Effect of Rock Mass Condition on the Earth Pressure Against an Excavation Wall in Rock Mass: Numerical Investigation

손무락,Son, Moorak,Adedokun, Solomon Korean Geotechnical Society 2017 한국지반공학회논문집 Vol.33 No.11

This study examined the magnitude and distribution of earth pressure on the excavation wall in jointed rock mass by considering different groundwater conditions under various rock types, joint inclination angles, and earth pressure coefficients. Based on a physical model test (Son and Park, 2014), extended studies were conducted considering rock-structure interactions based on the discrete element method, which can consider the joints characteristics of rock mass. The results showed that the earth pressure was highly influenced by the groundwater condition as well as the rock type, joint inclination angle, and earth pressure coefficient. The results were also compared with Peck's earth pressure for soil ground, and clearly showed that the earth pressure in jointed rock mass can be greatly different from that in soil ground. 본 연구는 절리가 형성된 암반지층에서 암석종류, 절리경사각, 토압계수 및 지하수조건을 달리할 때 굴착벽체에 발생하는 토압의 크기 및 분포에 대해서 조사하였다. 모형실험(Son and Park, 2014)에 근거하여 확장연구를 수행하였으며, 이 때 암반-구조 상호작용과 암반의 절리특성을 고려하기 위하여 개별요소법을 이용한 수치해석을 수행하였다. 본 연구로부터 굴착벽체에 작용하는 토압은 암석종류, 절리경사각 및 토압계수 뿐만 아니라 지하수조건에 의해서 크게 영향을 받는다는 것을 파악하였다. 이와 더불어 본 연구로부터 조사된 토압을 토사지반에 적용되는 Peck의 경험토압과 비교하였으며, 이를 통해 절리형성 암반지층 굴착벽체에 발생하는 토압은 토사지반에서 발생하는 토압과 크게 다를 수 있다는 것을 확인하였다.

암석 및 절리특성을 고려한 암반의 탄성계수 추정에 관한 수치해석적 연구

손무락,이원기,Son, Moorak,Lee, Wonki 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.1

암반에서의 탄성계수는 암반의 변형특성을 나타내는 매우 중요한 인자로서 암반에서의 터널굴착 또는 다른 활동 등으로 인해 발생되는 변위를 파악하는데 자주 이용된다. 그럼에도 불구하고 현재까지는 암석종류 및 절리특성을 반영하여 탄성계수를 산정하는 연구는 미흡한 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 다양한 암석 및 절리상태에서 암반의 탄성계수를 추정하고자 한다. 이를 위해서 암석상태 및 절리특성을 고려한 수치해석 매개변수 연구를 수행하고, 조사된 변위결과를 통해 암반에서의 원형터널에 대한 탄성이론을 역이용하여 암석종류 및 절리특성이 반영된 탄성계수를 추정하는데 사용될 것이다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 절리가 형성된 암반에서 터널굴착 또는 다른 활동 등으로 인해 발생되는 변위를 파악함에 있어서 그 활용도가 매우 클 것으로 기대된다. Elastic modulus in rockmass is an important factor to represent the characteristic of rock deformation and is frequently used to estimate the displacement induced due to tunnel excavation or other activities in rockmass. Nevertheless, the study to estimate the elastic modulus, which considers the rock type and joint characteristics (joint shear strength and joint inclination angle), has been done in less frequency. Accordingly, this study is aimed at estimating of elastic modulus in jointed rockmass. For this purpose, numerical parametric studies have been carried out with a consideration of rock and joint conditions. Tunnel displacement results have been used to estimate the elastic modulus of jointed rockmass using the elastic theory of circular tunnel. From this study, the results would be expected to have a great practical use for estimating the displacement induced due to tunnel excavation or other activities in jointed rockmass.

