Journal of the Korean Geotechnical Society (한국지반공학회논문집)

Korean Geotechnical Society (한국지반공학회)
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Prediction of the Damage Zone Induced by Rock Blasting Using a Radial Crack Model

방사균열 모델을 적용한 암반 발파에 의한 손상 영역 예측

  • 심영종 (한국과학기술원 스마트 사회기반시설 연구센터 연수연구원) ;
  • 조계춘 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) ;
  • 김홍택 (홍익대학교 토목공학과)
  • Published : 2006.11.30
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Abstract

It is very Important to predict the damage zone of a rock mass induced by blasting for the excavation of an underground cavity such as a tunnel, as the damage zones incur mechanical and hydraulic instability of the rock mass potentially. Complicated blasting processes that can hinder the proper characterization of the damage zone can be effectively represented by two loading mechanisms. The first mechanism is the dynamic impulsive load-generating stress waves that radiate outwards immediately after detonation. This load creates a crushed annulus along with cracks around the blasthole. The second is the gas pressure that remains for an extended time after detonation. As the gas pressure reopens some arrested cracks and extends these, it contributes to the final structure of the damage zone induced by the blasting. This paper presents a simple method to evaluate the damage zone induced by gas pressure during rock blasting. The damage zone is characterized by analyzing crack propagations from the blasthole. To do this, a model of a blasthole with a number of radial cracks that are equal in length in a homogeneous infinite elastic plane is considered. In this model, crack propagation is simulated through the use of only two conditions: a crack propagation criterion and the mass conservation of the gas. The results show that the stress intensity factor of a crack decreases as the crack propagates from the blasthole, which determines the crack length. In addition, it was found that the blasthole pressure continues to decrease during crack propagation.

터널과 같은 지하 공동 굴착을 위한 발파로 주변에 손상이 발생하였을 경우, 암반의 역학적 및 수리적 불안정성을 유발하기 때문에 암반의 최종손상영역의 예측은 매우 중요하다 그러나 복잡한 발파거동으로 인해 손상영역을 적절히 예측하는 데에는 상당한 어려움이 따르고 있다. 이러한 어려움을 효과적으로 해결하기 위해 발파하중을 응력파와 가스압으로 분리한 많은 연구가 진행되었다. 응력파는 발파공 주위에 분쇄환(crushing annulus)과 파쇄균열대(fracture zone)를 형성시키며, 상당시간 지속되는 준정적인 가스는 파쇄균열대의 닫힌 균열내부에 침투하여 균열을 다시 진행시키는 역할을 하게 된다. 즉, 가스압은 최종적으로 암반에 손상을 가하는데 기여를 한다. 따라서 본 논문은 이러한 가스압에 의해 생성되는 균열의 최종 진행 길이를 예측함으로써 발파로 인한 최종 손상영역을 간단하게 예측할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 균질한 무한 탄성평면에서 발파공 주위에 대칭으로 형성되는 방사균열을 모델로 사용하였다. 이 모델에서 균열이 진행할 수 있는 조건과 가스의 질량이 일정하다는 두 가지 조건을 사용하였다. 그 결과 응력확대계수는 균열이 진행할수록 감소하여 최종균열의 길이를 산정하였으며, 또한 발파공에 작용하는 압력도 감소하는 것을 확인하였다.

Keywords

References

  1. 김태훈, 전석원, 박광준 (2003), '발파공 주변의 균열생성특성에 관한 연구', KTA 2003 Annual Conference, May, pp.299-306
  2. 이인모, 최종원, 김상균, 김동현, 이두화, 김영욱 (2000), '유한요소해석을 이용한 터널 발파설계의 최적화', 한국지반공학회지, 제16권, 제5호, pp.63-74
  3. 이인모, 박봉기, 박채우 (2004), '터빌발파로 인한 굴착선주변 암 반거동의 확률론적 연구', 한국지반공학회지, 제20권, 제4호, pp 89-102
  4. 장수호, 신일재, 최용근, 이정인 (2000), '발파에 의한 터널 주변 암반의 손상영역 평가에 관한 연구', 한국지반공학회지, 제16권, 제5호, pp.129-140
  5. Brinkman, J.R. (1987), 'Separating shock waves and gas expansion breakage mechanisms', Proc. 2nd Int. Symp. on Rock Frag. by Blasting, Keystone, CO, pp.6-15
  6. Gamsworthy, R.K. (1990), 'The mathematical modeling of rock fragmentation by high pressure arc discharges', 3rd Int. Symp. on Rock Frag. Blasting, Brisbane, Australia, pp.143-147
  7. Hou, Z. (2003), 'Mechanical and hydraulic behavior of rock salt in the excavation disturbed zone around underground facilities', Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci., Vol.40, pp.725-738 https://doi.org/10.1016/S1365-1609(03)00064-9
  8. Nilson, R.H., Proffer, W.J. and Duff, R.E. (1985), 'Modelling of gas-driven fractures induced by propellant combustion within a borehole', Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol.22, No.1, pp.3-19
  9. Paine, A.S. and Please, C.P. (1994), 'An improved model of fracture propagation by gas during rock blasting-some analytical results', Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol.3l, No.6, pp.699-706 https://doi.org/10.1016/0148-9062(94)90009-4
  10. Persson, P.-A, R. Holmberg, and J. Lee (1994), 'Rock blasting and explosive engineering', CRC Press
  11. Sim, Y.J. (2004), Mechanics of complex hydraulic fractures in the Earth's crust, Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology pp. 168-171
  12. Tsang, C.F., Bernier, F., and Davis, C. (2005), 'Geohydromechanical processes in the excavation damaged zone in crystalline rock, rock salt, and indurated and plastic clays-in the context of radio active waste disposal', Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci., Vol.42, pp.109-125 https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2004.08.003
  13. Wawrzynek, P.A. and A.R. Ingraffea (1987), 'Interactive finite element analysis of fracture processing; an integrated approach', Theo. App. Fract. Mech., Vol.8, pp.137-150 https://doi.org/10.1016/0167-8442(87)90007-3
  14. Whittaker, B.N., R.N. Singh, G. Sun (1992), Rock fracture mechanics: principles, design and applications, Development in Geotechnical Engineering, 71, Elsevier
  15. Young, R.P. and Collins, D.S. (2001), 'Seismic studies of rock fracture at the underground research laboratory, Canada', Int. J. of Rock Mech. & Min. Sci., Vol.38, pp.787-799 https://doi.org/10.1016/S1365-1609(01)00043-0