Park, Jong-Sung;Ryu, Dong-Woo;Ryu, Chang-Ha;Lee, Chung-In
Tunnel and Underground Space
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v.17
no.2
s.67
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pp.109-118
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2007
The excavation damaged zone (EDZ) is an area around an excavation where in situ rock mass properties, stress condition. displacement. groundwater flow conditions have been altered due to the excavation. Various studies have been carried out on EDZ, but most studies have been focused on the mechanical bahavior of EDZ by in situ experiment. Even though the EDZ could potentially form a high permeable pathway of groundwater flow, only a few studies were performed on the analysis of groundwater flow in EDZ. In this study, the' hydraulic EDZ' was defined as the rock Lone adjacent to the excavation where the hydraulic aperture has been changed due to the excavation. And hydraulic EDZ (hydraulic aperture changed zone) estimated by two-dimensional DEM program was considered in three-dimensional DFN model. From this approach the groundwater flow characteristics corresponding to hydraulic aperture change were examined. Together. a parametric study was performed to examine the boundary conditions that frequently used in DFN analysis such as constant head or constant flux condition. According to the numerical analysis, hydraulic aperture change induced by the hydraulic-mechanical interaction becomes one of the most important factors Influencing the hydraulic behavior of jointed rock masses. And also from this study, we suggest the proper boundary condition in three-dimensional DFN model.
Park, Jung-Wook;Park, Chan;Ryu, Dongwoo;Choi, Byung-Hee;Park, Eui-Seob
Tunnel and Underground Space
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v.26
no.3
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pp.235-252
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2016
This study presents a methodology to reproduce the mechanical behavior of isotropic or transversely isotropic rock using the polygonal grain-based distinct element model. A numerical technique to monitor the evolution of micro-cracks during the simulation was developed in the present study, which enabled us to examine the contribution of tensile cracking and shear cracking to the progressive process of the failure. The numerical results demonstrated good agreement with general observations from rock specimens in terms of the behavior and the evolution of micro-cracks, suggesting the capability of the model to represent the mechanical behavior of rock. We also carried out a parametric study as a fundamental work to examine the relationships between the microscopic properties of the constituents and the macroscopic behavior of the model. Depending on the micro-properties, the model exhibited a variety of responses to the external load in terms of the strength and deformation characteristics. In addition, a numerical technique to reproduce the transversely isotropic rock was suggested and applied to Asan gneiss from Korea. The behavior of the numerical model was in good agreement with the results obtained in the laboratory-scale experiments of the rock.
Changes in rock properties due to freezing and thawing cycles ranging from $-20^{\circ}C$ to $10^{\circ}C$ were checked for the typical Korean rocks: granite (weathered), limestone, sandstone, tuff, shale and basalt. The porosity, seismic velocity, shore hardness and specific gravity were measured every 10 cycles for each type of rock up to 40 cycles. The specific gravity was rarely changed. Granite (w), shale and basalt decreased gradually in their shore hardness and seismic velocity values, these values for limestone, sandstone and tuff changed only a very little. The porosity increased in the granite (w), shale and basalt, whereas in the others it did not change. Due to the low tensile strength with high porosity, granite (w), shale and basalt were susceptible to the F-T cycles. A linear regression equation was calculated based on the experiment results according to properties and types of rock. The relationship between the freeze-thaw sensitivity (=initial porosity/initial tensile strength) and the coefficients of the regression equation was examined. With additional experimental data, the coefficients of the regression equation can be estimated using the F-T sensitivity. This makes it possible to predict the properties of rock as affected by freeze-thaw weathering by only measuring the initial properties without knowledge of the regression equation coefficients for each type of rock.
