• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2010년도 추계 학술발표회
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• pp.808-812
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• 2010

A great deal of attention is focused on coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behavior of multiphase porous media in diverse geo-mechanical and geo-environmental areas. This paper presents general governing equations for coupled THM processes in unsaturated porous media. Coupled partial differential equations are derived from 3 mass balances equations (solid, water, and air), energy balance equation, and force equilibrium equation. Finite element code is developed from the Galerkin formulation and time integration of these governing equations for 4 main variables (displacement $\underline{u}$, gas pressure $P_g$, liquid pressure $P_l$), and temperature T). The code is validated with theoretical solutions for linear material with simple boundary conditions.

• 방사성폐기물학회지
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• 제21권1호
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• pp.23-41
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• 2023

Coupled thermo-hydraulic-mechanical (THM) processes are essential for the long-term performance of deep geological disposal of high-level radioactive waste. In this study, a numerical sensitivity analysis was performed to analyze the effect of rock properties on THM responses after the execution of the heater test at the Kamaishi mine in Japan. The TOUGH-FLAC simulator was applied for the numerical simulation assuming a continuum model for coupled THM analysis. The rock properties included in the sensitivity study were the Young's modulus, permeability, thermal conductivity, and thermal expansion coefficients of crystalline rock, rock salt, and clay. The responses, i.e., temperature, water content, displacement, and stress, were measured at monitoring points in the buffer and near-field rock mass during the simulations. The thermal conductivity had an overarching impact on THM responses. The influence of Young's modulus was evident in the mechanical behavior, whereas that of permeability was noticed through the change in the temperature and water content. The difference in the THM responses of the three rock type models implies the importance of the appropriate characterization of rock mass properties with regard to the performance assessment of the deep geological disposal of high-level radioactive waste.

• 한국지반공학회논문집
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• 제27권11호
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• pp.55-69
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• 2011

다양한 지반공학적 문제들에서 불포화 상태의 중요성이 강조되면서, 불포화 지반의 열-수리-역학적 현상들에 대한 거동특성을 모사하기 위한 역학적 구성모델 개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 Bishop의 유효응력 정의에 근거한 불포화 지반의 역학적 탄소성 구성모델을 제시하였다. 유효응력에 근거한 구성관계는 유효응력과 온도를 주 변수로 증분 형식으로 표현되었으며, 이를 이용하여 응력 갱신과 강성 텐서를 산정하였다. 개발된 구성모델을 이용하여 THM 현상을 포함하는 불포화토의 1차원 거동, 불포화토의 삼축 압축시험, 그리고 고준위 방사성폐기물 시설의 완충재의 거동 특성에 관한 예제 해석을 수행하여 해의 안정성과 구성모델의 적용성에 대하여 논의하였다. 수치해석결과는 개발된 역학적 구성모델이 THM 현상의 매우 복잡한 거동을 효과적으로 모사할 수 있었으며, 일반적인 불포화토의 거동 해석뿐만 아니라 다양한 환경 조건하에서의 THM 거동 해석에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제27권3호
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• pp.75-83
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• 2011

일반적인 불포화지반의 거동뿐만 아니라, 열과 관련된 분야, 지반환경 분야 등 다양한 분야에서 불포화 다공질 재료의 열적-수리적-역학적으로 결합된 문제들이 대두되면서 이러한 문제들을 해석하기 위한 수치도구 개발의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 거시적 접근법(macroscopic approach)에 근거하여 불포화지반에 대한 열-수리-역학거동의 수식화를 하였다. 흙, 물, 공기에 대한 질량보존의 법칙, 에너지 보존법칙, 그리고 하중평형 조건식으로부터 결합된(coupled) 4개의 지배방정식을 유도하였다. Galerkin 간략화와 시간적분으로부터 주 변수인 변위(u), 가스압($P_g$), 유체압($P_1$), 온도(T)를 Newton의 반복과정을 이용하여 구하는 유한요소 프로그램(FEM)을 작성하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 다공질재료에서 2상 흐름 문제 중 일차원 배수실험(u-$P_g-P_1$), 온도 압밀(u-$P_1$-T), 그리고 지표면 온도변화에 의한 말뚝의 주변지반에 대한 영향(u-$P_1$-T)에 대하여 수치해석을 수행하고 논의하였다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제16권4호
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• pp.363-373
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• 2018

