강한 마찰작용으로 생성되는 단층비지는 단층각력을 일부 포함하고 있는 점토물질로서 파쇄·풍화·변질 작용이 동반되기 때문에 주변 모암에 비해 상대적으로 낮은 강도를 가지고 있다. 또한, 단층비지는 공극의 분포, 각력 및 점토광물의 함량, 입자의 형태, 엽리 조직의 유무 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로 매우 불균질한 특징을 보인다. 단층비지의 낮은 강도와 불균질성으로 인해 많은 시공사례에서 위험인자로서 분류되고 있지만, 여러 사례에서 단편적인 영향요인만 고려할 뿐 다양한 영향인자를 동시에 고려하여 단층비지의 역학적 특성을 연구한 사례는 미비하다. 또한, 지금까지 지진을 고려한 해석은 건축물의 내진 개념을 위주로 수행되었기 때문에 지반 구성물질의 동적특성에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았으며, 지반에 분포하는 단층비지에 대한 동해석과 관련된 연구는 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 단층비지를 대상으로 ...
강한 마찰작용으로 생성되는 단층비지는 단층각력을 일부 포함하고 있는 점토물질로서 파쇄·풍화·변질 작용이 동반되기 때문에 주변 모암에 비해 상대적으로 낮은 강도를 가지고 있다. 또한, 단층비지는 공극의 분포, 각력 및 점토광물의 함량, 입자의 형태, 엽리 조직의 유무 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로 매우 불균질한 특징을 보인다. 단층비지의 낮은 강도와 불균질성으로 인해 많은 시공사례에서 위험인자로서 분류되고 있지만, 여러 사례에서 단편적인 영향요인만 고려할 뿐 다양한 영향인자를 동시에 고려하여 단층비지의 역학적 특성을 연구한 사례는 미비하다. 또한, 지금까지 지진을 고려한 해석은 건축물의 내진 개념을 위주로 수행되었기 때문에 지반 구성물질의 동적특성에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았으며, 지반에 분포하는 단층비지에 대한 동해석과 관련된 연구는 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 단층비지를 대상으로 샘플링, 실내시험 및 현장탐사를 수행하여, 다양한 영향인자를 고려한 단층물질의 역학적 특성 분석, 단층비지의 동적특성 산정, 단층비지를 포함한 비탈면의 시간이력해석을 수행하였으며, 각 장별로 수행한 내용과 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 단층비지의 정적특성을 측정하기 위해 한국에 분포하는 62개의 단층대로부터 총 224개의 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 모암에 따라 화강암, 퇴적암, 화산암으로 분류되었으며, 이를 대상으로 물성시험, 직접전단시험, XRD 분석을 통해 단위중량, 비중, 공극률, 함수비, 입도분포, 구성광물 함량, 마찰각, 점착력 등을 측정하였다. 측정된 단층비지의 정적특성 분포는 수염상자그림(box-and-whisker plot)으로 나타냈으며, 암종별로 비교되었다. 또한, 정적특성들 중 마찰특성은 암반의 마찰특성과 비교되었으며, 분석 결과 암질이 불량해질수록(신선한 암반→단층비지) 마찰특성이 감소되는 경향을 확인할 수 있었다. 마찰각에 영향을 미치는 인자를 파악하기 위해 단순회귀분석과 구조방정식 모형분석을 수행하였으며, 분석 결과 건조단위중량, 포화단위중량, 공극률, 함수비, 각력함량, 점토함량이 마찰각에 대한 영향인자로 판단되었다. 그러나 단순회귀분석에서 각 영향인자들과 마찰각의 결정계수(R²)가 0.123∼0.463으로 낮기 때문에, 신뢰도를 개선한 마찰각 추정모델을 제안하기 위해 추가적으로 다중회귀분석을 수행하였다. 그 결과 포화단위중량, 각력함량, 점토함량을 독립변수로 설정할 경우, 마찰각 추정 모델은 각 영향인자별 유의수준을 모두 만족하고, 동시에 R²도 0.657로 설명력이 증가된 것으로 분석된다. 