석회암 단일절리 전단 거동의 개선 모델

초록

본 연구는 일정한 정상하중 하에서 석회암 시료의 단일 절리 전단 거동을 실험적으로 조사하고, 기존 Goodman 모델을 수정하여 데이터와의 적합성을 높인 새로운 모델을 제시한다. 거칠기 차이가 있는 절면을 가진 시료들을 제작·시험한 결과, 제안된 모델이 적은 변수로도 실험값을 잘 예측함을 검증하였다.

상세 분석

본 논문은 암석공학 분야에서 절리 전단 거동을 예측하기 위한 경험적 모델의 한계를 지적하고, 이를 보완하기 위한 수정 모델을 제시한다. 기존 Goodman 모델은 정상하중이 일정한 조건(CNL)에서 전단강도와 전단변위를 선형적으로 연결하는 형태였으나, 실제 석회암 절리 표면의 거칠기와 비선형 전단특성을 충분히 반영하지 못한다는 점이 문제점으로 제시된다. 연구진은 먼저 다양한 거칠기(거친, 중간, 매끄러운) 를 가진 석회암 절리 시료를 제작하고, 일정한 정상하중을 가한 상태에서 전단시험을 수행하였다. 실험 결과, 거칠기가 클수록 전단강도가 증가하고, 전단변위-전단응력 곡선이 초기 비선형 구간을 보이며, 이후 포화 전단강도에 도달하는 형태를 나타냈다. 이러한 현상을 설명하기 위해 Goodman 모델의 전단강도 식에 절리 거칠기 계수와 전단변위 의존성을 추가하고, 정상하중에 대한 비선형 보정항을 도입하였다. 수정 모델은 총 4개의 변수(정상하중, 절리 거칠기 계수, 전단변위 비선형 계수, 포화 전단강도)만을 사용하면서도 기존 5~6개 변수 모델보다 높은 결정계수(R²)를 기록하였다. 모델 검증 단계에서는 교차 검증과 잔차 분석을 통해 예측 오차가 5% 이하로 제한됨을 확인하였다. 또한, 변수 산출 과정을 단계별로 제시함으로써 현장 적용성을 높였다. 이와 같이 본 연구는 절리 전단 거동을 보다 정확히 예측할 수 있는 간결한 모델을 제공함으로써, 암석 구조물 설계와 안정성 평가에 실질적인 기여를 한다.