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문제 정의
- 그래서 본 연구에서는 이러한 선형절삭시험의 현실적 문제점들을 해결하기 위하여 디스크 커터의 암석 절삭 메커니즘을 살펴보고, 이를 기반으로 하여 디스크 커터의 암석 절삭을 수치해석적 모사하여 실제 시험을 수행하지 아니하더라도 최적 커터 간격을 예측하는 방법을 제시하였다.
- 4와 같이 암석의 이동속도는 30cm/sec, 커터가 회전하는 속도는 2rad/sec을 초기조건으로 하였다. 이는 실제 LCM 시험을 수치해석적으로 모델링할 때 회전운동과 선운동을 제어하기 위하여 본 연구에서 고안한 방법이다. 그리고 선행된 LCM 시험에서 수행된 관입 깊이로써, 수치해석의 결과와 LCM 시험의 결과와 비교하기 위하여 커터의 압입깊이를 4mm로 동일하게 설정하였다.
- 본 연구에서는 최적 S/P 조건을 예측하기 위해, 실제 절삭 과정으로 사료되는 암석의주 절삭 부위의 최대 인장 균열 전파 범위를 예측하였다. 또한, 자유면의 영향을 배제하고, 본 연구에서 의도한 4mm의 절삭 깊이를 고려하기 위하여 암석 표면으로부터 4mm 깊이에서 인장 균열 분포를 이용하였다.
- 본 연구는 선형절삭시험의 수치해석적 모사 방법을 개발하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 앞서 언급했듯이 본 연구에서는 일련의 수치해석의 과정을 통하여 인장 균열의 확산을 확인하고 TBM 설계 인자 중 하나인 최적 커터 간격을 예측하는 방법을 제시하고자 하였다. 이를 규명하기 위해서 절삭 과정에서 발생되는 암석 모델 내･외부의 인장 응력의 분포를 제시하였다.
가설 설정
- 또한 균열 전파는 응력확대계수가 임계값 이하로 떨어지거나 균열이 자유면과 만날 때까지 계속된다. 이 연구에서는 균열의 생성과 전파는 파괴역학적 원리와 절삭 메커니즘에 따라 인장 파괴 모드(Mode I)로 파괴가 진행된다고 가정하였다. 하지만 실제 균열이 전파되면서 자유면과 만나 형성되는 암석의 조각(chip)은 상당한 전단응력을 받게 된다.
- 10의 인장응력의 분포를 이용하여, 인장 균열의 최대 전파 범위를 예측하는 방법을 제시하였다. 본 연구에서 사용된 황등화강암의 인장강도는 9.81 MPa이므로, 9.81 MPa 이상인 부분은 인장 균열이 발생하였다고 가정할 수 있다. 그러므로 그래프 상에서 절삭이 진행되고 중심을 나타내는 원점, 0으로부터 가장 멀리 발생한 인장균열까지의 길이를 측정하여 최대 인장 균열 분포 범위로 산정하였다.
- 하지만 선행된 실제 LCM 시험에서 나타난 최적 S/P 조건은 약 12-18의 범위로 나타났다(장수호, 외 2005). 왜냐하면, 본 연구에서 암석의 파괴는 인장응력에 의한 균열의 확장으로 가정하였는데, 디스크 커터에 의한 실제 암석 절삭 과정은 암석 내부에서 발생되는 인장 균열의 확장뿐만 아니라, 균열이 자유면으로 확장하면서 발생하는 전단 응력 역시 암석 파괴에 관여하기 때문이다. 또한, 수치해석에서 사용된 암석 모델의 절삭면은 편평하고 균질하지만, 실제 TBM의 굴진이나 선형절삭시험이 이루어지는 암반 및 암석에는 수많은 불연속면이 포함되어 있으며, 다양한 거칠기를 지닌 불균질한 암반 표면에 대해서 절삭이 이루어진다.
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