fast analysis of rock block behavior on underground
TRANSCRIPT
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol.29, No.1, 2019, pp.64-74
https://doi.org/10.7474/TUS.2019.29.1.064 ISSN: 1225-1275(Print) ISSN: 2287-1748(Online)
ORIGINAL ARTICLE
μ§μ²΄μλ ₯쑰건μ κ³ λ €ν μ§ν곡λ μ£Όλ³λΆ μμλΈλ‘μ μ μν κ±°λ μμ μ± λΆμ
κ°μΌμ, μ‘μ¬μ€*
μμΈλνκ΅ μλμ§μμ€ν 곡νλΆ
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening
considering Geostatic Stress Conditions
Il-Seok Kang and Jae-Joon Song*
Seoul National University, Department of Energy Systems Engineering
*Corresponding author: [email protected]
ABSTRACT
Received: February 11, 2019
Revised: February 20, 2019
Accepted: February 20, 2019
Behavior of a rock block consisting of rock joints during excavation of an underground
opening is an important factor for the mechanical stability of the opening. In this study, the
behavior of a rock block under different geostatic stress and joint property conditions was
analyzed quantitatively. The behavior of the rock block analyzed by 3DEC numerical analysis
was compared with that of the theoretical calculation, and the error between the theoretical
value and the numerical analysis result was analyzed under various geostatic stress and joint
property conditions. The result of the stability analysis of a rock block showed less than 5% of
error with numerical simulation result, which verified the applicability of the purposed analytic
solution.
Keywords: Underground opening, Rock block, Geostatic stress, Stability, DEM
μ΄λ‘
μ§ν곡λμ κ΅΄μ°© κ³Όμ μμ μλ° μ λ¦¬λ‘ μΈν΄ μμ±λλ μμλΈλ‘μ κ±°λ μ¬λΆλ μ§ν곡λμ μνμ μμ
μ±μ μμ΄μ μ€μν μμμ΄λ€. λ³Έ μ°κ΅¬μμλ λμ¬λ μ§ν곡λ 쑰건 νμμ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄
μ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ±μ μ λμ μΌλ‘ λΆμνμλ€. μ΄λ‘ μ μΌλ‘ κ³μ°λ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건과
3DEC μμΉν΄μμ ν΅ν΄ λΆμλ μμλΈλ‘μ κ±°λμμμ λΉκ΅νμ¬, μ΄λ‘ κ°κ³Ό μμΉν΄μ κ²°κ³Όκ°μ μ€μ°¨λ₯Ό
μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄μ λ°λΌ λΆμνμλ€. μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ± λΆμμ μνν κ²°κ³Όλ μμΉν΄μ
κ²°κ³Όμ λΉκ΅ν λ μ½ 5% μ΄νμ μ€μ°¨λ₯Ό λ³΄μ¬ λ³Έ μ°κ΅¬μμ μ μν μ΄λ‘ μ λ°©λ²λ‘ μ μ μ©κ°λ₯μ±μ κ²μ¦ν
μλ€.
ν΅μ¬μ΄: μ§ν곡λ, μμλΈλ‘, μ§λ°μλ ₯, μμ μ±, κ°λ³μμλ²
1. μ λ‘
μ§ν곡λμ κ΅΄μ°© κ³Όμ μμ μλ° λ΄ μ 리면μ κΈ°ννμ νΉμ±μΌλ‘ μΈν΄ μμ±λλ μμλΈλ‘μ κ±°λ μ¬λΆλ μ§ν곡λμ ꡬ쑰μ μμ
μ± λ° λλ° λ± λΆλ½μ¬κ³ μ μ§μ μ μΌλ‘ μ°κ΄λμ΄ νμμ μΌλ‘ κ³ λ €λμ΄μΌ ν μμμ΄λ€. μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ± λΆμμ μν΄ μ 리면
