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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 암석의 일축압축강도를 추정하기 위하여 간편법 중 초음파속도를 이용하는 방안을 연구하였다. 이를 위해 18개의 안동흑운모화강암 대상으로 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머 시험, 초음파속도 측정시험을 실시하여 통계처리에 의한 초음파속도의 활용방안을 분석하였고, 여수 부근에서 채취한 총 27개의 화강암, 안산암, 섬록암 및 유문암을 대상으로 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 관계식을 구하였다.
제안 방법
- 각각의 시험과 각 암석에 따른 실험결과의 변화는 변동계수를 결정하여 평가하였다. 변동계수는 표준편차를 평균으로 나누어 계산하며, 백분율로 표시한다.
- 그림 7에 본 연구에서 수행한 여수 화성암을 대상으로 한 일축압축강도 추정 제안식과 Göktan(1988) 및 Kahraman(2001)의 연구결과와 비교하였다. Göktan은 함탄퇴적암을 대상으로 한 연구결과이며, Kahraman은 48개의 실험결과 중 43개가 퇴적암인 연구결과이다.
- 변동계수가 크면 실험 결과에 큰 변화가 있다는 것을 의미한다. 또한 각각의 실험 결과를 정리하여 일축압축강도와의 관계를 위한 회귀선을 구하였다. 회귀선 방정식을 이용하여 다른 경험적 시험결과로부터 일축압축강도를 예측하는데 이용되었다.
- 점하중시험은 Broch와 Franklin(1972)과 ISRM(1985)이 제안한 일정한 원주형 시편에 대한 방법으로 실험을 수행하였다. 시편의 길이와 지름의 비가 1.4 이상이며, 가압하는 점은 시료의 길이 중앙부분으로서 지름과 같은 방향으로 가압하여 실험을 수행하였다. 결과는 10개 시편을 대상으로 점하중시험을 수행하여 평균값으로 정리하였다.
- 5cm2 이상으로 하고 시험편 양쪽 끝 면은 서로 평행하며 측정 축과 직각으로 되도록 제작하여야하며, 시험편의 형태는 원주형이 아니어도 된다. 시험방법은 그림 1과 같이 시험편의 말단에 발진기를, 다른 한쪽에는 수신기를 접촉시킨 다음 0.5 kg/cm2 이하의 압력을 가하면서 발진기의 펄스(pulse)를 발생시켜 초음파가 시험편을 통과하는데 걸린 시간을 측정한 후 시험편의 길이로 나누어 구하였다. 그림 1에 초음파시험의 개요도를 제시하였다.
- 암석의 일축압축강도 시험은 ISRM(1981)의 규정에 적합하게 암석시편을 제작하여 수행하였다. 암석 시편은 NX 코아(지름 약 54mm) 크기로 직경비가 2.
- 시험결과를 정리하여 일축압축강도를 추정할 수 있는 관계식과 결정계수를 정리하면표 4에서 표 6에 제시되어 있다. 여기서는 Cargill 등(1990)의 연구결과에 의해 점하중지수를 이용한 일축압축강도 추정 관계식에는 단위중량을 고려하지 않았으나, 슈미트해머반발치와 P파를 이용한 일축압축강도 추정 관계식을 유도하기 위해서는 단위중량을 고려하여 다양한 회귀분석을 실시하였다. 또한 기존의 연구결과(표 1에서 표 3 참조) 형태의 관계식을 참조하여 회귀분석을 실시하였다.
- 따라서 본 논문에서는 암석의 일축압축강도를 추정하기 위하여 간편법 중 초음파속도를 이용하는 방안을 연구하였다. 이를 위해 18개의 안동흑운모화강암 대상으로 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머 시험, 초음파속도 측정시험을 실시하여 통계처리에 의한 초음파속도의 활용방안을 분석하였고, 여수 부근에서 채취한 총 27개의 화강암, 안산암, 섬록암 및 유문암을 대상으로 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 관계식을 구하였다. 각 시험의 상관계수와 결과의 변화를 결정하기 위해 통계분석을 토대로 분석하였다.
