이축압축 조건에서의 유사암석 내 공동주변 손상특성평가

Abstract

본 연구에서는 일반 암반과 유사한 취성적인 특성을 가지면서 제작이 용이한 유사암석을 제작하고 절리면과 공동을 모형화 하였다. 이축압축장치를 이용하여 절리면이 있는 유사암석에 과지압상태를 유도하였으며, 이로 인하여 발달하게 되는 절리면에 의한 공동주변에서의 손상영역을 미소파괴음(Acoustic Emission)을 이용하여 그 특성을 평가하고자 하였다. 미소파괴음을 활용하여 평가된 손상영역을 PFC(Particle Flow Code)를 이용하여 해석한 결과와 비교하였다. 이축압축 실험을 위해 제작된 장치는 최대 수직하중 300 tonf, 수평하중 100 tonf이 재하가능 하며 수용할 수 있는 실험체의 크기는 400× 400× 150 mm 이다. 실험체와 재하판에 걸리는 마찰저항을 저감하기 위하여 롤러로 지지된 피스톤 형태의 하중재하판을 제작하였다. 롤러 지지된 피스톤 형태의 하중재하판의 경우 실험체의 변형과 더불어 피스톤의 병진운동이 발생하는 것이 확인되어 실험체와 하중재하판간의 운동학적 불연속성은 발생되지 않는 것이 판단된다. 이러한 관측결과는 하중재하판과 실험체의 경계면상에서 마찰저항이 발생하지 않았음을 나타내고 있다. 이축압축실험 결과 절리면이 있을 시에는 불연속면으로 인한 응력전이로 인하여 절리면 방향의 직각방향으로 손상이 일어나는 경향이 확인되었다. 이는 응력의 집중에 의한 인장크랙 발생과 더불어 불연속면과 불연속면 사이의 재료를 단순보의 형태로 가정한다면 크랙이 발생하는 위치는 보의 지지단 근처가 되는 것을 알 수 있다. 절리면에 대한 미소파괴음 분석 결과, 응력비가 증가함에 따라 점진적으로 진행되는 균열발전단계에 대한 특성평가가 가능하였다. 절리면의 각도가 30°일 경우에는 균열개시는 0.2 ~ 0.3, 2차균열개시 및 균열결합은 0.4 ~ 0.5, 균열손상은 0.8 ~ 0.9범위에서 발생하였다. 절리면의 각도가 60°로 높아짐에 따라 균열개시점은 큰 변화가 없었으나, 2차 균열개시점 부터 균열손상점까지의 간격이 좁아지면서 30° 절리면에 비해 급격히 파괴되는 현상이 관측되었다. PFC를 이용한 해석결과 이축압축 결과와 유사한 파괴 거동의 모사가 가능하였다. 절리면 각도에 따른 공동주변의 파괴모드와 손상의 범위를 가시화하였고 이를 통해 이축압축실험 결과의 신뢰성과 시험방법의 적정성을 확인할 수 있었다. 또한, 발생하는 크랙의 방향성을 분석한 결과 불연속면의 경사에 따라 큰 차이는 없는 것으로 판단된다.; In this study, using biaxial apparatus, high stress was derived to the synthetic rock-like model within a joint. And characteristics of damaged zone of openings within joints could be evaluated by acoustic emission. damages zone evaluated with acoustic emission was compared with evaluation from PFC(particle flow code). Roller supported piston type loading platen was built to reduce the frictional resistance between the specimen and the loading platen. Development of specimen deformation with piston's reciprocal action was seen from roller supported piston type loading platen which concludes dynamical discontinuity between specimen and loading platen was not produced. These observations confirms that no frictional resistance occurred in the boundary of loading platen and the specimen. The effect of joint dip angles of 30o, 45o, and 60o were considered. The results indicate that the presence of joint sets and their orientations influences the stress distributions and the mode of failure. Tensile crack dominant failure was observed in the physical tests. The propagation of the tensile cracks was observed to be normal to the joint plane and to produce wedges around the opening. The orientation of the joints was shown to influence the stress at which cracks were initiated and the extent of damage zone around the opening. When the joint angle is low, the damage zone is wider than it is when the angle is higher. Analysis result of acoustic emission at joint states that increase in stress ratio progressively advance the characteristics of crack development. Crack initiation of 30° joint was 0.2 ~ 0.3, secondary cracking and crack coalescence was 0.4 ~ 0.5, range of crack damage was produced at 0.8 ~ 0.9. No significant change was done when the crack initiation of the crack of increase to 60°, but sudden destruction was confirmed from secondary cracking to crack damage with shorter interval than 30° joint. Numerical simulation using PFC produced similar results with tensile cracks developing and propagating in the direction normal to the joint planes, and the size of the damaged zone being inversely proportion to the orientation of the joints.