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    단축압축시험 Uniaxial Compression Test

암석의 파괴, 변형 특성은 지하공간 구조물의 강도 설계에 있어서 고려되어야 할 중요한 요소이다. 현장 구조물 설계 시 대상 지역 암석의 물리적 특성이 고려되어야 할 요소들 중 단축압축강도는 가장 기본적인 물성이다. 단축압축시험을 수행할 때 단축강도와 함께 축방향과 횡방향의 변형률을 측정하며 이를 통해 응력-변형률 곡선에서 탄성계수(Young's modulus), 포아송비(Poisson's ratio) 등의 탄성상수를 결정한다. 시험편의 제작 사양은 다음의 표와 같다.

Deformation and failure characteristics of rock are the key factors that must be considered to design an underground structure. Uniaxial compressive strength(UCS) is the most fundamental rock property that can be considered as the representative characteristic of construction site. Axial strain, lateral strain and UCS are measured in uniaxial compression test and Young's modulus, Poisson's ratio are determined in the resulting stress-strain curve. Specification of specimen preparation is as in the following table.

Specmien Shape

Specimen Size

length/diameter ratio

Flatness of Coring Surface

Flatness of Pressurizing Surface

Inclination of Pressurizing Surface

core

 Diameter>54mm

2.5~3.0

0.3mm

0.02mm

1/1000

 

 

 

스트레인 게이지를 이용하여 변형률을 측정 할 때에는 축방향과 원주방향의 게이지의 길이가 적어도 입자크기의 10배가 되어야 하고, 게이지는 시험편의 중앙에 부착하여야 한다. 게이지의부착은 육안 판별하여 시료의 결정이 없는 부분에 #200이상의 사포로 표면을 잘 연마한 후 부착하여야 한다. 부착하기 전, 직각자를 이용하여 시료 표면에 연필을 이용, 수직선을 긋고 나서, 스트레인 게이지의 축방향과 수직선과 일치하도록 부착한다.스트레인 게이지를 통하여 얻은 결과를 이용하여 다음과 같은 응력-변형률 곡선을 작성하게 되며 축방향 변형률 곡선의 기울기가 영률로 정의된다.

Strain gauges should be larger than 10 times of grain size in diameter. Strain gauges should be attached on the center of a specimen, on a clean surface without any crack or joint, after grinding the specimen surface with #200 sandpaper. Also, strain gauges should be aligned with the axial and circumferential line of the specimen. Stress-strain curve can be plotted with the data acquired from the strain gauges and Young's modulus can be determined as the slope of stress-axial strain curve.

최종 시험 보고서는 비중, 공극율(흡수율), 탄성파속도, 탄성계수, 포아송비, 단축압축강도 등의 결과를 포함한다.

Final test report includes the values of specific gravity, porosity(void index), elastic wave velocity, Young's modulus, Poisson's ratio and UCS measured from specimens.

    간접인장시험 Indirect Tension Test

직접인장 강도 시험은 그 결과가 합리적이라면 매우 신뢰성있는 인장 강도에 대한 정보를 제공하지만 시험이 매우 불편하고 시간과 비용이 많이 소요되며, 시험이 실패하게 될 경우가 많이 발생한다. 이러한 단점을 제거하기 위하여 실린더형 시료의 측면에 압축 하중을 가함으로써 간접적으로 시험편의 인장강도를 산출할 수 있는 시험방법인 Brazilian test를 많이 사용한다. 직접인장시험을 하는 경우 보다 응력장 범위내에 결함을 포함할 확률이 적어지므로 직접인장 시험에 비하여 약간 과장된 값이 나오게 되지만 매우 신뢰성 있는 결과를 나타낸다. 원주형 시험편의 측면에 압축 하중력을 가했을 때 하중 축에 대하여 일정한 인장응력이 발생하게 되고, 축상의 대부분의 위치에서 인장응력의 3배정도 되는 압축응력이 발생한다. 대부분의 취성재료는 인장응력이 압축응력의 1/10 - 1/20배 정도가 되므로 위 상태의 시료는 인장응력에 의해 파괴가 되며, 시험 장치의 모식도는 다음과 같다(그림 1, 그림 2).

