• Technical Notes

    효율적 수치해석을 위한 오픈소스 프로그램 기반 해석 플랫폼 구축 및 사례 연구

    Construction of Open-source Program Platform for Efficient Numerical Analysis and Its Case Study

    박찬희, 김태현, 박의섭, 정용복, 방은석

    Chan-Hee Park, Taehyun Kim, Eui-Seob Park, Yong-Bok Jung, and Eun-Seok Bang

    본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 ...

    This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data ...

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    본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 해석 플랫폼을 구축하였다. 해석 플랫폼 구축을 위하여 연구자의 필요에 따른 코드 수정 및 다양한 수치해석 프로그램과 호환이 가능할 수 있도록 소스코드가 공개되어 있는오픈소스 프로그램을 활용하였다. 먼저 드론을 활용하여 촬영한 탐사 정보를 바탕으로 3차원 모델을 획득한 후, 오픈소스 3차원 창작 소프트웨어인 Blender를 활용하여 도메인의 메쉬 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다. 다음 단계로는 유한요소 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하여 3차원 모델을 생성하였다. Gmsh를 통해 획득된 메쉬 정보를 수치해석 프로그램에 활용하기 위해서 메쉬 생성 규약에 적합하도록 변환하는 과정이 필요하며, 이는 Python을 통해 코드를 작성하여 수행하였다. 안정성 해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업을 위해 시각화 및 데이터 분석 프로그램인 ParaView를 활용하여 다양한 시각화 자료를 생성하였다. 구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론 탐사자료를 바탕으로 생성한 실규모 독도 모델을 대상으로 예비 안정성 분석을 성공적으로 수행하였으며, 예비해석을 통해 구축된 해석플랫폼이 향후 다양한 해석 과정에 활용될 수 있음을 확인하였다.


    This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation platform, we applied for open-source programs. The source code is open to be available for code modification according to the researcher's needs and compatibility with various numerical simulation programs. First, a three-dimensional model(3D) is acquired based on the exploration data obtained using a drone. Then, the domain's mesh density was adjusted to an interpretable level using Blender, the free and open-source 3D creation suite. The next step is to create a 3D numerical model by creating a tetrahedral volume mesh inside the domain using Gmsh, a finite element mesh generation program. To use the mesh information obtained through Gmsh in a numerical simulation program, a converting process to conform to the program's mesh creation protocol is required. We applied a Python code for the procedure. After we completed the stability analysis, we have created various visualization of the study using ParaView, another open-source visualization and data analysis program. We successfully performed a preliminary stability analysis on the full-scale Dokdo model based on drone-acquired data to confirm the usefulness of the proposed platform. The proposed simulation platform in this study can be of various analysis processes in future research.

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    December 2020
  • Technical Notes

    점토질 퇴적암 내 굴착영향영역 투수특성의 시간경과 변화 파악을 위한 수치해석기법에 대한 고찰

    Review of Numerical Approaches to Simulate Time Evolution of Excavation-Induced Permeability in Argillaceous Rocks

    김형목, 박의섭

    Hyung-Mok Kim and Eui-Seob Park

    본 고에서는 점토질 퇴적암 부지에 건설되는 처분갱도 주변 굴착영향영역에서의 투수특성을 평가하기 위한 수치해석기법을 검토하였다. 팽창성 점토를 함유한 퇴적암에 형성된 굴착영향영역 내 균열은 ...

    We reviewed numerical approaches to assess a hydraulic properties of excavation-disturbed zone (EDZ)created in argillaceous sedimentary rocks. It has been reported ...

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    본 고에서는 점토질 퇴적암 부지에 건설되는 처분갱도 주변 굴착영향영역에서의 투수특성을 평가하기 위한 수치해석기법을 검토하였다. 팽창성 점토를 함유한 퇴적암에 형성된 굴착영향영역 내 균열은 포화과정에서 점진적으로 간극을 상실하고 주변 모암의 투수계수에 수렴해 가는 자기 치유(self-healing) 혹은 자기 밀봉(self-sealing) 특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 본고에 소개된 수치해석기법은 실내 및 현장실험을 통해 관측된 균열의 자기 치유 거동을 고려함으로써 처분장 건설 후 장기 운영과정에서 예상되는 굴착영향영역 투수계수의 시공간적 변화를 파악할 수 있는 특징이 있다. 지하연구시설 내 굴착 갱도 주변에서 현장투수시험을 통해 획득한 투수계수 측정치와 수치해석에 의한 결과를 비교 분석함으로서 활용타당성을 검증하였다.


