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문제 정의
- 따라서 심도가 깊어짐에 따라 또는 그 결과로 현장응력의 수준이 높아짐에 따라 보다 양호한 조건의 암반에서도 압출이 발생할 가능성이 생길 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지질이나 지질 구조의 영향이나 매우 불량한 암반 조건과 같은 경우를 제외한 암반 조건일 때 심부 터널에서의 압출 현상을 연구하기 위하여 500 m부터 3,000 m까지의 심도를 고려하였다. 500 m 심도는 과응력에 의한 취성 파괴가 발생할 수 있는 하한이며(Lee and Moon, 2016) 3,000 m는 광산을 제외한 지하 굴착의 사회적, 기술적 한계라고 볼 수 있다.
- 본 연구는 변형률-연화 구성모델을 이용한 3차원 수치모델 연구를 통하여 심부 암반 조건에서 과응력에 의한 압출 거동을 합리적으로 모사하여 압출 현상의 정량적 예측을 시도하였다. 이를 위하여 3차원 유한차분 모델에 대한 일련의 수치 실험을 실시하였으며 그 결과를 통하여 압출 거동의 결정적 인자들로부터 변형량과 소성깊이 등을 예측하는 관계식을 도출하였다.
- 본 연구에서는 이같은 한계를 극복하고 압출 현상에 대한 합리적이고 정량적인 예측을 위하여 변형률 연화 거동 모델을 이용한 3차원 유한차분 수치해석연구를 수행하였다. 연구의 성과를 요약하면 다음과 같다.
- (1993)은 일본에서 발생한 압출의 사례를 분석한 연구에서 Muir Wood (1972)가 상재 하중에 대한 일축압축강도의 비로 정의한 역량 지수(Fc = σc/ γH, competency factor)가 2에 미달하고 터널주면의 접선 변형률(∊θ)이 1을 초과할 때 압출 발생조건이 됨을 보였다. 이 연구에서 저자들은 암석의 실내 압축실험과 터널 주변 암석의 접선응력-변형률 반응의 유사성에 기초하여 압출 가능성과 터널의 변형 예측을 위한 방법을 제안하였다. 즉 암석은 Fig.
- 본 연구에서 암반의 강도를 결정하는 지표로 일축 압축강도를 채택하였으며 ISRM의 분류에 의하면 강한(strong) 정도에서 중간 정도 강한(Medium strong)에 해당하는 100 MPa, 50 MPa, 25 MPa의 경우를 대표값으로 채택하였다(Brown, 1981). 이는 전술한 바와 같이 심부의 과응력 조건에 놓였을 때 중간 정도 강도의 암반의 거동과 압출 가능성을 살펴보고자 함이다. 해석을 위한 암반의 강도 특성과 변형 특성은 Table 5에 정리되어 있다.
가설 설정
- - 압출 암석은 터널 내로 인지할 정도의 체적 증가없이 밀려들어 온다. 압출의 선행 조건은 낮은 팽창성을 가진 운모 광물이나 점토 광물의 미세립자와 준미세립자의 높은 구성비이다.
- 1) 탄성 상태(Elastic state): 암석이 거의 선형으로 거동하고 균열은 관찰되지 않는다.
- )의 비로 수정하고 이를 k′으로 표기하기로 한다. 또한 이 때 최소주응력은 항상 수직응력이며 최대주응력은 터널축과 직교하는 방향의 수평응력으로 가정하였다.
- 심부 터널의 높은 응력 수준에서 과응력 조건에 기인한 터널의 압출 거동을 모사하기 위하여 본 연구에서는 다음과 같은 조건들을 가정하였다.
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