Quantifying the effect of stress relaxation on excavation

Stress relaxation is relevant to the design of both civil and mining excavations. While many authors refer to the adverse effect of stress relaxation on excavation stability, some present compelling empirical evidence indicating that stress relaxation does not have a significant effect. Establishing clear definitions of stress relaxation was critical to understanding and quantifying stress relaxation of the various types that have been referred to in the literature. This paper defines three types of stress relaxation – partial relaxation, full relaxation and tangential relaxation. Once clear definitions were determined, it became clear that the theoretical arguments and empirical evidence presented by various authors to support their respective cases are not contradictory; rather, the different conclusions can be attributed to different types of stress relaxation. In particular, when the minor principal stress is negative the intermediate principal stress has been identified as significantly affecting jointed rock mass behaviour. The aim of the study was to review and evaluate existing methods of quantifying the effect of stress relaxation around underground excavations and, if necessary, propose a new set of recommendations. An empirical stope stability model, that has been termed the Extended Mathews stability chart, was considered to be the most appropriate method of quantifying the effects of stress relaxation. A new set of guidelines to account for the effect of stress relaxation on excavation stability in the Extended Mathews stability chart has been proposed from a back-analysis of 55 case histories of stress relaxation.

Assessing longwall support-roof interaction from shield leg pressure data

A concept has been developed where characteristic load cycles of longwall shields can describe most of the interaction between a longwall support and the roof. A characteristic load cycle is the change in support pressure with time from setting the support against the roof to the next release and movement of the support. The concept has been validated through the back-analysis of more than 500 000 individual load cycles in five longwall panels at four mines and seven geotechnical domains. The validation process depended upon the development of new software capable of both handling the large quantity of data emanating from a modern longwall and accurately delineating load cycles. Existing software was found not to be capable of delineating load cycles to a sufficient accuracy. Load-cycle analysis can now be used quantitatively to assess the adequacy of support capacity and the appropriateness of set pressure for the conditions under which a longwall is being operated. When linked to a description of geotechnical conditions, this has allowed the development of a database for support selection for greenfield sites. For existing sites, the load-cycle characteristic concept allows for a diagnosis of strata-support problem areas, enabling changes to be made to set pressure and mining strategies to manage better, or avoid, strata control problems. With further development of the software, there is the prospect of developing a system that is able to respond to changes in strata-support interaction in real time.

Estimation of pharmacokinetic parameters from non-compartmental variables using Microsoft Excel((R))

This study was conducted to develop a method, termed 'back analysis (BA)', for converting non-compartmental variables to compartment model dependent pharmacokinetic parameters for both one- and two-compartment models. A Microsoft Excel((R)) spreadsheet was implemented with the use of Solver((R)) and visual basic functions. The performance of the BA method in estimating pharmacokinetic parameter values was evaluated by comparing the parameter values obtained to a standard modelling software program, NONMEM, using simulated data. The results show that the BA method was reasonably precise and provided low bias in estimating fixed and random effect parameters for both one- and two-compartment models. The pharmacokinetic parameters estimated from the BA method were similar to those of NONMEM estimation.

Sediment and pore water data of five cores from the continental slope off Uruguay

Assessing frequency and extent of mass movement at continental margins is crucial to evaluate risks for offshore constructions and coastal areas. A multidisciplinary approach including geophysical, sedimentological, geotechnical, and geochemical methods was applied to investigate multistage mass transport deposits (MTDs) off Uruguay, on top of which no surficial hemipelagic drape was detected based on echosounder data. Nonsteady state pore water conditions are evidenced by a distinct gradient change in the sulfate (SO4**2-) profile at 2.8 m depth. A sharp sedimentological contact at 2.43 m coincides with an abrupt downward increase in shear strength from approx. 10 to >20 kPa. This boundary is interpreted as a paleosurface (and top of an older MTD) that has recently been covered by a sediment package during a younger landslide event. This youngest MTD supposedly originated from an upslope position and carried its initial pore water signature downward. The kink in the SO4**2- profile approx. 35 cm below the sedimentological and geotechnical contact indicates that bioirrigation affected the paleosurface before deposition of the youngest MTD. Based on modeling of the diffusive re-equilibration of SO4**2- the age of the most recent MTD is estimated to be <30 years. The mass movement was possibly related to an earthquake in 1988 (approx. 70 km southwest of the core location). Probabilistic slope stability back analysis of general landslide structures in the study area reveals that slope failure initiation requires additional ground accelerations. Therefore, we consider the earthquake as a reasonable trigger if additional weakening processes (e.g., erosion by previous retrogressive failure events or excess pore pressures) preconditioned the slope for failure. Our study reveals the necessity of multidisciplinary approaches to accurately recognize and date recent slope failures in complex settings such as the investigated area.