점토지반에서 터널굴착에 따른 상부 블록구조물의 거동분석

손무락,Son, Moorak 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.1

본 연구는 점토지반에서 터널의 굴착조건(터널깊이 및 터널직경)과 시공조건(지반손실량), 지반조건(연약점토, 단단한 점토)을 변화시키면서 터널상부에 위치한 구조물의 거동변화를 조사 및 분석한 것이다. 분석에 사용된 구조물은 4층 블록식구조물로서 변형 등에 의한 균열발생과 균열폭의 차이로 인해 구조물의 손상정도를 쉽게 파악할 수 있는 특징이 있다. 다양한 터널 굴착조건 및 시공조건, 지반조건에 대해서 발생할 수 있는 터널상부 블록구조물의 거동상태를 파악하기 위해 수치해석적 매개변수 해석을 수행하였으며, 수치해석은 구조물의 실제크랙 발생을 묘사할 수 있도록 개별요소법(DEM)에 근거하여 수행하였다. 다양한 매개변수 해석으로부터 얻어진 구조물의 거동상태에 대한 결과는 터널 굴착조건 및 시공조건, 점토 지반조건과 상호 연관하여 함께 반영될 수 있도록 도표화 하였으며, 이를 이용하여 향후 점토지반에서 다양한 터널굴착 및 시공조건, 지반조건으로 인해 유발되는 터널 상부구조물의 손상정도를 보다 용이하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다. This study investigates the response of structures to tunnelling-induced ground movements in clay ground, varying tunnel excavation condition (tunnel depth and diameter), tunnel construction condition (ground loss), and tunnel ground condition (soft clay and stiff clay). Four-story block-bearing structures have been used because the structures can easily be characterized of the extent of damages with crack size and distribution. Numerical parametric studies have been used to investigate of the response of structures to varying tunnelling conditions. Numerical analysis has been conducted using Discrete Element Method (DEM) to have real cracks when the shear and tensile stress exceed the maximum shear and tensile strength. The results of structure responses from various parametric studies have been integrated to consider tunnel excavation condition, tunnel construction condition, and tunnel ground condition and provide a relationship chart among them. Using the chart, the response of structures to tunnelling can easily be evaluated in practice in clay ground.

모래지반에서 터널 굴착조건들을 반영한 상부 블록구조물의 거동변화 분석

손무락,Son, Moorak 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.4

본 연구는 모래지반에서 터널의 굴착조건(터널깊이 및 터널직경)과 시공조건(지반손실량), 지반조건(조밀한 모래, 느슨한 모래)을 변화시키면서 터널상부에 위치한 구조물의 거동변화를 조사 및 분석한 것이다. 분석에 사용된 구조물은 4층 블록식구조물로서 변형 등에 의한 균열발생과 균열폭의 차이로 인해 구조물의 손상정도를 쉽게 파악할 수 있는 특징이 있다. 다양한 터널 굴착조건 및 시공조건, 지반조건에 대해서 발생할 수 있는 터널상부 블록구조물의 거동상태를 파악하기 위해 수치해석적 매개변수 해석을 수행하였으며, 수치해석은 구조물의 실제크랙 발생을 묘사할 수 있도록 개별요소법(DEM)에 근거하여 수행하였다. 다양한 매개변수 해석으로부터 얻어진 구조물의 거동상태에 대한 결과는 터널 굴착조건 및 시공조건, 지반조건과 상호연관하여 함께 반영될 수 있도록 도표화 하였으며, 이를 이용하여 향후 모래지반에서 다양한 터널굴착 및 시공조건, 지반조건으로 인해 유발되는 터널 상부구조물의 손상정도를 보다 용이하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다. This study investigates the response of structures to tunnelling-induced ground movements in sand ground, varying tunnel excavation condition (tunnel depth and diameter), tunnel construction condition (ground loss), ground condition (loose sand and dense sand). Four-story block-bearing structures have been used because the structueres can easily be characterized of the extent of dmages with crack size and distribution. Numerical parametric studies have been used to investigae of the response of structures to varying tunnelling conditions. Numerical analysis has been conducted using Discrete Element Method (DEM) to have real cracks when the shear and tensile stress exceed the maximum shear and tensile strength. The results of structure responses from various parametric studies have been integrated to consider tunnel excavation condition, tunnel construction condition, and ground condition and provided as a relationship chart. Using the chart, the response of structures to tunnelling can easily be evaluated in practice in sand ground.

