Kim, Hoon;Shin, Ho-Sung;Kim, Yun-Tae;Park, Dug-Keun;Min, Tuk-Ki
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.28
no.2
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pp.71-78
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2012
Rainfall infiltration test under one dimensional condition is conducted to evaluate the effect of rainfall intensity on seepage velocity and infiltration characteristics for initial unsaturated sediment. Experimental results are compared with those numerical simulations with respect to variations of pore water pressure, degree of saturation and discharge velocity with time, and both results give good agreement. High rainfall intensity tends to increase seepage velocity almost linearly. But it shows rapid increase as rainfall intensity approaches saturated hydraulic conductivity of the sediment. In addition, the upper part of wetting front depth is partially saturated, not fully. Therefore, actual wetting front depth is considered to advance faster than theoretical prediction, which leads to slope instability of unsaturated slope due to surface rainfall.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.19
no.2
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pp.197-215
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2015
Modeling water flow in variably saturated, porous media is important in many branches of science and engineering. Highly nonlinear relationships between water content and hydraulic conductivity and soil-water pressure result in very steep wetting fronts causing numerical problems. These include poor efficiency when modeling water infiltration into very dry porous media, and numerical oscillation near a steep wetting front. A one-dimensional finite element formulation is developed for the numerical simulation of variably saturated flow systems. First order backward Euler implicit and second order Crank-Nicolson time discretization schemes are adopted as a solution strategy in this formulation based on Picard and Newton iterative techniques. Five examples are used to investigate the numerical performance of two approaches and the different factors are highlighted that can affect their convergence and efficiency. The first test case deals with sharp moisture front that infiltrates into the soil column. It shows the capability of providing a mass-conservative behavior. Saturated conditions are not developed in the second test case. Involving of dry initial condition and steep wetting front are the main numerical complexity of the third test example. Fourth test case is a rapid infiltration of water from the surface, followed by a period of redistribution of the water due to the dynamic boundary condition. The last one-dimensional test case involves flow into a layered soil with variable initial conditions. The numerical results indicate that the Crank-Nicolson scheme is inefficient compared to fully implicit backward Euler scheme for the layered soil problem but offers same accuracy for the other homogeneous soil cases.
An instrumentation system is designed to observe the behavior of slope soil and stabilizing piles during heavy rains. Inclinometers, standpipe piezometers and strain gages are installed into a cut slope reinforced by a row .of piles for an apartment. The horizontal deflection and bending stress developed on the piles can be measured, respectively, by the inclinometers and strain gages installed in piles, while the horizontal deformation of the slope soil can be measured by the inclinometer installed in the soil across the open space between piles. The groundwater level doss not grow so sensitively during heavy rain. The behavior of piles and slope is 서footed by the wetting front, since the driving force of slope increases with the weight of slope soil above the wetting front. The stabilizing piles and the slope soil show elastic behavior during heavy rain.
Slope failure depends upon the climatic features related to related rainfall, structural geology and geomorphological features as well as the variation of the mechanical behaviors of soil constituting a slope. In this paper, among many variables, effects of soil layer thickness on the slope failure process, and variations of matric suction and volumetric water content were observed. When the soil layer is relatively thick, the descending wetting front decreases matric suction and the observed matric suction reaches to "0" value. When the wetting front reaches to the impermeable boundary, the bottom surface of steel soil box, ascending wetting front was observed. This observation can be postulated to be the effects of various sizes of pores. When macro size pores exist, the capillary effects can be reduced and infilling of pore will be limited. The partially filled pores would be filled with water during the ascending of the wetting front, which bounces from the impermeable boundary. This assumption has been assured from the observation of variation of the volumetric water contents at different depth. When the soil layer is thick (thickness = 20 cm), for granular material, erosion is a cause triggering the slope failure. It has been found that the initiation of erosion occurs when the top soil is fully saturated. Meanwhile, when the soil layer is shallow (thickness = 10 cm), slope slides as en mass. The slope failure for this condition occurs when the wetting front reaches to the interface between the soil layer and steel soil box. As the wetting front approaches to the bottom of soil layer, reduction of shear resistance along the boundary and increase of the unit weight due to the infiltration occur and these produce complex effects on the slope failure processes.
It is possible to understand rainfall infiltration characteristics by identification of wetting front in the soil. The wetting front by rainfall infiltration has close relationships among soil density, grain size distribution, and permeability coefficient in the soil. The infiltration velocity is a similar concept of permeability coefficient in the soil. In this study, infiltration velocity of rainfall was calculated by a field monitoring of volumetric water contents at the depths of 50 cm and 80 cm below the surface in the gneiss weathered soil. The calculated field infiltration velocity was compared with a permeability coefficient by a laboratory soil test using undisturbed soil samples in the study area. The permeability coefficient of the soil sample is $3.15{\times}10^{-3}cm/sec$, while the field infiltration velocity is $1.87{\times}10^{-3}cm/sec$. It is interpreted that the lower infiltration velocity is induced by complicate condition of porosity and grain size distribution of soil in the field. The rainfall intensity which influences on the volumetric water content and infiltration velocity is more than 20 mm/day resulting in expansion of wetting front in the soil.