- 초음파속도를 이용하여 암석의 일축압축강도를 추정하기 위해 흑운모화강암을 대상으로 그 가능성을 평가하고, 여수부근의 화성암을 대상으로 일축압축강도와 초음파속도 시험을 수행하여 일축압축강도를 추정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 초음파속도에 의한 암석의 일축압축강도를 추정할 수 있는 관계식의 효율성을 도출하기 위하여 흑운모화강암을 대상으로 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머시험 및 초음파속도(P파) 시험을 수행하였다. 시험결과를 정리하여 일축압축강도를 추정할 수 있는 관계식과 결정계수를 정리하면표 4에서 표 6에 제시되어 있다.
- 18개의 안동 흑운모화강암과 27개의 여수 부근의 화강암, 안산암 및 섬록암이 본 연구를 위해 이용되었다. 흑운모화강암은 충분한 크기의 블록시편을 채취하여 실험실에서 실내 암석코아 시추기(NX 크기)를 이용하여 각 시험규정에 적합하게 암석 시편을 제작하였으며, 여수 부근에서 채취한 암석은 NX 코아 보링으로 지반조사를 수행하여 얻은 시료를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 흑운모화강암을 대상으로는 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머시험, 초음파속도시험(P파), 단위중량 및 흡수율 등을 실시하여 각 시험 관계식을 결정하였으며, 여수 부근의 암석은 일축압축 강도시험, 초음파속도시험(P파, S파) 등을 수행하여 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 추정 관계식을 결정하였다. 또한 통계분석을 실시하여 시험의 오차특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 18개의 안동 흑운모화강암과 27개의 여수 부근의 화강암, 안산암 및 섬록암이 본 연구를 위해 이용되었다. 흑운모화강암은 충분한 크기의 블록시편을 채취하여 실험실에서 실내 암석코아 시추기(NX 크기)를 이용하여 각 시험규정에 적합하게 암석 시편을 제작하였으며, 여수 부근에서 채취한 암석은 NX 코아 보링으로 지반조사를 수행하여 얻은 시료를 이용하여 실험을 수행하였다.
- 3인 암석 코어를 이용하였다. 본 연구에 사용된 슈미트해머는 타격에너지가 0.74N m인 L형이며, 타격점은 최소 약 6cm 이상 떨어지게 실험을 수행하였다. Cargill과 Shaker(1990)의 연구결과에 의하면 슈미트해머 반발치가 15～30인 나무 바닥, 30 이상인 타일 바닥 및 50 이상인 콘크리트 바닥에서 실험한 결과 시험 값에 특이한 차이는 없다고 보고되고 있다.
- 슈미트해머 실험은 길이와 직경비가 2～2.3인 암석 코어를 이용하였다. 본 연구에 사용된 슈미트해머는 타격에너지가 0.
- 암석의 일축압축강도 시험은 ISRM(1981)의 규정에 적합하게 암석시편을 제작하여 수행하였다. 암석 시편은 NX 코아(지름 약 54mm) 크기로 직경비가 2.5정도, 편평도는 0.02mm 이내, 수직도 0.001 radian이 되도록 제작하였다. 점하중시험은 Broch와 Franklin(1972)과 ISRM(1985)이 제안한 일정한 원주형 시편에 대한 방법으로 실험을 수행하였다.
- 초음파속도 측정 시험은 시험편을 초음파가 통과하는데 소요된 시간을 측정하여 압축파(P파, 종파)와 전단파(S파, 횡파)의 전파속도를 구하는 비파괴시험이며, 시험편은 일축압축강도, 에 사용된 시험편을 사용하였다. 초음파속도만을 측정할 때는 시험편의 길이는 5.
- 초음파속도를 이용하여 암석의 일축압축강도를 추정할 수 있는 관계식을 도출하기 위하여 총 27개의 여수부근에서 채취한 화강암, 안산암, 섬록암 및 유문암을 대상으로 일축압축강도시험과 초음파속도시험 결과를 인용하였다. 실험 결과는 표 7에 제시되어 있다.
데이터처리
- 이를 위해 18개의 안동흑운모화강암 대상으로 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머 시험, 초음파속도 측정시험을 실시하여 통계처리에 의한 초음파속도의 활용방안을 분석하였고, 여수 부근에서 채취한 총 27개의 화강암, 안산암, 섬록암 및 유문암을 대상으로 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 관계식을 구하였다. 각 시험의 상관계수와 결과의 변화를 결정하기 위해 통계분석을 토대로 분석하였다.
