Study on Thermal, Hydraulic, and Mechanical Properties of KURT Granite and Gyeongju Bentonite

Changsoo Lee,Seok Yoon,Won-Jin Cho,Yeonguk Jo,Sudeuk Lee,Seokwon Jeon,Geon Young Kim 한국방사성폐기물학회 2019 방사성폐기물학회지 Vol.17 No.Special

한국원자력연구원 부지 내에 위치한 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT) 에서는 선진핵주기 고준위폐기물처분시스템(A-KRS)을 기반으로 고준위방사성폐기물을 처분하였을때, 예상되는 공학적방벽(Engineered Barrier System, EBS)과 자연방벽(Natural Barrier System, NBS)에서의 열-수리-역학적 복합거동(Thermo-Hydro-Mechanical coupled behavior)의 특성을 규명하고자 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 2012년부터 계획 및 설계를 시작하여, 2016년 5월부터 지하처분연구시설 3번 연구 갤러리(Research gallery 3)에서 진행하고 있다. 현장시험의 데이터를 분석하고 열-수리-역학적 복합거동 특성을 명확히 규명하기 위해서는 경주 벤토나이트와 KURT 암석 및 암반의 열적, 수리적, 그리고 역학적 물성 특성을 반드시 파악하고 있어야만 한다. 이에 본 연구에서는 지금까지 수행된 KURT 부지 특성과 KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열적, 수리적, 그리고 역학적 특성을 정리하고, 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델을 제시하였다. 특히, 온도에 따른 암석의 열팽창계수 변화, 응력에 따른 암석의 투수계수 변화, 포화도에 따른 벤토나이트 및 암석의 열전도도 변화, 포화도에 따른 벤토나이트의 비열 및 흡입력 변화와 같은 열-수리-역학적 복합물성에 대한 다양한 모델을 도출함으로써, In-DEBS 현장시험 결과 분석과 열-수리-역학적 복합거동 특성 평가를 위해 수행 될 수치시험에 필요한 벤토나이트와 암석 및 암반의 입력자료를 제시하고자 하였다. In 2012, an in-situ Demonstration of Engineered Barrier System (In-DEBS) was planned with the aim of investigating the coupled thermohydro- mechanical (THM) behavior of both the engineered barrier system (EBS) and the natural barrier system (NBS) at the advanced Korean reference repository system (A-KRS). The relevant in-situ experiment has been in operation in Research Gallery 3 of the KAERI Underground Research Tunnel (KURT) since May 2016. For analysis of the in-situ experiment data and investigation of the THM coupled behavior, it is necessary to understand thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and bentonite buffer material. This paper summarizes the thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and Gyeongju bentonite presented in previous studies. Moreover, it suggests various models capable of providing input parameters for interpretative modeling of In-DEBS experiment or for predictive numerical simulations of In-DEBS or A-KRS.

KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열-수리-역학적 특성 규명

이창수,윤석,조원진,조영욱,이수득,전석원,김건영 한국방사성폐기물학회 2019 방사성폐기물학회지 Vol.17 No.Special

In 2012, an in-situ Demonstration of Engineered Barrier System (In-DEBS) was planned with the aim of investigating the coupled thermohydro- mechanical (THM) behavior of both the engineered barrier system (EBS) and the natural barrier system (NBS) at the advanced Korean reference repository system (A-KRS). The relevant in-situ experiment has been in operation in Research Gallery 3 of the KAERI Underground Research Tunnel (KURT) since May 2016. For analysis of the in-situ experiment data and investigation of the THM coupled behavior, it is necessary to understand thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and bentonite buffer material. This paper summarizes the thermal, hydraulic, and mechanical properties of KURT granite and Gyeongju bentonite presented in previous studies. Moreover, it suggests various models capable of providing input parameters for interpretative modeling of In-DEBS experiment or for predictive numerical simulations of In-DEBS or A-KRS. 한국원자력연구원 부지 내에 위치한 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT) 에서는 선진핵주기고준위폐기물처분시스템(A-KRS)을 기반으로 고준위방사성폐기물을 처분하였을때, 예상되는 공학적방벽(Engineered Barrier System, EBS)과 자연방벽(Natural Barrier System, NBS)에서의 열-수리-역학적 복합거동(Thermo-Hydro-Mechanical coupled behavior)의 특성을 규명하고자 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 2012 년부터 계획 및 설계를 시작하여, 2016년 5월부터 지하처분연구시설 3번 연구 갤러리(Research gallery 3)에서 진행하고 있다. 현장시험의 데이터를 분석하고 열-수리-역학적 복합거동 특성을 명확히 규명하기 위해서는 경주 벤토나이트와 KURT 암석 및 암반의 열적, 수리적, 그리고 역학적 물성 특성을 반드시 파악하고 있어야만 한다. 이에 본 연구에서는 지금까지 수행된 KURT 부지 특성과 KURT 화강암 및 경주 벤토나이트의 열적, 수리적, 그리고 역학적 특성을 정리하고, 열적, 수리적, 그리고 역학적 모델을 제시하였다. 특히, 온도에 따른 암석의 열팽창계수 변화, 응력에 따른 암석의 투수계수 변화, 포화도에따른 벤토나이트 및 암석의 열전도도 변화, 포화도에 따른 벤토나이트의 비열 및 흡입력 변화와 같은 열-수리-역학적 복합물성에 대한 다양한 모델을 도출함으로써, In-DEBS 현장시험 결과 분석과 열-수리-역학적 복합거동 특성 평가를 위해 수행될 수치시험에 필요한 벤토나이트와 암석 및 암반의 입력자료를 제시하고자 하였다.

