[논문]심부 터널 주변 과응력 암반의 취성파괴 수치모델링

이근채; 문현구

doi:10.9711/ktaj.2016.18.5.469

심부 터널 주변 과응력 암반의 취성파괴 수치모델링
Numerical modeling of brittle failure of the overstressed rock mass around deep tunnel 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.5, 2016년, pp.469 - 485

이근채 (한양대학교 자원환경공학과) , 문현구 (한양대학교 자원환경공학과)

초록
AI-Helper

심부 터널 주변 암반의 파괴는 불연속면의 영향을 크게 받는 천부 터널 주변과 다르게 응력의 크기와 방향이 지배한다. 응력 지배 파괴의 양상은 응력 조건, 암석의 특성에 따라 연성과 취성으로 구분할 수 있으며 파석, 판상 파괴, 암석 파열 현상의 결과로 나타나는 V-형 홈 형태 취성 파괴 영역의 범위와 깊이는 심부 터널의 굴착과 보강 설계의 주요 인자이므로 이를 파악하는 것은 중요하다. 취성 파괴의 특성은 응력 조건에 따라 점착력 상실과 마찰력 전이로 구성된다는 점과 진행성 파괴라는 점이다. 본 연구는 이중 선형 절단 파괴 포락선과 탄성-탄소성 연계 해석과 점진적 탄소성 영역 확대라는 해석 절차와 방법을 도입하여 터널 주변 취성 암반의 파괴를 합리적으로 모사할 수 있는 3차원 수치 모델을 구현하였다. 이 수치 모델이 예상한 취성 파괴 영역의 깊이는 기존 사례 연구를 통한 경험식의 결과와 부합되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The failure of rock mass around deep tunnel, different from shallow tunnel largely affected by discontinuities, is dominated by magnitudes and directions of stresses, and the failures dominated by stresses can be divided into ductile and brittle features according to the conditions of stresses and the characteristics of rock mass. It is important to know the range and the depth of the V-shaped notch type failure resulted from the brittle failure, such as spalling, slabbing and rock burst, because they are the main factors for the design of excavation and support of deep tunnels. The main features of brittle failure are that it consists of cohesion loss and friction mobilization according to the stress condition, and is progressive. In this paper, a three-dimensional numerical model has been developed in order to simulate the brittle behavior of rock mass around deep tunnel by introducing the bi-linear failure envelope cut off, elastic-elastoplastic coupling and gradual spread of elastoplastic regions. By performing a series of numerical analyses, it is shown that the depths of failure estimated by this model coincide with an empirical relation from a case study.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 심부 터널 주변 과응력 취성 암반의 파괴 깊이와 형상에 대하여 현장 응력 상태, 암반의 취성 파괴 특성을 모사할 수 있는 수치 모델과 해석 방법을 개발하여 자료 한정적 조건에서 예컨대 취성 파괴 범위와 깊이 같은 설계 인자를 합리적으로 추정할 수 있는 도구를 제공하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

이를 위하여 취성 암반의 거동에 관한 선행 연구 성과들을 검토하여 취성 암반 거동의 특성을 이해한 바탕 위에 적용 가능한 현장 취성 암반 파괴 모델을 수치적으로 구현하고 이에 부합하도록 해석 절차 및 방법을 개발하였다. 개발된 수치 모델을 적용하여 심부 암반의 현장 응력 조건의 가능한 범위에 대하여 3차원 탄소성 수치해석을 실시하여 심도와 암반 상태에 따라 가능한 범위의 취성 파괴 깊이와 손상 범위를 제시하고 그 결과의 검토를 통하여 개발된 수치 모델 및 방법론에 관한 타당성을 검증하였다.
이를 위하여 취성 암반의 거동에 관한 선행 연구 성과들을 검토하여 취성 암반 거동의 특성을 이해한 바탕 위에 적용 가능한 현장 취성 암반 파괴 모델을 수치적으로 구현하고 이에 부합하도록 해석 절차 및 방법을 개발하였다. 개발된 수치 모델을 적용하여 심부 암반의 현장 응력 조건의 가능한 범위에 대하여 3차원 탄소성 수치해석을 실시하여 심도와 암반 상태에 따라 가능한 범위의 취성 파괴 깊이와 손상 범위를 제시하고 그 결과의 검토를 통하여 개발된 수치 모델 및 방법론에 관한 타당성을 검증하였다.

대상 데이터

해석 대상은 암반의 취성 거동이 주로 심부 암반에 국한되는 문제이므로 심도 500 m에서 3,000 m까지 500 m 간격의 응력 조건을 가정하였으며 이 때의 응력 조건은 수직 응력의 경우 식 (3)을 이용하여각 심도에 해당하는 응력을 계산하고 수평 응력의 경우 그 편차가 심하므로 Brown and Hoek (1978)의사례 조사 연구에서 제안한 심도와 수직응력에 대한 수평응력비의 경험적 관계식(식 (4))을 이용하여 그상한값을 적용하였다(Table 1, Fig. 10).

