DDARF (Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure) is a numerical algorithm for simulating jointed rock masses' discontinuous deformation. While its reinforcement simulation is only limited to end-anchorage bolt, which is assumed to be a linear spring simply. Here, several new reinforcement modes in DDARF are proposed, including lining reinforcement, full-length anchorage bolt and equivalent reinforcement. In the numerical simulation, lining part is assigned higher mechanical strength than surrounding rock masses, it may include multiple virtual joints or not, depending on projects. There must be no embedding or stretching between lining blocks and surrounding blocks. To realize simulation of the full-length anchorage bolt, at every discontinuity passed through the bolt, a set of normal and tangential spring needs to be added along the bolt's axial and tangential direction. Thus, bolt's axial force, shearing force and full-length anchorage effect are all realized synchronously. And, failure criterions of anchorage effect are established for different failure modes. In the meantime, from the perspective of improving surrounding rock masses' overall strength, a new equivalent and tentative simulation method is proposed, it can save calculation storage and improve efficiency. Along the text, simulation algorithms and applications of these new reinforcement modes in DDARF are given.
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.
Lee, Jun Seok;Bang, Chun Seok;Choe, Il Yun;Eom, Ju Hwan
Magazine of korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.1
no.1
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pp.67-80
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1999
The Grout-reinforcement technique which is widely used during the excavation of a shallow or an endangered tunnel can be classified into a couple of groups according to the properties and injection methods of the grout. The reinforcement design will, therefore, take a different approach based on the grouting method under consideration. However, the injection procedure is mainly performed by the experience of the foreman rather than engineering judgement , specifically the permeation grouting through the rock joints and its reinforcement effect Is not fully under-stood during the design stage, In this study, the anisotropic material properties of the grout-reinforced rock masses are derived from the concept of composite materials and the effect of intact rock, vertical grouting and permeation grouting is, therefore, fully accounted for. Through the parametric studies on the characteristics of rock joints, intact rock and grouting materials, various case studies have been considered. The results, illustrated via the design charts, can be directly used during the reinforcement design.
As the structure of broken rock mass is complex, with obvious discontinuity and anisotropy, it is generally necessary to reinforce broken rock mass using grouting in underground construction. The purpose of this study is to experimentally investigate the mechanical properties of broken rock mass after grouting reinforcement with consideration of the characteristics of broken rock mass (i.e., degree of fragmentation and shape) and a range of reinforcement methods such as relative strength ratio between the broken rock mass and cement-based grout stone body (λ), and volumetric block proportion (VBP) representing the volumetric ratio of broken rock mass and the overall cement grout-broken rock mass mixture after the reinforcement. The experimental results show that the strength and deformation of the reinforced broken rock mass is largely determined by relative strength ratio (λ) and VBP. In addition, the enhancement in compressive strength by grouting is more obvious for broken rock mass with spherical shape under a relatively high strength ratio (e.g., λ=2.0), whereas the shape of rock mass has little influence when the strength ratio is low (e.g., λ=0.1). Importantly, the results indicate that columnar splitting failure and inclined shear failure are two typical failure modes of broken rock mass with grouting reinforcement.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.10a
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pp.1022-1028
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2008
From the result of precise field investigation and stability examination for the rock slope, following results were acquired. 1. The weathering rock itself, existing fault zone and underground water complexly effect cut slope so that plane destruction may appear by fault zone. 2. The reinforcement force was decided by the result of limit equilibrium. 3. For rock cut slope, the Rock Bolt was judged as the most proper method to the cut slope as comparing/analyzing Rock Anchor, Rock Bolt and method after relaxing the slope.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2009.03a
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pp.677-685
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2009
From the result of precise field investigation and stability examination for the cut slope, following results were acquired. 1. The cause of the cut slope collapse seems that it came from complex actions such as the weathering rock itself, existing fault zone and crack from excessive blasting. 2. As a result of analysis, it is appeared that the cut slope can be in danger of plane destruction. 3. The reinforcement force is decided by the result of limit equilibrium analysis. 4. For reinforcement the method after relaxing the slope was judged as the most proper method to the cut slope as comparing/analyzing Rock Anchor, Rock Bolt and method after relaxing the slope.
