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문제 정의
- 본 논문에서는 위의 2가지 경계조건에 대한 전단시험이 가능하고 위의 자유도 이외에 1개의 자유도가 추가된회 전변위(roll)를 허용할 수 있으며, 적절한 시험 기 의 강성으로도 정확한 시험 결과의 획득이 가능한 절리면 전단시험기의 개발에 대한소개를 하였다. 또한 고강도 석고를 이용한 동일한 인공 절리 시편에 대하여 일정 수직 응력 상태, 일 정 수직 하중 상태 그리고 무한 수직 강성 상태(infinite normal stiffness)0]] 대한 전단시험 결과를 통하여 시험기의 제어과정 검증 및 시험 결과를 비교하였다.
제안 방법
- (3) 시험기의 강성 부족으로 인하여 발생되는 수직 변위는 제어프로그램 내어서 쌍곡선 함수를 사용하여 제거 하였으며, 전단 시스템에서는 상, 하 전단 상자 간의 상대 변위를 측정하여 이를 제거하였다.
- 내경 100mm, 외경 120mm 높이 75mm의 모울드에 20mm 높이의 스페이서를 바닥에 놓고 그 위에 톱니 주형상, 하면을 각각 놓고 모울드를 길이 조절이 가능한 철재 밴드(호스 클램프)로 조인다. 톱니형 절리시편은 고강도 석고: 소석고: 표준사: 물을 1.
- 동일한 거 칠기의 절리 면을 갖는 시편을 제작하기 위하여 자연 암석절리면(평택 편마암)에 내경 100mm의 원형 링을 놓고 암석과 링 사이의 공간은 수분을 적절히 가한 벤토나이트로 채우고 마감하였다. 실리콘과 경화제(ShinHsu 사) 를 혼합한 액체를 링 속에 적정량을 붓고 1일 동안 경화시킨다.
- 동일한 압축강도와 절리 형상을 갖는 3가지 시편에 대하여 초기 수직 하중 392.7kg을 가하고 일정 수직응력 상태, 일정 수직 하중 상태, 일정 수직강성(stifthess) 상태에 대하여 절리면 전단시험을 수행하여 시험기의 제어상태를 확인하고 각 실험 결과를 비교하였다. 전단속도는 Imm/min, 으로 15mm까지 변위 제어를 하였고, 데이터의 저 장간격 은 250msec마다 1회로 하였다.
- 개발에 대한소개를 하였다. 또한 고강도 석고를 이용한 동일한 인공 절리 시편에 대하여 일정 수직 응력 상태, 일 정 수직 하중 상태 그리고 무한 수직 강성 상태(infinite normal stiffness)0]] 대한 전단시험 결과를 통하여 시험기의 제어과정 검증 및 시험 결과를 비교하였다. 시험 결과의 정확성을 알아보기 위하여 경사각 i=16.
- 절리면 폐쇄량의 계산에 대하여 이와 유사한 과정이 Goodman(1976)과 Huston과 Dowding(1987) 그리고 Mouchaorab과 Benmokrane(1994) 에 의해 전단시험 및 수직 강성 시험 후에 데이터를 처리하는 과정에 적용되었다. 본 장비에서는 시험 및 데이터처리의 편의성을 도모하기 위하여 전단이나수직강성 시험 시에 수직 하중 증감에 따른 전단 시스템에서 발생하는 수직 변위 량을 외부의 4개의 LVDT에서 측정된 평균값에서 자동적으로감하여 실제 시편만의 압축 및 팽창 변위를 실시간으로 표시하고 저장할 수 있도록 하였다. 이것은 그림 9의 4개의 LVDT평균값의 하중-변위 곡선에 대하여 수직 하중을 X 축으로 하고 수직 변위를 y 축으로 변환하여 식 (4)의 쌍곡선함수를 적용하였다.
- 7°과村26.6。이며 압축강도가 47MPa인 시편에 대하여 수직 응력을 0.76, 1.15, 1.53, 1.91MPa로 하여 실시하여 Patton과 Barton의 전단강도모델과 비교하였다. 이 실험에서의 전단 속도는 0.
- 그림 22에서 JRC 값은 전단 변위-수직변위 곡선에서 구한 최대 팽창 각을 식 (7) 에 대입 하여 구한것과 전단시험 결과를Barton의 전단 강도 식(6)에 대입하여 구한 것, 그리고 Huan 以 1990)의 실험식에 대입하여 구한 것을 나타내었다. Huange압축강도가45MPa이며 경사각 /。가3。, 6°, 10。인 톱니형 절리를 고강도 석고(hydrostone)와물을 혼합하여 제작한 시편에 대하여 수직 응력 이 1 ~ 1 OMPa인 수준으로 전단시 험을 실시하였다. 그의 실험 에서는 Barton 의 전단강도식에서 역산한 JRC 값이 /°=3。일 경우 평균값이 2.
- 자연 암석 절리 면과 인공 절리 면의 전단시험을 하기 위하여 서보 제어가 가능한 직접 전단 시스템을 설계, 제작하였다. 이 시험기는 그림 1에 나타낸 바와 같이 수직하중재하시스템(1), 수평하중 재하시스템(2), 파워유닛(3), 제어장치(4) 및 데이터 저장 장치(5)로 구성되어있다.
