초록 ▼

본 연구는 지하암반내 에너지 비축기지 등의 지하구조물에 대하여 자반공학에 바탕을 둔 안정성 평가를 실시하여 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 이를 위해 암반의 역학적 특성과 불연속면의 영향을 고려한 연속체 절리암반모델을 설정하고 암반의 점소성거동을 분석할 수 있는 수치해석모델을 개발하였다. 이를 3차원으로 확장하여 복수공동의 접합부나 굴착진행에 따른 구조물의 안정성을 분석하였다. 그리고 주위암반의 상세한 부지조사를 위한 파쇄대의 탐사법개발을 위해 모델링 및 축소모형실험을 실시하였다. 또한 암반내의 공극수가 암

본 연구는 지하암반내 에너지 비축기지 등의 지하구조물에 대하여 자반공학에 바탕을 둔 안정성 평가를 실시하여 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 이를 위해 암반의 역학적 특성과 불연속면의 영향을 고려한 연속체 절리암반모델을 설정하고 암반의 점소성거동을 분석할 수 있는 수치해석모델을 개발하였다. 이를 3차원으로 확장하여 복수공동의 접합부나 굴착진행에 따른 구조물의 안정성을 분석하였다. 그리고 주위암반의 상세한 부지조사를 위한 파쇄대의 탐사법개발을 위해 모델링 및 축소모형실험을 실시하였다. 또한 암반내의 공극수가 암반에 미치는 영향을 평가하고 수장막을 고려한 지하수의 유동해석을 실시하였다. 그리고 대상암반의 열팽창 및 수리지구화학적 특성을 조사하고 물-암석 반응을 분석하기 위해 지하수의 유동특성을 고찰하였다.
제 1세부과제에서는 절리등이 발달한 암석의 역학적 특성을 실체적으로 분석할 수 있는 수치모델을 개발하고 모델이동에 필수적인 불연속 암반의 역학적 특성을 실험실시험 및 현장조사를 통하여 분석 적용함으로써 모델의 신뢰도를 높이며 경제적이고 유효한 현장조사를 통하여 분석 적용함으로써 모델의 신뢰도를 높이며 경제적이고 유효한 안정성 평가기법을 발전시키고자 하였다. 암반의 역학적 특성을 규명하기 위한 각종 시험이 수행되었고 이 결과를 암반의 수치모델화에 이용하였다. 또한 절리암반의 거동을 분석할 수 있는 연속체 절리암반 모델과 보강재의 설치 효과를 분석하기위한 록볼트 모델을 개발하였으며 절리 암반의 점소성 거동을 연속체적 개념으로 분석할 수 있는 수치해석 모델을 개발하고 이에 록볼트의 점소성 거동을 분석할 수 있는 능력을 추가시켜 록볼트 지보효과가 고려된 절리암반의 점소성 거공에 대한 수치해석 모델을 완성하였다. 또한 현장 암반절리의 해석모델을 개발하고 지하공동 상하부에 굴절부가 접합된 원유비축기지 터널의 거동을 분석하였으며 아울러 단일 절리군에 갖는 암반의 탄소성해석이 가능한 모델을 개발하였다. 이 연구 결과들은 모델링에 대한 학문적 발전을 도모함을 물론 에너지 비축기지 암반구조물의 경제적이고 효과적인 안정성 평가 방법으로 활용될 수 있을 것이다.
제 2세부과제의 연구에서는 전자탐사법과 탄성파 탐사법에 대한 다양한 이론 모델링 및 축소 모형실험 연구를 수행하였으며 지오토모그래피에 있어서 매우 신속한 도달시간 계산 알고리듬을 작성하고 선형 파선토모그래피가 갖는 해상도의 한계를 극복하고자 파선의 굴곡을 고려하는 비선형 토모그래피에 대한 연구를 수행하였다. 그리고 반사법 지오레이다 탐사자료에 탄성파탐사에서 쓰이는 자료처리 기법을 도입하여 자료의 해상도를 높이는 방법을 시도하였다.
