• Structural Engineering and Mechanics
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• 제80권5호
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• pp.523-538
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• 2021

The mechanical behaviour and stability of coal mining engineering underground is significantly affected by ground water. In this study, nuclear magnetic resonance imaging (NMRI) technique was employed to determine the water distribution characteristics in coal specimens during saturation process, based on which the functional rule for water distribution was proposed. Then, using discrete element method (DEM), an innovative numerical modelling method was developed to simulate water-weakening effect on coal behaviour considering moisture content and water distribution. Three water distribution numerical models, namely surface-wetting model, core-wetting model and uniform-wetting model, were established to explore the water distribution influences. The feasibility and validity of the surface-wetting model were further demonstrated by comparing the simulation results with laboratory results. The investigation reveals that coal mechanical properties are affected by both water saturation coefficient and water distribution condition. For all water distribution models, micro-cracks always initiate and nucleate in the water-rich area and thus lead to distinct macro fracture characteristics. With the increase of water saturation coefficient, the failure of coal tends to be less violent with less cracks and ejected fragments. In addition, the core-wetting specimen is more sensitive to water than specimens with other water distribution models.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제10권2호
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• pp.1-12
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• 2011

조립재료의 입자 결합 및 파쇄 형태가 전단거동 특히 잔류 전단거동 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 개별요소법(DEM, discrete element method)에 기초를 둔 프로그램인 PFC(Particle Flow Code)를 이용하여 링 전단시험을 수치해석적으로 모델링하였다. 본 연구에서는 PFC내의 clump 모델 및 cluster 모델을 이용하여 두 개의 비파쇄모델 그리고 두 개의 파쇄모델을 포함한 총 네 개의 모델을 제시하였다. Lobo-Guerrero and Vallejo(2005)가 제안한 Lobo-crushing 모델의 적합성을 검토하였다. 또한 링 전단시험 모델링의 결과 분석을 통하여 직접전단시험 모델링 결과와 비교하였다. 연구 결과, 잔류 전단거동 분석을 위해서는 링 전단시험의 모델링이 필수적임을 알 수 있었다. 또한 잔류 전단강도 분석을 위해서는 Lobo-crushing 모델이 부적합함을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제시한 수치해석 모델은 향후 입자 파쇄를 포함한 조립재료의 잔류 전단강도 특성 연구에 다양하게 적용될 수 있다고 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제25권10호
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• pp.41-53
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• 2009

조립재료의 입자 형상이 입자 파쇄 전개 및 전단 거동 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 개별요소법(DEM, discrete element method)을 이용하여 직접전단시험을 수치해석적으로 모델링하였다. PFC(Particle Flow Code)내의 clump 모델 및 cluster 모델을 이용하여 6가지 형상의 입자를 생성하여 이를 원형입자의 직접 전단거동과 비교 분석함으로써 입자형상의 영향을 연구하였다. 연구결과, PFC에 의해 모델링된 직접 전단모델의 수치해석 결과는 실내 실험결과와 잘 일치하였으며, 따라서 본 연구 결과의 타당성을 입증하였다. 입자 형상 관점에서 모나고 거친 입자의 내부마찰각이 상대적으로 둥글고 매끄러운 입자에 비해 큰 값을 나타냈으며, 입자 파쇄 또한 많이 발생하는 것을 확인하였다. 이때 입자파쇄는 전단면근처에 집중되며 전단대를 형성하였다. 따라서 본 연구에서 제시한 수치해석 모델은 향후입자 파쇄를 포함한 조립재료의 전단강도 특성 연구에 다양하게 적용될 수 있다고 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제33권1호
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• pp.57-69
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• 2023

본 연구에서는 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)을 사용하여 네델란드 그로닝엔(Groningen) 천연가스전 저류층의 유발지진을 모사하였다. 수치해석 코드는 ITASCA社의 상용프로그램인 PFC2D (Particle Flow Code 2D)를 사용하였으며 본 수치해석 연구에 적용하기 위해 수리-역학적 연계 모델 외 1) 비균질 저류층 압력분포 초기화, 2) 비선형 압력-시간이력 경계조건, 3) 국소 응력 분포 계산 등의 개별모듈을 추가개발, 적용하였다. 그로닝엔 가스전에 분포하는 복잡한 단층 형상을 포함하는 40 × 50 km² 크기의 2차원 모델을 생성하였고, 1960년부터 2020년까지 약 60년 동안의 가스생산, 즉 압 력저하로 인한 단층의 파괴거동을 모사하였다. 유발지진의 시공간적 발생을 수치해석모델로 재현하였고 그 발생 메커니즘을 규명하였다. 또한 저류층 압축으로부터 지표에서의 지반침하의 분포를 예측하였고 그로닝엔에서의 실측자료 사이에 유사성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 소개한 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)의 복잡한 지질조건과 수리-역학적 연계 프로세스에 의한 단층거동을 구현할 수 있는 툴(tool)로서의 활용성을 확인하였다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제11권1호
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• pp.1-39
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• 2016

