[논문]스위스 Mont Terri rock laboratory에서 수행된 암반 히터시험(HE-D)에 대한 열-수리-역학적 복합거동 수치해석

이창수; 최희주; 김건영

doi:10.7474/tus.2020.30.3.242

초록
AI-Helper

본 연구에서는 FLAC3D가 Opalinus Clay 암반의 열-수리-역학적 복합거동을 재현하고 이를 예측할 수 있는지 그 적용성을 검토하고자 국제공동연구 DECOVALEX-2015에서 참여하였으며, 그 일환으로 스위스 Mont Terri Rock Laboratory에서 수행된 Heater Experiment-D (HE-D)에 대한 모델링을 수행하였다. FLAC3D를 이용한 수치해석의 타당성을 평가하기 위해 현장시험에서 계측된 16 지점의 온도, 6 지점의 공극수압, 그리고 22 지점의 변형률 데이터와 비교하였다. 대상 암반의 열-수리-역학적인 이방성을 고려함으로써 Opalinus Clay 암반의 온도 변화 그리고 온도변화에 따른 공극수압의 변화와 같은 열-수리적 거동은 전반적으로 유사하게 나타났으나, 역학적 거동의 경우 변형률 데이터를 비교했을 때 온도와 공극수압과는 달리 계산된 변형률 일부만이 유사한 거동을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The numerical simulations of Heater Experiment-D (HE-D) at the Mont Terri rock laboratory in Switzerland were performed to investigate an applicability of FLAC3D to reproduce the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour in Opalinus Clay, as part of the DECOVLEX-2015 project Task B. To investi...

The numerical simulations of Heater Experiment-D (HE-D) at the Mont Terri rock laboratory in Switzerland were performed to investigate an applicability of FLAC3D to reproduce the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behaviour in Opalinus Clay, as part of the DECOVLEX-2015 project Task B. To investigate the reliability of numerical simulations of the coupled behaviour using FLAC3D code, the simulation results were compared with the observations from the in-situ experiment, such as temperature at 16 sensors, pore pressure at 6 sensors, and strain at 22 measurement points. An anisotropic heat conduction model, fluid flow model, and transversely isotropic elastic model in FLAC3D successfully represented the coupled thermo-hydraulic behaviour in terms of evolution for temperature and pore pressure, however, performance of the models for mechanical behavior is not satisfactory compared with the measured strain.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Mutual relationships between THM processes in a porous medium (CODE BRIGHT, 2004)
그림 Fig. 2. Geometry of the Mont Terri Rock Laboratory (perspective view), Switzerland (Swisstopo, 2008)
그림 Fig. 3. Geological profile along the motorway tunnel showing the location of the Mont Terri Rock Laboratory (Wileveau andRothfuchs, 2007)
그림 Fig. 4. Layout of the HE-D experiment with heater and measuring boreholes (Wileveau and Rothfuchs, 2007)
그림 Fig. 5. HE-D test procedure in terms of heat power supply and packer pressure (Wileveau and Rothfuchs, 2007)
그림 Fig. 6. Multi-components heating system
그림 Fig. 7. The model mesh composed of 6 quadrangular pyramids for the calculation at the measurement points
표 Table 1. Properties of Opalinus clay (revised after Wileveau, 2005)
표 Table 2. Properties of the multi-component heating system (Wileveau and Rothfuchs, 2007)
그림 Fig. 8. Location of temperature and pore pressure sensors (modified after Garitte et al., 2017)
그림 Fig. 9. Temperature at the midpoint of the membranes of the heater
그림 Fig. 10. Temperature at sensors installed in the perpendicular direction to the bedding plane
그림 Fig. 11. Temperature at sensors installed in the parallel direction to the bedding plane
그림 Fig. 12. Pore pressure and temperature at sensors installed in the parallel direction to the bedding plane
그림 Fig. 13. Pore pressure at sensors installed in the perpendicular direction to the bedding plane
그림 Fig. 14. The calculated and measured strain at the borehole BHE-D4
그림 Fig. 15. The calculated and measured strain at the borehole BHE-D5