Stress Inversion Using LiDAR Tunnel Deformation Measurements

Far-field stresses are those present in a volume of rock prior to excavations being created. Estimates of the orientation and magnitude of far-field stresses, often used in mine design, are generally obtained by single-point measurements of stress, or large-scale, regional trends. Point measurements can be a poor representation of far-field stresses as a result of excavation-induced stresses and geological structures. For these reasons, far-field stress estimates can be associated with high levels of uncertainty. The purpose of this thesis is to investigate the practical feasibility, applications, and limitations of calibrating far-field stress estimates through tunnel deformation measurements captured using LiDAR imaging. A method that estimates the orientation and magnitude of excavation-induced principal stress changes through back-analysis of deformation measurements from LiDAR imaged tunnels was developed and tested using synthetic data. If excavation-induced stress change orientations and magnitudes can be accurately estimated, they can be used in the calibration of far-field stress input to numerical models. LiDAR point clouds have been proven to have a number of underground applications, thus it is desired to explore their use in numerical model calibration. The back-analysis method is founded on the superposition of stresses and requires a two-dimensional numerical model of the deforming tunnel. Principal stress changes of known orientation and magnitude are applied to the model to create calibration curves. Estimation can then be performed by minimizing squared differences between the measured tunnel and sets of calibration curve deformations. In addition to the back-analysis estimation method, a procedure consisting of previously existing techniques to measure tunnel deformation using LiDAR imaging was documented. Under ideal conditions, the back-analysis method estimated principal stress change orientations within ±5° and magnitudes within ±2 MPa. Results were comparable for four different tunnel profile shapes. Preliminary testing using plastic deformation, a rough tunnel profile, and profile occlusions suggests that the method can work under more realistic conditions. The results from this thesis set the groundwork for the continued development of a new, inexpensive, and efficient far-field stress estimate calibration method.

Avaliação do desempenho de fundações em edificação no DF com a utilização de técnicas de interação solo-estrutura

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015.

Rock slope stability analyses using extreme learning neural network and terminal steepest descent algorithm

The analysis of rock slope stability is a classical problem for geotechnical engineers. However, for practicing engineers, proper software is not usually user friendly, and additional resources capable of providing information useful for decision-making are required. This study developed a convenient tool that can provide a prompt assessment of rock slope stability. A nonlinear input-output mapping of the rock slope system was constructed using a neural network trained by an extreme learning algorithm. The training data was obtained by using finite element upper and lower bound limit analysis methods. The newly developed techniques in this study can either estimate the factor of safety for a rock slope or obtain the implicit parameters through back analyses. Back analysis parameter identification was performed using a terminal steepest descent algorithm based on the finite-time stability theory. This algorithm not only guarantees finite-time error convergence but also achieves exact zero convergence, unlike the conventional steepest descent algorithm in which the training error never reaches zero.

Studio e modellazione numerica della propagazione di colate detritiche in ambiente appenninico

