[논문]3차원 X-ray CT 영상을 이용한 화성암 불균질 지수와 역학적 특성과의 상관관계에 대한 연구

정연종; 김광염; 윤태섭

doi:10.7474/tus.2017.27.5.333

3차원 X-ray CT 영상을 이용한 화성암 불균질 지수와 역학적 특성과의 상관관계에 대한 연구
A Study on Correlation between Heterogeneity Index and Mechanical Properties of Igneous Rocks using 3D X-ray Computed Tomography Image 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.27 no.5, 2017년, pp.333 - 342

정연종 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과 통합과정) , 김광염 (한국건설기술연구원 지반연구소) , 윤태섭

초록
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본 연구에서는 국내의 다양한 화성암에 대해 내부구조의 불균질성을 정량화하고, 이와 탄성파속도 및 점하중강도간의 상관관계를 분석하였다. 3차원 X-ray Computed Tomography(CT)를 통해 암석 시편 내부 구조에 대한 정보를 획득하였으며, 3차원 영상에 통계적 기법을 적용하여 뷸균질성 대표계수(representative unit length, LR)를 계산하였다. 또한 암석의 탄성파 속도 및 점하중강도와 LR간의 상관관계로부터 암석의 역학적 특성치를 예측하는 추정식을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 방법을 통해 3차원 X-ray 영상에 기반한 내부 특성 분석값을 이용해 실내실험을 수행하지 않고도 암석의 역학적 물성을 평가할 수 있는 간접적인 인자를 도출할 수 있는 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the heterogeneity of internal structure of various igneous rocks acquired in Korea was quantified and correlated with the seismic velocity and the point load strength. Three-dimensional X-ray Computed Tomography (CT) was used to obtain information on the internal structure of the rock specimen, and the representative unit length (LR) was calculated by applying a statistical technique to the CT images. We also proposed an estimation equation to predict the mechanical properties of rocks from the relationship between LR, acoustic velocity and point load strength. In the proposed method, it is shown that the characterization of internal structure of rocks could be utilized as an indirect index to account for the mechanical behavior of rocks by substituting physical laboratory testing for non-destructive test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 암석의 내부 구조적 특징과 역학적 물성치 간의 상관성 분석을 위한 시도로서, 국내에서 획득한 화성암의 3차원 영상을 기반으로 불균질한 내부 구조를 정량화하고, 화성암의 역학적 물성과 이러한 불균질성과의 상관관계를 파악하고자 하였다. 또한, 이러한 상관관계를 통해 X-ray CT이미지를 이용해 암석의 역학적 특성을 추정하기 위한 방법론을 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 국내에서 획득한 여러 종류의 화성암을 대상으로 암석의 불균질한 구조적 특징과 역학적 물성간의 상관성을 분석했다. 이를 위해 암석의 점하중강도와 P-wave 속도를 측정하고, 각 시편에서 확보한 X-ray CT기반 3차원 디지털 이미지에 modified two-point correlation기법을 적용하여 내부구조를 대표하는 불균질성 대표계수(LR)을 획득했다.
하지만 내부 구조 특성화 연구를 실제 암반의 역학적 거동을 분석하기 위한 설계 인자로 전환하기 위한 연계성 평가는 국내외적으로 보고된 사례가 없는 실정이다. 본 연구에서는 암석의 내부 구조적 특징과 역학적 물성치 간의 상관성 분석을 위한 시도로서, 국내에서 획득한 화성암의 3차원 영상을 기반으로 불균질한 내부 구조를 정량화하고, 화성암의 역학적 물성과 이러한 불균질성과의 상관관계를 파악하고자 하였다. 또한, 이러한 상관관계를 통해 X-ray CT이미지를 이용해 암석의 역학적 특성을 추정하기 위한 방법론을 제안하고자 하였다.

제안 방법

2와 같이 2차원 영상을 적층하여 암석의 3차원 영상을 획득할 수 있다. 본 연구에서는 150 kV의 관전압과 100 mA의 관전류를 이용하여 생성시킨 X-ray 를 대상 시편에 투과시키면서 360도 회전동안 1200 프로젝션을 촬영하여 입체영상을 구현하였다. 취득된 영상의 공간해상도는 41 µm(단위 픽셀길이)이며, 통계분석을 위해 3차원 영상 중앙부에서 500 × 500 × 500 픽셀 크기의 3차원 도메인을 추출하였다.
또한 16비트 원본이미지에서 이진화이미지를 생성하여 분석에 적용하기 위해서는 16비트 이미지 값을 기준으로 하는 분리(Segmentation)과정이 필수적이지만, 상대적으로 유사한 밀도를 갖고 있는 암석의 광물들을 분리하기 쉽지 않다. 본 연구에서는 two-point correlation method 를 변형하여 이진화 이미지가 아닌 16비트 3차원 X-ray 영상에 적용 가능한 방법을 새롭게 적용하였고 이를 통해 불균질성 대표계수를 산출했으며 자세한 이론 및 산출과정은 다음과 같다. Fig.