제3세부과제 '암반 침투류에 관한 기초적 연구'에서는 지하 암반내 에너지 저장 시설을 건설함에 있어, 저장 물질의 누출함을 억제하고 위한 효과적인 지하수압을 공동굴착중이나 공동 운영기간중에 유지시켜주는데, 암반내에 지하수압으로 인하 영향과 투수성 또 지하수 유동 형태등에 관한 기초적인 연구를 수행하였다. 1차년도에서는 지반내의 응력장과 관련된 공극수압이 영향에 의한 유효응력법칙과 공극수압이 암석의 변형파괴 거동에 미치는 영향을 규명하고, 2차년도에서는 투수성이 낮은 암석에서 봉압과 공극수압 등의 여러가지 하중 조건과 절리의 거칠기가 암석의 투수성에 미치는 영향을 규명하여 지하 에너지 저장 기지 주위의 공동 굴착으로 인한 주변 모암의 응력 조건의 변화에 따른 투수성의 변화를 예측할 수 있도록 하였고, 3차 년도에서는 지하수 유동 수치 모델을 이용하여 지하공동 굴착에 따른 공동 주위의 지하수계의 변화와 수압 포텐셜의 변화 그리고 지반 개량 목적을 위해서 공동 주위에 시공되는 그라우팅으로 인한 공동내로의 지하수 누출 억제효과를 규명하였다.
제 4부과제에서는 우리나라에 광범위하게 분포하는 쥬라기와 백악기 화강암의 입도에 따른 열팽창특성을 비교하고 절리 특성을 연구하였다. 또 가열온도에 따른 암석의 종파속도의 변화, 그리고 압축강도 및 탄성계수와의?, 600℃로 가열하여 각각의 열팽창트그성을 주사전자현미경하에서 비교 관찰하였다. 그 결과로 입자가 클수록 새로운 미세균열이 더 잘 생겼으며, 미세균열의 확장 및 새로운 미세균열의 생성 등 두가지 열팽창 특성을 관찰할 수 있었다.
결정질 모암 중에 지하 에너지 비축기지 및 방사성 폐기물 부지를 선정하는데 필요한 수리지구화학과 물-암석 반응의 기초자료를 충북 음석 무극광산의 모암인 흑운모 화강암을 예로하여 제시하였다. 무극 금광산 일대이 지하수는 5.51에서 6.62 범위의 pH 를 보이며 HCO??+SO???--->SO???+ HCO??--->SO???+Cl? 으로의 화학적 진화를 보인다. 갱내수는 Ca??-SO??? 계로 분류되고 지표수는 하천의 흐름에 따라 TDS의 증가를 보이며 전반적으로 높은 pH를 가진다. 물-암석 반응의 결과에 의하면 변질대의 광물조성을 갖는 암석과 접촉하는 갱내수는 kaolinite를 생산하는 반응이 지하수만큼 활발하지 않으며 그 원인은 물이 풍부함에도 불구하고 산이 충분히 공급되지 못하기 때문이다. 반면 열수변질의 결과 용탈된 이온들이 갱내수에 풍부한 것을 볼 수 있다.
물-암석 반응에 대한 열역학적인 해석의 하나로 gibbsite와 kaolinite의 포화지수로써 지하수의 갱내수에서의 물-암석 반응에 대한 평가를 뒷받침하였다. 또한 포화지수의 관점에서 이 지역은 chalcedony에 의해 용해도 평형이 지배되며, 물-암석 반응의 결과 생성되는 2차 탄산염으로서 방해석보다는 dolomite가 더 가능성이 있음을 보였다.