Il presente studio ha come obiettivi l’analisi, la modellazione numerica e la caratterizzazione del rischio idrogeologico di due siti dell’Appennino bolognese interessati negli ultimi due anni da colate detritiche, Serraglio (Comune di Castiglione dei Pepoli) e Chiapporato (Comune di Camugnano). Lo studio è stato condotto in collaborazione con il Servizio Tecnico di Bacino Reno della Regione Emilia-Romagna, che ha reso disponibile la documentazione relativa ai due eventi analizzati. I predetti eventi possono esser definiti “anomali” in relazione sia alla loro collocazione – essendo il fenomeno delle colate detritiche diffuso principalmente in aree montuose caratterizzate da un’altitudine media rilevante, come l’arco alpino – sia al fatto che non sono né catalogati né ricordati a memoria d’uomo eventi, in tali località, precedenti a quelli in esame. Il rischio idrogeologico, indotto dalla possibilità non remota di nuovi eventi, è dato non dal volume o dall’area interessata dai fenomeni, ma piuttosto dall’estrema velocità caratterizzante le colate detritiche, appunto definite come manifestazioni parossistiche lungo la rete idrografica secondaria con trasporto in massa di sedimenti. L’analisi effettuata ha anche fornito l’occasione per effettuare un confronto tra due realtà, quella di Serraglio e quella di Chiapporato, accomunate dalla stessa tipologia di evento, ma differenti in relazione all’uso del suolo, alle caratteristiche geomorfologiche e alle modalità di propagazione nel corso dell’evento. L’abitato di Serraglio, sito nella frazione di Baragazza, è stato colpito da una colata detritica il 20 gennaio 2009. Da un punto di vista geologico e geomorfologico la località è sovrastata da un versante boscato notevolmente acclive, caratterizzato dall’affioramento della cosiddetta Formazione di Cervarola: tali rocce, appartenenti alla categoria delle arenarie e solitamente presenti in strati compatti, in seguito alla naturale degradazione dovuta agli agenti atmosferici hanno dato luogo ad un detrito composto da blocchi e ciottoli di varia dimensione immersi in una matrice sabbiosa. Il distacco è avvenuto proprio in questo materiale detritico, reso instabile dal notevole apporto pluviometrico verificatosi nei giorni precedenti. La colata, sviluppatasi in seguito alla fluidificazione del materiale coinvolto in uno scivolamento di detrito di ridotta volumetria, si è incanalata in uno dei rii effimeri che drenano il versante con traiettorie tra loro pseudo parallele. Il debris flow, accelerato da un dislivello complessivo di 125 m, ha poi raggiunto due abitazioni, fortunatamente non abitate al momento dell’evento, depositando uno spessore detritico di oltre 1,5 m nella zona di transito prima di proseguire verso valle nella sua frazione più fine, incanalandosi di fatto lungo lo stradello asfaltato di accesso alle abitazioni e interessando la strada provinciale che collega Castiglione dei Pepoli all’uscita autostradale di Roncobilaccio. Da un punto di vista meteo-climatico il mese di gennaio 2009 è stato caratterizzato da precipitazioni fortemente superiori alla media, accompagnate da una ridotta insolazione. La continua oscillazione dello zero termico tra 0 e 900 m ha dato luogo alla formazione di uno spessore nivale al suolo di circa 20 cm tre giorni prima dell’evento e poi al suo rapido scioglimento contestualmente all’aumento termico, dato dalla risalita di aria calda umida di origine africana, accompagnata da quella perturbazione che ha poi di fatto innescato il fenomeno. Nelle 48 ore precedenti l’evento sono stati registrati apporti nivo-pluviometrici corrispondenti ad oltre 130 mm, che hanno causato la completa saturazione del detrito superficiale, l’innesco dello scivolamento di detrito e la sua successiva fluidificazione. Il distacco del materiale detritico, la sua movimentazione e la notevole erosione che ha caratterizzato l’alveo del rio durante il fenomeno – quantificata mediamente in 20 cm – sono state favorite dalle mediocri condizioni di salute del castagneto che copre il versante interessato dall’evento: la totale assenza di manutenzione e l’abbandono della coltivazione “a pali” del bosco hanno inibito la naturale funzione stabilizzante del boscato, trasformatosi da fattore inibente a fattore predisponente il fenomeno. La seconda colata detritica analizzata ha invece interessato la strada comunale che collega la frazione di Stagno all’abitato di Chiapporato, splendida borgata cinquecentesca, frequentata soprattutto da turisti ed escursionisti durante la stagione estiva. Il versante sede della colata, occorsa in data 8 novembre 2010, è caratterizzato da numerosi affioramenti della