Direct tension test provides reliable information on the tensile strength of rock if it provides reasonable values. However, in spite of the difficulties of specimen preparation and considerable amount of time and budget, direct tensile test has high probablity of test failure. Brazilian test, which acquires tensile strength of rock by compressing a cylindrical specimen in the direction of diameter, is used to avoid the risks of direct tensile test. Brazilian test provides very reliable result although it tends to provid higher values of tensile strength than direct tensile test due to low probablity of flaw existence in the specimen. Uniform tensile stress arises along the loading axis in a cylindrical specimen and compressive strength of 3 times in manitude of tensile strength arises along the majority of the loading axis. Rock specimen under this state of stress reaches to failure by tensile stress, because most of the brittle materials have compressive strength 10~20 times greater than tensile strength. Following is the schematic diagram of Brazilian test equipment. (Fig. 1, Fig. 2).

Fig. 1. Brazilian test equipment

Fig.2. stress distribution along the loading axis

시험결과 리포트에는 시료의 크기와 인장강도가 포함된다.

Final report includes the size and tensile strength of specimens

    삼축압축시험 Triaxial Compression Test

이 실험은 현지 암반 상태를 모사하기 위해 시험편을 삼축압축 상태에 놓고 암석의 강도를 측정하는 것으로써 실험을 통하여 암석의 내부마찰각과 점착력 등을 측정할 수 있다. ASTM에서 제안한 방법을 사용하며, 단축과 인장강도, 인장강도의 3배 지점을 포함하여 파괴 포락선을 결정한다. 시험 시 작용하는 봉압은 3단계로 나누어지며 다음과 같다.

Cohesion and internal friction angle of a rock specimen can be obtained from this test under triaxial compression condition. Test method follows ASTM suggested method and failure envelope is determined from uniaxial compressive strength, tensile strength, 3 times of magnitude of tensile strength and triaxial compressive strengths under each different confining stresses. Confining stresses are applied as follows.

Confining Stress (kg/cm2)

50

100

150

Initial Axial Load (ton)

1.0

1.5

2.0

삼축압축시험한 결과와 단축 압축 강도 시험 결과 인장 시험 결과를 사용하여 모어원을 작도한 후, 모어원에 가장 잘 접하는 포락선을 그린다(그림 1).

Failure envelope is determined as the most well-fitting tangential line to the Mohr circles drawn from UCS, tensile strength and triaxial compressive strength under each different confining stresses. (Fig.1).

 

Fig. 1. Typical Mohr circles and failure envelope obtained from the triaxial compression tests.

시험결과 리포트에는 모어원을 통해 얻은 내부 마찰각, 점착력 등이 포함된다.

Final report includes cohesion and internal friction angle obtained from Mohr circles and failure envelope.



    직접전단시험 Direct Shear Test

 절리의 전단강도를 측정하기 위한 시험이며 시험의 목적은 최대전단강도와 잔류전단강도를 구하여 점착력과 마찰각을 구하는 것이다. 시험장비로는 수직응력과 전단응력을 가하는 유압램(그림 1.)과 변위를 측정하는 LVDT 가 있으며, 시험을 통해 구한 전단응력, 전단변위, 수직응력, 수직변위로부터 계산되는 결과가 리포트에 포함된다.

 Purpose of this test is acquisiton of cohesion and friction angle from maximum shear strength and residual shear strength measured in this test. Testing equipment is composed of hydraulic rams for axial/shear loading and LVDT for displacement measurement(Fig.1.). Final report includes resulting values calculated from shear stress, shear displacement, normal stress and dilational displacement measured in this test.

Fg.1. Hydraulic ram

시험 시, 상부 전단면과 하부 전단면은 각각 다이아스톤을 이용하여 고정되며 전단시험장치에 거치시킨 뒤 한 방향으로 전단시키며 강도를 측정하게 된다. 시험 장면은 다음과 같다(그림2).

Upper and lower shearing surfaces are fixed to the diastone molds, loaded in the testing equipment and strengths are obtained from shearing of two surfaces(Fig.2).


 Fig. 2. Direct shear test

기록되는 항목은 전단강성, 최대전단응력, 잔류전단응력, 최대 마찰각, 최대 점착력, 잔류 마찰각, 수직강성, 팽창각 등으로 다음과 같은 그래프를 통해 얻을 수 있다.
Shear stiffness, maximum shear stress, residual shear stress, maximum friction angle, maximum cohesion, residual friction angle, normal stiffness and dilational angle are obtained as folows.


Graphs(X-Y)

Obtained Parameters

(Shear Displacement-Shear Stress)

Shear Stiffness(Gradient), Maximum Shear Stress(kg/㎠), Residual Shear Stress(kg/㎠)

(Normal Stress-Maximum Shear Stress)

Maximum Friction Angle(degree), Maximum Cohesion(kg/㎠)

(Normal Stress-Residual Shear Stress)

Residual Friction Angle(degree), Residual Cohesion(kg/㎠)

(Normal Displacement-Normal Stress)

Normal Stiffness(Gradient)

(Shear Displacement-Normal Displacement)

Dilational Angle(degree)



이와 함께 슈미트 해머를 이용하여 반발경도 역시 측정한다.

