Characteristics of the Progressive Brittle Failure around Circular Opening by Scaled Model Test and Discrete Element Analysis

Progressive and localized brittle failures around an excavated opening by the overstressed condition can act as a serious obstacle to ensure the stability and the economical efficiency of construction work. In this paper, the characteristics of the brittle failure around an circular opening with stress level was studied by the biaxial compressive test using sealed specimen and by the numerical simulation with $PFC^{2D}$, one of the discrete element codes. The occurring pattern and shape of the brittle failure around a circular opening monitored during the biaxial loading were well coincided with those of the stress induced failures around the excavated openings observed in the brittle rock masses. The crack development stages with stress level were evaluated by the detailed analysis on the acoustic emission event properties. The microcrack development process around a circular opening was successfully visualized by the particle flow analysis. It indicated that the scaled test had a good feasibility in understanding the mechanism of the brittle failure around an opening with a high reliability.

축소 모형시험과 개별 요소 해석에 의한 원형 공동 주변의 점진적 취성파괴 특성에 관한 연구

암반 내 형성된 과도한 초기응력장은 굴착 공동 주변에 점진적이고 국부적인 취성파괴를 유발시킴으로서 시공의 안정성과 경제성을 확보하는데 장애 요인으로 작용할 수 있다. 이 논문에서는 응력 수준 증가에 따른 공동 주변의 취성파괴 거동 특성을 파악하기 위해 축소된 원형 터널 공시체를 이용한 이축압축시험과 입자 결합 모델을 이용하여 개별요소법의 일종인 $PFC^{2D}$ 해석에 의한 연구를 수행하였다. 실내 이축압축시험을 통해 취성파괴의 발생 영역과 형태 면에서 실제 암반 공동 주변에서 발생된 파괴 특성과 유사한 파괴 거동을 모사할 수 있었다. 응력 강도비 증가에 따라 진행된 균열 발전단계를 미소파괴음 특성 변수들에 대한 상세 분석을 통해 평가하였다. $PFC^{2D}$ 해석을 통해 공동 주변에서의 미세 균열 발생과 전파 과정을 성공적으로 가시화하였으며 이를 통해 이축 압축시험 결과의 신뢰성과 시험방법의 적정성을 확인할 수 있었다.