태터데스크 관리자

도움말
닫기
적용하기   첫페이지 만들기

태터데스크 메시지

저장하였습니다.


2010.03.06 09:28

암석 시험 종류 및 방법





암석 및 암반에 대한 시험에서 일반적인 강도특성을 파악하기 위해서는 일축압축강도시험, 슈미트해머시험, 점하중강도시험, 인장강도시험 등이 실시되며, 비교적 팽창성이 큰 연암의 경우 일축압축강도시험 외에 흡수팽창 및 내구성 시험 등을 실시하기도 한다. 또한 암반의 절취시 리핑 및 발파 구분 등 굴착 난이도를 평가하기 위해서는 일축압축강도, 탄성파속도 등이 이용되기도 한다. 그리고 터널 및 사면의 경우 암석 및 암반의 파괴특성을 파악하기 위해서 삼축압축강도시험, 자연절리면 전단강도시험, 탄성계수 등 다양한 시험방법이 추천되며, 시행되고 있다.

이처럼 암석 및 암반의 강도 및 특성파악을 위해서 그 목적에 따라 적절한 시험을 수행해야 하며, 또한 적합한 시험방법을 채택하여야 한다. 각 시험별 개략적인 방법과 내용은 다음과 같다.


1. 비중 및 흡수율

(1) 비중

➀ 이 비중은 물리학적으로는 시료의 질량과 같은 체적의 물(1기압, 4℃에서의 순수한 물) 질량과의 비율로 표시된다. 암석의 경우에는 상온에서의 비율이 통상 사용된다.

➁ 암석시료가 균질하고 간극이 없는 이상적인 상태라면 암석의 참된 비중을 얻는 것은 용이하다. 그러나 암석에서 많은 간극이 존재하고 있기 때문에 실질부(입자)의 체적 산정이 곤란하고 참된 비중을 구하는 것은 지극히 어렵다. 이와 같이 암석에 있어서 겉보기 체적에 의하여 얻어진 비중은 겉보기 비중이라 하여 참된 비중과 구별된다.

➂ 또한, 측정과정에서 암석시료의 체적이 변화하는 재료나 물에 용해되는 재료의 경우에는 정밀도 높게 정형된 시료 치수로부터 체적을 구함으로써 비중을 산출(부피 비중)할 경우가 있다. 이와 같이 비중이라 하더라도 암석성질과 비중 측정법에 따라 여러 가지 값이 존재한다.

(2) 흡수율

➀ 흡수율이란 암석시료의 간극에 물이 어느 정도 침투하는가를 나타내는 것이며 암석의 기본적인 물성의 하나이다. 암석시료가 흡수할 수 있는 최대의 물량이 그 시료의 실질부분의 질량에 대하여 어느 정도인가를 나타내는 비율을 말한다.

➁ 흡수율은 강제건조상태 및 강제 습윤상태에서의 측정중량을 각각 W2, W3로 하면 (W3-W2)/W2×100(%)로부터 구해진다. 이 흡수율은 함수비에 있어서 포화 상태의 함수비에 상당한다고 말할 수 있다.

➂ 경암의 흡수율은 10% 이하이며 신선하고 치밀한 암석에서는 1%에도 달하지 않는 경우가 많다. 풍화에 따라 흡수율은 당연히 증가하며, 연암에서는 수%부터 60%정도에도 달하며 상당히 변화한다. 또한 이 간극양의 지표로 되는 흡수율은 대략적으로 암석 종류에는 관계없이 흡수율이 5% 이상으로 되면 강도는 낮고, 특히 10%를 넘어가면 대단히 강도가 낮아지게 된다.


2. 일축압축강도

➀ 암석의 강도(strength) : 암석이 지탱할수 있는 응력의 크기를 강도(strength)라고 하는데, 암석이 파괴될 때의 응력, 즉 파괴응력(failure stress)을 암석의 강도라고 정의한다.

➁ 암석의 시험중 가장 대표적인 시험으로 시료에 한 방향의 압축응력을 가하여 암석의 일축강도 및 영률(E)과 포화송비(ν)를 구할 수 있다.

➂ 시료는 원주상 또는 각주상의 형태를 사용하고, 그 높이는 직경의 2~3배가 되도록 하고 시료의 상하면이 평행이 되도록 시료를 성형한다. 시험시에는 시료의 표면에 재하방향과 직교하는 방향에 변형율 게이지(strain gage)를 부착하여 변형율을 구하고, 재하한 응력과 그때의 축 변형율 ει과의 비율로부터 탄성계수 E를 E = σ/ει에 의하여 구한다.

➃ 또한 축방향의 변형율 ει과 횡방향의 변형율 εb 의 비율로 포화송 비를 ν= - εb / ει관계식에서 구한다. 일축압축강도는 시료가 파괴될 때의 최대 하중(P)을 단면적(A)로 나누어 주면 된다.



➄ 일반적으로 시료의 높이 h와 직경 d의 비율(h/d)이 2~4일 경우에는 일축압축강도는 거의 일치하지만 시료가 h/d < 2일 경우에는 qu의 값은 커지게 된다. 일축압축강도시험용 시험편 제작은 시추작업에서 채취된 암석 core를 원주형으로 성형하였으며, 시험편의 길이에 대한 직경의 비는 2:1을 기준으로 한다.


3. 탄성계수(Young's modulus)

일축압축시험에서 측정 기록된 응력-변형율 자료로부터 응력-종방향변형율 곡선을 구한 후 ISRM시험법에 의하여 강도의 50% 수준에서의 접선의 기울기인 접선탄성계수(Tangential Young'smodulus)를 구한다.

   여기서, Δσ: 일축압축 응력증분, Δε1 : 종 변형률 증분


4. 포이슨비(Poisson's ratio)

일축압축시험에서 측정 기록된 하중-종방향 변형율 결과로부터 응력-종방향변형율 곡선을 구한 후 ISRM 시험법에 의하여 강도의 50% 수준에서의 접선의 기울기를 구하였다. 이 결과와 탄성계수를 사용하여 다음식에 의해 포아슨비를 구한다.

            여기서, Δεs : 횡 변형률 증분, Δε1 : 종 변형률 증분


5. 간접인장강도(Brazilian test)

압열인장시험용 시험편은 코어를 직경 대 길이의 비가 1:0.5의 디스크형이 되도록 절단한 후 시험편에 대한 가입방법은 ISRM시험법에 의하여 디스크 절단면에 평행한 방향으로 즉 코어의 원주 곡면부에 가압한다. 시험편에서 구한 파단 하중과 시험편의 규격으로부터 다음식을 사용하여 인장강도를 구한다.

인장강도 =




6. 탄성파속도 측정

➀ 본 시험은 시험편을 탄성파가 통과하는 데 소요되는 시간을 측정하여 탄성파인 P파와 S파의 전파 속도를 구하는 비파괴시험이다. 탄성파 속도 측정은 파괴시험을 하기 전에 일축압축용 시험편과 삼축압축용 시험편을 사용한다.

➁ 시험편을 계기에 연결된 송신자와 수신자 사이에 끼우고 적당한 힘으로 가압하여 탄성파가 송신자로부터 시험편을 거쳐 수신자에 이르는 데 소요된 시간을 osilloscope상의 파형으로부터 10-7초 단위로 계측하여 시험편의 길이를 소요된 시간으로 나눔으로써 탄성파 전파속도를 결정할 수 있다.


7. 삼축압축강도

➀ 삼축압축시험은 암석의 역학특성을 명백히 하기 위한 기본적인 시험이며 삼축압축 응력하의 응력-변형률 관계나 강도정수로서 겉보기 점착력(C) 및 내부마찰각(Φ)을 구하기 위해 실시된다.

➁ 암석에 대한 삼축압축 시험은 원주형 시편의 주위에 유압을 가하고 양끝에 축방향으로 압축응력을 증가시켜 파괴시킨 후, 여기서 구한 파괴응력으로 Mohr의 파괴 응력과 파괴포락선을 그려서 τ= f(σ)의 관계식을 얻는다. 이것이 직선인 경우에는 토질에서와 마찬가지로 τ= C + σ․tanø로 나타낼 수 있다.


8. 흡수팽창시험(Swelling test)

(1) 팽윤현상(Swelling)
흙이나 연한 암석이 물을 흡수하면 전체 체적이 증가하는 현상이 발생하며, 이는 흡수팽창(expansion)과 팽윤현상(swelling)이 있다. 이들 현상은 다른 것이지만 현실문제에서는 팽윤에도 흡수팽창현상을 동반하기 때문에 양자는 혼용되고 있다.

