[논문]사면해석을 위한 최적의 절리군 대표방향성 도출 및 활용기법 연구

조태진

doi:10.7474/tus.2018.28.4.343

[국내논문] 사면해석을 위한 최적의 절리군 대표방향성 도출 및 활용기법 연구
A Study for the Optimum Joint Set Orientations and Its Application to Slope Analysis 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.28 no.4, 2018년, pp.343 - 357

초록
AI-Helper

절리군 대표방향성에만 의존하는 기존의 평사투영 사면해석의 불확실성을 극복하고 해석결과의 신뢰성을 증진시키기 위하여 확률통계학적으로 도출된 절리극점들의 dense point 및 절리군 대표방향성과 암반구조 분석결과를 종합적으로 고려하여 사면거동양상을 분석하는 알고리즘을 고안하였다. 이를 위하여 절리극점들의 분포양상에 의거하여 절리확산지수를 산정하는 기법을 고안하였으며, 콘각에 따라 상이하게 도출되는 절리확산지수 및 절리군 수효와 방향성을 종합적으로 고려하여 사면해석에 사용될 대표방향성을 추출하였다. 이들 대표방향성을 평사투영분석에 활용하여 신뢰성이 증진된 사면해석을 수행할 수 있었다. 또한 평면파괴가 우려되는 사면에 대해 한계평형이론에 의거하여 민감도 해석을 수행하고, 사면 안정성에 대한 절리강도 및 외부하중 변화의 영향을 심도 있게 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Algorithm which can analyze the slope failure behavior utilizing the comprehensive information of the dense point of joint poles and the joint set orientations, both of which are obtained statistically, and the defect pattern of pole distribution has been developed. This method overcomes the potential incorrectness of the hemispheric projection method utilizing the joint set orientations only and also enhances the reliability of slope failure analysis. To this end a method capable of calculating the joint dispersion index directly from the joint pole distribution, instead of contour map, has been devised. The representative orientations for the slope failure analysis has been determined by considering the number and orientations of cone angle-dependent joint sets as well as the joint dispersion index. By engaging these representative orientations to the hemispheric projection analysis more reliable slope failure examination has been carried out. Sensitivity analysis for the potentially unstable slope of plane failure mode has been performed. Significance of joint strength index and the external seismic loading on the slope stability has been fully analyzed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

콘각을 변화시켜 암반구조특성에 가장 부합되게 추출된 절리군 대표방향성을 이용하여 사면해석을 수행하였으며, 복수의 잠재적 활동면 방향성에 따른 개착사면의 다양한 거동양상을 예측하였다. 이에 근거하여 안정성 확보를 위한 사면대책 수립에 기본적으로 요구되는 거동특성을 파괴블록의 기하학적 형태와 활동면의 역학적 특성에 의거하여 분석하고, 사면의 안정성 확보를 위한 최적의 보강계획 수립을 위한 기본 자료를 도출하였다.
2(c)~(e) 참조) 집중도가 높은 격자들의 분포가 확연하게 도출된다. 이와 같은 결과는 defect pattern 분석에서 요구되는 집중도를 조정하여 절리방향이 집중된 격자와 대표방향성을 해석목적에 부합되게 효율적으로 도출할 수 있는 잠재적 가능성을 제시하고 있다.
이 경우 전체 절리들의 개별적 방향을 평사투영법에 근거한 사면해석에 활용할수도 있지만 대표 절리군 방향성 인근의 절리들은 거의 유사한 해석결과를 도출할 수밖에 없고, 랜덤절리들의 방향을 이용하여 해석을 수행할 경우에는 도출된 해석결과의 신뢰도가 매우 저하되게 된다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위하여 본 연구에서는 개착암반의 구조특성과 클러스터링 알고리즘의 핵심 요소인 dense point 분포를 고려하여 평사투영해석에 활용될 신뢰성 높은 대표적 방향성 자료를 산출하고, 이에 근거하여 사면의 거동 양상 및 안정성을 분석하는 기법을 고찰하였다.

가설 설정

사면해석의 편의상 2개 절리군의 경사방향은 300°인 것으로 가정하였으며, 사면높이는 10m,사면의 개착경사는 70°, 절리면의 점착력은 50kPa, 내부마찰각은 30°, 암석밀도는 2700kg/m3로 설정하였다.
예제적 암반사면의 개착방향은 경사방향/경사 = 300/70으로 가정하였고, 절리면의 내부 마찰각은 30°로 설정하였다.
암반사면은 개착과정에서의 발파 및 개착 이후의 환경변화에 의한 풍화진행 등에 의한 영향으로 전단면의 전단강도가 저하될 수 있다. 전단강도지수인 점착력 및 내부마찰각이 감소될 경우를 가정하여 안전율 저하 양상을 분석하였다. 건조사면의 경우 기존에 설정된 절리면 전단강도에 의거해 안전율 = 1.