Kim, Hyung-Mok;Rutqvist, Jonny;Ryu, Dong-Woo;Synn, Joong-Ho;Song, Won-Kyong
Tunnel and Underground Space
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v.21
no.5
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pp.394-405
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2011
In this paper, we applied coupled non-isothermal, multiphase fluid flow and geomechanical numerical modeling using TOUGH-FLAC coupled analysis to study the complex thermodynamic and geomechanical performance of underground lined rock caverns (LRC) for compressed air energy storage (CAES). Mechanical stress in concrete linings as well as pressure and temperature within a storage cavern were examined during initial and long-term operation of the storage cavern for CAES. Our geomechanical analysis showed that effective stresses could decrease due to air penetration pressure, and tangential tensile stress could develop in the linings as a result of the air pressure exerted on the inner surface of the lining, which would result in tensile fracturing. According to the simulation in which the tensile tangential stresses resulted in radial cracks, increment of linings' permeability and air leakage though the linings, tensile fracturing occurred at the top and at the side wall of the cavern, and the permeability could increase to $5.0{\times}10^{-13}m^2$ from initially prescribed $10{\times}10^{-20}m^2$. However, this air leakage was minor (about 0.02% of the daily air injection rate) and did not significantly impact the overall storage pressure that was kept constant thanks to sufficiently air tight surrounding rocks, which supports the validity of the concrete-lined underground caverns for CAES.
Slip along a frictional fracture can be approached as initiation and propagation of a mode II crack along its own plane. Fracture mechanics theories predict that under pure mode II loading initiation will occur when the energy release rate of the fracture attains a critical value ($G_{IIC}$), which is generally taken as a material property. For the past few years the rock mechanics group at Purdue University has investigated experimentally the dependence of $G_{IIC}$ on normal stress and on the frictional characteristics of a fracture. A number of experiments has been conducted first on acrylic, a material that, using photoelastic methods, allows visualization of the stress field ahead of the fracture tip; and later on gypsum, a rock model material with relatively low unconfined compression strength. The experimental investigation has been expanded to include other frictional materials with higher unconfined compression strength. Direct shear tests have been conducted on specimens made with cement paste. New observations together with previous experiments indicate that $G_{IIC}$ can only be considered a material property when the peak friction angle of the discontinuity is similar to the residual friction angle; otherwise the critical energy release rate increases with normal stress.
The analysis of slope stability was performed from seven sites among total eleven sites of waste rock which are divided into two objects (mullock-pile and rock mass) according to the location of dumping-dropping point in L limestone Mine. The analysis of circular failure using Bishop's simplified method and the finite element method for mullock-pile slopes were adopted. For rock mass slopes, identification of failure modes on stereonet projection was determined, thereby limit equilibrium analysis was applied to obtain the safety factor of slopes and the finite element method was used to understand overall behavior of slope. Phi-c reduction method was used to calculate the safety factor of slopes through the finite element method. In mullock-pile slope of zone D and rock slopes of zone F and G, the assurance of slope stability was difficult, and the plans to assure the stability of slopes were proposed on the basis of the analysis of slopes at disposal sites of waste rock. Therefore, the method of piling with waste rock by dozer pushing after dumping for mullock-pile slope of zone D is required, and the method of piling after moving to the place which has no fault zone for rock slope of zone F and G is recommended.
Park, Chul-Whan;Park, Chan;Synn, Joong-Ho;Jung, Yong-Bok
Tunnel and Underground Space
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v.20
no.6
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pp.455-464
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2010
The variations of the uniaxial compressive strength, the strains and the elastic constants with respect to the angle of anisotropy are analyzed in order to investigate the characteristics of a transversely isotropic rock experimentally. Total 35 specimens of 7 different angles from a large block of rhyolite presenting the flow structure obviously are used in tests. This study is composed of two reports; the elastic constants are mainly analyzed for the every individual angle in the report No. 1 and they will be discussed synthetically in the report No. 2. From the specimens of 0 and 90 degree, 4 independent elastic constants which can directly be obtained without the help of any other suggested equations, may be referred to the true values. Data variation in the strain measurements differs on the angle is analyzed. That of small angle specimens tends higher than that of large angle specimens. The relation of apparent Young’s modulus and angle is found to be M- or U-shaped. For small angle specimens, Saint-Venant approximation cannot be applied successfully on account of showing the non-monotonous increase, and E1 is analyzed out of the true value range. In the specimen of $\phi$ = 75, the deviation of strain measurement and strength are smallest and 4 all constants are analyzed in the true value range. Therefore, specimen of the angle of around 75 may become preferable if only one specimen should be used in test of a transversely isotropic rock.