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 한국원자력연구원이 DECOVALEX-2015 Task B1을 참여하면서 수행한 1단계 연구내용과 결과를 소개하고자 한다. Task B1의 1단계는 스위스 Mont Terri Rock Laboratory에서 수행된 현장시험 HE-D(Heater Experiment–D)에 대한 수치해석을 수행하고 강한 이방성을 갖는 점토질 암반(Opalinus Clay)에서 일어나는 THM 복합거동 특성을 파악하는 것이다.

가설 설정

, 2014)를 참고하였으며 입력 물성 값은 Table 1과 Table 2에 정리되어 있다. 수치해석에서 히터는 불투수층 매질로 가정하였으며, 역학적 물성은 암반과 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

Task B1의 1단계는 스위스 Mont Terri Rock Laboratory에서 수행된 현장시험 HE-D(Heater Experiment–D)에 대한 수치해석을 수행하고 강한 이방성을 갖는 점토질 암반(Opalinus Clay)에서 일어나는 THM 복합거동 특성을 파악하는 것이다. HE-D 현장시험 모델링을 위해 FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua 3D) ver. 4.0(Itasca, 2009)을 사용하였으며, 수치해석 결과를 현장시험에서 계측된 암반의 온도, 공극수압, 그리고 변형률과 비교함으로써 이방성이 강한 Opalinus Clay의 THM 복합거동에 대한 FLAC3D의 현장 적용 가능성을 검토하였다.

대상 데이터

본 연구에서 암반 모델 크기는 16 m × 16 m × 22 m로 결정하였으며, 암반의 열, 수리, 역학적인 이방성을 고려하여 FLAC3D에서 제공하는 이방적 열전도 모델(anisotropic heat conduction model), 이방적 유동 모델(anisotropic fluid flow model), 그리고 횡등방 탄성 모델(transversely isotropic elastic model)을 이용하였으며, 총 43,561개의 요소를 가지는 해석 모델을 생성하였다. 본 연구에서는 히터를 하나의 발열체로 모사하지 않고 Fig.
본 연구에서는 히터를 가동하기 시작한 2004년 4월 6일을 기준 일(reference day, Day 0)로 결정하였으며, 계측된 온도과 수치해석을 이용하여 계산된 온도를 비교하고자 두 히터에 설치된 각각 세 개의 센서와 다양한 방향으로 분포되어 설치되어 있는 암반 센서들을 선정하였다. 센서들의 자세한 위치는 Wileveau(2005)에 나타나 있으며, 본 연구에서 선정한 센서들은 히터홀의 입구를 바라보는 단면에 표시하였으며, 히터 표면에 설치된 온도 센서뿐만 아니라 암반에 설치된 온도 및 공극수압계의 위치와 이방성이 뚜렷이 나타나는 경사 45도의 층리면(bedding plane)을 함께표기하였다(Fig.

