선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 다양한 암괴와 파분쇄된 암석 조각 및 암분 등이 혼합된 폐석의 특성상 실험실 시험이나 현장 시험에 의해 폐석의 강도정수를 구하기란 거의 불가능하므로, 본 연구에서는 기존 문헌자료를 참고하여 산정하기로 한다. 구조물기초 설계기준에 의하면 자갈이나 자갈섞인 모래의 경우 단위중량은 20～21 kN/m3, 내부마찰각 35～40°, 점착력은 0으로 제시되어 있고7), 상동광산의 광물찌꺼기에 대한 전단시험결과는 단위중량 1.
- 본 연구는 L사의 석회석 노천 광산에서 운영중에 발생되는 광폐석 적치장 사면에 대하여 사면 안정성 평가를 수행하고, 폐석 적치장 사면 및 운반차량의 안정성을 확보하는 방안을 마련하는데 그 의의가 있다.
- 본 연구대상 지역은 현장에서 덤핑작업이 지속적으로 이루어지는 폐석 적치장의 광산사면 특성상 위에 열거한 안전율을 증대시키는 공법의 적용은 한계가 있기 때문에 현장에서의 작업여건을 감안한 방안을 제시하는 것이 타당하며, 이 연구에서는 위의 해석결과를 토대로그 방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
- 불연속면, 즉 활동면에서의 전단강도는 τ = c + σtanΦ에 관계된 점착력과 내부마찰각에 의해서 정의되며, 평면 파괴 및 쐐기파괴 해석시 안전율은 불연속면의 활동력에 대한 전단저항력의 비로서 정의되며6), 평면파괴 해석시 지하수위는 인장균열 깊이의 1/2로 가정하였다.
제안 방법
- 노천 석회석 광산의 폐석 적치장을 대상으로 총 7개소 사면에 대하여 안정성 검토를 수행하였다. 광산 현장으로부터 제공받은 채굴도면, 단면도 및 지질도 등의 검토와 지표지질조사 및 암석시험, 암반분류 등을 실시하였으며, 사면안정해석을 위해 폐석층 및 암반층에 대한 강도정수를 구하였다. 폐석층 사면에 대해서는 지속적으로 성토되어 진행되므로, 임시사면을 감안하여 사면의 안전율은 건기시 조건으로 최소안전율 1.
- 광산 운영중인 폐석 적치장의 해석대상이 폐석층 및 암반층에 대하여 사면안정해석을 수행한 절차는 그림 2와 같다. 광산 현장으로부터 지질도 및 채광도, 현장 지질조사 자료를 토대로 계획을 수립하고 지표지질조사자료 및 암석시험으로부터 지질공학적 평가를 수행한 후 사면안정해석을 실시하여 사면 및 덤프트럭의 안정성을 평가하였다. 이때 폐석층 사면은 캐나다의 Geo-slope 사에서 개발, 상용화한 SLOPE/W 프로그램과 네덜란드 PLAXIS 사에서 개발한 2차원 지반공학 전용 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS를 이용하였다.
- 기존 문헌자료를 종합하면, 단위중량은 17～22 kN/m3, 점착력은 0～10 kN/m2, 마찰각은 23～40°의 범위를 보이고 있으나, 폐석층은 자갈섞인 모래에 근접하는 것으로 판단되어 이 연구에서는 단위중량 20 kN/m3, 점착력 0.5 kN/m2, 마찰각은 40°를 적용하였다.
- 노천 석회석 광산의 폐석 적치장을 대상으로 총 7개소 사면에 대하여 안정성 검토를 수행하였다. 광산 현장으로부터 제공받은 채굴도면, 단면도 및 지질도 등의 검토와 지표지질조사 및 암석시험, 암반분류 등을 실시하였으며, 사면안정해석을 위해 폐석층 및 암반층에 대한 강도정수를 구하였다.
- 대신에 Hoek 등은 - σt < σ3 < σ3, max 범위에서 파괴포락선을 평균적으로 근사하는 직선 (σ1 - σ3) 관계로 표현된 MohrCoulomb 식을 구하고 이로부터 식 (7) 및 식 (8)과 같이 내부마찰각(Φ)과 점착강도(c)를 구하여 사용하는 것을 제안하였다.
