지반침하 메커니즘 분석 및 평가 프로그램 개발

최성웅(Sung O. Choi),전양수(Yang-Soo Jeon),박의섭(Eu-Sup Park),정용복(Yong-Bok Jung),천대성(Dae-Sung Chun) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.3

지하채굴적의 함몰, 지하수의 무분별한 양수, 연약지반의 압밀 및 얕은 심도에서의 지하굴착 등의 원인으로 기인하는 지반침하는 국가 기간망에 심각한 안전문제를 야기하고 있다. 특히 인구밀집 지역에서는 가옥 및 기타 시설물의 붕괴요인으로 작용함에 따라 국민의 생활권을 위협하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지반침하가 발생한 이후 조사와 보강작업이 실시되는 기존의 수동적인 접근법을 달피하고 지반침하를 예측하여 피해발생을 최소화하기 위해 사례분석을 통해 국내 지질조건에 부합하는 지반침하의 메커니즘을 규명하였으며, 지반침하에 영향을 미치는 제반 요인들을 수치해석적으로 분석하였다. 또한 이를 통해 각 요인들의 가중치를 점검, 합리적인 판단 기준을 제시코자 하였으며, 지반침하 발생여부를 파악할 수 있는 프로그램을 제작하여 이러한 가중치를 접목시킴으로써 지반침하 발생가능성에 대한 객관적인 판단과 정량적인 기준을 제시할 수 있도록 하였다. 이러한 연구결과를 통해, 지질학적 분포 현황과 같은 자연적인 조건과 지하채굴적 및 양수 현황 등과 같은 인공적인 조건들을 결부시켜 추후 전 국토에 대한 지반침하 재해 위험지도를 작성함으로써 지반침하발생 가능성을 억제하고 그 피해규모를 최소화할 수 있는 근간을 마련하였다. Surface subsidence which occurs with several reasons, such as collapse of gangway, discharge of groundwater, compaction of weak rock mass, and tunnel excavation in shallow depth, gives rise to a serious problem in national infra-structures. In this study, therefore, the mechanism of subsidence has been examined numerically to overcome the passive approach on subsidence occurrence area. With many kinds of numerical studies, the major geotechnical parameters have been selected and the weighted values have been defined for each parameters. Also the authors developed the numerical program which can estimate the possibility of subsidence occurrence, and proposed the decision method for objective and quantitative guideline. It is anticipated that this research will be helpful to establish the hazard map on subsidence region.

방사성 폐기물 지하처분장의 안정성 분석에 있어서 암반내 초기응력의 역할과 의미

최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2007 터널과지하공간 Vol.17 No.1

우리나라에는 현재 고리, 월성, 영광 등 11기의 원자력 발전소가 운영되면서 전체 전력생산량의 40% 이상을 담당하고 있으며, 2006년까지는 12기가 추가 건설되어 총 23기의 원자력 발전소가 운영되어 국내 총 전력생산량의 절반 이상을 담당하게 될 예정이다. 하지만 이러한 원자력 발전은 필연적으로 인체에 유해한 각종 방사성 폐기물을 생산하게 되므로 이에 대한 처분기술은 대단히 높은 안전율을 고려하여 확보되어야 한다. 한국 원자력연구소의 기초연구에 의하면 국내 실정상 지하 암반내 심층처분이 가장 유리한 시스템인 것으로 보고되고 있으며, 그 중에서도 심도 500 m 이상의 고심도 지하 암반내에 터널을 뚫고 터널 바닥면에 처분공을 일렬로 굴착하여 이 처분공 내에 canister로 밀봉된 방사성폐기물을 유기하는 KBS-3 처분 시스템을 제안하고 있다. 본 연구에서는 KBS-3 처분 시스템을 고려할 경우, 필연적으로 야기되는 고심도 지하에서의 초기응력성분이 처분 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위해 수치해석을 실시하였으며 이와 함께 제반 설계정수 중에서 초기응력값이 어떠한 비중을 차지하는지를 살펴보았다. The 11 nuclear power plants have been taking charge of more than 40% of the total electrical power development in Korea. In addition to the existing nuclear power plants at Gori, Wolsung, Youngkwang, etc., the 12 nuclear power plants are expected to be newly established until 2006. So, the 23 nuclear power plants will produce the electric power as much as more than 50% of the national gross production. However the nuclear power plants are inevitably generating the detrimental atomic wastes. Therefore the disposal techniques for the nuclear wastes should be ensured considering a very high safety factor. According to the basic researches in KAERI, the underground disposal repositories are reported to be most favorable for Korea. The KBS-3 disposal system has been strongly suggested by KAERI and this system has a deep tunnel with several disposal boreholes in tunnel floor. The nuclear wastes, which are sealed tightly in a canister, will be disposed in these boreholes. Considering the disposal tunnel in a great depth, the in-situ stress regimes will affect severely the tunnel stability. Consequently the effect of the in-situ stresses on the disposal tunnel and the role of the in-situ stresses in tunnel stability analysis are examined by the numerical studies.