βΈ The Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering 2018. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attrib-ution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening considering Geostatic Stress Conditions β 65
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
μ κΈ°ννμ λΆν¬μ μμλΈλ‘μ μμ€λ§μ κ³ λ €ν κ°μ²΄ ν΄μμ΄ μ¬μ©λμ΄ μμΌλ(Goodman and Shi, 1985), μ΄λ λμ¬λ νκ²½μμμ
μλμ μΌλ‘ λμ μ§μ²΄μλ ₯쑰건 λ° μ΄μ λ°λ₯Έ ν° μλ°λ³νμ λ°μνκΈ°μ μ ν©νμ§ μλ€. μμλΈλ‘μ κ±°λ λΆμμ μμ΄μ κ°μ²΄ ν΄μ
μ΄ κ°μ§λ λ¨μ μ 보μνκΈ° μν΄ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μλ°λ³νμ λν μ΄λ‘ μ , μμΉν΄μμ λ°©λ²λ‘ μ μ μ©ν λ€μν μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ
μ± λΆμ μ°κ΅¬λ€μ΄ μνλμλ€. μμλΈλ‘μ μ΄λ‘ μ κ±°λμ μ 리μμΆκ°λμ μ 리면 κ±°μΉ κΈ°, μ§λ°μλ ₯μ λ°λ₯Έ μ 리λ«νμ λλ‘ λΆμν
λ μ°κ΅¬κ° μνλμμΌλ©°(Yow and Goodman, 1987), μ 리μλ° λ΄μ ν°λμ λν μμλΈλ‘μ κ±°λμ κ°λ³μμλ²μΌλ‘ λΆμνλ μ°
ꡬ μμ μνλμλ€(Moon and Chang, 1992). μ΄μΈμλ μμλΈλ‘μ κ±°λλΆμμ μν΄ λ€μν μμΉν΄μμ μ°κ΅¬κ° μνλμμΌλ
(Nomikos et al., 2002; Hwang, 2006; Menendez-Diaz et al., 2009; Cho, 2016), ν΄λΉ μ°κ΅¬λ€μ κ²½μ° μμλΈλ‘μ κ±°λ λΆμμ κ°
체 ν΄μμ μ¬μ©νκ±°λ νΉμ ν μμλΈλ‘ λΆν¬μ‘°κ±΄μ λν μ¬λ‘μ°κ΅¬μ κ·ΈμΉκ³ μμ΄ λ€μν μ§ν곡λμ κ°λ° νμ₯μμ μμλΈλ‘μ κ±°
λ μμ μ±μ μ μνκ³ μ ννκ² λΆμνκΈ°μλ λ―Έν‘ν μ μ΄ λ§λ€. λ€μν νμ₯쑰건μμ μμλΈλ‘μ μμ μ±μ μ λμ μΌλ‘ λΆμνλ
μ°κ΅¬ μμ μνλμμΌλ(Kang, 2017), ν΄λΉ μ°κ΅¬λ λ¨μν 2μ°¨μ μμλΈλ‘μ λμμΌλ‘ μ§νλμ΄ μλμ μΌλ‘ 볡μ‘ν κΈ°ννμ ꡬ
μ‘°λ₯Ό κ°μ§λ 3μ°¨μ μμλΈλ‘μ μμ μ± λΆμμλ μ ν©νμ§ μλ€.
μ΄ μ°κ΅¬μμλ μ§μ²΄μλ ₯μ κ³ λ €ν 3μ°¨μ μμλΈλ‘μ μ λμ μΈ κ±°λ μμ μ± λΆμμ΄ μ΄λ €μ΄ κΈ°μ‘΄ μ°κ΅¬λ€μ λ¨μ μ κ°μ νκΈ° μν΄,
3μ°¨μ λμ¬λ μ§ν곡λ 쑰건μμ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ λν μ΄λ‘ μ κ³μ°κ²°κ³Όμ μμΉν΄μ κ²°κ³Όκ°μ μ€μ°¨λ₯Ό μ λμ μΌλ‘ λΆμνμ¬
λμΆν μ΄λ‘ μ κ³μ°κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ νμλ€. μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건μ μ΄λ‘ μ μ립μ μν΄ Kirschν΄λ₯Ό νμ©νμ¬ μ§ν곡λ μ£Όλ³ μλ ₯λΆν¬λ₯Ό
λμΆνμμΌλ©°, μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμμ Coulomb μ λ¨κ°λμμ κΈ°μ΄νμ¬ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ κ²°μ νμλ€. μμΉν΄μ λΆμμ 3
μ°¨μ κ°λ³μμλ² μννΈμ¨μ΄μΈ 3DECμ νμ©νμ¬ μ§ννμμΌλ©°, λ€μν μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄μμ μμλΈλ‘μ΄ κ±°λ쑰건μ
λ§μ‘±νλ μλ ₯λΆν¬λ₯Ό λμΆνμλ€. μ΄λ λ°μνλ μ΄λ‘ μ κ³μ°κ²°κ³Όμ 3DEC μμΉν΄μ κ²°κ³Όκ°μ μ€μ°¨ λ°μ μμΈμ μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄
μμ μμ©νλ μ ν¨μλ ₯μ μ°¨μ΄λ‘ κ°μ νμμΌλ©°, μ΄λ₯Ό μ 리면μ μμ§-μν λ°©ν₯μ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨(stress transmission ratio)λ‘ μ λ
ννμ¬ νκ·λΆμμ μννμλ€. λ§μ§λ§μΌλ‘ λμΆν νκ·λΆμ κ²°κ³Όλ₯Ό νμ©νμ¬ λ€μν νμ₯ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄ νμμ μμ
λΈλ‘μ κ±°λ μμ μ±μ λν μ ννκ³ μ μν μμΈ‘κ°λ₯ μ¬λΆλ₯Ό κ²μ¦νμλ€.
2. μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 λΆμ
λ³Έ μ°κ΅¬μμλ μ§μ²΄μλ ₯μ΄ μμλΈλ‘μ μμ μ±μ μ μλ―Έν μν₯μ λ―ΈμΉ μ μλ λμ¬λ νκ²½μμμ 3μ°¨μ μ§ν곡λ λͺ¨λΈμ μ€μ
νμλ€. λ³Έ μ°κ΅¬μμ νμ©ν 3μ°¨μ μ§ν곡λ λͺ¨λΈμ Fig. 1(a)μ κ°μ΄ μ¬λ 100 mμ μμΉν μ§κ²½ 10 mμ μν΅ν ν°λμ΄λ©°, 3κ°μ μ
λ‘ λ€λ₯Έ μ 리면μΌλ‘ μ΄λ£¨μ΄μ§λ λμ΄ 0.5 mμ μ μ¬λ©΄μ²΄ νν μμλΈλ‘μ ν°λ μ€μ¬ μ²μ₯λΆμ μμ±νμλ€. μ΄λ μλ°μ μμ©νλ μ
μ§μλ ₯μ±λΆμ μ¬λμ λ°λ₯Έ μλ°μ μμ€μΌλ‘ κ²°μ νμμΌλ©°, μνμλ ₯μ±λΆμ μν/μμ§μλ ₯λΉμ¨ 쑰건μ λ§μ‘±νλ ν¬κΈ°λ‘ ν°λ κ΅΄μ°©
λ°©ν₯κ³Ό νν λ° μμ§ν λ°©ν₯μμ μμ©νμλ€. 3DEC μμΉν΄μμ μν 3μ°¨μ μ§ν곡λ λͺ¨λΈμ Fig. 1(b)μ κ°μΌλ©°, μ΄λ μλ°μ λ¬Όμ±
쑰건μ μλ Table 1μ μ μλ κ²κ³Ό κ°μ΄ κ±°μ°½νκ°μμ λ¬Όμ±μ‘°κ±΄μ νμ©νμλ€.
66 β Il-Seok Kang and Jae-Joon Song
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
(a) Underground opening and rock block model (b) 3DEC model
Fig. 1. Three dimensional model of underground opening and rock block
Table 1. Mechanical properties of rock mass used in this study (Kim, 2015)
Material propertiesUnit weight
()
Youngβs modulus
()Poissionβs ratio
Tensile strength
()
Friction angle
()
Cohesion
()
Property value 25.9 44.0 0.23 6.2 51.3 14.0
2.1 μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μ μ립
μμλΈλ‘μ μ΄λ‘ μ κ±°λ쑰건μ μ립νκΈ° μν΄ Coulombμ μ λ¨κ°λμμ μ μ©νμλ€. Coulombμμ μλ° μ 리면μ μ λ¨κ°λμ
μ 리면μ μμ©νλ μμ§μλ ₯κ°μ κ΄κ³λ₯Ό μ νμ μΌλ‘ λνλΈ μ΄λ‘ μμΌλ‘, μλ ₯μ΄ μμ©νλ μ 리면μ κ±°λμ κ°λ¨νκ² ννν μ μ
λ€. μμ 3κ°μ μλ‘ λ€λ₯Έ μ 리면μ ν΅ν΄ μ€μ ν μμλΈλ‘μ ννμ λ°λΌ, μ΄ 3κ°μ μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμ Coulombμμ λ°λ₯Έ μ λ¨
쑰건μ λμμ λΆμνμλ€. μ΄λ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ μ΅μ 1κ°μ μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμ Coulomb μ λ¨κ°λ쑰건μ λ§μ‘±νμ§ λͺ»
νλ κ²½μ°λ‘ κ²°μ νμλ€.
μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμ μμ©νλ μλ ₯μ±λΆμ κ²½μ°, μν μ§ν곡λ μ£Όλ³μ μλ ₯ν΄μμ μν΄ μΌλ°μ μΌλ‘ μ¬μ©λλ Kirschν΄λ₯Ό μ
μ©νμ¬ κ²°μ νμλ€. μ§ν곡λ λ¨λ©΄μμμμ μλ ₯λΆν¬λ μλ°μ μμ©νλ μμ§-μνμλ ₯ μ±λΆμ far-field μλ ₯μ±λΆμΌλ‘ μ€μ νμ¬
λΆμνμμΌλ©°, μ§ν곡λ λ¨λ©΄κ³Ό μμ§ν λ°©ν₯μ μλ ₯μ±λΆμ μλ°μ μμ©νλ μνμλ ₯ μ±λΆκ³Ό λμΌν κ°μΌλ‘ μ€μ νμλ€.
