수치해석을 이용한 단층핵 내 각력의 배열 형태 및 함량에 따른 탄성계수의 비교·분석 Comparative Numerical Analysis of Elastic Modulus according to Distribution and Content of Breccia in Fault Core원문보기
단층핵 내에는 지각의 마찰에 기인한 암석의 파쇄 및 풍화 변질 작용 등으로 단층각력이 분포하며, 이러한 각력은 단층 운동시 지각의 이동방향에 따라 일정한 방향으로 배열하게 된다. 본 연구에서는 단층핵 내에 분포하는 각력의 배열형태 및 함량이 역학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석을 통해 탄성계수를 산정하였다. 해석모델은 단층핵 내에서 각력이 선택 배향하는 모델과 무작위 분포하는 모델로 구분되며, 각력의 종류는 화강암과 셰일, 그리고 각력 함량은 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%로 구분된다. 해석결과에 의하면 변형률의 차이는 0.1~1.1% 범위 내, 그리고 탄성계수는 0.02~0.4 MPa 범위 내에 분포하여 각력의 배열에 따른 탄성계수의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
단층핵 내에는 지각의 마찰에 기인한 암석의 파쇄 및 풍화 변질 작용 등으로 단층각력이 분포하며, 이러한 각력은 단층 운동 시 지각의 이동방향에 따라 일정한 방향으로 배열하게 된다. 본 연구에서는 단층핵 내에 분포하는 각력의 배열형태 및 함량이 역학적 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석을 통해 탄성계수를 산정하였다. 해석모델은 단층핵 내에서 각력이 선택 배향하는 모델과 무작위 분포하는 모델로 구분되며, 각력의 종류는 화강암과 셰일, 그리고 각력 함량은 10 wt%, 20 wt%, 30 wt%로 구분된다. 해석결과에 의하면 변형률의 차이는 0.1~1.1% 범위 내, 그리고 탄성계수는 0.02~0.4 MPa 범위 내에 분포하여 각력의 배열에 따른 탄성계수의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
Fault breccia, produced by fracturing and comminution of host rock during fault activity, is a common component within fault cores. Fault breccia may display a preferred orientationin accordance with the sense of motion on the fault. Here we use a numerical analysis technique to study the effects of...
Fault breccia, produced by fracturing and comminution of host rock during fault activity, is a common component within fault cores. Fault breccia may display a preferred orientationin accordance with the sense of motion on the fault. Here we use a numerical analysis technique to study the effects of the distribution and content of breccia in fault core on the elastic moduli. The analytical models are grouped into those in which breccias display a preferred orientation within fault core and those in which breccias are randomly oriented. The breccia compositions considered here are granite and shale, and the breccia contents are 10 wt%, 20 wt%, and 30 wt%. Our results show that for all the cases considered, differences in the deformation moduli fall within the range 0.1%~1.1% and differences in the elastic moduli fall within the range 0.02~0.4 MPa. Thus, the distribution and content of fault breccia have almost no effect on the elastic moduli.
Fault breccia, produced by fracturing and comminution of host rock during fault activity, is a common component within fault cores. Fault breccia may display a preferred orientationin accordance with the sense of motion on the fault. Here we use a numerical analysis technique to study the effects of the distribution and content of breccia in fault core on the elastic moduli. The analytical models are grouped into those in which breccias display a preferred orientation within fault core and those in which breccias are randomly oriented. The breccia compositions considered here are granite and shale, and the breccia contents are 10 wt%, 20 wt%, and 30 wt%. Our results show that for all the cases considered, differences in the deformation moduli fall within the range 0.1%~1.1% and differences in the elastic moduli fall within the range 0.02~0.4 MPa. Thus, the distribution and content of fault breccia have almost no effect on the elastic moduli.
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문제 정의
본 연구에서는 단층핵의 기질부 내에 분포하는 각력의 배열 형태와 함량이 탄성계수에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각력의 함량이 30wt% 이하인 단층핵 시료를 모델링하여 수치해석을 이용한 탄성해석을 수행하였다. 단층핵의 기질부 내에서 선택 배향된 각력과 무작위로 분포하는 각력의 함량을 달리하여 탄성해석을 각각 수행하였으며, 일정한 하중을 단계별로 가하여 응력과 변형률과의 관계로부터 도출된 탄성계수를 비교·분석하였다.
가설 설정
75mm)를 고려하여 약 5mm 내외로 설정하였다. 각력의 함량은 Fig. 1에서의 분석 결과를 바탕으로 각각 10wt%, 20wt%, 30 wt%로 구분하였으며, 기질부 내 각력의 분포 면적을 각력의 함량으로 가정하여 모델링하였다. 또한 각력의 배열은 일정한 방향으로 선택 배향된 모델과 무작위로 배열된 모델 2가지로 구분하였으며, 시료 하부에 수직 방향으로 경계 조건을 구속한 상태에서 상부에 총 1, 000kN의 하중을 10단계에 걸쳐 단계별로 가하여 응력과 변형률과의 관계로부터 도출된 탄성계수를 비교· 분석하였다.