Geophysical survey for establishing a wide site for the distribution of water content, wetting front infiltration due to the rainfall, and distribution of groundwater level has been performed by using 8round penetration radar (GPR) method, electrical resistivity method, and so on. On the other hand, a narrow area survey was performed to use a permittivity method such as time domain reflectometry, frequency domain reflectometry, and amplitude domain reflectometry methods for estimating volumetric water content, soil density, and concentration of contaminant in surface and subsurface. The permittivity methods establish more corrective physical parameters than different found survey technologies mentioned above. In this study for establishment of infiltration behaviors for wetting front in the unsaturated soil caused by an artificial rainfall, soil physical parameters for volumetric water content, pore water pressure, and pore air pressure were measured by FDR measurement device and pore water pressure meter which are installed in the unsaturated weathered granite soil with different depths. Consequently, the authors were proposed to a new establishment method for analyzing the variations of volumetric water content and wetting front infiltration from the responses of infiltrating pore water in the unsaturated soil.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.28-33
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2006
Shallow failures of slopes in weathered soils are caused by infiltration due to prolonged rainfall. These failures are mainly triggered by the deepening of the wetting band accompanied by a decrease in suction induced by the water infiltration. In this paper, hysteresis on soil-water characteristic curve(SWCC) of granite and gneiss weathered soils are investigated using transient flow analysis respectively. Each case was subjected to artificial rainfall intensities and time duration depending on the laboratory-based drying and wetting processes. The results show that the unsaturated seepage on weathered slopes are very much affected by the initial suction of soils and unsaturated permeability of the soils. In addition, a granite weathered soil has a lower air-entry value, residual matric suction, and wetting front suction and less hysteresis loop than a gneiss weathered soil.
Kim, Sangrae;Ki, Jaehong;Kim, Youngjin;Han, Mooyoung
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.22
no.6
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pp.681-687
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2008
It is well known that the water infiltration rate depends on soil properties such as soil water content, water head, capillary suction, density, hydraulic conductivity, and porosity. However, most of proposed infiltration models assume that the air phase is continuous and in equilibrium with the atmosphere or air compression and air entrapment on infiltration was not considered. This study presents experimental results on unsaturated water infiltration to relate air entrapment and hydraulic conductivity function based on soil air properties. The objectives of this study were to measure change of soil air pressure ahead of wetting front under air drain and air confined condition to find the confined air effect on infiltration rate, to reduce the entrapped air volume related with soil air pressure to increase the soil permeability, and to make a basis of infiltration process model for the purpose of improvement of infiltration rate in the homogeneous soil column. The results of the work show that soil air pressure increases according to increasement of the saturated soil depth rather than the wetting front depth during infiltration process.
Incessant rainfalls in unsaturated soil raises pore water pressure and drops shear stress. Controlling pore water pressure in unsaturated soil prevents pressure increase and leads to slope stability. Laboratory experiment of pore water absorption in soil tank has been conducted for pore pressure decrease in soil slope under artifical rainfall supplied in varying rainfall indensities. Soil slope failure triggers the deepening of the wetting front to critical depth accompanied by decrease in matric suction induced by water infilteration. This paper addresses an experimental design for absorption pipe to prevent pore pressure increase in unsaturated soil slope from heavy rain. It is expected that absorption pipe will be widely used in unsaturated soil slope to strengthen slope stability.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.22
no.3
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pp.171-178
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2014
From now on, in order to meet more stringer diesel emission standard, diesel vehicle should be equipped with emission after-treatment devices as NOx reduction catalyst and particulate filters. Urea-SCR is being developed as the most efficient method of reducing NOx emissions in the after-treatment devices of diesel engines, and recent studies have begun to mount the urea-SCR device for diesel passenger cars and light duty vehicles. That is because their operational characteristics are quite different from heavy duty vehicles, urea solution injection should be changed with other conditions. Therefore, the number and diameter of the nozzle, injection directions, mounting positions in front of the catalytic converter are important design factors. In this study, major design parameters concerning urea solution injection in front of SCR are optimized by using a CFD analysis and Taguchi method. The computational prediction of internal flow and spray characteristics in front of SCR was carried out by using STAR-CCM+7.06 code that used to evaluate $NH_3$ uniformity index($NH_3$ UI). The design parameters are optimized by using the $L_{16}$ orthogonal array and small-the-better characteristics of the Taguchi method. As a result, the optimal values are confirmed to be valid in 95% confidence and 5% significance level through analysis of variance(ANOVA). The compared maximize $NH_3$ UI and activation time($NH_3$ UI 0.82) are numerically confirmed that the optimal model provides better conversion efficiency of $NH_3$. In addition, we propose a method to minimize wall-wetting around the urea injector in order to prevent injector blocks caused by solid urea loading. Consequently, the thickness reduction of fluid film in front of mixer is numerically confirmed through the mounting mixer and correcting injection direction by using the trial and error method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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