Abstract ▼

In this study, stability analysis based on the geotechnical engineering was carried out about underground structure of energe in rock mass. The results are used for the input data, which is suggested for the design of rock caverns. For the study, ubiquitous joint model considering the mechanical

In this study, stability analysis based on the geotechnical engineering was carried out about underground structure of energe in rock mass. The results are used for the input data, which is suggested for the design of rock caverns. For the study, ubiquitous joint model considering the mechanical properties of rock and discontinuities was established. And the numerical analysis model was developed to investigate the viscoplastic behavior of rock. In addition, the model was extended to the three dimensional case and applied to the junction of crossing two openings and advancing face.
Modeling and scale model test were carried out to develop the prospecting method for the fracture zone and the detailed site investigaiton. Furthermore, the effect of pore pressure on the rock mass was estimated and the flow analysis of groundwater considering water curtain was carried out.
The thermal expansion and hydrogeochemical properties of rock were investigated. The flow characteristics of groundwater were studied to analyze the water-rock interaction.
In the 1st detailed study, numerical model was developed to analyze the mechanical characteristics of rock with joints definitely. To enhance the reliance of the model and develope economical and effective techniques of stability analysis, the mechanical characteristics of discontinuous rock mass essential to modeling were analyzed with labaratory an din-situ tests. Various tests are carried out to examine the mechanical characteristics and the test results are applied to numerical modeling.
Ubiquitous joint model to analyze the behavior of jointed rock mass was developed and rock bolt model to analyze the effect of reinforcement was developed. Numerical analysis model was developed to analyze the viscoplastic behavior of jointed rock with the concept of continuum . As the abilit to analyze the viscoplastic behavior of the rockbolt was added. Thus, numerical model was completed considering the support effect of the rockbolt. In addition, three dimensional viscoplastic model was developed with considering the spatial attribute of the rock joint and the excavation direction of cavern together.
The behavior of oil storage cavern crossing two openings was analyzed and the numerical model was developed for the elastoplastic analysis of the rock mass with single joint set. The result of this study will develop the techniques of numerical modeling and will be applied to the economical and effective stability analysis of the rock cavern.
In the study of geophysical prospecting methods for the detection of fracture zones, various physical and numerical modeling for EM and seismic prospecting method were performed. Besides, in geotomography, the fast algorithms which calculate first arrival time were developed and non-linear tomography, considering curved ray, which overpass resolution limits of linear tomography was accomplished. Finally, to enhance data resolution of georadar, various seismic data processing techniques were applied.
In the study on a basic study on the seepage flow in rock mass, we have studied the influences of groundwater pressure on rock mass, permeability property and the modes of grounwater flow. The purpose of this study is to determine the groundwater pressure level which can prevent the leakage of materials stored in underground storage caverns, which are constructed in the rock mass. During the first year, we studied a effective stress law relative to geostatic stress and pore pressure and its influence on the deforamtion failure behavior of rocks. During the second year, we studied the influence of various load conditions (the variation of confining pressure and pore pressure) and joint roughness on permeability of low permeable rocks.
During the third year, we studied the variation of the groundwater system, hydraulic potential and grouting effect around the caverns according to underground excavation.
Granite samples of different granulity, Jurassic and Cretaceous granite, were chosen in order to investigate the effects of grain size on the properties of thermal expension and joint. The granites were thermally treated to 200℃, 300℃, 400℃ and 600℃. SEM observations, measurements of longitudinal wave velocity, uniaxial compressive strength, and elastic modulus were conducted. According to SEM studies, as the grain size increases, the formation of thermal microcracks were easier, and the granites had two charactristics of thermal expansion: (1) the widening of microcracks and (2) the formation of thermal microcracks. The ratios of the longitudinal wave velocity before and after thermal treatment indicated that the larger the grain size, the higher the decrease of the ratios.