수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였으며, 기질부와 각력을 탄성체로 가정하여 탄성해석을 수행하였다. 시료 모델의 크기는 실내에서의 일축압축강도 시험과 동일한 조건으로 수행하기 위하여 6×12cm로 모델링하였으며, 각력의 크기는 단층 핵 내 분포하는 자갈의 크기(4.
제안 방법
각력을 포함하는 단층핵의 수치해석 모델링을 위해 국내에 분포하는 단층대에서의 단층물질을 대상으로 각력의 함량을 분석하였다. Moon et al.
단층핵 내 분포하는 각력의 배열 형태 및 함량에 따른 탄성계수의 비교·분석을 위해 2차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였으며, 기질부와 각력을 탄성체로 가정하여 탄성해석을 수행하였다.
단층핵 내 분포하는 각력의 배열 형태와 함량이 탄성계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치 모델을 대상으로 상부에 1, 000kN의 하중을 단계별로 가하여 수치해석을 수행하였다.
단층핵의 기질부 내에서 선택 배향된 각력과 무작위로 분포하는 각력의 함량을 달리하여 탄성해석을 각각 수행하였으며, 일정한 하중을 단계별로 가하여 응력과 변형률과의 관계로부터 도출된 탄성계수를 비교·분석하였다.
1에서의 분석 결과를 바탕으로 각각 10wt%, 20wt%, 30 wt%로 구분하였으며, 기질부 내 각력의 분포 면적을 각력의 함량으로 가정하여 모델링하였다. 또한 각력의 배열은 일정한 방향으로 선택 배향된 모델과 무작위로 배열된 모델 2가지로 구분하였으며, 시료 하부에 수직 방향으로 경계 조건을 구속한 상태에서 상부에 총 1, 000kN의 하중을 10단계에 걸쳐 단계별로 가하여 응력과 변형률과의 관계로부터 도출된 탄성계수를 비교· 분석하였다. Fig.
포아송비, 단위중량이다. 본 연구에서는 점토 및 모래로 구성된 기질부의 재료정수 산정을 위해 시료를 성형하여 일축압축강도 시험을 수행하였으며(Fig. 3), 시험 결과를 이용하여 할선탄성계수(E50)와 포아송비를 산정하였다. 대상 시료는 지름 6cm, 길이 12cm의 원기둥으로 성형하였으며, 단층핵 내 분포하는 기질부의 모래와 점토는 다양한 무게비를 보이기 때문에 Fig.
점토와 모래로 구성된 기질부 내에 각력이 선택 배향하는 경우와 무작위로 배열하는 경우를 각각 모델링하여 각력 함량이 10wt%, 20wt%, 30wt%로 분포하는 단층 핵 시료에 대하여 탄성해석을 수행하였다. 해석 모델의 상부에 10단계에 걸쳐 하중 100kN 씩 증가시키면서 총 1, 000kN의 하중을 가하였으며, 모델 상부 중앙에서의 응력과 변형률의 관계를 도출하여 결과를 분석하였다.
시료에 대하여 탄성해석을 수행하였다. 해석 모델의 상부에 10단계에 걸쳐 하중 100kN 씩 증가시키면서 총 1, 000kN의 하중을 가하였으며, 모델 상부 중앙에서의 응력과 변형률의 관계를 도출하여 결과를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
3), 시험 결과를 이용하여 할선탄성계수(E50)와 포아송비를 산정하였다. 대상 시료는 지름 6cm, 길이 12cm의 원기둥으로 성형하였으며, 단층핵 내 분포하는 기질부의 모래와 점토는 다양한 무게비를 보이기 때문에 Fig. 1에서의 분석 결과를 바탕으로 점토와 모래의 무게비를 달리하여 총 4종류를 제작하였다. 일축압축강도 시험은 고온으로 인한 대상 시료 내 점토광물의 변질을 최소화하기 위해 대상 시료를 약 40oC에서 72시간 건조한 후 KS F 2314 시험법에서 제시하는 흙의 일축압축강도 시험법을 준용하여 수행하였으며, 시험 직전에 중량을 측정하여 단위중량을 산정하였다.
수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였으며, 기질부와 각력을 탄성체로 가정하여 탄성해석을 수행하였다. 시료 모델의 크기는 실내에서의 일축압축강도 시험과 동일한 조건으로 수행하기 위하여 6×12cm로 모델링하였으며, 각력의 크기는 단층 핵 내 분포하는 자갈의 크기(4.75mm)를 고려하여 약 5mm 내외로 설정하였다. 각력의 함량은 Fig.
이론/모형
4의 4가지 성형 시료에 대한 시험 결과를 바탕으로 기질 부의 재료정수를 산정하였으며, 산정값의 평균을 수치해석에 적용하였다. 각력의 재료정수는 Luis et al. (2004)가 여러 연구에서 암석의 탄성계수와 포아송비, 단위 중량에 대하여 종합 분석한 결과를 참고하여 중위값을 산정하였으며, 강도가 강한 각력과 약한 각력이 분포하는 경우를 비교하기 위해 화강암과 셰일의 재료정수를 각각 적용하였다. 4가지 성형 시료의 일축압축강도 시험을 통해 산정된 기질부의 재료정수와 화강암과 셰일의 재료 정수는 Table 1과 같다.
