The design of underground cavern is basically governed by the mechanical properties of ground mass distributed around excavation. It is seldom possible to consider all the factors of ground mass properties in the evaluation of ground mass behavior as well as to classify those factors to a simple category. Until computer sciences have developed to calculate complex and laborious mechanical simulation of underground openings, ground behavior was quantitatively and qualitatively evaluated using empirical classification system. In this paper, analysis methods of ground behavior for underground cavern using the prediction of loosening zone, empirical method derived from rock mass classification and element stress analysis are described with chronological sequence.
Kim, Ji-Won;Kang, Seok-Jun;Kim, Jin-Seop;Cho, Gye-Chun
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.6
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pp.561-577
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2021
The compacted bentonite buffer in a geological repository for high-level radioactive waste disposal is saturated due to groundwater inflow. Saturation of the bentonite buffer results in bentonite swelling and bentonite penetration into the rock discontinuities present around the disposal hole. The penetrated bentonite is exposed to groundwater flow and can be eroded out of the repository, resulting in bentonite mass loss which can affect the physical integrity of the engineered barrier system. Hence, the evaluation of buffer-rock interactions and coupled behavior due to groundwater inflow and bentonite penetration is necessary to ensure long-term disposal safety. In this study, the effects of the bentonite penetration and swelling on the physical properties of jointed rock mass were evaluated using the quasi-static resonant column test. Jointed rock specimens with bentonite penetration were manufactured using Gyeongju bentonite and hollow cylindrical granite rock discs obtained from the KAERI underground research tunnel. The effects of vertical stress and saturation were assessed using the P-wave and S-wave velocities for intact rock, jointed rock and jointed rock with bentonite penetration specimens. The joint normal and joint shear stiffnesses of each joint condition were inferred from the wave velocity results assuming an equivalent continuum. The joint normal and joint shear stiffnesses obtained from this study can be used as input factors for future numerical analysis on the performance evaluation of geological waste disposal considering rock discontinuities.
Kim, Byung-Ryeol;Lee, Hyeon-woo;Kim, Young-Jin;Cho, Kye-Hong;Choi, Sung-Oong
Tunnel and Underground Space
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v.31
no.6
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pp.623-646
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2021
As the demand for electric power increases with acceleration of electrification at home and abroad, the needs for coal-fired electrical power plant are accordingly increased. However, these coal-fired electrical power plants induce also many environmental problems such as increase of air pollutants, increase of possibility of land contamination by reclamation of coal ash, even though these power plants have a good economical efficiency. In case of a by-product of coal-fired electrical power plants, only 70% of them are recycled and the remaining 30% of by-product are fully buried in surrounding ground. Consequently, this study deals with coal ash backfilling mechanism in abandoned mine openings for the purposes of increasing the coal ash recycling rate as well as securing the mine area stability. In order to analyze the backfill and ground reinforcement by interaction between rock mass and backfills, the copying samples of discontinuous surface with different roughnesses were produced for bond strength tests and direct shear tests. And statistical analysis was also conducted to decide the characteristics of bond and shear behavior with joint roughness and their curing day. Numerical simulations were also analyzed for examining the effect of interface behavior on ground stability.
Overpopulation has significantly increased the use of underground spaces in urban areas, and led to the developments of shallow-depth underground space. Due to unexpected rock fall, however, it is very necessary to understand and categorize the rock mass behaviors prior to the tunnel excavation, by which unnecessary casualties and economic loss could be prevented. In case of cave-in, special attention should be drawn since it occurs faster and greater in magnitude compared to rock fall and plastic deformation. Types of cave-in behavior are explained and categorized using seven parameters - Uniaxial Compressive Strength (UCS), Rock Quality Designation (RQD), joint surface condition, in-situ stress condition, ground water condition, earthquake & ground vibration, tunnel span. This study eventually introduces a new index called Cave-in Behavior Index (CBI) which explains the behavior of cave-in under given in-situ conditions expressed by the seven parameters. In order to assess the mutual interactions of the seven parameters and to evaluate the weighting factors for all the interactions, survey data of the experts' opinions and Rock Engineering Systems (RES) were used due to lack of field observations. CBI was applied to the tunnel site of Seoul Metro Line No. 9. UDEC analyses on 288 cases were done and occurrences of cave-in in every simulation were examined. Analyses on the results of 288 cases of simulations revealed that the average CBI for the cases when cave-in for different patterns of tunnel support was estimated by a logistic regression analysis.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.6
no.4
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pp.315-326
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2004
This study performed model tunnel tests in order to investigate the influence of discontinuity condition of rock mass to the stress and deformation of tunnel lining. Tests were carried out changing the direction of main joint and lateral earth pressure condition of rock mass. Test results revealed that the axial force in tunnel lining showed a tendency of decrease with the presence of joints. It decreased much with the increase of lateral earth pressure coefficient. And, it also showed that the location or maximum displacement and maximum stress in lining were changed by the direction of main joint of rock mass. The tangential stress and normal stress showed the difference above the maximum twenty times as lateral earth pressure coefficient due to effect of joints increased. Also, these tendencies of concentration of tensile stress in tunnel lining were confirmed by elastic theory.