- 그러나 광산 운영시 발생되는 폐석 적치장 사면의 경우는 폐석이 계속 앞으로 전진하면서 쌓이게 되는 사면의 특성상 영구적인 안정성을 확보하는 안전율을 적용하는 것은 곤란한 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서는 광산 운영시 지속적인 폐석 덤핑 투하에 따른 폐석 적치장 사면은 임시적으로 안정성을 확보하는 성토사면의 최소 안전율 기준인 1.1을 적용하였다. 반면에 덤핑 투하 지점이 암반인 경우는 폐석 적치를 위해 한 지점에서 오랜 기간 동안 덤핑작업이 이루어지는 점을 고려하여 영구적인 절 취사면 안전율 기준으로 건기시 1.
- 암반 사면은 주로 취약한 불연속면을 따라 거동하게 되므로 대상사면의 불연속면의 공학적인 특성에 많은 영향을 받게 되는데 절리면의 전단강도에 주로 좌우된다. 따라서 본 절에서는 암반분류를 통한 이 조사지역의 개략적인 암반 특성을 파악한 후, 현장에서 조사된 지표지질조사, 암석의 일축압축강도 및 관련문헌 등을 비교분석하여 적절한 암반의 전단강도를 산정하였다.
- 3톤을 적용하였다. 또한 직접 덤핑 투하를 하기 위해서는 차량 뒷바퀴가 사면 상부 선단에서 2 m까지 접근해야 가능하기 때문에 상부하중 적용시 바퀴 위치와 동일한 지점에 집중하중을 작용시켰다. B, C, D, J 검토대상 지역 중 여기서는 B와 D 지역의 해석결과를 중심으로 서술하기로 한다.
- 또한 새로운 암반분류지수인 GSI(Geological Strength Index)를 도입하여 강도정수들을 추정하는 방법이 함께 제시되었다. 본 연구에서 GSI 값을 RMR 분류결과로부터 GSI=RMR89-5로 계산하여 적용하였다9).
- 폐석 덤핑 투하 지점이 폐석층과 암반층에 따라 사면의 안정성 검토가 이루어졌다. 이 때 폐석층의 안전율은 점진적으로 덤핑 투하가 이루어지면서 앞으로 전진해나가는 점을 고려하여 최소안전율 1.1을 적용하였으며, 암반층인 경우는 한 곳에서 집중적으로 오랜 시간 동안 덤핑 투하가 이루어지므로 연구적인 사면의 기준 안전율로서 건기시는 1.5, 우기시는 1.2를 적용하였다.
- 한편, PLAXIS 유한요소해석을 위한 요소망과 경계조건을 나타내면 그림 6과 같다. 이때 하나의 요소(element)에서 절점(nodal point)의 수는 15개이며, 경계조건은 좌우측면은 수평방향의 변위를 구속시켰고, 하부는 수평 및 수직방향의 변위를 구속하였다.
- 평사투영법에 의하여 사면의 잠재적인 파괴 가능성을 평가한 후 한계평형법에 의해 평면파괴 및 쐐기파괴에 대한 안전율을 계산하였으며, 그 결과는 표 8과 같다. F와 G 지역의 평면파괴 해석에 대한 안전율은 각각 0.
- 폐석 덤핑 투하 지점이 폐석층과 암반층에 따라 사면의 안정성 검토가 이루어졌다. 이 때 폐석층의 안전율은 점진적으로 덤핑 투하가 이루어지면서 앞으로 전진해나가는 점을 고려하여 최소안전율 1.
- 광산 현장으로부터 제공받은 채굴도면, 단면도 및 지질도 등의 검토와 지표지질조사 및 암석시험, 암반분류 등을 실시하였으며, 사면안정해석을 위해 폐석층 및 암반층에 대한 강도정수를 구하였다. 폐석층 사면에 대해서는 지속적으로 성토되어 진행되므로, 임시사면을 감안하여 사면의 안전율은 건기시 조건으로 최소안전율 1.1로 결정하였으며, 암반층 사면은 한 지점에서 지속적인 덤핑작업이 이루어지므로 영구적인 안전율인 건기시 1.5, 우기시 1.2로 선정하였다.