성능/효과

하지만 이러한 사실을 확인하기 위해서는 계측지점 암반에 대한 면밀한 조사가 필요할 것이다. 본 연구에서는 암반의 열-수리-역학적 이방성을 모두 고려하였음에도 불구하고, 암반에서 계측된 변형률은 계산된 변형률과 일부분에서만 유사하게 나타났다. 이러한 사실로 보아 대상 암반을 탄성적으로 예측하는 것은 무리가 있는 것으로 보이며, 추후Opalinus Clay 암반에 대한 수치해석을 수행할 경우 이방성을 고려한 모델과 Cam Clay 모델과 같이 점토질 암반에 적합한 모델을 비교하여 최적의 모델을 먼저 도출하고 심도있는 해석을 수행하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
히팅 시스템과 암반에서 계측된 온도와 계산된 온도는 전체적으로 큰차이를 보이지 않고 유사한 패턴을 보였으며, 온도 변화에 따른 공극수압 역시 수치해석적으로 잘 재현되었다. 전반적으로 온도와 공극수압의 변화가 유사하지만, 수치해석에서 계산된 온도와 공극수압이 큰 차이를 보이는 특정구간은 수치해석 모델과 기법의 문제가 아니라 암반의 불연속면 또는 물성이 크게 차이가 나는 구간으로 예상이 된다. 하지만 이러한 사실을 확인하기 위해서는 계측지점 암반에 대한 면밀한 조사가 필요할 것이다.
암반에서의 열-수리-역학적 복합거동을 예측하는 수치해석 기법으로 FLAC3D가 타당한지 조사하기 위해 스위스 Mont Terri Rock Laboratory에서 수행한 HE-D 현장시험에 대해 수치해석을 실시하고 현장에서 계측된 온도, 공극수압, 그리고 변형률 값과 비교하였다. 히팅 시스템과 암반에서 계측된 온도와 계산된 온도는 전체적으로 큰차이를 보이지 않고 유사한 패턴을 보였으며, 온도 변화에 따른 공극수압 역시 수치해석적으로 잘 재현되었다. 전반적으로 온도와 공극수압의 변화가 유사하지만, 수치해석에서 계산된 온도와 공극수압이 큰 차이를 보이는 특정구간은 수치해석 모델과 기법의 문제가 아니라 암반의 불연속면 또는 물성이 크게 차이가 나는 구간으로 예상이 된다.

후속연구

본 연구에서는 암반의 열-수리-역학적 이방성을 모두 고려하였음에도 불구하고, 암반에서 계측된 변형률은 계산된 변형률과 일부분에서만 유사하게 나타났다. 이러한 사실로 보아 대상 암반을 탄성적으로 예측하는 것은 무리가 있는 것으로 보이며, 추후Opalinus Clay 암반에 대한 수치해석을 수행할 경우 이방성을 고려한 모델과 Cam Clay 모델과 같이 점토질 암반에 적합한 모델을 비교하여 최적의 모델을 먼저 도출하고 심도있는 해석을 수행하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
전반적으로 온도와 공극수압의 변화가 유사하지만, 수치해석에서 계산된 온도와 공극수압이 큰 차이를 보이는 특정구간은 수치해석 모델과 기법의 문제가 아니라 암반의 불연속면 또는 물성이 크게 차이가 나는 구간으로 예상이 된다. 하지만 이러한 사실을 확인하기 위해서는 계측지점 암반에 대한 면밀한 조사가 필요할 것이다. 본 연구에서는 암반의 열-수리-역학적 이방성을 모두 고려하였음에도 불구하고, 암반에서 계측된 변형률은 계산된 변형률과 일부분에서만 유사하게 나타났다.

참고문헌 (16)

Backblom, G., 2008, Excavation damage and disturbance in crystalline rock - Results from experiments and analyses, SKB technical report TR-08-08, Svensk Karnbranslehantering AB, Stockholm, Sweden.
Backblom, G and C.D. Martin, 1999, Recent experiments in hard rocks to study the excavation response: Implications for the performance of a nuclear waste geological repository. Tunn. Undergr. Space Technol. 14(3), 377-394. https://doi.org/10.1016/S0886-7798(99)00053-X

상세보기
Birkholzer, J.T., C.-F. Tsang, A.E. Bond, J.A. Hudson, L. Lanru and O. Stephansson, 2019, 25 years of DECOVALEX - Scientific advances and lessons learned from an international research collaboration in coupled subsurface process, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 122, 103995.

상세보기
Bossart, P and S. Wermeille, 2003, The Stress Field in the Mont Terri Region - Data Compilation. In: Heitzmann, P. & Tripet, J.-P. (ed.): Mont Terri Project - Geology, Paeohydrology and Stress Field of the Mont Terri Region - Reports of Federal Office for Water and Geology (FOWG), Geology Series 4, 65-92.
Bossart, P., P.M. Meier, A. Moeri, T. Trick, and J.C. Mayor, 2002, Geological and hydraulic Characterization of the excavation disturbed zone in the Opalinus Clay of the Mont Terri Rock Laboratory. Engineering Geology, 66, 19-38.

