AE와 DRA를 이용한 초기응력의 측정에 관한 연구

박배한,전석원,김양균,Park, Pae-Han,Jeon, Seok-Won,Kim, Yang-Kyun 한국터널지하공간학회 2001 터널기술 Vol.3 No.1

AE와 DRA를 이용한 초기응력 측정법은 실험실 시험을 통해 초기응력을 측정하는 방법 중의 하나이다. 이 방법은 시추와 실험실 시험간에 지연시간이 발생하며 시료에 축방향 반복하중을 가하여 초기응력을 결정하기 때문에 지하 암반의 응력 상태와는 다른 결과를 얻을 수도 있다. 이 연구에서는 지연시간을 다르게 하여 지연시간이 선행응력 결정에 미치는 영향을 살펴보았다. 그리고 축방향 선행응력만을 가한 시료와 축방향 선행응력과 봉압을 모두 가한 시료에 대해 AE와 DRA를 이용하여 선행응력을 결정하여 봉압이 축방향 선행응력 결정에 미치는 영향을 살펴보았다. 지연시간이 길어질수록 오차가 약간씩 증가하는 경향이 나타났으나 지연시간이 1개월인 시료라 할지라도 AE와 DRA를 이용한 경우 각각 16%와 12%의 오차범위 내에서 선행응력을 결정할 수 있었다. 축방향 선행응력만을 가한 경우 AE를 이용하면 9%, DRA를 이용하면 4%의 오차범위 내에서 축방향 선행응력을 결정할 수 있었으나 축방향 선행응력과 봉압을 모두 가한 경우는 각각 17%와 14%의 오차범위 내에서 축방향 선행응력을 결정할 수 있었다. 터널현장에서 시추한 코어를 이용하여 초기응력을 측정한 결과 AE와 DRA는 유사한 결과를 나타내었으나 수압파쇄법에 의한 결과보다는 작은 값을 갖는 것으로 나타났다. In-situ stress measurement using AE (Acoustic Emission) and DRA (Deformation Rate Analysis) is usually carried out under uniaxial loading in the laboratory and it consumes delay time from drilling to testing. Therefore, it should be considered how the lateral stress and delay time influence on the test results for the in-situ stress determination. As the delay time increased, the accuracy of estimating the pre-stress decreased. The pre-stress of the specimen loaded only axially was determined within an error of less than 9% (using AE) and 4% (using DRA). And the specimen on which axial pre-stress and the confining pressure were loaded had an error of less than 17% (using AE) and 14% (using DRA). The results of AE and DRA for field specimens were very similar with each other but smaller than those of hydraulic fracturing method.

수압파쇄법을 이용한 ○○ 원유비축시설 내 수벽 터널에서의 초기응력 측정

배성호(Seongho Bae),김재민(Jaemin Kim),김장순(Jangsoon Kim),이영호(Youngho Lee) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.1