The DFN-DEM Approach Applied to Investigate the Effects of Stress on Mechanical and Hydraulic Rock Mass Properties at Forsmark, Sweden

K.-B. Min(민기복),O. Stephansson(우베스테판손) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.2

균열암반의 역학적 및 수리적 성질에 암반 초기응력이 미치는 영향을 고찰하였다. 지질 데이터는 스웨덴 원전원료 및 방사성 폐기물 관리회사(SKB)에 의해 수행된 포쉬마크지역의 부지조사로부터 획득되었으며 암반균열망-개별요소법 수치실험(Discrete Fracture Network - Discrete Element Method) 을 통하여 암반의 등가역학적 및 등가수리적 물성을 결정하였다. 수치실험결과 균열 강성의 응력의존성, 균열 방향에 따른 상이한 변형거동, 균열거동에 따른 수리유동 경로의 변화 등의 원인에 의하여 등가역학적 및 등가수리적 물성은 응력의존성이 큰 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 암반 초기응력의 정확한 예측이 특정 부지에서의 경계조건으로서뿐만 아니라 균열암반의 역학적 및 수리적 물성을 이해하는 데도 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다. The purpose of this study is to demonstrate the effect of in-situ rock stresses on the deformability and permeability of fractured rocks. Geological data were taken from the site investigation at Forsmark, Sweden, conducted by Swedish Nuclear Fuel and Waste Man-agement Company (SKB). A set of numerical experiments was conducted to determine the equivalent mechanical properties (essentially, elastic moduli and Poisson’s ratio) and permeability, using a Discrete Fracture Network-Discrete Element Method (DFN-DEM) approach. The results show that both mechanical properties and permeability are highly dependent on stress because of the hyperbolic nature of the stiffness of fractures, different closure behavior of fractures, and change of fluid pathways caused by deformation. This study shows that proper characterization and consideration of in-situ stress are important not only for boundary conditions of a selected site but also for the understanding of the mechanical and hydraulic behavior of fractured rocks.