데이터처리

심도와 초기응력비에 따라 심부 터널 주변 암반의 취성 파괴 깊이와 손상 영역을 자료 한정적인 조건에서 보다 합리적으로 추정할 수 있는 기반을 제공하고자 본 연구에서 개발한 수치 모델과 해석 절차를 사용 하여 3차원 수치 해석을 실시하였으며 이를 위하여 해석 프로그램으로 미국 이타스카사(Itasca consulting group, Inc.) 의 유한차분법 3차원 연속체 해석 프로그램인 FLAC3D (version 4)을 사용하였다. 해석을 위한 3차원 요소망(grid)는 Fig.

이론/모형

따라서 취성 암반의 수치 모델은 응력 수준에 따른 점착력 저하와 마찰력 전이 현상을 구현하고 해석 방법 및 절차는 터널 굴착에 따른 응력 조건의 변화 과정을 반영해야 한다. 본 연구에서 이 같은 조건에 근접하는 수치 해석을 위한 취성 암반 파괴 모델로 Kaiser et al. (2000)이 제시한 이중 선형 절단 파괴 포락선(Bi-linear failure envelope cut off)을 적용하였다. 이 파괴 포락선은 Fig.

성능/효과

52의 범위를 가지고 기존 사례에 대한 경험적 관계식이 제시한 결과 범위 안에 속하는 것을 알 수있었다. 또한 탄소성 영역의 점진적 확대로 인하여 V-형 홈 형태의 파괴 영역 주변의 응력 집중이 효과적 으로 모사되었으며 파괴 영역과는 별개로 보강 영역의 결정과 관계가 깊은 손상 영역 예측의 가능성을 보여 주었다.
심부 터널을 대표하는 심도 구간(500~3,000 m)에 대하여 기존 측정 자료에 근거한 초기 수평 응력비를 적용하여 산정한 초기 응력 조건에 대하여 개발된 수치 해석 방법을 적용한 3차원 유한 차분 수치 해석을 실시한 결과 심부 터널 주변 암반의 취성 거동을 합리 적으로 예측할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
예로 해석 결과 추정된 취성 파괴 깊이는 R_f/a= 1.27~1.52의 범위를 가지고 기존 사례에 대한 경험적 관계식이 제시한 결과 범위 안에 속하는 것을 알 수있었다. 또한 탄소성 영역의 점진적 확대로 인하여 V-형 홈 형태의 파괴 영역 주변의 응력 집중이 효과적 으로 모사되었으며 파괴 영역과는 별개로 보강 영역의 결정과 관계가 깊은 손상 영역 예측의 가능성을 보여 주었다.

후속연구

본 연구에서 개발한 심부 터널 주변 취성 암반 수치 해석 방법은 심부 터널의 주변 암반의 거동을 예측하여 터널의 안정성을 확보하기 위한 굴착과 보강 계획수립에 필요한 변수를 제공할 수 있을 것이다. 그러나 신뢰성과 활용성을 높이기 위해서는 추가적으로 취성 거동의 실제 사례들에 대한 적용 연구를 통한 매개변수와 모델의 보정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하 공동 주변 암반의 파괴는 무엇에 의존하는가?	지하 공동 주변 암반의 파괴는 현장 응력 수준과 암반의 특성에 의존한다(Hoek et al., 1995).
	암반 내 응력은 무엇으로 대별되는가?	암반 내 응력은 현장 응력(in situ stresses)과 유도 응력으로 나뉜다. 현장 응력은 자연(natural), 초기 (primitive), 처녀(virgin) 응력이라고도 부르며 교란이 발생하기 전 암석 내의 응력을 말한다(Amadei and Stephansson, 1997).
	심부에서 굴착되는 지하 공동 주변 암반과 일반적인 천부 암반은 어떤 다른 거동 양상을 보이는가?	심부에서 굴착되는 지하 공동 주변 암반은 일반적인 천부 암반과 다른 거동 양상을 보인다. 심부의 높은 현장 응력 수준은 지하 공동을 굴착할 때 공동 주변에 높은 유도 응력(induced stresses)을 발생시킨다(Hoek and Marinos, 2008). 이 높은 유도 응력으로 인하여 암석의 종류(Aydan et al., 1996), 암반 내 불연속면의 특성(Martin et al., 1999)에 따라 취성(brittle) 이나 연성(ductile) 거동을 보이게 되며 전자에 의해서는 파석(spalling), 암석 파열(rock burst) (Roby et al., 2008; Kaiser and Cai, 2012; Wang et al., 2012)로 후자는 압출(squeezing) (Panet, 1996; Hoek and Guevara, 2009; Mezger et al., 2013)로 대표되는 현상들을 발생시킨다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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