cosiddetta Formazione di Stagno, arenarie intervallate da strati marnoso-pelitici. Tale litotipo, soggetto alla naturale degradazione indotta dagli agenti atmosferici, origina un detrito composto da massi e ciottoli, raccoltisi, nell’area in esame, in un canalone posto ai piedi di una scarpata pseudo verticale delimitante il pianoro di “Val di Sasso”. Tale materiale detritico è stato poi fluidificato dalle abbondanti piogge, depositando, dopo oltre 320 metri di dislivello, circa un metro di detrito sul piano stradale per poi proseguire la sua corsa verso il Torrente Limentra e il Bacino di Suviana. L’evento è stato innescato da precipitazioni intense e persistenti che hanno depositato al suolo oltre 69 mm di pioggia in 25 ore. Nel mese precedente il fenomeno sono stati misurati oltre 530 mm di pioggia, quantitativi superiori alla media climatologica, che hanno sicuramente accelerato anche la degradazione della scarpata e l’accumulo di detriti nell’area sorgente. Le colate sopra descritte sono state poi simulate utilizzando il modello DAN-W (Dynamic ANalysis) del prof. Oldrich Hungr della University of British Columbia (Canada). Tale modello si basa su una discretizzazione della massa movimentata tramite il metodo degli “elementi di contorno” e sulla soluzione alle differenze finite di tipo Lagrangiano dell’equazione di De Saint Venant. L’equazione del moto, integrata verticalmente, è applicata a colonne strette di flusso (elementi di contorno). L’equazione di continuità è invece risolta riferendosi agli elementi di massa delimitati dai predetti elementi di contorno. Il numero di incognite principali eguaglia il numero di equazioni disponibili ed il problema è quindi completamente determinato. Gli altri parametri caratterizzanti la colata sono determinati tramite interpolazioni basate sull’ipotesi che sia la superficie del flusso sia quella della traiettoria siano ragionevolmente lisce. La soluzione è esplicita ed avviene per step temporali successivi. Al fine della determinazione dei parametri l’utilizzatore ha la possibilità di scegliere tra vari modelli reologici, quantificanti il termine di resistenza caratterizzante il moto. Su indicazione dell’autore del modello sono stati utilizzati il modello frizionale e quello di Voellmy, che, in casi simili, forniscono risultati più realistici (in relazione alla modellizzazione di colate di detrito). I parametri utilizzati per la calibrazione sono lo spessore di detrito depositato sul piano stradale, nel caso di Chiapporato, e a tergo della prima abitazione investita dalla colata nel caso di Serraglio, unitamente alla massima distanza raggiunta dai detriti. I risultati ottenuti utilizzando il modello reologico frizionale mostrano profili di velocità scarsamente rappresentativi, con una costante sovrastima della stessa, a fronte di una migliore capacità descrittiva degli spessori accumulatisi. Il modello di Voellmy ha invece prodotto andamenti di velocità più realistici, confrontabili con i valori forniti dalla letteratura internazionale, riuscendo al contempo a quantificare con precisione l’accumulo di detrito rilevato a seguito degli eventi. I valori dei parametri utilizzati nella modellazione sono stati ricavati dalle indicazioni dell’autore del modello affiancate dai range resi disponibili dalla letteratura. Entrambe le caratterizzazioni reologiche sono poi state oggetto di un’analisi di sensitività ai fini di quantificare il peso dei parametri utilizzati. Il modello frizionale si è rivelato particolarmente sensibile all’andamento del coefficiente di attrito basale e al coefficiente di pressione dei pori, con un lieve preponderanza del primo, mentre il modello reologico di Voellmy si è mostrato fortemente influenzato dal coefficiente di turbolenza e dal coefficiente di attrito, pressoché paritari nell’effettivo condizionamento dei risultati. Gli output ottenuti simulando l’evento di Serraglio sono risultati generalmente meno realistici di quelli ricavati nel caso di Chiapporato: ciò è probabilmente dovuto alle caratteristiche reologiche proprie del fenomeno occorso a Serraglio, classificabile come un ibrido tra un mud flow e un debris flow. Sono state infine avanzate proposte di intervento e di monitoraggio dei siti indagati, al fine di una mitigazione del rischio idrogeologico gravante sulle aree esaminate. Il caso di Serraglio presenta, a parere dello scrivente, un rischio idrogeologico più elevato, se paragonato a quello presente a Chiapporato, dati la vicinanza ad un centro abitato e lo status quo caratterizzante il versante sede del dissesto. Nei circa 18 mesi trascorsi dopo l’evento è stato possibile rilevare un progressivo