암반 내 작용하는 초기응력이 지하 암반 구조물의 안정성에 미치는 영향은 시공 심도가 깊어지고 단면규모가 커질수록 증가하게 된다. 일반적으로 초기응력 측정은 암반 구조물의 설계단계에서 시공 예상지역 내지표 수직공을 이용하여 수압파쇄법에 의해 이루어져 왔다. 그러나 조사단계에서 초기응력 측정이 이루어지지 않았거나 지형, 지질 특성상 과지압의 가능성이 있거나 또는 조사 과정에서 높은 수준의 초기응력장 분포가 확인된 지역에서는 시공의 안정성과 기존 설계의 적합성을 확인하기 위해서는 시공 현장의 지하 공간에서 상세초기응력 측정을 수행하는 것이 바람직하다. 본 논문의 연구지역은 전라남도 OO시 남동부에 위치한 추가 석유 비축기지 건설현장으로 설계 전 상세 지반조사를 통해 측압계수 3.0 이상의 값을 가지는 과잉 수평응력장이 관찰된 지역이다. 본 연구에서는 비축기지 지하 건설 현장 내 굴착된 수벽터널용 공동에서 시추된 2개의 시험공에서 수압파쇄법에 의한 초기응력 측정을 시행하였다. 조사 범위는 지표로부터 약 180 m ~ 300 m 심도구간이며 균열 조사에는 초음파 주사검층법을 적용하였다. 지표로부터 심도 200 m 이상인 일부 조사 구간에서 측압계수 2.50 이상의 값을 가지는 큰 수평응력 성분들이 관찰되었고 전반적인 시험 결과는 설계 전 단계에서 수행된 조사 결과와 매우 유사한 양상을 나타내었다. The influence of in-situ rock stress on the stability of an underground rock structure increases as the construction depth become deeper and the scale of a rock structure become larger. In general, hydraulic fracturing stress measurement has been performed in the surface boreholes of the target area at the design stage of an underground structure. However, for some areas where the high horizontal stresses were observed or where the overstressed conditions caused by topographical and geological factors are expected, it is desirable to conduct additional in-situ stress measurement in the underground construction site to obtain more detailed stress information for ensuring the stability of a rock structure and the propriety of current design. The study area was a construction site for the additional underground oil storage facility located in the south-east part of OO city, Jeollanam-do. Previous detailed site investigation prior to the design of underground structures revealed that the excessive horizontal stress field with the horizontal stress ratio(K) greater than 3.0 was observed in the construction area. In this study, a total of 13 hydraulic fracturing stress measurements was conducted in two boreholes drilled from the two water tunnel sites in the study area. The investigation zone was from 180 m to 300 m in depth from the surface and all of the fracture tracing works were carried out by acoustic televiewer scanning. For some testing intervals at more than 200 m in depth from surface, the high horizontal stress components with the horizontal stress ratio(K) greater than 2.50 were observed. And the overall investigation results showed a good agreement with the previously performed test.

횡등방성 암반의 침식에 따른 초기응력비 변화의 수치해석 연구

최미진(Mi Jin Choi),김원범(Won Beom Kim),양형식(Hyung Sik Yang) 한국암반공학회 2004 터널과지하공간 Vol.14 No.5

침식에 따른 횡방성 암반의 초기응력비 변화를 수치해석적으로 구하여 등방성의 경우 및 이론해와 비교한 결과 횡등방성의 영향은 크지 않아 초기지응력비가 작고 침식심도가 깊을 때만 고려하는 것이 좋을 것으로 판단되었다. 수치해석에 의한 응력과 이론적인 값의 차이는 초기 지응력비가 클수록 또 침식되는 깊이가 증가할수록 증가하였다. 또 침식 후의 초기응력비는 심도가 깊어짐에 따라 초기 용력비로부터 발산하였다. 이를 감안하여 침식에 따른 초기응력비 산정식을 제안하였다. Variation of horizontal to vertical stress ratio of transversely isotropic rock caused by erosion was studied by numerical analysis. Influence of transversely isotropic was less than 5% for isotropic case. Difference between stresses obtained by numerical analysis and theoretical solution was small when initial stress ratio was small and the difference increased as erosion depth increased. Stress ratios diverged from initial ones as depth increased. An equation to determine stress ratio considering erosion according to the analyses was suggested.

현장 측정을 통한 경상분지의 천부 초기응력장 특성에 관한 연구

배성호(Seongho Bae),전석원(Seokwon Jeon),김재민(Jaemin Kim),김장순(Jangsoon Kim) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.2