암반지층 굴착벽체에 작용하는 토압에 대한 절리의 영향

손무락,솔로몬 아데도쿤,Son, Moorak,Adedokun, Solomon 대한토목학회 2014 대한토목학회논문집 Vol.34 No.2

This paper investigated the effect of joint on the earth pressure against an excavation wall in rockmass with the consideration of various rock and joint conditions. For this purpose, this study briefly reviewed of the previous earth pressure studies, and then numerical parametric studies were conducted based on the Discrete Element Method (DEM) to overcome the limitations of the previous studies. The numerical tests were carried out with the controlled parameters including rock types and joint conditions (joint shear strength, joint inclination angle, and joint set), and the magnitude and distribution characteristics of the induced earth pressure were investigated considering the interactions between the ground and the excavation wall. In addition, the earth pressures induced in rock stratum were compared with Peck's earth pressure for soil ground. The results showed that the earth pressure against an excavation wall in jointed rockmass were highly affected by different rock and joint conditions and thus different from Peck's empirical earth pressure for soil ground. 본 논문은 암반지층에서 다양한 암반종류 및 절리조건들을 고려하면서 굴착벽체에 작용하는 토압에 대한 절리의 영향을 조사한 것이다. 이를 위해 본 연구는 먼저 기존 선행연구에 대해서 살펴보고 그 다음으로 기존 선행연구의 한계를 극복하기 위하여 개별요소법에 근거한 수치해석적 매개변수해석을 수행하였다. 수치해석은 매개변수로서 암반종류 및 절리조건(절리면의 전단강도, 절리경사각 및 절리군의 수)을 고려하였으며, 지반과 굴착벽체의 상호작용하에 발생된 토압의 크기 및 분포특성이 조사되었다. 이와 더불어, 암반지층에서 발생된 토압과 토사지반에서의 경험토압인 Peck토압이 서로 비교되었다. 비교결과 절리가 형성된 암반지층에서 발생된 토압은 암반의 종류 및 절리조건에 따라서 크게 영향을 받았으며 토사지반에 대한 Peck의 경험토압과 서로 다른 결과를 나타내었다.

다중절리 암반지층에서의 터널변위 산정을 위한 변형계수에 관한 연구

손무락(Moorak Son),이원기(Wonki Lee) 한국지반환경공학회 2017 한국지반환경공학회논문집 Vol.18 No.5

절리가 형성된 암반지층에서의 터널굴착은 터널굴착 선을 따라 변위를 유발시키며 이러한 변위값의 산정은 터널의 안정성과 소요공간을 확보하는 것과 관련하여 매우 중요한 사항이다. 터널변위는 지반의 변형계수와 직접적으로 관련되므로 이를 파악하는 것이 무엇보다도 중요하다. 그렇지만, 터널이 건설되는 대부분의 암반지층은 일반적으로 절리가 형성되어 있어서 단순히 균질한 등가탄성매질에 근거하여 절리형성 암반지층의 변형계수를 파악할 수는 없다. 왜냐하면 절리형성 암반지층의 변형계수는 암석의 종류뿐만 아니라 절리조건에 의해서 큰 영향을 받기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 터널굴착 조건에서 다양한 절리 및 암석조건을 고려한 암반지층의 변형계수 변화를 조사하였으며 이를 위하여 수치해석적 매개변수연구를 수행하였다. 이를 통한 본 연구의 결과는 기존의 경험적인 방법들과 상호 비교되었으며, 또한 다양한 절리암반을 고려한 변형계수 변화표의 형태로서 제시되었다. Tunnel excavation in jointed rock mass induces a displacement along tunnel excavation line and its assessment is very important to ensure the stability of tunnel and a demanded space. Tunnel displacement is directly related to the deformation modulus of ground and therefore it is essential to know the value of the parameter. However, most rock masses where tunnels are constructed are generally jointed and it is difficult to find out the deformation modulus of jointed rock mass simply based on an homogeneous isotropic elastic medium because the deformation modulus is highly affected by joint condition as well as rock type. Accordingly, this study carried out extensive numerical parametric studies to examine the variation of deformation modulus in different joint conditions and rock types under the condition of tunnel excavation. The study results were compared with existing empirical relationships and also shown in the chart of deformation modulus variation in different jointed rock mass conditions.