ampliamento della nicchia di distacco dello scivolamento, poi evolutosi in colata con andamento tipicamente retrogressivo. Lo stato della vegetazione permane in condizioni problematiche, con frequenti ribaltamenti e sradicamenti (processi noti in letteratura come chablis) dei castagni presenti, con un conseguente aumento dell’erosione superficiale del versante e l’apporto detritico all’interno del rio. Tale detrito è poi trattenuto all’interno dell’alveo da una serie di briglie naturali formatesi a seguito della caduta di varie piante all’interno del canale stesso a causa del passaggio del debris flow o a fenomeni di chablis. La forte sovraescavazione occorsa in occasione della colata ha poi favorito l’innesco di una serie di piccoli scivolamenti superficiali confluenti nel rio stesso, anch’essi apportatori di detrito, ingrediente principale per un nuovo debris flow. È inoltre da notare come la zona di runout è tuttora parzialmente occupata dal detrito depositatosi a seguito dell’evento: tale configurazione, causando di fatto una riduzione della potenziale area di “sfogo” di un nuovo debris flow, acuisce il rischio di un’estensione areale verso valle degli effetti di un nuovo fenomeno, con un conseguente possibile maggior coinvolgimento dell’abitato di Serraglio. È stato quindi proposto di attuare un’adeguata regimazione dell’area boschiva caratterizzante il versante, unitamente ad una regimazione fluviale del rio, tramite la realizzazione di briglie in legno e pietrame – essendo l’area non cantierabile – e la rimozione degli accumuli detritici in seno all’alveo stesso. La nicchia di distacco principale e le nicchie secondarie dovranno poi essere oggetto di opportuna stabilizzazione. Più a valle è stata suggerita la rimozione dell’accumulo detritico presente nell’area di runout e la realizzazione di un’adeguata opera di ricezione delle acque del rio e di eventuali nuove colate: a tal fine si è ipotizzato il ripristino dell’antico alveo, successivamente deviato e tombato per permettere l’edificazione dell’abitazione poi investita dalla colata. È stato inoltre proposto un monitoraggio attraverso l’installazione di un pluviometro, tarato con opportune soglie di allarme, dotato di datalogger e modem GPRS al fine di comunicare in tempo reale, ai tecnici incaricati e agli abitanti, un eventuale superamento della soglia di allarme. Il caso di Chiapporato è invece caratterizzato da problematiche connesse al rischio idrogeologico meno rilevanti di quelle presenti a Serraglio. Ciò è dovuto allo scarso traffico caratterizzante la strada comunale e all’assenza di altri edifici o infrastrutture potenzialmente coinvolgibili da un nuovo evento. La probabilità del verificarsi di una nuova colata è però concreta, considerata la forte erosione caratterizzante il versante: trascorsi sei mesi dall’evento, è stato possibile rilevare nell’area sorgente un accumulo medio di detrito di circa mezzo metro di spessore. Le cause del dissesto, a differenza di Serraglio, non sono in alcun modo imputabili all’azione antropica: si tratta infatti della naturale evoluzione del versante sovrastante il piano stradale. Si propone quindi la collocazione di cartelli stradali indicanti il pericolo di caduta massi e colate detritiche agli automobilisti e ai pedoni, unitamente all’installazione di un cavo a strappo posto lungo l’alveo torrentizio collegato ad un semaforo dislocato nei pressi del guado della strada comunale sul rio Casale. L’eventuale verificarsi di un nuovo evento comporterebbe la lacerazione del cavo installato e l’attivazione del semaforo – e di un eventuale allarme acustico – con conseguente inibizione del traffico stradale in occasione del transito del debris flow. Nel contesto geologico e geomorfologico dell’Appennino tosco-emiliano i debris flow rappresentano una tipologia di dissesto da frana poco diffusa, ma comunque potenzialmente presente nelle aree dove i processi di alterazione e degradazione degli ammassi rocciosi affioranti generino accumuli di detrito e in condizioni morfologiche caratterizzate da elevate pendenze dei versanti. Questo studio ha permesso di approfondire la conoscenza di questi fenomeni, che presentano una magnitudo notevolmente inferiore rispetto al contesto alpino, ma la cui interferenza con l’attività antropica acuisce notevolmente il rischio idrogeologico nelle zone interessate. Si sottolinea, inoltre, che nell’attuale contesto climatico caratterizzato da sempre più frequenti piogge brevi ed intense ed eventi cosiddetti di rain on snow, la frequenza sia temporale che spaziale di tali fenomeni di dissesto appare destinata ad aumentare, anche in aree in precedenza non interessate.

