굴착 또는 발파 후 암반손상대 내 암반 물성은 응력재분배나 발파충격에 의해 영구히 약화된다. 본 논문에서는 이러한 암반손상대를 사면에 적용하였다. 손상대 유 무에 따라 2차원 모델링을 통해 암반사면의 역학적 정성을 비교하고 안전율에 영향을 미치는 인자를 분석하는 것이 본 연구의 목적이다. 모델링 결과 사면의 역학적 안정성은 손상대 유 무에 따라 현저하게 차이가 있었다. 특히 손상대를 고려한 안전율은 고려하지 않을 때 보다 약 49.4%가 감소하였다. 부분요인설계법을 이용하여 안전율에 관한 인자 분석을 실시한 결과 안전율에 영향을 미치는 주요 인자는 사면 경사, 점착력, 내부마찰각, 높이였다.
굴착 또는 발파 후 암반손상대 내 암반 물성은 응력재분배나 발파충격에 의해 영구히 약화된다. 본 논문에서는 이러한 암반손상대를 사면에 적용하였다. 손상대 유 무에 따라 2차원 모델링을 통해 암반사면의 역학적 정성을 비교하고 안전율에 영향을 미치는 인자를 분석하는 것이 본 연구의 목적이다. 모델링 결과 사면의 역학적 안정성은 손상대 유 무에 따라 현저하게 차이가 있었다. 특히 손상대를 고려한 안전율은 고려하지 않을 때 보다 약 49.4%가 감소하였다. 부분요인설계법을 이용하여 안전율에 관한 인자 분석을 실시한 결과 안전율에 영향을 미치는 주요 인자는 사면 경사, 점착력, 내부마찰각, 높이였다.
After excavation or blasting, rock properties within an excavation damaged zone can be perpetually weakened on account of stress redistribution or blasting impact. In the present study, the excavation damaged zone is applied to a rock slope. The objective of this research is to compare the mechanica...
After excavation or blasting, rock properties within an excavation damaged zone can be perpetually weakened on account of stress redistribution or blasting impact. In the present study, the excavation damaged zone is applied to a rock slope. The objective of this research is to compare the mechanical stability of the rock slope depending on the presence of the damaged zone using 2-dimensional modeling and analyze factors affecting factor-of-safety. From the modeling, it was founded that the mechanical stability of the rock slope is significantly dependent on the presence of the damaged zone. In particular, factor-of-safety with a consideration of the damaged zone decreased by approximately 49.4% in comparison with no damaged zone. Factor analysis by fractional factorial design was carried out on factor-of-safety. It showed that the key parameters affecting factor-of-safety are angle of the slope, cohesion, internal friction angle and height.
After excavation or blasting, rock properties within an excavation damaged zone can be perpetually weakened on account of stress redistribution or blasting impact. In the present study, the excavation damaged zone is applied to a rock slope. The objective of this research is to compare the mechanical stability of the rock slope depending on the presence of the damaged zone using 2-dimensional modeling and analyze factors affecting factor-of-safety. From the modeling, it was founded that the mechanical stability of the rock slope is significantly dependent on the presence of the damaged zone. In particular, factor-of-safety with a consideration of the damaged zone decreased by approximately 49.4% in comparison with no damaged zone. Factor analysis by fractional factorial design was carried out on factor-of-safety. It showed that the key parameters affecting factor-of-safety are angle of the slope, cohesion, internal friction angle and height.
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문제 정의
본 논문에서는 암반사면을 대상으로 굴착 또는 발파 후 발생하는 EDZ의 영향을 평가하기 위해 모델링을 구현한 후 안전율을 비교하였다. 또한 안전율에 영향을 미치는 여러 인자들을 설정하고 실험계획법의 한 종류인 부분요인설계법(Fractional Factorial Design)을 이용해 관련 인자들의 영향을 분석하였다.
본 논문은 2차원 연속체 코드인 FLAC을 이용하여 암반사면의 안정성을 손상대 유・무에 따라 비교・분석 하였다. 손상대를 고려하지 않는 사면을 A 타입, 손상대가 존재하고 물성을 절반으로 감소시킨 사면을 B 타입, 손상대가 존재하고 불균등한 물성을 갖는 사면을 C 타입으로 정의하여 각 타입별로 역학적 거동과 안정성에 대해 비교하였다.
6은 모델 격자망(mesh)과 경계조건을 보여준다. 손상대가 발생한 지표 근처 격자망을 미세하게 모사하여 정밀 분석이 가능하도록 하였다. 구성모델은 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델이고 전체 암반을 균질, 등방성으로 가정하였다.
