The information about the state of rock mass is a significant factor to decide its construction method and support pattern, and therefore it is crucial to characterize rock masses reliably for constructing the underground structures. One of the most promising methods for rock mass characterization is using elastic waves. In order to use elastic waves in rock masses, it is necessary to understand the characteristics of elastic wave propagation in rock masses. Therefore, this study characterizes the elastic wave propagation in jointed rock masses and classifies the rock mass using shear wave velocity based on the results.
The aim of this thesis is to develop a model for elastic wave velocity and damping; to identify and quantify the effect of stress level and various joint conditions on elastic wave velocity and damping of a jointed rock mass; and to classify a jointed rock mass using shear wave velocity.
The models for elastic wave velocity and damping in rock masses are developed. Effective moduli are substituted into the wave equations to derive an effective moduli model for elastic wave velocity in rock masses. The model considers the modulus of intact rock, the joint stiffness, and the spacing between joints. The joint stiffness is expressed as a function of stress and captured by the α and β parameters. The model for elastic wave damping in the equivalent continuum system is developed for rock masses considering that attenuation of intact rock and joints. The intrinsic material loss or damping in an intact rock is not affected by stress level, while the damping in joints is highly affected by stress level. Thus, the damping in joints is expressed as a function of stress by the αD and βD parameters similar to the expression for particulate materials.
The rock resonant column testing device is developed to simulate the elastic wave propagation in jointed rock. The device can generate long-wave length wave propagation through the discrete rock discs, so that the discrete rock mass can be analyzed as an equivalent continuum, and the wave velocity is not affected by frequency. Therefore, the wave propagation in rock mass system can be affected only by joint conditions and stress levels. For data reduction, the resonance method is used for torsional and flexural vibrations and the travel time method is applied for the longitudinal wave. The rock discs specimens are prepared in various ranges to represent field conditions. The joint roughness, the filling materials, the spacing between joints, and the bonding are expressed.
The characteristics of the elastic wave propagation in jointed rocks are investigated. Typical joint properties, which are roughness, filling materials, joint spacing, and joint bonding, are applied to rock joints to study the effect of these properties on the wave velocity. Also the effect of the source amplitude on the longitudinal wave velocities is studied. Series of results obtained from the experiment are as follows.
Basically, elastic wave velocity is controlled by stress level. That is, elastic wave velocity in jointed rock increases with increasing stress. Elastic wave velocity increases by the presence of roughness. Also, the rougher the surface, the more insensitive to stress the elastic wave velocity. Apertures in the joints decrease joint stiffness and thus decrease wave velocities. Elastic wave velocity decreases by the presence of filling materials and decreases with increasing filling thickness. Overall velocity increases with increasing joint spacing. As the degree of bonding increases, the elastic wave velocity increases and becomes insensitive to the stress level. The elastic wave velocities become higher during unloading than during loading in specimens with filling materials in the joints. As the source amplitudes of compression mode become bigger in jointed rock mass, the wave velocities become higher. The effect of the source amplitude on the compressive velocities diminishes as the stress increases. Those patterns of wave velocity with respect to joint conditions are quantified by the elastic wave model.
On the other hand, elastic wave damping decreases nonlinearly with increasing stress. The presence of roughness decreases damping. The presence of filling materials increases damping and make the damping more stress dependent. If the filling materials are present in the joints, damping decreases during unloading while there is no preloading effect on the specimens with clean joints.
Although the rock mass assessment is often attempted using field seismic data, the conventional estimation mostly depends on experiences. The effect of joint conditions and stress level on elastic wave velocity is poorly understood. Since elastic wave velocity in jointed rock mass is governed by stress level, this should be reflected for rock mass classification that makes use of elastic wave velocity. The joint characteristics such as roughness, filling materials, and joint spacing are directly related to the criteria for rock mass classification system. So it is possible to correlate elastic wave velocity with rock mass classification.
The rock mass classification is performed using shear wave velocities based on the experimental relationship between joint properties and shear wave velocities according to stress level. For the relationship between Q and Vs, the Q system parameters of RQD, joint roughness number, and joint alteration numbers are related with shear wave velocities. Other parameters, which are by far unable to be related to shear wave velocities through laboratory testing, are assumed considering in-situ conditions. For the relationship between RMR and Vs, the RMR system parameters of RQD, spacing of discontinuities, and condition of discontinuities are related with shear wave velocities. The uniaxial strength is considered from experimental results, and other parameters are assumed.
