Population densities have led to an increase in and aging of structures, which requires urban construction and its maintenance. Noise and vibration caused by construction and maintenance work in urban areas results in social problems. Abrasive waterjet is a low-noise, vibration-free, and high-efficiency method, suitable for urban construction. Abrasive waterjets are conventionally applied to precision machining of hard materials or cleaning of soft materials; therefore, if they are used for geotechnical purposes, large-scale material removal is required for hard materials such as rock. However, abrasives are expensive, and removal performance varies with abrasive and rock properties; thus, it is very important to understand the characteristics of abrasive and rocks, select the proper abrasive type, and determine the input abrasive rate. Therefore, this study conducted literature research on the principles of material removal, and aimed to improve the efficiency by evaluating the erosion characteristics according to the properties of abrasion and rock in the overall process employing the abrasive waterjet.Kinetic energy of the accelerated abrasive is the main erosion energy in the abrasive waterjet; therefore, calculating the exit velocity of the abrasive is critical. The abrasive properties determine the acceleration characteristics and the exit velocity. Thus, based on the acceleration and the drag force applied to particles in a fluid, a time-dependent velocity model of the abrasive was developed. The proposed model considers the abrasive properties such as the diameter, density, and drag coefficient and calculates the velocity and traveled distance of abrasives so that the exit velocity is along the focus length. According to this model, the velocity of the abrasive is greatly influenced by the early acceleration time, depending on the abrasive properties, and the abrasive leave the focus before reaching the terminal velocity. The proposed model can also be used to select the abrasive type and the economical abrasive flow rate.The abrasive flow rate and the geometry of the focus (or the focusing tube), which is the space where the abrasive is mixed and accelerated by a high-velocity fluid stream, affect the mixing efficiency. For efficient rock cutting, the effect of the abrasive flow rate and the focus geometry were evaluated experimentally. As a result, for efficient mixing, a focus of sufficient inner diameter is required, whereas a short length of 76.2 mm or less is suitable to prevent efficiency reduction owing to excessive mixing. In this study, it was found that the optimum abrasive flow rate was dependent on the impact frequency from the number of abrasive particles. In addition, a model was proposed to determine the momentum transfer parameter according to the abrasive flow rate, from the relationship between the maximum kinetic energy and the cutting rate, thereby enabling the estimation of the momentum transfer parameter, which was obtained only through complex experiments.Hardness acts as a resistance force for material erosion by abrasive kinetic energy. Therefore, the effective erosion energy depends on the hardness ratio between the abrasive and the object. Based on this concept, a rock-like brittle material erosion model was proposed that can consider the abrasive properties such as diameter, density, and hardness so that erosion depth can be estimated under various conditions. The proposed model was verified via comparison with the representative brittle erosion model, i.e., the elasto-plastic erosion model, and the numerical results. In addition, the parameter study evaluated the erosion characteristics of a wide range of materials such as abrasives and rocks. The results of this study can be used to select proper abrasives based on hardness and to predict cutting performance.Since waterjet cutting performance is determined by the properties of the rock, it is very important to understand the effect of the rock properties. In this study, uniaxial compressive strength, tensile strength, and hardness, which are the representative physical properties of rocks, were selected as the major physical properties. The effects of the rock properties were numerically evaluated by modeling rocks of various strengths and hardnesses and abrasives of different densities. The numerical results were verified via comparison with the published experimental results of other researchers. As a result, a parabolic regression model expressed the erosion characteristics depending on the main physical properties. This model can be used to analyze the rock cutting efficiency of excavation and tunneling.In this study, the influence of properties of abrasives and targets on erosion characteristics was investigated throughout the acceleration and erosion processes. The results of this study are expected to be used for the selection of the proper abrasive type, the estimation of momentum transfer parameter and effective erosion energy, the determination of the optimum abrasive flow rate, the design of waterjet system configuration, and the prediction of erosion performance. This dissertation contributes to the development of geotechnical applications of abrasive waterjets.
