High degrees of urbanization, coupled with the Korean peninsula's mountainous terrain, make the efficient utilization of underground space in rock mass a vital necessity. Underground construction in rock masses is often full of uncertainty as rocks are innately anisotropic and heterogeneous at different scales. Proper ground investigation and estimation of rock mass behavior before the construction of underground structures are necessary for safe and economic construction. Rock masses are innately anisotropic and heterogeneous, with discontinuities at different scales ranging from microcracks to faults. Hence, the estimation of rock mass behavior is often difficult and affected by various factors. One method to reduce the uncertainty of rock masses is through quantitative rock mass classification systems. Rock mass classification allows the grading and grouping of rock masses with similar characteristics based on a defined guideline to better predict their behavior during construction. The rock mass rating (RMR) and Q-system are the most widely used rock classification methods. Another method for estimating rock mass behavior is geophysical wave-based methods. Numerous studies have noted correlations between rock classification value and parameters and wave velocity. However, most previous studies are heavily reliant on site-specific field data or empirical relationships, and a proper theoretical or general framework is needed.This dissertation aims to suggest a wave velocity-based rock mass classification system that can be used to estimate rock mass properties. Elastic wave propagation characteristics in jointed rock masses for different joint conditions are investigated using experimental and numerical studies. The results are quantified and correlated with the rock mass classification parameters of the RMR and Q-system. The relationships between classification system parameters and wave velocity are normalized based on a predefined reference jointed rock condition and used as factors for calculating the classification rating. The deduced relationships are improved through probabilistic analysis using a field dataset to remove low probability cases. Field verification is conducted between the estimated rock mass classification values onsite measurements to verify and analyze the applicability, reliability, accuracy, and limitations. The proposed methods can aid engineers in engineering design and provide additional insights into rock mass classification in the field.
지속적인 도시화의 영향과 산지가 많은 국내 여건으로 인해 암반 내 지하공간을 효율적으로 활용하는 것이 매우 중요하다. 암반은 내부에 불연속면인 절리를 가지고 있으며 암반의 공학적 특성 및 거동은 절리 크기 및 절리군 분포 등 절리 특성에 따라 변한다. 이로 인해 암반의 거동을 예측하기 어려우며 안전하고 경제적인 지하공간 창출을 위해 시공 전 적절한 지반 조사 및 암반상태 평가가 필요하다. 암반상태를 분류 및 평가하는 대표적인 방법으로 RMR과 Q-시스템이 있으며, 이러한 암반분류법을 통해 암반상태를 정량적으로 평가하고 지하구조물의 설계, 시공 및 유지관리 설계 등에 사용할 수 있다. 현장 암반분류 방법은 코어 채취나 노반암 평가 위주로 진행되어 왔고, 암석코어 채취가 불가능한 현장에서 다양한 비파괴검사 방법을 사용하여 암반상태평가 및 분류를 하려는 연구들이 진행되어 왔다. 많은 연구에서 지구물리탐사기법 중 하나인 탄성파 속도를 이용하여 암반분류 변수나 암반분류값 간의 상관관계를 도출하였으나, 대부분은 대상 현장에 국한된 관계식으로 경험적인 상관관계만 제시하는데 그쳤다. 본 학위논문에서는 암반 내 절리를 고려한 탄성파 전파 특성을 정량화하여 탄성파 속도 기반 암반분류법 예측법을 제시하였다. 유사정적공진주(QSRC) 시험 및 수치해석을 통하여 절리 채움 물질 및 두께, 절리군 개수 등 다양한 절리 특성에 따른 탄성파 속도 변화를 정량화 하였고, 이를 이용하여 Q-system과 RMR의 변수와 탄성파 속도간의 상관관계를 제시하였다. 각 암반분류 변수와 탄성파 속도의 상관성을 도출하기 위해 표준이 되는 기준 값을 산정하여 이 값을 기준으로 각 변수에 따른 탄성파 속도 변화를 정규화 하였고, 각 변수의 곱으로 나타낸 암반분류와 탄성파 속도 간의 관계식을 얻었다. 현장 데이터를 이용한 확률론적 접근으로 데이터 산란을 줄여 보다 신뢰성 있는 암반분류와 탄성파 속도간 관계를 획득하였다. 마지막으로 현장 크로스홀 탄성파 속도 데이터를 이용하여 제시한 암반분류 예측법을 검증하였다. 기존에 현장에서 사용되고 있는 방법과 더불어 제시된 방법을 현장에 적용한다면, 현장에서 RMR 및 Q-system을 평가하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