    We reviewed numerical approaches to assess a hydraulic properties of excavation-disturbed zone (EDZ)created in argillaceous sedimentary rocks. It has been reported that fractures in the sedimentary rocks containing expansive clays are gradually closing due to swelling and their permeabilities are evolving to the level of in-tact rock, which is known as a self-healing or self-sealing process. The numerical approaches introduced here are capable of simulating spatio-temporal variation of EDZ permeability during long-term operation of a repository by including the self-healing characteristics of fractures, which wa observed in laboratory as well as in-situ experiments, The applicability of the numerical approaches was verified from the comparison to in-situ measurements of EDZ permeability at underground research laboratories.

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    December 2020
  • Original Article

    머신러닝 기법과 TBM 시공정보를 활용한 토압식 쉴드TBM 굴진율 예측 연구

    A Study on Prediction of EPB shield TBM Advance Rate using Machine Learning Technique and TBM Construction Information

    강태호, 최순욱, 이철호, 장수호

    Tae-Ho Kang, Soon-Wook Choi, Chulho Lee, and Soo-Ho Chang

    최근 AI 기술의 발전과 정립으로 자동화 분야에서 머신러닝 기법의 활용이 활발하게 이루어지고 있다. 머신러닝 기법의 활용에 있어 중요한 점은 데이터 특성에 따라 ...

    Machine learning has been actively used in the field of automation due to the development and establishment of AI technology. The important ...

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    최근 AI 기술의 발전과 정립으로 자동화 분야에서 머신러닝 기법의 활용이 활발하게 이루어지고 있다. 머신러닝 기법의 활용에 있어 중요한 점은 데이터 특성에 따라 적합한 알고리즘이 존재한다는 점이며, 머신러닝 기법 적용을 위한 데이터세트의 분석이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 머신러닝 기법을 기반으로 하천 하부의 토사지반을 통과하는 토압식 쉴드TBM 터널 구간의 지반정보와 굴진정보를 사용하여 토압식 쉴드TBM의 굴진율을 예측하였다. 선형회귀모델에서 모델의 통계적인 유의성과 다중공선성에서는 문제가 없었으나 결정계수가 0.76으로 나타났고 앙상블 모델과 서포트 벡터 머신에서는 0.88이상의 예측성능을 보여, 분석한 데이터세트에서 토압식 쉴드TBM 굴진성능예측에 적합한 모델은 서포트 벡터 머신임을 알 수 있었다. 현재 도출된 결과로 볼 때, 토압식 쉴드TBM의 기계데이터와 지반정보가 포함된 데이터를 활용한 굴진성능 예측 모델의 적합성은 높다고 판단된다. 추가적으로 지반조건의 다양성과 데이터양을 늘리는 연구가 필요한 것으로 판단된다.


    Machine learning has been actively used in the field of automation due to the development and establishment of AI technology. The important thing in utilizing machine learning is that appropriate algorithms exist depending on data characteristics, and it is needed to analysis the datasets for applying machine learning techniques. In this study, advance rate is predicted using geotechnical and machine data of TBM tunnel section passing through the soil ground below the stream. Although there were no problems of application of statistical technology in the linear regression model, the coefficient of determination was 0.76. While, the ensemble model and support vector machine showed the predicted performance of 0.88 or higher. it is indicating that the model suitable for predicting advance rate of the EPB Shield TBM was the support vector machine in the analyzed dataset. As a result, it is judged that the suitability of the prediction model using data including mechanical data and ground information is high. In addition, research is needed to increase the diversity of ground conditions and the amount of data.

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    December 2020
  • Technical Notes

    암석코어시편의 절리면 직접전단시험을 위한 겉보기 면적 계산방법

    Calculation Method for Nominal Area of Rock Core Specimen During Direct Shear Test

    강 훈, 박정욱, 박 찬, 오태민, 조정우

    Hoon Kang, Jung-Wook Park, Chan Park, Tae-Min Oh, and Jung-Woo Cho

    기존 시험법은 암석시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적의 변화를 고려해야 한다고 명시하고 있다. 본 기술보고는 암석코어 시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적 계산방법을 제시하였다 ...

    This note presents the calculation of nominal area for rock core specimen under direct shear testing condition. The initial nominal area was ...

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    기존 시험법은 암석시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적의 변화를 고려해야 한다고 명시하고 있다. 본 기술보고는 암석코어 시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적 계산방법을 제시하였다. 암석코어 시편의 초기 절리면을 타원으로 가정하고, 타원의 중첩면적 감소를 계산하는 수식을 정리하였다. 전단변위와 겉보기 면적을 정규화하면 타원형상에 관계없이 일정한 변화 비율을 가지는 것을 확인하였다. 암석코어 시편 전단시험을 위한 정규화 실험상수를 제안하여 일반화된 계산방법을 제안하였다. 그 방법을 실제 전단시험의 데이터에 적용하여 결과 변화값을 확인하고, 정확도에 대해 간략히 토의하였다.