The evaluation of Thermo-Hydro-Mechanical (THM) coupling behavior is important for the development of underground space for various purposes. For a high-level radioactive waste repository excavated in a deep underground rock mass, the accurate prediction of the complex THM behavior is essential for the long-term safety and stability assessment. In order to develop reliable THM analysis techniques effectively, an international cooperation project, Development of Coupled models and their Validation against Experiments (DECOVALEX), was carried out. In DECOVALEX-2015 Task B2, the in situ THM experiment that was conducted at Horonobe Underground Research Laboratory(URL) by Japan Atomic Energy Agency (JAEA), was modeled by the research teams from the participating countries. In this study, a THM coupling technique that combined TOUGH2 and FLAC3D was developed and applied to the THM analysis for the in situ experiment, in which rock, buffer, backfill, sand, and heater were installed. With the assistance of an artificial neural network, the boundary conditions for the experiment could be adequately implemented in the modeling. The thermal, hydraulic, and mechanical results from the modeling were compared with the measurements from the in situ THM experiment. The predicted buffer temperature from the THM modelling was about $10^{\circ}C$ higher than measurement near by the overpack. At the other locations far from the overpack, modelling predicted slightly lower temperature than measurement. Even though the magnitude of pressure from the modeling was different from the measurements, the general trends of the variation with time were found to be similar.

• 터널과지하공간
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• 제30권5호
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• pp.446-461
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• 2020

MX80 벤토나이트 펠렛에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하고자 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 스페인 CIEMAT에서 수행된 컬럼 시험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험실에서 사용된 것과 동일한 히터 파워와 물 주입압을 경계조건으로 설정하고 해석을 수행하였다. 사용된 열-수리 모델이 벤토나이트 펠렛의 복합거동 예측에 적용하기 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트 펠렛에서의 온도와 상대습도 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는 지를 살펴보았다. 계산된 결과가 계측된 온도와 상대습도 변화 경향을 적절하게 재현 할 수 있었기 때문에 사용된 열-수리 모델은 벤토나이트 펠렛의 열-수리 복합거동을 예측하고 재현하기에 적절한 것으로 판단된다. 하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작고 느리게 변화되는 것으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 존재하는 것으로 보이며, 사용된 두 역학 모델로 완충재의 복잡한 열-수리-역학적 복합거동을 현실적으로 재현하기에 부족한 것으로 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제28권5호
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• pp.85-94
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• 2012

최근 동결지반의 다양한 문제들에 대한 관심이 증대하면서 동결의 영향을 받는 지반의 거동특성에 관한 이론정립 및 체계적인 연구의 필요성이 제기되고 있다. 기존의 정립된 토질역학 이론과는 달리 동결지반에서 온도의 영향과 간극수의 동결에 의한 상변화는 간극수의 이동, 지반팽창, 작용토압의 급격한 증가 등 여러가지 문제들을 야기한다. 본 논문에서는 비동결-동결 전이 상태에서 연속성을 갖는 새로운 응력변수를 도입하여, 동결 작용을 받는 다공질 재료에 대한 THM 역학적 탄소성 구성모델을 유도하였다. 개발된 구성모델을 1차원 팽창압, 동결토의 삼축압축 강도 그리고 일방향 동결실험에 적용하여 해의 안정성과 구성모델의 적용성에 대하여 논의하였다. 수치해석 결과는 동결토의 복잡한 THM현상들을 효과적으로 묘사할 수 있었으며, 동결의 영향하에 있는 지반구조물의 해석과 설계 및 시공될 구조물의 장기거동예측에 활용될 수 있을 것이다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제38권9호
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• pp.45-52
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• 2022

암반내 불연속면이나 지반-구조물의 접촉면은 열-수리-역학적으로 연계된 거동 특성을 보이므로, 온전한 지배방정식에 근거한 경계면 요소의 개발이 필요하다. 본 논문은 경계면 요소에 대한 힘평형 방정식, 유체의 연속방정식 그리고 에너지 평형 방정식을 유도하였다. 그리고 경계면 요소에 대한 탄소성 역학 모델의 강성행렬을 제시하였다. 개발된 유한요소는 2차원 조건에서 변위는 6절점, 수압과 온도는 4절점을 사용한다. 단층내 유체 주입에 대한 완전연계된 THM 해석은 단층내의 유효응력 감소와 주위 암반의 온도 수축에 의한 주입압의 복합적인 변화을 모델링 할수 있었다. 하지만, 열적 현상을 무시한 HM해석은 수리-역학적 변수를 과다하게 산정하였다.