수압파쇄 균열폐쇄압력 산정을 위한 수치해석 연구

최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.2

수직 시추공에 대한 일반적인 수압파쇄시험으로부터 구해지는 균열폐쇄압력은 암반의 최소수평주응력을 직접 나타내기 때문에 현지암반의 응력분포양상을 해석하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 그러나 수압파쇄균열의 거동과 현지암반의 응력분포양상의 관계로 인하여 대부분의 경우 이 균열폐쇄압력은 수압파쇄 압력이력곡선 상에서 애매모호한 값으로 나타난다. 본 연구에서는 수압파쇄시험으로부터 균열폐쇄압력을 산정하기 위하여 여러 연구자들에 의해 제안된 기법들의 특성을 비교해 보고자 수치해석을 실시하였다. 즉, 유체의 가압에 의한 암반 내 균열의 발생이라는 수압파쇄의 특성을 모사하기 위하여 H-M couple 해석을 적용하였으며, 또한 수치해석 모델의 형상학적 특성에 따른 균열의 전파양상을 검토하기 위해 4가지 서로 다른 형태의 요소망을 구축하여 해석을 실시하였다. 각각의 요소망에 대한 수치해석 결과, 그래픽 방법이 통계적 방법에 비해 상대적으로 낮은 수준의 균열폐쇄압력을 보였으며, 따라서 시험공 주변에서의 응력 이상대의 존재 및 복잡한 메커니즘을 수반하는 수압파쇄균열의 발생양상을 감안할 때 수압파쇄시험에 의한 균열폐쇄압력의 산정시 특별한 주의가 요구된다. The shut-in pressure calculated in common hydrofracturing test for vertical borehole equals generally to the minimum horizontal principal stress, so it should be considered as an essential parameter for determining the in-situ stress regime around the rock mass. It shows usually an ambiguous value in pressure-time history curves, however, because of the relationship between the behavior of hydraulic fractures and the condition of remote stress regime. In this study, a series of numerical analyses have been carried out to compare several methods for determining the shut-in pressure during hydrofracturing. The hydraulic-mechanical coupling has been applied to numerical analysis for simulating the fracture propagation by hydraulic pressure, and the different discontinuity geometry has been considered in numerical models to examine the effect of numerical element shape on fracture propagation pattern. From the numerical simulations with the four different discontinuity geometries, it was revealed that the shut-in pressure obtained from graphical methods rather than statistical method was relatively small. Consequently a care should be taken in selecting a method for determining the shut-in pressure when a stress anomaly around borehole and a fracture propagation with complicate mechanism are considered.

폐광산 지역에서의 지반침하예측을 위한 퍼지추론기법 적용 연구

최성웅(Sung O. Choi),김재동(Jaedong Kim),최광수(Gwangsu Choi) 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.5

Analysis of Sinkhole Formation over Abandoned Mine using Active-Passive-Active Finite Elements

Debasis Deb,Sung O. Choi(최성웅),Hee-Soon Shin(신희순) 한국암반공학회 2004 터널과지하공간 Vol.14 No.6