- 한편, 암반층내에 발달한 절리 및 층리에 대한 강도정수는 실험실 전단시험 결과를 이용하였으며, 단층면에 대한 강도정수는 기존문헌자료를 참조하여 화강암내에 있는 점토로 충진된 단층은 마찰각 25°, 점착력은 50 kPa, 석회암 및 돌로마이트층의 경우 마찰각은 17°, 점착력은 100 kPa로 산정하였다6).
- 한편, 전체적인 사면의 안정성을 확인하기 위하여 F 지역과 K 지역에 대하여 유한요소 해석을 실시하였다. 그 결과는 각각 그림 11 및 12와 같다.
대상 데이터
- 연구대상 지역에 분포하는 암종은 석회석, 돌로마이트, 화강암으로 구성되어 있으며, 이들의 실험실 기본물성실험과 불연속면, 즉 절리 및 층리에 대한 전단시험결과는 각각 표 2 및 표 3과 같다. 그리고 현장에서 Schmidt 해머를 이용하여 측정한 압축강도는 석회암의 경우 45～90 MPa, 돌로마이트 55～95 MPa, 화강암 80～130 MPa이었다.
- 연구대상 지역은 태백산 지구의 일부에 해당된다. 태백산 지구의 기반암인 변성암류를 전기 및 후기 원생대화가암질이 변성암류를 관입하였고, 고생대 캠브리아기의 쇄설성 토적암류들이 선캠브리아기의 암층들위에 난 정합 또는 경사 부정합으로 퇴적되었다.
- 폐석 적치장 중 사면의 안정성 검토가 요구되는 덤핑지점은 총 7개 소로, 그 중 4개 소는 폐석더미 위에서 덤핑작업이 이루어지고 있고, 나머지 3개 소는 절취된 암반사면위에서 그 작업이 이루어지고 있다. 총 7개 소의 덤핑지점중 사면의 안정성 해석에 필요한 대표적인 단면은 가장 사면고가 높고 경사진 곳을 선택하였으며, 이를 나타내면 표 5 및 그림 4와 같다.
- 7 km2 정도이다. 현재 석회석 광석 채굴은 A 지역의 북쪽방향과 D 지역과 300 m 정도 떨어진 좌측부에서 진행되고 있으며, 폐석을 적치하고 있는 지역은 A～K로 총 11개소이다. 그림에서 A와 I지역은 사면의 하부에서 폐석을 적치하여 상부로 쌓아 올라가는 곳이고, B, C, D, J 지역은 채굴 완료된 암반 사면위에서 폐석 덤핑작업이 상당히 진행된 상태로, 현재는 암반 사면 위로 폐석 및 광석이 쌓여 있어 덤핑 투하 작업은 폐석 및 광석위에서 이루어지고 있다.
데이터처리
- 평사투영법은 DIPS 5.03 프로그램을 이용하였으며, 현장에서 측정한 각종 불연속면의 방위와 불연속면 시험결과를 토대로 해석한 결과를 나타내면 표 7과 같다.
이론/모형
- 덤핑 투하 지점이 암반층 위에 있는 경우로 F, G, K 지역이 이에 해당한다. 3장에서 언급한 바와 같이 암반층 사면의 해석은 평사투영법, 한계평형법, 유한요소해석법을 이용하였다.
- 이때 폐석층 사면은 캐나다의 Geo-slope 사에서 개발, 상용화한 SLOPE/W 프로그램과 네덜란드 PLAXIS 사에서 개발한 2차원 지반공학 전용 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS를 이용하였다. PLAXIS에서는 안전율을 구하기 위하여 강도감소법(phi-c reduction method)을 이용하며, 안전율은 식 (1)과 같다.
- 사면안정 검토시 해석방법은 Bishop의 간편법5)을 적용하였다. 이 방법은 정역학적으로 해를 얻기 위해 설정한 조건 때문에 정해가 될 수 없으나, 구해진 안전율은 거의 정확치에 근접하는 것으로 알려져 있으므로 본사면의 안정해석에 이용하였다.
