암석 절리면 거칠기의 정량화에 대한 연구 (I) - 문제점의 규명

홍은수,남석우,이인모,Hong, Eun-Soo,Nam, Seok-Woo,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2005 터널기술 Vol.7 No.4

기존의 전단강도 모델에서 거칠기와 전단강도를 실제보다 과소평가 하고 있는 문제의 원인을 파악하기 위하여 먼저 거칠기의 발현 특성, 거칠기 계수의 특성, 거칠기 계수에 미치는 측정 간격과 만곡 (waviness)의 효과 등을 검토하였다. 그 결과, 이러한 문제에는 거칠기의 발현특성의 고려 부족, 거칠기 계수의 오용, 거칠기의 측정 과정에서의 엘리어싱 (aliasing)이 중요한 역할을 하는 것으로 확인하였다. 확인된 결과를 토대로 문제점을 개선하기 위한 실질적인 방법을 제안하였다. 거칠기 측정 방법에서는 카메라 방식의 3D 스캐너를 사용하는 것이 기존의 방법보다 유효한 것으로 확인하였다. 측정간격은 엘리어싱을 막기 위하여 전단강도에 영향을 주는 작은 돌출부의 1/4 이하가 되어야 한다. 거칠기 정량화 면에서는 거칠기 계수를 돌출부의 규모별로 2개의 성분으로 구분하여 전단 모델에 적용하여야 하는 것으로 분석되었다. 이를 위하여 돌출부의 소성파괴 개념에 근거하여 거칠기를 만곡과 요철로 구분할 수 있는 구분 기준을 제시하였으며, 새로운 전단강도 모델을 제안하기 위한 토대를 마련하였다. To figure out the cause of underestimating the roughness and shear strength of rock joints suggested by numerous researchers, we analyzed roughness mobilization characteristics, characteristics of roughness parameters, effects of sampling interval, and waviness for roughness parameters. It was found out that lack of understanding of the roughness mobilization characteristics, inappropriate applications of roughness parameters, and effect of aliasing provide a main reasons for those problems. Several practical alternatives for improving those problems were suggested. As far as digitizing methods are concerned, we can find that using a 3D scanner can give a relatively effective result. To avoid aliasing, sampling interval should be less than one-quarter of the minimum asperities. As for the quantification of roughness, it was analyzed that the roughness parameter should be classified into two components depending on the scale of roughness to apply the shear strength model. For classifying the roughness, a framework of the criterion was suggested based on the plastic flow concept for the asperity failure, and the basis for proposing a new alternative shear strength model was established.

암석 절리면 거칠기의 정량화에 대한 연구(II) - 거칠기의 구분과 강도식의 제안 -

홍은수,조계춘,권태혁,이인모,Hong, Eun-Soo,Cho, Gye-Chun,Kwon, Tae-Hyuk,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2006 터널기술 Vol.8 No.2

카메라 방식의 3D 스캐너로부터 구한 암석 절리면의 거칠기를 만곡과 요철의 거칠기 성분으로 구분하였다. 거칠기의 구분 기준은 이전의 연구에서 도출된 것을 적용하였으며, 구분 방법으로는 디지털 필티링 기법을 사용하였다. 원래의 프로파일과 구분한 프로파일을 사용하여 금속 주형을 제작하였으며, 정밀한 가공을 위하여 WEDM(Wire-cut Electric Discharge Machining)을 사용하였다. 고강도 석고를 사용하여 시편을 복제하였고, 절리면 전단시험을 실시하였다. 낮은 연직응력 범위와 높은 연직응력 범위에서 전단시험을 실시하고, 거칠기의 규모와 연직응력에 따른 발현 특성을 분석하였다. 절리면 전단강도 예측을 위한 새로운 상관식을 제안하였으며, 이 상관식은 거칠기의 발현 특성과 거칠기 계수의 특성을 모두 효과적으로 고려할 수 있었다. 그러므로 거칠기의 구분에 의한 정량화가 절리면 전단강도 예측을 위한 효과적인 방법이 될 수 있음을 확인할 수 있었다. Rock joint roughness obtained from the camera-type 3D scanner was classified into waviness and unevenness. The classification criteria were established in the previous study; digital filtering was used to distinguish one from another. The classified and original profiles were used to produce metal moulds. For accurate machining of the moulds, the WEDM(Wire-cut Electric Discharge Machining) was adopted. Specimens were cast using high strength gypsum, and joint shear tests were performed by varying normal stress from low value to high one. Roughness mobilization characteristics depending on the asperity scale and the applied normal stress were investigated. A new equation was proposed to predict shear strength of rock joint, which can consider the characteristics of roughness mobilization and roughness parameters. The roughness quantification composed of waviness and unevenness was found to be a useful method to predict the joint shear strength.

