• 터널과지하공간
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• 제25권2호
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• pp.155-167
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• 2015

본 연구에서는 TOUGH2-FLAC3D 연계해석기법을 이용하여 암반공동에 고온의 열에너지를 30년간 저장하는 경우 주변 암반에 야기되는 열-수리-역학적 연계거동을 살펴보았다. 열에너지저장에 따른 암반의 거동 특성 및 환경 영향을 예측하고 이에 대한 제어기준을 수립하기 위한 기초 연구로서, 저장소 주변 암반에서 발생하는 열-수리 흐름과 역학적 거동의 상호작용에 대하여 검토하였다. 기본해석으로서 결정질 암반 내 원통형 공동에$350^{\circ}C$의 대용량 열에너지를 저장하는 경우를 모델링하였으며, 열에너지저장소의 단열성능은 고려하지 않았다. 암반 내 열전달의 주요 메카니즘은 암반의 전도에 의한 것으로 판단되며, 암반의 역학적 거동은 수리적 요소보다는 열적 요소에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 암반과 지하수 가열에 따른 유효응력 재분포 양상과 열팽창으로 인한 암반 변위 및 지표 융기를 검토하였으며, 주변 암반에서의 전단파괴 위험도를 정량적인 수치를 통해 제시하였다. 암반 가열에 따른 열팽창으로 인하여 지표면에서 수 cm의 융기가 발생하였으며, 저장공동 상부에 인장응력이 크게 발달하면서 전단파괴의 위험도가 증가하는 것으로 나타났다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제14권3호
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• pp.41-49
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• 2013

회전관입형 말뚝은 말뚝설치 시 주변 흙의 변위가 발생하는 변위 말뚝으로 큰 지지력 및 인발력을 발휘할 수 있다. 또한 비배토 공법으로 슬라임이 발생하지 않고 시공 중 소음, 진동이 작아 환경친화적인 특성이 있어 외국의 경우 적용사례가 증가하고 있다. 하지만 대부분의 말뚝을 직접적으로 항타하는 항타말뚝, 선굴착 후 기 제작된 말뚝을 지중에 매입하는 매입말뚝이 주로 적용되고 있으며 회전관입형 말뚝의 사용은 제한적으로 이루어지고 있다. 지금까지 실시된 대부분의 실내시험에서는 말뚝을 설치한 후 지반을 조성하여 지지거동을 평가함에 따라 회전관입형 말뚝의 회전관입과정으로 인한 지지거동의 규명은 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 풍화토를 대상으로 회전관입과정을 모사한 실내실험을 실시하여 풍화토에 대한 지지력 거동을 평가하고자 하였으며, 더불어 나선형 판의 직경, 나선형 판의 간격, 나선형판의 개수, 나선형 판의 제원 등을 변화시켜가며 지지 거동을 평가하였다. 연구결과를 통하여 나선형 강관말뚝의 지지력 평가 결과 및 주요 제원에 따른 지지력 변화와 기존이론과의 비교분석 결과를 제시하였다.

• 터널과지하공간
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• 제17권2호
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• pp.109-118
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• 2007

굴착손상영역(EDZ)은 굴착으로 인해 현지 암반이 역학적으로 손상을 입게 되어 응력상태, 변위상태, 암반의 안정성, 지하수의 흐름상태 등에 변화가 일어나는 영역을 의미한다. EDZ의 역학적 특성과 관련한 많은 연구들이 수행되었지만, EDZ에서의 지하수 유동 특성에 관한 연구는 아직 부족한 수준이다. 본 연구에서는 굴착으로 인한 수리-역학 상호작용(coupling)에 의해 굴착면 주변의 수리적 간극값이 변하는 영역을 수리적 굴착 thstkdduddudr이라 정의하고, 이를 3차원 분리단열망(DFN)에 적용시켜 보았다. 이를 통해 수리적 간극변화가 3차원 불연속 망에서의 전반적인 지하수 유동에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 3차원 DFN 지하수 유동 해석 시 주로 이용되는 수두 조건과 유량 조건의 적용성을 고찰하였다. 해석 결과 수리-역학적 상호거동에 의해 발생하는 굴착면 주변의 수리적 간극변화는 터널 내부로 유입되는 유량에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 DFN 해석 시 다양한 경계조건에 따른 상이한 결과를 토대로 보다 합리적인 경계조건 설정에 대한 방향을 제시하였다. 마지막으로 실제 현장에서 수리해석을 실시한 자료를 바탕으로 수리적 간극 값의 변화를 고려할 때와 고려하지 않을 때의 유입유량 차이를 통해, 3차원 지하공동의 지하수 유동해석 시 수리적 간극 값의 변화를 고려하는 것이 보다 더 보수적인 결과를 나타내는 것을 확인하였다.

