암반사면의 균열진전 및 거동 해석 = Analysis of crack propagation and behavior in rock slopes

국문 초록 (Abstract)

절리성 암반사면은 평사투영 혹은 한계평형해석을 이용한 안정성평가에서 안정조건에 놓여 있다고 할지라도 충전재의 종류, 높이, 수압, 절리 혹은 층리의 방향, 암반 내 균열 등 다양한 조건에 의한 붕괴 가능성을 내포하고 있다. 따라서 현장조사를 통해 얻어진 암반사면 붕괴요인을 고려한 수치해석 기반의 안정성평가 기술이 필수적이다. 암반사면 내의 균열진전 거동해석을 통해 균열진행 방향과 속도를 예측할 수 있다면 붕괴원인을 보다 쉽게 파악함으로써 결과적으로 안정성평가의 신뢰도를 높일 수 있을 것이다.
본 논문에서는 유한요소법에 기반한 XFEM 기법을 사용해 장력절리와 개구절리를 갖는 전형적인 절리성 암반사면의 균열진전 거동을 해석하였다. 여기서 개구절리는 지반 내의 절리 중 절리면이 서로 분리된 절리로서 절리면의 전단강도가 낮고 용출수의 통로가 되기 때문에 터널공사 시 주의를 요하는 지반구조이며, 장력절리는 인장력에 의하여 응력이 발생함으로써 생기는 절리를 말한다. 또한, 암반사면 내에 존재하는 개구절리와 인장절리간의 상호작용이 균열거동에 미치는 영향을 연구하였다. 그리고 균열진전에 따른 암반절개 시간을 장력절리의 길이, 장력절리의 위치 및 사면의 주향각에 대비하여 고찰하였다. 암반절개 시간은 개구절리와 장력절리의 상호작용이 커질수록 길어지는데, 그 이유는 동시에 양 방향에서 두 개의 균열이 진전해 많은 에너지를 소모하므로 균열진전속도가 줄어들기 때문이다. 또한, 사면주향의 각도가 커질수록 암반절개 시간이 급격하게 작아지는 특성을 보였으며, 그 이유가 사면의 주향각이 커질수록 균열을 성장시키는 유도력인 중력의 영향이 커지기 때문임을 밝혔다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A collapse may be occurred by various causes such as infilling, water force, rock joints orientation, cracks in rock even if rock slope is estimated to be under stable condition from the limit equilibrium method. Therefore, it is necessary to check the stability of the rock slope by using the numerical analysis technique considering physical conditions obtained by fields research. If the direction and the speed of the crack propagation are predicted through numerical analysis, the root of rock failures will be easily recognized. As a result, the reasonability of stability check will be higher.
In this paper, using XFEM technique, the behaviors of the crack growth are analyzed in rock slopes with open and tension rock joints. The time spent on the cut of rock slopes are numerically calculated with respect to the length and the position of tension rock joints and the dip of slope face. It is found that the interaction between open and tension rock joints has a strong effect on the crack behaviors. The longer is the rout time, the stronger is the interaction between the open and tension rocks joint. The reason is that the potential energy stored in the rock is more consumpt due to the simultaneous propagation of double cracks, and then the crack speed is lower.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• I. 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구동향 2
• 1.3 연구목적 5
• 1.4 연구범위 6
• II. 암반사면의 절리면과 안정성 8
• 2.1 절리면의 구성이론 8
• 2.2 절리성 암반사면 안정성평가 14
• III. 암반사면의 균열 및 거동 해석 21
• 3.1 암반사면 붕괴조건 21
• 3.2 암반 절리와 충전물 23
• 3.3 FRACOD와 XFEM 24
• 3.4 XFEM 손상모델 31
• 3.5 유한요소모델 32
• IV. 결과 및 고찰 34
• 4.1 장력절리 길이에 따른 암반 균열거동 34
• 4.2 장력절리 위치에 따른 암반 균열거동 49
• 4.3 암반사면 주향에 따른 균열거동 65
• 4.4 균열진전 소요시간 70
• 4.5 균열진전 속도 81
• 4.6 암반사면 보강 84
• V. 결론 85
• 참고문헌 87
• Abstract. 90
• 감사의 글 92