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문제 정의
- 본 연구에서는 노치공 발파에 의한 파단면 형성효과를 확인하기 위하여 시험편 시험발파를 수행하였으며 파단면의 디지털 이미지 측정을 통한 DEM을 생성하고 생성된 3차원 DEM 모델의 표면 거칠기의 정량적 평가를 수행하였다.
- 표면 거칠기는 금속 표면과 같은 나노크기의 측정을 위한 현미경 측정법(김종태 외, 2004)등과 같이 정밀한 측정법도 이용되고 있으나 대상체의 스케일의 제약이 있다. 본 연구에서는 최근에 급속도로 발전이 되고 있는 디지털 영상 계측을 이용한 파단면의 DEM 모델을 생성하고 DEM 모델의 거칠기를 정량화 파라메터에 의해 수치화 하는 방법으로 노치 선균열의 효과를 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 2) 디지털 영상 계측원리를 이용하여 파단면의 3차원 DEM 모델을 생성하였다. 일반적으로 암반면의 거칠기 측정에 이용되는 다른 측정방법에 비해 시간이 적게 소요되고 비교적 정밀한 결과를 얻을수 있었다.
- 시험편 발파는 표 1과 같이 2개의 원형 발파공 시험편과 3개의 노치 발파공 시험편에 대해 에멀젼과 정밀폭약으로 서로 다른 장약량을 사용하여 시험편 발파를 수행하였다. 2번 시험편은 파단면 생성을 위한 적정 장약량을 산정을 위한 시험편으로 자유면, 시험편 부피, 강도 특성 등을 고려하여 에멀젼 250g과 정밀폭약 100g을 장전하여 시험발파를 수행하였다. 그림 6은 발파전･후의 모습을 나타낸 것으로 시험편의 형상이 구분할 수 없을 정도로 시험편의 파괴가 발생하였다.
- 3) 노치공과 일반 발파공에 의해 생성된 파단면 DEM의 거칠기를 면 거칠기 형상 지수(SRp)를 이용하여 비교하였다. 일반공보다 노치공에 의해 생성된 파단면의 거칠기가 상대적으로 완만하게 나타났으며, 특히 노치공에 의해 생성된 파단면의 영역별 거칠기 지수 편차가 일반공에 의한 파단면 보다 훨씬 작게 나타났다.
- 본 연구에서는 노치공 발파에 의한 파단면 형성효과를 확인하기 위하여 시험편 시험발파를 수행하였으며 파단면의 디지털 이미지 측정을 통한 DEM을 생성하고 생성된 3차원 DEM 모델의 표면 거칠기의 정량적 평가를 수행하였다. 결과의 비교를 위해 동일 조건하에 일반 원형발파공 천공에 의해 생성된 파단면에 대하여 같은 분석을 수행하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
- 그림 16은 디지털 영상 계측을 통해 구성한 노치공 발파와 일반공 발파에 의한 시험편 파단면의 DEM을그리드 형태로 표현한 것이다. 그림 17과 같이 발파공에서의 파단면 형성 메커니즘을 고려하여 발파공과 가까운 부분부터 점차 멀어지는 영역으로 파단면 영역을 구분하여 각각의 거칠기를 측정하였다. 대상 파단면의 투영면을 일정 크기의 직사각형 격자로 나눈 다음 원하는 영역의 표면적을 계산하고, 그 영역의 격자수를 계산하여 각 영역별 SRp를 계산하였다.
- 그림 20. 노치 발파공과 일반 발파공의 구간별 거칠기 파라 미터 비교.
- 그림 16. 노치공과 일반공 발파에 의해 생성된 파단면의 DEM 비교.
- 그림 17과 같이 발파공에서의 파단면 형성 메커니즘을 고려하여 발파공과 가까운 부분부터 점차 멀어지는 영역으로 파단면 영역을 구분하여 각각의 거칠기를 측정하였다. 대상 파단면의 투영면을 일정 크기의 직사각형 격자로 나눈 다음 원하는 영역의 표면적을 계산하고, 그 영역의 격자수를 계산하여 각 영역별 SRp를 계산하였다. 각 영역별로 재구성된 발파공 파단면의 DEM이 그림 18과 그림 19에 나타나 있다.