상세보기
Cho, W.-J, J.-S. Kim, C. Lee and H.-J. Choi, 2013, Gas permeability in the excavation damaged zone at KURT. Eng. Geol. 164, 222-229. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2013.07.010

상세보기
CODE BRIGHT, 2004, A 3D program for thermo-hydro-mechanical analysis in geological media manual, Barcelona, UPC.
Garitte, B., A. Gens and J. Vaunat, 2014, Thermal conductivity of argillaceous rocks: Determination methodology using in situ tests, Rock Mechanics and Rock Engineering. 47, 111-129.

상세보기
Garitte, B., T.S. Nguyen, J.D. Barnichon, B.J. Graupner, C. Lee, K. Maekawa, C. Manepally, G. Ofoegbu, B. Dasgupta, R. Fedors, P.Z. Pan, X.T. Feng, J. Rutqvist, F. Chen, J. Birkholzer, Q. Wang, O. Kolditz and H. Shao, 2017, Modelling the Mont Terri HE-D experiment for the Thermal-Hydraulic-Mechanical response of a bedded argillaceous formation to heating, Environ Earth Sci, Vol. 76:345.

상세보기
Itasca, 2009. FLAC3D, Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Version 4.0. Minneapolis, Minnesota, Itasca Consulting Group.
Lee, C., S. Kwon, J.-W. Choi, and S. Jeon, 2011, An Estimation of the excavation Damaged zone at the KAERI Underground Research Tunnel, Tunnel & Underground Space, 21(5), 359-369. http://doi.org/10.7474/TUS.2011.21.5.359
Millard A., A. Bond, S. Nakama, C. Zhang, J.-D. Barnichon and B. Garitte, 2013, Accounting for anisotropic effects in the prediction of the hydro-mechanical response of a ventilated tunnel in an argillaceous rock, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 5, 97-109.

상세보기
NEA, 2002, Characterization and representation of the excavation disturbed or damaged zone (EDZ): Lessons learnt from a SEDE topical session. NEA/RWM(2002).
Swisstopo, 2008, International Research Project in the Mont Terri Rock Laboratory for the Hydrogeological, Geochemical and Geotechnical Characterisation of an Argillaceous Formation (Opalinus Clay), Programme Overview and Work Programme of Phase 14 (July 2008 - June 2009).
Wileveau, Y. 2005, THM behaviour of host rock (HE-D experiment): Progress report, Mont Terri Project, Technical report 2005-03, August 2005.
Wileveau, Y and T. Rothfuchs, 2007, THM behaviour of host rock: (HE-D experiment): Study of thermal effects on Opalinus Clay, Mont Terri Project, Technical report 2006-01, August 2007.

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

스위스 Mont Terri rock laboratory에서 수행된 암반 히터시험(HE-D)에 대한 열-수리-역학적 복합거동 수치해석
Numerical modelling of coupled thermo-hydro-mechanical behavior of Heater Experiment-D (HE-D) at Mont Terri rock laboratory in Switzerland 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

스위스 Mont Terri rock laboratory에서 수행된 암반 히터시험(HE-D)에 대한 열-수리-역학적 복합거동 수치해석 Numerical modelling of coupled thermo-hydro-mechanical behavior of Heater Experiment-D (HE-D) at Mont Terri rock laboratory in Switzerland 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (17) 모든 표/그림 보기

표/그림 (17) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이창수 (87) 최희주 (64) 김건영 (55)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

스위스 Mont Terri rock laboratory에서 수행된 암반 히터시험(HE-D)에 대한 열-수리-역학적 복합거동 수치해석
Numerical modelling of coupled thermo-hydro-mechanical behavior of Heater Experiment-D (HE-D) at Mont Terri rock laboratory in Switzerland 원문보기

초록
AI-Helper

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper