• 터널과지하공간
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• 제17권2호
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• pp.128-138
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• 2007

상대적으로 저심도에 건설되는 암반구조물의 경우 단층이나 절리 등 암반 내 존재하는 불연속면이 굴착 후 생성된 경계면과의 교차에 의해 구조적인 형태의 파괴가 지배적으로 발생하나, 고심도에 건설되는 경우 높은 현지응력과 굴착에 따른 유도응력으로 인해 공동 경계면에서 스폴링이나 슬래빙과 같은 취성파괴가 발생할 수 있다. 취성파괴는 암반구조물의 안정성을 약화시키는 주된 원인으로, 고심도 영역에서 암반구조물의 안정성을 확보하기 위하여 응력조건에 따라 발생하는 취성파괴의 개시시점, 파괴수준 및 파괴범위 등과 같은 파괴특성이 규명되어야 한다. 본 연구에서는 고심도의 암반구조물에서 발생할 수 있는 취성파괴의 파괴수준 및 개시시점과 재하응력사이의 관계를 정량적으로 평가하고자 진삼축 응력조건을 구현할 수 있는 모형실험장치를 설계, 제작하여 여러 응력조건에서 모형실험을 수행하였다. 공동주변에서 발생한 파괴수준을 육안관찰과 미소파괴음 발생양상에 의해 3단계로 구분하고, 진삼축 응력조건에 따라 제시하였다. 그 결과 파괴수준은 공동단면에 작용하는 재하응력$(S_v,\;S_{H2})$ 뿐 아니라 공동 축에 평행한 재하응력 $S_{H1}$에 영향을 받으며, $S_{H1}$와 $S_{H2}$의 크기가 증가할수록 동일한 $S_v$에서 파괴수준은 감소하였다. 파괴개시점 역시 $S_{H1}$와 $S_{H2}$의 증가에 따라 파괴개시를 위한 응력수준은 증가하였으며, 다중회귀분석을 통해 파괴개시시점과 진삼축 응력조건의 관계식을 도출하였다.

• 터널과지하공간
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• 제30권6호
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• pp.559-572
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• 2020

본 연구에서는 현지 암반의 진삼축 응력 조건과 온도 변화를 고려한 공벽 안정성 실험을 수행하고, 심부 지하의 응력 조건과 압력 조건에서 암석의 열역학적 거동을 관찰하였다. 중국 황색 사암과 국내 황등 화강암 시료를 이용하여 진삼축압축실험을 진행하였다. 역학 실험은 각각 9가지 구속압 조건에서 수행되었고 열역학 실험은 화강암 시료를 이용하여 6가지 구속압 조건에서 시료를 60℃~100℃로 가열하여 수행하였다. 역학 실험 결과 공벽 파괴가 발생하는 최대 주응력은 중간 주응력에 비례하는 것을 확인하였다. 열역학 실험에서는 온도 증가에 따라 공벽의 응력장에 열응력이 추가되어 공벽 파괴가 추가적으로 발생하는 것을 확인하였다. 실내 실험 결과를 분석하기 위해 모기쿨롱 파괴 기준식을 사용하여 분석하였다. 원통형 시료에 대한 전통적인 삼축압축시험 결과와 진삼축 조건 하의 공벽 파괴 실험 결과가 모두 진삼축 파괴 기준식인 모기쿨롱 파괴 기준식에 잘 부합됨을 확인하였다.

• 터널과지하공간
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• 제22권1호
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• pp.12-21
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• 2012

암석의 파괴조건식으로 널리 이용되고 있는 Mohr-Coulomb식과 Hoek-Brown식은 중간주응력을 고려하지 못한다. 그러나 암석의 진삼축압축시험 결과에 의하면 암석의 강도는 중간주응력의 크기에 상당한 영향을 받는 것으로 알려지고 있다. 따라서 암반구조물의 정밀한 안정성 평가를 위해서는 중간주응력의 영향을 고려할 수 있는 파괴조건식이 필요하다. 이 연구에서는 Jiang & Pietruszczak(1988)이 제안한 팔면체면 단면 형상함수를 이용하여 Hoek-Brown 파괴조건식에 근사하는 새로운 3차원 비선형 암석파괴조건식을 제안하였다. 대응되는 선형파괴조건식의 강도예측 결과와 비교검토를 통해 제안한 파괴조건식의 강도예측 성능을 평가하였다. 제안한 파괴조건식을 문헌에 보고된 6개 암종의 진삼축압축시험 결과에 적합시킨 결과 매우 우수한 적합성을 얻었다. 특히, 구속압이 낮은 영역의 진삼축압축강도를 포함한 자료에 대해서는 선형 파괴조건식에 비해 뛰어난 적합성을 보였다.

• 지질공학
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• 제32권4호
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• pp.597-610
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• 2022

중간주응력을 고려한 마찰재료의 파괴거동에 대한 확고한 이해는 대심도 보어홀 안정성 및 단층해석 등과 관련된 현장 적용의 고도화를 위한 필수적인 과정이다. 본 연구는 진삼축압축 조건을 물리적으로 구현하는 장비를 설계·제작하였으며 마찰재료로 제작된 석고 시료에 대한 진삼축압축시험을 통하여 재료의 파괴거동 특성을 논의하고 삼차원파괴함수의 적용성을 검토하였다. 진삼축압축시험을 위한 석고 재료는 52(w) × 52(l) × 104(h) mm의 직육면체 시료로 성형하였으며 다양한 조합의 𝜎₃, 𝜎₂의 조건으로 총 24회의 진삼축압축시험이 수행되었다. 또한, 삼차원 파괴기준식의 파라미터로 사용되는 석고의 강도정수 측정을 위하여 전통적인 일축압축시험 및 삼축압축시험이 수행되었다. 석고 재료의 응력-변형 특성은 중간주응력과 최소주응력의 차이가 클수록 취성거동이 더욱 강하게 나타났으며, 시료의 강도 및 변형은 중간주응력의 변화를 반영하는 것으로 평가되었다. 주응력 좌표계에서 시험 데이터에 대한 비선형 다중회귀분석을 수행한 결과 수정 Wiebols-Cook 파괴기준 및 수정 Lade 파괴기준이 석고 시료에 대한 삼차원 파괴기준으로 가장 적합하였다.

• 터널과지하공간
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• 제21권2호
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• pp.93-102
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• 2011

암석의 파괴조건식으로 Mohr-Coulomb 및 Hoek-Brown 함수가 널리 이용되고 있으나 이들 함수는 중간주 응력을 고려할 수 없다는 단점이 있다. 최근의 연구결과에 의하면 암석의 파괴강도는 중간주응력의 크기에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서 주요 암반구조물의 안전설계를 위해서는 중간주응력이 고려된 3차원 암석파괴조건식이 도입될 필요성이 있다. 이 연구에서는 주응력좌표계의 자오면에서 선형으로 나타나며 또한 Mohr-Coulomb 파괴곡면의 모서리에 부드럽게 접하는 3차원 파괴함수인 Jiang & Pietruszczak(1988) 함수가 암석의 진삼축압축강도 예측에 활용될 수 있는 가능성에 대하여 논의하였다. Jiang & Pietruszczak 함수를 이용하여 실제 진삼축압축시험 결과를 모사함으로써 이 함수의 성능을 평가하였다.

• 지질공학
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• 제33권4호
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• pp.573-586
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• 2023

절리성 암반은 절리 또는 연약면에 의해 역학적인 이방성이 발현될 수 있으며 절리성 암반의 강도 및 변형 특성에 대한 이해는 지질공학 현장에서 주된 관심사이다. 본 연구는 마찰재료로 채택된 석고를 이용하여 단일절리를 포함하는 시료를 성형하고 진삼축시험을 통하여 진삼축 조건의 강도 및 변형 특성을 고찰하였다. 동일한 조건에서 수행한 개별요소법 기반의 삼차원 수치해석은 진삼축시험을 통하여 검증되었으며 타당성이 확보되었다. 수치해석 결과는 절리의 방향성과 더불어 현장의 주응력 조건이 절리성 암반의 강도 및 변형 특성 연구에 있어서 필수적인 요소임을 지시한다. 수치해석을 통하여 절리의 경사각 변화에 따라 산정한 횡등방성 암반의 강도는 중간주응력이 강화함에 따라 유의미한 증가를 나타내며, 증가의 폭은 절리의 경사 조건에 큰 영향을 받는다. 또한, 절리의 경사방향과 두 수평 주응력 방향 간의 상대적인 관계는 횡등방성 암반의 강도특성을 좌우하는 요인이다. 두 개의 절리군을 포함하는 암반의 강도는 경사가 더욱 급한 절리군이 전체 암반의 강도를 좌우한다. 두 절리군 중 한 절리군의 연속성이 짧아 암교 효과를 발휘하면 연속성이 상대적으로 긴 절리군의 방향성이 전체 암반의 강도를 좌우할 수 있다. 절리성 암반에 대한 기존의 삼차원 파괴기준식은 적용성 측면에서 한계도 있지만, 수치해석이 이를 보완하는 데 유용하게 활용될 수 있다.

• 터널과지하공간
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• 제17권4호
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• pp.311-321
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• 2007

경암 내 암반구조물의 파괴는 현지응력의 크기, 무결암의 강도 그리고 암반 내에 존재하는 불연속면의 상태에 의해 결정되며, 특히 높은 현지응력이 작용하는 경우 유도응력에 의해 취성파괴가 발생할 수 있다. 취성 파괴의 특성은 파괴수준, 파괴개시시점, 파괴범위와 파괴심도 등으로 구분할 수 있으며, 암반구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 응력조건에 따른 취성파괴의 특성을 규명하여야 한다. 본 연구에서는 취성파괴가 발생한 상태에서 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도를 평가하고자 하였다. 이를 위해 진삼축 압축응력조건에서 모형실험을 수행하였으며, 취성파괴가 발생한 모형실험체에 대하여 육안관찰과 컴퓨터단층촬영을 수행하여 파괴심도와 파괴범위를 결정하였다. 파괴심도는 터널단면에 작용하는 축차응력의 크기에 영향을 받으나 파괴범위의 경우 응력조건에 따른 뚜렷한 경향성을 보이지 않는 것으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제23권5호
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• pp.383-391
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• 2013

1960년대 후반 이래로 수행된 여러 진삼축압축시험 결과에 의하면 암석의 파괴강도는 중간주응력의 크기에 상당한 영향을 받는 것으로 나타나고 있다. 이러한 실험적 결과를 바탕으로 지금까지 중간주응력이 파괴에 미치는 영향을 고려할 수 있는 다양한 3차원 파괴조건식들이 제안되고 있다. 그러나 문헌에 보고된 대부분의 3차원 파괴기준식들은 암석의 진삼축압축 강도를 현상학적으로 재현하기 위한 목적으로 개발되었기 때문에 관련된 강도정수들의 역학적 의미가 명확하지 않다. 이 연구에서는 암석강도의 중간주응력 의존성이 암석 내에 포함된 연약면들의 공간적 분포특성과 관련성이 있다는 가능성을 확인하기 위해 평면이방성 암석모델을 대상으로 수치 진삼축압축시험을 수행하였다. 미소구조텐서 개념을 활용하여 이방성 Mohr-Coulomb 파괴기준식을 개발하였으며 이를 강도기준식으로 활용하고 임계면법을 적용하여 평면이방성 암석의 파괴강도 및 파괴면 방향의 중간주응력 의존성을 분석하였다. 분석결과는 암석에 포함된 미시적 연약면들의 주응력 방향에 대한 방향성이 암석강도의 중간주응력 의존성과 밀접한 관련성이 있음을 암시해준다.

• 터널과지하공간
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• 제21권6호
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• pp.526-535
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• 2011

중간주응력을 고려할 수 있는 새로운 콘크리트 파괴조건식을 제안하였다. 제안된 파괴조건식은 Mohr-Coulomb 파괴조건식과 Willam-Warnke의 파괴조건식의 장점을 수용하고 있으므로 자오면에서는 선형파괴식으로 나타나고 팔면체응력면에서는 항상 볼록인 궤적을 보이며 특이성을 갖지 않는다. 진삼축압축시험 결과를 이용한 회귀분석을 통하여 제안된 파괴조건식의 적합성을 검증하였다. 제안된 파괴조건식에 기초한 안전율 공식을 정의하고 이를 파일롯 플랜트에 설치된 콘크리트 플러그의 안전도 해석에 이용하였다. 제안된 안전율 공식은 팔면체응력면에서 응력상태 점의 파괴곡면에 대한 접근도를 의미한다. 마지막으로 플러그의 응력분포를 계산하기 위해 파일롯 플랜트에 대한 3차원 응력해석을 실시하였다. 플러그의 응력분포는 제안된 안전율 공식을 이용하여 안전율 분포로 변환시켰다. 콘크리트 플러그의 안전율 분포특성 분석을 통해 테이퍼형 및 쐐기형 플러그의 안전도를 평가하였다.

• 지질공학
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• 제27권3호
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• pp.233-244
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• 2017

주입액의 점성도와 응력상태에 따른 균열전파 특성을 분석하기 위해 실험실 규모의 수압파쇄시험을 실시하였다. 시험에 사용된 시료는 시멘트 몰탈을 사용하여 제작되었으며, 각 변의 길이가 20 cm인 정육면체 형태이다. 제작된 시료는 최대강도를 갖기 위해 수중에서 약 1달간 양생과정을 거쳤다. 독립적인 가압시스템을 가지고 있는 진삼축압축장치로 시료에 압력을 가하여, 실제의 지반에서 작용하는 원위치응력 상태를 재현하였다. 시추 환경 재현을 위해 시료에 소형 시추공을 천공한 후, 일정한 주입속도로 수압파쇄시험을 실시하였다. 수압파쇄시험 과정에서 시추공에 주입된 유체의 압력을 실시간으로 측정하였으며, 동시에 미소파괴음(AE) 신호를 측정하였다. 수압파쇄시험의 모든 과정이 끝난 후 생성된 균열의 형태를 육안으로 관찰하였다. 일차파쇄압력은 주입액의 점성도 증가에 따라 지수형태를 보이며 증가하였다. 수압파쇄시험으로 인해 생성된 균열의 형태는 최대주응력과 최소주응력의 차이인 편차응력의 크기에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 낮은 편차응력의 조건에서는 단일의 균열이 아닌 다중 균열이 생성되거나, 균열 성장과정에서 방향이 휘어지는 경향을 보였고, 이에 반해 높은 편차응력의 조건에서 생성된 균열은 단일 면상의 균열이 발생하였다. AE 분석에서도 편차응력이 클수록 미세균열이 단일 면상으로 집중되어 발생되는 경향을 보였다. 이러한 연구결과는 수압파쇄 방법을 이용한 암반파쇄에서 편차응력이 클 때보다 작을 때 더 복잡한 균열이 발생된다는 것을 보여준다. 따라서 셰일가스를 개발할 때 생산량을 높이기 위해서는 복잡한 균열을 발생시킬 수 있는 편차응력이 작은 조건에서 수압파쇄가 적용되는 것이 효과적일 것으로 판단된다.