This paper presents an elasto-plastic model for determination of the ground response curve of a circular underwater tunnel excavated in elastic-strain softening rock mass compatible with a nonlinear Hoek-Brown yield criterion. The finite difference method (FDM) was used to propose a new solution to calculate pore water pressure, stress, and strain distributions on periphery of circular tunnels in axisymmetric and plain strain conditions. In the proposed solution, a modified non-radial flow pattern, for the hydraulic analysis, is utilized. To evaluate the effect of gravitational loads and variations of pore water pressure, the equations concerning different directions around the tunnel (crown, wall, and floor) are derived. Regarding the strain-softening behavior of the rock mass, the stepwise method is executed for the plastic zone in which parameters of strength, dilatancy, stresses, strains, and deformation are different from their elasto-plastic boundary values as compared to the tunnel boundary values. Besides, the analytical equations are developed for the elastic zone. The accuracy and application of the proposed method is demonstrated by a number of examples. The results present the effects of seepage body forces, gravitational loads and dilatancy angle on ground response curve appropriately.
일면전단시험은 전단면의 응력을 직접 측정하므로 평면변형시 강도를 파악할 수 있는 등의 많은 장점을 가지고 있으며, 시험조작이 간편하기 때문에 실용적으로도 우수한 것으로 판단된다. 그러나 사질토의 경우에 의한, Dilatancy에 의한 체적변화과정에서 공시체와 전단상자의 주면마찰력이 전단면의 수직 응력을 증감시키기 때문에 구해지는 강도가 과대 또는 과소하게 나타나는 것으로 알려져 있다. 그러나 반력판측에 장착한 하중계를 통해 전단면의 수직응력을 직접 측정 제어하는 형식으로 개선되어 주면마찰력의 영향을 해소하였다. 따라서 본 연구는 반력판측에 하중계를 장착한 개량형 다단식 단순전단시험기를 개발하여 사질토의 정압(CD)조건 전단시험을 수행하여 강도특성과 전단강도에 미치는 영향을 개량형 일면전단시험의 결과와 비교하였다. 그 결과 정압조건의 일면전단시험과 단순전단시험에 의한 강도정수는 조밀한 모래의 경우는 거의 비슷하게 나타나며, 느슨한 모래의 경우는 일면전단이 다소 크게 나타났다. 그리고 단순전단과 일면전단시험에서의 Dilatancy거동에는 큰 차이가 나타나지 않았다.
The bearing mechanism of pile during installation and loading process which controls the deformation and distribution of strain and stress in the soil surrounding pile tip is complex and full of much uncertainty. It is pointed out that particle crushing occurs in significant stress concentrated region such as the area surrounding pile tip. The solution to this problem requires the understanding and modeling of the mechanical behavior of granular soil under high pressures. This study aims to investigate the sand behavior around pile tip considering the characteristics of sand crushing. The numerical analysis of model pile loading test under different surcharge pressure with constitutive model for sand crushing is presented. This constitutive model is capable of predicting the dilatancy of soil from negative to positive under low confining pressure and only negative dilatancy under high confining pressure. The predicted relationships between the normalized bearing stress and normalized displacement are agreeable with the experimental results during the entire loading process. It is estimated from numerical results that the vertical stress beneath pile tip is up to 20 MPa which is large enough to cause sand to be crushed. The predicted distribution area of volumetric strain represents that the distributed area shaped wedge for volumetric contraction is beneath pile tip and distributed area for volumetric expansion is near the pile shaft. It is demonstrated that the finite element formulation incorporating a constitutive model for sand with crushing is capable of producing reasonable results for the pile loading problem.
The extent by which economy and safety concerns can be addressed in earth retaining structure design depends on the accuracy of the assumed failure surface. Accordingly, this study attempts to investigate and quantify mechanical backfill properties that control failure surface geometry of cohesionless backfills at the active state for translational mode of wall movements. For this purpose, a small scale 1 g physical model study was conducted. The experimental setup simulated the conditions of a backfill behind a laterally translating vertical retaining wall in plane strain conditions. To monitor the influence of dilative behavior on failure surface geometry, model tests were conducted on backfills with different densities corresponding to different dilation angles. Failure surface geometries were identified using particle image velocimetry (PIV) method. Friction and dilation angles of the backfill are calculated as functions of failure stress state and relative density of the backfill using a well-known empirical equation, making it possible to quantify the influence of dilation angle on failure surface geometry. As a result, an empirical equation is proposed to predict active failure surface geometry for cohesionless backfills based on peak dilatancy angle. It is shown that the failure surface geometries calculated using the proposed equation are in good agreement with the identified failure surfaces.
Granulated coal ash (GCA), a mixture of the by-product from milling processes with a small amount of cement added, has recently come to be used as a new form of geomaterial. The shear strength and deformation behaviours of GCA are greatly determined by its relative density or void ratio. A series of drained triaxial compression tests were performed on cylindrical specimens of GCA at confining pressures of between 50 kPa and 400 kPa at initial relative densities of 50%, 70% and 80%. Experimental results show that a rise in relative density increases the peak shear strength and intensifies the dilation behaviour. The initial tangent modulus and secant modulus of the stress-strain curve increase with increasing initial relative density, whereas the axial and volumetric strains at failure decrease with level of initial relative density. The stress-dilatancy relationships of GCA at different relative densities and confining pressures display similar tendency. The dilatancy behaviour of GCA is modelled by the Nova rule and the material property N in Nova rule of GCA is much larger than that of natural sand.