• 터널과지하공간
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• 제20권2호
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• pp.97-104
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• 2010

가속 크리프 거동을 보이는 재료의 파괴를 설명하기 위하여 재료 파괴식($\ddot{\Omega}=A{(\dot{\Omega})}^\alpha$, $\Omega$는 변위와 같은 측정가능한 양을 나타낸다)이 사용된다. 상수 A와 $\alpha$는 주어진 측정 자료를 곡선적합하여 얻는다. 본 연구에서는 재료 파괴식을 이용하여 터널의 파괴시간을 예측하였고, 재료 파괴식을 적용하기 위하여 4가지 곡선적합기법이 사용되었다. 4가지 곡선적합기법 중 로그속도-로그가속도기법, 로그시간-로그속도기법, 역속도법은 선형최소자승법을 이용하고 비선형최소자승기법은 Levenberg-Marquardt 알고리즘을 이용한다. 로그속도-로그가속도기법은 재료 파괴식을 대수형태로 만들어 해석을 하기 때문에 터널의 파괴시간 예측에 재료 파괴식을 적용하는 것이 타당한지에 대한 근거를 제시한다. 로그속도-로그가속도기법에 따른 자료의 상관계수가 0.84로 비교적 높게 나타났기 때문에 재료 파괴식을 터널의 파괴시간 예측에 적용하는 것이 타당하다고 판단된다. 실제 파괴시간과 4가지 곡선적합기법으로부터 얻은 예측 파괴시간을 비교한 결과 로그시간-로그속도기법이 가장 우수한 결과를 보여주는 것으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제18권2호
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• pp.98-106
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• 2008

암질이 불량한 암반에 터널이 굴착되는 경우 터널의 주변 암반은 그라우팅, 록볼트 설치 등의 보강법을 활용하여 일정 깊이까지 보강이 이루어진다. 터널보강의 효과를 수치해석적으로 계산하기 위해서는 보강재를 직접 요소로 표현하거나 보강영역의 등가물성을 활용하는 방법이 적용될 수 있다. 이 연구에서는 후자의 목적에 이용될 수 있는 원형터널의 탄소성 해석을 위한 간단한 수치해석 기법을 개발하였다. 정수압조건의 초기응력이 작용하는 Mohr-Coulomb 암반에 굴착된 원형터널이 고리형태로 일정 깊이까지 보강된다면 보강대는 원 암반과 물성의 차이를 보인다고 가정할 수 있다. 보강대와 보강대를 제외한 가상의 터널에 대해 각각 Lee & Pietruszczak (2007)가 제안한 탄소성 해석법을 적용하고 적합조건을 만족하도록 두 영역의 해석결과를 연결시키는 방법으로 보강대 효과를 계산할 수 있는 탄소성 수치해석법을 개발하였다. 상업코드인 FLAC을 활용한 해석결과와 비교를 통하여 개발된 방법의 정확성을 검증하였다. 해석결과 보강대의 변형계수와 강도정수의 변화를 고려한 응력 및 변위 분포는 균질한 암반을 가정한 해석결과와 큰 차이를 보여주었다.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.635-650
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• 2018