- 암반에 대한 강도정수인 점착력과 내부마찰각은 크게 경험식에 의한 방법, RMR 등급에 따른 값, Hoek-Brown 식에 의한 방법으로 구할 수 있는데, 이 연구에서는 3가지의 암종이 분포하기 때문에 식 (4)와 같이 일반화된 Hoek-Brown 식을 이용하였다.
- 암반의 변형계수(Erm) 산정에 관하여 다양한 식 들이 발표되었으나, 본 연구에서는 H-B 식에서 적용한 GSI를 이용하는 Hoek & Diederichs에 의해 2006년 발표된 식 (9)을 이용하였다10).
- 대신에 Hoek 등은 - σt < σ3 < σ3, max 범위에서 파괴포락선을 평균적으로 근사하는 직선 (σ1 - σ3) 관계로 표현된 MohrCoulomb 식을 구하고 이로부터 식 (7) 및 식 (8)과 같이 내부마찰각(Φ)과 점착강도(c)를 구하여 사용하는 것을 제안하였다. 이 근사 직선식은 그림 3에 나타낸 것처럼 Mohr-Coulomb 직선식과 Hoek-Brown 식으로 둘러 쌓인 상하면적이 동일하게 되는 조건을 적용하여 유도 하였다.
- SLOPE/W 프로그램을 이용한 해석결과를 나타내면 그림 5와 같다. 이때 안전율은 앞에서 언급한 Bishop법을 이용한 해석에서 구하였다. 운반차량의 상재하중이 작용하지 않을 경우와 작용할 경우 안전율은 각각 1.
- 광산 현장으로부터 지질도 및 채광도, 현장 지질조사 자료를 토대로 계획을 수립하고 지표지질조사자료 및 암석시험으로부터 지질공학적 평가를 수행한 후 사면안정해석을 실시하여 사면 및 덤프트럭의 안정성을 평가하였다. 이때 폐석층 사면은 캐나다의 Geo-slope 사에서 개발, 상용화한 SLOPE/W 프로그램과 네덜란드 PLAXIS 사에서 개발한 2차원 지반공학 전용 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS를 이용하였다. PLAXIS에서는 안전율을 구하기 위하여 강도감소법(phi-c reduction method)을 이용하며, 안전율은 식 (1)과 같다.
성능/효과
- 평사투영법에 의하여 사면의 잠재적인 파괴 가능성을 평가한 후 한계평형법에 의해 평면파괴 및 쐐기파괴에 대한 안전율을 계산하였으며, 그 결과는 표 8과 같다. F와 G 지역의 평면파괴 해석에 대한 안전율은 각각 0.464와 0.618로 나타나 암반 사면의 안전율을 만족하지 않는 것으로 나타났으며, G 지역의 쐐기파괴 해석결과는 건기시는 1.590으로 기준 안전율 1.5를 만족하나 우기시는 기준 안전율 1.2보다 작으므로 우기시 사면의 안정성 확보는 곤란한 것으로 여겨진다.
- 두 사면의 소성역은 Tension Cutoff에 의해 사면 정상부 주위에서 발달하고 있으나, 이것은 사면의 굴착에 의해 지표면의 지반이 이완되어 나타난 현상으로 예상파괴 활동면과는 연관성이 없으므로 사면의 안정성에는 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 강도감소법에 의해 안전율 계산결과 각각 2.150 및 3.338로 나타나 전체적인 사면의 안정성은 확보된 것으로 판단된다. 다만 F 지역은 폐석운반차량 상부에 있는 단층면의 영향으로 평면파괴에 대한 안전율이 확보되지 않으므로 단층면이 발달하지 않은 지역으로 폐석 덤핑 투하 지점의 이동이 필요한 것으로 생각된다.
- 암반사면에 대한 RMR 분류 결과, 그 점수는 F 지역에서의 석회암은 75, 돌로마이트는 68 이었으며, K 지역은 석회암 70, 돌로마이트 64, G 지역의 화강암은 59이다. 화강암의 경우는 비교적 풍화가 많이 진행되어 있기 때문에 석회암이나 돌로마이트 보다 낮은 값을 보이고 있다.
