• 한국지반공학회논문집
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• 제32권1호
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• pp.19-33
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• 2016

강우의 침투가 사면안정에 미치는 영향을 평가하기 위해 강우의 침투해석을 수행하고 그 결과를 한계평형해석에 적용하는 안정해석 절차가 널리 사용되고 있으나 지반은 흙 입자, 물과 공기로 이루어진 3상의 물질이므로 사면을 통한 강우의 침투를 엄밀하게 해석하기 위해서는 물, 공기의 흐름과 흙의 응력-변형거동이 완전 연관된(fully coupled) 식을 고려해야 한다. 본 연구에서는 공기와 물의 흐름이 사면의 역학적 안정에 미치는 영향을 연구하기 위하여 우리나라에 널리 분포하는 풍화잔류토 사면에 대하여 3상이 연동된 흐름해석을 수행하였다. 강우침투가 사면안정에 미치는 영향을 평가하기 위하여 강도감소법에 의한 사면 안정해석을 수행하였다. 해석결과에 의하면 침투하는 강우가 공기를 밀어내 공기의 흐름이 발생하고 공기압이 증가하였다. 이러한 간극에서의 물과 공기의 상호작용은 사면의 응력-변형거동에 영향을 미쳐 공기의 흐름을 고려하지 않은 흙 입자-물의 연관해석의 결과와는 다른 사면안정 거동을 보였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제20권4호
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• pp.429-453
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• 2022

Numerical modeling and scenario composition are needed to characterize the geological environment of the disposal site and analyze the long-term evolution of natural barriers. In this study, processes and features of the hydro-mechanical behavior of natural barriers were categorized and represented using the interrelation matrix proposed by SKB and Posiva. A hydro-mechanical coupled model was evaluated for analyzing stress field changes and fracture zone re-activation. The processes corresponding to long-term evolution and the hydro-mechanical mechanisms that may accompany critical processes were identified. Consequently, practical numerical methods could be considered for these geological engineering issues. A case study using a numerical method for the stability analysis of an underground disposal system was performed. Critical stress distribution regime problems were analyzed numerically by considering the strata's movement. Another case focused on the equivalent continuum domain composition under the upscaling process in fractured rocks. Numerical methods and case studies were reviewed, confirming that an appropriate and optimized modeling technique is essential for studying the stress state and geological history of the Korean Peninsula. Considering the environments of potential disposal sites in Korea, selecting the optimal application method that effectively simulates fractured rocks should be prioritized.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제71권6호
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• pp.699-712
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• 2019

The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.

• 터널과지하공간
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• 제33권1호
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• pp.57-69
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• 2023

본 연구에서는 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)을 사용하여 네델란드 그로닝엔(Groningen) 천연가스전 저류층의 유발지진을 모사하였다. 수치해석 코드는 ITASCA社의 상용프로그램인 PFC2D (Particle Flow Code 2D)를 사용하였으며 본 수치해석 연구에 적용하기 위해 수리-역학적 연계 모델 외 1) 비균질 저류층 압력분포 초기화, 2) 비선형 압력-시간이력 경계조건, 3) 국소 응력 분포 계산 등의 개별모듈을 추가개발, 적용하였다. 그로닝엔 가스전에 분포하는 복잡한 단층 형상을 포함하는 40 × 50 km² 크기의 2차원 모델을 생성하였고, 1960년부터 2020년까지 약 60년 동안의 가스생산, 즉 압 력저하로 인한 단층의 파괴거동을 모사하였다. 유발지진의 시공간적 발생을 수치해석모델로 재현하였고 그 발생 메커니즘을 규명하였다. 또한 저류층 압축으로부터 지표에서의 지반침하의 분포를 예측하였고 그로닝엔에서의 실측자료 사이에 유사성을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 소개한 2차원 수리-역학적연계 개별요소모델링(DEM)의 복잡한 지질조건과 수리-역학적 연계 프로세스에 의한 단층거동을 구현할 수 있는 툴(tool)로서의 활용성을 확인하였다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제86권1호
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• pp.139-156
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• 2023

The reinforced concrete lining in the hydraulic pressure tunnel tends to crack during the water-filling process. The lining will be detached from the surrounding rock due to the inner water exosmosis along concrete cracks. From the previous research achievements, the cohesive element is widely adopted to simulate the concrete crack but rarely adopted to simulate the lining-rock interface. In this study, the zero-thickness cohesive element with hydro-mechanical coupling property is not only employed to simulate the traditional concrete crack, but also innovatively introduced to simulate the lining-rock interface. Combined with the indirect-coupled method, the hydro-mechanical coupling algorithm of the reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels is proposed and implemented in the finite element code ABAQUS. The calculated results reveal the cracking mechanism of the reinforced concrete lining, and match well with the observed engineering phenomenon.