The effect of particle breakage and intermediate principal stress ratio on the behaviour of crushable granular assemblies under true triaxial stress conditions is studied using the discrete element method. Numerical results show that the increase of intermediate principal stress ratio $b(b=({\sigma}_2-{\sigma}_3)/({\sigma}_1-{\sigma}_3))$ results in the increase of dilatancy at low confining pressures but the decrease of dilatancy at high confining pressures, which stems from the distinct increasing compaction caused by breakage with b. The influence of b on the evolution of the peak apparent friction angle is also weakened by particle breakage. For low relative breakage, the relationship between the peak apparent friction angle and b is close to the Lade-Duncan failure model, whereas it conforms to the Matsuoka-Nakai failure model for high relative breakage. In addition, the increasing tendency of relative breakage, calculated based on a fractal particle size distribution with the fractal dimension being 2.5, declines with the increasing confining pressure and axial strain, which implies the existence of an ultimate graduation. Finally, the relationship between particle breakage and plastic work is found to conform to a unique hyperbolic correlation regardless of the test conditions.
Ramos, Catarina;Fonseca, Antonio Viana da;Vaunat, Jean
Geomechanics and Engineering
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제9권6호
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pp.729-742
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2015
The aim of the present work was the study of instability in a loose sand from Les Dunes beach in Ain Beninan, Algeria, where the Boumerdes earthquake occurred in 2003. This earthquake caused significant structural damages and claimed the lives of many people. Damages caused to infrastructures were strongly related to phenomena of liquefaction. The study was based on the results of two drained and six undrained triaxial tests over a local sand collected in a region where liquefaction occurred. All the tests hereby analyzed followed compression stress-paths in monotonic conditions and the specimens were isotropically consolidated, since the objective was to study the instability due to static loading as part of a more general project, which also included cyclic studies. The instability was modeled with the second-order work increment criterion. The definition of the instability line for Les Dunes sand and its relation with yield surfaces allowed the identification of the region of potential instability and helped in the evaluation of the susceptibility of soils to liquefy under undrained conditions and its modeling. The dilatancy rate was studied in the points where instability began. Some mixed tests were also simulated, starting with drained conditions and then changing to undrained conditions at different time steps.
Flow properties of all suspensions are controlled by their flow units. The factors effecting on the flow units are the characteristics of the particle itself (surface properties, particle sizes, particle shapes and etc.), the electrostatic interactions among the particles and the influences of the medium in the suspensions. Here, we studied the transition between the flow units with shear rate which can be added to the above factors. For the concentrated starch-water suspensions, by using the Couette type rotational viscometer, we confirmed that at low shear rate, dilatancy is appeared, but it is transformed to thixotropy with increasing shear rate. In order to explain this fact, we derived the following flow equation, representing the transition from dilatancy to thixotropy with shear rate, by assuming the equilibrium between the flow units. f = X1β1s./α1 + 1/(1+Kexp(c0s.2/RT))((1-X1)/α2)sinh-1{(β2)0 s. exp(c2s.2/RT)} + K exp(c0s.2/RT)/(1+K exp(c0s.2/RT))((1-X1)/α3)sinh-1{(β3)0 s. exp(-c3s.2/RT)} By applying this flow equation to the experimental flow curves for the concentrated starch-water suspensions, the flow parameters were obtained. And, by substituting the obtained flow parameters to the flow equation, the theoretical flow curves were reproduced. Also, Ostwald curve was represented by applying the flow equation, and the applicability for stress relaxation was discussed.
이 논문는 지오신텍스 보강토 구조물의 보강 메카니즘을 수치계산을 통해 규명하고자 하는 목적으로 쓰여졌다. 이 연구에서는 보강 메카니즘은 전단에 의한 다짐토의 체적 팽창(부의 다일렌탄시)을 지오신텍티스에 의해 구속 억제하는 과정에서 생성되는 효과로 간주하고 있다. 보강 메카니즘의 규명을 위해 1992년 일본 Kanazawa에서 실시된 실모형 실험과 실내 실험 결과를 이용하였으며. 수치계산에서는 다짐토의 다일렌탄시 특성을 표현 가능한 탄소성 구성모델을 이용하여 유한요소(FEM)을 이용하고 있다. 수치 계산에 의해 실모형, 실험 실내실험 결과를 비교 분석하였다.
암석 내에 포함된 불연속면으로 인하여 암석은 압축하중 하에서 복잡한 거동을 한다. 이러한 복잡한 거동은 변형률강화(strain hardening), 변형률연화(strain softening), 부피팽창(dilatancy)등의 비선형 거동을 포함하는데, 이들은 균열의 성장, 상호작용(interaction), 연합(coalescence) 등을 통하여 발생한다(Brace et al., 1972; Kranz, 1983). 이와 같은 암석의 비선형적 거동을 설명하기 위하여 여러 형태의 균열모형이 개발된 바 있다(Costin, 1985; Nemat-Nasser & Horii, 1982; Wang & Kemeny, 1993; Jeon, 1998). (중략)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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