본 연구에서는 암반 절리 내 점성유체 주입시 주입 설계변수가 주입 성능에 미치는 영향을 평가할 목적으로 UDEC 프로그램을 사용하여 1차원 선형유동 해석을 수행하였다. 주입 설계변수로는 주입 압력, 유체 압축률, 주입재의 항복강도 및 점성도의 시간의존성, 주입 압력에 의한 절리의 역학적 변형을 설정하였으며, 주입재의 침투거리 및 주입 유량을 통해 주입 성능을 평가하였다. 수치해석 결과는 이론해를 통하여 파악한 주입 성능양상과 유사한 결과를 보였다. 주입재의 항복강도 및 점성도의 시간의존성을 고려하지 않을 경우, 주입재의 누적 주입량은 시간의존성을 고려한 해석에 비하여 약 1.2배 크게 평가되었다. 또한, 수리-역학 연계해석결과로부터 주입 압력에 의한 절리의 역학적 변형이 발생하는 경우, 절리 간극이 일정한 수리유동 해석에 비하여 누적 주입량이 약 4.4배 늘어나는 결과를 보였다.
본 연구에서는 암반 절리 내 점성유체 주입시 주입 설계변수가 주입 성능에 미치는 영향을 평가할 목적으로 UDEC 프로그램을 사용하여 1차원 선형유동 해석을 수행하였다. 주입 설계변수로는 주입 압력, 유체 압축률, 주입재의 항복강도 및 점성도의 시간의존성, 주입 압력에 의한 절리의 역학적 변형을 설정하였으며, 주입재의 침투거리 및 주입 유량을 통해 주입 성능을 평가하였다. 수치해석 결과는 이론해를 통하여 파악한 주입 성능양상과 유사한 결과를 보였다. 주입재의 항복강도 및 점성도의 시간의존성을 고려하지 않을 경우, 주입재의 누적 주입량은 시간의존성을 고려한 해석에 비하여 약 1.2배 크게 평가되었다. 또한, 수리-역학 연계해석결과로부터 주입 압력에 의한 절리의 역학적 변형이 발생하는 경우, 절리 간극이 일정한 수리유동 해석에 비하여 누적 주입량이 약 4.4배 늘어나는 결과를 보였다.
In this paper, a numerical analysis of one-dimensional viscous fluid flow in a rock joint using UDEC code is performed to evaluate the effect of design parameters on injection performance. We consider injection pressure, fluid compressibility, time dependence of yield strength and viscosity of injec...
In this paper, a numerical analysis of one-dimensional viscous fluid flow in a rock joint using UDEC code is performed to evaluate the effect of design parameters on injection performance. We consider injection pressure, fluid compressibility, time dependence of yield strength and viscosity of injected grout fluid, and mechanical deformation of joint as the design parameters, and penetration length and flow rate of injection are investigated as the injection performance. Numerical estimations of penetration length and flow rate were compared to analytical solution and were well comparable with each other. We showed that cumulative injection volume can be over-estimated by 1.2 times than the case that the time-dependent viscosity evolution is not considered. We also carried out a coupled fluid flow and mechanical deformation analysis and demonstrated that injection-induced joint opening may result in the increment of cumulative volume by 4.4 times of that from the flow only analysis in which joint aperture is kept constant.
In this paper, a numerical analysis of one-dimensional viscous fluid flow in a rock joint using UDEC code is performed to evaluate the effect of design parameters on injection performance. We consider injection pressure, fluid compressibility, time dependence of yield strength and viscosity of injected grout fluid, and mechanical deformation of joint as the design parameters, and penetration length and flow rate of injection are investigated as the injection performance. Numerical estimations of penetration length and flow rate were compared to analytical solution and were well comparable with each other. We showed that cumulative injection volume can be over-estimated by 1.2 times than the case that the time-dependent viscosity evolution is not considered. We also carried out a coupled fluid flow and mechanical deformation analysis and demonstrated that injection-induced joint opening may result in the increment of cumulative volume by 4.4 times of that from the flow only analysis in which joint aperture is kept constant.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 UDEC 에서의 점성유체 유동 모델과 암석 절리의 역학적 변형 해석을 연계하고 암반 절리 내 그라우트재 주입 설계변수가 주입 성능에 미치는 영 향을 파악하였다. 주입 성능에 미치는 주요 설계변수는 주입 압력, 유체 압축률, 주입재 점성도의 시간의존성, 절리의 역학적 변형을 고려하였다.