Hydrogeochemical and water-rock interaction data of biotite granite wallrock at the Mugeuk gold mine area, Korea , have been suggested for the purpose of characterizing an underground energy storage site and radioactive waste disposal site in crystalline rocks. Groundwater pH is in the range of 5.91-6.62. Chemical evolution of the groundwater is as follows: HCO??+SO???--->SO???+ HCO??--->SO???+Cl?. Mine water belongs to Ca??-SO??? type and TDS contents in surface water increase along its path and pH values of surface water are relatively in surface water increase along its path and pH values of surface water are relatively high. According to groundwater-rock interacion, the interaction of mine water and minerals in altered granite is not so much active as that of groundwater and fresh granite owing to insufficient acid supply although the water is sufficient.
However, the leached ions are enriched in mine water as the result of hydrothermal alteration of the granite. Both of groundwater-rock interaction and mine water-rock interaction of the granite. Both of groundwater-rock interaction and mine water-rock interaction were evaluated by using saturation indices of gibbsite and kaolinite. In addition, water-rock interaction at this studied area could be controlled by chalcedony solubility equilibrium. Dolomite might be a more possible secondary carbonate than calcite produced from the water-rock interaction.

목차 Contents

• 총 괄 목 차...12
• 1.서 론...14
• 2.연구방법...19
• 3.결 과...23
• 4.고 찰...31
• 5.결 론...38
• 6.참고문헌...45
• 목차...60
• 제1장 서론...62
• 제2장 연구방법...67
• 제1절 암석의 역학적 특성 시험 및 현장 계측...67
• 1.인공 및 자연 절리면에 대한 직접전단시험...67
• 2.암석의 비선형 특성 파악을 위한 삼축압축시험...72
• 3.creep시험...72
• 4.암반 구조물의 시간에 따른 변형 측정...74
• 제2절 에너지 비축기지 암반 구조물 안정성 평가를 위한 수치해석...74
• 1.연속체 걸리암반 모델...74
• 2.록볼트 모델...76
• 3.점소성 모델...78
• 가.점소성 모델 - 2차원...78
• 나.점소성 모델 - 3차원...83
• 4.절리암반의 2차원 탄소성 해석...86
• 제3장 연구 결과 및 고찰...92
• 제1절 암석의 역학적 특성 시험 및 현장 계측...92
• 1.인공 및 자연 절리면에 대한 직접전단시험...92
• 2.암석의 비선형 특성 파악을 위한 삼축압축시험...97
• 3.creep 시험...102
• 4.암반 구조물의 시간에 따른 변형 측정...105
• 제2절 에너지 비축기지 암반 구조물 안정성 평가를 위한 수치해석...105
• 1.연속체 절리암반 모델...105
• 2.록볼트모델...116
• 3.점소성 모델...122
• 가.2차원 모델 분석 및 고찰...122
• 가.3차원 모델 분석 및 고찰...149
• 4.절리암반의 탄소성 모델 분석 및 고찰...178
• 제4장 결 론...202
• 제5장 참고문헌...206
• 제1장 서론...214
• 제2장 이론...216
• 제1절 전자탐사 수치모델링...216