유사 암석 시편을 사용한 암석 절리면 돌출부 손상 연구

홍은수,권태혁,조계춘,Hong, Eun-Soo,Kwon, Tae-Hyuk,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.3

암석 절리면의 거칠기의 발현에 따른 돌출부의 손상 특성을 연구하기 위해 전단시험 한 절리면 시편에 대한 이미지 분석을 수행하였다. 동일한 절리면에 대한 반복적인 시험에는 복제 시편을 사용한 모델시험이 가장 적합하였으므로 암석절리면으로부터 각기 다른 4종류의 3차원 거칠기를 복제하고, 고강도 석고를 사용한 시편을 제작하였다. 연직응력 수준을 변화시키며 총 20여회의 전단시험을 실시하였으며, 전단된 시편의 디지털 사진의 이미지 분석을 통하여 손상된 거칠기의 국지적 양상과 규모를 분석하였다. 분석 결과 거칠기의 손상 특성은 연직응력의 수준에 크게 의존하며, 돌출부의 파괴와 마모로 규정할 수 있는 것으로 나타났다. 돌출부 손상은 첨두 전단변위에서 가장 많이 발생하며, 변위가 증가하면 작은 돌출부들이 새롭게 손상되어 평균적인 돌출부의 손상 규모는 일정한 것으로 나타났다. 고강도 석고를 사용한 전단시험 결과에 자연 암석절리의 돌출부를 구성하는 광물입자의 물리적 특성이 완전하게 반영될 수는 없다. 그러나 첨두 전단변위와 돌출부 손상과의 상관관계에 대한 정량적 연구 결과는 돌출부 손상 특성의 파악이 암석 절리면 역학적 특성과 전단모델의 연구에 매우 중요한 수단이 될 수 있음을 보여준다. Image analyses for sheared joint specimens are performed to study asperity degradation characteristics with respect to the roughness mobilization of rock joints. Four different types of joint specimens, which are made of high-strength gypsum materials, are prepared by replicating the three-dimensional roughness of rock joints. About twenty jointed rock shear tests are performed at various normal stress levels. The characteristic and scale of asperity degradation on the sheared joint specimens are analyzed using the digital image analysis technique. The results show that the asperity degradation characteristic mainly depends on the normal stress level and can be defined by asperity failure and wear. The asperity degradation develops significantly around the peak shear displacement and the average amount of degraded asperities remains constant with further displacement because of new degradation of small scale asperities. The shear strength results using high-strength gypsum materials can not fully represent physical properties of each mineral particles of asperities on the natural rock joint surface. However the results of this quantitative estimation for the relationship between the peak shear displacement and the asperity degradation suggest that the characterization of asperity degradation provides an important insight into mechanical characteristics and shear models of rock joints.

수치해석에 의한 암반상의 지중정착식 앵커리지 인발 거동 연구

홍은수,조계춘,박승형,박재현,정문경,이성원,Hong, Eun-Soo,Cho, Gye-Chun,Baak, Seng Hyoung,Park, Jae-Hyun,Chung, Moonkyung,Lee, Seong-Won 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.6

