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문제 정의
- 있다. 본 보고에서는 취성파괴가 발생한 상태에서의 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도와의 관계를 알아보고자 하였다. 파괴범위와 파괴심도를 측정하기 위해서 진삼축 압축응력조건에서 수행된 모형실험체를 의학용 Xray 컴퓨터단층촬영장치를 이용하여 분석하였다.
- 취성파괴의 발생은 암반구조물의 안정성을 저해시키기 때문에, 취성파괴의 발생여부뿐 아니라 파괴범위나 심도와 같은 파괴정도를 파악하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 응력조건에 따른 취성파괴범위와 파괴심도의 관계를 알아보았다. 이를 위하여 암석을 모사할 수 있는 시멘트 모르타르를 이용하여 진삼축 모형실험을 수행하였으며, 취성파괴가 발생한 시료에 대해 육안관찰과 컴퓨터단층촬영을 수행하였다.
제안 방법
- 메인 프레임은 500 ton의 압축용량을 가지고 있으며, 일련의 실험은 DDC-4000 컨트롤러와 상호연결된 UTP-4 프로그램을 이용하여 수행된다.
- 4 mm이며 센서의 공진주파수는 150 kHz이며, 주파수대역은 100 kHz~1,000 kHz이다. 모형실험동안 발생된 미소파괴음의 타격음 누적곡선과 음원발생량과 육안관찰 등을 토대로 하여 취성파괴의 발생여부를 판단하였다.
- 모형실험동안 발생한 응력, 변위 등의 자료는 자료획득용 시스템을 이용하여 계측하였으며, 미소파괴음(acoustic emission)은 미국 Physical Acoustic Corporation (PAC)사의 PCI/Disp 시스템을 이용하여 측정하였다. 사용된 미소파괴음 센서는 (주)하기소닉에서 제작한 AE-SC 모델로 지름과 두께는 각각 3.
- 모형실험에서 터널 축에 수직한 연직재하응력, Sv의 제어는 Interlaken의 메인 프레임을 이용하여 하중제어방식으로 수행되었다. 터널 축에 평행한 수평재하응력, Shle 유압으로 재하되며 역시 Interlaken사에서 제공되는 구속압 장치를 이용하여 압력제어방식으로 수행되었다.
- 본 연구의 목적인 응력조건에 따른 취성파괴의 특성을 파악하기 위하여 진삼축 응력조건(true triaxial stress condition) 이 가능한 진삼축 압축챔버를 사용하였다(Cheon 외, 2006). 진삼축 압축챔버는 최대 290 mm×290 mm×290 mm의 모형실험체에 대한 실험이 가능하도록 제작되었다(Fig.
- 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도를 파악하기 위하여 컴퓨터단층촬영(computed tomography, CT)을 수행하였다. 사용된 장치는 을지대학병원 영상의학센터의 의료용 X-ray 컴퓨터단층촬영장치로서, 독일 SIMENS사의 SOMATOM Sensation 16 모델이며 체적스캔(spiral CT scan)이 가능하다(Fig.
- 이에 본 연구에서는 응력조건에 따른 취성파괴범위와 파괴심도의 관계를 알아보았다. 이를 위하여 암석을 모사할 수 있는 시멘트 모르타르를 이용하여 진삼축 모형실험을 수행하였으며, 취성파괴가 발생한 시료에 대해 육안관찰과 컴퓨터단층촬영을 수행하였다. 이상의 연구에서 얻어진 주요한 결과들은 다음과 같다.
- 일반적으로 높은 Kv일수록 대상체의 선명도가 높아지며, 높은 투과량을 사용할 경우 노이즈를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 촬영된 영상은 DICOM 프로그램에 의해 3차원으로 재구성되어, 3차원 영상과 원하는 섹션의 단면이 추출될 수 있도록 하였다.
- 12 (b)의 df를 파괴심도로 결정하였다. 측정된 파괴범위와 파괴심도는 막장면으로부터 이격된 거리(r)를 공경(D)으로 나눈 값에 대해 도시하였다.