• 1.적분방정식...216
• 2.시간영역(TEM) 반응으로의 변환...219
• 제2절 시간영역 전자탐사 모형실험...220
• 제3절 탄성파 수치모델링...222
• 1.유한차분식...222
• 2.해외 안정성과 정확도...225
• 제4절 탄성과 모형실험 시스템...227
• 제5절 탄성과 토모그래피...228
• 1.파선 토모그래피(ray tomography)...230
• 2.Fermat 원리를 이용한 파선추적...232
• 3.반복적 역투영법(Iterative Back Projection method)...236
• 가.반복적 선형 역투영법...237
• 나.반복적 비선형 역투영법...239
• 제6절 지오레이다(georadar) 탐사의 자료처리...239
• 제3장 결과 및 고찰...242
• 제1절 전자탐사 수치모델링...242
• 1.타당성 검증...242
• 2.주파수영역에서의 반응...245
• 3.시간영역에서의 반응...255
• 제2절 시간영역 전자탐사 모형실험...263
• 제3절 탄성파 수치모델링...267
• 1.타당성 검증...267
• 2.경사지층에의 적용...267
• 3.파쇄대 모델 (Fracture model)...274
• 제4절 탄성파 축소모형 시스템...278
• 제5절 지오토모그래피...281
• 1.이론적인 자료에 대한 검증...283
• 2.잡음수준의 변화에 대한고찰...283
• 3.수정된 파선경로(modified ray path) - 발췌오차를 고려한 역투영...286
• 4.축소모형실험 자료에 대한 적용...291
• 5.복잡한 구조에 대한 적용성...295
• 제6절 지오레이다 탐사...297
• 1.감쇠보상 및 대역필터의 적용...297
• 2.예측 디컨벌루션의 적용...298
• 3.F-K 구조보정(frequency wavenumber domain migration)...301
• 제4장 결 론...308
• 참고문헌...311
• 목차...320
• 제1장 서론...322
• 제2장 연구방법...325
• 제1절 삼축압축하에서 공극수압이 인공절리면을 가진 암석의 변형파괴에 미치는 영향...325
• 1.개요...325
• 2.시험편제작, 시험장치 및 시험방법...326
• 제2절 하중조건과 절리의 거칠기가 암석의 투수성에 미치는 영향...331
• 1.개요...331
• 2.Transient Pulse 방법에 관한 연구...332
• 3.암석시험편과 실험방법...336
• 제3절 지하공동 굴착에 따른 공동 주위의 지하수 유동에 관한 수치해석적 연구...340
• 1.수리학적인 암반의 분류와 기본적인 이론...340
• 2.지하수 유동방정식의수치해석적 모델링...344
• 제3장 연구결과...351
• 제1절 삼축압축하에서 공극수압이 인공절리면을 가진 암석의 변형파괴에 미치는 영향...351
• 1.응회암에 대한 비배수 삼축압축 시험결과...351
• 2.화강암에 대한 배수 삼축압축 시험결과...355
• 제2절 하중조건과 절리의 거칠기가 암석의 투수성에 미치는 영향...360
• 1.정수압 투수시험 결과...360
• 가.신선암편에 대한 투수시험 결과...360
• 나.봉압과 공극수압의 반복적용에 따른 히스테리시스효과...360
• 다.절리가 암석의 투수성에 미치는 영향...363
• 1)수평절리 및 수직절리의 영향...363
• 2)절리면 거칠기에 따른 투수계수의 변화...367
• (가)절리면 거칠기 결정...367
• (나)수평절리 시험편의 거칠기에 따른 투수계수 변화...368
• 2.축하중의 반복적용에 따른 삼축압축 투수시험의 결과...370
• 제3절 지하공동 굴착에 따른 공동 주위의 지하수 유동에 관한 수치해석...375
• 1.도시터널(지하철터널)의 지하수 유동에 관한 유한 요소해석...375
• 가.과천선(9K945-9K915구간)에 대만 수치해석...375
• 1)본 지역의 지질개요...375
• 2)수치해석을 위한 모델링...376
• 3)해석결과...376
• 나.과천선(9K692.5-890구간)에 대한 수치해석...381
• 1)본 지역의 지질개요...381
• 2)수치해석을 위한 모델링...381
• 3) 해석결과...382
• 2.유류비축기지 지하공동 주위의 지하수 유동에 관한 수치해석...387
• 가.대상지역에 대한 모델링...388
• 나.해석결과...394
• 제4장 고찰...404
• 제1절 삼축압축하에서 공극수압이 인공절리면을 가진 암석의 변형파괴에 미치는 영향...404
• 제2절 하중조건과 절리의 거칠기가 암석의 투수성에 미치는 영향...407
• 제3절 지하공동 굴착에 따른 공동 주위의 지하수 유동에 관한 수치해석에 대한 고찰...410
• 제5장 결 론...416
• 제6장 참고문헌...420