances for the conditions reflecting the apparatus and in-situ situations.
Due to top-coal and immediate roof as cushion layer connecting with support and overlying strata, it can make significant influence on strata behaviors in fully mechanical top-coal caving working face (TCCWF). Taking Qingdong 828 working face as engineering background, $FLAC^{3D}$ and $UDEC^{2D}$ were adopted to explore the influence of top-coal thickness (TCT), immediate roof thickness (IRT), top-coal elastic modulus (TCEM) and immediate roof elastic modulus (IREM) on the vertical stress and vertical subsidence of roof, caving distance, and support resistance. The results show that the maximum roof subsidence increases with the increase of TCT and IRT as well as the decrease of TCEM and IREM, which is totally opposite to vertical stress in roof-control distance. Moreover, although the increase of TCEM and IREM leading to the increase of peak value of abutment pressure, the position and distribution range have no significant change. Under the condition of initial weighting occurrence, support resistance has negative and positive relationship with physical parameters (e.g., TCT and IRT) and mechanical properties (e.g., TCEM and IREM), respectively.
Direct back analysis software is coded based on Simplex method using FLAC as a subroutine. For the verification of the software, 12 different cases are assumed combining various displacements in different measuring locations around a tunnel. The number of displacements for cases varies from 3 to 240. It is verified that the exact elasticity and the primary stress state of rock around a tunnel could be found through iterative calculation regardless of the locations and number of displacements and initial values needed for the direct back analysis.
Oil and natural gas reserves have been recognised abundantly in clayey rich rock formations in deep costal reservoirs. It is necessary to understand the sedimentary history of those reservoir rocks to well explore these natural resources. This work designs a group of laboratory experiments to mimic the physical process of the sedimentary clay-rich rock formation. It presents characterisation results of the physical properties of the artificial clayey rocks synthesized from illite clay, quartz sand and brine water by high-pressure consolidation tests. Special focus is given on the effects of illite clay content and high-stress consolidation on the physical properties. Multi-step loaded consolidation experiments were carried out with stress up to 35 MPa on mixtures constituting of the illite clay, quartz sand and brine water with five initial illite clay contents (w=85%, 70%, 55%, 40% and 25%). Compressibility and void ratio were characterised throughout the physical compaction process of the mixtures constituting of five illite clay contents and their water permeability was measured as well. Results show that the applied stress induces a great reduction of clayey rock void ratio. Illite clay contents has a significant influence on the compressibility, void ratio and the permeability of the physically synthesized clayey rocks. There is a critical illite clay content w=70% that induces the minimum void ratio in the physically synthesised clayey rocks. The SEM study indicates, in the high-pressure synthesised clayey rocks with high illite clay contents, the illite clay minerals are located in layers and serve as the material matrix, and the quartz minerals fill in the inter-mineral pores or are embedded in the illite clay matrix. The arrangements of the minerals in microscale originate the structural anisotropy of the high-pressure synthesised clayey rock. The test findings can give an intuitive physical understanding of the deep-buried clayey rock basins in energy reservoirs.
Kim, Hyung-Min;Lee, Su-gon;Lee, Byok-Kyu;Woo, Jae-Gyung;Hur, Ik;Lee, Jun-Ki
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.35
no.5
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pp.5-19
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2019
Considering the natural phenomenon in which steep slopes ($65^{\circ}{\sim}85^{\circ}$) consisting of rock mass remain stable for decades, slopes steeper than 1:0.5 (the standard of slope angle for blast rock) may be applied in geotechnical conditions which are similar to those above at the design and initial construction stages. In the process of analysing the stability of a good to fair continuum rock slope that can be designed as a steep slope, a general method of estimating rock mass strength properties from design practice perspective was required. Practical and genealized engineering methods of determining the properties of a rock mass are important for a good continuum rock slope that can be designed as a steep slope. The Genealized Hoek-Brown (H-B) failure criterion and GSI (Geological Strength Index), which were revised and supplemented by Hoek et al. (2002), were assessed as rock mass characterization systems fully taking into account the effects of discontinuities, and were widely utilized as a method for calculating equivalent Mohr-Coulomb shear strength (balancing the areas) according to stress changes. The concept of calculating equivalent M-C shear strength according to the change of confining stress range was proposed, and on a slope, the equivalent shear strength changes sensitively with changes in the maximum confining stress (${{\sigma}^{\prime}}_{3max}$ or normal stress), making it difficult to use it in practical