This study is to consider applicability of spiral bolt strain gauge as an instrument measuring behavior of soft ground foundation and rock slope. When the instrument was installed on the ground, it can be useful to identify the state of ground behavior because it has the characteristics of flexibility, as well as to apply the ground reinforcement because it has higher pull-out resistance to the ground. From the measurement of behavior to soft ground foundation, the strain shows a stable state in the beginning, then was observed significant change in the upper and the middle of spiral bolt strain gauge after 400 days. This is analyzed that ground loosening, which is due to occurred frequent earthquake of magnitude 1~2 with increased rainfall, lead to the instability of the ground. From the measurement of behavior to rock slope, the strain shows a stable state with very little change in a period of 0~50 days and the biggest strain at 4.2 m (P6) in a period of 50~100 days, then other places except P6 was maintained at a stable state in a period of 100~160 days. The reason is analyzed because that blasting for excavated limestone surrounding was affected to the largest at P6. However, based on the size of strain change by behavior of the soft ground foundation and rock slope, it is considered that the present condition are not effected on stability of retaining structure and rock slope. In conclusion, the proposed spiral bolt strain gauge can be useful to measure behavior of soft ground foundation and rock slope, and also to be measured behavior as well as reinforcement of the target ground.
The horizontal response spectra using the observed ground motions from the recent more than 19 macro earthquakes were analysed and then were compared to both the seismic design response spectra (Reg Guide 1.60), applied to the domestic nuclear power plants, and the Korean Standard Design Response Spectrum for general structures and buildings (1997). 130 horizontal ground motions, without considering soil types, were used for normalization with respect to the peak acceleration value of each ground motion. The results showed that response spectrum have strong dependency on epicentral distance. The results also showed that the horizontal response spectra revealed much higher values for frequency bands above 5 Hz than Reg. Guide (1.60). The results were also compared to the Korean Standard Response Spectrum for the 3 different soil types and showed that the vertical response spectra revealed much higher values for the frequency bands below 0.3 second than the Korean Standard Response Spectrum (SD soil condition). These spectral values dependent on frequency could be related to characteristics of the domestic crustal attenuation and the effect of each site amplification. However, through the qualitative improvements and quantitative enhancement of the observed ground motions, the conservation of horizontal seismic design response spectrum should be considered more significantly for the frequency bands above 5 Hz.
Grouting technology is one of the ground improvement methods used in water controlling and reinforcement of rock mass in underground structure construction. It is necessarily required to find out the characteristics of grout flow through discontinuities in a rock mass for an adequate grout design and performance assessment. Laminar flow is not always applicable in simulating a grout flow in a rock mass, since the rock joints usually have apertures at a micro-scale and the flow through these joints is affected by the joint roughness and the velocity profile of the flow changes partially near the roughness. Thus, the influence of joint roughness and aperture on the grout flow in rough rock joint was numerically investigated in this study. The commercial computational fluid dynamics code, FLUENT, was applied for this purpose. The computed results by embedded Herschel-Bulkley model and VOF (volume of fluid) model, which are applicable to simulate grout flow in a narrow rock joint that is filled with air and water, were well compared with that of analytical results and previously published laboratory test for the verification. The injection pressure required to keep constant injection rate of grout was calculated in a variety of Joint Roughness Coefficient (JRC) and aperture conditions, and the effect of joint roughness and aperture on grout flow were quantified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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