μ΄μ κ°μ΄ λΆμν κ° μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμ μμ©νλ μλ ₯μ±λΆμ Coulomb μ λ¨κ°λμμ μ μ©νμ¬ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μ
μ μμ μ¨μ ννλ‘ λμΆν μ μμΌλ©°, μ΄λ₯Ό μμΌλ‘ λνλ΄λ©΄ μλ μ (1)κ³Ό κ°λ€.
tan (1)
μ (1)μμ λ κ°κ° μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμμ μμ§, μ λ¨λ°©ν₯ μλ ₯μ±λΆ λ° μμ€μ±λΆμ΄λ©°, λ κ°
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening considering Geostatic Stress Conditions β 67
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μ μ μ°©λ ₯, λ©΄μ , λ§μ°°κ°μ΄λ€. μ (1)μ λΆμ μ±λΆμ Coulomb μ λ¨κ°λμμ λ°λ₯Έ μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μ μ λ¨κ°λμ΄
λ©°, λΆλͺ¨ μ±λΆμ μ΄λ‘ μ μΌλ‘ κ³μ°λ μ λ¨λ°©ν₯ μλ ₯μ±λΆμ ν¬κΈ°μ΄λ€. μ΄λ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ μ (1)μ ν΅ν΄ κ³μ°λ κ°μ΄ 1
μ΄νμΈ κ²½μ°λ‘ μ΄λ‘ μ μΌλ‘ νλ¨ν μ μλ€.
2.2 3DEC μμΉν΄μ λΆμ
μμ μ립ν μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ λΉκ΅μ κ°λ¨ν μλ ₯ν΄μκΈ°λ² λ° μ 리면 κ±°λν΄μκΈ°λ²μ μ μ©νμ¬, μ§μ²΄μλ ₯μ μμ©μ
λ°λ₯Έ μλ° λ° μ 리면μ λ³νκ±°λμ κ³ λ €νλλ° μ ν©νμ§ μλ€. λ°λΌμ λ³Έ μ°κ΅¬μμλ 3μ°¨μ κ°λ³μμ μννΈμ¨μ΄μΈ 3DECμ νμ©
ν μμΉν΄μ κ²°κ³Όλ₯Ό μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건μ μ μ©νμ¬, μλ° λ° μ 리면μ λ³νμμλ₯Ό λ³΄λ€ μ λμ μΌλ‘ ννν μ μλ μμλΈλ‘ κ±°λ
μμ μ± λΆμμ μννμλ€. μ΄λ 3DEC μμΉν΄μ κ²°κ³Όλ₯Ό μμ μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ λ³΄λ€ μ©μ΄νκ² μ μ©νκΈ° μν΄ λΆμλμ
μμλΈλ‘μ μμ©νλ κ°μμ νμΈ μΈλ°λ ₯(Pulling force)μ μ€μ νμλ€. μΈλ°λ ₯μ μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건μ λ°λΌ > 1 κ°μ κ°μ Έ κ±°
λ μμ μ±μ κ°μ§λ μμλΈλ‘μ νλ½μ μ λνλ λ°©ν₯μΌλ‘ μμ©νλ μλ ₯μ±λΆμΌλ‘, μΈλ°λ ₯μ ν¬κΈ° λ° λ°©ν₯μ μ‘°μ νμ¬ μμλΈλ‘μ΄
κ±°λνκΈ° μμνλ μκ³μ‘°κ±΄(critical state)μμμ μΈλ°λ ₯ λ° μ§μ²΄μλ ₯ 쑰건μ λμΆν κ²½μ°, ν΄λΉ 쑰건μμμ κ°μ μ΄λ‘ μ μΌλ‘
1λ‘ μλ ΄νκ² λλ€. μλ Table 2, 3μ 3DEC μμΉν΄μ λΆμ κ³Όμ μμ νμ©ν μ 리면 λ¬Όμ±μ‘°κ±΄μ λνλ΄λ©°, Table 4λ κ° μ§μ²΄μλ ₯
λ° λ¬Όμ±μ‘°κ±΄μμ λΆμλ μΈλ°λ ₯ κ°μ λνλΈλ€. Table 2μ μ μλ μ 리면 λ¬Όμ±μ‘°κ±΄μ κ²½μ° UDEC λ° 3DEC μννΈμ¨μ΄μμ μ 곡
λλ βRock:Granite β fine grainedβ λ¬Όμ±μ‘°κ±΄μ νμ©νμλ€.
