To solve problems related to urbanization and use limited spaces effectively, a new demand is arising for the utilization of deep underground spaces as regards subway tunnels, and other large underground spaces. Especially in Korea, bedrock exists at a relatively shallow depth (30~50m); moreover, most of the bedrock consist of granite or granitic gneiss. For these reasons, it is crucial to characterize rock masses when constructing underground structures. The deformational characteristics of rock mass are governed by the strain level and the conditions of the rock masses. Therefore, an understanding of the strain-dependent behaviors of rock masses is essential for safe designs and construction. Generally, the strain-dependent behaviors of rock masses are mainly affected by the joints and the effective stress. The dynamic deformational characteristics of jointed rock masses can be represented by the strain-dependent shear modulus and the damping ratio. An investigation of the strain-dependent behavior of jointed rocks is important for the systematic monitoring and management of long-term structural stability concerns. However, current studies pertaining to evaluations of the strain-dependent behavior of jointed rock masses are not adequate for evaluation depending on the strain range. In this study, a laboratory test is performed using a Rock Mass Dynamic Test (RMDT) apparatus, which was developed to measure the shear modulus and damping ratio in various strain ranges.
The aims of this dissertation are as follows: first, it seeks to characterize the strain-dependent beha-viors of various joint conditions. From these results, the weathering process of rock masses is investigated by means of the proposed method, suggested here specifically for characterizing weathering processes. This the-sis also suggests an equivalent model for inter-layer jointed rock masses and verifies the model.
In order to simulate various in-situ conditions, various joint conditions are prepared, including a planar joint and a rough joint as well as the filling material (e.g., sand, clay). In addition, laboratory tests are performed using the RMDT. From the results, the strain-dependent behavior of jointed rock mass as affected by the effective stress is compared to that under an intact condition. In this study, it was found that as the joint condition changes, the strain-dependent behavior changes as well. For example, shear modulus decreases when filling material exists in the joints. The characteristics of rock masses can be represented by these experimental results. These findings are expected to lead to the development of safer and more economical construction technology. The results will also be valuable information for dynamic numerical modeling.
Technical methods of characterizing the weathering process of rock masses are suggested by this study. It is possible to predict the weathering grade of rock masses using the method. According to the results, as rock masses become weathered, the shear modulus decreases. In addition, the nonlinearity of rock masses is changed by the weathering grade. It is important to design underground spaces which concern for their long-term structural stability. Specific examples include radioactive waste repositories and underground infra-structure of buildings.
An equivalent model of an inter-layer jointed rock mass is suggested and verified experimentally. With the proposed model, it is possible to characterize inter-layer jointed rock masses more easily. Moreover, the model can be applied to other joint conditions.
최근 도시 공간의 효율적인 사용을 위한 지하공간의 활용에 대한 관심이 높아지고 있다. 비교적 얕은 곳에 화강암질로 구성된 기반암이 위치한 국내 지리여건상(30~50m 내외), 심부 지하 공간, 대심도 광역 지하철(GTX) 등 깊은 절리 암반 지역에 건설되는 지하 구조물들의 신뢰성 있는 설계 및 시공을 위하여, 절리 암반 지역의 변형률 의존적 거동 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다. 절리 암반의 변형률 의존적 거동 특성은 절리면의 상태와 유효응력 상태의 영향을 많이 받으며, 이는 변형률 의존적 전단탄성계수, 감쇠비 등으로 대표된다. 따라서, 본 연구에서는 절리 암반의 유효응력과 변형률에 따른 전단탄성계수 및 감쇠비 특성을 분석하기 위해, 절리 암반의 동적 거동특성을 모사할 수 있는 Rock Mass Dynamic Test(RMDT) 장비를 이용하여 실내실험을 수행하였다.
전반적으로 변형률이 증가함에 따라 절리 암반의 전단탄성계수는 감소하였고 반면에 감쇠비는 증가하였다. 또한, 각 절리면의 특성과 유효응력에 따라 전단탄성계수와 감쇠비 값이 증가하거나 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이러한 전단 특성은 수치해석 입력 데이터로 활용되어 내진 및 동하중에 대해 보다 안전하고 효율적인 설계 및 시공을 할 수 있을 것으로 기대된다.
화강 절리 암반의 풍화에 따른 거동 특성을 파악하고자, 본 연구에서는 풍화 정도에 따른 실내실험 기법을 제안하였으며 그에 따른 실내실험 결과를 도출하였다. 실험 결과에 따르면, 화강 절리 암반이 풍화됨에 따라 전단탄성계수 값이 감소하고 정규화된 전단탄성계수 감소 곡선의 선형구간이 늘어남을 확인할 수 있었다. 이를 이용하면 장기적인 안정성을 요구하는 지하구조물의 신뢰성 있는 설계 및 시공을 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 본 연구에서는 서로 다른 특성을 가진 암반이 Inter-layer로 이루어진 경우의 등가 전단탄성계수 모델을 제안하였으며 실내 실험을 통해 적용성을 확인하였다. 제안된 모델을 이용하면, 간단한 실내실험을 통해 여러 암질로 이루어진 inter-layer 절리 암반에 대한 변형률 의존적 전단 거동 특성 파악을 경제적이며 쉽게 할 수 있을 것으로 기대된다.