인구밀집에 따른 지상공간 구조물의 증가 및 노후화에 도심지 시공 및 유지보수의 필요성이 증가하는 가운데, 도심지에서의 시공과 유지보수는 소음과 진동을 발생시켜 사회문제를 야기한다. 한편, 연마재 워터젯은 높은 효율의 저소음, 무진동 공법으로서 도심지 시공에 적합하여 관심이 높아지고 있다. 기존 연마재 워터젯은 강질재료의 정밀가공, 또는 연질재료의 대규모 재료제거에 적용되어왔고, 지반공학 목적으로 쓰이기 위해서는 암반과 같은 강질의 재료에 대한 대규모 재료제거가 요구된다. 한편, 연마재는 운용에 가장 큰 비용을 차지하며, 암반 물성과 함께 절삭 성능을 결정하므로, 연마재와 암반의 특성을 이해하고 연마재를 선택며, 투입량을 결정하는것과 연마재 워터젯의 효율적인 시스템 구성, 절삭 성능을 예측하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 문헌조사를 실시하여 가속, 절삭의 원리와 구조를 사전 연구하고, 연마재 워터젯의 전반적인 과정들에서 연마재와 암석의 물성에 따른 절삭 특성을 평가하여 그 효율을 증진시켰다.연마재 워터젯에서 재료를 제거하는 주요에너지는 가속된 연마재의 운동에너지이기 때문에 연마재의 분출 속도를 계산하는 것은 주요한 문제 중 하나이다. 고속의 유체에 의해 연마재가 가속될 때, 연마재의 입자특성은 연마재의 분출 속도를 결정한다. 이에, 유체속에서 입자가 받는 가속력과 항력을 바탕으로 연마재의 시간에 따른 속도 모델을 개발하였다. 이 모델은 연마재의 밀도, 크기, 항력계수, 그리고 유체의 밀도를 반영하며, 속도와 이동거리를 계산할 수 있기 때문에, 포커스 길이에 따른 분출속도를 계산 할 수 있다. 이 모델에 따르면, 연마재의 속도는 입자특성에 따라 가속 초기에 크게 영향을 받으며, 종단속도에 이르기 전 연마재가 분사된다. 또한 유량-연마재 투입량과 가속특성의 관계를 고려한 경제적인 연마재 투입량을 선정할 수 있다.연마재가 고속의 수류에 의해 혼합되고 가속되는 공간인 포커스(또는 포커싱 튜브)의 형상과 포커스 내부를 차지할 연마재의 투입량은 가속 효율에 영향을 미친다. 경제적인 암반절삭을 위한 최적의 연마재 투입량을 결정하기 위해 5종의 내경과 길이가 다른 포커스와 유량을 결정하는 3종의 오리피스 조건에서 연마재 투입량에 따른 절삭 성능을 실험하였다. 그 결과, 연마재의 효율적인 혼합을 위해, 충분한 내경의 포커스가 요구되는 반면, 지나친 혼합에 따른 효율 저감을 방지하기 위해 76.2mm 이하의 짧은 길이가 적합하다. 이 연구에서 연마재 투입량의 증가에 따른 단일 연마재의 절삭효율 감소로부터 최적연마재 투입량은 충돌빈도에 의존한다는 것을 알 수 있었고, 최적 연마재 투입량 이상의 조건에서는 충돌빈도가 증가하더라도 단일 연마재의 절삭량 감소가 성능을 지배해 비효율, 비경제적인 암반절삭이 이루어졌다. 또한 최대 운동에너지-절삭량의 관계로부터 연마재 투입량에 따른 모멘텀 전달 계수를 결정할 수 있는 모델을 제안함으로서, 복잡한 실험을 통해서만 얻을 수 있었던 모멘텀 전달 계수를 추정토록 하였다.연마재의 운동에너지가 재료를 제거하는 일을 할 때, 경도는 저항하는 힘으로 작용한다. 따라서 유효 절삭 에너지는 연마재와 대상의 경도비에 따른다. 이를 바탕으로 경도비에 따른 절삭깊이 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 연마재의 운동에너지(속도, 질량; 밀도와 크기)을 고려할 수 있어 다양한 조건에서 절삭 깊이를 예측할 수 있다. 이 모델은 기존의 대표적인 절삭 모델(Elasto-plastic erosion model) 그리고 수치해석 결과와의 비교를 통해 검증되었고, 파라미터 영향도 분석을 통해 넓은 범위의 연마재, 암석과 같은 취성 재료에서의 절삭 특성이 평가되었다. 이 연구 결과는, 적합한 연마재의 선정과 절삭 성능 예측에 활용할 수 있다.워터젯 절삭 성능은 암석의 특성에 의해 결정되므로 물성에 대한 영향을 파악하는 것이 매우 중요하다. 문헌조사결과 절삭 깊이에 영향을 주는 다양한 특성이 제시되고 있는 가운데, 본 연구에서는, 암석의 대표 물성이라 할 수 있는 일축압축강도, 인장강도 그리고 경도를 주요 물성으로 선정하고 그 영향을 수치해석적으로 평가하였다. 압축강도가 53.6MPa에서 251.8MPa에, 인장강도가 4.7MPa에서 9.5MPa에, 경도가 439.9 HV에서 895.9HV에 이르는 5종의 암석을 모델링 하여 밀도가 다른 2종의 연마재에 의한 절삭 성능을 연구하였다. 절삭 성능 결과는 문헌연구에서 분류한 실험 결과와 비교를 통해 검증하였다. 그 결과, 주요 물성에 따른 절삭 성능 특성을 parabolic regression 모델로 나타내었다. 이 모델은 굴착, 터널링 등의 암석 절삭 효율을 분석하는데 활용될 수 있다.본 논문은 절삭 성능에 미치는 연마재와 대상 암석의 물성 영향을 가속, 혼합 및 절삭 전 과정에 걸쳐 체계화 하였다. 본 연구의 결과는, 암반 절삭을 위한 최적의 연마재 선정, 유효 절삭에너지 추정, 최적 연마재 투입량 결정 및 절삭 성능 예측에 활용될 것으로 기대되며, 연마재 워터젯의 적극적인 지반공학적 적용을 위한 발전에 기여할 것이다.