특수한 지질조건을 제외하면 이론적이거나 물리적인 방법으로 특정지역의 정확한 암반 초기응력 상태를 예측하기는 거의 불가능하다. 이는 토목공학이나 광업개발과 관련된 문제에 있어 암반 응력에 대한 신뢰성 있는 정보를 얻는 유일한 방법은 현장 측정에 위해서만 가능함을 의미한다. 1990년대 이후 국내 경상분지 영역 내 암반 구조물 설계단계에서 정량적인 정보를 획득하기 위해 많은 현장 초기응력 측정이 수행되어 오고 있다. 본 논문의 연구지역은 경상분지의 지표로부터 심도 300 m 미만 지하공간으로 위치적으로 동쪽의 부산에서 서쪽으로는 여수를 포함하는 광범위한 지역을 포함한다. 현장 초기응력 측정은 대부분 지표 시험공을 이용하여 심도 14 m~300 m 영역에서 수압파쇄법에 의해 총 270회 시행되었다. 본 논문에서는 현장 측정 자료를 바탕으로 전체 연구지역에 현재 형성되어 있는 초기응력 상태, 화강암류와 안산암류 지역에서의 초기응력 분포 특성 차이에 대해 논의하고자 한다.그리고 마지막으로 부산 일원과 양산 단층대 지역 내 수평응력 방향성의 국부적 분포양상에 대해 소개하도록 하겠다. It is nearly impossible to estimate the exact state of the current rock stress of interest site by the theoretical and physical approaches except some specific geological situations. This means that in-situ stress measurement is a unique way to obtain reliable information on rock stress especially for civil and mining engineering related problems. Since late in the 90’s, in-situ rock stress tests have been widely conducted to provide the quantitative information on the stress state of engineering site at the design stage of an underground rock structure in the Kyungsang Basin, Korea. The study area is the near surface regions at the depth less than 300 m in the Kyungsang Basin. It includes Yeosoo to the west and Busan to the east. Totally, 270 in-situ stress measurements were conducted in the surface test boreholes at the depth from 14 m to 300 m by hydraulic fracturing method. In this paper, based on the measurement data set, the overall characteristics of the current in-situ rock stress fields in the study area are briefly described. And also the investigation results on the difference between the stress distributions for the granitoid and the andesitic rock region are also introduced. Finally, the distributions of the regional horizontal stress directions in Busan and the Yangsan faults area are shown.

흐름저항응력 및 초기수심에 따른 댐붕괴류의 수리특성

송창근,이승오,Song, Chang Geun,Lee, Seung Oh 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.11

댐붕괴에 의해 발생하는 홍수파는 초기수심의 깊이에 따라서 하류부로 전달되는 수리학적 특성이 다르게 나타나며, 수치모의 시 흐름저항응력은 충격파의 전파 속도, 도달 거리 및 접근 수심 등에 영향을 미친다. 본 연구에서는 천수방정식을 SU/PG 기법으로 이산화한 모형을 개발하고 해석해를 이용하여 모형을 검증한 후, 초기수심 및 흐름저항응력에 따른 댐붕괴류의 전파특성을 분석하였다. 바닥마찰력을 적용한 경우 수심은 상대적으로 컸으나 충격파의 도달거리는 짧게 나타났다. Coulomb 응력을 적용한 경우 댐붕괴 후면에서의 유속이 상대적으로 작게 나타났으나, 충격파가 도달하는 영역에서는 바닥마찰력을 적용한 값과 흐름저항응력을 고려하지 않은 값 사이의 유속을 보였다. 또한 초기수심에 관계없이 흐름 저항응력을 고려하지 않은 경우의 불연속면에서의 Fr 수가 1.0에 가장 근사하였다. 초기수심이 얕은 경우 Coulomb 응력에 의한 모의결과가 난류응력을 적용한 경우에 비해 우수한 모의결과를 도출하였으나, 초기수심이 깊어지는 경우 흐름저항항의 영향력이 소멸되므로 반대의 양상이 나타났다. The flood wave generated due to dam break is affected by initial depth upstream since it is related with hydraulic characteristics propagating downstream, and flow resistance stress has influence on the celerity, travel distance, and approaching depth of shock wave in implementing numerical simulation. In this study, a shallow water flow model employing SU/PG scheme was developed and verified by analytic solutions; propagation characteristics of dam break according to flow resistance and initial depth were analyzed. When bottom frictional stress was applied, the flow depth was relatively higher while the travel distance of shock wave was shorter. In the case of Coulomb stress, the flow velocity behind the location of dam break became lower compared with other cases, and showed values between no stress and turbulent stress at the reach of shock wave. The value of Froude number obtained by no frictional stress at the discontinuous boundary was the closest to 1.0 regardless of initial depth. The adaption of Coulomb stress gave more appropriate results compared with turbulent stress at low initial depth. However, as the initial depth became increased, the dominance of flow resistance terms was weakened and the opposite result was observed.