폐광지역에서 흔히 발생하는 싱크홀 형태의 지반침하는 인근 지역 주민의 안전은 물론, 지상구조물에 심각한 위해 요소로 작용할 수 있다. 본 연구에서는, 이러한 싱크홀의 발생양상을 수치해석적으로 규명하기 위해, 아주 특별한 형태의 유한요소해석을 실시하였다 특히, 갱도 천반의 붕락에 의해 야기되는 공간이나, 파쇄된 암반이 쌓여서 이루는 폐석더미 등 기존의 수치해석기법으로서는 쉽사리 표현할 수 없었던 현실적인 문제들을 수치적으로 모사하기 위해 active-passive-active 유한요소를 사용하였다. Active 요소 즉 고체 요소는 싱크홀이 형성되는 영역 내에서 인장파괴 기준식을 만족하게 되면 passive 요소 즉 공간 요소로 전환될 수 있다. 싱크홀이 완전히 형성되게 되면 이들 passive 요소들은 다시 active 요소로 바뀌면서 폐석더미를 수치적으로 모사할 수 있게 된다. 채굴적의 폭, 심도 천반의 상태 및 붕락 암반의 부피팽창율 등이 싱크홀에 미치는 영향을 검토하기 위해 여러 가지 조건에 의한 유한요소모델이 해석되었다. 본 연구는, 이와 같이 싱크홀이 발생하는 과정이나 천반이 붕락하는 현상 등을 해석하기 위해 수치해석상에서 active-passive-active 유한요소들이 효과적으로 사용될 수 있음을 보여준다. Sinkhole subsidence occurs over abandoned mine workings and can be detrimental to human lives, damage to properties and other surface structures. In this study, simulation of sinkhole development process is performed using special finite element procedure. Especially, creation of mine voids due to roof falls and generation of goaf from broken rocks are simulated using active-passive-active finite elements. An active or solid element can be made passive or void once the tensile failure criterion is satisfied in the specified sinkhole formation zone. Upon completion of sinkhole development process, these passive elements can again be made active to simulate goaf region. Several finite element models are analyzed to evaluate the relationships between sinkhole formation with width of gallery, depth of mine, roof condition and bulking factor of roof rocks. This study demonstrates that the concept of passive elements in numerical analysis can be used effectively for analyzing sinkhole formation or roof fall phenomenon in general.

Comparison between Direct and Indirect Implementation of Generalized Hoek and Brown Failure Criterion in Numerical Analysis Procedure

Debasis Deb,Sung O. Choi(최성웅) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.3

Hoek-Brown의 파괴기준식으로부터 암반의 내부마찰각 및 점착강도를 계산한 후, Mohr-Coulomb의 항복함수를 이용하여 소성 보정이 적용될 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 연구에서는 이러한 계산 과정이 연약 암반이나 낮은 봉압 조건의 암반에 대해서는 적합하지 않다는 사실을 보여주고자 한다. 즉, Hoek-Brown 재료 모델로부터 직접 및 간접적 적용에 의해 소성 보정을 수행하는 과정을 제시하였으며, 이를 통해 직접적 적용이 간접적 적용에 비해, 비선형 파괴면을 더욱 효과적으로 모사할 수 있고, 특히 봉압이 낮은 응력 조건에서 효과적임을 보여주고자 한다. Friction angle and cohesion of rock masses can be estimated from Hoek and Brown failure criterion and then plastic corrections can be applied using Mohr-Coulomb yield function. This study finds that this estimation procedure would not be appropriate for weak rock masses and for cases where low confining stress is expected to develop. A procedure is outlined in this paper for estimating plastic corrections directly from Hoek and Drown material model. Comparative study shows that direct procedure would simulate non-linear failure surface better than indirect procedure especially in the low confining stress regime.