This shear wave-based rock mass classification method tries to consider all the possible field condition such as stress level and joint properties in relation with shear wave velocities. Therefore, more reliability is expected from the method than the conventional empirical approach, which is lump estimation based on experiences.
암반을 신뢰성 있게 평가하는 것은 시공방법과 지보패턴의 결정 등 지하 구조물의 건설에 있어서 중요하다. 탄성파는 탄성계수와의 연관성과 비파괴 특성에 의해 암반 평가에 널리 사용되고 있다. 하지만 대부분의 현장 탄성파 탐사를 이용한 암반 평가는 경험적이며, 현장 응력 상태나 절리 상태가 탄성파 속도에 미치는 영향이 고려되지 않는다. 따라서 보다 신뢰성 있는 평가를 위해 현장 응력상태와 절리 상태가 탄성파 속도에 미치는 영향을 규명할 필요가 있다.
본 논문에서는 절리 암반에서의 탄성파 속도 및 댐핑 모델을 제시하고, 응력 상태와 절리 상태가 암반에서의 탄성파 속도에 미치는 영향을 규명하였으며, 그 결과를 바탕으로 전단파를 이용한 암반 분류를 시도하였다.
탄성파 속도 모델은 신선암의 탄성계수, 절리 강성, 절리 간격이 고려된 암반의 유효탄성계수를 탄성파 속도 방정식에 대입하여 구하였다. 절리 강성은 α 및 β 변수를 이용하여 응력의 함수로 나타내었다. 암반에서의 댐핑은 신선암과 절리에서의 댐핑을 고려하였고 절리에서의 댐핑 역시 응력의 함수로 표현하였다.
암반에서의 탄성파 전파를 구현하기 위해 암석공진주시험장치를 고안하였다. 암석공진주시험장치는 암반에서 장파를 발생시켜 암반이 등가연속체로 해석될 수 있게 하는데, 이는 암반에서의 탄성파 전파가 주파수에 영향을 받지 않고 응력상태나 절리 상태의 영향만 받게 한다. 공진이 잘 잡히는 전단파와 휨파는 공진주파수를 이용하여 속도를 구하였으면 종파에 대해서는 전파시간과 전파거리를 이용하여 속도를 구하였다. 절리 거칠기, 절리 채움물질, 절리 간격, 절리 고결 등 현장 절리 상태를 묘사하는 다양한 시편들이 가공되어 사용되었다.
여러 절리 특성 및 응력 상태에 따른 탄성파 전파 특성이 연구되었다. 기본적으로 암반에서의 탄성파 속도는 응력상태에 좌우된다. 즉, 응력이 증가할수록 탄성파 속도가 증가한다. 절리 거칠기의 존재로 탄성파 속도가 증가하고 거칠수록 응력변화에 둔감하다. 절리에 틈이 있는 경우 절리 강성이 작아져서 탄성파 속도가 현저하게 감소한다. 채움물질의 존재로 탄성파 속도가 감소하고 채움물질이 두꺼워질수록 탄성파 속도가 감소한다. 절리 사이의 간격이 증가할수록 속도가 증가하고 절리가 고결될수록 탄성파 속도가 증가하고 응력변화에 둔감하다. 절리에 채움물질이 있을 경우 제하(unloading) 시 탄성파 속도가 재하(loading) 시에 비해 증가한다. 암반에서 종파의 경우 자극의 크기가 클수록 전파 시간이 작아지고, 즉 속도가 증가하며, 이러한 영향은 응력이 커지면 줄어든다. 이러한 응력 및 절리 상태에 따른 탄성파 속도 변화를 탄성파 속도 모델의 변수들을 이용하여 정량화하였다. 댐핑은 응력이 증가함에 따라 비선형적으로 감소한다. 거칠기는 댐핑을 감소시키고 채움물질은 댐핑을 증가시킨다. 채움물질이 절리에 존재할 경우 제하(unloading) 시 속도가 감소한다.
이러한 응력 상태에 따른 탄성파와 절리 상태의 관계를 바탕으로 전단파 속도와 암반분류법의 관계를 도출하여 전단파를 이용한 암반분류를 시도하였다. 전단파 속도와 Q 분류의 관계에서는 RQD, 거칠기, 채움물질이 고려되고, 나머지 변수들은 현장 상황에 적절히 가정하였다. RMR 분류와의 관계에서는 RQD, 절리 간격, 절리 상태가 관계되었다. 본 논문에서 시도된 전단파를 이용한 암반분류는 가능한 모든 절리 상태 및 응력 상태와 전단파 속도와의 관계를 시도하여 기존의 경험적 추정보다 높은 신뢰성이 기대된다.
