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Fracture Characteristics of Rocks under Shear Loading
John Kemeny,고태영,전석원 대한토목학회 2014 KSCE JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING Vol.18 No.3
Fracture problems in rock structures quite commonly involve shear loadings including in-plane shearing (mode II) or out-of-planeshearing (mode III). Even though a rock mass may be subjected to simple tension or shear loading, due to the complexity of thegeometry and the random orientation of cracks in rocks, the crack growth occurs in mode II or mode III manner. In this study, thefracture toughness and strength of Coconino sandstone under in-plane and out-of-plane shear were determined experimentally. Ashort beam compression test was employed for in-plane shear loading and a circumferentially notched cylindrical specimen wasemployed for out-of-plane shear loading. In addition, the mode II fracture toughness and strength were determined at differentloading rates to examine the effect of loading rate. As a result, the in-plane (mode II) shear strength was approximately 2 times higherthan out-of-plane (mode III) shear strength. The mode II fracture toughness was approximately 1.78 times higher than the mode IIIfracture toughness. As the loading rate increases, the mode II fracture toughness and the shear strength also increase.
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절리면의 응력확대계수가 파괴인성보다 작은 암반사면의 진행성 파괴
김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.2
암석파괴역학과 파괴인성 이하의 응력상태에서 균열이 발생하고 성장하는 특성을 고려하여 암반사면의 진행성 파괴를 검토하였다. 굴착이 종료된 암반사면은 응력이 거의 변하지 않은 조건이지만, 시간이 경과함에 따라 절리면 내 미소한 접점에서 파괴가 발생하고 파괴된 접점의 수효가 증가함에 따라 절리면이 파괴되고, 파괴된 절리면이 많아져 사면이 파괴되는 진행성파괴 현상을 수치해석적으로 확인하였다. 따라서 암반사면의 진행성 파괴는 파괴인성보다 낮은 응력상태에 있는 암반 절리면 내 미소한 접점에서 시간의 경과에 따라 발생한 균열이 성장하여 사면을 파괴시키는 것으로 분석되었다. Numerical analysis of the progressive failure of a rock slope was conducted using a 3-D rock joint element considering fracture mechanics and subcritical crack growth of asperities in the rock joints. Even though the stress state in the rock slope is not changing, the elapse of time causes subcritical crack growth to break asperities in the joints. The increase of broken asperities causes failure of joints in the rock slope and the increase of failed joints results in failure of a jointed rock slope. As a result, the progressive failure of a jointed rock slope due to the gradual breaking of small asperities along joints generated by subcritical crack growth occurs at a lower stress than if rock failure occurred by exceeding the static strength or fracture toughness.
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LIDAR와 Split-FX 소프트웨어를 이용한 암반 절리면의 자동추출과 절리의 특성 분석
김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.1
암반 내 구조물을 시공하는 경우 역학적 안정성을 평가하기 위하여 암반의 특성을 조사한다. 이 경우 암반의 특성은 주로 암반 내 절리의 특성에 의하여 좌우된다. 지금까지는 암반 내 절리의 특성을 조사하기 위하여 암반이 노출된 사면이나 노두에 접근하고 육안으로 직접 관찰하였다. 이때 급사면과 같은 곳에서 접근의 문제, 작업의 안전 문제, 많은 시간이 걸리는 문제, 조사시간에 비하여 얻은 정보량의 부족, 정보의 재현 문제, 측정 오차 문제 등의 제한이 있었다. 따라서 이와 같은 문제를 개선하기 위하여 LIDAR (light detection and ranging)로 암반을 스캔하여 얻은 포인트 클라우드(point cloud)를 Split-FX 소프트웨어로 처리한 결과 절리의 방향과 간격 및 절리면의 거칠기 등 절리의 특성을 정확하고 효율적으로 분석할 수 있었다. Site characterization for structural stability in rock masses mainly involves the collection of joint property data, and in the current practice, much of this data is collected by hand directly at exposed slopes and outcrops. There are many issues with the collection of this data in the field, including issues of safety, slope access, field time, lack of data quantity, reusability of data and human bias. It is shown that information on joint orientation, spacing and roughness in rock masses, can be automatically extracted from LIDAR (light detection and ranging) point clouds using the currently available Split-FX point cloud processing software, thereby reducing processing time, safety and human bias issues.
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김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.2
암석파괴역학과 파괴인성(rock fracture toughness) 이하의 응력확대계수(stress intensity factor)에서 균열이 성장하는 현상을 이용하여 암석 절리면의 비선형 강도특성과, 시간의 경과에 따라 파괴가 진행되는 특성을 고려 한 수치해석용 3차원 절리면 요소를 개발하였다. 이 절리면 요소를 사용하여 암석 절리면 전단시험을 수치해석으로 모사한 결과, 전단응력이 증가하고 시간이 경과함에 따라 절리면 사이에 연결된 절리면 내 접점(asperity in joint)에서 암석의 파괴인성보다 응력확대계수가 작음에도 불구하고 균열이 발생하였고 시간이 경과하면서 균열이 성장, 절리면 내 접점이 파괴되었다. 이와 같이 각각의 절리면 내 접점의 파괴에 따라 절리면의 강도는 감소하고, 절리면의 전단응력은 응력경화와 응력연화 후 잔류응력에 도달하는 비선형거동을 보이면서 시간의 경과에 따라 점진적으로 파괴되었다. A three dimensional rock joint element was developed considering fracture mechanics and subcritical crack growth to simulate non-linear behavior and the progressive failure of rock joints. Using this 3-D joint element, joint shear tests of rock discontinuities were simulated by a numerical method. The asperities on the joint surface began to fail at stress levels lower than the rock fracture toughness and continued progressively due to subcritical crack growth. As a result of progressive failing in each and every asperity, the joint showed non-linear stress-time behavior including stress hardening/softening and the reaching of a residual stress.
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김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.1
대규모 암반 절리면의 거칠기를 구하는 여러 가지 방법이 있으나, 길이 10 cm의 절리를 Barton 등이 제안한 표준절리면곡선과 비교하여 절리면 거칠기계수 JRC (joint roughness coefficient)를 결정하고 대규모 절리의 길이에 따라 보정하는 것이 가장 일반적인데, 적합한 표준 절리면곡선을 선택할 때 측정자에 따라 달라자는 경우가 많다. 따라서 대규모 암반 절리면의 거칠기 JRC는 길이에 따른 보정 없이 직접 측정하는 것이 정확할것이나 측정방법에 한계가 있다. 본 연구에서는 대규모 암반절리를 LIDAR (light detection and ranging)로 스캔하고 절리의 길이 L과 절리면 상의 돌출부(asperity) 높이의 진폭 a를 이용하여 대규모 암반 절리의 거칠기계수 JRC를 구하였다. 그 결과 대규모의 암반 절리면에서도 절리의 길이 증가에 따라 거칠기계수 JRC가 감소하는 비 정상상태(non-stationary)의 치수효과와 거칠기 측정방향에 따라 절리면 거칠기계수 JRC가 다른 것을 확인하였다. This is a study on large-scale rock joint roughness measurements using LIDAR (light detection and ranging) and the Split-FX point cloud processing software. The large-scale rock Joint Roughness Coefficient (JRC) is calculated using the maximum amplitude of joint asperities over the profile length on large-scale joint surfaces of rock. As the profile length increases, JRC decreases due to scale-effects of rock specimens and is non-stationary. Also JRC shows anisotropy depending on the profile direction. The profile direction is measured relative to either dip or strike of the large-scale joint.
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