단층비지의 동적특성을 파악하기 위해 P파와 S파 속도를 측정하는 실내시험 및 현장탐사들에 대하여 검토를 수행하였다. 실내 초음파 시험의 경우 현장 탐사에 비해 높은 주파수를 갖는 발신원(source)을 사용하기 때문에, 공극률이 큰 단층비지에서 산란 혹은 감쇠에 의해 측정값의 신뢰도가 낮아질 수 있는 것으로 분석되었다. 시추공을 이용한 검층방법(downhole, crosshole, uphole, SPS logging)은 단층비지를 포함한 주변지반의 속도까지 반영될 가능성이 높으며, 연약한 단층비지로 인한 시추공의 붕괴를 막기 위해 설치된 케이싱에 의해서 다소 높거나 낮게 평가될 수 있다. 따라서, 단층비지의 동적특성 산정을 위한 탐사는 3성분 지오폰을 이용한 탄성파 탐사와 MASW 탐사를 수행하였으며, 단층비지가 분포하는 현장 6곳을 대상으로 하여 각각의 결과를 비교·분석하였다. 3성분 지오폰을 이용한 탄성파 탐사에서는 P파와 S파의 속도가 신호의 초동으로 산정되며, S파의 경우에는 극성역전현상이 나타나는 것을 확인함으로서 신뢰도를 확보하였다. 그러나 MASW 탐사에서는 S파의 속도 값이 다소 낮게 측정되었는데, 이는 단층과 같이 이질적인 지질구조가 존재하는 지반에서 그라운드롤의 반사로 인해 속도가 낮아질 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 단층비지의 동적특성은 탄성파 탐사의 결과를 이용하였다. 흙이나 암석에서 동탄성계수(Ed)와 정탄성계수(Es)는 선형 내지 비선형의 관계를 보이므로, 단층비지의 탄성계수를 추정하는데 활용하고자 Ed와 Es에 대한 다양한 연구사례를 수집하여 비교·분석하였다. 암반의 Ed/Es는 화강암이 1.09∼1.18로 나타나는 반면 퇴적암에서는 1.09∼4.55까지 분포범위가 넓게 나타난다. 퇴적암 암반은 층리에 의한 영향으로 Ed/Es의 비가 큰 것으로 알려져 있다. 한편, 단층암과 단층비지의 Ed/Es 관계에서도 화강암 단층의 Ed/Es는 1.22로 나타나지만 퇴적암 단층의 Ed/Es는 5.08로 매우 크게 나타나 암반에서의 결과와 유사한 것으로 나타난다. 퇴적암에서 단층비지와 단층암의 Ed/Es 비가 크게 나타나는 이유는 단층비지 내에 각력의 함량이 많아 화강암에 비해 Ed 값이 높고, 퇴적암 단층암 주변부는 대체로 토사화·점토화 되어 낮은 Es 값을 갖기 때문으로 판단된다. 지진 시 단층비지를 포함하고 있는 비탈면의 거동을 파악하기 위해 FEM을 이용한 시간이력해석을 수행하였다. 단층비지를 포함하고 있는 실제 현장 비탈면을 대상으로 모델링을 수행하였고, 지반정수는 2장과 3장에서 결정한 정적 및 동적 특성을 적용하였다. 입력 지진파는 한국에서 실계측된 지진데이터를 이용하였으며, 규모에 따른 영향을 분석하기 위해 총 5개(M3.0, M3.9, M5.1, M5.4, M5.8)의 데이터를 적용하였다. 먼저, 지진가속도에 따른 영향을 보면, 최대 지진가속도가 도달한 이후 점차 수렴하는 Coda wave 구간에서 지진가속도 그래프의 양상에 따라 잔류/최대 전단변형률 비가 50∼110 %까지 나타났으며, 이는 지반이 탄소성체로서 지진과 같은 외력이 가해지면 영구변형이 남기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 지진 규모별 영향을 보면 대체로 지진규모가 증가할수록 최대지진가속도도 증가하여, 전단응력과 전단변형률이 같이 증가하는 경향을 보인다. 그러나 최대 전단응력과 전단변형률은 최대 지진가속도 뿐만 아니라 누적 지진가속도의 영향도 반영되므로 보수적으로 평가하기 위해서는 최대 지진가속도와 누적 지진가속도의 영향을 같이 검토해야 할 것으로 판단된다. 단층비지의 존재 유무에 대한 분석 결과 비탈면 내 단층비지는 전단변형률이 집중되는 것으로 분석된다. 본 연구의 분석 결과들은 단층비지가 그 자체로도 불균질성 및 낮은 강도특성으로 인해 안정성 측면에서 불리한 조건을 가지고 있으며, 지진과 같은 외력의 작용 시 변형률이 집중되어 쉽게 파괴·변형 될 수 있다는 것을 지시한다. 따라서, 공사 프로젝트에서 단층비지는 면밀히 조사되고 물리·역학적 특성이 규명되어 안정성 검토 시 반드시 고려되어야 할 인자로 판단된다.