대상 데이터

한국건설기술연구원에서 보유한 산업용 X-ray CT 시 스템(X-EYE PCT-G3)를 이용하여 총 10개의 화성암 시편에 대한 고해상도 3차원 영상정보를 획득하였다. X-ray 튜브로부터 투과된 에너지는 Beer-Lambert 법칙에 의해 재료의 밀도에 따라 다른 감쇄현상이 발생한다.

이론/모형

암석시편의 P-wave 속도 측정은 ASTM2845-00과 ISRM 표준시험법에 기초하여 수행되었다. Fig.
본 연구에서는 국내에서 획득한 여러 종류의 화성암을 대상으로 암석의 불균질한 구조적 특징과 역학적 물성간의 상관성을 분석했다. 이를 위해 암석의 점하중강도와 P-wave 속도를 측정하고, 각 시편에서 확보한 X-ray CT기반 3차원 디지털 이미지에 modified two-point correlation기법을 적용하여 내부구조를 대표하는 불균질성 대표계수(LR)을 획득했다. Modified two-point correlation 기법으로부터 획득한 LR값은 암석을 지배적으로 구성하고 있는 광물의 크기뿐만 아니라 입자간 거리 특성까지 반영한 통계값으로, 불균질한 암석의 지배적인 구조의 크기를 대표한다.

성능/효과

특히 CT 값의 Cv는 암석 영상 정보만 있으면 수월하게 획득이 가능한 정보로, 재료의 파괴 및 손상 없이 계산이 가능하여 암석 점하중강도의 1차적 평가를 위한 기초자료로 활용이 가능하다. X-ray CT이미지를 기반으로 획득한 LR은 기법의 불확실성으로 인해 밀접한 수준으로 점하 중강도와의 상관성(R² :0.620)을 보이며, 이는 X-ray CT에 반영된 암석의 밀도가 획득한 암석의 지배적인 크기에 비해 암석의 점하중 강도와 더 큰 상관성을 가지고 있음을 시사한다. 제안된 기법은 본 연구에서 이용한 X-ray CT이미지의 해상도로 평가 가능한 최소 크기이상을 대상으로 분석했기 때문에 픽셀값에는 평균값으로 반영되어 있는 미소균열 및 구조가 반영되지 않았기 때문으로 판단된다.
X-ray 영상을 통해 가시화가 가능한 암석 내부의 미세구조 최소 크기는 해상도의 최소 5배 정도이며, 따라서 본 연구에서 사용된 X-ray 이미징 기법을 통해 약 200 µm 이상의 크기를 갖는 내부 구성물질의 구분이 가능하다. 또한 영상 내 평균 CT값은 동일한 재료를 갖는다 하더라도 촬영조건에 따라 달라질 수 있다.

후속연구

본 연구 결과는 X-ray CT이미지를 기반으로 내부구조를 특성화 할 수 있는 계수가 실제 암석의 물리적인 특성과 연결 될 수 있으며, 이를 예측하기 위한 핵심적인 요소가 될 수 있음을 시사하고 있다. 이를 위해 동일한 암석류별 분석 더 나아가 많은 암종별 분석이 수행되어야 할 것이다.
제안된 기법은 본 연구에서 이용한 X-ray CT이미지의 해상도로 평가 가능한 최소 크기이상을 대상으로 분석했기 때문에 픽셀값에는 평균값으로 반영되어 있는 미소균열 및 구조가 반영되지 않았기 때문으로 판단된다. 하지만 강도와 상관성이 존재하는 암석 내부구조의 대표계수를 확보했다는 점으로도 의미가 있으며, 이를 위한 스케일별로 확보된 암석의 이미지에 대해 추가적인 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암석의 일축압축강도는 어떤 인자인가?	암석의 일축압축강도(Uniaxial compressive strength, UCS)는 구조물의 지지력 산정뿐만 아니라, 터널과 같은 지하구조물 거동 평가 및 설계에 있어 암반의 특성을 대표할 수 있는 기본적이면서 가장 중요한 인자이다(Basu et al., 2006, Bruno et al.
	일축압축강도측정에는 어떤 문제점이 있는가?	, 2013). 일축압축강도측정은 일반적으로 표준화된 시험법(ASTM, 1986)에 따라 실험적으로 구할 수 있지만, 양질의 시편을 충분히 확보하기 어려운 경우에는 실험에 제약이 발생한다(Ceryan et al., 2013, Gokceoglu and Zorlu, 2004).
	일축압축강도측정 시 양질의 시편을 충분히 확보하기 어려운 경우에 생기는 문제점을 해결하기 위한 대안으로 무엇이 제안되었는가?	, 2013, Gokceoglu and Zorlu, 2004). 이를 극복하기 위한 대안으로 상대적으로 간편하며 다양한 크기와 형상의 시편에 적용 가능한 점하중강도 시험법(Point load test method) 및 점하중계수(Is50)를 통해 UCS를 예측하는 방법이 제안되었다(Hassani et al., 1980, Kahraman, 2001, Singh et al.