Table 2. Mechanical properties of rock joints used in 3DEC simulation (Itasca, 2014)
Material propertiesFriction angle
()
Cohesion
()
Dilation
()
Property value 32.0 0.1 5.0
Table 3. Joint stiffness conditions used in 3DEC simulation
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
2.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
3.0 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0
4.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0
5.0 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0
* : Joint normal stiffness
: Joint shear stiffness ()
Table 4. Analysis results of critical state pulling force in 3DEC
Joint normal / shear stiffness ratio (
)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
2.0
1 5.725 4.825 5.445 3.265 3.295
1.1 10.41 8.675 7.615 6.155 5.93
1.2 16.245 12.755 11.005 9.585 8.615
1.3 21.125 16.355 15.195 13.095 11.985
1.4 25.875 21.67 19.655 16.315 15.255
1.5 31.105 26.875 22.935 19.785 17.975
68 β Il-Seok Kang and Jae-Joon Song
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
Table 4. Analysis results of critical state pulling force in 3DEC (Continued)
Joint normal / shear stiffness ratio (
)
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
3.0
1 6.905 5.325 6.155 3.715 3.81
1.1 12.595 9.985 8.675 7.255 6.735
1.2 19.705 14.405 13.125 11.005 10.385
1.3 24.535 19.675 17.955 14.665 13.465
1.4 29.92 24.185 22.065 18.175 16.915
1.5 35.275 30.595 27.105 23.225 21.715
4.0
1 7.655 7.845 6.315 3.815 3.945
1.1 13.075 10.425 9.115 7.175 7.335
1.2 20.495 16.63 13.045 11.625 10.695
1.3 24.955 19.845 17.645 15.815 13.485
1.4 33.205 27.165 22.595 18.795 17.415
1.5 37.435 33.475 27.565 23.855 21.785
5.0
1 9.015 9.015 7.415 4.445 4.685
1.1 15.285 11.645 10.775 8.55 8.335
1.2 23.765 18.935 15.885 14.015 11.885
1.3 30.005 23.065 21.495 18.465 16.245
1.4 37.47 30.435 26.945 21.605 20.925
1.5 44.675 39.475 31.645 26.475 24.505
()
Table 3,4 μ μ μλ κ²κ³Ό κ°μ΄, λ³Έ μ°κ΅¬μμλ μΌμ ν μλ° λ° μ 리면 λ¬Όμ±μ‘°κ±΄ νμμ μ§μ²΄μλ ₯μ μΈ‘μκ³μ λ° μ 리면 κ°μ±μ‘°κ±΄
μ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ 3DEC μμΉν΄μμ ν΅ν΄ λΆμνμλ€.
2.3 μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨ νκ·λΆμ
μμ 2.2μ₯μμ μΈκΈλ κ²κ³Ό κ°μ΄, 2.1μ₯μμ μ립ν μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ μλ° λ° μ 리면μ λ³νκ±°λμ λ°μνμ§ λͺ»νλ€
λ λ¨μ μ΄ μλ€. λ°λΌμ λ³Έ μ°κ΅¬μμλ 3DEC μμΉν΄μμ ν΅ν΄ λμΆν μκ³μ‘°κ±΄μμμ μΈλ°λ ₯ κ°μ νμ©νμ¬ μ΄λ‘ μ κ±°λ쑰건μ
보μ νκ³ μ νμλ€. μμ μ μν μκ³μ‘°κ±΄μ μ μμ λ°λΌ Table 4 μ κ°μ΄ λΆμλ μΈλ°λ ₯ κ°μ΄ μμ©νλ κ²½μ°, μ (1)μμ λμΆλλ
κ°μ 1λ‘ μλ ΄νκ² λλ€. λ°λΌμ μ΄λ μΈλ°λ ₯ νμ ν¬ν¨ν μ (1)μ λ€μκ³Ό κ°μ΄ ννλ μ μλ€.
tan (2)
μ (2)μμ λ κ° μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμ μμ©νλ μμ§, μ λ¨λ°©ν₯ μΈλ°λ ₯ μ±λΆμ΄λ€. νμ§λ§ μ (2)μ μλ ₯μ±λΆ λ° μΈλ°
λ ₯ 쑰건μ λμ νμ¬ κ³μ°ν κ²½μ°, κ°μ 1λ‘ μλ ΄νμ§ μλ κ²°κ³Όλ₯Ό 보μ΄λ κ²½μ°κ° λ§λ€. λ³Έ μ°κ΅¬μμλ μ΄μ κ°μ΄ μμλΈλ‘μ κ±°
λ쑰건μμ μ΄λ‘ μκ³Ό μμΉν΄μ κ²°κ³Όκ°μ μ€μ°¨κ° λ°μνλ μμΈμΌλ‘, κ° μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμμ λ³νκ±°λμΌλ‘ μΈν΄ μ΄λ‘ μ μΌλ‘ κ³
μ°λ μλ ₯κ°κ³Ό μ€μ§μ μΈ μ ν¨μλ ₯κ° κ°μ μ°¨μ΄κ° μ‘΄μ¬ν κ²μΌλ‘ κ°μ νμλ€. μ΄λ₯Ό 보μ νκΈ° μν΄ λ³Έ μ°κ΅¬μμλ μ (2)μ μμ§, μ
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening considering Geostatic Stress Conditions β 69
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
λ¨λ°©ν₯ μλ ₯μ±λΆμ λν΄ μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μμμ μ΄λ‘ μλ ₯ λλΉ μ ν¨μλ ₯ λΉμ¨μ λνλ΄λ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨(stress transmission
ratio)μ μΆκ°νμλ€. μ΄λ μ (2)λ λ€μκ³Ό κ°μ΄ ννλλ€.