The finite element method (FEM), discrete element method (DEM), and Discontinuous deformation analysis (DDA) are among the standard numerical techniques applied in computational geo-mechanics. However, in some cases there no possibility for modelling by traditional finite analytical techniques or other mesh-based techniques. The solution presented in the current study as a completely Lagrangian and mesh-free technique is smoothed particle hydrodynamics (SPH). This method was basically applied for simulation of fluid flow by dividing the fluid into several particles. However, several researchers attempted to simulate soil-water interaction, landslides, and failure of soil by SPH method. In fact, this method is able to deal with behavior and interaction of different states of materials (liquid and solid) and multiphase soil models and their large deformations. Soil indicates different behaviors when interacting with water, structure, instrumentations, or different layers. Thus, study into these interactions using the mesh based grids has been facilitated by mesh-less SPH technique in this work. It has been revealed that the fast development, computational sophistication, and emerge of mesh-less particle modeling techniques offer solutions for problems which are not modeled by the traditional mesh-based techniques. Also it has been found that the smoothed particle hydrodynamic provides advanced techniques for simulation of soil materials as compared to the current traditional numerical methods. Besides, findings indicate that the advantages of applying this method are its high power, simplicity of concept, relative simplicity in combination of modern physics, and particularly its potential in study of large deformations and failures.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제69권1호
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• pp.11-20
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• 2019

The biaxial failure mechanism of transversally bedding concrete layers was numerically simulated using a sophisticated two-dimensional discrete element method (DEM) implemented in the particle flow code (PFC2D). This numerical modelling code was first calibrated by uniaxial compression and Brazilian testing results to ensure the conformity of the simulated numerical model's response. Secondly, 21 rectangular models with dimension of $54mm{\times}108mm$ were built. Each model contains two transversely bedding layers. The first bedding layer has low mechanical properties, less than mechanical properties of intact material, and second bedding layer has high mechanical properties, more than mechanical properties of intact material. The angle of first bedding layer, with weak mechanical properties, related to loading direction was $0^{\circ}$, $15^{\circ}$, $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, $75^{\circ}$ and $90^{\circ}$ while the angle of second layer, with high mechanical properties, related to loading direction was $90^{\circ}$, $105^{\circ}$, $120^{\circ}$, $135^{\circ}$, $150^{\circ}$, $160^{\circ}$ and $180^{\circ}$. Is to be note that the angle between bedding layer was $90^{\circ}$ in all bedding configurations. Also, three different pairs of the thickness were chosen in models, i.e., 5 mm/10 mm, 10 mm/10 mm and 20 mm/10 mm. The result shows that in all configurations, shear cracks develop between the weaker bedding layers. Shear cracks angel related to normal load change from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$ with increment of $15^{\circ}$. Numbers of shear cracks are constant by increasing the bedding thickness. It's to be noted that in some configuration, tensile cracks develop through the intact area of material model. There is not any failure in direction of bedding plane interface with higher strength.

• 터널과지하공간
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• 제30권4호
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• pp.306-319
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• 2020

사용후핵연료의 심층처분 사업에서는 처분장 주변 모암의 수리역학적 성능을 저하시키는 굴착손상영역의 특성화가 중요하다. 이에 DECOVALEX-2019 프로젝트의 Task G에서는 균열암반 수치해석 모델을 구축한 후 암반 주변의 굴착손상영역의 수리역학적 거동을 모사하고, 구축한 모델로 처분장의 운영 시에 장기적으로 야기될 수 있는 추가적인 수리학적 변화를 관찰하였다. 과업의 첫 번째 단계에서는 2차원 균열암반 모델을 구축하여 수치해석 기법의 특성을 파악하고, 두 번째 단계에서는 3차원 균열암반 모델로 확장 후 스웨덴 애스푀 지하연구시설(Äspö Hard Rock Laboratory) 내 TAS04 간섭시험 결과와 비교하여 수치해석 모델을 검증한 후, 세 번째 단계에서는 열과 빙하 하중에 의한 영향을 반영하여 균열암반의 수리역학적 반응을 순차적으로 확인하였다. 과업의 전 과정에서 유한요소법과 개별요소법으로 균열암반에서의 수리역학적 분석을 수행하였으며, 균열의 기하학적 특성을 반영 및 굴착손상영역을 반영하는 과정에서 각 수치해석 기법에 따라 다양한 접근방법으로 고려하였다. 따라서 본 연구는 향후 결정질 균열암반에 사용후핵연료 처분장을 계획할 시 수치해석 단계에서 채택될 수 있는 다양한 접근 방법과 고려해야 할 사항들을 제시할 수 있을 것으로 전망한다.