초록 ▼

최근 주요 사회간접시설의 안전에 대한 국가적 관심이 높아짐에 따라 대심도 교통터널, 지하유류비축기지, 고준위 방성폐기물저장시설 등 대규모 암반구조물의 설계과정에서도 정밀한 암반강도 평가가 요구되고 있다. 지금까지 대부분의 암반역학적 설계과정에서는 선형 Mohr-Coulomb (M-C) 함수나 비선형 Hoek-Brown (H-B) 함수가 암반의 파괴조건식으로 이용되고 있다. 그러나 이 함수들은 최소주응력(σ₃)과 중간주응력(σ₂)이 동일한 삼축압축응력조건 (σ₁＞σ₂

최근 주요 사회간접시설의 안전에 대한 국가적 관심이 높아짐에 따라 대심도 교통터널, 지하유류비축기지, 고준위 방성폐기물저장시설 등 대규모 암반구조물의 설계과정에서도 정밀한 암반강도 평가가 요구되고 있다. 지금까지 대부분의 암반역학적 설계과정에서는 선형 Mohr-Coulomb (M-C) 함수나 비선형 Hoek-Brown (H-B) 함수가 암반의 파괴조건식으로 이용되고 있다. 그러나 이 함수들은 최소주응력(σ₃)과 중간주응력(σ₂)이 동일한 삼축압축응력조건 (σ₁＞σ₂=σ₃)에서 획득된 강도시험 자료를 바탕으로 개발된 함수이므로 보다 일반적 지압조건인 진삼축압축조건(σ₁＞σ₂＞σ₃)의 하중을 받는 암반구조물의 안정성 평가에 적합하지 않다. 진삼축응력조건에서 실시한 암석의 강도시험결과에 의하면 암석의 파괴강도는 σ₂의 크기에 많은 영향을 받는 것으로 나타나고 있다. 또한 우리나라에서는 횡등방성 강도특성을 보이는 퇴적암이나 변성암 지층을 대상으로 암반공학 프로젝트가 많이 진행되고 있으므로 안전하고 경제적인 암반구조물 설계를 위해서는 진삼축하중조건에서 횡등방성 암석의 파괴특성을 이해하는 것이 매우 중요하다.
이 연구에서는 강도정수의 공간편차를 표현하는 fabric tensor 개념을 도입하여 M-C 함수의 강도정수인 마찰각과 점착력 그리고 H-B 함수의 강도정수인 m, s 및 일축압축강도를 3차원 횡등방성 공간분포함수로 정의할 수 있는 체계적인 방법을 개발하였다. 1차 년도 연구에서는 강도정수 공간분포함수를 fabric tensor 방향투영값의 다항함수로 정의하였고, 2차 년도 연구에서는 fabric tensor 방향투영의 지수함수로 정의하였다. 3차 년도 연구에서는 유사한 방법을 인장강도 공간분포함수의 정의에 적용하였다. 각 강도정수에 대한 3차원 공간분포함수를 정의한 후 이를 등방성 M-C함수, H-B함수, Rankine의 인장파괴함수에 대입하여 각 등방성 파괴함수를 대응되는 횡등방성 파괴함수로 확장시켰다. 또한 2차 년도 연구에서는 탄소성 한계해석이론을 활용하여 비선형 H-B 암반의 등가 마찰각 및 점착력을 산정하는 방법도 개발하였고, 3차 년도 연구에서는 입력자료의 수를 최소화하기 위해 2개의 모델정수로 표현되는 강도정수 공간분포함수를 정의하는 방법들이 연구되었다.
개발된 파괴함수를 이용한 횡등방성 암석시료의 수치 진삼축압축시험 및 수치 진삼축인장시험을 통해 지금까지 이론적으로 설명하지 못했던 중간주응력(σ₂)이 암석의 파괴강도에 미치는 영향의 원인을 이론적으로 설명할 수 있는 가능성을 세계 최초로 확인하였다. 편차응력의 작용에 의한 암석조직(texture)의 미시적 이방성 배열과 하중방향의 상대적 차이가 중간주응력이 강도에 미치는 영향의 주요 원인이 될 수 있다는 수치해석적 증거를 제시함으로써 횡등방성 암석의 강도 및 파괴특성을 이해하는 획기적 토대를 마련하였다. 또한 진삼축응력조건과 미시적 연약면 방향의 상대적 차이에 따라 달라지는 파괴면의 형성방향 변화 패턴도 정량적으로 분석되었다.
진삼축압축응력조건에서 연약면의 방향과 σ₂의 변화에 따른 횡등방성 암석의 축강도 σ₁ 및 파괴면의 변화를 분석한 결과 연약면의 경사방향이 σ₃의 방향과 일치하지 않을 경우 σ₂가 증가할수록 σ₁이 증가하는 경향을 보였다. 증가 경향은 연약면의 경사방향이 σ₂ 방향에 가까워질수록 더욱 뚜렷하게 나타났지만 σ₂가 σ₁에 근접하는 구간에서는 σ₂의 증가에 따라 σ₁이 소폭 감소하는 특징을 보였다. 파괴면의 경사각과 파괴면의 경사방향 역시 σ₂의 영향을 받는 것으로 나타났다.
횡등방성 암석의 일축인장시험 모의를 통해 인장강도 및 파괴면 방향 예측 측면에서 기존 인장파괴기준식보다 제안된 횡등방성 인장파괴기준식의 우수함이 입증되었다. 또한 σ₂와 σ₃을 압축응력으로 가정하고 축방향 응력 σ₁을 인장응력으로 설정한 진삼축인장시험을 수치적으로 모사한 결과 횡등방성 암석의 인장강도와 인장파괴면 방향 역시 중간주응력 σ₂의 크기에 큰 영향을 받는다는 사실을 확인하였다. 경사 연약면을 갖는 경우 일반적으로 σ₂가 증가하면 인장강도는 증가하지만 인장파괴면의 경사각은 감소하는 것으로 나타났다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 12