β
β
tan (3)
μ (3)μμ λ κ°κ° μμ§, μ λ¨λ°©ν₯μ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨μ λνλΈλ€. λν μ΄λ μ (3)μ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨μ λν΄ μ 리νλ©΄ λ€μ
κ³Ό κ°μ μμ§, μ λ¨λ°©ν₯ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨μ 1μ°¨μ ννλ‘ μμ μ»μ μ μλ€.
tan
β
(4)
β
(5)
β΄
β
(6)
μ (4)μ κ°μ΄ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨κ°μ 1μ°¨μ ννλ‘ μμ μ 리ν ν, , , tan tan
tan λ‘ κ°μννμ¬ μ (5)μ κ°μ΄ κ°λ¨ν ννλ‘ λνλΌ μ μμΌλ©°, μ΄λ₯Ό μ (3)μ λμ νμ¬ μ (6)κ³Ό κ°μ΄ μκ³μ‘°κ±΄μμ μλ ₯
μ λ¬λΉμ¨μ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ = 1 쑰건μ λ§μΆμ΄ λμΆν μ μλ€.
μ΄λ μ (5)μμ λνλλ μλ ₯μ λ¬λΉμ¨ κ° 1μ°¨μμ κ³μ μ μ΄λ‘ μ μΌλ‘ λμΆν μλ°-λΈλ‘ κ²½κ³λ©΄μ μλ ₯μ±λΆ λ°
3DEC μμΉν΄μμ ν΅ν μκ³μ‘°κ±΄ μΈλ°λ ₯, μμλΈλ‘μ κΈ°ννμ 쑰건μ λ°λΌ κ³μ°ν μ μμΌλ―λ‘, μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄μ λ°
λΌ μ μ λν κ°λ₯νλ€λ©΄ μ (6)μ νμ©νμ¬ κ° μμ μ λμ μΌλ‘ κ³μ°μ΄ κ°λ₯νλ€. λ°λΌμ λ³Έ μ°κ΅¬μμλ κ°μ μ
λνλ₯Ό μν΄ λ€μν μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄ νμμ μμλΈλ‘μ μκ³μ‘°κ±΄ μΈλ°λ ₯ κ°μ λΆμν ν, μ΄λ₯Ό ν΅ν΄ κ³μ°λλ κ°μ
λν νκ·λΆμμ μ§ννμλ€. λΆμ κ²°κ³Ό μλ°μ μμ©νλ μ§μ²΄μλ ₯μ μν/μμ§μλ ₯λΉμ¨(Lateral stress ratio, ) λ° μ 리κ°μ±
λΉμ¨(Joint stiffness ratio, )μ λ°λ₯Έ μ νκ·μμ λμΆνμλ€. νκ·λΆμ κ²°κ³Ό λ° λμΆλ νκ·μμ μλ Fig. 2,3 μ λν
λ΄μλ€.
70 β Il-Seok Kang and Jae-Joon Song
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
(a) Regression curves under different joint stiffness
ratio conditions
(b) Regression lines under different lateral stress
ratio conditions
Fig. 2. Regression analysis results of the coefficient of stress transmission ratio (M)
(a) Regression lines under different joint stiffness
ratio conditions
(b) Regression lines under different lateral stress
ratio conditions
Fig. 3. Regression analysis results of the coefficient of stress transmission ratio (N)
3. κ²°κ³Ό λΆμ
μμ λμΆν μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μ λ° νκ·λΆμ κ²°κ³Όλ₯Ό νμ©νμ¬, 2μ₯μμ νμ©ν κ²κ³Όλ λ€λ₯Έ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ 리물μ±μ μ μ©
ν΄ μ€μ μ§ν곡λ κ°λ° νμ₯μμ νμ₯μλ£λ₯Ό νμ©ν μμλΈλ‘μ κ±°λλΆμ κ°λ₯μ±μ κ²μ¦νμλ€. λ¨Όμ μλ‘ λ€λ₯Έ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ 리
κ°μ± 쑰건μ λν λΆμμ μ§ννμμΌλ©°, μμλΈλ‘μ μμΉμ λ°λ₯Έ κ±°λλΆμ μμ μννμλ€.
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening considering Geostatic Stress Conditions β 71
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
3.1 μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ 리κ°μ± 쑰건μ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘ κ±°λ μμΈ‘
μλ‘ λ€λ₯Έ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ 리κ°μ± 쑰건μ λ°λΌ μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ±μ λΆμνμλ€. 1.0-3.0 λ²μμμ 0.5 κ°κ²©μΌλ‘ μ€μ ν μν/
μμ§μλ ₯λΉμ¨ 쑰건μμ μμ§μ 리κ°μ±μ΄ 10.0 μΌ λ, κ°κ° 1.7, 3.0, 5.0μ μ 리κ°μ±λΉμ¨ 쑰건 νμμ μμλΈλ‘μ μκ³μ‘°κ±΄
μΈλ°λ ₯ κ°μ κ³μ°νμλ€. Fig. 4μ λ³Έ μ°κ΅¬μμ μ μν μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ νμ©ν λΆμκ²°κ³Όμ 3DEC μμΉν΄μ κ²°κ³Όλ₯Ό λ
νλ΄μλ€. μμΉν΄μ κ²°κ³Όμ μ΄λ‘ μκ°μ μ΅λμ€μ°¨λ 2.91 kN, μ΅λμ€μ°¨λΉμ¨μ 4.68%λ‘ λΆμλμμΌλ©°, λ³Έ μ°κ΅¬μμ μ μν μ΄λ‘ μ
μ΄ μμλΈλ‘μ μμ μ±μ μΌκ΄μ μΌλ‘ μ νκ°ν¨μ νμΈν μ μλ€.
