본 연구에서는 거칠기와 수직응력이 절리면의 전단거동에 미치는 영향을 검토하기 위하여 30개의 자연암반 절리 시료를 대상으로 실험을 실시하였다. 3차원 레이저 거칠기 측정장치를 이용하여 절리면의 거칠기 정보를 측정하였으며, 시료들의 거칠기에 따라 10개씩 세 가지 그룹으로 분류하였다. 다음으로 수직응력을 다섯 단계로 변화시켜가며 전단실험을 실시함으로써 최대전단강도, 잔류전단강도, 전단강성, 팽창특성 등을 조사하였다. 절리면의 거칠기가 증가함에 따라 최대전단강도는 증가하였으며, 거칠기가 최대전단강도에 미치는 영향은 수직응력이 작은 경우에 더욱 크게 나타났다. 또한 절리면의 거칠기가 증가할수록 잔류전단강도도 점차 증가하였다. 전단강성은 거칠기 및 수직응력이 커짐에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 팽창각은 수직응력이 증가할수록 감소하였고, 동일한 수직응력하에서는 절리면의 거칠기가 커질수록 증가하였다.
본 연구에서는 거칠기와 수직응력이 절리면의 전단거동에 미치는 영향을 검토하기 위하여 30개의 자연암반 절리 시료를 대상으로 실험을 실시하였다. 3차원 레이저 거칠기 측정장치를 이용하여 절리면의 거칠기 정보를 측정하였으며, 시료들의 거칠기에 따라 10개씩 세 가지 그룹으로 분류하였다. 다음으로 수직응력을 다섯 단계로 변화시켜가며 전단실험을 실시함으로써 최대전단강도, 잔류전단강도, 전단강성, 팽창특성 등을 조사하였다. 절리면의 거칠기가 증가함에 따라 최대전단강도는 증가하였으며, 거칠기가 최대전단강도에 미치는 영향은 수직응력이 작은 경우에 더욱 크게 나타났다. 또한 절리면의 거칠기가 증가할수록 잔류전단강도도 점차 증가하였다. 전단강성은 거칠기 및 수직응력이 커짐에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 팽창각은 수직응력이 증가할수록 감소하였고, 동일한 수직응력하에서는 절리면의 거칠기가 커질수록 증가하였다.
In this study, direct shear tests were carried out on the 30 rock joint samples in order to investigate the influence of roughness and normal stress on the shear behaviour. Joint roughness profiles were measured by use of 3D laser profiler, and then the samples were equally classified into three ind...
In this study, direct shear tests were carried out on the 30 rock joint samples in order to investigate the influence of roughness and normal stress on the shear behaviour. Joint roughness profiles were measured by use of 3D laser profiler, and then the samples were equally classified into three individual groups according to the roughness index of rock joints. Peak shear strength, residual shear strength, shear stiffness, dilation angle of rock joints were investigated in condition of five different constant normal load. Peak shear strength was increased as roughness index was increased, and the influence of roughness on strength was found to be more considerable in case of lower normal stress condition. Residual shear strength and shear stiffness were increased as roughness index and normal stress were increased. Finally dilation angle was decreased as normal stress was increased, but it was increased as roughness index was increased in the same normal stress condition.
In this study, direct shear tests were carried out on the 30 rock joint samples in order to investigate the influence of roughness and normal stress on the shear behaviour. Joint roughness profiles were measured by use of 3D laser profiler, and then the samples were equally classified into three individual groups according to the roughness index of rock joints. Peak shear strength, residual shear strength, shear stiffness, dilation angle of rock joints were investigated in condition of five different constant normal load. Peak shear strength was increased as roughness index was increased, and the influence of roughness on strength was found to be more considerable in case of lower normal stress condition. Residual shear strength and shear stiffness were increased as roughness index and normal stress were increased. Finally dilation angle was decreased as normal stress was increased, but it was increased as roughness index was increased in the same normal stress condition.
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문제 정의
유지가 자유롭게 실시된다. 본 실험에는 이 UTM을 이용하여 전단시험을 하는 동안 절리 시험편에 가해지는 수직응력을 일정하게 유지하도록 하였다.
본 연구에서는 절리면의 거칠기 파라미터들을 정량적으로 표현하고, 거칠기 파라미터가 전단거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 30개의 자연 절리 시료를 대상으로 3차원 레이저 거칠기 측정장치를 이용하여 절리 시험편들의 거칠기 정보를 조사하였다.