Rebound hardness is also measured by using Schmidt hammer.

    Tilt test
암반은 불연속면이 역학적 거동을 좌우하는 불연속체로서 암석의 구조적 특성 뿐만 아니라 불연속면의 성질을 동시에 기술하는 것이 아주 중요하다. 이러한 암반 불연속면의 특성을 기술하는 변수 중 하나가 절리면의 거칠기이다. 이 실험에서는 절리면의 거칠기를 표현하는 JRC 값을 얻을 수 있다. 시험 방법으로는 맞닿아 있는 절리면이 지면과 수평하게 위치하도록 만든 후, 경사계에 거치시켜 각도를 조정해 가며 미끄러지는 마찰각을 측정한다.
It is very important to describe the behavior and characteristics of discontinuities as well as the rock properties because the mechanical behavior of rock mass is determined by the discontinuities in the rock mass. Joint roughness is one of the major parameters describing the behavior of rock mass discontinuities. Joint roughness coefficient(JRC) can be obtained by tilt test. During the tilt test, by measuring the critical friction angle that allows a specimen to slide.
    점하중강도시험 Point Load Test

 점하중강도시험은 암석의 여러 가지 물성(특히 단축압축강도)과 상관관계를 가지는 지수를 구하는 시험으로, 시험의 간편함과 시험기계의 운반가능성으로 현장에서 암석의 대략적인 물성을 측정하기 위해 사용되는 시험이며, 실험실에서도 시험이 가능하다. 특히 시험편성형에 있어서 정밀도를 요하지 않기 때문에 시험과정이 용이하다. 점하중강도시험에서 구해진 점하중강도지수(Is(50))는 주로 단축압축강도를 구하는데 이용된다. 강도지수는 다음과 같은 식을 이용하여 얻어진다. 일반적으로 압축강도는 강도지수의 20~25배이며 암석 코어 혹은 조각의 시험샘플은 아래에 제시된 직경, 측, 블록 혹은 불규칙적인 덩어리 시험에 요구되는 크기와 모양에 적용되는 충분한 시편들을 보유해야 한다(그림 1).

 Point load test is widely used to obtaine approximate values of rock properties in field site and laboratory due to convenience of testing and portability of equipment. Especially, point load test is very time-saving testing method because it does not requires precise preparation of specimen. Point load index(Is(50)) measured from the point load test is mainly used to obtain the uniaxial compressive strength and UCS is about 20~25 times of point load index in general. Test result should be acquired from sufficient number and various types of specimens with diameter direction, axial direction, block and irregular shape type tests.

Fig.1. requirements for specimen shape and loading direction
(a)diameter direction (b)axial direction (c)block (d)irregular shape

    AE/DRA 시험 AE/DRA Test

미소파괴음(AE; Acoustic Emission) 신호는 재료의 손상과 관련된 갑작스런 변형에너지 방출시에 발생하는 탄성파로서, 대부분이 결정 및 교결 입자들로 구성된 암석 및 콘크리트에서는 결정이나 입자의 전위, 입자 경계부의 활동, 미세균열의 발생 및 전파 등이 발생할 경우 파괴면의 형성과 함께 각종 에너지가 발생하는데 이러한 에너지 방출의 한 형태로서 발생하는 탄성파가 미소파괴음이다. DRA방법에서는 두 번 이상의 주기압축하중을 시료에 가한다. 주기하중 시험을 통해 얻은 축방향 변형률의 차와 응력과의 관계를 나타내는 그래프는 변곡점을 가진다. 변곡점에서의 응력이 암반의 현지응력을 나타낸다. DRA는 원래 Yamamoto(1991)에 의해 제안되었다. DRA는 실험실에서 사용될 수 있어서 over coring 방법이나 수압파쇄법 같은 현지 측정방법보다 쉽게 초기응력을 측정할 수 있다. AE 시험을 수행하는 기기는 MISTRAS 로, 결과를 얻어내는 시스템의 개략도 및 시험장면은 다음과 같다(그림 1, 그림 2).