제안 방법

평사투영기법을 활용한 사면해석 결과 2개의 절리군 대표방향(경사방향/경사 = 308/67 및 300/48)으로 평면파괴가 발생될 가능성이 존재하는 것으로 분석되었다. 개착사면의 잠재적 활동면인 절리군의 대표방향성, 특히 경사에 따른 개착사면의 거동양상을 한계평형이론에 기반하여 분석하였다. 사면해석의 편의상 2개 절리군의 경사방향은 300°인 것으로 가정하였으며, 사면높이는 10m,사면의 개착경사는 70°, 절리면의 점착력은 50kPa, 내부마찰각은 30°, 암석밀도는 2700kg/m³로 설정하였다.
일차적으로 절리방향 극점들을 평사투영도상에 제도하고, 각 격자 내에 위치하는 극점의 수효를 산정하였다. 격자 안의 극점개수가 전체 극점 개수의 1%를 상회하면 A_1% 격자로 지정하고, 격자 수효를 누적하여 A_1% 지수를 산정하였다.
국내 현장암반에서 조사된 자료(Fig. 1 참조)를 이용하여 절리방향의 집중도를 분석하고 도출된 절리 집중도(defect pattern)를 Fig. 2에 도시하였다. Fig.
본 연구에서는 컨터링 기법에 따른 컨터 형상의 가변성을 제거하고 1% 컨터 영역을 정형화된 제도 영역에서 추출하기 위하여 절리 방향성 요소인 경사방향과 경사를 18° 간격으로 분할하여 경사방향 20개 구간과 경사 5개 구간으로 구성된 100개의 격자를 평사투영도 영역에 형성하였다.
본 연구에서는 컨터링 기법에 따른 컨터 형상의 가변성을 제거하고 1% 컨터 영역을 정형화된 제도 영역에서 추출하기 위하여 절리 방향성 요소인 경사방향과 경사를 18° 간격으로 분할하여 경사방향 20개 구간과 경사 5개 구간으로 구성된 100개의 격자를 평사투영도 영역에 형성하였다. 일차적으로 절리방향 극점들을 평사투영도상에 제도하고, 각 격자 내에 위치하는 극점의 수효를 산정하였다. 격자 안의 극점개수가 전체 극점 개수의 1%를 상회하면 A_1% 격자로 지정하고, 격자 수효를 누적하여 A_1% 지수를 산정하였다.
절리가 발달된 암반의 구조적 특성과 콘각에 따른 dense point 및 절리군 형성을 고려하여 평사투영기법에 활용될 대표 절리방향성을 추출하고 사면의 파괴양상을 고찰하였다. 예제적 암반사면의 개착방향은 경사방향/경사 = 300/70으로 가정하였고, 절리면의 내부 마찰각은 30°로 설정하였다.
콘각을 5°로 설정한 경우에는 최대 극점 밀집지역과 저밀집 지역에서 총 3개의 절리군이 형성되어서(Fig. 4 참조) 평사투영기법을 활용하여 사면의 잠재적 파괴양상을 일차적으로 고찰하였다.
현장암반의 구조특성인 defect pattern과 콘각 설정에 따른 dense point 분포 및 형성된 절리군 대표방향성을 고찰하여 사면해석에 사용될 최적의 대표방향성을 도출할 수 있는 방법론을 구축하였다. 콘각을 변화시켜 암반구조특성에 가장 부합되게 추출된 절리군 대표방향성을 이용하여 사면해석을 수행하였으며, 복수의 잠재적 활동면 방향성에 따른 개착사면의 다양한 거동양상을 예측하였다. 이에 근거하여 안정성 확보를 위한 사면대책 수립에 기본적으로 요구되는 거동특성을 파괴블록의 기하학적 형태와 활동면의 역학적 특성에 의거하여 분석하고, 사면의 안정성 확보를 위한 최적의 보강계획 수립을 위한 기본 자료를 도출하였다.
현장암반의 구조특성인 defect pattern과 콘각 설정에 따른 dense point 분포 및 형성된 절리군 대표방향성을 고찰하여 사면해석에 사용될 최적의 대표방향성을 도출할 수 있는 방법론을 구축하였다. 콘각을 변화시켜 암반구조특성에 가장 부합되게 추출된 절리군 대표방향성을 이용하여 사면해석을 수행하였으며, 복수의 잠재적 활동면 방향성에 따른 개착사면의 다양한 거동양상을 예측하였다.