이 논문은 케이블 인발하중이 작용하는 현수교의 지중정착식 앵커리지 캐번 터널에 대한 거동과 관련된 연구이다. 수치해석 결과와 이중곡선 관계식에 의한 추정식에서 얻어진 극한인발저항력($P_u$) 결과와 비교를 통하여 앵커리지 거동, 앵커리지 설계 방법, 파괴면의 각도, ${\delta}$ 등을 분석하였다. 연구결과 $P/{\gamma}/H$와 변위와의 선형 상관관계, $P_u/{\gamma}/H$와 H/b와의 선형 상관관계를 활용하면 앵커리지 캐번 터널의 설치 심도를 쉽게 결정 할 수 있을 것으로 나타났다. 또한 수치해석에 의한 최대전단변형률 분포도와 소성영역 분포도를 분석한 결과 지반파괴 형태는 현재 사용되는 지반 콘 보델 보다는 원호모델에 더 가까운 것으로 나타났다. 이 연구에서는 계산이 간편하도록 원호모델을 단순화한 이중곡선 모델을 제안하였다. 수치해석 결과로부터 얻어진 평균 파괴각을 이중곡선 모델에 적용한 결과, 이중곡선 모델을 적용한 추정식에서 얻어진 극한인발저항력은 수치해석에서 얻어진 극한인발저항력 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. This paper is a study for behaviour of cavern type anchorage tunnels for suspension bridges with cable tension. Anchorage behaviour, design method for anchorage, and failure surface angle, ${\delta}$ are analyzed by comparing numerical analysis results and ultimate pullout capacities($P_u$) using bilinear corelation equation. Results show that design depths for cavern type anchorage tunnels are easily checked with linear relationships for $P/{\gamma}/H$ vs. displacement and $P_u/{\gamma}/H$ vs. H/b. The analysis results of maximum shear strain distribution and plastic status show that failure shapes are closer to circular arc model than soil cone model which frequently used. To an easy calculation of the ultimate pullout capacity, we propose a simple bilinear failure model in this study. The calculated ultimate pullout capacities from the proposed bilinear corelation equation using two failure angles results are similar to the ultimate pullout capacities from numerical analysis.

암석 절리면 거칠기 과소평가의 개선을 위한 새로운 측정방법의 적용

홍은수(Hong Eun-Soo),이주공(Lee Joo-Gong),이종섭(Lee Jong-Sub),이인모(Lee In-Mo) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 C Vol.26 No.2

Many methods have been tried to more correctly measure rock joint roughness. However, true roughness may be distorted and underestimated due to the sampling interval and measurement method. Thus, currently used measurement methods produce a dead zone and distort roughness profiles. The purpose of this study is to suggest new roughness measurement method by a camera-type 3D scanner as an alternative of currently used methods. First, the underestimation of artificial roughness is analyzed by using the current measurement method such as laser profilometry. Second, we replicate eight specimens from two rock joint surfaces, and digitize by a 3D scanner. Then, the roughness coefficient values obtained from eight numbers of 3D surface data and from three hundred twenty numbers of 20 profiles data are analyzed by using current and new measurement methods. The artificial simulation confirms that the sampling interval is one of main factors for the distortion of roughness and shows that inclination of waviness may not be considered any current methods. The experimental results show that the camera-type 3D scanner produces 10% larger roughness values than current methods. As the proposed new method is a fast, high precision and more accurate method for the roughness measurement, it should be a promising technique in this area. 암석 절리면의 거칠기를 측정하는 수많은 방법이 제시되었지만 측정간격과 측정방법 때문에 항상 원래의 거칠기를 완벽하게 나타낼 수 없다는 한계가 있었다. 이와 같은 이유로, 현재 사용되고 있는 측정방법에서는 사각지대가 발생하며 거칠기를 왜곡시킨다. 이 연구에서는 현재 널리 사용되고 있는 방식의 대안으로써 카메라 방식의 3D 스캐너를 이용한 새로운 거칠기 측정법을 제시하려고 하였다. 먼저 인공 거칠기의 과소평가 문제를 레이저 프로파일러와 같은 기존의 방법에 의해 해석하였다. 또한, 8개의 시편을 2종의 암석 절리면에서 복제하고 3D 스캐너로 측정하였고, 얻어진 8개의 3D 표면 자료와 320개의 2D 프로파일 자료에 대한 거칠기 계수 값을 기존의 측정방법과 새로운 측정방법을 사용하여 분석 하였다. 해석결과 측정간격이 거칠기 왜곡현상의 원인이 될 수 있다는 것을 확인시켜 주었으며 만곡의 기울기는 기존의 방법으로는 고려할 수 없음을 알 수 있었다. 카메라 방식의 3D 스캐너를 측정방법으로 사용하면 기존의 방법에서 보다 거칠기가 10% 정도 더 크게 평가된 값을 얻을 수 있으며, 실제 프로파일의 형태를 좀 더 명확히 파악할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 새로운 방법이 빠르고 정밀하면서도 정확한 거칠기 측정방법이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.