강한 마찰작용으로 생성되는 단층비지는 단층각력을 일부 포함하고 있는 점토물질로서 파쇄·풍화·변질 작용이 동반되기 때문에 주변 모암에 비해 상대적으로 낮은 강도를 가지고 있다. 또한, 단층비지는 공극의 분포, 각력 및 점토광물의 함량, 입자의 형태, 엽리 조직의 유무 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로 매우 불균질한 특징을 보인다. 단층비지의 낮은 강도와 불균질성으로 인해 많은 시공사례에서 위험인자로서 분류되고 있지만, 여러 사례에서 단편적인 영향요인만 고려할 뿐 다양한 영향인자를 동시에 고려하여 단층비지의 역학적 특성을 연구한 사례는 미비하다. 또한, 지금까지 지진을 고려한 해석은 건축물의 내진 개념을 위주로 수행되었기 때문에 지반 구성물질의 동적특성에 대한 연구는 많이 이루어지지 않았으며, 지반에 분포하는 단층비지에 대한 동해석과 관련된 연구는 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 단층비지를 대상으로 샘플링, 실내시험 및 현장탐사를 수행하여, 다양한 영향인자를 고려한 단층물질의 역학적 특성 분석, 단층비지의 동적특성 산정, 단층비지를 포함한 비탈면의 시간이력해석을 수행하였으며, 각 장별로 수행한 내용과 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 단층비지의 정적특성을 측정하기 위해 한국에 분포하는 62개의 단층대로부터 총 224개의 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 모암에 따라 화강암, 퇴적암, 화산암으로 분류되었으며, 이를 대상으로 물성시험, 직접전단시험, XRD 분석을 통해 단위중량, 비중, 공극률, 함수비, 입도분포, 구성광물 함량, 마찰각, 점착력 등을 측정하였다. 측정된 단층비지의 정적특성 분포는 수염상자그림(box-and-whisker plot)으로 나타냈으며, 암종별로 비교되었다. 또한, 정적특성들 중 마찰특성은 암반의 마찰특성과 비교되었으며, 분석 결과 암질이 불량해질수록(신선한 암반→단층비지) 마찰특성이 감소되는 경향을 확인할 수 있었다. 마찰각에 영향을 미치는 인자를 파악하기 위해 단순회귀분석과 구조방정식 모형분석을 수행하였으며, 분석 결과 건조단위중량, 포화단위중량, 공극률, 함수비, 각력함량, 점토함량이 마찰각에 대한 영향인자로 판단되었다. 그러나 단순회귀분석에서 각 영향인자들과 마찰각의 결정계수(R²)가 0.123∼0.463으로 낮기 때문에, 신뢰도를 개선한 마찰각 추정모델을 제안하기 위해 추가적으로 다중회귀분석을 수행하였다. 그 결과 포화단위중량, 각력함량, 점토함량을 독립변수로 설정할 경우, 마찰각 추정 모델은 각 영향인자별 유의수준을 모두 만족하고, 동시에 R²도 0.657로 설명력이 증가된 것으로 분석된다. 단층비지의 동적특성을 파악하기 위해 P파와 S파 속도를 측정하는 실내시험 및 현장탐사들에 대하여 검토를 수행하였다. 실내 초음파 시험의 경우 현장 탐사에 비해 높은 주파수를 갖는 발신원(source)을 사용하기 때문에, 공극률이 큰 단층비지에서 산란 혹은 감쇠에 의해 측정값의 신뢰도가 낮아질 수 있는 것으로 분석되었다. 시추공을 이용한 검층방법(downhole, crosshole, uphole, SPS logging)은 단층비지를 포함한 주변지반의 속도까지 반영될 가능성이 높으며, 연약한 단층비지로 인한 시추공의 붕괴를 막기 위해 설치된 케이싱에 의해서 다소 높거나 낮게 평가될 수 있다. 