절리분포 양상에 따른 디스크커터의 절삭력에 관한 수치해석적 연구

이승중(Seung-Joong Lee),최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.3

LCM 시험은 디스크커터의 설계와 굴진성능 예측을 위한 가장 신뢰성 있는 시험으로 알려져 왔다. 하지만, 실대형 시료를 대상으로 실제의 커터 하중을 예측할 수 있는 이점이 있음에도 불구하고, 시료의 채취 및 운반이 용이하지 않고 1회 시험에 많은 비용이 소요된다는 단점을 갖고 있다. 또한 절리를 포함한 시료에 대한 시험의 경우, 시험 과정이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 시험에서 예측된 모델을 설계에 반영하기 어려운 경우가 많다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 수치해석 모델개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 입자의 유동해석을 효과적으로 묘사할 수 있는 PFC2D를 이용하여 디스크커터의 절삭운동에 의한 암석시험편의 파쇄형상 및 균열 전파양상을 분석하고자 하였다. 또한 절리를 포함한 암석시험편을 모델링하여 절리의 경사각, 절리의 경사방향 그리고 절삭면에 노출된 절리의 간격의 변화에 따른 디스크커터의 절삭력을 수치해석적으로 분석하였다. 해석결과, 절리의 경사방향이 디스크커터의 진행방향과 반대일 때, 절리의 경사각이 작을수록, 노출된 절리의 간격이 좁을수록 더 큰 절삭력이 요구됨을 알 수 있었다. 이와 같은 수치해석 결과를 토대로, 디스크커터와 절리의 분포 특성과의 상관관계를 LCM 시험 결과와 비교 분석한다면, 보다 정확한 수치모델을 개발할 수 있을 것으로 판단되며 TBM(Tunnel Boring Machine) 굴착성능 예측 및 디스크커터의 적합 설계에 합리적인 판단기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. The LCM test is one of the most powerful and reliable methods for designing the disc cutter and for predicting the TBM (Tunnel Boring Machine) performance. It has an advantage to predict the actual load on disc cutter from the laboratory test on the real-size large rock samples, however, it also has a disadvantage to transport and/or prepare the large rock samples and to need an extra cost for experiment. Moreover it is not easy to execute the test for jointed rock mass, and sometimes the design model estimated from the test can not be applied to the real design of disc cutter. In order to break this critical point, lots of numerical studies have been performed. PFC2D can simulate crack propagation and rock fragmentation effectively, because it is useful in particle flow analysis. Consequently, in this study, the PFC2D has been adopted for numerical analysis on cutting power of disc cutter according to the different angle of joint, the different direction of joint, and the different space of joint with jointed rock mass models. From the numerical analyses, it was concluded that the bigger cutting power of disc cutter was needed for reverse cutting direction to joint rather than for forward direction, and the cutting power of disc cutter was increased with decreasing the dip angle of joint and decreasing the space of joints in reverse cutting direction. The more precise numerical model for disc cutter can be developed from comparison between the numerical results and LCM test results, and the resonable guideline is expected for prediction of TBM performance and disc cutter.

낙석의 위험성 경감을 위한 사면의 외적조건 특성에 관한 수치해석적 연구

지현우(Hyun-Woo Ji),최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2010 터널과지하공간 Vol.20 No.1

국토의 약 70%가 산악지형인 우리나라의 지형적 특성상 각종 건설공사에 따른 대절토 사면의 형성으로 인해 낙석의 위험성이 급증하고 있다. 특히 해마다 반복되는 집중호우 시의 사면 붕괴는 대규모 낙석을 동반하면서 막대한 인적, 물적 피해를 초래하고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 많은 현장조사연구 및 기초연구들이 수행되고 있으나 이들 연구의 대부분은 낙석이 발생할 경우의 보강 및 낙석 위험도 분석 등에 국한되고 있어, 근본적인 낙석의 거동에 관한 검토 및 분석은 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수치해석적 기법을 이용하여 사면의 외적 요소에 따른 낙석의 거동 특성을 규명하였으며, 이를 위해 개별요소법의 하나인 PFC2D가 이용되었다. 사면의 외적 요소로 사면의 표면상태, 구배, 소단 개수, 소단 구배 및 낙석의 크기에 대한 소단의 너비의 비 등이 검토되었으며, 이들 요소에 대한 다양한 변화를 통해 낙석의 거동 메커니즘이 수치해석적으로 분석되었다. Geo-hazard shows a rapid increasing tendency with establishment of frequent great slopes in various construction sites, especially in the unfavorable topographic condition in which about 70% of the surface is covered by the mountainous area. An repeatedly taking place on the heavy rain season is accompanied by a large scale of rockfall, and causes great damage to an individual as well as a property. Even though lots of field studies and fundamental studies have been performed to reduce this hazard, however, an essential study on the mechanism of the rockfall should be limited to the conventional studies on the slope reinforcement and/or the rockfall risk analysis. In this study, the mechanism of rockfall depending on the morphologic characteristics of slope has been simulated numerically with the PFC2D, one of the discrete element programs. For analyzing its mechanism, the input parameters relating to the slope such as surface condition, gradient, number of benches, bench gradient, and the ratio of bench width to rockfall size were taken into consideration.