흐름저항응력 및 초기수심에 따른 댐붕괴류의 수리특성

송창근,이승오 한국수자원학회 2014 한국수자원학회논문집 Vol.47 No.11

댐붕괴에 의해 발생하는 홍수파는 초기수심의 깊이에 따라서 하류부로 전달되는 수리학적 특성이 다르게 나타나며, 수치모의 시 흐름저항응력은 충격파의 전파 속도, 도달 거리 및 접근 수심 등에 영향을 미친다. 본 연구에서는 천수방정식을 SU/PG 기법으로 이산화한 모형을 개발하고 해석해를 이용하여 모형을 검증한 후, 초기수심 및 흐름저항응력에 따른 댐붕괴류의 전파특성을 분석하였다. 바닥마찰력을 적용한 경우 수심은 상대적으로 컸으나 충격파의 도달거리는 짧게 나타났다. Coulomb 응력을 적용한 경우 댐붕괴 후면에서의 유속이 상대적으로 작게 나타났으나, 충격파가 도달하는 영역에서는 바닥마찰력을 적용한 값과 흐름저항응력을 고려하지 않은 값 사이의 유속을 보였다. 또한 초기수심에 관계없이 흐름 저항응력을 고려하지 않은 경우의 불연속면에서의 Fr 수가 1.0에 가장 근사하였다. 초기수심이 얕은 경우 Coulomb 응력에 의한 모의결과가 난류응력을 적용한 경우에 비해 우수한 모의결과를 도출하였으나, 초기수심이 깊어지는 경우 흐름저항항의 영향력이 소멸되므로 반대의 양상이 나타났다. The flood wave generated due to dam break is affected by initial depth upstream since it is related with hydraulic characteristics propagating downstream, and flow resistance stress has influence on the celerity, travel distance, and approaching depth of shock wave in implementing numerical simulation. In this study, a shallow water flow model employing SU/PG scheme was developed and verified by analytic solutions; propagation characteristics of dam break according to flow resistance and initial depth were analyzed. When bottom frictional stress was applied, the flow depth was relatively higher while the travel distance of shock wave was shorter. In the case of Coulomb stress, the flow velocity behind the location of dam break became lower compared with other cases, and showed values between no stress and turbulent stress at the reach of shock wave. The value of Froude number obtained by no frictional stress at the discontinuous boundary was the closest to 1.0 regardless of initial depth. The adaption of Coulomb stress gave more appropriate results compared with turbulent stress at low initial depth. However, as the initial depth became increased, the dominance of flow resistance terms was weakened and the opposite result was observed.

현장 초기응력 측정과 시추공 이미지 스캐닝 자료의 통합 분석을 통한 포항분지 제 3기 지층 내 수평응력 분포 특성

배성호(SeongHo Bae),전석원(Seokwon Jeon),김장순(Jangsoon Kim),박권규(Kwongyu Park) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.4

본 연구에서는 포항 도움산 지역 내 시험공 3개소의 심도 75 m∼716 m 구간에서 획득된 원위치 암반초기응력 측정 자료를 바탕으로 포항분지 제3기 지층 내에 형성되어 있는 수평응력 분포 특성을 분석하였다. 수압파쇄법에 의한 대심도 초기응력 측정 결과, 조사 지역의 수평응력 성분 크기는 국내 여러 지역 자료에 대한 선형 회귀분석으로부터 계산된 평균값에 비해 매우 낮은 범위의 값을 나타내었다. 그러나 시추공 스캐닝 조사에서 분포 암종의 낮은 강도 특성에 의해 유발된 다양한 규모의 시추공 파괴 현상들이 다수 확인되었다. 최대 수평응력의 방향성에 대한 보다 정확하고 폭넓은 정보를 도출하기 위해 수압파쇄시험과 시추공 스캐닝 자료에 대한 통합 분석을 추가적으로 수행하였다. 분석 결과, 상부 퇴적암층과 하부 화산암층에서 최대 수평응력 작용방향은 각각 진북 기준 80°∼100° (N80E∼N80W)와 120°∼140° (N60W∼N40W) 방위각에서 우세한 방향성을 나타내었다. 이러한 연구 결과로부터 심도 증가로 지층이 변화함에 따라 최대 수평응력 방향이 시계 방향으로 회전하는 경향성을 확인할 수 있었다. In this study, the current horizontal stress characteristics of the Tertiary rock formations in the Pohang Basin are investigated on the basis of the in-situ rock stress measurements at depths from 75 m to 716 m of the 3 test boreholes in the Doumsan area, Pohang. The deep hydraulic fracturing stress measurement results indicated that the horizontal stress components in the test site appear far lower than the average ones by the linear fit for the data set measured from the other domestic sites. But, borehole scanning revealed clearly that lots of small and large scale borehole failures occurred due to the low strength characteristics of the existing rocks. To obtain more accurate and overall information on the horizontal stress direction, the integrated analysis combining the hydraulic fracturing stress measurement and borehole scanning data set were additionally carried out. The analysis results showed that in the upper sedimentary and the lower volcanic rock formation, the dominant orientations of the current maximum horizontal stress components were appeared in the range of 80°∼100° (N80E∼N80W) and 120°∼140° (N60W∼N40W), respectively. From this study result it was found that the maximum horizontal stress directions have a tendency to rotate in a clockwise direction as the rock formation changes with depth in the test site.