- 컴퓨터단층영상을 이용하여 파괴 범위(extent of failure, θ)와 파괴심도(depth of failure, df)를 측정하였다. 측정간격은 터널의 막장으로부터 축방향으로 5 mm 간격으로 측정되었다.
- 모형실험에서 터널 축에 수직한 연직재하응력, Sv의 제어는 Interlaken의 메인 프레임을 이용하여 하중제어방식으로 수행되었다. 터널 축에 평행한 수평재하응력, Shle 유압으로 재하되며 역시 Interlaken사에서 제공되는 구속압 장치를 이용하여 압력제어방식으로 수행되었다. 터널 축에 수직한 수평재하응력 SH2는 SBEL사의 유압장치를 이용하여 구현되었다.
- 12는 본 연구에서 사용된 파괴범위와 파괴심도의 결정방법을 보여준다. 파괴범위는 육안관찰로부터 버니어캘리퍼스를 이용한 측정이 병행되었으며, 공벽에서 파괴가 발생된 전체범위를 파괴범위로 결정하였다. 즉, Fig.
- 본 보고에서는 취성파괴가 발생한 상태에서의 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도와의 관계를 알아보고자 하였다. 파괴범위와 파괴심도를 측정하기 위해서 진삼축 압축응력조건에서 수행된 모형실험체를 의학용 Xray 컴퓨터단층촬영장치를 이용하여 분석하였다. 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도를 정량적으로 예측할 수 있다면, 암반구조물의 설계 시공시 발생할 수 있는 갑작스러운 취성파괴의 발생정도와 파괴범위의 예측이 가능하고 이로부터 적절한 보강이 수행될 수 있기 때문에 취성파괴가 발생할 수 있는 영역에서 암반구조물의 안정성 확보가 가능할 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 이용하여 제작하였다. 배합은 시멘트 : 표준사 : 물의 무게비가 각각 3 : 6 : 2의 비율로 이루어졌으며, 상온에서 28일 이상의 양생기간을 갖는 시료를 모형실험체로 사용하였다. 실험에 사용된 모형실험체는 290 mm의 규격을 갖는 정육면체로 제작하였으며, 터널을 모사한 내부의 원형공동은 직경 60 mm, 길이 150 mm의 크기를 가지며, 중앙부에 위치한다.
- 사용된 미소파괴음 센서는 (주)하기소닉에서 제작한 AE-SC 모델로 지름과 두께는 각각 3.6 mm, 2.4 mm이며 센서의 공진주파수는 150 kHz이며, 주파수대역은 100 kHz~1,000 kHz이다. 모형실험동안 발생된 미소파괴음의 타격음 누적곡선과 음원발생량과 육안관찰 등을 토대로 하여 취성파괴의 발생여부를 판단하였다.
- 수행하였다. 사용된 장치는 을지대학병원 영상의학센터의 의료용 X-ray 컴퓨터단층촬영장치로서, 독일 SIMENS사의 SOMATOM Sensation 16 모델이며 체적스캔(spiral CT scan)이 가능하다(Fig.2).
- 배합은 시멘트 : 표준사 : 물의 무게비가 각각 3 : 6 : 2의 비율로 이루어졌으며, 상온에서 28일 이상의 양생기간을 갖는 시료를 모형실험체로 사용하였다. 실험에 사용된 모형실험체는 290 mm의 규격을 갖는 정육면체로 제작하였으며, 터널을 모사한 내부의 원형공동은 직경 60 mm, 길이 150 mm의 크기를 가지며, 중앙부에 위치한다. 모형실험에서 수행된 시료의 물리적, 역학적 특성은 Table 1과 같다.
- 실험에 사용된 재하장치는 미국 Interlaken사에서 제작된 시스템으로 메인 프레임, 구속압 장치, DDC-4000 컨트롤러, UTP-4 프로그램 등으로 구성되어 있다. 메인 프레임은 500 ton의 압축용량을 가지고 있으며, 일련의 실험은 DDC-4000 컨트롤러와 상호연결된 UTP-4 프로그램을 이용하여 수행된다.
