This paper investigates the effect of rock discontinuities on a shear stress wave that is induced by earthquake or blasting and provides the result of numerical parametric studies. The numerical tests of different conditions of rock and discontinuity have been carried out after confirming that the numerical approach is valid throughout a verification analysis from which the test results were compared with a theoretical solution. In-situ stress condition was considered as a rock condition and internal friction angle and cohesive value, which are the shear strength parameters, were considered as discontinuities condition. The joint inclination angle was also taken into account as a parameter. With the various conditions of different parameters, the test results showed that a shear stress wave propagating through a mass is highly influenced by the shear strength of discontinuities and the condition of joint inclination angle as well as in-situ stress. The study results indicate that when earthquake or blasting-induced dynamic loading propagates through a jointed rock mass or a stratified soil ground the effect of in-situ stress and discontinuities including a stratum boundary should be taken into account when evaluating the dynamic effect on nearby facilities and structures.
Zhang, Yanjun;Nian, Tingkai;Zheng, Defeng;Zheng, Lu
Geomechanics and Engineering
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v.11
no.4
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pp.457-469
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2016
Steep rock slope with water-filled tension crack will happen to overturn around the toe of the slope under seismic loading. This failure type is completely different from the common toppling failure occurring in anti-dipping layered rock mass slopes with steeply dipping discontinuities. This paper presents an analytical approach to determine the seismic factor of safety against overturning for an intact rock mass slope with water-filled tension crack considering horizontal and vertical seismic coefficients. This solution is a generalized explicit expression and is derived using the moment equilibrium approach. A numerical program based on discontinuous deformation analysis (DDA) is adopted to validate the analytical results. The parametric study is carried out to adequately investigate the effect of horizontal and vertical seismic coefficients on the overall stability against overturning for a saturated rock slope under two water pressure modes. The analytical results show that vertically upward seismic inertia force or/and second water pressure distribution mode will remarkably decrease the slope stability against overturning. Finally, several representative design charts of slopes also are presented for the practical application.
The building frame and its foundation along with the soil on which it rests, together constitute a complete structural system. In the conventional analysis, a structure is analysed as an independent frame assuming unyielding supports and the interactive response of soil-foundation is disregarded. This kind of analysis does not provide realistic behaviour and sometimes may cause failure of the structure. Also, the conventional analysis considers infill wall as non-structural elements and ignores its interaction with the bounding frame. In fact, the infill wall provides lateral stiffness and thus plays vital role in resisting the seismic forces. Thus, it is essential to consider its effect especially in case of high rise buildings. In the present research work the building frame, infill wall, isolated column footings (open foundation) and soil mass are considered to act as a single integral compatible structural unit to predict the nonlinear interaction behaviour of the composite system under seismic forces. The coupled isoparametric finite-infinite elements have been used for modelling of the interaction system. The material of the frame, infill and column footings has been assumed to follow perfectly linear elastic relationship whereas the well known hyperbolic soil model is used to account for the nonlinearity of the soil mass.
Studies of earthquakes over the last 50 years and the examination of dynamic soil behavior reveal that soil behavior is highly nonlinear and hysteretic even at small strains. Nonlinear behavior of soils during a seismic event has a predominant role in current site response analysis approaches. Common approaches to ground response analysis include linear, equivalent linear and nonlinear methods. These methods of ground response analysis may also be categorized into time domain and frequency domain concepts. Simplicity in developing analytical relations and accuracy in considering soils' dynamic properties dependency to loading frequency are benefits of frequency domain analysis. On the other hand, nonlinear methods are complicated and time consuming mainly because of their step by step integrations in time intervals. In part Ι of this paper, governing equations for seismic response analysis of surcharged and layered soils were developed using fundamental of wave propagation theory based on transfer function and boundary conditions. In this part, nonlinear seismic ground response is analyzed using extended HFTD method. The extended HFTD method benefits Newton-Raphson procedure which applies regular iterations and follows soils' fundamental stress-strain curve until convergence is achieved. The nonlinear HFTD approach developed here are applied to some examples presented in this part of the paper. Case studies are carried in which effects of some influencing parameters on the response are investigated. Results show that the current approach is sufficiently accurate, efficient, and fast converging. Discussions on the results obtained are presented throughout this part of the paper.