경계요소법에 의한 2차원 탄소성응력해석

조희찬,김희송 대한기계학회 1992 대한기계학회논문집 Vol.16 No.4

본 연구에서는 Kelvin의 기본해와 초기응력 증분에 의해 정식화된 경계적분방 정식을 이용하여 점차적으로 외력을 증가시켰을 때, 선형등방경화재에 국부적으로 생 기는 항복영역과 항복하중, 탄소성 응력해석등을 재료비선형문제로 해석하였다. 이 때 초기응력 증분을 결정함에 있어서 종래에는 등가 소성변형률을 수렴판정으로 해석 하였지만, 이는 구분적인 선형 경화재와 온도 의존성 문제에는 적당하지 않으므로 암 기용일등은 등가응력과 응력-변형률 선도를 이용하여 수렴판정을 하였다. 그러나 이 방법은 소성역에서의 기울기가 변화하는 곳에서는 피할 수 없는 오차가 존재한다. 따라서 여기에서는 계산된 초기응력 증분에 의한 초기 탄성변형률에너지 증분과 응력 -변형률선도로 부터 구해지는 초기 탄성변형률에너지 증분을 이용한 수렴판정으로 초 기응력증분을 결정하였다. 또한, 내부영역적분을 일부 해석적인 적분과 수치적분을 병행한 경우와 전부 수치적분방법으로 내압을 받는 실린더와 단순 인장하중이 작용하 는 양편 Ⅴ형 노치를 갖는 박판의 경우에 적용하여 해석하였으며, 그 결과를 유한요소 법 프로그램인 NISA(numerically integrated elements for system analysis)로 구한 결과치와 비교, 고찰하였다. This study is concerned with an application of the Boundary Element Method to 2-dimensional elastoplastic stress analysis on the material nonlinearities. The boundary integral formulation adopted an initial stress equation in the inelastic term. In order to determine the initial stress increment, the increment of initial elastic strain energy due to elastic increment in stressstrain curve was used as the convergence criterion during iterative process. For the validity of this procedure, the results of B.E.M. with constant elements and NISA with linear elements where compared on the thin plate with 2 edge v-notches under static tension and the thick cylinder under internal pressure. And this paper compared the results of using unmedical integral with the results of using semi-analytical integral on the plastic domain integral.

저온 열균열 현상을 이용한 초기 응력 측정법

류창하(Chang-Ha Ryu),류동우(Dong-Woo Ryu),최병희(Byung-Hee Choi),신중호(Joong-Ho Synn),John P. Loui 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.5