본 연구에서는 개별요소법(distinct element method, DEM)에 기반한 UDEC (Itasca, 2014)을 사용하여 암반 절리 내 점성유체 주입을 위한 1차원 수리-역학 거동 해석을 실시하고, 주요 주입 설계 변수가 주입 성능에 미치는 영향에 대한 수치해석적 검토를 실시하였다. 주입재의 침투거리(penetration length) 및 주입 유량(injection rate)을 주입 후 성능평가를 위한 지표로 설정하여 주입 압력, 유체 압축률, 주입재 점성도의 시간 의존성, 절리의 역학적 변형이 주입 성능에 미치는 영향을 이론해와 해석 결과를 비교･분석하였다.
가설 설정
시멘트 그라우트 주입재는 양생이 진행됨에 따라 항복강도 및 점성도가 점진적으로 증가한다. 기본 해석에 서는 주입재의 항복강도 및 점성도를 일정한 것으로 가정하였다. 본 해석에서는 주입재의 항복강도 및 점성도가 주입 후 경과시간의 함수로 증가하는 모델(Kobayashi and Stille, 2007)을 적용하여 해석을 실시하였다(Fig.
기본 해석에서는 점성유체 주입조건으로 일정 압력(constant pressure) 주입조건을 설정하고 주입압력은 3 MPa로 하였다. 절리 상하부는 불투수성 암석 블록으로 주입 유체는 절리를 통해서만 이동하며, 절리 내부는 건조 상태를 가정하여 모델링하였다.
제안 방법
기본 해석에 사용된 주요 물성은 Table 1과 같다. 기본 해석에서는 점성유체 주입조건으로 일정 압력(constant pressure) 주입조건을 설정하고 주입압력은 3 MPa로 하였다. 절리 상하부는 불투수성 암석 블록으로 주입 유체는 절리를 통해서만 이동하며, 절리 내부는 건조 상태를 가정하여 모델링하였다.
기본 해석에서는 주입 지속시간 30분(t = 1,800 s) 동안의 점성유체 주입과정에서 절리 내 주입재의 침투거리 및 주입 유량을 이론해의 결과와 비교하였다(Fig. 5). 이론해에서는 주입재의 침투거리 및 주입 유량이 각각 주입시간의 제곱근에 비례 및 반비례하여(Fig.
또한, 주입재의 고압 주입 과정에서는 암반 절리 내 응력 변화로 기존 절리의 확장 및 새로운 절리의 생성 등과 같은 역학적 변형이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 UDEC 프로그램을 이용하여 수리-역학 연계해석을 실시하고 암반 절리 내 점성유체 주입 설계변수의 주입 성능에의 영향을 분석하였다
본 연구에서는 단일 절리 내 1차원 수리-역학 해석만을 진행하였다. 본 연구 결과를 통해 파악된 주입 설계 변수와 침투거리 및 주입 유량 간의 상관관계를 바탕으로 다차원 균열망 해석 모델로 확장하고 절리면 거칠기 및 방향성 등의 상세 지질구조를 반영한 추가 연구를 수행할 예정이다.
7은 유체의 압축률(compressibility)이 주입재의 침투거리와 주입유량에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 압축률과 체적계수(bulk modulus, K)는 역수 관계에 있으므로, 해석에서는 체적계수를 변화시켜가며 침투거리와 유량 변화를 파악하였다. 유체의 체적계수가 2.