따라서, 단층비지의 동적특성 산정을 위한 탐사는 3성분 지오폰을 이용한 탄성파 탐사와 MASW 탐사를 수행하였으며, 단층비지가 분포하는 현장 6곳을 대상으로 하여 각각의 결과를 비교·분석하였다. 3성분 지오폰을 이용한 탄성파 탐사에서는 P파와 S파의 속도가 신호의 초동으로 산정되며, S파의 경우에는 극성역전현상이 나타나는 것을 확인함으로서 신뢰도를 확보하였다. 그러나 MASW 탐사에서는 S파의 속도 값이 다소 낮게 측정되었는데, 이는 단층과 같이 이질적인 지질구조가 존재하는 지반에서 그라운드롤의 반사로 인해 속도가 낮아질 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 단층비지의 동적특성은 탄성파 탐사의 결과를 이용하였다. 흙이나 암석에서 동탄성계수(Ed)와 정탄성계수(Es)는 선형 내지 비선형의 관계를 보이므로, 단층비지의 탄성계수를 추정하는데 활용하고자 Ed와 Es에 대한 다양한 연구사례를 수집하여 비교·분석하였다. 암반의 Ed/Es는 화강암이 1.09∼1.18로 나타나는 반면 퇴적암에서는 1.09∼4.55까지 분포범위가 넓게 나타난다. 퇴적암 암반은 층리에 의한 영향으로 Ed/Es의 비가 큰 것으로 알려져 있다. 한편, 단층암과 단층비지의 Ed/Es 관계에서도 화강암 단층의 Ed/Es는 1.22로 나타나지만 퇴적암 단층의 Ed/Es는 5.08로 매우 크게 나타나 암반에서의 결과와 유사한 것으로 나타난다. 퇴적암에서 단층비지와 단층암의 Ed/Es 비가 크게 나타나는 이유는 단층비지 내에 각력의 함량이 많아 화강암에 비해 Ed 값이 높고, 퇴적암 단층암 주변부는 대체로 토사화·점토화 되어 낮은 Es 값을 갖기 때문으로 판단된다. 지진 시 단층비지를 포함하고 있는 비탈면의 거동을 파악하기 위해 FEM을 이용한 시간이력해석을 수행하였다. 단층비지를 포함하고 있는 실제 현장 비탈면을 대상으로 모델링을 수행하였고, 지반정수는 2장과 3장에서 결정한 정적 및 동적 특성을 적용하였다. 입력 지진파는 한국에서 실계측된 지진데이터를 이용하였으며, 규모에 따른 영향을 분석하기 위해 총 5개(M3.0, M3.9, M5.1, M5.4, M5.8)의 데이터를 적용하였다. 먼저, 지진가속도에 따른 영향을 보면, 최대 지진가속도가 도달한 이후 점차 수렴하는 Coda wave 구간에서 지진가속도 그래프의 양상에 따라 잔류/최대 전단변형률 비가 50∼110 %까지 나타났으며, 이는 지반이 탄소성체로서 지진과 같은 외력이 가해지면 영구변형이 남기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 지진 규모별 영향을 보면 대체로 지진규모가 증가할수록 최대지진가속도도 증가하여, 전단응력과 전단변형률이 같이 증가하는 경향을 보인다. 그러나 최대 전단응력과 전단변형률은 최대 지진가속도 뿐만 아니라 누적 지진가속도의 영향도 반영되므로 보수적으로 평가하기 위해서는 최대 지진가속도와 누적 지진가속도의 영향을 같이 검토해야 할 것으로 판단된다. 단층비지의 존재 유무에 대한 분석 결과 비탈면 내 단층비지는 전단변형률이 집중되는 것으로 분석된다. 본 연구의 분석 결과들은 단층비지가 그 자체로도 불균질성 및 낮은 강도특성으로 인해 안정성 측면에서 불리한 조건을 가지고 있으며, 지진과 같은 외력의 작용 시 변형률이 집중되어 쉽게 파괴·변형 될 수 있다는 것을 지시한다. 따라서, 공사 프로젝트에서 단층비지는 면밀히 조사되고 물리·역학적 특성이 규명되어 안정성 검토 시 반드시 고려되어야 할 인자로 판단된다.
