Rahimpour, Nima;Omran, Morteza MohammadAlinejad;Moghaddam, Amir Bazrafshan
Geomechanics and Engineering
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v.30
no.4
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pp.363-372
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2022
One of the most frequent issues in tunnel excavation is the collapse of rock blocks and the dropping of rock fragments from the tunnel face. The tunnel face can be reinforced using a number of techniques. One of the most popular and affordable solutions is the use of face longitudinal dowels, which has benefits including high strength, flexibility, and ease of cutting. In order to examine the reinforced face, this work shows the longitudinal deformation profile and ground response curve for a tunnel face. This approach is based on assumptions made during the analysis phase of problem solving. By knowing the tunnel face response and dowel behavior, the interaction of two elements can be solved. The rock element equation derived from the rock bolt method is combined with the dowel differential equation to solve the reinforced ground response curve (GRC). With a straightforward and accurate analytical equation, the new differential equation produces the reinforced displacement of the tunnel face at each stage of excavation. With simple equations and a less involved computational process, this approach offers quick and accurate solutions. The FLAC3D simulation has been compared with the suggested analytical approach. A logical error is apparent from the discrepancies between the two solutions. Each component of the equation's effect has also been described.
The lattice-spring-based synthetic rock mass model (LS-SRM) technique has been extensively employed in large open-pit mining and underground projects in the last decade. Since the LS-SRM requires a complex and time-consuming calibration process, a robust approach was developed using the Response Surface Methodology (RSM) to optimize the calibration procedure. For this purpose, numerical models were designed using the Box-Behnken Design technique, and numerical simulations were performed under uniaxial and triaxial stress states. The model input parameters represented the models' micro-mechanical (lattice) properties and the macro-scale properties, including uniaxial compressive strength (UCS), elastic modulus, cohesion, and friction angle constitute the output parameters of the model. The results from RSM models indicate that the lattice UCS and lattice friction angle are the most influential parameters on the macro-scale UCS of the specimen. Moreover, lattice UCS and elastic modulus mainly control macro-scale cohesion. Lattice friction angle (flat joint fiction angle) and lattice elastic modulus affect the macro-scale friction angle. Model validation was performed using physical laboratory experiment results, ranging from weak to hard rock. The results indicated that the RSM model could be employed to calibrate LS-SRM numerical models without a trial-and-error process.
A reliability analysis is performed to investigate the influence of the uncertainty from few in-situ samples and inherent heterogeneity of the ground on the probability of failure for a rock cut slope. The results are compared with those of deterministic slope stability analysis. The random variables used are unit weight of the rock, the angle of potential slope of failure, and cohesion and internal friction angle of joints. It was found that the rock slope in which the factor of safety satisfied the minimum safety factor in the deterministic analysis has high probability of failure in the reliability analysis when the weak geological strata are involved in the cut slope. The probability of failure of rock slope is most sensitive to the mean and standard deviation of cohesion in rock joint among the random soil parameters included in the reliability analysis. Sensitivities of the mean values are larger than those of standard deviations, which means that accurate estimation of the mean for the in-situ geotechnical properties is important.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.15
no.4
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pp.375-385
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2013
This study evaluates correlation between petrographic characteristics and weathering grade of low-graded metasedimentary rocks mainly consisting of phyllite. Weathering grade of rock material was determined based on the results of geological survey. The Schmidt hammer test was carried out to obtain estimates of strength of rock materials. Point counting and microscopic observation were also conducted to analyze mineral composition and to measure spacing of foliation for 9 rock specimens. As a result of microscopic analysis, as the weathering grade was lower, the quartz was found more in quantity, consequently making rock stronger against weathering process. On the other side, lower weathering grade of rock resulted in less content of mica which is weak against weathering process. In addition, the rock materials with closer foliation spacing are found to be weaker in strength and have higher weathering grade.
Tunnel face mapping involves the determination of rock discontinuities or weak rock conditions where extra support might be required. In this study, we investigated the application of Lidar scanning and photogrammetry to quantitatively characterize discontinuities of the rock mass on the tunnel face during excavation. The 3D models of tunnel faces generated by using these methods enable accurate and automatic discontinuity measurement to overcome the limitations of manual mapping. The results of this study show that both photogrammetry and Lidar can be used to reconstruct the 3D model of the tunnel face, although the photogrammetric 3D model is less detailed than its counterpart produced by Lidar. Given acceptable accuracy and cost-effectiveness, photogrammetry can be a fast, reliable, and low-cost alternative to Lidar for acquiring 3D models and determining rock discontinuities on tunnel faces.