0E6 이상인 압축성 조건에서는 침투거리 및 유량 모두 이론 해와 큰 차이를 보이지 않는다. 이후 해석에서는 계산에 소요시간이 상대적으로 짧은 비압축성 유체의 체적 계수값 2.0E9 조건에서 해석을 실시하였다.
3), 기본 수치해석 결과에서도 이론해와 매우 유사한 결과를 보였다. 이후 해석에서는 주입 조건, 주입재의 물성, 절리의 역학적 변형과 같은 주입 설계변수의 변화가 침투거리 및 유량과 같은 주입 성능에 미치는 영향을 기본 해석 결과와 비교 분석하였다.
본 연구에서는 UDEC 에서의 점성유체 유동 모델과 암석 절리의 역학적 변형 해석을 연계하고 암반 절리 내 그라우트재 주입 설계변수가 주입 성능에 미치는 영 향을 파악하였다. 주입 성능에 미치는 주요 설계변수는 주입 압력, 유체 압축률, 주입재 점성도의 시간의존성, 절리의 역학적 변형을 고려하였다.
주입 압력에 따른 주입재의 침투거리와 주입유량 변화를 파악할 목적으로 주입 압력을 6 MPa로 설정한 결과를 기본해석과 비교하였다(Fig. 6). 이는 기본 해석(p = 3 MPa)의 2배에 해당하는 주입 압력이다.
본 연구에서는 개별요소법(distinct element method, DEM)에 기반한 UDEC (Itasca, 2014)을 사용하여 암반 절리 내 점성유체 주입을 위한 1차원 수리-역학 거동 해석을 실시하고, 주요 주입 설계 변수가 주입 성능에 미치는 영향에 대한 수치해석적 검토를 실시하였다. 주입재의 침투거리(penetration length) 및 주입 유량(injection rate)을 주입 후 성능평가를 위한 지표로 설정하여 주입 압력, 유체 압축률, 주입재 점성도의 시간 의존성, 절리의 역학적 변형이 주입 성능에 미치는 영향을 이론해와 해석 결과를 비교･분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 점성유체 주입에 따른 주입 성능 평가를 위한 기본 해석모델은 단일 절리 내에서의 1차원 선형유동(linear flow)에 해당한다(Fig. 4). 해석모델 에서 절리의 초기 간극은 0.
해석에 사용된 주입재의 항복강도 및 점성도는 지수 함수로 표현되며, 주입 초기(t = 0 s)에는 각각 0.296 Pa, 0.0056 Pa·s이며 주입 종료 단계(t = 1,800 s)에는 각각 0.608 Pa, 0.012 Pa·s로 초기 값보다 약 두 배 증가하는 모델이다.
데이터처리
암반 절리 내 점성유체 주입 시 절리의 간극 변화가 주입 성능에 미치는 영향은 수리-역학 연계해석(HydraulicMechanical coupled analysis)과 기본해석에서의 주입재 침투거리 및 주입 유량과 비교분석을 통해 실시하였다(Fig. 10). 기본해석은 일정한 절리 간극에서 유동해 석만을 실시한 결과에 해당한다.
이론/모형
기본 해석에 서는 주입재의 항복강도 및 점성도를 일정한 것으로 가정하였다. 본 해석에서는 주입재의 항복강도 및 점성도가 주입 후 경과시간의 함수로 증가하는 모델(Kobayashi and Stille, 2007)을 적용하여 해석을 실시하였다(Fig. 8). 해석에 사용된 주입재의 항복강도 및 점성도는 지수 함수로 표현되며, 주입 초기(t = 0 s)에는 각각 0.
성능/효과
암반 절리 내 점성유체는 불연속 절리를 통해 유동한다. 따라서, 절리 암반 내 주입재 거동을 모사하고 주입 성능을 예측하기 위해서는 개별 절리의 기하학적 특징과 분포 특성을 재현할 수 있는 불연속체 유동 해석모델을 사용하는 것이 효과적이다. 또한, 주입재의 고압 주입 과정에서는 암반 절리 내 응력 변화로 기존 절리의 확장 및 새로운 절리의 생성 등과 같은 역학적 변형이 발생할 수 있다.