    This note presents the calculation of nominal area for rock core specimen under direct shear testing condition. The initial nominal area was assumed as ellipsoid, and the equations for calculating the nominal area are derived. The normalized shear displacement and normalized nominal area have an identical relationship regardless of the ellipsoid shape. New testing constants and the generalized method were suggested to calculate the decrease of the nominal area. The method was applied to calculate the direct shear testing data and the changes of result were discussed.

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    December 2020
  • Original Article

    상온 및 고온 하 진삼축압축실험을 이용한 시추공의 파괴 거동 기초 연구

    A Basic Study on Borehole Breakout under Room Temperature and High Temperature True Triaxial Compression

    윤정환, 민기복, 박의섭, 정용복

    Jeonghwan Yoon, Ki-Bok Min, Eui-Seob Park, and Yong-Bok Jung

    본 연구에서는 현지 암반의 진삼축 응력 조건과 온도 변화를 고려한 공벽 안정성 실험을 수행하고, 심부 지하의 응력 조건과 압력 조건에서 암석의 열역학적 ...

    This paper performs laboratory experiments for borehole stability considering temperature and true triaxial stress condition, and observes a thermo-mechanical behavior of the ...

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    본 연구에서는 현지 암반의 진삼축 응력 조건과 온도 변화를 고려한 공벽 안정성 실험을 수행하고, 심부 지하의 응력 조건과 압력 조건에서 암석의 열역학적 거동을 관찰하였다. 중국 황색 사암과 국내 황등 화강암 시료를 이용하여 진삼축압축실험을 진행하였다. 역학 실험은 각각 9가지 구속압 조건에서 수행되었고 열역학 실험은 화강암 시료를 이용하여 6가지 구속압 조건에서 시료를 60°C~100°C로 가열하여 수행하였다. 역학 실험 결과 공벽 파괴가 발생하는 최대 주응력은 중간 주응력에 비례하는 것을 확인하였다. 열역학 실험에서는 온도 증가에 따라 공벽의 응력장에 열응력이 추가되어 공벽 파괴가 추가적으로 발생하는 것을 확인하였다. 실내 실험 결과를 분석하기 위해 모기쿨롱 파괴 기준식을 사용하여 분석하였다. 원통형 시료에 대한 전통적인 삼축압축시험 결과와 진삼축 조건 하의 공벽 파괴 실험 결과가 모두 진삼축 파괴 기준식인 모기쿨롱 파괴 기준식에 잘 부합됨을 확인하였다.


    This paper performs laboratory experiments for borehole stability considering temperature and true triaxial stress condition, and observes a thermo-mechanical behavior of the rock under stress and temperature conditions of deep underground. China yellow sandstone and Hwangdeung granite specimens were used to perform a true triaxial compression test. Mechanical tests were carried out under nine confining pressure conditions, and thermo-mechanical tests using granite samples were carried out under six confining pressure conditions at 60-100°C. In the mechanical tests, maximum principal stress at borehole breakout was proportional to intermediate principal stress. In the thermo-mechanical tests, it was confirmed that thermal stress is added to the stress field of the borehole with the increase in temperature, resulting in additional breakout progress. To analyze the results of the laboratory experiment, Mogi-Coulomb failure criterion was used. The results of traditional triaxial compression test on cylindrical specimens and borehole breakout under true triaxial compressions matched well with Mogi-Coulomb failure criterion.

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    December 2020
  • Original Article

    입자기반 개별요소모델을 통한 결정질 암석 내 균열의 역학적 거동 모델링: 국제공동연구 DECOVALEX-2023 Task G(Benchmark Simulation)

    Grain-Based Distinct Element Modelling of the Mechanical Behavior of a Single Fracture Embedded in Rock: DECOVALEX-2023 Task G (Benchmark Simulation)

    박정욱, 박찬희, 윤정석, 이창수

    Jung-Wook Park, Chan-Hee Park, Jeoung Seok Yoon, and Changsoo Lee

    본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 연구 현황과 현재까지 수행된 benchmark 해석 결과를 소개하였다. Task G의 명칭은 ‘Safety ImplicAtions of Fluid ...

    This study presents the current status of DECOVALEX-2023 project Task G and our research results so far. Task G, named ‘Safety ImplicAtions ...