(a) Joint stiffness ratio = 1.7 (b) Joint stiffness ratio = 3.0
(c) Joint stiffness ratio = 5.0
Fig. 4. Verification results under different stress and joint conditions
3.2 μ§μ²΄μλ ₯ λ° μμλΈλ‘ μμΉμ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘ κ±°λ μμΈ‘
μ§ν곡λ μ£Όλ³λΆμ μλ‘ λ€λ₯Έ μμΉμμ μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ±μ λΆμνμλ€. Fig. 5μ κ°μ΄ μ§ν곡λμ λ¨λ©΄μ λνλμ λ,
μ§ν곡λ μ²μ₯λΆλ₯Ό κΈ°μ€μ ( = 0Β°)μΌλ‘ 60Β° λ²μ λ΄μμ 15Β° κ°κ²©μΌλ‘ μμλΈλ‘μ΄ μμΉν λ μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ μ νλ
λ₯Ό λΆμνμλ€. λΆμ κ³Όμ μμ μν/μμ§μλ ₯λΉμ¨ 쑰건μ 3.1μ κ³Ό λμΌν λ²μλ‘ μ€μ νμμΌλ©°, μ 리κ°μ±μ‘°κ±΄μ μμ§μ 리κ°μ±
10.0 μ μ 리κ°μ±λΉμ¨ 3.0 쑰건μΌλ‘ μ€μ νμλ€. Fig. 6μ μμλΈλ‘ μμΉμ λ°λ₯Έ μ΄λ‘ μ κ²μ¦κ²°κ³Όλ₯Ό μ μνμλ€. μμ 3.1
72 β Il-Seok Kang and Jae-Joon Song
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
μ μ κ²μ¦κ²°κ³Όμ λ§μ°¬κ°μ§λ‘ μ΄λ‘ μ μ μ© μ μμλΈλ‘μ μμ μ±μ λν κ³Όμνκ°κ° κ΄μΈ‘λμμΌλ©°, μ΄λ μ΅λμ€μ°¨λ 23.541 kN, μ΅
λμ€μ°¨λΉμ¨μ 6.12%λ‘ λΆμλμλ€.
Fig. 5. Locations of rock blocks in verification tests
(a) = 0Β° (b) = 15Β°
(c) = 30Β° (d) = 45Β°
Fig. 6. Verification of suggested method under different block location
Fast Analysis of Rock Block Behavior on Underground Opening considering Geostatic Stress Conditions β 73
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
(e) = 60Β°
Fig. 6. Verification of suggested method under different block location (Continued)
4. κ²° λ‘
λ³Έ μ°κ΅¬μμλ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ 리물μ±μ μν₯μ κ³ λ €ν μ μλ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ λμΆνμλ€. μ΄λ κΈ°μ‘΄ μμλΈλ‘
μ κ±°λν΄μκΈ°λ²μ΄ κ°μ²΄ν΄μ λλ νΉμ ν μν©μμμ μμλΈλ‘ κ±°λν΄μλ§μ λͺ¨μ¬νμ¬ νμ₯μμμ νμ©λκ° μ νμ μ΄μλ κ²κ³Όλ
λ¬λ¦¬, μ΄λ‘ μ λ°©λ²λ‘ κ³Ό μμΉν΄μκΈ°λ²μ μ λͺ©νμ¬ κ° μ§μ²΄μλ ₯쑰건 λ° μ 리물μ±μ‘°κ±΄μ λ°λ₯Έ μμλΈλ‘μ κ±°λ쑰건μ νκ·μ μΌλ‘ λΆ
μνμ¬ λ€μν νμ₯쑰건μμλ μμλΈλ‘μ κ±°λ μμ μ± λΆμμ΄ κ°λ₯ν¨μ νμΈνμλ€. λν λμΆν μμλΈλ‘ κ±°λ쑰건 μ΄λ‘ μμ ν
κ·λΆμμ μ¬μ©λ κ²κ³Όλ λ€λ₯Έ μ§μ²΄μλ ₯ λ° μ λ¦¬λ¬Όμ± μ‘°κ±΄μ λν΄ κ²μ¦ν κ²°κ³Ό, 3DEC μμΉν΄μμ νμ©ν λΆμκ²°κ³Όμ λΉκ΅νμ¬ μ½
5% λ―Έλ§μ μ€μ°¨λ²μ λ΄μμ μμλΈλ‘μ κ±°λμμμ μμΈ‘νμ¬ λΆμκ²°κ³Όμ μ νμ±μ΄ λμ κ²μΌλ‘ νλ¨λμλ€. μμλΈλ‘μ λ€μν
κΈ°ννμ μμΉμ λ°λ₯Έ κ²μ¦κ²°κ³Ό μμ μ½ 6% μ΄λ΄μ μμ μ€μ°¨μμ€μ 보μλ€. λΉλ‘ λ³Έ μ°κ΅¬μμ μ μν μμλΈλ‘μ κ±°λλΆμ κΈ°λ²μ΄
λμ μμλΈλ‘μ μμ μ±μ μΌκ΄μ μΌλ‘ μ νκ°νλ κ²½ν₯μ±μ 보μμΌλ, μ΄λ κ²μ¦κ²°κ³Όμμ λμΆλ 5-6%λμ μμ μ€μ°¨μμ€μ κ³ λ €
ν λ νμ₯ μ‘°μ¬ μλ£κ° κ°μ§λ λΆμ νμ±μ 보μνκΈ° μν μ§ν곡λμ μμ μ μ€κ³κΈ°μ€μΌλ‘ νμ©λ μ μμ κ²μΌλ‘ μ¬κ²¨μ§λ€.