9). 본 해석모델 결과 에서는 주입 종료 시점에 침투거리는 약 18% 감소하고, 주입 유량도 약 45%까지 감소하는 결과를 보였다. 이는 주입재 물성의 시간의존성을 반영하지 않은 설계에서 주입 성능을 과대평가 할 수 있음을 의미한다.
주입 후 시간 경과에 따른 점성도의 증가 및 주입압에 의한 절리 간극의 변화를 고려하지 않을 경우 이론해와는 큰 차이를 보였다. 시멘트 주입재의 경화에 따른 점성도 증가를 고려하지 않은 해석에서는 주입 종료 시점 기준 누적주입량은 약 1.2배 크게 평가되었으며, 고압의 주입압에 의한 절리 간극 증가를 포함한 수리-역학 연계해석에서는 수리 유동만을 고려한 해석에 비해 누적주입량이 약 4.39배 늘어나는 결과를 보였다.
암반 절리에의 점성유체 주입 시 주입재의 침투거리 및 주입 유량은 이론해를 이용한 연구와 마찬가지로 주입 압력의 증가비의 제곱근에 비례하여 증가하는 것으로 파악되었다. 주입 후 시간 경과에 따른 점성도의 증가 및 주입압에 의한 절리 간극의 변화를 고려하지 않을 경우 이론해와는 큰 차이를 보였다.
점성도의 시간의존성을 고려한 해석에서는 그렇지 않은 경우에 비하여 주입재의 침투거리 및 주입 유량이 감소하는 것으로 예측되었다(Fig. 9). 본 해석모델 결과 에서는 주입 종료 시점에 침투거리는 약 18% 감소하고, 주입 유량도 약 45%까지 감소하는 결과를 보였다.
기본해석은 일정한 절리 간극에서 유동해 석만을 실시한 결과에 해당한다. 주입압에 의해 간극 크기가 증가하는 경우, 간극 크기의 변화가 없는 단순 수리 유동 해석에 의한 예측 결과보다 주입 종료 시점(t = 1,800 s) 기준으로 침투거리 및 주입 유량은 각각 약 2.1배, 4.6배 높게 예측되었다. 또한, 누적 주입량 비교 에서는 수리-역학 해석의 경우에서 주입 종료 시점에약 4.
후속연구
본 연구에서는 단일 절리 내 1차원 수리-역학 해석만을 진행하였다. 본 연구 결과를 통해 파악된 주입 설계 변수와 침투거리 및 주입 유량 간의 상관관계를 바탕으로 다차원 균열망 해석 모델로 확장하고 절리면 거칠기 및 방향성 등의 상세 지질구조를 반영한 추가 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하공간이 사회인프라 시설을 설치하는데 유리한 이유는?
최근 방사성 폐기물 및 이산화탄소 심지층 처분 공간으로 심부 지하에 대한 관심이 증대하고 있다. 지하공간은 거주공간으로부터 독립되어 외부의 환경 영향을 최소화 가능한 장점을 지니기 때문에 기피현상을 보이는 사회인프라 시설을 설치하는데 특히 유리하다. 하지만, 심부 지하 암반에는 굴착 공동에 작용하는 높은 지압에 의하여 암반의 굴착 및 굴착공동의 안정성 유지 등을 위해서는 점성유체인 그라우트를 주입하여 암반의 강도 특성을 인위적으로 제고할 필요성이 있다.
고압의 점성유체 주입으로 인해 발생하는 암반 절리 내 유효응력 변화는 어떤 결과를 초래하는가?
또한, 암반 절리 내 점성유체의 고압의 주입 과정에서는 초기 공극 유체 압력보다 높은 압력으로 주입을 실시하기 때문에 절리의 역학적 변형이 발생하여 주입 점성유체의 유동 양상이 달라질 수 있다. 고압의 점성유체 주입으로 인해 발생하는 암반 절리 내 유효응력 변화는 기존 절리의 간극이 증가하거나 새로운 절리의 생성 등과 같은 역학적 변형을 발생시킬 수 있다(Rafi and Stille, 2014).