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    본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 연구 현황과 현재까지 수행된 benchmark 해석 결과를 소개하였다. Task G의 명칭은 ‘Safety ImplicAtions of Fluid Flow, Shear, Thermal and Reaction Processes within Crystalline Rock Fracture NETworks(SAFENET)’로, 결정질 암반 내 균열의 생성과 성장 메커니즘 및 균열에서 발생하는 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. Task G의 첫 번째 연구 테마는 결정질 암석 내 단일 균열의 역학적 거동에 대한 해석해(analytical solution)를 바탕으로 각 연구팀의 수치모델링기법을 개발 및 검증하는 Benchmark 해석이다. 본 연구에서는 3차원 입자기반 개별요소모델을 이용하여 단일 균열을 포함한 암석의 역학적 거동 특성을 모델링하고자 하였다. 이 모델에서는 상호독립적으로 거동하는 개별입자의 집합체를 통해 암석의 구조적 특징을 모사하고, 입자와 입자간 접촉에서 발생하는 역학적 거동을 개별요소해석모델인 3DEC을 통해 계산하게 된다. 해석 결과, 도메인의 경계응력으로 인해 균열에 유도되는 수직응력과 전단응력 수준은 변위 구속과 응력 재배치로 인해 이론적인 수치보다 낮게 나타났다. 그러나 수치모델에서 계산된 수직변위와 전단변위는 실제 균열의 유도 응력을 통해 추정된 해석해와 비교할 때 상당히 유사한 결과를 보였으며 균열의 응력-변위 관계를 합리적으로 재현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 다양한 조건의 실내시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.


    This study presents the current status of DECOVALEX-2023 project Task G and our research results so far. Task G, named ‘Safety ImplicAtions of Fluid Flow, Shear, Thermal and Reaction Processes within Crystalline Rock Fracture NETworks (SAFENET)’ aims at developing a numerical method to simulate the fracture creation and propagation, and the coupled thermo- hydro-mechanical processes in fracture in crystalline rocks. The first research step of Task G is a benchmark simulation, which is designed for research teams to make their modelling codes more robust and verify whether the models can represent an analytical solution for displacements of a single rock fracture. We reproduced the mechanical behavior of rock and embedded single fracture using a three-dimensional grain-based distinct element model for the simulations. In this method, the structure of the rock was represented by an assembly of rigid tetrahedral grains moving independently of each other, and the mechanical interactions at the grains and their contacts were calculated using 3DEC. The simulation results revealed that the stresses induced along the embedded fracture in the model were relatively low compared to those calculated by stress analysis due to stress redistribution and constrained fracture displacements. The fracture normal and shear displacements of the numerical model showed good agreement with the analytical solutions. The numerical model will be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated using various experiments in a further study.

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    December 2020
  • Original Article

    구동형 언더커팅 디스크에 의한 암석절삭에 관한 기초연구

    Fundamental Study on Rock Cutting by an Actuated Undercutting Disc

    정호영, Yudhidya Wicaksana, 김세훈, 전석원

    Hoyoung Jeong, Yudhidya Wicaksana, Sehun Kim, and Seokwon Jeon

    기존의 전통적인 암석절삭방식의 한계점을 극복하고자 다양한 신개념의 암석절삭메커니즘이 연구되고 있으며, 그 중 언더커팅은 최근 연구가 수행되고 있는 기술이다. 본 논문에서는 언더커팅에 대한 ...

    Several alternative rock-cutting concepts, which are modified from the conventional ones, have been developed lately. Of the concepts, undercutting is one of ...

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    기존의 전통적인 암석절삭방식의 한계점을 극복하고자 다양한 신개념의 암석절삭메커니즘이 연구되고 있으며, 그 중 언더커팅은 최근 연구가 수행되고 있는 기술이다. 본 논문에서는 언더커팅에 대한 기초연구로서 구동형 언더커팅에 의한 암석절삭메커니즘과 절삭에 관여하는 중요핵심변수들에 대하여 소개하였다. 구동형 언더커팅에 의한 절삭성능을 평가하기 위한 시험시스템을 구축하고 이를 활용하여 주요 핵심변수들을 변화시켜가며 구동형 언더커팅 디스크를 활용한 절삭시험을 수행하였다. 구동형 언더커팅 절삭시험으로부터 획득되는 3방향 커터작용력의 특성을 분석하였으며, ADC의 주요 절삭변수인 선형이동속도, 법선압입깊이, 편심의 증가에 따라 3방향 커터작용력의 평균값과 최댓값은 모두 선형적으로 증가하는 결과를 나타내었다.


    Several alternative rock-cutting concepts, which are modified from the conventional ones, have been developed lately. Of the concepts, undercutting is one of the latest technologies. In this study, as a fundamental study on the undercutting technique, the rock-cutting mechanism and important parameters of the undercutting were introduced. This study built up cutting test system for evaluating the cutting performance of an actuated undercutting disc cutter (ADC), and carried out a series of cutting tests under different cutting parameters of ADC. The characteristics of cutter forces obtained from ADC rock-cutting tests were analyzed. The both average and peak values of the three directional cutter forces were linearly increased with the increases of linear velocity, penetration depth in vertical direction and eccentricity of ADC.

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    December 2020