시추공을 이용한 초기응력 측정을 위한 새로운 방법을 제안하였다. 이 새로운 개념의 측정법은 기본적으로 응력 해방과 파쇄 기술을 결합한 방법이다. 액화질소와 같은 극저온 액체를 이용하여 시추공 주변의 인장 열응력을 유도하여 시추공 주변의 응력을 해방시킬 수 있다. 종국에는 시추공 주변의 인장 강도가 암반의 인장강도에 초기 지압으로 존재하는 압축 응력의 합을 초과할 때 시추공벽에 균열을 발생시킨다. 이와 같은 개념을 인장 응력으로부터 초기 응력 수준을 평가하는데 적용하기 위한 이론적 분석을 수행하였다.또한,제안한 방법의 유효성을 검토하기 위해 FLAC3D를 이용한 열-역학 상호작용 연속체 해석을 수행하였다. 사전 이론적 검토 및 수치해석으로부터 저온 열균열 발생 현상을 이용한 초기 응력 측정법이 시추공벽에서의 인장 균열 형성을 감시하고 시추공벽에서의 균열 개시 시점의 온도를 기록함으로써 초기 응력을 정밀하게 측정할 수 있음을 확인하였다. A new method is suggested herein to measure the virgin earth stresses by means of a borehole. This novel concept is basically a combination of borehole stress relieving and borehole fracturing techniques. The destressing of the borehole is achieved by means of inducing thermal tensile stresses at the borehole periphery by using a cryogenic fluid such as Liquid Nitrogen (LN₂). The borehole wall eventually develops fractures when the induced thermal stresses exceed the existing compressive stresses at the borehole periphery in addition to the tensile strength of the rock. The above concept is theoretically analyzed for its potential applicability to interpret in situ stress levels from the tensile fracture stresses and the corresponding borehole wall temperatures. Coupled thermo-mechanical numerical simulations are also conducted using FLAC3D, with thermal option, to check the validity of the proposed techniques. From the preliminary theoretical and numerical analysis, the method suggested for the measurement of in situ stresses appears to be capable of accurate estimation of the virgin stresses by monitoring tensile crack formation at a borehole wall and recording the wall temperatures at the time of crack initiation.

현장 측정에 의한 춘천-양구 산악지역 내 수평응력 분포와 취성파괴 가능성에 관한 연구

배성호(Seongho Bae),전석원(Seokwon Jeon) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.2

암반 내 작용하는 초기응력은 굴착되는 공동의 안정성이나 파괴 거동을 평가하는데 요구되는 주요 매개변수들 중의 하나이며 그 중요성은 암반 구조물의 시공 심도가 깊어지고 단면 규모가 커질수록 증가하게 된다. 이 논문에서는 경기육괴의 동북부에 위치한 춘천-양구 산악지역의 초기용력 분포 특성을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 현장 초기응력 측정은 연구지역내 9개 개별 시추공을 대상으로 심도 20 m-290 m 구간의 49개소에서 시행되었다. 모든 수압파쇄 균열 조사는 초음파 주사검층을 이용하여 수행하였다 연구 결과 조사지역 내에서 분포 암종의 차이에 따라 서로 상이한 분포 특성을 나타내는 초기응력장이 관찰되었고 특히 심도 200 m 이상의 관입 화강암체내에는 3.0에 가까운 측압계수를 가지는 높은 수준의 과잉 수평응력장이 형성되어 있는 것으로 분석되었다 그리고 조사지역내에서 초기응력 조건에 의한 취성파괴 가능성을 평가한 결과 화강암 분포 지역내심도 100 m 이상인 영역에서는 굴착된 암반 구조물 주변에서 취성파괴의 가능성이 있는 것으로 분석되었다. Current initial rock stress state is one of the key factors required to evaluate the stability and failure around an excavated opening and its importance increases as the construction depth become deeper and the scale of the rock structure become larger. In this paper, the study was performed to evaluate the characteristics of the regional stress state at Chuncheon-Yanggu mountainous region, the East-North part of Kyeonggi Massif. forty nine field stress measurements in 9 boreholes were conducted at the depth from 20 m to 290 m by hydraulic fracturing method. The fracturing tracing works were carried out by acoustic televiewer scanning. The study results revealed that the different intial rock stress states presented at different formation rock type and the excessive horizontal stress state with stress ratio(K) close to 3.0 was measured at the depth of 200 m and deeper in the intrusive granite body of the study area. The results from the investigation of excessive horizontal stress and its effect on failure mode showed that there exist several points where the localized excessive horizontal stresses are big enough to potentially induce brittle failures around the future openings greater than 100 m in depth within the granite body of the study area.