- 4 이상이며, 가압하는 점은 시료의 길이 중앙부분으로서 지름과 같은 방향으로 가압하여 실험을 수행하였다. 결과는 10개 시편을 대상으로 점하중시험을 수행하여 평균값으로 정리하였다.
- 여기서는 Cargill 등(1990)의 연구결과에 의해 점하중지수를 이용한 일축압축강도 추정 관계식에는 단위중량을 고려하지 않았으나, 슈미트해머반발치와 P파를 이용한 일축압축강도 추정 관계식을 유도하기 위해서는 단위중량을 고려하여 다양한 회귀분석을 실시하였다. 또한 기존의 연구결과(표 1에서 표 3 참조) 형태의 관계식을 참조하여 회귀분석을 실시하였다. 표 4, 표 5 및 표 6에서 일축압축강도와 점하중지수의 단위는 kg / cm2이고, 초음파속도(P파)의 단위는 km / sec이다.
- 흑운모화강암을 대상으로는 일축압축강도시험, 점하중시험, 슈미트해머시험, 초음파속도시험(P파), 단위중량 및 흡수율 등을 실시하여 각 시험 관계식을 결정하였으며, 여수 부근의 암석은 일축압축 강도시험, 초음파속도시험(P파, S파) 등을 수행하여 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 추정 관계식을 결정하였다. 또한 통계분석을 실시하여 시험의 오차특성을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 슈미트해머 시험을 위해 제작된 시편 홀더를 이용하여 실험을 수행하였으므로 바닥에 대한 영향은 없는 것으로 판단하였다. 슈미트해머 반발치는 총 10회를 실험하여 평균값으로 결정하였다.
- 이상의 실험 결과를 이용하여 암석의 일축압축 강도와 초음파속도 관계식을 구하기 위하여 기존의 연구 결과(표 3 참조)의 형태로 통계분석을 수행하였다. 그 결과는 표 8과 표 9에 제시되어 있다.
이론/모형
- P파의 경우 멱제곱 비선형 관계식의 결정계수가 가장 크게 나타나고 있으며, S파의 경우 측정값 제곱값과 관련된 선형 관계식의 결정계수가 크게 나타나고 있다. 그러나 멱제곱 비선형 관계식의 결정계수와 큰 차이가 발생하지 않고, 흑운모화강암의 경우(표 6 참조)도 멱제곱 비선형 관계식의 결정계수가 가장 크게 나타나 본 연구에서는 P파의 경우와 같이 S파에 의한 일축압축강도 추정 관계식을 멱제곱 비선형관계식을 이용하였다. 그림 4와 그림 5에 통계분석을 실시한 관계식을 제시하였다.
- 001 radian이 되도록 제작하였다. 점하중시험은 Broch와 Franklin(1972)과 ISRM(1985)이 제안한 일정한 원주형 시편에 대한 방법으로 실험을 수행하였다. 시편의 길이와 지름의 비가 1.
- 또한 각각의 실험 결과를 정리하여 일축압축강도와의 관계를 위한 회귀선을 구하였다. 회귀선 방정식을 이용하여 다른 경험적 시험결과로부터 일축압축강도를 예측하는데 이용되었다.
성능/효과
- (1) 흑운모화강암을 대상으로 점하중시험, 슈미트해머시험 및 초음파속도시험을 수행하여 통계분석을 실시한 결과 초음파속도를 이용한 방법도 암석의 일축압축강도 추정에 신뢰성 있은 결과를 제공하고 있다.
- (2) 여수부근의 화성암에서 실험값의 변동계수에 의하면 일축압축강도보다 초음파속도시험이 더 일정한 실험 결과를 얻을 수 있으며, 일축압축강도와 초음파속도 관계는 멱제곱형 비선형관계식이 높은 상관성을 나타내고 있다.
- (3) 초음파속도를 이용하여 일축압축강도를 추정하는 방법은 높은 일축압축강도보다는 낮은 일축압축강도의 암석에서 더 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다.
- (4) 또한 초음파속도에 의한 일축압축강도 추정에 있어 낮은 일축압축강도의 암석에서는 암석의 성인에 의한 영향이 적게 나타남을 확인하였다.