이론/모형

개착사면 활동면의 방향성이 경사방향/경사 = 300/48인 경우에 예상되는 가장 취약한 사면의 기하학적 형태(SM#1)을 Wyllie and Mah(2004)에 기술된 방법으로 도출하였다. 사면 상부면이 수평일 경우 개착면 후방 2.

성능/효과

2(a)에 도시된 바와 같이 평사투영도 상의 17개 격자에서 1% 이상의 집중도(A_1%= 17%)를 나타낸다.2% 이상의 절리 극점들이 집중된 격자는 Fig 2(b)에 도시된 바와 같이 1% 경우의 절반 정도인 8개이며(A_2% = 8%), 집중도를 3%, 4% 및 5%로 증가시키면 상대적으로 상승된 집중성을 갖는 격자들의 수효가 순차적으로 감소되어(Fig. 2(c)~(e) 참조) 집중도가 높은 격자들의 분포가 확연하게 도출된다.
12 참조), 건조사면의 경우와 동일하게 점착력 감소에 따른 안전율 변화범위는 넓고 내부마찰각 감소에 따른 안전율 변화범위는 매우 좁은 것으로 분석된다. 결과적으로 SM#1 형태의 사면에서는 잠재적 붕락면의 내부마찰각보다 점착력의 변화가 안전율에 더 큰 영향을 끼치는 것을 지시한다.
52m 이상일 경우 활동면의 법선방향으로 작용하는 유효응력이 인장력으로 전환되며, 이는 파괴블록의 들림 현상에 의해 점착력이 활동면의 미끄러짐에 대한 저항력을 발휘하지 못할 수 있다는 것을 지시한다. 결과적으로 사면 SM#2 경우에는 활동면에 압축력 상태의 유효법선응력이 작용할 경우에만 안정성이 유지되며, 보강재설치를 통해서 외력에 의한 블록의 들림 현상을 방지하여 전단저항력을 소멸시키지 않는 것이 가장 중요한 것으로 판단된다.
이러한 관점들을 종합적으로 고려할 때 사면해석을 위한 절리 방향성은 A1% 격자들 중에서 가장 많은 절리군이 형성되며 대표방향성 극점도 일정 수준 이상 이격되어 있는 콘각 4° 또는 5° 경우에 산출된 대표방향성으로 결정하는 것이 가장 효율적이라 사료된다.
6에 도시하였다. 절리군 대표방향성의 교차선들은 경사 15도 이하의 매우 낮은 선경사를 나타내며 파괴영역 내에 위치하지도않아서 쐐기파괴는 발생되지는 않을 것으로 분석되었다. 그러나 절리방향의 군집성을 지시하는 dense point들의 교차선은 Fig.
콘각을 1°로 설정하여 dense point 형성을 분석한 결과 29개의 dense point가 절리극점들이 밀집된 지역에 국한되어 추출되었으며(Fig. 4 참조), 방향성의 집중도가 높은 9개의 소규모 영역에서 절리군이 형성되었다(Fig. 4 참조).
평사투영기법을 활용한 사면해석 결과 2개의 절리군 대표방향(경사방향/경사 = 308/67 및 300/48)으로 평면파괴가 발생될 가능성이 존재하는 것으로 분석되었다. 개착사면의 잠재적 활동면인 절리군의 대표방향성, 특히 경사에 따른 개착사면의 거동양상을 한계평형이론에 기반하여 분석하였다.
암반에 발달된 절리방향의 집중도를 분석하기 위하여 McMahon(1968)은 절리확산지수(Joint Dispersion Index, JDI) 산정법을 고안하였다. 현장에서 조사된 절리방향 영역을 임의적으로 추출된 동일한 개체수의 절리방향 분포영역에 대비시켜 JDI를 산정하고 절리방향 분포의 규칙성 기준을 설정하였으나, 절리 빈도가 증가할수록 확률론적으로 설정되는 절리방향의 분포영역이 감소되는 경향이 발생하였다. 절리 방향성의 집중도 산정에 대한 문제점을 극복하고 개착사면의 안정성 분석에 활용할 절리 전단강도를 개착 방향에 연계시켜 도출하기 위하여 Read et al.

