This study aims to evaluate the supporting effect of a spiral bolt that is superior to a rock bolt in terms of constructability, stability, environmental and economic aspects as a support system. This study thus analyzed the mechanical properties of a rock bolt which is widely used as a support and a spiral bolt. In addition, laboratory pull-out tests were conducted for the evaluation of properties of the supports such as displacement, pull-out load, confining pressure etc. Moreover, the differences between a rock bolt and a spiral bolt were drawn by comparing the two results of laboratory pull-out tests and in-situ pull-out tests. Then, the differences of the supporting effect of the two supports were analysed by comparing the results of the two pull-out tests with a numerical analysis using FLAC3D.
In modern rock engineering practice, fully grouted rock bolting is actively employed as a major supporting system, so that understanding the behavior of fully grouted rock bolts is essential for the precise design of rock bolting. Despite its importance, the supporting mechanism of rock bolts has not been fully understood yet. Since most of existing analytical models for rock bolts were developed by drastically simplifying their boundary conditions, they are not suitable for the bolts of in-situ condition. In this study, 3-D elastic FE analysis of fully grouted rock bolts has been conducted to provide insight into the supporting mechanism of the bolt. The distribution of shear and axial stresses along the bolt are investigated with the consideration of different boundary conditions including three different displacement boundary conditions at the bolt head, the presence of intersecting rock joints, and the variation of elastic modulus of adjacent rock. The numerical result reveals that installation of the faceplate at the bolt head plays an important role in mobilizing the supporting action and enhancing the supporting capabilities of the fully grouted rock bolts.
To make large slopes or rock structures stable, supporting systems, such as anchor bolt, rock bolt and spiral bolt which are developed recently, are commonly used. In this study, in-situ pull-out tests were carried out to compare the characteristics of rock bolt that is most widely used with ones of spiral bolt that is newly developed. Re-pull-out test for the spiral bolt in which loading and unloading cycles are repeated three times showed that the maximum pull-out load is almost constant irrespective of the number of loading cycles, which may be due to no failure between spiral bolt and filler. On the other hand, the maximum pull-out load for the conventional rock bolt decreases with the number of loading cycles due to the partial failure between rock bolt and filler.
This paper presented solutions of displacement and stress for a circular opening which is reinforced with grouted rock bolt. It satisfies the Mohr-Coulomb (M-C) or generalized Hoek-Brown (H-B) failure criterion, and exhibits elastic-brittle-plastic or strain-softening behavior. The numerical stepwise produce for strain-softening rock mass reinforced with grouted rock bolt was developed with non-associative flow rules and two segments piecewise linear functions related to a principle strain-dependent plastic parameter, to model the transition from peak to residual strength. Three models of the interaction mechanism between grouted rock bolt and surrounding rock proposed by Fahimifar and Soroush (2005) were adopted. Based on the axial symmetrical plane strain assumption, the theoretical solution of the displacement and stress were proposed for a circular tunnel excavated in elastic-brittle-plastic and strain-softening rock mass compatible with M-C or generalized H-B failure criterion, which is reinforced with grouted rock bolt. It showed that Fahimifar and Soroush's (2005) solution is a special case of the proposed solution for n = 0.5. Further, the proposed method is validated through example comparison calculated by MATLAB programming. Meanwhile, some particular examples for M-C or generalized H-B failure criterion have been conducted, and parametric studies were carried out to highlight the influence of different parameters (e.g., the very good, average and very poor rock mass). The results showed that, stress field in plastic region of surrounding rock with considering the supporting effectiveness of the grouted rock bolt is more than that without considering the effectiveness of the grouted rock bolt, and the convergence and plastic radius are reduced.
This study has been carried out to design the standards of rock bolts which are recommended to be used for supporting material in Seong Ju tunnel, Under recently planned to construct. Due to the weak bedding rocks along the Tunnel, NATM supporting method is assumed to be applied and the design and calculation for rock bolts which are important material for this supporting method. Though the study, the results obtained are as follows. 1) The rocks defined s coarse sandstone, fine sandstone, medium sandstone, sandy shale and silty shale are normal rocks in strength, and black shale, greywacke and conglomerate are weak rocks in strength. 2) When the length of 3∼4meters of rock bolts are used, the distances of bolts are supposed to be 1.3∼1.8m in sandstone and 1.3∼2.0m in shale and for greywacke the distance should be 1.5m.