본 연구에서는 절리면의 거칠기와 수직응력에 따른 절리 면의 전단거동 특성을 파악하기 위하여 절리 면의 거칠기 정도가 서로 다른 3가지 그룹별로 수직응력을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 MPa 등의 5단계로 변화시켜가면서 절리면 전단시험을 실시하였다.
본 연구에서는 절리면의 거칠기와 절리면에 가해지는 수직 응력이 암석의 전단거동에 미치는 영향을 검토하기 위하여 30개의 자연 암반 절리 시료를 대상으로 전단시험을 실시하였다. 이를 위해 3차원 레이저 거칠기 측정 장치를 이용하여 절리면의 거칠기 정보를 수치적으로 측정하고 이를 정량화 하였으며, 절리면 시료 각각의 거칠기 정보에 따라 상대적으로 거칠기가 작은 것 (NJ-L), 중간 것(NJ-M), 큰 것(NJ-H) 등으로 10개씩 3 개의 그룹으로 분류하였다.
0 MPa 등의 5단계로 나누어 절리면 전단실험을 실시하였다. 이와 같은 실험의 결과를 토대로 하여 수직응력과 절리면 거칠기의 변화가 절리 암석 시험편의 최대전단강도, 잔류전단강도 전단 강성, 팽창특성 등에 미치는 영향을 알아보았다.
제안 방법
이를 위해 3차원 레이저 거칠기 측정 장치를 이용하여 절리면의 거칠기 정보를 수치적으로 측정하고 이를 정량화 하였으며, 절리면 시료 각각의 거칠기 정보에 따라 상대적으로 거칠기가 작은 것 (NJ-L), 중간 것(NJ-M), 큰 것(NJ-H) 등으로 10개씩 3 개의 그룹으로 분류하였다. 그리고 3가지 그룹별로 수직 응력을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 MPa 등의 5단계로 나누어 절리면 전단실험을 실시하였다. 이와 같은 실험의 결과를 토대로 하여 수직응력과 절리면 거칠기의 변화가 절리 암석 시험편의 최대전단강도, 잔류전단강도 전단 강성, 팽창특성 등에 미치는 영향을 알아보았다.
대상 시료의 기본적인 물리적 특성을 파악하기 위하여 각종 실내 물성 시험을 실시하여 밀도 흡수율 일축압축강도 영률, 포아송비 등을 구하였다. Table 1은 암석 시료의 물성을 정리한 것으로 여기서 나타낸 값은 암석 시험편 5개의 실험 결과의 평균값이다.
본 연구에서 사용한 절리면 전단 시험장치는 만능재료시험기(UTM)의 프레임에 전단시험기를 설치하여 절리 시험편에 대한 전단시험을 실시할 수 있도록 제작한 것이다. Fig.
본 연구에서는 30개의 자연 암반 절리면 시료를 대상으로 3차원 레이저 거칠기 측정장치를 사용하여 각 시료의 절리면 거칠기 정보를 측정하여, 각각의 평균 거칢각(iave)과 절리면 1차 미분의 평방평균값^2)에 따라 거칠기가 작은 것(NJ-L), 중간 것(NJ-M), 큰 것(NJ-H) 등의 3가지 그룹으로 10개씩 분류하였다. NJ-H, NJ-M, NJ-L 그룹의 평균 거칢각은 순서대로 4.
본 연구에서는 Fig. 1과 같은 거칠기 측정장치를 사용하여 자연 암반 절리면 시험편의 거칠기를 측정하였다. 이때 레이저 변위계의 측정간격은 가로 1 mm, 세로 1 mm로 하였으며, 측정 자료들을 포트란 프로그램으로 입력하여 통계 처리하였다.
본 연구에서는 총 30개의 자연 암반 절리 시험편에 대해 일정수직하중(Constant Normal Load, CNL) 조건하에서 다음과 같은 방법으로 전단시험을 실시하였다.
0 MPa 등의 5단계로 변화시켜가면서 절리면 전단실험을 실시하였다. 실험을 통해 절리면의 거칠기와 수직 응력의 변화에 따른 최대전단강도, 잔류전단강도, 전단강성, 팽창각의 영향을 조사하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
여기서, 최대전단강도는 전단응력-전단변위 곡선에서 직접 구하였으며, 잔류전단강도는 전단응력-전단 변위 곡선에서 전단응력이 최대값을 지난 이후 전단 변위가 계속되는 동안에도 전단응력의 변화가 작은 구간의 평균값으로 하였다. 전단강성(shear stiffiiess)은 전단응력-전단 변위 곡선에서 최대전단응력의 50% 응력수준에서 비교적 선형인 구간을 선택하여 전단응력/전단 변위의 비로써 결정하였으며, 팽창각(dilation angle) 은 최대전단강도에 도달하기 전의 수직변위가 가장 작을 때와 전단강도가 최대치에 도달했을 때의 평균 기울기로 구하였다.