복합 처분환경 모사조건에서의 KURT 화강암의 역학적 물성 변화 평가

박승훈,김진섭,김건영,권상기 사단법인 한국터널지하공간학회 2019 한국터널지하공간학회논문집 Vol.21 No.4

The rock properties measured under in-situ geological condition can be used to increase the reliability in numerical simulations with regard to the long-term performance of a high-level waste repository. In this study, the change in mechanical properties of KURT (Korea atomic energy research institute Underground Research Tunnel) granite was evaluated under the simulated THM (Thermo-Hydro-Mechanical) coupled condition due to a deep geological formation in the disposal repository. The rock properties such as uniaxial compression strength, indirect tensile strength, elastic modulus and Poisson’s ratio were measured under the coupled test conditions (M, HM, TM, THM). It was found that the mechanical properties of KURT granite is more susceptible to the change in saturation rather than temperature within the test condition of this study. The changes in uniaxial compression strength and indirect tensile strength from the rock samples of dried or saturated conditions showed the maximum relative error of about 20% and 13% respectively under the constant temperature condition. Therefore, it is necessary to use the material properties of rock measured under the coupled THM condition as input parameters for the numerical simulation of long-term performance assessment of a disposal repository 심부 지하환경 조건에서 측정된 암석물성의 사용은 고준위폐기물처분장의 장기 안전성 평가 측면에서 해석의 신뢰성을향상시킬 수 있다. 본 연구는 지하처분연구시설(Korea atomic energy research institute Underground Research Tunnel, KURT)의 화강암(한국원자력연구원, 대전)을 대상으로 고준위폐기물 처분장에서 예상되는 복합환경 조건을 구현한 후암석의 역학적 물성 변화를 측정하였다. 실험은 심지층 처분환경이 모사되도록 열-수리-역학적 복합 환경(Thermo-Hydro- Mechanical, THM)이 조절될 수 있는 실험장치를 제작하였다. 다양한 복합 실험조건(M, HM, TM, THM)을 구현하여일축압축강도와 간접인장강도, 탄성계수, 포와송비 등의 암석물성을 측정한 후 그 결과를 분석하였다. 실험결과, 처분장근계암반 예상 온도범위 내에서는 KURT 화강암의 역학적 물성이 온도의 영향 보다 포화유무에 따른 변화가 더 큰 것을확인할 수 있었다. 또한, 동일한 온도 조건에서 포화 유무에 따른 일축압축시험 결과는 최대 약 20%의 상대적인 차이를보였으며, 간접인장시험 결과는 최대 13%의 차이가 발생하였다. 따라서 처분장의 장기거동에 따른 성능평가 및 안전성예측을 위해서는 기존의 상온 실내시험을 통해 도출된 암석물성을 사용하기보다 심부 지하환경을 반영한 암석의 복합물성을 활용하는 것이 해석의 신뢰도 향상에 기여할 수 있을 것이다.

이산화탄소 주입공 그라우팅 시멘트의 역학적 물성 및 파괴 거동

박미희 ( Mi Hee Park ),장찬동 ( Chan Dong Chang ),조영욱 ( Yeong Uk Jo ),추민경 ( Min Kyoung Choo ),염병우 ( Byoung Woo Yum ) 대한지질공학회 2011 지질공학 Vol.21 No.2

이산화탄소 지중저장을 위한 주입공의 안정성 및 누출제어에 주요 영향을 미치는 그라우팅 시멘트의 물리, 역학적 물성과 파괴 거동 특성을 실내실험을 통해 규명하였다. 물과 조강 3종 포틀랜드 시멘트를 네 종류의 질량비(각각 0.4, 1, 2, 3)로 배합한 시편을 제작하여 시험하였다. 그라우팅재의 제반 물리, 역학적 물성은 물/시멘트 배합비 0.4와 1 사이에서 급격하게 변화하며 전체적으로 물/시멘트 배합비가 증가함에 따라 공극률은 증가, 탄성파속도, 탄성계수, 압축, 인장강도 등은 감소하는 체계적인 변화양상을 보였다. 특히 일련의 삼축압축실험에서는 시편 성형시 물/시멘트 배합비와 시편에 작용하는 구속압조건에 따라 취성파괴와 연성변형의 경계가 명확히 구분되었다. 규명된 물성 및 파괴거동은 이산화탄소 주입공 주변의 암반응력과 주입압 조건에 따라 발생할 수 있는 그라우팅재의 일차적 변형, 파괴, 균열 등의 모델분석에 주요 입력인자로 활용될 수 있을 것으로 기대한다. We conducted laboratory experiments to determine the physical and mechanical properties, and the failure behaviors, of cements for use as grouting material in a CO2-injection borehole. Samples with four different ratios of water to cement mass (0.4, 1, 2, and 3) were tested. The analyzed properties (porosity, sonic velocity, modulus, and compressive and tensile strengths) varied systematically as a function of the ratio of water to cement (w/c), showing a sharp change between w/c ratios of 0.4 and 1. Triaxial compression tests revealed a clear boundary between brittle and ductile failure depending on the w/c ratio and confining pressure. The present results can be utilized as input parameters for numerical models to understand the initial deformation and failure behavior of grouting cements in a CO2-injection borehole.