Back to the roots : mean-variance analysis of relevance estimations

Recently, mean-variance analysis has been proposed as a novel paradigm to model document ranking in Information Retrieval. The main merit of this approach is that it diversifies the ranking of retrieved documents. In its original formulation, the strategy considers both the mean of relevance estimates of retrieved documents and their variance. How- ever, when this strategy has been empirically instantiated, the concepts of mean and variance are discarded in favour of a point-wise estimation of relevance (to replace the mean) and of a parameter to be tuned or, alternatively, a quantity dependent upon the document length (to replace the variance). In this paper we revisit this ranking strategy by going back to its roots: mean and variance. For each retrieved document, we infer a relevance distribution from a series of point-wise relevance estimations provided by a number of different systems. This is used to compute the mean and the variance of document relevance estimates. On the TREC Clueweb collection, we show that this approach improves the retrieval performances. This development could lead to new strategies to address the fusion of relevance estimates provided by different systems.

“Back to the future” – a retrospective analysis of university business models

Using established strategic management and business model frameworks we map the evolution of universities in the context of their value proposition to students as consumers of their products. We argue that in the main universities over time have transitioned from a value-based business model through to an efficiency-based business model that for numerous reasons, is becoming rapidly unsustainable. We further argue that the future university business models would benefit with a reconfiguration towards a network value based model. This approach requires a revised set of perceived benefits, better aligned to the current and future expectations and an alternate approach to the delivery of those benefits to learner / consumers.

Dynamic analysis and simulation of a VSC based Back-to-Back HVDC link

This paper presents the modeling and analysis of a voltage source converter (VSC) based back-to-back (BTB) HVDC link. The case study considers the response to changes in the active and reactive power and disturbance caused by single line to ground (SLG) fault. The controllers at each terminal are designed to inject a variable (magnitude and phase angle) sinusoidal, balanced set of voltages to regulate/control the active and reactive power. It is also possible to regulate the converter bus (AC) voltage by controlling the injected reactive power. The analysis is carried out using both d-q model (neglecting the harmonics in the output voltages of VSC) and three phase detailed model of VSC. While the eigenvalue analysis and controller design is based on the d-q model, the transient simulation considers both models.

Flow resistance network analysis of the back-pressure of automotive mufflers

Complexity of mufflers generally introduces considerable pressure drop, which affects the engine performance adversely. Not much literature is available for pressure drop across perforates. In this paper, the stagnation pressure drop across perforated muffler elements has been measured experimentally and generalized expressions have been developed for the pressure loss across cross-flow expansion and cross-flow contraction elements. A flow resistance model available in the literature has been made use of to analytically determine the flow distribution and thereby the pressure drop of mufflers. A generalized expression has been derived here for evaluation of the equivalent flow resistance for parallel flow paths. Expressions for flow resistance across perforated elements, derived by means of flow experiments, have been implemented in the flow resistance network. The results have been validated with experimental data. Thus, the newly developed integrated flow resistance networks would enable us to determine the normalized stagnation pressure drop of commercial automotive mufflers, thus enabling an efficient flow-acoustic design of silencing systems.

Column switching-back flushing technique for the analysis of aromatic compounds in gasoline

A simple method, based on the technique of capillary column switching-back flushing, has been developed for the detailed analysis of aromatic compounds in gasoline. The sample was first separated on a 30-m long OV-2330 polar precolumn and then backflushed onto a nonpolar analytical column. The early eluting components from the precolumn and the components of interest (aromatic compounds plus heavier compounds) eluting from the analytical column are all directed to the same flame ionization detection system through a T piece, which permits the quantitative analysis of aromatic hydrocarbons in gasoline by a normalization method using correcting factors. The switching time window of the method is +/-5 s, resulting in easier operation and higher reliability. The reproducibility of the quantitative analysis was less than or equal to3% RSD for real gasoline samples. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.