• 터널과지하공간
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• 제32권2호
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• pp.144-159
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• 2022

본 연구에서는 지반의 열-수리-역학적 복합거동을 모델링하기 위한 순차적 접근법 기반의 시뮬레이터를 개발하고 적용된 연계해석 알고리즘의 계산성능을 분석하였다. 본 연구의 순차적 연계해석에서는 다공성 매질의 열 및 유체거동 분석을 위한 오픈소스 기반의 OpenGeoSys 수치코드와 역학해석을 위한 상용 소프트웨어 FLAC3D가 연동되었다. 해석해가 주어진 열-수리-역학적 복합거동 문제를 토대로 개발된 시뮬레이터에 대한 벤치마크 테스트가 수행되었다. 적용된 벤치마크 문제는 완전포화된 지반 내 점열원 작용 시 지반거동(시간에 따른 온도, 간극수압, 응력, 변형 변화)과 관계된다. 해석해와 수치해석 시뮬레이션 결과를 비교 분석하고 연계해석 시뮬레이터의 적정성을 조사하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제17권2호
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• pp.183-202
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• 2019

고준위방사성폐기물의 처분터널 및 처분공 간격을 결정하고 처분시스템의 성능을 평가하기 위해서는 열-수리-역학적인 복합 거동 변화에 대한 이해가 반드시 필요하고 이를 반영하여 해석해야만 한다. 하지만 한국형 기준 처분시스템에서의 처분터널 및 처분공 간격을 결정하기 위해 수행된 기존의 연구들은 이러한 복합거동 특성을 반영하지 않고 열 해석 결과만을 근거로 처분시스템을 설계하였다. 따라서 본 연구에서는 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 반영하여 한국형 기준 처분시스템의 성능을 TOUGH2-MP/FLAC3D를 이용하여 평가하였다. 고준위방사성폐기물이 처분된 이후 방사성 붕괴열에 의해 처분시스템의 온도는 급격히 증가하다가 붕괴열의 감소로 온도는 서서히 감소하였으며, 해석 기간 1,000년 동안 벤토나이트 완충재의 최고 온도는 설계 기준인 $100^{\circ}C$ 이하로 유지되는 것으로 나타났다. 처분용기와 벤토나이트 완충재의 계면에서의 최고 온도는 약 3.21년이 지난 시점에 용기의 중간 지점에서 약 $96.2^{\circ}C$로 나타났으며, 암반에서의 최고 온도는 폐쇄 후 약 17년이 지난 시점에서 약 $68.2^{\circ}C$로 계산되었다. 처분용기 부근 벤토나이트 완충재는 처분 초기에 온도 변화에 따른 건조현상이 발생하여 포화도가 감소하지만, 시간이 지남에 따라 주변 암반으로부터의 지하수 유입에 의해 포화도가 증가하는 것으로 계산되었다. 이후, 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재 모두 약 266년 이후 완전히 포화되는 것으로 계산되었다. 처분시스템에서의 온도 변화에 따른 열응력 그리고 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재의 팽윤압으로 인한 응력 변화가 처분장 주변 암반에 미치는 영향을 평가하고자 수치해석에서 계산된 응력을 스폴링 강도(spalling strength)와 Mohr-coulomb 파괴 기준식과 비교하였다. 계산 결과 일축압축강도와 스폴링 강도에 도달하지 않는 것으로 나타나 처분시스템이 스폴링에 의한 파괴는 나타나지 않을 것으로 판단되며, Mohr-coulomb 파괴 기준 역시 충족하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용된 수치해석 코드와 방법론은 다양한 조건에서의 한국형 기준 처분시스템에 대한 성능평가뿐만 아니라, 복층 처분시스템에 대한 설계와 성능평가에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.