From the perspective of long-term stability of a waste repository, the real-time monitoring and damage assessment of rock mass are critical issues in a deep geological disposal, which is saliently characterized by an extremely long containment time, high temperature from the decay heat of the spent fuel, and saturated condition with the groundwater. Recently the acoustic emission (AE) technique has been recognized as a promising method for the real-time structural health monitoring of a repository. AE has long been widely used to evaluate the damage mechanism because it is very sensitive to the initiation and growth of cracks in materials. While, most damage assessments in rock using the AE technique have been focused on a qualitative analysis such as detecting the onset of crack generation or crack source location, very little effort has been made to use micro-seismic AE monitoring to quantify the damage of a rock mass.
The primary objective of this study, therefore, is to obtain an in-situ damage evolution curve in a rock mass, and to subsequently propose a more reliable methodology for quantifying the rock mass damage (degree of damage, corresponding strength of rock mass, and their predictions) based on real-time AE monitoring. For this purpose, the estimation of the damage evolution curve, that is, the normalized degree of damage vs. the normalized stress, is obtained from an in-situ rock mass, and its reliability is confirmed through theoretical verification procedures. For a systematic approach for this purpose, this thesis is mainly composed of a site characterization of KURT rock mass, a laboratory study, an in-situ application, and verification and utilization.
As part of a site characterization, the mechanical, hydraulic and dynamic behaviors of the KURT rock mass are preferentially measured from the various in-situ tests. In detail, the deformation modulus, permeability, and dynamic shear modulus of the rock mass are estimated, which can be used as primary input parameters for an in-situ application study and a numerical stability analysis.
From laboratory studies, the possibility of quantifying the rock mass damage using the AE technique is proved by comparing the cumulative inelastic volumetric strain derived from the stress-strain relation. It is found that in-situ damage estimation from the AE energy among various AE parameters seems more preferable owing to its practical applicability and reliability in the field. Additionally, the general shape of the damage evolution function of KURT rock is evaluated under an incremental cyclic loading condition, and the AE source location algorithm applicable to the jointed rock mass is newly developed from the combined time-frequency analysis of Wigner-Ville Distribution and the theoretical Biot’s wave model.
The in-situ damage evolution curve of KURT rock mass under a cyclic loading is estimated from the in-situ test using Goodman Jack and AE monitoring by assuming that the general shapes of damage evolution function between laboratory and in-situ are identical and only constants in the function are different. Thus, the constants in the in-situ damage evolution function are determined by Newton’s iterative method based on not only the data on the peak stress per cycle vs. AE energy but also on the rock mass strength. The rock mass strength at the test borehole is reliably inferred from the numerical study using the Double-yield model of $FLAC^{3D}$, in which the elastic constants for numerical input parameters are measured from an in-situ test and the displacements of Goodman Jack during cyclic loading are used to confirm the accuracy of an estimated strength of the rock mass.
An in-situ damage evolution curve of the KURT rock mass is verified in consideration of a newly developed AE source location algorithm, statistical application, in-situ AE wave attenuation, and the fractal theory. The verification studies are performed by taking into account the WVD algorithm with the wave dispersion model for a more reliable AE source location, the statistical Weibul model for the crack size determination in the rock mass, in-situ wave attenuation for AE energy correction not at the AE sensor location but at the AE source location where micro-cracks are produced, and the fractal theory for an estimation of scale-independent max. AE energy. Consequently, it is found that the degree of damage derived from the proposed verification procedure is very close to those from the in-situ damage evolution curve. Therefore, it is proved that the verification methodology suggested in this study is reasonable and appropriate for quantifying the rock mass damage.
The utilization method is almost identical to the method described in the verification procedure. Thus, the degree of damage is estimated by normalizing the AE energy with regard to maximum AE energy, and the correspondent degraded strength of rock mass can be subsequently obtained by multiplying the inferred rock mass strength to the stress ratio in the damage evolution curve. Consequently, provided that the Goodman Jack test and AE monitoring are preferentially performed in the in-situ condition, the real-time quantitative damage assessment of rock mass can be available based on the in-situ damage evolution curve and subsequent AE monitoring data. By continuously upgrading the effects of damage on the effective modulus or strength in rock mass based on AE monitoring and in-situ damage evolution function, the nonlinear stress-strain response of rock mass can be analyzed, and subsequently, the long-term stability of a repository can be more reliably predicted in a disposal system.
고준위폐기물 심지층 처분장은 초장기 기대수명을 가진 구조물로서, 사용후 핵연료로부터의 높은 온도와 지하수로 인한 포화상태 그리고 심층조건으로 인한 높은 지중응력을 받고 있는 특징이 있다. 이 같은 조건에서 처분암반의 장기 건전성을 실시간 모니터링하고 이의 구조적인 손상도를 평가하는 것은 처분시스템의 신뢰도를 확보한다는 측면에서 매우 중요한 이슈에 해당한다. 최근에는 음향방출 (Acoustic Emission; AE) 기술이 처분장의 구조적 건전성을 실시간 모니터링하고 분석하는데 유망한 기술 중의 하나로 주목을 받고 있다. 하지만 AE를 이용한 그 동안의 손상도 연구는 대부분 실내실험에 치중되어 왔으며, 현장적용의 경우에도 주로 균열발생 유무의 탐지나 균열위치 추정 등 정성적인 분석에 국한되었다. 즉 AE 기법을 이용한 현장암반의 정량적인 손상도 분석은 거의 시도된 바가 없는 실정이다.
