삼차원 개별요소법을 이용한 절리성 암반의 강도 및 변형특성 평가

Abstract

In this study, a procedure was estimated to estimate strength and deformation modulus of the 3-D discrete fracture network(DFN) systems using the distinct element method(DEM). Joint entities were treated as non-persistent square planes in the DFN systems. Systematically generated fictitious joints having similar mechanical characteristics of intact rock were combined with non-persistent real joints to create polyhedral blocks in the analysis domain. The suggested procedures were found to effective in estimating anisotropic strength and deformability of the 3-D DFN systems. A numerical experiment related to the stress-strain analysis was performed on 3-D discrete fracture network systems based on the distinct element method to evaluate the effect of joint geometry on deformability of jointed rock masses. Using one or two joint sets with deterministic orientation, a total of 224 3-D DFN blocks having 10m cube domain were generated with different joint density and size distribution. Directional deformation modulus of the DFN cube blocks were estimated along the axis directions of 3-D cartesian coordinate. The directional deformation modulus of the DFN block were found to reduce with the increase of joint size distribution. The increase in joint density was less likely to have a significant effect on directional deformation modulus of the DFN block in case of the effect of rock bridges was relatively large because of short joint size distribution. It, however, was evaluated that the longer the joint size, the increase in the joint density had a more significant effect on the anisotropic deformation modulus of the DFN block. The variation of the anisotropic deformation modulus according to the variations in joint density and size distribution was highly dependent on the number of joint sets and their orientation in the DFN block. Finally, this study addressed a numerical procedure for stress-strain analysis of jointed rock masses considering joint geometry and discussed a methodology for practical application at the field scale.

본 연구는 개별요소법을 이용하여 삼차원 불연속절리망(discrete fracture network, DFN) 시스템의 강도 및 변형계수를 추정하기 위해 제안된 기법을 검토하였다. DFN 시스템에서 개별 절리는 유한 길이의 정사각 평면으로 취급하였다. 해석영역은 무결암과 유사한 거동을 하도록 설정된 가상절리와 실제 개별 절리의 조합으로 형성된 다면체로 이산화하였다. 제안된 기법은 삼차원 DFN 시스템의 이방적 강도 및 변형 특성을 효과적으로 추정하는 것으로 평가되었다. 절리의 기하학적 속성이 절리성 암반의 변형 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 삼차원 DFN 시스템에 대한 개별요소법 기반의 응력-변형 해석과 관련된 수치실험을 수행하였다. 1~2 개의 확정적 방향성을 갖는 절리군을 사용하여 절리의 빈도와 길이분포를 달리하며 추계론적으로 생성한 총 224개의 1000m3 정육면체 DFN 블록에 대하여 삼차원 직교좌표계의 축 방향에 따른 변형계수가 산정되었다. 절리의 길이가 증가할수록 DFN 블록의 변형계수는 더욱 저감되는 것으로 평가되었다. 절리의 빈도 증가는 절리의 길이가 짧아서 상대적으로 암교 효과가 큰 경우 DFN 블록의 변형계수 저감에 유의미한 영향을 미치지 못 할 가능성도 있지만 절리길이가 길수록 절리빈도의 증가가 DFN의 이방적 변형계수에 지대한 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 절리의 길이와 빈도 변화에 따른 이방적 변형계수의 변화는 DFN에 분포하는 절리군의 개수 및 방향성에 크게 좌우된다. DFN 블록의 변형 특성은 삼차원상의 방향에 따라 다르게 발현되는 것으로 평가되었다. 마지막으로 본 연구는 절리의 기하학적 속성이 고려된 응력-변형 해석을 위한 수치해석 절차를 제시하였으며 현장규모의 실무 적용을 위한 방법론에 대하여 토의하였다.