본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

유사정적 공진주 시험을 이용한 벤토나이트 완충재와 절리 암반의 역학적 상호작용 특성 평가

Evaluation of Mechanical Interactions Between Bentonite Buffer and Jointed Rock Using the Quasi-Static Resonant Column Test

강석준|김진섭|조계춘|김지원
한국암반공학회 (Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering)|2021.12|터널과 지하공간 (TUNNEL AND UNDERGROUND SPACE)|제31권 제6호|pp. 561-577

0

조회

0

다운로드

0

인용

0

참고문헌

키워드

탄성파 속도고준위방사성폐기물 처분High-level radioactive waste disposal벤토나이트 침식절리 암반유사정적 공진주 시험Bentonite erosionJointed rock massElastic wave velocityQuasi-static resonant column test
주제분류자원공학

초록

고준위방사성폐기물 심층처분장 내 압축 벤토나이트 완충재는 지하수 유입으로 인해 포화되어 팽윤하고, 이때 발생하는 팽윤압으로 인해 벤토나이트가 처분공 주변 암반 균열 내로 침투하게 된다. 침투한 벤토나이트는 지하수 흐름에 노출되어 공학적방벽 외부로 침식될 수 있고, 이러한 벤토나이트 완충재의 침식 및 질량 유실은 공학적방벽의 물리적 건전성에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 심층처분시스템의 장기 건전성을 평가하기 위해 지하수 유입과 완충재의 암반 균열 침투에 따른 완충재와 근계암반 사이의상호작용이 평가되어야 한다. 본 연구에서는 유사정적 공진주 시험기를 이용하여 벤토나이트 완충재의암반 균열 침투가 근계암반의 역학적 거동에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 국내 심층처분장의완충재 재료로 고려되는 경주 벤토나이트와 한국원자력연구원의 지하처분연구시설에서 채취한 화강암디스크를 이용해 완충재 충전물이 포함된 등가연속체 절리 암반 시편을 모사하였고, 수직응력 및 포화여부에 따른 탄성파 속도 변화를 측정하여 절리면의 절리수직강성 및 절리전단강성 변화를 유추하였다. 본 연구에서 수행한 실내실험 결과는 향후 불연속면을 고려한 처분시스템 성능평가 해석의 입력변수로사용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract

The compacted bentonite buffer in a geological repository for high-level radioactive waste disposal is saturated due to groundwater inflow. Saturation of the bentonite buffer results in bentonite swelling and bentonite penetration into the rock discontinuities present around the disposal hole. The penetrated bentonite is exposed to groundwater flow and can be eroded out of the repository, resulting in bentonite mass loss which can affect the physical integrity of the engineered barrier system. Hence, the evaluation of buffer-rock interactions and coupled behavior due to groundwater inflow and bentonite penetration is necessary to ensure long-term disposal safety. In this study, the effects of the bentonite penetration and swelling on the physical properties of jointed rock mass were evaluated using the quasi-static resonant column test. Jointed rock specimens with bentonite penetration were manufactured using Gyeongju bentonite and hollow cylindrical granite rock discs obtained from the KAERI underground research tunnel. The effects of vertical stress and saturation were assessed using the P-wave and S-wave velocities for intact rock, jointed rock and jointed rock with bentonite penetration specimens. The joint normal and joint shear stiffnesses of each joint condition were inferred from the wave velocity results assuming an equivalent continuum. The joint normal and joint shear stiffnesses obtained from this study can be used as input factors for future numerical analysis on the performance evaluation of geological waste disposal considering rock discontinuities.

참고문헌 (50)