Acoustic emission(AE) signal is elastic wave emitted from drastic release of deformation energy related with breakage of material. Especially, AE is a kind of energy release related with failure plane formation by microcrack growth, grain-grain boundary activities and transposition of grains and crystallines in rock material mostly consist of crystaline structures and cemented grains. Meanwhile, in DRA method suggested by Yamamoto(1991), periodic compressive load is applied to specimen more than twice. Inflection point can be found on the graph drawn with the difference in axial stresses - stress, and the specific level of stress at the inflection point represents the in-situ stress that the specimen had experienced in the original rock mass. DRA test method is easier than over-coring or hydraulic fracutring for in-situ stress measurement becuase it is available as a lab test. Following figures show the schematic diagram of MISTRAS system, the AE testing equipment and actual scene of testing(Fig.1., Fig.2.).

Fig. 1. Schematic diagram of MISTRAS system

Fig.2. AE/DRA test

    공진주시험 Resonant Column Test

충격반향시험법(impact-echo method)은 1983년에 미국의 표준기술연구원(National Institute of Standards and Technology)이 제안한 비파괴 조사 기법으로 특정 매질 내의 공극의 위치나 균열의 크기 및 매질의 두께 등을 탐사가 가능한 기법이다(ASTM, 2003). 일반적으로 충격해머 혹은 압전기를 이용하여 매질 표면에 물리적인 충격을 준 후 이로 인해 발생한 응력파(P파, S파 등)를 수신하여 대상 매질을 해석하는 것이 이 시험법의 기본적인 메커니즘이다. 우선 응력파가 매질내부에 전파되는 이동시간을 측정하여 P파와 S파의 속도를 얻을 수 있는데, 이 각각의 속도는 탄성학을 바탕으로 동탄성계수, 동포아송비, 동전단변형계수를 계산할 수 있다. 또한 프리에 변환을 통해 주파수 영역을 확인하면 내진설계에 사용되는 감쇠비(damping ratio)를 구할 수 있는 장점이 있다. 이 결과치의 역수를 취하면 비탄성 감쇠지수(seismic quality factor) Q를 구할 수 있다. Q값을 이용하면 PFC에서 사용되는 주파수에 무관한 감쇠지수(damping ratio) α와 점성 감쇠지수(viscous damping ratio) β를 산정할 수 있다. 시험장면에 대한 모식도는 다음과 같다(그림 1).

Impact-echo method is non-destructive test method suggested by National Institute of Standards and Technology(US) in 1983 and this method can examin the pore location, size of fracture or thickness of medium(ASTM, 2003). Fundamental mechanism of this method is analyzing the elastic waves(P-, S-waves) generated by physical impact on the surface of medium, and impact hammer or piezoelectricity are typically used as a impact source. First, P-wave and S-wave velocities can be obtained by measuring the travel time of each waves in the medium, then dynamic parameters such as dynamic Elastic modulus, dynamic Poisson's ratio and dynamic shear displacment coefficient can be calculated according to the theory of elasticity. Damping ratio can be also acquired through analyzing the frequency domain by Fourier transformation and seismic quality factor Q can be calculated as the inverse of damping ratio. Using this Q value, it is possible to calculate the frequency irrelevant damping ratio α and viscous damping ration β. Following Figure shows a schematic diagram of resonant column test(Fig.1.).

Fig.1. A schematic diagram of the impact-echo testing system.

    이방성시험 Anisotropy Test
암석의 공학적 거동을 좌우하는 가장 중요한 요소는 이방성(anisotropy)이다. 이방성이란 암석의 성질이 방향에 따라서 다르게 나타나는 것으로서, 시험을 통해 측정되는 공학적 특성이 시험 방향에 따라 다르게 나타난다는 의미이다. 만약 모든 방향으로 공학적 특성이 같게 나타난다면 그때는 등방성(isotropy)이 된다. 자연상태에서 등방성으로 나타나는 재료들은 거의 없다. 암석의 이방성은 크게 1차적인 요인과 2차적인 요인으로 구분된다. 전자는 암석의 형성과정과 관계가 있는 것으로서 퇴적암의 생성과정에서 나타나는 퇴적물의 분급, 건조, 다짐, 암석화 작용 등이 좋은 예이다. 후자는 주변 환경과 관계가 있는 것으로서 압력, 응력, 온도, 물 및 물과 반응하기 위한 화학조건 등을 가리킨다. 특히 이러한 요인들은 암석의 변성작용이나 풍화과정과 관련이 있어서 암석의 조직과 구성광물 등의 변화를 일으킨다. 시험 시 시험편은 단축시료와 같은 NX 사이즈이며 시료의 편리면을 따라 가압면과 편리면의 각도를 측정한다. 압축기를 사용하여 시료가 파괴된 후에는 가압축과 파단면의 각도, 파단면과 편리면의 각도를 측정하여 기록한다. 시험결과 보고서에는 탄성계수, 압축강도 등이 포함된다.