최근 국내에 발생된 지진으로 인해 더 이상 한반도가 지진으로부터 안전지대가 아니라는 것이 많은 사람들에게 각인되었다. 경주와 포항에서 발생된 지진은 그 동안 국내에서 내진설계에 기준으로 고려한 지진의 특성과 상이하게 나타났고, 그에 따른 내진설계 방법에 대한 연구 또한 많은 연구자들에 의해 수행되어 지고 있다. 이러한 지진하중에 대한 고려는 주로 기존 상부 구조물에 초점이 맞춰져 있으며, 그에 따른 연구 또한 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 하지만, 지반의 구조적 안정성을 확보하기 위해 시공된 네일, 록볼트, 그라운드 앵커 등과 같은 지중구조물에 대한 지진하중으로부터의 구조적 안정성에 대한 고려는 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 풍화암에 정착된 그라운드 앵커에 대해 정하중이 작용할 때와 지진하중이 앵커에 미치는 영향을 분석하였다. 정하중에 의한 영향은 현장 인장시험 결과로, 지진하중 영향은 수치해석을 통해 파악하였다. 그 결과, 앵커에 긴장력 도입으로 인한 반력판의 침하가 발생하는 것으로 나타났으며, 그로 인한 앵커의 축력 감소가 발생하였다. 또한 지진하중에 의해 앵커 정착부의 변위가 증가하였으며, 정착부 길이가 길수록 장주기 지진에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제31권6호
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• pp.593-609
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• 2021

본 연구에서는 입자기반 개별요소모델(grain-based distinct element model, GBDEM)을 이용하여 결정질 암석 내 포함된 균열의 열-역학적 거동을 평가할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 열에 의한 균열의 미끄러짐 거동을 해석하였다. 이는 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 일환으로 수행된 벤치마크 모델링 연구로, Task G는 결정질 암반 내 균열의 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. 여기에서는 Voronoi diagram을 이용하여 다면체 개별입자의 집합체로서 해석모델을 생성하고, 입자 및 입자간 접촉에서 발생하는 열-역학적 거동을 개별요소프로그램인 3DEC을 통해 해석하였다. 암석 시험편의 탄성거동을 재현하기 위하여 등가연속체 개념을 적용하여 입자와 접촉의 미시물성을 산정하였으며, 균열에 상응하는 접촉에는 Coulomb slip model을 부여하여 인장강도와 전단강도를 갖는 불연속면을 모사하였다. 경계응력과 열응력에 의한 균열의 거동을 수치적으로 모델링하였으며, 경계조건에 따라 균열의 미끄러짐이 발생하는 열-역학적 메커니즘을 정량적으로 분석하였다. 해석 결과, 본 연구에서 제시한 해석모델이 암석 내 열팽창과 열응력의 증가, 균열 응력과 변위, 경계조건의 영향 등을 합리적으로 재현하고 있음을 확인하였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 실내실험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.

• 터널과지하공간
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• 제31권6호
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• pp.400-414
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• 2021

고준위방사성폐기물 처분장에서 벤토나이트는 공학적방벽재로서 주로 사용되어지는 재료로서 열-수리-역학-화학적 복합적 거동을 겪게 된다. 본 보고에서는 이러한 벤토나이트에 대한 X선 단층촬영 기반의 분석 및 특성화와 관련된 최근 연구 및 기술동향을 고찰하였다. X선 단층촬영 기반 벤토나이트의 평가는 분말형태와 펠렛형태에 대해 적용된 내용을 다루었다. X선 이미징을 통해 마이크로스케일에서 입자의 정보를 추출할 수 있으며 벤토나이트의 불균질성을 야기할 수 있는 펠렛 내부의 균열을 검출할 수 있다. 수화조건하에서 분말과 펠렛이 혼합된 벤토나이트에 대한 X선 분석을 통해 실험과정에서 발생하는 불균질 영역을 특정하고 모니터링이 가능하다. 펠렛으로만 구성된 벤토나이트가 펠렛과 파우더의 혼합으로 이루어진 벤토나이트보다 더 빨리 팽윤되는 특성이 보고되기도 하였다. 벤토나이트의 입자와 블록에 존재하는 작은 균열들이 건조-수화 조건하에서 각각 균열의 닫힘과 열림이 발생하는 것도 확인되었다. 전문 소프트웨어를 이용하여 시공간 단층 이미지로부터 변형률분포를 추출한 경우도 있었다. 최근의 연구들에서는 X선 단층촬영 기술을 이용하여 시간경과에 따른 벤토나이트의 건조밀도, 함수비, 입자의 이동 등을 평가하기도 하였다. 또한, 수화과정에 온도 조건을 고려하여 시간에 따른 재료의 전체 밀도 및 국부적 밀도 변화를 관찰하는 연구도 진행되고 있다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제26권3호
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• pp.92-102
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• 2022