- 범위로 측정되었으며, 대부분 ISRM 일축압축강도 기준으로 경암 이상의 강도를 나타내고 있다. P파의 속도는 1,065～5,783m / sec, S파 속도는 760～3,065m / sec범위로 측정되고 있으며, 실험 결과 일축압축강도, P파 및 S파의 변동계수가 각각 8.36%, 2.59% 및 1.78%로 나타나고 있다. 각각의 측정값 변동계수 평균에 의하면 일축압축강도시험보다 초음파속도시험이 좀 더 일정한 결과를 얻을 수 있어 신뢰성 있은 실험결과를 제시할 수 있음 확인할 수 있었다.
- 78%로 나타나고 있다. 각각의 측정값 변동계수 평균에 의하면 일축압축강도시험보다 초음파속도시험이 좀 더 일정한 결과를 얻을 수 있어 신뢰성 있은 실험결과를 제시할 수 있음 확인할 수 있었다.
- 그림 3에는 각각의 시험방법에 의한 결정계수가 가장 높은 관계식을 이용하여 암석의 일축압축강도와 추정 관계식을 이용한 결과를 비교하였다. 그 결과 슈미트해머시험이 암석의 일축압축강도 측정 값에 가장 근접한 추정 결과를 얻을 수 있었으며, 초음파속도를 이용하여도 점하중시험과 같이 일축압축강도 추정에 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있음을 제시하고 있다. 따라서 초음파속도시험을 이용하여 암석의 일축압축강도를 추정하는 방법은 현재 이용 빈도가 높은 점하중시험과 슈미트해머시험을 이용하는 방법과 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- Cargill과 Shaker(1990)의 연구결과에 의하면 슈미트해머 반발치가 15～30인 나무 바닥, 30 이상인 타일 바닥 및 50 이상인 콘크리트 바닥에서 실험한 결과 시험 값에 특이한 차이는 없다고 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 슈미트해머 시험을 위해 제작된 시편 홀더를 이용하여 실험을 수행하였으므로 바닥에 대한 영향은 없는 것으로 판단하였다. 슈미트해머 반발치는 총 10회를 실험하여 평균값으로 결정하였다.
- 이러한 결과는 Cargill(1990)과 Kahraman 등(2002) 등의 연구 결과와도 일치하고 있다. 따라서 초음파속도를 이용하여 암석의 일축압축강도를 추정하는 방법은 높은 강도의 암석보다 낮은 강도에서 더 정확한 값을 얻을 수 있다고 판단된다. 또한 표 4에서 표 6을 보면 P파보다 S파가 시험값의 분산도 적어 일정한 측정값을 얻을 수 있고, 관계식의 결정계수도 커서 더 많은 상관성이 있다고 판단된다.
- 그 결과 슈미트해머시험이 암석의 일축압축강도 측정 값에 가장 근접한 추정 결과를 얻을 수 있었으며, 초음파속도를 이용하여도 점하중시험과 같이 일축압축강도 추정에 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있음을 제시하고 있다. 따라서 초음파속도시험을 이용하여 암석의 일축압축강도를 추정하는 방법은 현재 이용 빈도가 높은 점하중시험과 슈미트해머시험을 이용하는 방법과 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 이러한 결과는 Cargill 등(1990)의 점하중시험은 넓은 강도 범위에서 신뢰성 있는 일축압축강도를 추정할 수 있고, 슈미트해머시험은 낮은 강도에서부터 중간정도의 강도 범위에서 일축압축강도를 추정할 수 있다는 연구결과와 비교하면 초음파속도의 활용도를 평가할 수 있다고 판단된다.
- 그리고 높은 초음파속도보다 낮은 초음파속도에서 추정한 일축압축강도 값의 편차가 적게 나타나고 있다. 따라서 초음파속도에 의한 암석의 일축압축강도 추정에 있어 낮은 일축압축강도를 갖는 암석에는 암석성인에 의한 영향이 비교적 적게 나타남을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 그림 4와 그림 5에 통계분석을 실시한 관계식을 제시하였다. 미소하지만 S파의 결정계수가 더 크게 나타나 암석의 일축압축강도 추정에 있어 S파가 더 정확한 값을 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 좀 더 다양한 암석을 대상으로 보완실험을 수행하고 많은 실험 자료를 이용하면 초음파속도를 이용한 암석의 일축압축강도 추정에 신뢰성 있는 결과를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
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