Fault gouge, which is a very-fine-grained material that is produced by strong friction during faulting, consists of clayey materials and breccia, and possesses a low strength compared with the host rock because it has undergone intense crushing, weathering, and alteration. Fault gouge is heterogeneo...
Fault gouge, which is a very-fine-grained material that is produced by strong friction during faulting, consists of clayey materials and breccia, and possesses a low strength compared with the host rock because it has undergone intense crushing, weathering, and alteration. Fault gouge is heterogeneous because of variations in factors such as the pore distribution, breccia and clay mineral contents, shapes of breccia clasts, and the presence or absence of a foliation. Although fault gouge is considered a risk in many construction cases due to its low strength and heterogeneity, few studies have considered more than one or two of the factors mentioned above when assessing the mechanical properties of fault gouge. Furthermore, since dynamic analyses tend to focus on the building structure, few studies have considered the dynamic characteristics of ground materials such as fault gouge. To address this shortcoming, sampling, laboratory tests, and field surveys were conducted on fault gouge to measure its static and dynamic characteristics. Time history analysis was also performed to identify the behavior of a slope containing fault gouge. A total of 224 specimens were collected from 62 fault zones in Korea to measure the static characteristics of fault gouge. The specimens were first classified as granite, sedimentary rock, and volcanic rock according to the host rock type, and the unit weight, specific gravity, porosity, water content, particle distribution, composite mineral content, friction angle, and cohesion were measured via laboratory tests and X-ray diffraction (XRD) analysis. The measured static characteristics are shown as box-and-whisker plots, which illustrate the distribution ranges of the data, and the friction characteristics of fault gouge are compared with those of various rock types. Furthermore, simple regression and structural equation model analyses revealed that the dry unit weight, saturated unit weight, porosity, water content, breccia content, and clay content are the main factors affecting the friction angle of fault gouge. Multiple regression analysis was used to improve the reliability of the relationship between the influential factors and friction angle since simple regression analysis yields low R² values (0.123–0.463). The saturated unit weight, breccia content, and clay content were set as the independent variables, and a regression model of the friction angle indicated that each independent variable is statistically significant, with R² values up to 0.657. The methods for measuring P- and S-wave velocities were reviewed to obtain the dynamic characteristics of fault gouge, calculated from the P- and S-wave velocities. Ultrasonic tests employ a higher frequency source than in seismic surveys, which can reduce the accuracy of the measured data via scattering and attenuation losses in porous fault gouge. Borehole surveys, such as down-hole, up-hole, and cross-hole surveys, as well as suspension P-S (SPS) logging, measure the velocities of the surrounding rocks, including fault gouge. The measured velocities can also be somewhat high or low due to the borehole casing, which is installed to prevent the collapse of weak fault gouge in the borehole wall. Seismic survey using direct waves (hereafter abbreviated as seismic survey) and multichannel analysis of surface waves (MASW) surveys were conducted on a trial basis to obtain the dynamic characteristics of fault gouge. The elastic wave velocities from the seismic survey are reliable based on the first arrival calculations, and the S-wave velocity was verified by identifying the polarity reversal. However, a low S-wave velocity was measured during the MASW survey since the analyzed surface wave was produced in a near-surface zone that contains different geological structures, such as cavities and faults, which lower the S-wave velocity. Various research studies on the dynamic elastic modulus (Ed) and static elastic modulus (Es) of different rock types were reviewed to compare the relationship between the dynamic and static elastic moduli of fault gouge, since Ed and Es follow either a linear or non-linear relationship in rocks. The Ed/Es ratio of granite is in the range 1.09–1.18, whereas the Ed/Es ratio of sedimentary rock is 1.09–4.55. Sedimentary