The safety of the disposal repository for high level radioactive waste should be guaranteed for a quite long period so that the precise evaluations are required. The site characteristics of the discontinuities are essential part of the safe repository design including engineered barrier and natural barrier systems. The discontinuities act like weak planes and at the same time, they act as flow paths so that their features should be investigated thoroughly. RQD (Rock Quality Designation) is one of the most widely applied characterizing methods due to its simplicity, however, modified designations have been proposed because RQD has some drawbacks, such as its directivity and dependence on the threshold length. This study aims to evaluate the applicability of the modified designations by applying them to the rock mass around KURT and to produce fundamental database that will be utilized in future studies.
Penetration rate (PR) and penetration depth (Pe) are crucial parameters for estimating the cost and time required in tunnel construction using tunnel boring machines (TBMs). This study focuses on investigating the impact of rock strength on PR and Pe through full-scale experiments. By conducting controlled tests on rock-like specimens, the study aims to understand the contributions of various ground parameters and machine-operating conditions to TBM excavation performance. An earth pressure balanced (EPB) TBM with a sectional diameter of 3.54 m was utilized in the experiments. The TBM excavated rocklike specimens with varying uniaxial compressive strength (UCS), while the thrust and cutterhead rotational speed were controlled. The results highlight the significance of the interplay between thrust, cutterhead speed, and rock strength (UCS) in determining Pe. In high UCS conditions exceeding 70 MPa, thrust plays a vital role in enhancing Pe as hard rock requires a greater thrust force for excavation. Conversely, in medium-to-low UCS conditions less than 50 MPa, thrust has a weak relationship with Pe, and Pe becomes directly proportional to the cutterhead rotational speed. Furthermore, a strong correlation was observed between Pe and cutterhead torque with a determination coefficient of 0.84. Based on these findings, a predictive model for Pe is proposed, incorporating thrust, TBM diameter, number of disc cutters, and UCS. This model offers a practical tool for estimating Pe in different excavation scenarios. The study presents unprecedented full-scale TBM excavation results, with well-controlled experiments, shedding light on the interplay between rock strength, TBM operational variables, and excavation performance. These insights are valuable for optimizing TBM excavation in grounds with varying strengths and operational conditions.
In order to investigate the influence of the interfacial angel on failure characteristics and mechanism of combined coal-rock mass, 35 uniaxial/biaxial compressive simulation tests with 5 different interfacial angels of combined coal-rock samples were conducted by PFC2D software. The following conclusions are drawn: (1) The compressive strength and cohesion decrease with the increase of interfacial angle, which is defined as the angle between structure plane and the exterior normal of maximum principal plane, while the changes of elastic modulus and internal friction angle are not obvious; (2) The impact energy index $K_E$ decreases with the increase of interfacial angle, and the slip failure of the interface can be predicted based on whether the number of acoustic emission (AE) hits has multiple peaks or not; (3) There are four typical failure patterns for combined coal-rock samples including I (V-shaped shear failure of coal), II (single-fracture shear failure of coal), III (shear failure of rock and coal), and IV (slip rupture of interface); and (4) A positive correlation between interfacial angle and interface effect is shown obviously, and the interfacial angle can be divided into weak-influencing scope ($0-15^{\circ}$), moderate-influencing scope ($15-45^{\circ}$), and strong-influencing scope (> $45^{\circ}$), respectively. However, the confining pressure has a certain constraint effect on the interface effect.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.2
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pp.235-244
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2016
Grouting is frequently used before the construction of subsea tunnels to mitigate problems that can occur in weak ground zones such as joints, faults or unconsolidated settlements during construction. The grout material injected into rock mass often flows through the discontinuities present in the host rock and hence, joint properties such as its distribution, roughness and thickness greatly affect the properties of grouting-improved rocks. The grouting-improved zones near subsea tunnels are also subjected to high water pressures that can cause long-term weathering in the form of changes in grout microstructure and crack formation and lead to subsequent changes in ground properties. Therefore, an assessment method is needed to accurately measure changes in the grouting-improved zones near subsea tunnels. In this study, the elastic wave propagation characteristics in grouting-improved rocks were tested for various axial stress levels, curing time, joint roughness and thickness conditions under laboratory conditions and the results were compared with wave velocity standards in different Korean rock mass classification systems to provide a basis for inferring improvement in grouted rock-mass.
Mechanical energy is accumulated in the object when stress is exerted on rock specimens, and the failure is occurred when the stress is larger than critical stress. The accumulated energy is emitted as various forms including physical deformation, light, heat and sound. Uniaxial compression strength test and point load strength test were carried out in low temperature environment, and thermal variation of rock specimens were observed and analyzed quantitatively using thermal infrared camera images. Temperature of failure plane was increased just before the failure because of concentration of stress, and was rapidly increased at the moment of the failure because of the emission of thermal energy. The variations of temperature were larger in diorite and basalt specimens which were strong and fresh than in tuff specimens which were weak and weathered. This study can be applied to prevent disasters in rock slope, tunnel and mine in cold regions and to analyze satellite image for predicting earthquake in cold regions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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