  1. Baik, M. H, "An experimental study on the erosion of a compacted calcium bentonite block", Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology, 3(4), pp.341~348 (2005)
  2. Baik, M. H, "Erosion of bentonite particles at the interface of a compacted bentonite and a fractured granite", ineering Geology, 91(2-4), pp.229~239 (2007)
  3. Barton, N, "Review of a new shear-strength criterion for rock joints", Engineering Geology, 7(4), pp.287~332 (1973)
  4. Biot, M. A, "Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. I. Low-frequency range", The Journal of the Acoustical Society of America, 28(2), pp.168~178 (1956)
  5. Biot, M. A, "Theory of propagation of elastic waves in a fluid-saturated porous solid. II. Higher frequency range", The Journal of the Acoustical Society of America, 28(2), pp.179~191 (1956)
  6. Biot, M.A, "Mechanics of deformation and acoustic propagation in porous media", Journal of Applied Physics, 33(4), pp.1482~1498 (1962)
  7. Brady, B. H, "Rock mechanics : for underground mining" (1993), Springer science & business media
  8. Brillouin, L, "Wave propagation in periodic structures" (1946), McGraw-Hill
  9. Cha, M. S, "lastic Wave Propagation in Jointed Rock Mass", Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference, Korean Geotechnical Society, pp.515~520 (2005)
  10. Cha, M, "Long-wavelength P-wave and S-wave propagation in jointed rock masses", Geophysics, 74(5), pp.E205~E214 (2009)
  11. Cha, M, "Small-strain stiffness, shear-wave velocity, and soil compressibility", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 140(10), pp.06014011~ (2014)
  12. 최영철, "변형률과 탄성파를 이용한 암석 및 콘크리트 균열특성분석", 터널과 지하공간, 27(5), pp.253~262 (2017), 한국암반공학회[DOI]
  13. Cook, N. G, "Natural joints in rock : mechanical, hydraulic and seismic behaviour and properties under normal stress", In International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 29(3), pp.198~223 (1992)
  14. Duncan, N, "Engineering Geology and Rock Mechanics. Vols. 1 and 2" (1969), Leonard Hill
  15. Fratta, D, "Shear wave propagation in jointed rock : State of stress", Géotechnique, 52(7), pp.495~505 (2002)
  16. Gassmann, F, "Uber die elastizitat poroser medien", Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zurich, 96, pp.1~23 (1951)
  17. Goodman, R. E, "Introduction to rock mechanics" (1989), John Wiley & Sons
  18. Gutierrez, M, "The effect of fluid content on the mechanical behaviour of fractures in chalk", Rock Mechanics and Rock Engineering, 33(2), pp.93~117 (2000)
  19. Hardin, B.O, "Elastic wave velocities in granular soils", Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 89(1), pp.33~65 (1963)
  20. Mechanisms and models for bentonite erosion, "Hedström, M", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, ~, pp.Technical Report TR-15-07 (2016)
  21. Horn, H.M, "Frictional characteristics of minerals", Geotechnique, 12(4), pp.319~335 (1962)
  22. Hoskins, E. R, "A medium-scale direct friction experiment", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts, 5(2), pp.143~152 (1968)
  23. Jaeger, J.C, "The frictional properties of joints in rock", Geofisica pura e applicata, 43(1), pp.148~158 (1959)
  24. Montmorillonite stability: With special respect to KBS-3 conditions, "Karnland, O", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, ~, pp.Technical Report TR-06-11 (2006)
  25. 강성승, "탄성파 검층법을 이용한 암반손상대 평가", 터널과 지하공간, 16(1), pp.50~57 (2006), 한국암반공학회
  26. Kim, J. W, "Experimental Characterization of Stress-and Strain-Dependent Stiffness in Grouted Rock Masses", Materials, 11(4), pp.524~ (2018)
  27. Kim, J. W., "Effects of Gouge Fill on Elastic Wave Propagation in Equivalent Continuum Jointed Rock Mass", Materials, 14(12), pp.3173~ (2021)
  28. 김태현, "다양한 열 - 수리 - 역학적 조건 하에서 불연속면전단 거동 특성에 관한 실험적 연구", 터널과 지하공간, 26(2), pp.68~86 (2016), 한국암반공학회
  29. Kolsky, H, "Stress waves in solids, Vol. 1098", pp.1098~ (1963), Courier Corporation
  30. 이창수, "심층처분장 처분공 주변 굴착손상영역에 존재하는 불연속면으로의 압축 벤토나이트 침투", 터널과 지하공간, 30(3), pp.193~213 (2020), 한국암반공학회
  31. 이재완, "우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트완충재의열-수리-역학적 특성치", 터널과 지하공간, 21(4), pp.264~273 (2011), 한국암반공학회
  32. 이종석, "암석의 탄성파속도 거동특성과 역학 parameter와의 상관성 해석", 터널과 지하공간, 21(1), pp.50~65 (2011), 한국암반공학회
  33. Lee, S, "Laboratory experiments on fracture shearing induced by pore pressure increase", Proceeding of fall joint conference of the geological science, pp.314~315 (2013)
  34. Li, Z, "Rock strength reduction and its potential environmental consequences as a result of groundwater rebound", roceeding of 9th international mine water congress, pp.513~519 (2005)
  35. Li, J, "An equivalent viscoelastic model for rock mass with parallel joints", Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 115(B3) (2010)
  36. Madsen, F. T, "The swelling behaviour of clays", Applied Clay Science, 4(2), pp.143~156 (1989)
  37. Mavko, G, "The rock physics handbook" (1998), Cambridge University Press
  38. Mindlin, R.D, "Structure Mechanics", pp.199~232 (1960)
  39. Mohd-Nordin, M. M, "Long-wavelength elastic wave propagation across naturally fractured rock masses", Rock Mechanics and Rock Engineering, 47(2), pp.561~573 (2014)
  40. Morrow, C. A, "The effect of mineral bond strength and adsorbed water on fault gouge frictional strength", Geophysical research letters, 27(6), pp.815~818 (2000)
  41. Morrow, C, "Frictional strength and the effective pressure law of montmorillonite and lllite clays", International Geophysics, 51, pp.69~88 (1992)
  42. Mechanisms and models for bentonite erosion, "Neretnieks, I", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, ~, pp.Technical Report TR-09-35 (2009)
  43. Patton, F.D, "Multiple modes of shear failure in rock", 1st ISRM Congress (1966)
  44. Pellet, F. L, "Influence of humidity conditions on shear strength of clay rock discontinuities", Engineering Geology, 157, pp.33~38 (2013)
  45. Stability of bentonite gels in crystalline rock- physical aspects, "Pusch, R", Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, ~, pp.Technical Report TR-83-04 (1983)
  46. Rosengren, K.J, "Rock mechanics of the Black Star open cut, Mount Isa", Ph.D, pp.1968
  47. Schoenberg, M, "Elastic wave behavior across linear slip interfaces", The Journal of the Acoustical Society of America, 68(5), pp.1516~1521 (1980)
  48. Schoenberg, M, "A calculus for finely layered anisotropic media", Geophysics, 54(5), pp.581~589 (1989)
  49. Stokoe, K.H, "Seismic-wave-based testing in geotechnical engineering", ISRM International Symposium (2000)
  50. Ulusay, R, "Assessment of basic friction angles of various rock types from Turkey under dry, wet and submerged conditions and some considerations on tilt testing", Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 75(4), pp.1~17 (2016)