지반공학적 특성을 고려한 유동역학적 실험을 통한 토석류의 수치해석적 연구

김진욱(Kim Jin Wook),권숙호(Kwon Suk Ho),신호성(Shin Ho sung) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.6

토석류의 유동역학적 물성 평가는 토석류의 흐름 특성과 피해 규모에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 조립질 토사를 포함한 유동물성 실험방법을 제안하고, 실험결과를 이용하여 수치해석을 진행하였다. 물성실험은 우면산 현장시료에 대하여 다양한 함수비 조건에서 수행되었고, 토석류의 흐름해석 프로그램을 이용한 역해석을 통하여 유동역학적 물성을 산정하였다. 실내실험 결과는 토석류의 함수비가 증가할수록 토석류의 흐름 높이는 낮아지며 유속은 증가하는 것으로 나타났으며, 점성은 작아지고, 마찰각은 증가하는 것으로 나타난다. 우면산 지역에 대한 수치해석 결과는 마찰각이 클수록 토석류의 흐름 높이와 유속이 낮아지는 것으로 나타났다. 산지부에서의 토석류의 흐름특성은 점성보다 마찰각에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. Assessment of the hydro-mechanical properties of debris flow plays a major role in the flow characteristics and the magnitude of the damage. This study proposed a new laboratory test to determine material properties of debris including coarse grained soil, and numerical simulations used these properties for debris flow simulations in mountainous terrain. The physical property tests were carried out at various water content conditions using the field samples from Woo-myun Mountain, and the hydro-mechanical properties were calculated by inverse analysis using the developed numerical simulator for debris flow. Laboratory test results show that samples with higher water content have lower flow height with higher flow velocity in the debris flow, and water content increase in debris flow leads to lower viscosity and higher friction angle. Numerical results for the Woo-myun Mountain area show that the larger the friction angle, the lower the flow height and velocity of the debris flow. The flow characteristics in the mountainous area seem to be mainly governed by the friction angle rather than the viscosity.

Comparison of Two-and Three-dimensional Approaches for the Numerical Determination of Equivalent Mechanical Properties of Fractured Rock Masses

Ki-Bok Min(민기복),Alain Thoraval(알렌토로발) 한국암반공학회 2012 터널과지하공간 Vol.22 No.2

균열암반의 등가역학적 물성을 수치해석적으로 결정할 때 2차원 및 3차원 해석을 비교하였다. 수직균열 모델과 암반균열망(DFN) 모델이 균열암반의 형상으로 이용되었으며 3차원 모델으로부터 다양한 방향으로 2차원 모델을 절단하여 역학적 물성을 비교하였다. 본 연구의 지질데이터는 영국 셀라필드 지역의 자료를 기본으로 사용하였다. 직교균열모델에서는 컴플라이언스텐서의 변환을 이용한 해석적 방법이 물성결정을 위해 이용되었으며 암반균열망모델에서는 수치실험이 실시되었다. 2차원 모델에서는 균열이 항상 모델평면과 직교한다고 가정하기 때문에 탄성계수는 항상 3차원보다 크게 계산이 되었다. 2차원 해석에서의 포아송비는 3차원 해석보다 큰 값을 나타내는 경향이 있었으나 반대의 경향도 관찰되었다. 본 논문은 3차원 형상을 단순화시켜 사용하는 2차원 해석의 한계를 정량적으로 고찰하였다는데 의의가 있다. This paper compares the two-and three-dimensional (2D and 3D) approaches for the numerical determination of the equivalent mechanical properties of fractured rock masses. Both orthogonally-fractured model and discrete fracture networks (DFN) were used for the geometry and 2D models were cut in various directions from 3D model to compare their mechanical properties. Geological data were loosely based on the data available from Sellafield, UK. Analytical method based on compliance tensor transformation was used for investigation in orthogonally fractured rock and numerical experiments were conducted on fractured rock mass with DFN geometry. It is shown that 2D approach always overestimates the elastic modulus of fractured rock masses by a factor of up to around two because fractures are assumed to be perpendicular to the model plane in 2D problems. Poisson ratios tend to have larger values in 2D analysis while there is opposite trend in some sections. The study quantitatively demonstrates the limitation of the 2D approach that uses the simplified model from true 3D geometry.

PFC2D를 이용한 절리암반의 역학적 물성 평가연구

박의섭(Eui-Seob Park),류창하(Chang-Ha Ryu) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.2