1에서의 분석 결과를 바탕으로 점토와 모래의 무게비를 달리하여 총 4종류를 제작하였다. 일축압축강도 시험은 고온으로 인한 대상 시료 내 점토광물의 변질을 최소화하기 위해 대상 시료를 약 40oC에서 72시간 건조한 후 KS F 2314 시험법에서 제시하는 흙의 일축압축강도 시험법을 준용하여 수행하였으며, 시험 직전에 중량을 측정하여 단위중량을 산정하였다. Fig.
성능/효과
1. 화강암과 셰일의 각력 함량 10wt%, 20wt%, 30 wt%인 경우 각력의 배열이 선택 배향하는 모델과 무작위 분포하는 모델의 변형률을 비교하면 변형률이 0.1~1.1%의 범위에서 차이를 보여 각력의 배열에 따른 변형률의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
2. 응력-변형률 관계로부터 50% 할선 탄성계수를 산정하여 비교하면 0.02~0.4MPa의 범위에서 차이를 보여각력의 배열 형태에 따른 탄성계수의 차이는 미미한 것으로 나타났다.
3. 변형률은 각력의 함량이 증가할수록 미미하지만 다소 증가하며, 탄성계수는 다소 감소하는 것으로 나타났다.
4. 상기의 결과에 의하면 단층핵에 대한 일축 압축강도 시험 시 소성파괴가 발생하기 전의 탄성거동 구간에서는 각력의 배열상태가 단층핵의 역학적 특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
(2015)은 경주·울산 지역의 12개 지점에서 채취한 62개의 단층핵 시료를 대상으로 입도 분석을 수행하여 자갈의 분포 범위는 대부분 40wt% 이하이며, 모래는 10~70wt%, 실트 및 점토는 10~90 wt% 에 분포하는 것을 밝힌 바 있다. Fig. 1은 상기 연구의 결과를 종합하여 단층핵 내 분포하는 자갈, 모래, 실트 및 점토의 무게비 분포 범위와 분포수를 분석한 것으로 자갈의 경우 전체 시료 중 약 90%가 무게비 0~30 wt%에 분포하는 것으로 나타났다.
해석 모델의 상부에 10단계에 걸쳐 하중 100kN 씩 증가시키면서 총 1, 000kN의 하중을 가하였으며, 모델 상부 중앙에서의 응력과 변형률의 관계를 도출하여 결과를 분석하였다. Fig. 5는 화강암과 셰일 각력의 함량이 10 wt%일 때 응력과 변형률의 관계를 나타낸 것으로서, 선택배향 모델과 무작위 배열 모델 사이의 변형률은 각력이 화강암인 경우 약 0.9%, 셰일인 경우 0.3%의 차이를 보여 두 모델이 거의 동일한 변형률을 보이며, 각력의 함량이 20wt%인 경우는 화강암과 셰일 모두 약 1.1%의 변형률 차이를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 6). 또한 각력의 함량이 30wt%일 때에도 화강암과 셰일각력이 선택 배향하는 모델과 무작위 배열하는 모델 사이에서 약 0.
2는 응력과 변형률의 관계로부터 산정한 탄성계수를 나타낸 것이다. 각력의 함량이 10wt%인 경우 선택 배향 모델과 무작위 배열 모델 사이의 차이는 각력이 화강암인 경우 약 0.4MPa, 셰일인 경우 0.1MPa 의 차이를 보이며, 각력 함량이 20wt%인 경우는 화강암과 셰일 모두 약 0.4MPa, 각력이 30wt%인 경우는 약 0.02MPa의 차이를 보여 변형률과 유사하게 배열 형태에 따른 탄성계수의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 또한 각력의 함량이 많아질수록 탄성계수는 감소하며, 화강암 각력이 10wt%인 경우를 제외하고는 선택 배향모델이 무작위 배열 모델보다 탄성계수가 높게 나타난다.
6). 또한 각력의 함량이 30wt%일 때에도 화강암과 셰일각력이 선택 배향하는 모델과 무작위 배열하는 모델 사이에서 약 0.1%의 변형률 차이를 보여 각력의 배열 형태에 따른 변형률의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다 (Fig. 7). 한편 각력의 함량이 증가할수록 변형률은 각력종류에 상관없이 다소 증가하는 경향을 보인다.
후속연구
5. 본 연구는 단층 각력의 기하학적 분포를 단순히 설정한 모델의 일축압축시험을 위한 수치해석 결과이며, 추후 전단력에 의한 강도 특성 등 추가적인 연구가 수행된다면 각력의 배열에 따른 단층핵의 역학적 특성을 보다 명확히 규명할 수 있을 것이다.
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