The load distribution and deformation of rock-socketed drilled shafts subjected to axial loads are evaluated by a load-transfer method. The emphasis is on quantifying the effect of coupled soil resistance in rock-socketed drilled shafts using the 2D elasto-plastic finite element analysis. Slippage and shear load transfer behavior at the pile-soil interface are investigated by using a user-subroutine interface model (FRlC). It is shown that the coupled soil resistance provides the influence of pile toe settlement as the shaft resistance is increased to an ultimate limit state. The results show that the coupling effect is closely related to the value of pile diameter over rock mass modulus (D/$E_{mass}$) and the ratio of total shaft resistance against total applied load ($R_s$/Q). Through comparisons with field case studies, the 2D numerical analysis reseanably presented load transfer of pile and coupling effect due to the transfer of shaft shear loading, and thus represents a significant improvement in the prediction of load deflections of drilled shafts.
This study presents a hybrid algorithm for classifying the rock joints, where the improved artificial bee colony (IABC) and the fuzzy C-means (FCM) clustering algorithms are incorporated to take advantage of the artificial bee colony (ABC) algorithm by tuning the FCM clustering algorithm to obtain the more reasonable and stable result. A coefficient is proposed to reduce the amount of blind random searches and speed up convergence, thus achieving the goals of optimizing and improving the ABC algorithm. The results from the IABC algorithm are used as initial parameters in FCM to avoid falling to the local optimum in the local search, thus obtaining stable classifying results. Two validity indices are adopted to verify the rationality and practicability of the IABC-FCM algorithm in classifying the rock joints, and the optimal amount of joint sets is obtained based on the two validity indices. Two illustrative examples, i.e., the simulated rock joints data and the field-survey rock joints data, are used in the verification to check the feasibility and practicability in rock engineering for the proposed algorithm. The results show that the IABC-FCM algorithm could be applicable in classifying the rock joint sets.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1994.10a
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pp.201-208
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1994
To secure long-term structural safety of underground openings for radioactive waste disposal, the proper structural safety analyses are required. Especially, the structural analysis for underground openings should consider the effects of groundwater pressure. The objective of this study is to develop the structural analysis method for saturated rock masses. In this study, the interaction between groundwater distribution and structural behavior of rock masses are carried out to develop the structural analysis method of saturated rock masses. Then, a 3-Dimensional Multi-Phase Dynamic Analysis Program (MPDAP-3D) has been developed by modifying the existing MPDAP which is based on the concept of 2-dimensional two-phase media.
This study aimed at analysis of induced stress and deformation behavior in rock mass around coal seams of Sam Chuck coal mine. For this study Vibrating Wire Stressmeters and Multi-point Borehole Extensometers were installed in the area of coal shale near coal seams. Induced stress and displacement in this area were coutinuously increased for 6 days from the begining of measurement, and then converged. But induced stress and displacement occurred when there were another openings by tunnelling and mining. The value of final induced stress was 21.8kgf/$\textrm{cm}^2$, displacement of rod extensometer was 1.3 mm at arch. Especially, over 1 mm of displacement between E2 and E3 in rod extensometer was measured.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.12
no.5
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pp.399-405
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2010
The accumulated displacements and fatigues of rock are increased by the stress-hysteresis, induced from repeated frost-thawing. Also the shear strength is decreased by them continuously. The stress-hysteresis is affected by the atmospheric temperature changes, whose behavior is visco-elasticity, usually. Therefore, to do ideal body analysis, Kelvin model could be used to analyze the frost-thawing behavior in winter. In general, rock slope failure occurs by the deterioration of rocks, which is caused by the repetition of freezing-thawing process. In order to keep the safety of such rock mass structures the deterioration process of rock needs to be described quantitatively using some meaningful parameters. In this work, the deterioration process in freezing-thawing cycle of tuff, which is a famous soft porous rock, is investigated through laboratory tests and successfully described as a differential equation for the change of porosity. And then, the deterioration of the mechanical properties of rock, such as Young's modulus and uniaxial compressive strength, are quantitatively described as a function of the porosity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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