- DEM 생성을 위한 대상 파단면의 디지털 이미지 획득시 측정 대상이 커질수록 이미지상에 표현이 안되는 면(hidden surface)이 발생할 수 있다. 본 실험에서는 이러한 면을 최소화 하기 위해 대상시험편을 그림 14와 같이 4등분하여 각각에 대한 3차원 DEM을 생성하고 생성된 4개의 DEM을 합성하는 방법을 사용하였다. 그림 15는 분할 구역 4개의 DEM 생성 결과와 최종적으로 4개의 DEM을 중첩시켜 하나의 모델로 구성된 시험편의 파단면 DEM을 나타내고 있다.
- 시험편 발파는 표 1과 같이 2개의 원형 발파공 시험편과 3개의 노치 발파공 시험편에 대해 에멀젼과 정밀폭약으로 서로 다른 장약량을 사용하여 시험편 발파를 수행하였다. 2번 시험편은 파단면 생성을 위한 적정 장약량을 산정을 위한 시험편으로 자유면, 시험편 부피, 강도 특성 등을 고려하여 에멀젼 250g과 정밀폭약 100g을 장전하여 시험발파를 수행하였다.
- 그림 6은 발파전･후의 모습을 나타낸 것으로 시험편의 형상이 구분할 수 없을 정도로 시험편의 파괴가 발생하였다. 에멀젼의 폭발력으로 인한 시험편 완파로 인해 파단면 형성이 힘든 것으로 판단되어 3번과 4번시험편은 정밀폭약 100g을 사용하여 발파를 수행하였다. 발파 결과는 그림 7과 8에서 나타나는 것처럼 노치공이 천공된 시험편과 일반 천공된 시험편 모두 발파공에서 가장 가까운 자유면 방향으로 이등분 되어 파단면이 형성되었다.
- 그림 11. 일반공 발파와 노치공 발파 파단면 형상 비교.
- 발파 결과는 그림 7과 8에서 나타나는 것처럼 노치공이 천공된 시험편과 일반 천공된 시험편 모두 발파공에서 가장 가까운 자유면 방향으로 이등분 되어 파단면이 형성되었다. 장약량을 조금 더 줄여 정밀 폭약 80g을 사용하여 시험발파를 수행하였으며, 그림 9와 10에서 알 수 있듯이 원형천공에 의한 발파는 시험편 상부에 최단 자유면 방향으로 약간의 균열만을 발생시키고 파괴가 일어나지 않았지만 노치공 시험편의 경우 앞서 정밀폭약 1개를 사용한 경우와 마찬가 지로 노치방향으로 시험편이 이등분 되었다.
- 이미지의 정합점(matching point)을 가능한 정확하게 측정하기 위해 포인트 클라우더(point-clouder)를 이용하였다. 포인트 클라우더는 촬영 카메라와 유/무선으로 동조되어 촬영시 플래 쉬의 작동과 동시에 대상물에 타겟을 투사하며, 레이 저로 천공된 슬라이드(point slide)를 사용하여 약 20,000개의 원형 타겟을 시험편 파단면위에 생성시킬수 있도록 하였다(그림 13).
- 험편 천공은 점보드릴을 이용하여 그림 2와 같이 점보드릴의 비트와 시험편의 천공면이 수직이 되도록 위치시키고 시험편의 정중앙을 70 cm의 깊이로 천공하였다. 천공에 사용된 비트는 일반적으로 터널현장에서 사용하는 직경 45mm의 원형비트와 선 균열을 발생시킬 수 있는 노치비트를 이용하였다(정동호 외, 2007).
대상 데이터
- 노치공 발파에 의한 암석 파단면의 생성 및 평가를 위해 총 5개의 시험편(포천 화강암)을 제작하였다. 천공은 점보드릴을 사용하였으며, 노치공 결과의 비교를 위해 일반공을 동일 조건하에 시험발파를 수행하였다.
- 본 시험발파에 사용된 시험편은 포천 화강암으로 정육면체(1m×1m×1m)형태이며 5개의 시험편을 제작하였다.
- 일반적으로 디지털 이미지 획득을 통해 생성된 DEM의 정밀도는 대상물의 크기와 화소수에 따라 정밀도가 결정되므로 화소수가 큰 카메라를 선정하는 것이 유리하다(Gaich, 2000). 본 시험에서는 Nikon D2X 기종을 사용하였다. Nikon D2X는 유효 화소수 1,240만 화소, 셔터스피드 30∼1/8,000초, ISO 100~800의제원을 가지고 있으며, 사용렌즈 니콘 AF-S DX ED 17-55mm F2.