Through field measurements, it was shown that the shear stresses along a fully grouted rock blot were proportional to the differences between the displacement of a bolt rod and that of surrounding rock. Accordingly the theoretical equation for the displacement along a rock bolt, R(x), can be proposed as differential form; $ \frac{d^2R(x)}{dx^2}-aR(x)=-a^2U(x)$ where U(x) is the displacement of surrounding rock and α is a constant. In this study above equation was applied to the boundary element analysis which can simulate the supporting behavior of each rock bolt around a tunnel and the results of the implementation of boundary element technique were shown.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.03a
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pp.521-532
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2008
Supporting system design and construction management for the soft and hard rock layers with fractured zones are very important theme for the safety of temporary retaining wall, surrounding ground and structures in the urban deep excavation for the construction of subway, railway, building etc. The prevailing design method of supporting system for the soft and hard rock layers in the deep excavation is mostly carrying out by simplification without proper consideration for the characteristic of rock discontinuities. Therefore the behaviors of rock discontinuities and fractured zones dominate the whole safety of excavation work in the real construction stage, serious disaster due to the failure of temporary retaining wall can be induced in the case of developing large deformations in the ground and large axial forces in the supporting system. This paper introduces examples of deep excavation where the soft and hard rock layers with fractured zones were designed to be supported by shotcrete and rock bolt, deformations of corresponding ground and supporting systems in the construction period and increments of axial force in the upper earth anchors and strut due to the these deformations were investigated through detailed analysis of measurement data, the results were so used for the management of consecutive construction that led to the safe and economical completion of excavation work. The effort of this article aims to improve and develop the technique of design and construction in the coming projects having similar ground condition and supporting method.
In this paper, through experimental research, the period when rock bolts exert support effects is presented as grout strength and through numerical analysis, the rock bolt pull-out behavior according to ground conditions and strength reduction factors is analyzed. As a result, it is determined that rock bolts exhibit their reinforcing effect at a grout strength of 5 MPa (cured for 18 hours). The influence of the boundary interface strength reduction factor was found to be significant for rock bolt displacement in weak ground conditions, for shear stress between grout and ground in highly elastic ground conditions, and for grout stress in all ground conditions. These findings are expected to contribute to the establishment of specific standards for rock bolt testing and numerical analysis, and to facilitate improved design and implementation of rock bolt reinforcement.
Based on the collapse characteristics of a shallow rectangular cavity, a three-dimensional failure mechanism which can be used to study the collapsing region of the rock mass above a shallow cavity roof is constructed. Considering the effects of surcharge pressure and surface bolt on the collapsing block, the external rate of works produced by surcharge pressure and surface bolt are included in the energy dissipation calculation. Using variational approach, an analytic expression of surface equation for the collapsing block, which can be used to study the collapsing region of the rock mass above a shallow cavity roof, is derived in the framework of upper bound theorem. Based on the analytic expression of surface equation, the shape of the collapsing block for shallow cavity is drawn. Moreover, the changing law of the collapsing region for different parameters indicates that the collapsing region of rock mass decreases with the increase of the density of surface bolt. This conclusion can provide reference for practicing geotechnical engineers to achieve an optimal design of supporting structure for a shallow cavity.
Nowadays, some studies have been performed for rockbolt method widely used in Korea. To make large slopes, tunnels or rock structures stable, supporting systems, such as anchor bolt, rock bolt which are developed recently, are commonly used. In this study, laboratory pullout tests were carried out to compare the characteristics of rock bolt that is most widely used with ones of rock bolt by newly developed circular model testers. Re-pullout test for the rock bolt in which loading and unloading cycles are repeated several times showed that the maximum pullout load is almost constant irrespective of the number of loading cycles, which may be due to no failure between rock bolt and filler that is filled with soils and concrete as a substitute. A development of rock bolt fillers as supporters using to protect people in tunnels and slopes is reviewed as a probable man-made hazard after excavation works. The functions of the grouted rock bolts associated with reinforcement effects also should be assessed in this study, which develop the sealing apparatus preventing from overflowing mortar out of a rock bolt hole for securing safety in the tunnel and slopes in order to secure stability named the sealing packer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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