rocks are known to have a wide range of Ed/Es ratios due to their bedding structures. The Ed/Es ratio of fault rock and fault gouge in granite is 1.22, whereas that in sedimentary rock is 5.08, with the variations in this ratio being controlled by the rock type. The reason for the higher Ed/Es ratio of the faulted rock and fault gouge in sedimentary rock compared to that in granite is because the Ed of fault gouge is large in sedimentary rock due to its high breccia content. Furthermore, the surrounding rock near the fault zone in sedimentary rock remains like soils and clays, resulting in a low Es value. A time history analysis, based on the finite element method, was performed to identify the behavior of a slope containing fault gouge during earthquakes. Modeling was conducted on in-situ slope that includes fault gouge zones, and the static and dynamic characteristics determined in Chapters 2 and 3 were applied as the mechanical properties of the surrounding rocks and fault gouge. Input seismic waves were obtained from earthquake data measured in Korea, with five earthquakes (M3.0, M3.9, M5.1, M5.4, M5.8) modeled to analyze the magnitude effects. First, the acceleration effects indicate a 50%–110% residual shear strain depending on the acceleration fluctuation within the coda wave section, which means that the coda wave section converged after the maximum acceleration was reached. This indicates that the permanent deformation due to the earthquake will remain because the ground is an elastic–plastic material. The magnitude effects also indicate that both the maximum shear stress and strain increase simultaneously as the magnitude increases, as the maximum acceleration tends to increase with increasing magnitude. However, both the cumulative and maximum accelerations should be considered when assessing slope stability since both the maximum shear stress and strain are affected by these two accelerations. Analysis of the presence or absence of fault gouge indicates that the shear strain could be concentrated on fault gouge, which is easily deformed or destroyed by shear strain. Therefore, the characteristics of fault gouge should be considered when slope analyses are conducted.
Fault gouge, which is a very-fine-grained material that is produced by strong friction during faulting, consists of clayey materials and breccia, and possesses a low strength compared with the host rock because it has undergone intense crushing, weathering, and alteration. Fault gouge is heterogeneous because of variations in factors such as the pore distribution, breccia and clay mineral contents, shapes of breccia clasts, and the presence or absence of a foliation. Although fault gouge is considered a risk in many construction cases due to its low strength and heterogeneity, few studies have considered more than one or two of the factors mentioned above when assessing the mechanical properties of fault gouge. Furthermore, since dynamic analyses tend to focus on the building structure, few studies have considered the dynamic characteristics of ground materials such as fault gouge. To address this shortcoming, sampling, laboratory tests, and field surveys were conducted on fault gouge to measure its static and dynamic characteristics. Time history analysis was also performed to identify the behavior of a slope containing fault gouge. A total of 224 specimens were collected from 62 fault zones in Korea to measure the static characteristics of fault gouge. The specimens were first classified as granite, sedimentary rock, and volcanic rock according to the host rock type, and the unit weight, specific gravity, porosity, water content, particle distribution, composite mineral content, friction angle, and cohesion were measured via laboratory tests and X-ray diffraction (XRD) analysis. The measured static characteristics are shown as box-and-whisker plots, which illustrate the distribution ranges of the data, and the friction characteristics of fault gouge are compared with those of various rock types. Furthermore, simple regression and structural equation model analyses revealed that the dry unit weight, saturated unit weight, porosity, water content, breccia content, and clay content are the main factors affecting the friction angle of fault gouge. Multiple regression analysis was used to improve the reliability of the relationship between the influential factors and friction angle since simple regression analysis yields low R² values (0.123–0.463). The saturated unit weight, breccia content, and clay content were set as the independent