79º이며 JRC 환산값은 각각 10, 13, 16에 해당하였다. 이들 시료에 대해 수직응력을 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 MPa 등의 5단계로 변화시켜가면서 절리면 전단실험을 실시하였다. 실험을 통해 절리면의 거칠기와 수직 응력의 변화에 따른 최대전단강도, 잔류전단강도, 전단강성, 팽창각의 영향을 조사하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1과 같은 거칠기 측정장치를 사용하여 자연 암반 절리면 시험편의 거칠기를 측정하였다. 이때 레이저 변위계의 측정간격은 가로 1 mm, 세로 1 mm로 하였으며, 측정 자료들을 포트란 프로그램으로 입력하여 통계 처리하였다.
실시한다. 이때 수직하중은 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 MPa 등으로 5단계로 구분하였으며 전단하중을 가하는 동안 수직 하중은 일정하게 유지되도록 하였다.
실시하였다. 이를 위해 3차원 레이저 거칠기 측정 장치를 이용하여 절리면의 거칠기 정보를 수치적으로 측정하고 이를 정량화 하였으며, 절리면 시료 각각의 거칠기 정보에 따라 상대적으로 거칠기가 작은 것 (NJ-L), 중간 것(NJ-M), 큰 것(NJ-H) 등으로 10개씩 3 개의 그룹으로 분류하였다. 그리고 3가지 그룹별로 수직 응력을 0.
여기서, 최대전단강도는 전단응력-전단변위 곡선에서 직접 구하였으며, 잔류전단강도는 전단응력-전단 변위 곡선에서 전단응력이 최대값을 지난 이후 전단 변위가 계속되는 동안에도 전단응력의 변화가 작은 구간의 평균값으로 하였다. 전단강성(shear stiffiiess)은 전단응력-전단 변위 곡선에서 최대전단응력의 50% 응력수준에서 비교적 선형인 구간을 선택하여 전단응력/전단 변위의 비로써 결정하였으며, 팽창각(dilation angle) 은 최대전단강도에 도달하기 전의 수직변위가 가장 작을 때와 전단강도가 최대치에 도달했을 때의 평균 기울기로 구하였다.
전단시험을 실시할 때 시험편에 수직응력을 일정하게 유지하는 데에는 UTM을 사용한 반면에, 전단 하중을 가하기 위해서는 전단하중용 펌프를 별도로 제작하여 사용하였다. 이 전단펌프는 전단하중을 가하는 가압장치와 전단변위 속도와 범위를 조절하는 제어장치로 구성되는데, 이는 전단변위를 분당 0.
여기서 NJ는 자연절리(Natural Joint)를 의미하며, L, M, H 등은 절리면의 상대적인 거칠기 정도를 표현한 것이다. 즉 본 연구에서는 총 30개의 절리면 형상을 분석한 후에 각 절리면의 평균 거칢각(iave)과 절리면 1차 미분의 평방평균값(4)을 토대로 L(low), M(medium), H(high) 등의 3 가지 그룹으로 10 개씩 구분하였으며, 시료의 그룹 명칭을 NJ-L, NJ-M, NJ-H로 표시하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용한 시료는 경상남도 김해 지역 일대에서 채취한 평균 직경 52 mm인 코어 형태의 유문석 영질 안산암이다. 대상 시료의 기본적인 물리적 특성을 파악하기 위하여 각종 실내 물성 시험을 실시하여 밀도 흡수율 일축압축강도 영률, 포아송비 등을 구하였다.
1 mm/min의 일정한 속도가 되도록 변위제어를 하였으며, 시험편마다 총 15 mm의 전단변위를 발생시켰다. 시험중 실시간으로 수직하중, 전단흐}중, 수직변위, 전단변위 등의 자료를 초당 5개의 속도로 획득하였다.
상.하부 전단상자를 분리시켜 전단 상자만을 꺼냄으로써 한 시험편에 대한 시험을 완료하였으며, 이와 같은 방법으로 총 30개 시험편에 대한 시험을 진행하였다.