• 방사성폐기물학회지
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• 제21권1호
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• pp.23-41
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• 2023

Coupled thermo-hydraulic-mechanical (THM) processes are essential for the long-term performance of deep geological disposal of high-level radioactive waste. In this study, a numerical sensitivity analysis was performed to analyze the effect of rock properties on THM responses after the execution of the heater test at the Kamaishi mine in Japan. The TOUGH-FLAC simulator was applied for the numerical simulation assuming a continuum model for coupled THM analysis. The rock properties included in the sensitivity study were the Young's modulus, permeability, thermal conductivity, and thermal expansion coefficients of crystalline rock, rock salt, and clay. The responses, i.e., temperature, water content, displacement, and stress, were measured at monitoring points in the buffer and near-field rock mass during the simulations. The thermal conductivity had an overarching impact on THM responses. The influence of Young's modulus was evident in the mechanical behavior, whereas that of permeability was noticed through the change in the temperature and water content. The difference in the THM responses of the three rock type models implies the importance of the appropriate characterization of rock mass properties with regard to the performance assessment of the deep geological disposal of high-level radioactive waste.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.670-691
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• 2018

본 논문에서는 국제공동연구 DECOVALEX-2019 프로젝트의 일환으로 수행된 Task B Benchmark Model Test(BMT)의 연구 결과를 소개하였다. Task B는 'Fault slip modelling'을 연구주제로 하며, 유체의 주입으로 인해 발생하는 단층의 재활성과 수리역학적 연계거동을 예측할 수 있는 해석기법을 개발하는 데에 목적이 있다. BMT 시나리오 해석은 각 참가팀들의 수치모델이 단층의 수리역학적 연동거동을 적절히 모사할 수 있는지 교차검증함으로써 각 해석코드의 완성도를 높이기 위하여 수행되었으며, 주입압 적용 조건, 단층 물성, 수리역학적 연동해석 조건 등에 따라 7개의 해석 모델로 이루어져 있다. 본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 이용하여, 역학적 변형으로 야기되는 단층의 수리적 물성 변화와 간극의 기하학적 변화를 동시에 반영할 수 있는 수리역학적 커플링 모듈을 개발하였다. BMT 시나리오 해석을 위하여 Task B 1단계(Step 1) 연구에서 개발된 수치모델을 일부 수정하였고, 단층의 변형에 따른 압축률과 투수계수, 단층의 해석 메쉬의 변화가 해석에 반영될 수 있도록 하였다. 단층의 투수량계수와 저류계수가 단층 내 압력 분포, 주입수량, 변위, 응력 등 수리역학적 거동에 미치는 영향을 검토하였으며, 수정된 수치모델을 기수행된 1단계 연구에 적용하여 해석결과를 업데이트하였다. 해석 결과, 본 연구에서 개발한 해석기법이 물 주입으로 인한 단층의 거동을 합리적인 수준에서 재현할 수 있는 것으로 판단할 수 있었다. 본 연구의 해석모델은 Task B에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 연구의 현장시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.

• 터널과지하공간
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• 제28권5호
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• pp.400-425
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• 2018

본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2019 프로젝트 Task B의 연구결과와 현황을 소개하였다. Task B의 주제는 'Fault slip modelling'으로 유체의 주입으로 인해 발생하는 단층의 재활성(미끄러짐, 전단파괴)과 수리역학적 거동을 예측할 수 있는 해석기법을 개발하는 데에 그 목적이 있다. 1단계 연구는 참가팀들이 연구주제에 대해 숙지하고, 벤치마크 모델을 대상으로 단층의 투수특성과 역학적 거동의 상호작용을 모사할 수 있는 해석코드를 개발할 수 있도록 하는 준비 단계의 연구이다. 본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 사용하여 물 주입으로 인한 단층의 수리역학적 연계거동을 모사하였다. TOUGH2 해석에서는 단층을 Darcy의 법칙과 삼승법칙을 따르는 연속체 요소로 모델링하였으며, FLAC3D 해석에서는 미끄러짐과 개폐가 허용되는 불연속 인터페이스 요소를 통해 모사하였다. 두 가지 수리간극모델에 대하여 수리역학적 커플링 관계식을 수치화하였으며, 연속체 요소(수리모델)와 인터페이스 요소(역학모델)의 거동을 연계할 수 있는 해석기법을 제시하였다. 또한, 단층의 역학적 변형(간극의 변화)으로 인한 수리물성 변화와 기하학적 변화(해석 메쉬의 변형)를 수리해석에 반영할 수 있는 해석기법을 개발하였다. 다양한 압력의 물을 단계적으로 주입하고 이로 인해 유도되는 단층의 탄성거동 및 전단파괴(미끄러짐)에 대해 살펴보았으며, 수리간극의 변화 양상과 원인, 압력 분포와 주입율의 관계 등을 면밀히 검토하였다. 해석 결과, 본 연구에서 개발한 해석기법이 물 주입으로 인한 단층의 미끄러짐 거동을 합리적인 수준에서 재현할 수 있는 것으로 판단할 수 있었다. 본 연구의 해석모델은 Task B에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 연구의 현장시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제4권2호
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• pp.117-131
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• 2006