관련 논문AI추천

벤토나이트 삽입 시 암석 절리의 전단 특성 평가권새하, 김진섭, 김태현, 최승범, 하성준한국암반공학회 · 터널과 지하공간2025 · 제35권 제3호우리나라 고준위폐기물처분장 기준벤토나이트완충재의열-수리-역학적 특성치권상기, 이재완, 조원진한국암반공학회 · 터널과 지하공간2011 · 제21권 제4호카올리나이트 침투에 따른 심층 처분 터널 내 벤토나이트 기반 혼합 뒤채움재의 역학적물성 평가김진섭, 오태민, 유준상, 차요한사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2025 · 제27권 제6호완충재-근계암반 상호작용을 고려한 압축 벤토나이트 완충재 침식 및 파이핑 연구 현황 및 주요 영향인자 도출김지원, 김진섭, 이창수, 홍창호한국암반공학회 · 터널과 지하공간2022 · 제32권 제1호포화 압축 벤토나이트 내 기체 이동 현상 관측을 위한 기체 주입 시험강신항, 김정태, 김진섭, 이민형, 이창수한국암반공학회 · 터널과 지하공간2024 · 제34권 제2호뒤채움재 설계안에 따른 다중방벽시스템의 열-수리-역학적 상호작용 특성 평가김광일, 김진섭, 김진우, 이창수, 차요한한국암반공학회 · 터널과 지하공간2025 · 제35권 제5호

이 간행물의 다른 논문 (18건)

유체 생산에 따른 유발지진 사례 분석서은진, 유화정, 윤정석, 민기복pp. 385-399Current Status of X-ray CT Based Non Destructive Characterization of Bentonite as an Engineered Barrier Material이창수, 김진섭, 김광염, 김주연, 멜빈 디아즈pp. 400-414암반 커팅 스플리팅 공법의 적정 압입력 추산을 위한 분석해이상민, 유상화, 김문규, 조정우pp. 415-427실대형 시험을 통한 고성능 합성지보재의 성능 고찰강태호, 이철호, 최순욱, 장수호pp. 428-439일축압축강도에 미치는 암석시편의 형상효과 고찰 및 로드헤더 굴진율 예측모델 수정엄준원, 김문규, 조정우, 이상민, 최성현pp. 440-459
원문 보기