1920년대 Fisher가 농업 실험을 위해 연구하여 발전시킨 이후 의학, 공학, 사회학 등 자연과학과 사회과학에 관계없이 광범위하게 적용되고 있다. 제품의 특성에 영향을 미치는 여러 인자 들을 선정하고 인자들의 관계를 알아보기 위한 실험을 실시하여 가장 효율적인 최적 조건을 찾아내고자 하는 것이 실험계획법의 목적이다.
가설 설정
5로 설정하여 A 타입과 C 타입을 좀 더 명확하게 구분하도록 하였다. C 타입은 사면의 지표면에서부터 거리에 따라 90%에서 10%까지 점진적으로 감소하는 것으로 가정하였다. 앞서 설명한 Fig.
손상대가 발생한 지표 근처 격자망을 미세하게 모사하여 정밀 분석이 가능하도록 하였다. 구성모델은 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델이고 전체 암반을 균질, 등방성으로 가정하였다. 지표면을 제외하고 바닥면과 측면부는 수직방향 변위를 고정하였다.
제안 방법
손상대를 고려하지 않은 A 타입, 손상대가 존재하고 균등한 물성감소를 가정한 B 타입, 손상대가 존재하고 불균등한 물성을 갖는 사면을 C 타입으로 정의하였다. B 타입의 물성감소비(reduction ratio)를 0.5로 설정하여 A 타입과 C 타입을 좀 더 명확하게 구분하도록 하였다. C 타입은 사면의 지표면에서부터 거리에 따라 90%에서 10%까지 점진적으로 감소하는 것으로 가정하였다.
실제로 Kwon and Cho(2008)의 보고서에 따르면 KURT에서 실시한 현장시험에서 EDZ내 밀도 변화는 약 5% 이하의 미미한 감소를 보였다. 굴착면에서부터 거리에 따라 물성을 감소시키는 과정에서 다소 비현실적인 값이 입력될 수는 있지만 손상대가 고려된 사면과 손상대가 존재하지 않는 사면과의 안정성 평가 비교와 인자 분석을 위해 이러한 물성변화를 적용하였다.
본 논문에서는 암반사면을 대상으로 굴착 또는 발파 후 발생하는 EDZ의 영향을 평가하기 위해 모델링을 구현한 후 안전율을 비교하였다. 또한 안전율에 영향을 미치는 여러 인자들을 설정하고 실험계획법의 한 종류인 부분요인설계법(Fractional Factorial Design)을 이용해 관련 인자들의 영향을 분석하였다.
손상대를 고려하지 않는 사면을 A 타입, 손상대가 존재하고 물성을 절반으로 감소시킨 사면을 B 타입, 손상대가 존재하고 불균등한 물성을 갖는 사면을 C 타입으로 정의하여 각 타입별로 역학적 거동과 안정성에 대해 비교하였다. 또한, 안정성의 지표가 되는 안전 율에 영향을 미치는 여러 인자들을 설정하고 부분요인 설계법을 이용한 인자 분석을 실시하여 다음과 같은 결과들을 도출할 수 있었다.
먼저 각 인자들의 상대적인 영향도를 분석하기 위해 다른 인자들을 고정한 후 그 인자의 기준 물성에서 –50%에서 +50%까지 변화를 주어 모델링을 실시한후, 물성 변화에 따른 안전율 변화를 파악하였다.
모델링을 통해 사면의 안전율을 계산한 후 부분요인 설계법을 이용한 각 인자들의 주효과(main effect)를 도출하였다. 주효과란 한 인자의 수준이 변할 때 반응치에 주는 영향의 크기를 정량적으로 표현한 것이다.
본 논문에서는 모델링 해석을 위해 유한차분 해석 코드인 FLAC을 이용하여 연속체 해석을 수행하였다. 사면의 경사는 60°, 높이와 손상대 크기는 각각 50m, 5m 로 구현하였다.
사면의 안정성을 평가하기 위한 기준을 안전율로 결정할 때 여러 기관에서의 안전율 기준을 참고로 허용안전율을 결정하였다. 건설교통부 구조물 설계기준에 따르면 절토사면의 최소안전율은 1.
본 논문은 2차원 연속체 코드인 FLAC을 이용하여 암반사면의 안정성을 손상대 유・무에 따라 비교・분석 하였다. 손상대를 고려하지 않는 사면을 A 타입, 손상대가 존재하고 물성을 절반으로 감소시킨 사면을 B 타입, 손상대가 존재하고 불균등한 물성을 갖는 사면을 C 타입으로 정의하여 각 타입별로 역학적 거동과 안정성에 대해 비교하였다. 또한, 안정성의 지표가 되는 안전 율에 영향을 미치는 여러 인자들을 설정하고 부분요인 설계법을 이용한 인자 분석을 실시하여 다음과 같은 결과들을 도출할 수 있었다.