한편, 전단시험이 진행되는 동안 발생하는 수직하중, 전단하중, 수직변위, 전단변위 등의 자료는 2개의 로드 셀과 2개의 LVDT를 이용하여 자료획득장치로 수집하였다. 또한 UTM의 가압판과 상부 전단상자 사이에는 직선운동 볼베어링을 설치하였는데, 이는 수직 하중이 가해지는 동안에도 전단변위가 자유롭게 발생할 수 있도록 하는 장치이다.
해석한 파라미터는 절리면의 평균 기울기 SLave와 절리 면의 평균 거칢각 W, 절리면 1차 미분의 평방 평균값 Z2와 거칢각의 평방평균값 &, 절리면 높이에 대한 표준편차 SDH, 거칠기 형상지수 R, 절리면 기울기의 표준편차 SDSL와 절리 거칢각의 표준편차 SR 등 7가지 종류이다.
성능/효과
1) 전단시험에서 절리면의 전단변형이 증가함에 따라 전단응력은 최대치에 도달하여 뚜렷한 최대전단 강도를 보였으며 그 이후에는 거의 일정한 수준의 잔류 전단 강도를 나타내 었다.
2) NJ-L 그룹으로부터 NJ-H 그룹쪽으로 절리면의 거칠기가 증가함에 따라 최대전단강도는 증가하였으며, 절리면의 거칠기가 최대전단강도에 미치는 영향은 수직응력이 작은 경우에 더욱 크게 나타났다.
3) 절리면의 거칠기가 증가할수록 잔류전단강도도 최대전단 강도와 마찬가지로 점차적으로 증가하였 으며, 따라서 본 실험과 같이 비교적 작은 수직 응력 수준에서는 절리면의 거칠기가 최대전단강도 뿐만 아니라 잔류전단강도에도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
4) 전단강성은 절리면의 거칠기 및 수직응력이 커짐에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 팽창각은 수직 응력이 증가할수록 감소하였고 동일한 수직 응력하에서는 절리면의 거칠기가 커질수록 증가하였다.
5) 상부전단상자 위에 수직하중 측정용 로드셀과 구면 좌를 올려놓고 직선운동 볼베어링과 로드셀, 구면 좌, 암석 시험편의 하중 중심을 일치시킨다.
79° NJ-H 그룹쪽으로 절리면의 거칠기가 증가함에 따라 최대전단 강도는 증가하였다. 또한, 수직응력이 0.2 MPa 일 경우 NJ-L 그룹에서 NJ-H 그룹으로 갈수록 최대전단 강도는 0.35 MPa에서 0.56 MPa로 60% 증가하였으나, 1.0 MPa일 경우는 1.18 MPa에서 1.33 MPa로 13% 증가하였다. 따라서 절리면의 거칠기가 최대 전단 강도에 미치는 영향은 수직응력이 작은 경우에 더욱 크게 나타남을 알 수 있었다.
9는 3가지 거 칠기 그룹에서 수직응력에 대한 팽창 각의 변화를 나타낸 것이고 Table 7은 평균값을 정리한 것이다. 수직응력이 0.2 MPa에서 1.0 MPa로 증가함에 따라 NJ-L 그룹의 팽창각은 26.1º에서 12.6º로 감소하였고, NJ-M 그룹은 27.4º에서 15.9°, NJ-H 그룹은 32.9º에서 21.7º로 감소하였다. 또한, Fig.
8은 3가지 거칠기 그룹에서 수직응력에 대한 전단 강성의 변화를 나타낸 것이고 Table 6은 평균값을 정리한 것이다. 표에서 수직응력이 0.2 MPa에서 1.0 MPa로 증가함에 따라 NJ-L 그룹의 전단강성은 1.63 GPa/m에서 8.79 GPa/m으로 증가하였고, NJ-M 그룹은 2.84 GPa/m에서 10.28 GPa/m, NJ-H 그룹은 3.67 GPa/m에서 14.7 GPa/m로 증가하였다. 또한, Fig.
후속연구
5) 절리면의 전단강도 특성은 절리면의 거칠기와 수직 응력 이외에도 절리면의 강도와 충전물에 큰 영향을 받기 때문에 이에 관한 추가적인 연구가 필요하다.
참고문헌 (8)
Barton N.R., 1976, The shear strength of rock and rock joint, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., 12, 255-279
Bandis. S.C., Lumsden A.C. and Barton N.R., 1981, Experimental Studies of Scal Effects on the Shear Behaviour of Rock Joints, lnt. J. Rock Mech. Min. Sci.& Geomech. Abstr., 18, 1-21
Leichnitz W., 1985, Mechanical properties of rock joints, lnt. J. Rock Mech. Min. Sci.& Geomech. Abstr. 22, 313-321
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