수평시추 방식에 의한 해저터널 시공중의 막장 수압경감

홍은수(Eun-Soo Hong),박의섭(Eui-Seob Park),신희순(Hee-Soon Shin),박찬(Chan Park),김형목(Hyung-Mok Kim) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.1

대부분의 터널 침수사고는 파쇄대나 단층대 등과 같은 큰 투수성을 가진 구간에서 발생하는 막대한 용수와 관련이 있다. 침수사고의 원인과 대책을 알아보기 위해 시공중 사고 사례를 연구하였으며, 사례분석 결과 침수가 사전에 예측되고 터널 굴착 전에 사전 배수가 이루어진다면 이러한 사고는 충분히 방지할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 분석 결과에 의하여 이 연구에서는 사전 지반조사와 사전 배수 개념에 의한 새로운 수평 배수 시스템을 제안하였다. 해저터널 시공중에 배수관에 의한 터널 막장의 수압 감소 효과를 분석하기 위해 침투류 해석을 실시 하였으며, 배수 시스템의 성능을 분석하기 위해 배수 시스템 분석을 실시하였다. 해석 결과 제안된 사전 배수 시스템이 명백한 배수와 수압감소 효과를 나타났다. 따라서 이 시스템은 해저 터널에 적용되는 기존의 배수 시스템에 대한 대안으로 적용하는 것이 충분히 가능하다. Most of flooding cases in tunnels are associated with huge inrushes of water due to the fracture zone with very high water head. To find out the causes and countermeasures for flooding cases, a dozen of tunneling cases are studied. Case studies presented here show that if the flooding had been forecasted and pre-drained prior to the tunnel excavation, such accidents could have been prevented. From this observation, we suggest a new horizontal drainage system with pre-investigation and pre-drainage concept. Seepage analyses are performed to analyze the water head reduction effect on the tunnel face by drainage pipes during the construction of subsea tunnels. Drainage system analyses are performed to analyze performance of the drainage system. These analysis results show that the suggested horizontal pre-drainage system provides a clear drainage and water head reducing effect. Finally, the proposed system can be a new alternative to the present water controlling methods applied to subsea tunnels.

하저터널 쉴드 TBM 설계를 위한 사건수 분석 기법 기반 확률론적 위험도 분석 사례 연구

홍은수(Hong Eun-Soo),공정식(Kong Jung-Sik),신희순(Shin Hee-Soon),이인모(Lee In-Mo) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 C Vol.27 No.2

이 연구는 하저터널을 이토압(EPB; Earth Pressure Balance) 형식의 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)에 의하여 굴착하는 경우에 대하여 확률론적 위험도 분석(Probability Risk Analysis)의 적용한 사례연구이다. 터널 설계 단계에서 사건수 분석 기법(Event Tree Analysis; ETA)이 위험도의 정량적 분석방법으로 적용되었다. 위험요소 즉, 초기사건(Initiating Event)으로부터 파생될 수 있는 결과가 분석되었으며, 위험요소로부터 안전을 확보하기 위한 적절한 통상적 대응책(안전요소)이 선정되었다. 초기사건의 규정을 위하여 경험적 분석, 실시설계 보고서 분석, 하저터널 문제 발생 사례 분석, 수치해석 결과와 수리모형 실험 결과 분석, 수문분석 등과 같은 다양한 분석 방법을 사용하였다. 지질 이상, 고수압, 집중호우 등 3개의 주요 초기사건에 대한 사건수가 구성되었다. 사건수는 32개 사건 경로로 구성되었으며, 5가지의 대응책(조사/설계, 공정계획, 장비형식, 시공관리, 보강대책)을 적용하는 경우에 대한 각 사건 경로의 발생확률이 산정되었다. 위험도의 정량적인 평가가 수행되었으며, 초기사건에 의존하는 발생빈도와 치명도(criticality)가 고려되었다. 평가 결과 이 현장은 통상적인 대응책만으로는 사고가 발생될 위험이 있는 것으로 나타났다. 평가된 위험도를 비탕으로 위험도를 축소시키기 위한 재해발생 확률의 개선 목표치가 제안되었고, 이에 상응하는 추가 대응책(mitigation action)이 결정되었다. 그 결과 잠재적인 위험요소를 체계적인 방법을 시용하여 최소회할 수 있게 되었다. 따라서 하저터널 굴착과 같이 불리한 환경 조건에서 존재할 수 있는 잠재 위험들에 대한 정량적인 분석 및 평가와 이에 대한 보다 효과적인 대응책의 제시를 위하여 ETA 기법을 적용하는 것이 유효함을 확인할 수 있었다. A case study for an application of the probabilistic risk assessment technique for the underwater tunnel excavation using an earth pressure balance (ETB) type TBM (Tunnel Boring Machine) is presented in this paper. An event tree analysis (ETA) has been adopted to quantify the risk at the design stage of the tunnel. Probable results, which may be originated from initiating events, are analyzed, and countermeasures (safety functions) are selected to ensure safely against risks. To identify the initiating events, various data are used such as empirical analyses, tunnel design reports, case studies, numerical analyses, model test results, and hydrologic analysis results. Event trees associated with three significant initial events are constructed: these are a) poor ground condition; b) high water pressure; and c) heavy rainfall. Each event tree consists of five countermeasures: investigation/design; process planning; machine type; construction management; and reinforcement. It results in 32 paths, and the probability of each path is calculated. A quantitative risk assessment is performed so that the occurrence probabilities and criticalities of the paths depending on the initiating events are considered. According to the ETA results, it has been found that the original excavation procedure has a considerable probability of accidents in spite of applying five countermeasures. Additional mitigating actions are suggested to reduce the risk up to allowable level. As a result, pobable risk factors can be minimized in a systematic way. It is found that the ETA is an effective method for the quantitative evaluation of probable risks and for proposing more effective countermeasures under hazardous conditions such as underwater tunnelling.

