As progress of technology and expansion of urban area, utilization of underground space has been an arousing issue for sake of development and environmental protection. Particularly, baserock exists at shallow depth (30~50m) in Korea. Therefore, technical examinations of rock masses are very important to design and construct underground structures, deep foundations and tunnels economically and reliably. Deformational characteristics are governed by strain level and condition of rock masses. Hence it is strongly necessary to develop a experimental device to analyze nonlinear characteristics of rock masses with various strain level and joint characteristics.
The aim of this thesis is to develop an apparatus for measuring strain-dependent elastic wave velocity, modulus and damping ratio, and is to characterize elastic wave propagation and dynamic deformation of jointed rock masses. Coil-magnet drive system of Stokoe type Resonant Column/Torsional Shear test is adapted for RMDT (Rock Mass Dynamic Test) apparatus to excite torque to a specimen. With the driving system, harmonic excitations are generated to a specimen and the responses are obtained by accelerometers and proximitors. By changing the position of coils and magnets, it is designed to excite longitudinal vibration, hence is possible to obtain longitudinal wave velocity and Young’s modulus. For obtaining reliable test results, facilitating testing procedures and reducing time-consuming works, a computer-aided system is also developed. All systems are integrated by NI PXI system. LabVIEW program is used to develop the control and measurement software.
A jointed rock specimen was tested through calibrations of sensors attached on device and verifications of device itself. With these procedures, these preliminary tests confirm the feasibility to characterize linear-nonlinear deformations of jointed rock masses with various conditions. The experimental results demonstrate that the apparatus is capable of measuring characteristics of strain-dependent wave velocity, modulus and damping ratio in a jointed rock mass. Data from the strain-dependent test at three stress conditions show that shear modulus of a jointed rock mass increases and damping ratio decreases as axial stress increases. Elastic threshold strain of rock masses is smaller than that of soil specimens and thus, elastic regime of a jointed rock mass is shorter than that of a soil specimen. Ramberg-Osgood model and hyperbolic model are applied to shear modulus degradation curve and they show a good agreement. Finally, it is compared to the results of quasi-static resonant column test. Shear wave velocities with the same applied stress are almost the same in the small strain regime.
산업의 발달과 도심지의 확대에 따라 지하공간의 이용이 개발과 환경 보전의 차원에서 커다란 이슈가 되고 있다. 특히, 한국은 지하 30~50m부터 암반층으로 이루어져 있어서 지하구조물, 깊은 기초 그리고 터널 등을 경제적이고 효과적으로 설계하고 개발하기 위하여 암반에 대한 공학적인 검토가 매우 중요하다. 암반의 변형특성은 변형률과 암반 상태에 따라 지배되기 때문에 이러한 암반의 변형률과 여러 절리 조건에 따라 비선형 거동을 분석할 수 있는 장비의 개발이 매우 필요하다. 본 논문의 목적은 이러한 변형률 의존적인 탄성파, 강성 그리고 감쇠비를 측정할 수 있는 장비를 개발하는 것이다. RMDT(RockMass Dynamic Test)장비에서 시편에 비틂력을 가진하기 위해서 기존의 스토키 타입의 공진주/비틂전단 시험기에 적용된 코일과 자석으로 이루어진 가진 시스템을 적용하였다. 이러한 가진 시스템으로 시편에 비틂력을 가진하고 가속도계와 프록시미터를 이용해 응답곡선을 얻게 된다. 코일과 자석의 배치방향을 달리하여 축방향 진동을 가능하도록 고안하였으며, 이를 통해 압축파의 특성을 분석 가능하도록 하였다. 신뢰성 있는 실험결과를 획득하고, 실험 과정을 용이하게 하며, 실험 시간을 단축하기 위해 컴퓨터 기반의 제어 및 계측 프로그램을 개발하였다. 계측 시스템은 National Instruments사의 장비들로 통합 되었으며, 제어 및 계측 프로그램은 LabVIEW를 통해 제작 되었다. 장비에 부착된 센서에 대한 검증과 장비 자체에 대한 검증을 마친 후, 절리암반에 대한 공진주 시험을 수행하였다. 이를 통해서 여러 가지 조건에서 절리암반의 비선형 변형특성을 관찰할 수 있었다. 우선 개발된 RMDT 장비를 통해서 변형률에 따른 전단파 속도, 전단 강성 그리고 감쇠비를 관찰할 수 있음을 알았다. 수직응력에 따른 비선형 거동특성 실험을 통해 전단강성은 수직응력의 크기가 증가함에 따라 증가하고, 감쇠비는 수직응력의 크기가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있었다. 기존의 흙 시료에 대한 실험결과와의 비교를 통해서 절리암반의 선형 탄성 영역이 더 작음을 알 수 있었으며, 이를 통해 전체적으로 강성의 크기와 선형탄성영역의 길이가 반비례함을 알 수 있다. R-O모델과 쌍곡선 모델을 적용하여 보았으며, 이론식과 실험결과가 매우 잘 일치함을 알 수 있었다. 마지막으로 유사정적 가진에 의한 공진주 시험의 결과와 본 장비를 통한 실험 결과를 수직응력에 따라 비교하여 보았으며, 전단파 속도의 크기가 동일 수직응력에서 매우 일치함을 알 수 있었다.