사운드에너지 기반 화강편마암의 비파괴 압축강도 산정

손무락(Moorak Son),김무준(Moojun Kim) 한국지반환경공학회 2018 한국지반환경공학회논문집 Vol.19 No.8

본 연구는 암석표면 타격 시 발생하는 사운드압력에 대한 응답신호를 모두 측정하고 이를 누적한 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 화강편마암의 압축강도를 비파괴적으로 산정하는 방법과 그 결과를 제시하는 것이다. 이를 위해서 다수의 화강편마암 암석시편을 준비하였고 각 시편에 대하여 고안된 타격장치(회전 자유낙하에 의한 초기타격 및 반발작용에 의한 연속적인 반복타격가능 장치)를 이용하여 타격하고 타격 시 발생한 모든 사운드압력을 시간에 따른 신호로서 측정하였다. 암석시편별 측정된 사운드 신호를 모두 누적하고 그 값(전체 사운드 신호에너지라 명명함)을 암석시편별 직접 측정된 압축강도와 상호 비교하였다. 비교결과, 화강편마암의 각 시편에 대해서 타격을 통해 얻어진 전체 사운드 신호에너지는 해당 시편의 직접압축강도와 직접적인 비례관계가 있다는 것을 확인하였으며, 또한 전체 사운드 신호에너지를 이용한 강도예측식을 이용하여 화강편마암의 압축강도를 90% 이상 신뢰성 있게 예측할 수 있음을 파악하였다. 더 나아가 본 연구결과를 통해 향후 다양한 암석 및 콘크리트 등의 압축강도는 전체 사운드 신호에너지를 이용하여 비파괴적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. This study provides a method to assess the compressive strength of granitic gneiss using total sound signal energy, which is calculated from the signal of sound pressure measured when an object impacts on rock surface, and its results. For this purpose, many test specimens of granitic gneiss were prepared. Each specimen was impacted using a devised device (impacting a specimen by an initial rotating free falling and following repetitive rebound actions) and all sound pressures were measured as a signal over time. The sound signal was accumulated over time (called total sound signal energy) for each specimen of granitic gneiss and it was compared with the directly measured compressive strength of the specimen. The comparison showed that the total sound signal energy was directly proportional to the measured compressive strength, and with this result the compressive strength of granitic gneiss can be reliably assessed by an estimation equation of total sound signal energy. Furthermore, from the study results it is clearly believed that the compressive strength of other rocks and concrete can be assessed nondestructively using the total sound signal energy.

암반 불연속면이 동적 전단응력파에 미치는 영향

손무락(Moorak Son) 한국지반환경공학회 2018 한국지반환경공학회논문집 Vol.19 No.12

본 논문은 암반에 형성되어 있는 불연속면이 지진 또는 발파에 의해 유발되어 암반을 통해 전달되는 동적 전단응력파에 미치는 영향에 대해서 수치해석적 매개변수 연구를 통해 조사하고 그 결과를 제시하는 것이다. 수치해석적 매개변수 연구를 수행하기 위해서 먼저 이론적 해를 얻을 수 있는 조건에 대해서 타당성해석을 수행하고 그 결과를 이론해와 비교한 후 암반조건 및 불연속면 조건을 달리한 경우에 대해서 매개변수해석을 수행하였다. 암반조건으로는 암반 초기 현장응력 상태가 고려되었으며 불연속면조건으로서는 불연속면의 전단강도 정수인 마찰각과 점착력이 고려되었다. 또한 불연속면의 경사각 또한 매개변수로서 고려되었다. 이와 같은 다양한 조건의 매개변수연구를 통해 전단응력파의 변화를 파악한 결과, 매질을 통해 전달되는 동적 전단응력파는 암반의 초기 현장응력조건 뿐만 아니라 불연속면의 전단강도 및 경사각 조건에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이를 통해 지진 또는 발파유발 동적하중이 절리형성 암반지층이나 서로 다른 지층으로 이루어진 토사지층을 통과할 때, 지층의 초기응력 상태와 더불어 불연속면 또는 지층경계면의 특성 등을 반드시 고려하여 주변시설물 및 구조물에 대한 동적영향을 파악해야 할 것으로 판단된다. This paper investigates the effect of rock discontinuities on a shear stress wave that is induced by earthquake or blasting and provides the result of numerical parametric studies. The numerical tests of different conditions of rock and discontinuity have been carried out after confirming that the numerical approach is valid throughout a verification analysis from which the test results were compared with a theoretical solution. In-situ stress condition was considered as a rock condition and internal friction angle and cohesive value, which are the shear strength parameters, were considered as discontinuities condition. The joint inclination angle was also taken into account as a parameter. With the various conditions of different parameters, the test results showed that a shear stress wave propagating through a mass is highly influenced by the shear strength of discontinuities and the condition of joint inclination angle as well as in-situ stress. The study results indicate that when earthquake or blasting-induced dynamic loading propagates through a jointed rock mass or a stratified soil ground the effect of in-situ stress and discontinuities including a stratum boundary should be taken into account when evaluating the dynamic effect on nearby facilities and structures.