단일절리를 포함한 암석 시험편에서 디스크 커터의 압입에 의한 파괴 메커니즘의 수치해석적 연구

이승중(Seung-Joong Lee),최성웅(Sung O. Choi) 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.5

암반사면의 절리빈도 특성에 따른 프리스플리팅 발파공법의 적용성 연구

김신 ( Shin Kim ),이승중 ( Seung Joong Lee ),최성웅 ( Sung O. Choi ) 대한화약발파공학회 2010 화약발파 Vol.28 No.2

본 연구에서는 암반사면형성 작업시 최종벽면에 적용된 프리스플리팅(pre-splitting) 발파공법의 발파효과와 관련하여 발파 후 벽면의 암반손상이 장약된 폭약의 폭력 보다는 암반 내에 발달된 불연속면의 발달 형태에 따라 더 큰 영향을 보일 수 있음을 규명하였다. 이를 위하여 불연속면을 대표할 수 있는 절리에 대한 조사를 통해 발파 후 벽면 암반의 절리군 분포양상을 4가지 Case로 분류하고, 파쇄도 분석 영상처리시스템을 통해 벽면에 나타나는 암반블록의 크기 빈도를 비교 분석함으로써 벽면의 암반손상도를 파악하였다. 절리군이 1개 이하로 발달하는 경우, 분석된 블록의 크기 중 2,000mm 이상 되는 부분이 42%를 차지하여 프리스플리팅 발파공법의 효과를 뚜렷이 확인할 수 있었으며, 2~3개의 절리군이 일방향으로 발달하는 경우와 교차되면서 발달하는 경우, 블록의 크기는 1,000~2,000mm 사이에 각각 43.6% 및 35.8%의 빈도로 분포하는 것으로 나타나 프리스플리팅 발파공법에 의한 발파효율이 다소 떨어지는 양상을 보였다. 그러나 3개 이상의 절리군이 불규칙하게 발달하는 경우에는 블록의 크기가 250~500mm 사이에 35%의 빈도로 분포하고 1,000mm 이상의 크기에 대해서는 거의 나타나지 않는 양상을 보였다. 따라서 이러한 경우 프리스플리팅 발파공법에 의한 발파 효과는 거의 없이 일반적인 발파가 이루어졌다고 볼 수 있었다. 또한 PFC2D에 의한 발파수치해석결과, 암반 내부로의 손상영역 발생은 본 발파보다는 프리스플리팅 발파공법에 의해 직접적인 영향을 받을 수 있음을 확인하였으며, 따라서 향후 사면형성을 위한 프리스플리팅 발파공법을 적용할 경우에는 사전 지표지질조사를 시행하여 절리를 비롯한 불연속면과 관련된 사항을 충분히 파악할 필요가 있으며, 시공진행에 따라 예상보다 많은 절리군이 나타날 경우에는 프리스플리팅 발파공법의 설계 조정이 필요할 것으로 판단된다. This study focuses on the phenomenon that the blast damaged zone developed on rock slope surfaces can be affected by joint characteristics rather than by explosive power when the pre-splitting is applied to excavate a jointed rock slope. The characteristics of rock joints on a slope were investigated and categorized them into 4 cases. Also an image processing system has been used for comparing the distribution pattern of rock blocks. From this investigation, it was found that the rock blocks bigger than 2,000 mm occupied 42% in the case of single joint set and it showed the well efficiency of pre-splitting blast. In cases of 2~3 parallel joint sets and 2~3 intersecting joint sets are developed on rock surfaces, the rock blocks in the range of 1,000~2,000 mm occupied 43.6% and 35.8%, respectively, and it showed that the efficiency of pre-splitting was decreased. When more than 3 joint sets are randomly developed, however, the rock blocks in the range of 250~500 mm occupied 35% and there was no block bigger than 1,000 mm. This denotes that the blasting with pre-splitting was not effective. The numerical analysis using PFC2D showed that the blast damaged zone in a rock mass could be directly influenced by the pre-splitting. It is, therefore, required to investigate the discontinuity pattern on rock surfaces in advance, when the pre-splitting method is applied to excavate jointed rock slopes and to apply a flexible blating design with a consideration of the joint characteristics.