design. In this study, the method of estimating the strength properties (an iso-angle division method) that can be applied universally within the maximum confining stress range for a good to fair continuum rock mass slope is proposed by applying the H-B failure criterion. In order to assess the validity and applicability of the proposed method of estimating the shear strength (A), the rock slope, which is a study object, was selected as the type of rock (igneous, metamorphic, sedimentary) on the steep slope near the existing working design site. It is compared and analyzed with the equivalent M-C shear strength (balancing the areas) proposed by Hoek. The equivalent M-C shear strength of the balancing the areas method and iso-angle division method was estimated using the RocLab program (geotechnical properties calculation software based on the H-B failure criterion (2002)) by using the basic data of the laboratory rock triaxial compression test at the existing working design site and the face mapping of discontinuities on the rock slope of study area. The calculated equivalent M-C shear strength of the balancing the areas method was interlinked to show very large or small cohesion and internal friction angles (generally, greater than $45^{\circ}$). The equivalent M-C shear strength of the iso-angle division is in-between the equivalent M-C shear properties of the balancing the areas, and the internal friction angles show a range of $30^{\circ}$ to $42^{\circ}$. We compared and analyzed the shear strength (A) of the iso-angle division method at the study area with the shear strength (B) of the existing working design site with similar or the same grade RMR each other. The application of the proposed iso-angle division method was indirectly evaluated through the results of the stability analysis (limit equilibrium analysis and finite element analysis) applied with these the strength properties. The difference between A and B of the shear strength is about 10%. LEM results (in wet condition) showed that Fs (A) = 14.08~58.22 (average 32.9) and Fs (B) = 18.39~60.04 (average 32.2), which were similar in accordance with the same rock types. As a result of FEM, displacement (A) = 0.13~0.65 mm (average 0.27 mm) and displacement (B) = 0.14~1.07 mm (average 0.37 mm). Using the GSI and Hoek-Brown failure criterion, the significant result could be identified in the application evaluation. Therefore, the strength properties of rock mass estimated by the iso-angle division method could be applied with practical shear strength.
Effect of joints which pre-exist in the rock mass on the behavior of underground structures is studied. A finite element program is developed using a constitutive mode for rock masses exhibiting nonlinear anisotropic behavior. The initial loading scheme combined with reduced region of analysis is employed to minimize the problem size. A circular tunnel within rock mass is analyzed and the results are compared with those of elasto-plastic analysis to verify that the program is reasonable. The effect of joint direction is also analyzed in regard to stress relaxation, displacement, and deformation shape. It is concluded that the joint direction has significant influence on the nonlinear behavior of rock masses such that the vicinity of tunnel perpendicular to the direction of the joints is stressed to slide. It is also observed that the circular shape deforms to an elliptical shape with a major axis in the joint direction.
Shear load transfer characteristics of rock-socketed drilled shafts were analyzed. The constant normal stiffness (CNS) direct shear tests were performed to identify the major influencing factors of shaft resistance, i.e., unconfined compressive strength, borehole roughness, normal stiffness, initial confining stress, and material properties. Based on the CNS tests, shear load transfer function of drilled shafts in rocks is proposed using borehole roughness and the geological strength index (GSI), which indicates discontinuity and surface condition of rock mass in Hoek-Brown criterion (1997). The proposed load-transfer function was verified by the load test results of seven rock-socketed drilled test shafts subjected to axial loads. Through comparisons of the results of load tests, it is found that the load-transfer function by the present study is in good agreement with the general trend observed by in situ measurements, and thus represents a significant improvement in the prediction of load transfer of drilled shafts.
Park, Bong-Geun;Choi, Yong-Kyu;Kim, Myung-Hak;Kwon, Oh-Kyun;Nam, Moon-S.
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.24
no.10
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pp.25-32
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2008
Based on recent studies, the side resistance of rock socketed drilled shafts was affected by unconfined compressive strength of rock, socket roughness, rock types and joints, and initial normal stress. Especially, the socket roughness was affected by rock types and joints, drilling methods, and diameters of pile. In this study, a new roughness measurement system (BKS-LRPS, Backyoung-KyungSung Laser Roughness Profiling System) usable in water was developed. Based on the laboratory model tests, an EMD (Effective Measurement Distances) according to various turbidity was proposed as $EMD=1149.2{\times}T_{b}^{-0.64}$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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