- 한편, PLAXIS 유한요소해석 결과를 나타내면 그림 9와 같다. 총 변위는 폐석사면 상단으 바로 아래에서 688.21mm가 발생하였으며, 소성역은 폐석층내 전부분에 걸쳐 발생하고 있고, 그 폐석층 상부에서 하부까지 광범한 범위에 걸쳐 연결되어 있으므로 사면의 안정성 확보는 곤란한 것으로 판단된다. 예상 파괴활동면도는 사면 상부에서 하부까지 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
- 연구대상 지역은 태백산 지구의 일부에 해당된다. 태백산 지구의 기반암인 변성암류를 전기 및 후기 원생대화가암질이 변성암류를 관입하였고, 고생대 캠브리아기의 쇄설성 토적암류들이 선캠브리아기의 암층들위에 난 정합 또는 경사 부정합으로 퇴적되었다. 쇄설성 퇴적암의 상부는 주로 탄산염으로 구성되는 캠브로-오도비스기의 조선누층군을 이룬다.
- 암반층 사면중 F 지역은 덤핑 작업로 상부의 단층면에 의해 평면파괴가 예상되고, G 지역은 단층 및 절리 불연속면 들에 의해 평면파괴 및 쐐기파괴가 예상되었다. 한계평형해석결과 평면파괴에 대한 안전율은 0.464～0.681이고 우기시 쐐기파괴에 대한 안전율은 0.631로서 기준 안전율을 만족하지 못하므로, 현재 운영되고 있는 F와 G 지역의 덤핑지점은 불연속면 발달이 양호한 지역으로 이동하는 방안을 제시하였다. 그리고 집중호우나 태풍시에는 물이 사면내로 침투함으로서 안전율이 저하되므로, B, C, D 지역과 같이 폐석층 사면 위에서의 덤핑작업은 가능한 배제하여야 하며, 새로운 지점으로 이동한 F 지역이나 K 지역과 같이 암반층 사면 위에서의 덤핑 투하작업을 추천하는 바이다.
- 해석결과 F와 G 지역은 그림 10과 같이 폐석 덤핑 투하지점 상부에 있는 사면에 점토로 충진된 단층과 다수의 절리군이 있어 평면파괴와 쐐기파괴의 위험이 있는 것으로 분석되었다. 반면 K 지역은 층리면과 1개 절리군이 전도파괴의 위험이 있는 것으로 나타났으나 덤핑 투하 지점 바로 아래 소단까지의 사면 경사는 1 : 0.
- 여기서 상재하중을 작용할 경우 변형된 요소망, 변위, 소성역 분포 및 예상되는 파괴 활동면도를 나타내면 그림 7과 같다. 해석결과 총변위는 상재하중이 작용하지 않을 경우와 작용할 경우 각각 폐석사면 상단에서 최대 7.54 mm, 13.54 mm가 발생하였다. 그리고 소성역은 폐석층 사면 상부에서 암반층으로 발달하거나 폐석층 표면에서 관찰되지만, 폐석층 내의 활동면에 따라 나타나지 않으므로 사면의 파괴현상은 발생하지 않을 것으로 판단된다.
- 해석결과 폐석층 사면중 B, C, J 지역은 그 안전율이 1.108～1.900로서 안정성 확보가 가능한 사면으로, D 지역은 그 안전율이 1.072이고 유한요소해석결과 폐석층 전반에 걸쳐 소성역이 분포하므로 불안정한 사면으로 평가되었다. 암반층 사면중 F 지역은 덤핑 작업로 상부의 단층면에 의해 평면파괴가 예상되고, G 지역은 단층 및 절리 불연속면 들에 의해 평면파괴 및 쐐기파괴가 예상되었다.
- 해석결과 폐석층에 대한 안전율은 Bishop 법을 이용하는 SLOPE/W와 강도감소법을 이용한 유한요소해석인 PLAXIS 해석에서 D 지역을 제외하고는 모두 허용 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 암반층 G 지역의 경우 덤핑지점 상부에 있는 단층대는 허용 안전율을 만족하지 않으므로 덤핑작업하는 폐석운반차량의 안정성 확보는 곤란한 것으로 여겨진다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.