후속연구

개착사면의 경사 70°를 고려할 때 쐐기 기저선의 경사가 매우 높아 개착표면에서만 붕락 가능한 쐐기들이 형성될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 쐐기파괴영역 내에 위치하는 dense point 교선들의 선경사도 매우 높아 형성될 수 있는 쐐기들의 규모도 한정될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사면거동양상에 대한 절리면 방향을 측정하기 위한 방법은?	사면거동양상에 대한 결정요소인 절리면 방향을 측정하기 위한 다양한 기법들이 개발되었다. 초기에는 개착대상 암반 표면에 분포된 개별절리들의 방향을 클리노미터를 사용하여 측정하였고, 사진영상 및 레이저영상 기술이 발달함에 따라 원거리에서 절리방향을 측정할 수 있게 되었다. 사면개착 이전에 암반 내부에 발달된 절리면 방향을 산정하기 위하여 시추공에서의 BIPS 영상해석기법(Raax, 1997)이 개발되었으며, 시추코어를 이용하여 절리면 방향을 분석할 수 있는 DOM 시추기법(Yoon et al., 2003)이 개발되어 절리면의 위치좌표도 설정될 수 있게 되었다. 이에 따라 개착 설계면에서의 절리 분포를 예측하여 사면의 파괴양상을 결정론적으로 분석하는 기법(Cho et al, 2004)이 개발되었다.
	전단강도지수는?	암반사면은 개착과정에서의 발파 및 개착 이후의 환경변화에 의한 풍화진행 등에 의한 영향으로 전단면의 전단강도가 저하될 수 있다. 전단강도지수인 점착력 및 내부마찰각이 감소될 경우를 가정하여 안전율 저하 양상을 분석하였다. 건조사면의 경우 기존에 설정된 절리면 전단강도에 의거해 안전율 = 1.
	개착사면의 잠재적 파괴양상 및 안정성을 분석위해 어떤 특성이 도출되어야 하는가?	개착사면의 잠재적 파괴양상 및 안정성을 정밀하게 분석하기 위해서 암반의 지질학적 특성, 불연속면들의 분포양상 및 역학적특성 등이 명확하게 도출되어야 한다. 암반의 역학적 강도저하를 야기 시키는 조암광물의 풍화에 대한 안정도 분석을 위해 암석의 화학조성변화 연구(Barth, 1948) 및 역학적 특성변화 연구(Judd and Haber, 1961) 등이 이루어져 왔다.

참고문헌 (15)

Barth T.W. 1948. Oxygen in rocks: A basis for petrographic calculation. J. Geol., 56, 51-60.
Barton N., Bandis S.C. and Bakhtar K. 1985. Strength, deformation and conductivity of rock joints. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts. Vol. 22, No. 3, pp. 121-140.
Cho T.F., Won K., You B. and Lee S. 2004. Application of a discontinuity orientation measurement drilling system to the characterization of an in situ rock mass and the prediction of cut-slope stability. Int J Rock Mech Min Sci (SINOROCK 2004 Symposium) Vol. 41, No. 3, pp. 503-504.
Judd W. and Harber C. 1961, Correlation of rock properties by statical method. Int. Sym. Mining Res.
Ladanyi B. and Archambault G. 1970. Simulation of shear behavior of a jointed rock mass. Proc. 11th Symp. Rock Mech., AIME, New York, 105-125.
McMahon B.K. 1968. Indices related to the mechanical properties of jointed rock. Proc. 9th Symp. Rock Mechanics-Status of Practical Rock Mechanics, Colorado, pp. 117-133.
Mahtab M.A. and Yegulalp T.M. 1982. A rejection criterion for definition of clusters in orientation data. In Issues in Rock Mechanics, Proceedings of the 22nd Symposium on Rock Mechanics, Berkeley. R. E. Goodman and F. E. Heuze (eds), American Institute of Mining Metallurgy and Petroleum Engineers. New York. pp. 116-123.
Oda M. 1982. Fabric tensor for discontinuous geological materials. Soils and Foundations, Japanese Society of Soil and Foundation Engineering. Vol. 22, No. 4, pp. 96-108.
Priest, S. D. 1985. Hemispherical Projection Methods in Rock Mechanics. George Allen and Unwin, London.
Raax. 1997. Borehole Image Processing System Information. Sapporo, Japan.
Read S., Richards L. and Cook G. 2003. Rock mass defect patterns and the Hoek-Brown failure criterion. Proc. 10th Cong. ISRM, South Africa. pp. 947-954.
Shanley R.J. and Mahtab M.A. 1976. Delineation and analysis of clusters in orientation dat. Journal of Mathematical Geology Vol. 8, No. 3, pp. 9-23.

상세보기
Woodcook N.H. 1977. Specification of fabric shapes using an eigenvalue method. Bulletin of the Geological Society of America. Vol. 88, pp. 1231-1236.

상세보기
Wyllie D.C. and Mah C.W. 2004. Rock Slope Engineering. Civil and mining 4th edition. Spon Press.
Yoon K.S., Cho T.F., You B.O. and Won K.S. 2003. A new approach for borehole joint investigation-Development of Discontinuity Orientation Measurement drilling system. Proc. 10th Congress of the ISRM. pp. 1355-1358.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증