안전율에 영향을 미치는 인자들을 분석하기 위해 총 13가지 인자를 설정하였다. 물성감소비(reduction ratio) 의 영향까지 확인하기 위해 B 타입을 선택하였다.
점착력과 사면의 높이, 경사는 큰 변화를 보였지만 사면의 두께와 포아송비, 인장강도, 탄성계수, 바닥 하부 폭의 경우 1% 이하의 미미한 안전율 변화를 보였다. 이러한 과정을 통해 안전율에 미치는 영향이 거의 없는 6가지 인자를 제외하였으며 남은 7가지 인자들로 실험계획법의 한 종류인 부분요인설계법을 이용한 인자들의 영향 분석을 실시하였다.
대상 데이터
물성감소비(reduction ratio) 의 영향까지 확인하기 위해 B 타입을 선택하였다. Fig. 14에서 보듯이 사면의 높이, 경사, 두께(thickness), 지표면의 상・하부 폭, EDZ 크기와 같은 기하학적인 구조와 측압계수, 점착력, 내부마찰각, 포아송비, 탄성계수, 인장강도, 물성감소비가 인자로 선정되었다. 여기서 두께는 바닥면부터 지표면까지 거리를 의미한다(Fig.
이러한 교 락에 사용되는 교차효과를 Generator라고 하고 Table 8에 보듯이 E=ABC, F=BCD 또는 x5=x1x2x3, x6=x2x3x4와 같이 표현한다. 본 논문에서 선택된 7개의 인자들은 점착력(A), 경사(B), 사면 높이(C), 내부마찰각(D), 물성 감소비(E), EDZ 크기(F), 상부지표면의 폭(G)이다. 즉, 요인(factor)의 개수는 k=7이고 27=128번의 실험횟수를 27-3=16번으로 줄였다.
사면의 경사는 60°, 높이와 손상대 크기는 각각 50m, 5m 로 구현하였다.
성능/효과
1. 모델 암반사면의 최대주응력은 A 타입에 비해 B, C 타입 순으로 감소하였고 감소율은 각각 38.3%, 86.0%였다. 변위는 A 타입에 비해 B, C 타입에서 증가하였고 증가율은 각각 30.
2. 부분요인설계법을 이용하여 안전율에 영향을 미치는 인자를 분석한 결과 사면 안전율에 가장 많은 영향을 미치는 인자는 사면경사와 점착력, 사면높이, 내부마찰각이었다. 반면 손상대 크기, 물성감소비, 상부사면의 폭은 영향이 있었지만 미치는 영향은 미미하였다.
3. 두 가지 인자간의 조합으로 발생하는 영향으로는 사면경사와 물성감소비와의 영향이 가장 큰 것으로 조사되었다. 물성감소비 단독으로 미치는 영향은 적었지만 사면높이와의 조합으로 발생하는 효과는 크게 나타났기 때문에 물성감소비 역시 설계 시 고려해야할 인자로 판단된다.
4. 결론적으로 손상대는 사면의 역학적 거동과 안정성에서 많은 영향을 미쳤다. 설계 시 굴착 또는 발파 후 발생하는 손상대로 인해 본 논문에 사용된 모델 사면과 같이 안전율을 허용치 이하로 감소시킬 수 있기 때문에 손상대를 고려한 설계와 시공이 필요하다.
)에 의해 시행된 국제 공동 프로젝트이다. ZEDEX 프로젝트를 통해 굴착된 공간 주변 암반에서는 대부분의 역학적, 수리적 물성이 현저하게 변하 였다는 것이 밝혀졌다. 또한 EDZ는 공동 반경 절반 이하의 범위에서 제한적으로 나타나고 암석 종류와 현지 응력, 굴착 방법에 따라 물성변화 폭과 크기가 다르게 나타남을 알 수 있었다.
Goodman and Kieffer(2000)는 사면이 지하 공동에 비해 낮은 현지응력 상태, 암석의 풍화, 활발한 지하수 영역의 영향을 받게 되며 지표굴착의 경우, 일반적으로 지하굴착보다 훨씬 더 많은 부피의 암반을 제거하기 때문에 지하 공동 환경보다 훨씬 더 불안정 하다고 보고한 바 있다. 결과적으로 지표굴착으로 발생한 EDZ는 지하굴착으로 인한 EDZ보다 훨씬 더 규모가 크고 복잡할 수도 있다고 설명하였다.