Anisotropy is one of the most important factor that dominates the engineering behavior of rock. Anisotropy means a nature of rock that reveals different behaviors in each different directions, and practically it implies that an anisotropic rock shows different engineering properties along to the each different directions. If properties of a material is indepentent of direction, that material is called as isotropic material but majority of materials in nature are anisotropic. Anisotropy of rocks are distinguished by its cause : primary factors and secondary factors. Primary factors are related with the formation process of rock such as sorting, dehydration, compaction and solidification of sedimentary rocks. Secondary factors are related with the environmental condition that a rock had been experienced such as stress, temperature, water and chemical conditon that allows a rock to react with water. These secondary factors are especially related with metamorphism or weathering of rocks, changing the mineral content and inner structures of rocks. Size and shape of the specimen of anisotropy test is equal to NX core specification used in UCS test. Not only the strength of a specimen but also the angle between shistocity plane and loading plane is measured in anisotropy test. Angles between loading axis-failure plane, failure plane-shistosity plane are measured after failure of the specimen. Final report includes elastic moduluses and Poisson's ratios.
    XRD시험 XRD Test

X-선 회절법은 결정성 물질의 확인과 분석에 이용된다. 결정 중의 모든 원자들은 입사한 X-선을 모든 방향으로 산란시키는데, 산란된 X-선은 보강간섭 또는 상쇄간섭을 일으킬 수 있다. 또한 결정으로부터 회절된 빛의 세기는 결정에서 원자들의 배열 형태와 기본적인 반복 단위, 즉 단위 격자 내의 원자들의 위치에 의존한다. 따라서 모든 회절 빛살의 방향과 세기를 고려할 때 회절 패턴이 절대적으로 같은 두 가지 물질은 존재하지 않고 각 결정 물질에 따라 특유하게 다르게 나타난다. 그러므로 회절 패턴은 결정성 화합물의 지문(finger print)이라 할 수 있으며 미지의 물질로부터 얻은 많은 X-선 회절 패턴에 대한 정보를 가지고 있다면, 이미 수집된 패턴 정보와 실험을 통해 얻은 X-선 회절 패턴 기록이 일치하는가를 분석하여 미지의 시료에 대한 정보를 얻을 수 있다. 본 실험에서는 국제회절자료센터에 의해 정리된 분말회절파일과 실험에 의해 얻어진 X-선 회절 패턴 자료(그림 1.)를 비교함으로써 시료에 함유되어 있는 미지의 광물 성분을 파악한다.

X-ray diffraction method is used to identify and analyze a crystal material. X-ray is scattered in every direction by every atoms in a crystal structure and it reveals destructive/constructive interferences. Intensity of scattered ray is depending on the arrangement type of atoms in crystal structure. Due to this characteristics of X-ray diffraction, every crystal materials shows their own unique diffraction patterns. Consequently, X-ray diffraction patterns can be used as the fingerpriints of crystal materials so it is possible to get the information on an unknown crystal material by comparing the diffraction patterns of the unknown material with unique diffraction patterns of other materials. In this XRD test, acquired X-ray diffraction patterns(e.g. : Fig.1.) are compared with the powder diffraction files arranged by The International Centre for Difraction Data to identify the mineral contents in a specimen.

Fig. 1. 3. example of X-ray diffraction test result

    3D Profile Test

절리 시험편의 거칠기를 측정하여 여러 거칠기 파라미터 값을 결정하고, 이를 비교분석하여 직접전단시험 결과 해석에 이용하기 위해서는 절리면의 형상을 수치화하여 측정하는 작업이 필요하다. 아날로그 형태의 연속적인 절리면 형상을 수치화하여 측정하는 방법이 있는데, 이 실험에서는 레이저 변위계를 이용하여 대상체의 3차원 형상을 측정한다.

Quantification and measurement of joint roughness is necessary to determine joint parameters and apply that parameters to analyze a result of direct shear test. In this 3D joint profile measurement, 3D laser scanner system is used to measure the roughness of a joint surface.

    시험편 성형 specimen preparation
일반적으로 암석 시험을 위해 제안된 시료는 NX 코어 사이즈로 시료의 성형을 위해서는 코어링된 시료가 있어야 한다. 하지만 암석 블록 형태로 채취하였을 경우에는 코어링 기계를 이용하여 실린더 형태의 시료를 얻은 뒤 성형을 진행한다.
Generally, rock specimen is required to be pre-cored before cutting to make NX size standard core shape. However, it is also available to obtain core shape specimen in case of uncored rock block sample by using the coring machine in the laboratory.
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