절리 암반의 변형률 의존적 탄성파 전파특성 분석을 위한 RMDT장비의 개발

Abstract

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.