① 흡수팽창 : 실질부분의 변화는 없고 유효간극만이 물로 채워진 상태로서 물리적 체적증가를 보인다. 이는 암석의 조직이나 구조에 지배되며, 불포화로 유효간극을 가진 결합력이 약한 암석에 보이는 현상이다. 흡수팽창은 굴착에 의한 응력 해방시 흡수팽창에 의한 문제가 일어나기 쉽다.

② 팽윤현상 : 유효간극이 물로 채워져 있는 상태에서 실질부분을 구성하는 광물이 물을 흡수하여 큰 체적변화를 발생하는 현상. 이것은 상온에서 물과 공존해서 결정학적 성질이 변화하는 광물로 구성된 경우에 일어난다.

(2) 암석의 팽창압력지수(swelling pressure index), S.P.I

S.P.I = F/A(㎏/㎠)

여기서, F : 최대 팽창하중, A : 시편의 단면적

(3) 평창변형률 지수(Swelling strain index)

최종 변형량을 초기의 시료두께로 나눈 값을 %로 표시


9. Slaking 시험

고결력을 지닌 암석이라도 지하수위 변동, 굴착 등에 의한 응력해방과 흡수팽창, 풍화 등에 의하여 고결력이 저하하는 경우가 있다. 특히 연암에서는 이들 환경변화에 의한 건조, 습윤 반복에 의하여 급격히 고결력을 잃어 조직이 파괴되는 현상(slaking)이 발생된다.

다시 말해, 암석이 공기중에 방치되었을 때 높은 인장력(suction pressure)으로 인하여 외측 공극부분에 공기가 유입되고, 그 후에 암석을 포화시키면 모관현상에 물이 암석 속으로 침투하기 때문에 갇혀있던 공기는 압력을 받게 된다. 이러한 slaking 과정을 통하여 암석의 골격구조에 응력이 가해지고, 여기에 건습과정이 여러 번 반복되면 내부의 불연속면이 연장되어 궁극적으로는 air breakage에 의하여 파괴가 발생하게 된다.

슬레이킹을 일으키는 메카니즘은 암석의 구조, 점토광물의 흡수팽창, air breakage, 응력해방 등이 있으며, 슬레이크 내구성 시험은 연암에 굴착되는 터널, 연암에 건설되는 암반사면, 연암을 기초 암반으로 하여 건설되는 구조물 지반의 안정성을 평가하는데 있어서 하나의 중요한 자료를 제공한다.

이들 요소와 조건에 대하여 고려된 시험법이 여러 가지 제안되고 있지만, 어느 것이나 건조․습윤 과정을 반복하는 점에서 공통되고 있다. 그 대표적인 방법에 일본 도로공단기준(KODAN Ⅲ)과 ISRM 지침이 있다. 두 방법 모두 건조로에 의한 건조와 수침에 의한 포화를 하지만 이들 조건의 결정방법과 조작법(중량측정, 초기함수비, 시료의 성형과 공시체의 치수 등)에 의하여 결과가 크게 변하는 경우가 있으므로 세심한 주의를 필요로 한다.


10. 자연절리면 전단시험

암반사면의 안정성을 검토하기 위해서는 절리면 상태 및 특성을 파악하는 것이 중요하다. 암반사면은 주로 취약한 절리면을 따라 거동하게 되므로 절리면의 공학적인 특성에 많은 영향을 받게 되는데 절리면 전단강도(c, ψ)에 주로 좌우된다.

자연절리면 전단시험은 활동면 또는 절리면에서의 전단강도를 측정하기 위한 방법이며 그 외에 ①JRC 및 압축강도를 이용한 Bartont식에 의한 방법, ②tilt test에 의한 방법, ③pull test에 의한 방법 등이 있다. 본 시험의 목적 및 방법 등을 간략히 요약하면 아래와 같다. 