대표적인 지중구조물인 터널시설물의 거동 특성을 평가하기 위해 다양한 수치해석 모델을 활용할 수 있다. 일반적으로 수치해석시 가장 많이 사용한 Mohr-Coulomb 모델은 탄성-완전소성 거동 모델로 하중증가-하중감소 단계시 변형 특성이 동일하여, 굴착해석의 경우 변위가 현장 상황과 다르게 나타날 수 있는 문제점이 있다. 그에 비해 HS-small Strain Stiffness 모델은 지반별 적용 범위가 넓으며, 초기탄성계수 및 비선형곡선 파라미터 하중증가-하중감소 단계의 탄성계수 등을 입력 가능하게 하여 흙의 변형 특성이 현장 조건에 맞게 해석 가능하다고 알려져 있다. 하지만 토목 기술자들은 지반의 특성 계수 추정의 어려움으로 인해 재료 비선형 특성을 적용 가능한 모델의 사용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 토목 기술자들이 터널 수치해석시 일반적으로 적용하는 Mohr-Coulomb 모델과 지반 비선형성을 고려 가능한 HS Small strain Stiffness 모델을 적용한 내진성능평가 결과 값을 비교하여 합리적인 모델 선택의 필요성을 검토하였다.

• 터널과지하공간
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• 제33권3호
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• pp.189-207
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• 2023

In the present study, the thermoshearing experiment on a rough rock fracture were modeled using a three-dimensional grain-based distinct element model (GBDEM). The experiment was conducted by the Korea Institute of Construction Technology to investigate the progressive shear failure of fracture under the influence of thermal stress in a critical stress state. The numerical model employs an assembly of multiple polyhedral grains and their interfaces to represent the rock sample, and calculates the coupled thermo-mechanical behavior of the grains (blocks) and the interfaces (contacts) using 3DEC, a DEM code. The primary focus was on simulating the temperature evolution, generation of thermal stress, and shear and normal displacements of the fracture. Two fracture models, namely the mated fracture model and the unmated fracture model, were constructed based on the degree of surface matedness, and their respective behaviors were compared and analyzed. By leveraging the advantage of the DEM, the contact area between the fracture surfaces was continuously monitored during the simulation, enabling an examination of its influence on shear behavior. The numerical results demonstrated distinct differences depending on the degree of the surface matedness at the initial stage. In the mated fracture model, where the surfaces were in almost full contact, the characteristic stages of peak stress and residual stress commonly observed in shear behavior of natural rock joints were reasonably replicated, despite exhibiting discrepancies with the experimental results. The analysis of contact area variation over time confirmed that our numerical model effectively simulated the abrupt normal dilation and shear slip, stress softening phenomenon, and transition to the residual state that occur during the peak stress stage. The unmated fracture model, which closely resembled the experimental specimen, showed qualitative agreement with the experimental observations, including heat transfer characteristics, the progressive shear failure process induced by heating, and the increase in thermal stress. However, there were some mismatches between the numerical and experimental results regarding the onset of fracture slip and the magnitudes of fracture stress and displacement. This research was conducted as part of DECOVALEX-2023 Task G, and we expect the numerical model to be enhanced through continued collaboration with other research teams and validated in further studies.