A powerful numerical method that can be used for modeling rock-structure interaction is the Discontinuous Deformation Analysis (D D A) method developed by Shi in 1988. In this method, rock masses are treated as systems of finite and deformable blocks. Large rock mass deformations and block movements are allowed. Although various extensions of the D D A method have been proposed in the literature, the method is not capable of modeling water-block interaction, sequential loading or unloading and rock reinforcement; three features that are needed when modeling surface or underground excavation in fractured rock. This paper presents three new extensions to the D D A method. The extensions consist of hydro-mechanical coupling between rock blocks and steady water flow in fractures, sequential loading or unloading, and rock reinforcement by rockbolts, shotcrete or concrete lining. Examples of application of the D D A method with the new extensions are presented. Simulations of the underground excavation of the \ulcornerUnju Tunnel\ulcorner in Korea were carried out to evaluate the influence of fracture flow, excavation sequence and reinforcement on the tunnel stability. The results of the present study indicate that fracture flow and improper selection of excavation sequence could have a destabilizing effect on the tunnel stability. On the other hand, reinforcement by rockbolts and shotcrete can stabilize the tunnel. It is found that, in general, the D D A program with the three new extensions can now be used as a practical tool in the design of underground structures. In particular, phases of construction (excavation, reinforcement) can now be simulated more realistically.
In this study, the results of elasto-plastic analysis for a subway tunnel using finite element method are presented. To determine input data for the analysis we carried out rock mass classificaton, insitu test and back analysis using measured displacements. Tunnel convergence, extension of yielding Zone and support load are described. By comparing the results of four different reinforcement patterns, the influence of those patterns on tunnel stability is presented. As a result of the analysis we suggest a ratonal reinforcement pattern.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.5
no.2
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pp.189-198
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2003
For the huge section of tunnel, it is highly required to observe the role of each rock support and their effect of rock reinforcement in order to investigate more reasonable rock support structure. Especially for unstable tunnel situation with no shotcrete strength right after an excavation, sufficient investigation is needed for rock support structure. In this paper, we clarify the relations of compressive strength and material age, cohesion strength and material age, and cohesion stiffness and material age of grout with time-dependence through tests and numerical analysis simulation with trial rock mass considering hardening of bolt grouting material. By means of this process, effect of rock reinforcement for rockbolt is investigated right after an excavation and modelling and physical constants of young aged rockbolts are obtained. Additionally, the effect of rock reinforcement with hydraulic tensile friction bolt is examined right after an excavation, which grout effect is no need to be waited.
Safety is a most important parameters in underground railway transportation; Also stability of underground tunnel is very important in tunneling engineering. Design of a reliable support system requires an evaluation of both ground demand and support capacity. Iran's traditional railway tunnels are mainly supported with masonry structures or unsupported in high quality rock masses. A decrease in rock mass quality due to changes in groundwater regime creep and fatigue in rock and similar phenomena causes tunnel safety to decrease during time. The case study is an old tunnel in Iran, called "Keshvar"; it is more than 50 years old railway organization. In operating this Tunnel, until the several problems came up based on stability and leaking water. The goal of study is evaluation of the various reinforcement systems for supporting of the tunnel. The optimal selection of the reinforcement system is examined using TOPSIS Fuzzy method in light of the looming and available uncertainties. Several factors such as; the tunnel span, maintenance, drainage, sealing, ventilation, cost and safety were based to choose the method and system of designing. Therefore, by identifying these parameters, an optimal reinforcement system was selected and introduced. Based on optimization system for analysis, it is revealed that the systematic rock bolts and shotcrete protection had a most appropriate result for these kind of tunnel in Iran.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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