Thermomechanical borehole stability analysis by true triaxial experiment and discrete element modeling

Abstract

Ensuring borehole stability is a significant issue that should be considered for deep underground engineering where large magnitude of in situ stress has high possibility to cause borehole breakout. Borehole breakout occurs by stress concentration on near borehole wall by redistribution of stress when borehole is drilled and appear as symmetrical V-shaped notch in the direction to minimum horizontal stress. Moreover, when it comes to engineering systems where temperature changes significantly within the borehole, such as geothermal development or nuclear waste disposal, temperature effect should also considered for borehole stability. This thesis is mainly divided in two parts which are laboratory test and numerical test. Laboratory test was conducted on 100 mm cubic size cement mortar specimen with 20 mm borehole. Truetriaxial test machine was used and failure was monitored by acoustic emission and camera inserted inside borehole. Also, X-ray CT scanning technique was utilized to observe borehole shape after breakout. Significant strengthening effect of vertical stress on borehole breakout was observed. Also, the result was analyzed by Mogi-coulomb and Mohr-coulomb failure criteria and showed Mogi coulomb criteria reflected the effect of vertical stress on borehole breakout. In addition to mechanical test, heater test was also conducted. Temperature was increase to 130 ℃ from outer surface of specimen with true-triaxial confining stress simultaneously. Extra borehole breakout by thermal effect was observed. Numerical simulation was performed by discrete element method and laboratory result was reproduced. Flat-joint contact model was assigned to represent rock-like brittle material. Mechanical modeling results matched well with laboratory test results both on failure procedure and breakout patterns. Also, Thermal code was implemented to reproduce heater test numerically. Alike laboratory test, extra failure by temperature rise was occurred on specimen surface and on near borehole wall. This numerical modeling will provide the possibility of site-specific study to investigate underground conditions favorable to severe borehole instability. This laboratory and numerical test reproducing field situation, by considering the effect of in situ stress and temperature change simultaneously, are expected to pave the way for various underground engineering such as geothermal development or nuclear waste disposal system.

심부 지하공간을 활용하기 위해서는 시추공 굴착이 필수적으로 수반되기 때문에 시추공 안정성을 유지하는 것은 매우 중요하다. 공벽파괴는 초기응력에 의한 시추공 주변 응력 재분배에 의해 발생하게 되며, 일반적으로 대칭적인 V 형태를 나타내게 된다. 더욱이, 공벽 주변의 온도변화가 큰 방사성폐기물 처분, 지열에너지 발전의 경우 온도변화에 의해 야기되는 추가적인 공벽 불안정성을 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 실내시험 및 수치해석적 방법을 활용하여 시추공 안정성에 대한 초기응력 및 온도변화의 영향을 파악하고자 하였다. 실내 시험의 경우 20 mm 직경의 시추공을 굴착한 100 mm 크기의 정방형 몰탈시료(Mortar)를 이용하였으며 진삼축장비를 활용하여 실제 심부와 유사한 상태의 초기응력을 가해 공벽파괴를 모사하였다. 실험 결과를 통해 수평응력과 수직응력이 공벽안정성에 미치는 영향을 분석하였으며 특히, 수직응력의 강화효과 (strengthening effect)를 확인 할 수 있었다. 또한, 실험결과를 바탕으로 기존에 제시된 Mohr-coulomb 및 Mogicoulomb 파괴 기준식과의 비교를 수행하였다. 추가적으로 진삼축이 가해진 상태에서 시료 외벽의 온도를 130 ℃까지 상승시키는 열실험을 수행하였으며 온도 상승으로 인한 추가적인 공벽파괴가 관측되었다. 수치해석의 경우 2차원 개별요소법 시뮬레이터(PFC2D)를 활용하여 실내시험 결과를 모사하였다. 응력 모델링 경우 실내 실험과 상당히 유사한 공벽파괴 과정을 재현하였으며 결과적으로 V 형태의 파괴를 나타내었다. 열-응력 모델링을 통해 시료 외벽에서의 온도상승으로 인한 추가적인 공벽주변의 미세균열 증가 역시 모사하였으나 실내실험 결과와 비교해 적은 파괴의 정도를 나타내었다. 이러한 수치해석 결과는 이후에 시추공 불안정성에 취약한 온도 및 응력 상태를 파악하기 위한 민감도 분석의 가능성을 제시할 것으로 전망한다. 본 연구는 진삼축응력을 가함과 동시에 온도상승을 일으켜 실제 심부 시추공과 유사한 환경을 실험적, 수치해석적으로 모사함으로써 추후 터널 및 지하공간 활용 분야의 다양한 연구에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.