조사목적

방 법

결 과 치

결과의 이용

비 고

암반자연절리면에 대한 강도정수 측정

․자연절리면을 포함한 자연시료 및 코아시료채취
․절리면에 대한 전단시험 실시
․전단하중-전단응력, 수직응력-전단응력 그래프 작성

점착력(C)

마찰력(ψ)

암반사면 및 터널해석 등을 위한 입력정수로 이용

 


11. X선 분석

암반중 montmorillonite나 팽윤성 성질이 있는 녹니석(chlorite), 질석(vermiculite) 등을 함유한 암석은 함수비 변화에 의해 팽윤압을 발휘하고, 체적증가에 의해 암석 그 자체의 강도가 저하한다든지 때로는 아석이 직접 세립토로 분해되는 경우도 있다.
그러므로 이와 같은 암반 위의 구조물이 함수비 변화에 의하여 초래된 부등융기 때문에 파괴된다거나, 혹은 강한 팽윤압 때문에 터널 복공이나 노반의 변형 및 사면의 불안정과 파괴를 초래할 수 있다. 따라서 이러한 암반성질을 미리 파악 하여 지층이나 암석 중에 함유되어있는 점토광물의 장성, 정량적 분석을 하기 위함이다.
시험의 원리는 X선이 한 물질을 통과하게 되면, 그 물질이 순수한 상태로 존재하든지, 혼합물의 한 성분으로 존재하든지 항상 독특한 X선 회절무늬를 띠게 되므로 이 회절무늬를 정성 분석하여 그 물질의 구성 광물을 파악한다.


12. 슈미트 해머시험(Schmidt Hammer Test)

슈미트해머시험은 스프링의 힘, 즉 미리 압축한 스프링에 축적된 힘을 해방시킴으로써 해머가 암반표면에 부딪칠 때 그 반발력(탄성적인 튀어오름)을 측정함으로서 반발경도로 암석, 암반의 강도나 탄성계수를 추정하고자 하는 것으로 신선하고 단단한 암석, 암반일수록 해머의 튀어오르는 거리는 크게 된다. 이 튀어오르는 거리를 해머가 충격을 주기전에 스프링의 힘에 의하여 움직인 거리에 대한 백분율로 나타내며, 이것을 슈미트 해머의 반발치(Rebound value) R 이라고 한다.


13. 점하중강도시험(Point Load Strenght Test)

점하중 시험은 암판정을 정량적으로 쉽고 빠르게 현장에서 수행할 수 있을 뿐 아니라, 일축강도를 비교적 정밀하게 추정할 수 있는 방법으로도 사용된다.
점하중 시험은 시료를 점하중을 가하여 시료내에 인장강도가 발생하게 하여서 암석을 깨뜨리는 방법이다.

일반적으로 암석의 인장강도는 압축강도보다도 1/10~1/15 정도로 매우 작으므로 간접적인 인장강도를 가하므로서 비교적 적은 potable한 유압시험기로도 암석의 일축강도를 추정하고자 하는 목적에서 개발된 방법이다.

점하중 시험은 시추코아와 같은 성형된 정형시료로서도 가능하나 일반적인 무정형시료도 가능한 것이 본 시험의 장점이다. 불규칙한 시료는 현장에서 쉽게 구할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 성형하기에도 너무 약한 시료로서도 점하중 시험이 가능하다. 이들 시험 결과로부터 무수정 점하중강도 s라 하는 것을 다음과 같이 정의하고 있다.

    여기서, P: 최대하중, De: 등가 core직경
(축방향, 블록, 불규칙 암괴시험의 경우 : De²= 4A/π)

요켠대, De는 최소단면적 A를 가진 단면을 동등한 면적을 가진 원에 환산했을 때의 직경이라고 할 수 있다. 그런데 s는 De의 함수로 되며 같은 특성을 가진 암석이라도 De가 다르면 s도 다르게 된다. 따라서 De = 50㎜의 core를 사용하고 직경방향시험을 했을 때의 점하중강도를 기준으로 선택하여, 다른 De 시료에 대해서는 이것으로 환산하고 수정 점하중 강도s(50)으로 하여 점하중시험을 규준화 한다. 단, s(50)에의 환산은 다음과 같이 한다.


신고

'토목 품질/안전' 카테고리의 다른 글

맨홀뚜껑 (KS D 6021)  (0) 2010.03.07
콘크리트 코아 (KSF 2422)  (0) 2010.03.07
암석 시험 종류 및 방법  (0) 2010.03.06
스틸그레이팅  (0) 2010.03.05
시멘트 기와 (KS F 4029)  (1) 2010.03.05
암석(암분류) (KSF 2519)  (0) 2010.03.04
Trackback 0 Comment 0


티스토리 툴바