- 7kg을 가하고 일정 수직응력 상태, 일정 수직 하중 상태, 일정 수직강성(stifthess) 상태에 대하여 절리면 전단시험을 수행하여 시험기의 제어상태를 확인하고 각 실험 결과를 비교하였다. 전단속도는 Imm/min, 으로 15mm까지 변위 제어를 하였고, 데이터의 저 장간격 은 250msec마다 1회로 하였다. 수직 응력의 계산은 모두 전단 변위 시 변화된 단면적을 사용하도록 설정하였다.
- 전단시험기의 제어상태 검증 및 실험 결과의 정확성 여부를 판단하기 위하여 거 칠기를 갖는 자연 절리 모사 시 편과 거 칢 각(asperity angle)과 강도를 달리 제 작한 톱니 형 시편을 제작하였다.
대상 데이터
- 이 시험기는 그림 1에 나타낸 바와 같이 수직하중재하시스템(1), 수평하중 재하시스템(2), 파워유닛(3), 제어장치(4) 및 데이터 저장 장치(5)로 구성되어있다.
- 자연절리 시편은 원형의 실리콘 고무절리를 모울드에넣고 고강도 석고(Mitsubish chemical Co., Rhombrock) :물의 중량비를 1 : 0.22로 반죽하여 모울드에 부어 1 일간 양생하였다 압축강도는 51.2MPa이다.
데이터처리
- 이들 실험 데이터에 대하여 첨두전단강도 수직응력, 전단강성 첨두전단변위, 최 대 팽창 각 등을 계산하는 프로그램을 작성하여 표2에 그 전단시험 결과와 시험 결과에서 역산된 JRC 값을 나타내었다.
- 7。, 26.7。인 톱니형 시편에 대한 시험 결과를 Patton과 Barton의 모델과 비교하였다.
성능/효과
- (2) 사용자가 원하는 실험 과정을 프로그래밍 할 수 있으며, 플라스터 (plaster)를 사용하던 기존의 시 편 고정 방법을 기계적으로 개선하였다.
- (4) 절리면 전단 거동의 자유도를 증가시키는 장치를 고안하여 전단방향의 이 동, 수직 방향의 이 동, 전 후회 전, 좌우 회전 운동이 가능하게 하므로써 현장의 절리 거동을 잘 모사할 수 있다.
- (5) 하중 조건에 대한 검증 시험 결과 일정 수직응력조건, 일정 수직하중 조건, 일정 수직 강성조건이 잘 구현되었으며 각 조건에 따른 실험 결과는 상이하였다
- (6) 톱니형 시편에 대한 시험기의 정확성 시험 결과는 Huang의 시험결과에 비하여 편차가 매우 작아 신뢰성이 높음이 확인되었다. 또한 각 수직 하중 단계에서 최대 팽창각에 대하여 역산한JRC 값과 전단강도에서 역산한 JRC 값 그리고 Huang의 실험 식에 의한 JRC 값이 잘 일치 되어 Barton의 모델과 잘 부합됨을 알 수 있었다.
- 수직 하중이 일정하게 유지되고 전단 변위에 따라 유효 전단 면적이 감소하므로 수직 응력이 서서히 증가하고 있음을 보여준다. 전단응력은 그림 17(a)의 경우보다 작은 변위에서 첨두상태에 도달하였고 잔류 전단강도는 전단 변위에 따라 수직응력 이 증가하는 비율과 비슷하게 증가함을 보여주고 있다. 그림 18(b)는 전단 변위에 따른 수직 변위를 나타낸 것으로 압축 및 팽창이 전형적인 전단 변위-팽창 곡
- 높음이 확인되었다. 또한 각 수직 하중 단계에서 최대 팽창각에 대하여 역산한JRC 값과 전단강도에서 역산한 JRC 값 그리고 Huang의 실험 식에 의한 JRC 값이 잘 일치 되어 Barton의 모델과 잘 부합됨을 알 수 있었다.
- 수직 응력의 증가에 따라 전단강성은 증가하였으며 톱니의 경사각 沔] 따라서는 경사각이 큰 경우에 낮은 수직 응력에서는 전단강성이 크나 수직 응력이 커지면 오히려 작아졌다. 최대팽창각0)은 수직 응력의 증가에 따라 감소하였으며 감소량은 톱니의 경사각 1가 큰 쪽이 크게 나타났다.
- 전단응력은 첨 두 전단 강도에 이를 때까지 급격히 증가하여 첨두전단강도를 지나면서 전단 변위 가 8mm 정도지 날 때까지 감소하고 그 이후에는 일정한 상태를 나타내고 있다. 수직 응력이 일정한 상태를 유지 하기 위하여 전단 변위 가 증가할수록 초기의 수직 하중이 서서히 감소하고 있음을 나타내고 전단변위에 따라 변화된 단면적에 작용하는 수직 응력은 전단변위에 관계없이 일정한 값을 나타내었다.
- , 。로 나타내었다. 실험 결과를 비교해보면 최대팽창 각으로 구한 JRC와 전단응력으로 구한 JRC가 거의 일치함을 알 수 있으며, Huang의 식보다는 조금 큰 값을 나타내고 있다. 본 실험 결과의 편차가 Huang의 결과보다 매우 작으며, Huang의 실험이 톱니의 경사각 /。=10°가 최대인 점을 고려하면 본 실험 결과가 더 신뢰할 수 있다고 판단된다.
- 수직 변위 가 구속되 므로 전단 변위는 시편을 파괴시키면서 발생되었다. 이상의 실험 결과에서 알 수 있듯이 하중 조건의 제어는 잘 구현되었다.
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