variables, and a regression model of the friction angle indicated that each independent variable is statistically significant, with R² values up to 0.657. The methods for measuring P- and S-wave velocities were reviewed to obtain the dynamic characteristics of fault gouge, calculated from the P- and S-wave velocities. Ultrasonic tests employ a higher frequency source than in seismic surveys, which can reduce the accuracy of the measured data via scattering and attenuation losses in porous fault gouge. Borehole surveys, such as down-hole, up-hole, and cross-hole surveys, as well as suspension P-S (SPS) logging, measure the velocities of the surrounding rocks, including fault gouge. The measured velocities can also be somewhat high or low due to the borehole casing, which is installed to prevent the collapse of weak fault gouge in the borehole wall. Seismic survey using direct waves (hereafter abbreviated as seismic survey) and multichannel analysis of surface waves (MASW) surveys were conducted on a trial basis to obtain the dynamic characteristics of fault gouge. The elastic wave velocities from the seismic survey are reliable based on the first arrival calculations, and the S-wave velocity was verified by identifying the polarity reversal. However, a low S-wave velocity was measured during the MASW survey since the analyzed surface wave was produced in a near-surface zone that contains different geological structures, such as cavities and faults, which lower the S-wave velocity. Various research studies on the dynamic elastic modulus (Ed) and static elastic modulus (Es) of different rock types were reviewed to compare the relationship between the dynamic and static elastic moduli of fault gouge, since Ed and Es follow either a linear or non-linear relationship in rocks. The Ed/Es ratio of granite is in the range 1.09–1.18, whereas the Ed/Es ratio of sedimentary rock is 1.09–4.55. Sedimentary rocks are known to have a wide range of Ed/Es ratios due to their bedding structures. The Ed/Es ratio of fault rock and fault gouge in granite is 1.22, whereas that in sedimentary rock is 5.08, with the variations in this ratio being controlled by the rock type. The reason for the higher Ed/Es ratio of the faulted rock and fault gouge in sedimentary rock compared to that in granite is because the Ed of fault gouge is large in sedimentary rock due to its high breccia content. Furthermore, the surrounding rock near the fault zone in sedimentary rock remains like soils and clays, resulting in a low Es value. A time history analysis, based on the finite element method, was performed to identify the behavior of a slope containing fault gouge during earthquakes. Modeling was conducted on in-situ slope that includes fault gouge zones, and the static and dynamic characteristics determined in Chapters 2 and 3 were applied as the mechanical properties of the surrounding rocks and fault gouge. Input seismic waves were obtained from earthquake data measured in Korea, with five earthquakes (M3.0, M3.9, M5.1, M5.4, M5.8) modeled to analyze the magnitude effects. First, the acceleration effects indicate a 50%–110% residual shear strain depending on the acceleration fluctuation within the coda wave section, which means that the coda wave section converged after the maximum acceleration was reached. This indicates that the permanent deformation due to the earthquake will remain because the ground is an elastic–plastic material. The magnitude effects also indicate that both the maximum shear stress and strain increase simultaneously as the magnitude increases, as the maximum acceleration tends to increase with increasing magnitude. However, both the cumulative and maximum accelerations should be considered when assessing slope stability since both the maximum shear stress and strain are affected by these two accelerations. Analysis of the presence or absence of fault gouge indicates that the shear strain could be concentrated on fault gouge, which is easily deformed or destroyed by shear strain. Therefore, the characteristics of fault gouge should be considered when slope analyses are conducted.
주제어
#fault gouge laboratory test friction characteristics seismic survey dynamic characteristics time history analysis behavior of slope
학위논문 정보
저자
Moon, Seong Woo
학위수여기관
충북대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
지구환경과학과(원) 지질과학
지도교수
서용석
발행연도
2020
총페이지
190
키워드
fault gouge laboratory test friction characteristics seismic survey dynamic characteristics time history analysis behavior of slope
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