현장계측을 통한 T-4 천공과 암반 이중천공의 비교 · 분석

손무락(Moorak Son),이종우(Jongwoo Lee),서정호(Jeongho Seo),김종모(Jongmo Kim) 한국지반환경공학회 2016 한국지반환경공학회논문집 Vol.17 No.9

본 연구에서는 PRD 방식으로 암반천공을 위해 사용되는 두 공법, 즉 T-4 천공 공법과 암반 이중천공 공법에 대한 현장계측을 실시하고 각 공법의 적용으로부터 발생된 진동, 소음, 천공속도 및 천공수직도를 조사하였으며 그 결과를 비교 및 분석하였다. 이를 바탕으로 두 공법에 관한 관련 계측자료를 제공하고 그 차이점을 파악하여 향후 암반천공으로 인한 주변 민원피해를 최소화하고 천공의 효율을 향상 시키고자 함에 그 목적이 있다. 본 연구에서 제한된 현장계측을 토대로 비교한 결과 암반 이중천공 공법이 T-4 천공 공법에 비해서 진동 및 소음이 보다 작게 발생하는 특징을 나타냈으며 이와 더불어 천공속도와 천공수직도는 더 양호한 특징을 가지는 것으로 나타났다. This study carried out field measurements of rock drilling where two PRD (Percussion Rotary Drilling) methods, T-4 drilling method and dual drilling method, were considered and the study examined the characteristics of vibration level, noise level, drilling speed, and drillig verticality of the two method. The results of field measurements were compared and analyzed in details to provide the drilling information so that the problems due to rock drilling is minimized and the drilling efficiency is improved in the future. The limited measurements in the field indicated that the dual drilling method showed lower vibration and noise levels and better drilling speed and verticality.

건설재료의 비파괴 압축강도산정을 위한 누적 반발각의 적용성에 관한 연구

손무락(Moorak Son),장병식(Byungsik Jang),김무준(Moojun Kim) 한국지반환경공학회 2017 한국지반환경공학회논문집 Vol.18 No.2

본 논문은 건설재료의 비파괴 압축강도를 산정하기 위하여 재료타격 시 반발작용에 의해 발생하는 반발각을 모두 측정하고 이를 누적한 누적 반발각의 적용성에 관해 파악하고 그 결과를 제시하는 것이다. 본 연구에서는 이를 위해서 타격장치를 고안하였고 이를 이용하여 건설재료를 회전 자유낙하에 의해 초기 타격토록 하고 이 후 반발작용에 의한 반복타격이 소멸될 때까지 발생할 수 있도록 하였다. 본 연구에서는 소일시멘트, 시멘트페이스트, 목재(소나무), 셰일암석 및 화강암암석의 5가지 건설재료를 대상으로 반발각실험을 실시하고 최대 반발각 및 누적 반발각을 초고속카메라를 이용하여 측정하였다. 재료별 측정된 최대 및 누적 반발각은 직접압축강도시험을 통한 재료별 압축강도와 상호 비교하였다. 비교결과, 시멘트에 바탕을 둔 건설재료나 암석과 같은 재료에 있어서는 최대 반발각보다는 에너지 감쇄특성이 반영된 누적 반발각이 재료별 특성을 보다 뚜렷하게 나타내어 압축강도 산정을 위한 보다 적절한 인자인 것으로 나타났으나 목재와 같이 인성이 큰 건설재료에 대해선 반발정도가 압축강도를 산정하는 인자가 아니라는 것을 파악할 수 있었다. This paper is to grasp the applicability of a cumulative rebound angle measured from the rebound action generated after impacting an object for the assessment of compressive strength of construction materials nondestructively and to propose the test results. For this study, an impact device was devised and used for impacting an object by an initial rotating free falling impact and following repetitive impacts from the rebound action which eventually disappears. Five types of construction materials, which are soil cement, cement paste, wood (pine tree), and two types of rock (shale and granite), were tested and both peak rebound angle and cumulative rebound angle were measured for each material by using a high-speed camera. The measured angles were compared with the directly measured compressive strength for each material. The comparison showed that for materials such as cement and rock the cumulative rebound angle, which reflects energy dissipation, rather than the peak rebound angle is more appropriate indicator for assessing the compressive strength of a material, but for a construction material such as wood which has a high toughness the magnitude of rebound is not an indicator to assess the compressive strength of a material.