따라서 본 연구의 목적은 암반 내 균열발생을 AE를 통해 실시간 모니터링함으로써, 현장암반의 정량적인 손상도 변화와 암반강도를 평가하고, 나아가 암반의 손상도 진행(damage evolution)에 대한 예측기술을 개발하는 것이다. 이를 위하여 현장암반에 대한 손상도 진행곡선(정규화된 손상도 vs. 정규화된 응력)을 측정하였으며, 이의 검증과정을 통해 그 신뢰성을 확보하였다. 이에 대한 체계적인 접근을 위해, 본 논문은 크게 부지특성 평가와, 실내실험 연구, 현장적용 연구, 그리고 검증 및 활용방안 연구로 나누어 수행하였다.
현장암반의 부지특성 파악을 위해, KURT(지하처분연구시설) 암반의 역학적, 물리적, 동적특성을 평가하였으며, 대표적인 인자로서 암반변형계수와 투수계수 그리고 절리암반의 동적 전단탄성계수를 각각 측정하였다. 이는 이후의 현장적용 연구에 암반물성 입력자료로 이용되었으며, 향후 수치해석적 적용을 위한 중요한 실증 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
실내연구를 통해 KURT 화강암의 균열진전에 따른 응력임계값 (stress threshold)을 우선적으로 결정하였으며, 응력-변형률 관계를 통해 유도된 비탄성체적변형률(inelastic volumetric strain)과 AE 파라메터와의 상관성을 밝힘으로써 AE를 이용한 손상도의 정량화 가능성을 확인하였다. 또한 AE 파라메타들을 서로 비교함으로써, 그 중 AE 에너지 기법이 정확성이나 현장적용성 측면에서 매우 우수한 측정 인자임을 도출하였다. 한편 반복하중 조건에서도, AE 에너지 기법을 통해 KURT 화강암의 손상도 추정이 가능함을 밝히고, 그 때의 손상진행곡선이 지수함수의 형태가 됨을 확인하였다. 또한 절리암반에서도 신빙성 있게 균열위치를 추정할 수 있는 AE 위치표정 알고리즘을 Wigner-Ville Distribution과 Biot model의 혼합적용을 통해 새로 개발하였다.
실내연구를 통해 도출된 손상도 진행곡선의 함수형태를 바탕으로, 동하중 조건에서의 KURT 현장암반의 손상도 진행곡선을 측정하였다. 이를 위해 현장암반에서 Goodman Jack 실험과 AE 계측실험을 수행하였으며, 각 싸이클 별 하중-AE 에너지 관계와 암반강도 데이터를 바탕으로 뉴턴 반복법(Newton’s iterative method)을 통해 현장암반의 손상도 진행에 관한 정규화된 지수함수를 결정하였다. 이 때, 계측지점의 암반강도는 정규화된 응력 정보를 산정하는데 필요한 인자로써, 본 연구에서는 수치해석적 적용(Double-Yield model, $FLAC^{3D}$)을 통해 유도되었다. 암반강도 추정을 위해 현장에서 측정된 암반변형계수와 포아송 비가 수치해석의 입력자료로 사용되었으며, Goodman Jack 실험의 각 반복하중 별 실제 암반변위를 수치해석적으로 모사함으로써 그 추정강도의 신뢰성을 확보하였다.
손상도 진행곡선의 검증을 위해, 신규 AE 위치표정 알고리즘과 Weibul distribution model의 통계기법, 현장암반의 파 감쇄(wave attenuation) 특성, 그리고 프랙탈 이론(Fractal theory)을 적용하였다. AE 위치표정을 통해 절리암반 내 균열위치를 파악하고, 이후 통계적인 기법을 활용하여 암반 내 발생균열의 크기를 추정하였다. 또한 AE 센서에서의 균열 에너지가 아닌 균열발생 위치에서의 AE 균열 에너지를 산정하기 위하여 현장암반의 파 감쇄(wave attenuation) 특성을 측정하여 보정하였다. 한편 프랙탈 이론(Fractal theory)을 적용함으로써, 균열크기에 독립적인 (scale-independent) 최대 AE 에너지를 추정하였다. 분석결과, 이 같은 방법을 통해 도출된 암반의 정량적인 손상도가 각 반복하중 별 손상도 진행곡선 상의 손상도와 매우 유사함을 알 수 있었다. 따라서 본 검증연구를 통해, 현장암반 내 손상도의 정량화가 AE 모니터링을 통해 가능함을 확인하였다.
손상도 진행곡선의 활용방법은 검증과정에서 시도되었던 접근방법과 동일하다. 즉 실시간 AE 모니터링을 통해 정규화된 AE 에너지를 산정함으로써 암반의 손상도를 평가하면, 손상도 진행곡선 상에서 이에 해당하는 암반강도를 추정할 수 있게 된다. 또한 확보된 손상도 진행곡선을 통해 추후 암반의 손상도가 어떻게 진행될 지에 대한 예측도 가능하게 된다. 따라서 실시간으로 측정된 암반의 손상도가 암반물성과 손상역학(damage mechanics)적인 측면에서 연관될 수 있으므로, 향후 수치해석적 적용을 통해 처분장 근계암반의 장기 안전성을 실시간 평가하고 예측하는 기술로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