Tunnels have been an integral part of human civilization. Due to complexity in its design and structure, the stability of underground structures under extreme loading conditions has utmost importance. Increased terrorism and geo-political conflicts have forced the engineers and researchers to study the response of underground structures, especially tunnels under blast loading. The present study has been carried out to seek the response of tunnel structures under blast load using the finite element technique. The tunnel has been considered in quartzite rock of northern India. The Mohr-Coulomb constitutive model has been adopted for the elastoplastic behaviour of rock. The rock model surrounding the tunnel has dimensions of 30 m x 30 m x 35 m. Both unlined and lined (concrete) tunnel has been studied. Concrete Damage Plasticity model has been considered for the concrete lining. Four different parameters (i.e., tunnel diameter, liners thickness, overburden depth and mass of explosive) have been varied to observe the behaviour under different condition. To carry out blast analysis, Coupled-Eulerian-Lagrangian (CEL) modelling has been adopted for modelling of TNT (Trinitrotoluene) and enclosed air. JWL (Jones-Wilkins-Lee) model has been considered for TNT explosive modelling. The paper concludes that deformations in lined tunnels follow a logarithmic pattern while in unlined tunnels an exponential pattern has been observed. The stability of the tunnel has increased with an increase in overburden depth in both lined and unlined tunnels. Furthermore, the tunnel lining thickness also has a significant effect on the stability of the tunnel, but in smaller diameter tunnel, the increase in tunnel lining thickness has not much significance. The deformations in the rock tunnel have been decreased with an increase in the diameter of the tunnel.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.41
no.3
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pp.258-268
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2017
In this study, we aim to converge a technology for analyzing the hydraulic circuit of a loading arm with an- other one for analyzing multi-body dynamics by utilizing analysis software SimulationX. Further, this study intends to overcome the limitations of the existing technology for analyzing a hydraulic circuit with a variation at the rotation center of the moving mass and the difficulty of incorporating the behavior in a gravity field. First, the specifications of the hydraulic circuit components were reflected in an analysis model to secure reliability. Hydraulic circuit modeling was then performed using a single analysis model with a verified reliability. Subsequently, the multi-body system (MBS) model of the loading arm was formed. Finally, the analysis model of the hydraulic circuit and the MBS model were converged to check if the circuit analysis result was exactly reflected in the MBS model. The convergence analysis model has development cost-saving effect because it is capable of predicting the dynamic behavior of an object without the prototype.
Changes of the hydraulic conductivity resulting from the redistribution of stresses by underground excavation are examined using the strain-dependent hydraulic conductivity modification relation, where the modulus reduction ratio and induced strain are the major parameters. The modulus reduction ratio is defined in terms of RMR(Rock Mass Rating) to represent the full gamut of rock mass condition. Though shear dilation has the effect on the modification of hydraulic conductivity, the extent of it depends on RMR When the extensional strain is applied to a fracture, the hydraulic conductivity increases with the decrease of RMR Loading configuration has the effect on the modification of hydraulic conductivity, where the differential stress mode with a magnitude of the minimum principal stress $($\sigma$_x)$ fixed and a magnitude of the maximum principal stress $($\sigma$_y)$ varied is found to exert the greatest effect on the change of hydraulic conductivity.
Park, Hyungseok;Choi, Sunhwa;Chung, Sewoong;Ji, Hyunseo;Oh, Jungkuk;Jun, Hangbae
Journal of Environmental Impact Assessment
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v.26
no.6
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pp.553-562
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2017
In these days, agricultural reservoirs are considered as a useful resource for recreational purposes, tour and cultural amenity for vicinity communities as well as irrigation water supply. However, many of the agricultural reservoirs are showing a eutrophic or hyper-eutrophic state and high level of organic contamination. In particular, about 44.7% of the aged agricultural reservoirs that constructed before 1945 exceed the water quality criteria for irrigational water use. In addition to external loading, internal nutrient loading from bottom sediment may play an important role in the nutrient budget of the aged reservoirs. The objectives of this study were to characterize variations of thermal structure of a shallow M reservoir (mean depth 1.7 m) and examine the potential of internal nutrient loading by continuous monitoring of vertical water temperature and dissolved oxygen (DO) concentration profiles in 2015 and 2016. The effect of internal loading on the total loading of the reservoir was evaluated by mass balance analysis. Results showed that a weak thermal stratification and a strong DO stratification were developed in the shallow M Reservoir. And, dynamic temporal variation in DO was observed at the bottom of the reservoir. Persistent hypoxic conditions (DO concentrations less than 2 mg/L) were established for 87 days and 98 days in 2015 and 2016, respectively, during the no-rainy summer periods. The DO concentrations intermittently increased during several events of atmospheric temperature drop and rainfall. According to the mass balance analysis, the amount of internal $PO_4-P$ loading from sediment to the overlying water were 37.9% and 39.7% of total loading during no-rainy season in 2015 and 2016, respectively on August when algae growth is enhanced with increasing water temperature. Consequently, supply of DO to the lower layer of the reservoir could be effective countermeasure to reduce nutrient release under the condition of persistent DO depletion in the bottom of the reservoir.
This paper presents numerical and theoretical investigations on the strain rate in steel-concrete composite (SC) panels under low-velocity impact of a hemispherical rigid body. Finite element analyses were performed on five specimens with different loading rates. The impact energy was kept constant to eliminate its influence by simultaneously altering the velocity and mass of the projectile. Results show that the strain rate in most parts of the specimens was low and its influence on bearing capacity and energy dissipation was limited in an average sense of space and time. Therefore, the strain rate effect can be ignored for the analyses of global deformation. However, the strain rate effect should be considered in local contact problems. Equations of the local strain and strain rate were theoretically derived.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
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