암반 절리 내 유체 유동이 불연속 절리를 따라 발생하는 현상은 어떤 문제를 초래할 수 있는가?
암반 절리 내 유체 유동은 주입공과 교차되고 연결된 불연속(discontinuous) 절리(joint)를 따라 주로 발생한다. 이에 따라 지하 굴착공동 주변에 절리가 불균질하게 분포하는 경우 주입재가 침투하지 않거나 당초 설계한 범위를 초과하여 주입이 과다하게 발생할 수 있다(Fig. 1). 또한, 암반 절리 내 점성유체의 고압의 주입 과정에서는 초기 공극 유체 압력보다 높은 압력으로 주입을 실시하기 때문에 절리의 역학적 변형이 발생하여 주입 점성유체의 유동 양상이 달라질 수 있다. 고압의 점성유체 주입으로 인해 발생하는 암반 절리 내 유효응력 변화는 기존 절리의 간극이 증가하거나 새로운 절리의 생성 등과 같은 역학적 변형을 발생시킬 수 있다(Rafi and Stille, 2014).
참고문헌 (14)
Aoki, K., Mito, Y., Nakamura, Y., Inoue, Y., 2006, Application of dynamic injection technique for lowpermeable rock mass, 35th Symposium of Rock Mechanics 2006, JSCE, 243-248.
Eriksson, M., Stile, H., Andersson, J., 2000, Numerical calculations for prediction of grout spread with accout for filtration and varying aperture, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 15(4), 353-364.
Hassler, L., 1991, Grouting of Rock: Simulation and classification, Ph.D. Thesis, Division of Soil and Rock Mechanics, Royal Institute of Technology.
Itasca, 2014, Universal distinct element code, UDEC Version 6 User's Guide, Minneapolis, Minnesota, USA.
Jeon, K. H., Ryu, D. W., Kim, H. M., Park, E. S. and Song, J. J., 2010, Numerical analysis of grout flow and injection pressure affected by joint roughness and aperture, Tunnel and Underground Space, Vol. 20(2), 82-91.
Kobayashi, S., Stille, H., 2007, Design for rock grouting based on analysis of grout penetration analysis, SKB Report R-07-13.
Lee, J.W., 2017, Performance analysis on the design parameters of viscous fluid penetration in rock joint, Ms.C. Thesis, Sejong University, Seoul, Korea.
Lee, B. Y., Jeon, S. W., Kim, T. H., Cho, J. W., Kim, K. I., Kim, T. H., Kim, S. L., 2009, A Study on the Determination of Grout Injection Volume according to the Angle of Mine Cavity, Tunnel and Underground Space, Vol. 19(2), 107-122.
Lombardi, G., Deere, D., 1993, Grouting Design and Control Using the GIN Principle, International Water Power and Dam Construction, Vol. 45(6), 15-22.
Mutoh, K., Kikuchi, K., Hirano. I., Mito, Y., 1999, Experimental study on grouting mechanism in jointed rock masses using transparent tubes, Journal of Japan Society of Dam Engineers, Vol. 9(1), 29-38.
Rafi, J. Y., 2014, Study of pumping pressure and stop criteria in grouting of rock fractures, Ph.D, Dissertation, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.
Rafi, J. Y., Stille, H., 2014, Control of rock jacking considering spread of grout and grouting pressure, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 40, 1-15.
Ryu, S. H., Sagong, M., 2014, Study on the Estimation of Pressure loss Coefficient of Grout Flow according to the JRC using CFD, Proceedings of the Korean Society for Railway, 1501-1506.
Stille, H., 2012, Rock grouting in tunnel constructionmodels and design, ISRM International Symposium-EUROCK 2012, International Society for Rock Mechanics.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.