해저터널 시공중 문제구간의 수리적 특성이 막장의 안정성에 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구

홍은수(Eun-Soo Hong),박의섭(Eui-Seob Park),신희순(Hee-Soon Shin),김형목(Hyung-Mok Kim),류동우(Dong-Woo Ryu) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.5

지하수면하의 터널 굴착은 물로 인한 많은 지반공학적 문제가 나타나며, 해저터널의 경우 높은 투수성과 고수압을 나타내는 파쇄대 근처에서의 안전율 감소로 인한 침수사고를 유발될 수 있다. 이 연구에서는 유한한 폭의 투수성이 높은 구간(문제구간) 에서 터널 안전성에 대한 수압의 영향에 대하여 분석하였다. advance core 개념에 따라 막장전방의 가상 실린더에 작용하는 침투력을 모사 하였으며, 3차원 정상류 침투수 해석을 통하여막장전방 지반의 수리적 거동에 주안점을 두고 침투력과 막장면의 안정성에 대한 문제구간의 영향을 분석하였다. 그 결과 막장면으로부터 터널의 막장면 안정성에 영향을 주는 가상 실린더의 경계면까지의 거리는 터널반경의 약5배 정도인 것으로 추정된다.이 연구의 적용된 가정의 제한성에도 불구하고 문제구간의 위험성을 고려할 할 때 이 연구결과가 시사하는 바가 크다. Tunnelling under water table induces many geotechnical problems because of groundwater. In subsea tunneling, reduction of face stability can induce flooding in the vicinity of a fracture zone characterized by high permeability and high water pressure. In this study, the effects of high water pressure on the stability of a tunnel face in a limited zone with high permeability (hazardous zone) are analyzed. On the basis of the ‘advance core’ concept, the seepage force acting on a hypothetical cylinder ahead of a tunnel face is modeled. This study focuses on the hydraulic behavior of the ground ahead of the tunnel face by three-dimensional steady-state seepage analyses. The impact of the hazardous zone on the seepage force and stability of the tunnel face are simulated and analyzed. In light of the analysis results, it is estimated that the distance from the tunnel face to the exterior boundary limit, which the seepage force significantly affects the stability of the tunnel face, of a hypothetical cylinder is approximately 5 times the tunnel radii. Despite the restrictive assumptions of this study, the results are highly indicative regarding the risks of hazardous zones.

측정방법에 따른 암석 절리면 거칠기의 과소평가

홍은수(Hong Eun-Soo),이인모(Lee In-Mo) 대한토목학회 2005 대한토목학회 학술대회 Vol.2005 No.10

사건수목분석기법을 이용한 쉴드터널 굴착시의 위험도 분석 사례

홍은수(Hong Eun Soo),이인모(Lee In Mo),김동현(Kim Dong Hyun),김용일(Kim Yong Il) 대한토목학회 2003 대한토목학회 학술대회 Vol.2003 No.10