지하굴착에 의한 암반의 응력경로에 관한 연구

Abstract

암반에 작용하는 응력의 상태에 따라 암석의 역학적 거동은 취성 거동에서 연성 및 소성 거동에 이르기까지 다양한 파괴양상과 변형 거동을 보인다. 암석에 작용하는 응력은 초기 탄성영역을 거쳐 파괴면의 가시화가 발생하는 수준까지 다양한 수준의 응력이 작용할 수 있다. 특히 터널, 캐번 등 지하공동 굴착시 초기응력 상태에서 현재의 응력 상태에 도달하기까지 암반이 겪은 응력경로가 복잡한 경우에는 쉽게 예측할 수 없다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통해 지하굴착에 의한 암반의 응력경로를 분석하였다. 3차원 유한요소해석을 통해 현실성 있는 지하공동 형상에 대해서 굴착 과정에서 발생하는 암석의 응력경로를 분석하였다. 공동 주변의 필요한 특정 위치에서 초기응력 상태로부터 굴착작업 종료 시까지 응력성분들의 변화를 추적하여 응력경로를 도시하였다. 굴착에 의한 영향 범위를 알아 본 결과 응력은 계측점 굴착 후방 터널직경의 1배에서 전방 터널직경의 1배까지 굴착에 의한 영향을 받았고 계측점마다 굴착단계는 다르지만 유사한 응력변화 패턴을 보였다. 그리고 2차원 해석결과와 3차원 해석결과를 비교하면 2차원 해석결과는 초기응력상태와 굴착종료후의 응력만을 나타내어 암반의 응력이력을 파악할 수 없지만, 3차원 해석결과는 초기응력상태로부터 굴착작업 종료까지 loading, unloading, reloading의 복잡한 과정을 거치는 암반의 다양한 응력이력을 파악할 수 있다. 계측점의 안정성 평가를 위해 응력경로와 파괴포락선의 관계를 분석하였다. 그 결과 천반부, 측벽부의 추세이격비는 굴착이 진행됨에 따라 대부분 (-)값을 나타내어 파괴포락선에 접근하는 불안정한 경향을 보였고 응력경로 방향은 응력집중 및 응력증대 경향과 불안정한 경향에 집중되어서 분포하였다. 응력경로와 파괴포락선 간의 거리를 통해 계측점의 안정성을 파악할 수 있고 앞으로 응력경로의 방향을 예측하여 소성영역 발생 및 지하공동의 파괴를 예상할 수 있다. 그리고 응력경로와 암석의 다양한 거동 특성을 연결시키는 이론적 방법과 이를 활용한 수치해석적 모델링 기법을 활용하여 지하공동의 응력경로를 통한 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.