- 일반 및 노치공 발파에서 동일조건 하에 파단면이 동시에 생성된 3번과 4번 시험편을 대상으로 파단면의 상태를 분석하였다. 그림 11에서 일반 및 노치공 발파에 의해 생성된 두 면의 거칠기는 육안으로 관찰시 노치공 발파에 의한 파괴면의 표면이 더 매끈하고 파괴면 요철의 기복이 작음을 알 수 있었다.
- 본 시험발파에 사용된 시험편은 포천 화강암으로 정육면체(1m×1m×1m)형태이며 5개의 시험편을 제작하였다. 제작된 화강암 시험편은 육안으로 절리나 균열이 관찰되지 않는 무결한 암석을 사용하였다.
- 노치공 발파에 의한 암석 파단면의 생성 및 평가를 위해 총 5개의 시험편(포천 화강암)을 제작하였다. 천공은 점보드릴을 사용하였으며, 노치공 결과의 비교를 위해 일반공을 동일 조건하에 시험발파를 수행하였다. 본 시험발파에 사용된 시험편은 포천 화강암으로 정육면체(1m×1m×1m)형태이며 5개의 시험편을 제작하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 시험편 파단면 DEM의 거칠기 파라미터는 거칠기 형상 지수(Roughness Profile Index)를 응용한 면 거칠기 형상지수(Surface Roughness Profile Index, SRp)를 이용하였다. SRp는 대상 표면의 총 면적을 투영된 평면 면적으로 나눈 무차원량으로 정의하였다.
- 8, 필터구경 77mm이다. 이미지의 정합점(matching point)을 가능한 정확하게 측정하기 위해 포인트 클라우더(point-clouder)를 이용하였다. 포인트 클라우더는 촬영 카메라와 유/무선으로 동조되어 촬영시 플래 쉬의 작동과 동시에 대상물에 타겟을 투사하며, 레이 저로 천공된 슬라이드(point slide)를 사용하여 약 20,000개의 원형 타겟을 시험편 파단면위에 생성시킬수 있도록 하였다(그림 13).
성능/효과
- 1) 동일한 장약량 조건에서 일반 원형발파공에 비해 노치 발파공의 균열 확장 속도가 더 빠르기 때문에 상대적으로 적은 장약량을 통해 노치 발파공의 파단면 형성이 가능하였다. 이러한 노치공 원리를 이용할 경우 터널 발파의 최외곽공과 같은 조절발 파가 필요한 경우 적은 장약량을 사용하여 발파로 인한 암반 손상영역을 최소화 하면서 원하는 방향의 파단면 형성이 가능하다.
- 각 영역별 모델의 분석을 통해 얻어진 노치 DEM 발파공과 일반 발파공의 파단면의 거칠기를 살펴보면 전체적으로 노치 발파공에 의한 파단면의 값이 SRp 더 작게 나타남을 알 수 있다 각 영역별로 세부적으로 살펴보면 A, B, C 전체의 전체 평균적인 SRp는 일반 발파공 보다 노치 발파공 파단면이 모든 영역에 서 더 작게 나타났다 즉 노치 발파공이 일반 발파공에 비해 파단면을 보다 완만하게 형성시켰다 이러한 .
- 3) 노치공과 일반 발파공에 의해 생성된 파단면 DEM의 거칠기를 면 거칠기 형상 지수(SRp)를 이용하여 비교하였다. 일반공보다 노치공에 의해 생성된 파단면의 거칠기가 상대적으로 완만하게 나타났으며, 특히 노치공에 의해 생성된 파단면의 영역별 거칠기 지수 편차가 일반공에 의한 파단면 보다 훨씬 작게 나타났다.
- 2) 디지털 영상 계측원리를 이용하여 파단면의 3차원 DEM 모델을 생성하였다. 일반적으로 암반면의 거칠기 측정에 이용되는 다른 측정방법에 비해 시간이 적게 소요되고 비교적 정밀한 결과를 얻을수 있었다.
후속연구
- 일부 구간에서 일반공 발파 파단면이 노치 발파공 파단면에 비해 다소 완만한 거칠기를 나타냈지만 구간별 SRp의 변화추이를 살펴보면 노치공의 파단면 거칠기 편차가 훨씬 작게 나타남을 알 수 있다 (그림 20). 발파 대상 암반 내에 존재하는 다양한 파단면 거칠기 영향 인자들은 인위적으로 조절하기 어렵지만 노치 형상, 길이 등을 조절함으로써 응력집중 효과를 더욱 크게 할 수 있다면 보다 완만한 파단면 형성이 가능할 것이다.
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