절리 암반의 역학적 물성 및 거동 평가가 터널 및 지하구조물의 설계에 매우 중요하다 할지라도, 그것은 항상 매우 어려운 문제로 간주되어 왔다. 암반 거동을 모사하는데 있어서 어려움중의 하나는 적절한 구성 모델을 선정하는 것이다. 이러한 한계점은 PFC와 같이 사용자로 하여금 암반의 구성 모델을 요구하지 않는 개별요소 프로그램의 개발과 함께 극복되어질 것이다. 본 연구에서는 도로터널 현장의 30 m × 30 m × 30 m 절리 암반블록을 대상으로, 시추 및 지표 지질조사를 통해 얻어진 절리의 기하학적 형태자료를 근거로 개별균열망이 작성되었다. 개별균열망 모델의 절리 형상을 근거로 절리가 없는 상태에서 점차적으로 절리군을 추가해가면서 2차원 PFC 모델이 만들어졌다 또한 각각의 PFC 모델에 대한 수치모사를 통하여 각 모델의 응력-변형율 곡선이 얻어졌다 응력-변형율 곡선으로부터 절리 암반의 역학적 물성이 결정되었다. 절리의 존재는 암반의 역학적 물성에 상당한 영향을 미쳤으며, 더욱 중요한 것은 PFC 모델의 역학적 거동은 기존의 수치모델에서 요구되는 구성 모델에 의하여 결정되지 않는다는 것이다. Although the evaluation of the mechanical properties and behavior of jointed rock masses is very important for the design of tunnel and underground openings, it has always been considered the most difficult problem. One of the difficulties in describing the rock mass behavior is the selection of the appropriate constitutive model. This limitation may be overcome with the progress in discrete element software such as PFC, which does not need the user to prescribe a constitutive model for rock mass. In this paper, a 30 m × 30 m × 30 m jointed rock mass of road tunnel site was analyzed. A discrete fracture network was developed from the joint geometry obtained from core logging and surface survey. Using the discontinuities geometry from the DFN model, PFC simulations were carried out, starting with the intact rock and systematically adding the joints and the stress-strain response was recorded for each case. With the stress-strain response curves, the mechanical properties of jointed rock masses were determined. As expected, the presence of joints had a pronounced effect on mechanical properties of the rock mass. More importantly, getting the mechanical response of the PFC model doesn't require a user specified constitutive model.

고온 조건하 암석의 열적ㆍ역학적 물성에 대한 연구현황

이창수(Changsoo Lee),박정욱(Jung-Wook Park),박철환(Chulwhan Park),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2015 터널과지하공간 Vol.25 No.1

본 기술보고서에서는 현재까지 발표된 국내외 70여 편의 주요 연구들을 토대로 고온 조건하 암석의 열적ㆍ역학적 물성에 대한 실험 데이터를 수집하여 요약・제시하였다. 대부분 특정 암석에 대해 일회성으로 보고 되었던 선행연구들의 실험 결과를 보다 체계적으로 통합하여 제시함으로써 향후 열적 환경에 건설되는 암반구조물의 타당성 조사단계 및 초기 설계단계에서 이들의 활용성을 제고하고자 하였다. In this technical report we summarize the observational data on thermal and mechanical properties of rocks reported by over 70 best published papers. The experimental results reported individually are integrated and presented in tables and figures here, which will provide fundamental data to fairly determine and evaluate the rock properties at the initial design stage of underground structures exposed to high temperature environment.

물 분사 폐열회수 보일러의 설계 사양을 구하는 열역학적 해석법

이창언(Chang-Eon Lee),김도현(Do-Hyun Kim),금성민(Sung-Min Kum) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.9

본 논문은 시스템 내부만을 순환하는 작동 유체를 갖는 물 분사 폐열회수 보일러에 대한 체인 블록(chain block) 열역학 해석법과 그 활용법을 소개한 것이다. 작동 조건 및 필요한 설계 정보에 따라 시스템을 여러 부분(block)으로 나눈다. 각 블록은 독립적인 질량/에너지 보존식을 가지며, 선행 블록의 출구 조건이 다음 블록의 입구 조건이 되도록 연결한 체인 블록 해석법을 이용하면 각 부품의 설계 사양, 운전 상태 및 시스템 성능이 쉽게 얻어진다. 물 분사 폐열회수 보일러의 성능은 95%까지도 얻을 수 있으며, 또 화염 온도는 기본 보일러에 비해 약 100~150°C 정도 감소하여 NOx 저감에 유리하다. This study introduces chain block thermodynamic analysis method and its application for heat recovery boilers with water spray (HR-Bs/WS) which have working fluids recirculating only the system insides. The system is divided into several blocks depending on their operating conditions and required design information. A block has independent mass and energy equations and the chain block incorporates serially connected blocks with outlet conditions from the front block used as inlet conditions for the next. The chain block method was very convenient for obtaining design specification, operating conditions of each component, as well as system performance. HR-B/WS systems achieved up to 95 % thermal efficiency and decrease flame temperature about 100~150 °C compared to the basic boilers.