Estimation of Crack Density of Rock by Using Elastic Wave Velocity

Byun, Ji-Hwan; Kim, Youngseok; Hong, Seungseo; Yoon, Hyung-Koo

Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation 2014;14(5):123-131.
Published online October 31, 2014.

탄성파 속도를 활용한 암석의 균열밀도 산정

변지환, 김영석, 홍승서, 윤형구

Estimation of Crack Density of Rock by Using Elastic Wave Velocity

Ji-Hwan Byun, Youngseok Kim, Seungseo Hong, Hyung-Koo Yoon

Abstract

The stability of structures constructed on the rock has been estimated by porosity without the consideration of crack existed in rock. The objective of this study is to suggest the method for estimating the crack density, which can represent the characterization of crack, by using the elastic wave velocity. The Biot-Gassmann model is adopted for developing the equation in terms of crack density. The specimen is extracted in the field and the specimen is abraded into the shape of cylinder for increasing the efficiency of measuring elastic wave velocity. The each transducer for compressional wave and shear wave is applied to obtain the profile of elastic wave. The porosity is first estimated before calculating the crack density of specimen. The calculated crack density shows the similar trend with data performed by previous study. Furthermore, the crack porosity is also estimated through the equation and thus, the suggested method may be widely applied to assess the stability of rock structures.

Key Words: Biot-Gassmann model; Crack density; Elastic wave; Porosity; Stability

요지

암석에 시공된 구조물들은 균열에 의한 영향을 받지만 안정성은 주로 간극률을 통해 해석되고 있다. 본 연구에서는 균열의 공학적 지표인 균열밀도를 탄성파 속도로 산정할 수 있는 기법을 제시하고자 하였으며, 실제 획득한 탄성파 속도 값을 통해 균열밀도를 도출하였다. 균열밀도를 산정하기 위하여 활용한 이론은 Biot-Gassmann 모델이며, 모델과 동일한 가정사항을 통해 균열밀도에 대한 수식을 제시하였다. 시료는 경기도 이천 터널 현장에서 채취한 시추코어를 이용하였으며 탄성파 측정에 적합하도록 원기둥 모양으로 절삭하였다. 탄성파는 압축파와 전단파에 적합한 트랜스듀서로 측정하였으며 이방성 등에 대한 오차를 줄이기 위하여 시료의 각 3방향(x, y 그리고 z)에서 측정한 값을 활용하였다. 균열밀도는 시료의 간극률을 통해 도출할 수 있으며 암석역학에 준하는 방법으로 간극률을 산출하였다. 탄성파 속도와 간극률을 통해 최종적으로 균열밀도를 계산하였으며, 선행연구 결과의 지표 값과 비교하여 본 연구의 신뢰성을 평가하였다. 또한 계산된 균열밀도를 활용하여 균열의 간극률도 함께 분석하였으며, 본 연구에서 활용된 기법은 균열을 포함하고 있는 구조물의 안정성 평가에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

핵심용어: 균열밀도; 탄성파; 간극률; 안정성