λ³Έ μ°κ΅¬μμλ κΈ°μ΄μ μΈ μλ ₯λΆν¬λΆμ λ° μ λ¨κ±°λλΆμ κΈ°λ²μΈ Kirschν΄ λ° Coulomb μ λ¨κ°λμλ§μ νμ©νμ¬ μ°κ΅¬λ₯Ό μ§νν
μλ€. μΆν λΆμ°μ μλ°μ μλ ₯λΆν¬λΆμ λ° μ 리면μ κ±°μΉ κΈ° λ° μ리μ νΉμ±μ λ°μν μ μλ μ λ¨κ±°λμμ νμ©νλ€λ©΄ λ³΄λ€ μ ν
νκ³ λ²μ©μ μΈ μμλΈλ‘μ κ±°λλΆμμ΄ κ°λ₯ν κ²μΌλ‘ μκ°λλ€. λν λ³Έ μ°κ΅¬μ μμΉν΄μ κ³Όμ μμλ 3μ°¨μ κ°λ³μμ μννΈμ¨μ΄
μΈ 3DECλ§μ μ¬μ©νμλλ°, PFC3D λ± λ€μν μμΉν΄μ μννΈμ¨μ΄λ₯Ό νμ©ν λ³Έ μ°κ΅¬κ²°κ³Όμ κ²μ¦ μμ μμλΈλ‘μ κ±°λλΆμμ
λν μΆκ°μ μΈ μ°κ΅¬λ‘μ¨ νμ©λ μ μμ κ²μ΄λ€.
μ¬ μ¬
μ΄ λ Όλ¬Έμ 2016λ λ μ λΆ(κ΅μ‘λΆ)μ μ¬μμΌλ‘ νκ΅μ°κ΅¬μ¬λ¨μ μ§μμ λ°μ μνλ κΈ°μ΄μ°κ΅¬μ¬μ μ (NRF-2016R1D1A1
B03936033).
74 β Il-Seok Kang and Jae-Joon Song
TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol. 29, No. 1, 2019
REFERENCES
Cho, T., 2016, Effect of Joint Persistence on the Formation of Tetrahedral Block Inside an Underground Opening, Tunnel and
Underground Space, Vol. 26, No. 6, pp. 475-483.
Goodman, R. E. and Shi, G. H., 1985, Block theory and its application to rock engineering, Prentice-Hall, London.
Hwang, J. Y., 2006, New Observational Design and Construction Method for Rock Block Evaluation of Tunnels in Discontinuous
Rock Masses, Tunnel and Underground Space, Vol. 16, No. 1, pp. 1-10.
Itasca Consulting Group Inc., 2014, UDEC 6.0 Userβs Guide, USA.
Kang, I. S., 2017, Development of stability analysis method for symmetric rock block on 2d underground opening considering
geostatic stress, Master dissertation, Seoul National University.
Kim, M. K., 2015, The mechanical properties of the Geochang granite, Tunnel and Underground Space, Vol. 25, No. 1, pp. 24-36.
Menendez-Diaz, A., Gonzalez-Palacio, C., Alvarez-Vigil, A. E., Gonzalez-Nicieza, C. and Ramirez-Oyanguren, P., 2009. Analysis
of tetrahedral and pentahedral key blocks in underground excavations. Computers and Geotechnics, Vol. 36, No. 6, pp.
1009-1023.
Moon, H. K. and Chang, S. B., 1992, Application of a Distinct Element Method in the Analyses of Rock Avalanche and Tunnel
Stability in Blocky Rock Masses, Tunnel and Underground Space, Vol. 2, pp. 212-223.
Nomikos, P. P., Sofianos, A. I. and Tsoutrelis, C. E., 2002, Symmetric wedge in the roof of a tunnel excavated in an inclined stress
field, International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, Vol. 39, No. 1, pp. 59-67.
Yow, J. L. and Goodman, R. E., 1987, A ground reaction curve based upon block theory, Rock Mechanics and Rock Engineering,
Vol. 20, No. 3, pp. 167-190.