한국의 고준위폐기물 기준 처분 시스템의 공학적 방벽에서의 T-H-M(Thermo-Hydro-Mechanical) 거동 실증을 위한 KENTEX(KAERI Engineering-scale T-H-M Experiment for Engineered Barrier System)실험 장치를 대상으로 열-수리-역학 연동현상 해석을 하여 온도, 포화도 및 응력의 변화를 예측하였다. 그리고 이들 변수와 열-수리-역학의 연동현상에 사용된 세물성법칙인 탄성물성법칙, 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙과의 관계를 분석하였다. 열-수리-역학 연동현상을 계산하는 데는 상용 유한요소 코드인 ABAQUS를 사용하였다. 열 계산에서 벤토나이트 내 온도는 히터 가열 후 초기에는 급격히 증가하다가 얼마의 시간이 경과한 후에는 거의 일정한 값에 도달하였다. 이 도달시간은 약 37.5일로 반경방향의 모든 지점(H=0.68m 일때)에서 정상상태에 도달한 것을 알 수 있었다. 즉, 히터와 벤토나이트 경계면에서는 $90^{\circ}C$, 벤토나이트와 외부 셀 경계면에서는 약 $70^{\circ}C$를 유지하였다. 열-수리-역학 연동현상 계산에서 시간에 따른 벤토나이트 포화도는 탄성 물성법칙, 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙의 세 경우 모두 거의 차이가 없었다. 열-수리-역학 계산 결과와 수리-역학 계산 결과의 비교에서 온도의 증가는 탄성 물성법칙 및 공극탄성 물성법칙 각각에 대해 시간이 경과함에 따라 포화도가 증가함을 초래해 포화가 빨리 진행됨을 알 수 있었다. 특히 히터에 가까운 쪽에서는물이 침투하고 있는 쪽 보다 포화도 증가가 큰 것으로 나타나 벤토나이트가 물로 포화되기 전의초기상태가 온도의 영향을 많이 받는 것을 알 수 있었다. 또한 응력은 세 물성 법칙 모두 시간의 경과에 따라 증가하는 경향을 보이나 탄성 물성법칙의 경우가 다른 두 경우보다 현저한 변화를 보이는데 이는 변형율이 탄성한계를 넘어서도 계속 작용하여 공극비 변화를 고려한 다른 두 물성법칙과 차이가 있음을 나타내고 있다. 그러나 공극탄성 물성법칙 및 공극탄성-소성 물성법칙의 경우에 열-수리-역학 계산 결과와 수리-역학 계산 결과를 비교하면 시간이 경과함에 따라 응력은 증가하지만 온도의 변화에 따른 서로의 응력의 차이는 작은 것을 알 수 있다. 즉 온도변화의 영향보다는 시간에 따른 포화도 변화의 영향이 더 큰 것으로 생각된다. 따라서 벤토나이트의 열-수리-역학 연동현상 해석에서 벤토나이트는 온도의 증가로 포화가 빨라지고, 포화도 증가는 응력을 증가시키는 결과를 보이므로 공극비, 열팽창 및 팽윤압 등의 영향을 받고 있는 것으로 이해된다. 그래서 벤토나이트의 열-수리-역학 연동현상 해석에서 벤토나이트는 공극비, 열팽창 및 팽윤압 등의 영향을 받으므로 탄성과 소성을 동시에 고려할 수 있는 물성법칙을 선택하는 것이 바람직하다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제15권3호
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• pp.823-831
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• 2018

The most important issue during shield TBM tunneling in soft ground formations is to appropriately control ground surface settlement. Among various operational conditions in shield TBM tunneling, the face pressure and backfill pressure should be the most important and immediate measure to restrain surface settlement during excavation. In this paper, a 3-D hydro-mechanical coupled FE model is developed to numerically simulate the entire process of shield TBM tunneling, which is verified by comparing with real field measurements of ground surface settlement. The effect of permeability and stiffness of ground formations on tunneling-induced surface settlement was discussed in the parametric study. An increase in the face pressure and backfill pressure does not always lead to a decrease in surface settlement, but there are the critical face pressure and backfill pressure. In addition, considering the relatively low permeability of ground formations, the surface settlement consists of two parts, i.e., immediate settlement and consolidation settlement, which shows a distinct settlement behavior to each other.