4는 다른 높이에서 측정한 음파속도 변화를 보여준다. 두 장소 모두 굴착 전보다 굴착 후 음파속도는 감소하였고, 굴착 후 지표로부터 깊이가 3.1m, 3.6m 지점에서 음파속도가 급격히 감소한 것으로 보아 손상대의 크기 예측이 가능하였다.
ZEDEX 프로젝트를 통해 굴착된 공간 주변 암반에서는 대부분의 역학적, 수리적 물성이 현저하게 변하 였다는 것이 밝혀졌다. 또한 EDZ는 공동 반경 절반 이하의 범위에서 제한적으로 나타나고 암석 종류와 현지 응력, 굴착 방법에 따라 물성변화 폭과 크기가 다르게 나타남을 알 수 있었다.
(2002)의 연구에서 보고된 TGP 대수로 사면에서 시행된 평판재하 시험과 탄성파 시험의 결과로 사면 지표로부터 거리에 따른 변형계수와 P-파 속도 변화를 보여준다. 변형계수와 P-파 속도 모두 거리에 따라 비선형적으로 감소하는 경향을 보였다.
인자 들의 기준 물성과 안전율 변화는 Table 7과 같다. 점착력과 사면의 높이, 경사는 큰 변화를 보였지만 사면의 두께와 포아송비, 인장강도, 탄성계수, 바닥 하부 폭의 경우 1% 이하의 미미한 안전율 변화를 보였다. 이러한 과정을 통해 안전율에 미치는 영향이 거의 없는 6가지 인자를 제외하였으며 남은 7가지 인자들로 실험계획법의 한 종류인 부분요인설계법을 이용한 인자들의 영향 분석을 실시하였다.
15와 같다. 주효과의 절댓값이 상대적으로 큰 경사, 점착력, 내부마찰각, 사면높이는 안전율에 많은 영향을 미치지만 물성감소비, EDZ 크기와 상부지표면 폭의 영향은 미미하였다. 주효과의 부호는 영향을 미치는 방향이 (+) 인지 (-)인지를 나타낸다.
본 논문에서 선택된 7개의 인자들은 점착력(A), 경사(B), 사면 높이(C), 내부마찰각(D), 물성 감소비(E), EDZ 크기(F), 상부지표면의 폭(G)이다. 즉, 요인(factor)의 개수는 k=7이고 27=128번의 실험횟수를 27-3=16번으로 줄였다. 강도감소법에 의해 계산된 안전 율은 실험계획을 통한 결과로 반응치(response)라고 한다.
6을 참고하면 알 수 있듯이 하부 바닥면부터 상부 바닥면까지 그리드 포인트를 의미한다. 최대주응력은 A, B, C 타입 순으로 많은 응력이 작용하였으며그 차이는 사면의 상부 바닥면에서 가장 크게 나타났다. A 타입에 비해 B 타입은 약 38.
후속연구
본 논문은 불연속면이나 지하수와 같은 영향은 배제하고 오직 손상대 유・무에 따른 안전율 변화만을 비교 하였기 때문에 향후 연구에서는 암반 사면 안정성의 보다 정확한 평가를 위해서는 손상대 뿐 아니라 불연속면의 기하학적인 구조와 물성, 발생빈도 및 지하수의 영향을 고려한 해석이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비가역적이란?
, 1997). 비가역적이란 소성변형의 발생으로 수리전도도 증가, 변형계수 감소와 같은 변화가 영구적으로 발생함을 의미한다(Bäckblom and Martin,1999). ZEDEX는 프랑스의 ANDRA(The National Radioactive Waste Management Agency)와 영국의 NIREX Limited, 스웨덴의 SKB(Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co.
암반손상대란?
굴착 또는 발파 작업은 충격과 진동으로 인해 암반의 응력재분배를 발생시키고 충격과 진동을 받은 암반은 역학적, 수리적 물성이 영구적으로 변하게 된다. 이러한 구간을 암반손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ) 라고 정의한다. 캐나다를 비롯한 선진국들은 자국의 지하연구시설에서 EDZ에 관한 현장 및 실내시험을 통해 EDZ내에서의 물성변화, EDZ 크기 등을 평가하였다 (Sato et al.
실험 계획법이 적용되고 있는 곳은?
실험 계획법은 효율적인 실험 방법을 설계하고 결과를 분석 하는 통계학의 응용 분야이다. 1920년대 Fisher가 농업 실험을 위해 연구하여 발전시킨 이후 의학, 공학, 사회학 등 자연과학과 사회과학에 관계없이 광범위하게 적용되고 있다. 제품의 특성에 영향을 미치는 여러 인자 들을 선정하고 인자들의 관계를 알아보기 위한 실험을 실시하여 가장 효율적인 최적 조건을 찾아내고자 하는 것이 실험계획법의 목적이다.
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