참고문헌 (19)

ASTM, 1986, Standard test method of unconfined compressive strength of intact rock core specimens, D2938.
ASTM, 2000, Standard test method for laboratory determination of pulse velocities and ultrasonic elastic constants of rock, D2845-00.
Azimian, A., Ajalloeian, R., and Fatehi, L., 2014, An empirical correlation of uniaxial compressive strength with P-wave velocity and point load strength index on Marly rocks using statistical method, Geotech Geol Gng. 32, 205-214.

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Basu, A. and Aydin, A., 2006, Predicting uniaxial compressive strength by point load test: significance of cone penetration, Rock Mech. Rock Eng. 39.5, 483-490.

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Blair, S.C., Berge, P.A., and Berryman, J.G., 1996, Using two-point correlation functions to characterize microgeometry and estimate permeabilities of sandstones and porous glass, Journal of Geophysical Research, 101.9, 20359-20375.

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Brattli, B., 1992, The influence of geological factors on the mechanical properties of basic igneous rocks used as road surface aggregates, Engineering Geology, 33, 31-44.

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Bruno G, Vessia G, and Bobbo L, 2013, Statistical method for assessing the uniaxial compressive strength of carbonate rock by Schmidt hammer tests performed on core samples. Rock Mech Rock Eng. 46, 199-206.

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Cnudde, V. and Boone, M.N., 2013, High-resolution X-ray Computed Tomography in geosciences: A review of the current technology and applications, Earth-Science Reviews. 123, 1-17.

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Ceryan, N., Okkan, U., Kesimal, A., 2013, Prediction of unconfinjed compressive strength of carbonate rocks using artificial neural networks, Environmental Earth Sciences, 68, 807-819.

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Gokceoglu, C, Zorlu, K, 2004, A fuzzy model to predict the unconfined compressive strength and modulus of elasticity of a problematic rock, Eng Appl Artif Intell, 17, 61-72.

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Hassani, F.P., Scoble, M.J., Whittaker, B.N., 1980, Application of point load index test to strength determination of rock and proposals for new size-correction chart, In: Summers DA (ed) Proceedings of the 21st US symposium on rock mechanics, University of Missouri Press, Rolla, 543-564.
Jeong, Y.J., Yun, T.S., Kim, K.Y., Choo, J., 2011, Image Calibration Techniques for Removing Cupping and Ring Artifacts in X-ray Micro-CT Images, Journal of the Korean geotechnical society, 27(11), 93-101.
Kahraman, S., 2001, Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock. Int J Rock Mech Min Sci, 38, 981-994.

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Karakul, H and Ulusay, R., 2013, Empirical correlations for predicting strength properties of rocks from P-wave velocity under different degrees of saturation. Rock Mech Rock Eng, 46, 981-999.

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Semnani, S.J., Borja, R.I., 2017, Quantifying the heterogeneity of shale through statistical combination of imaging across scales, Acta Geotechnica, DOI 10.1007/s11440-017-0576-7.

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Schon, J, 2011, Physical Properties of rocks, vol 8. Handbook of petroleum exploration and production. Elsevier, Oxfordm UK.
Singh, T.N., Kainthola, A, Venkatesh, A, 2012, A Correlation between point load index and uniaxial compressive strength for different rock types, Rock Mech Rock Eng, 45, 259-264.

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Torquato, S,, Beasley, J.D., Chlew, Y.C., 1988, Two-point cluster function for continuum percolation, J. Chem. Phys., 88(10), 6540-6547.

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Yun, T.S., Jeong, Y.J., Kim, K.., and Min, K-B, 2013, Evaluation of rock anisotropy using 3D X-ray computed tomography, Engineering Geolgoy, 163, 11-19.

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