- 응력조건에 따른 취성파괴의 범위와 심도를 파악하는 것이 연구의 주된 목적으로서 임석과 가까운 취성(brittleness)을 갖는 시멘트 모르타르를 실험재료로 설정하였다. 취성의 정도를 나타내는 취성지수(britteness index)는 연구자들에 따라 각기 다른 여러 방법을 제안하고 있으며, 이중에서 일축압축강도 대 인장강도의 비로 표현되는 취성지수가 암반공학분야에서 가장 널리 사용되고 있다.
- 제작된 모형실험체는 균질성을 위해 골재를 사용하지 않고 고강도의 초조강시멘트와 주문진 표준사, 그리고 물을 이용하여 제작하였다. 배합은 시멘트 : 표준사 : 물의 무게비가 각각 3 : 6 : 2의 비율로 이루어졌으며, 상온에서 28일 이상의 양생기간을 갖는 시료를 모형실험체로 사용하였다.
- 2006). 진삼축 압축챔버는 최대 290 mm×290 mm×290 mm의 모형실험체에 대한 실험이 가능하도록 제작되었다(Fig. 1). 진삼축 응력조건의 구현은 Mogi(1971)가 사용했던 방식을 채택하여 두 방향의 응력은 실린더에 의해 재하되며, 나머지 한 방향은 챔버 내의 유체를 이용하여 모형실험체에 직접 재하된다.
이론/모형
- 진삼축 모형실험은 Interlaken 시험기에 의해 수행되었다. 모형실험에서 터널 축에 수직한 연직재하응력, Sv의 제어는 Interlaken의 메인 프레임을 이용하여 하중제어방식으로 수행되었다.
- 1). 진삼축 응력조건의 구현은 Mogi(1971)가 사용했던 방식을 채택하여 두 방향의 응력은 실린더에 의해 재하되며, 나머지 한 방향은 챔버 내의 유체를 이용하여 모형실험체에 직접 재하된다.
성능/효과
- 1) 암석모사시료인 시멘트 모르타르에 대한 모형실험결과, 재하된 최대응력과 평행한 공벽에서 취성파괴의 한 형태인 조각조각 부서지는 스폴링 현상이 발생하였으며, V-형태의 모습을 보였다.
- 2) 막장 주변에서는 3차원 아치효과에 의해 손상이 거의 발생하지 않았으며, 막장으로부터 거리가 증가함에 따라 파괴영역은 넓어지고 깊어지는 경향을 보였다.
- 3) 컴퓨터단층촬영으로부터 공벽에 발생한 V-형태의 스폴링 현상을 명확히 검출할 수 있었으며, 손상영역과 파괴영역을 흑화도에 의해 구분할 수 있었다.
- 4) 모형실험에서 관찰된 취성파괴의 평균범위는 28°에서 42°사이에서 발생하는 것으로 나타났으며, 최대 55°까지 관찰되었다. 파괴심도의 경우 터널반경의 1.
- 5) 파괴수준이나 파괴개시시점과 달리 파괴범위와 파괴심도에 대한 터널 축에 평행한 응력의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 파괴심도의 경우 터널단면에 작용하는 축차응력과 선형적으로 비례하는 경향을 보였으나, 파괴범위의 경우 응력조건에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 16에서 축차응력이 증가할수록 발생된 파괴심도는 점차 증가하는 경향을 보인다. 그러나 모든 SH1에서 일정한 축차응력 이상에서는 파괴심도가 더 이상 증가하지 않고 일정한 값을 유지하는 것으로 나타났으며, 축차응력을 더 증가시키는 경우 모형실험체 자체에서 파괴가 발생하였다. 이러한 현상은 취성파괴의 심도가 점차적으로 증가하다가 안정한 형태를 이룬후 더 이상 파괴심도가 진전되지 않는다는 현장 연구결과(Martin 외, 1997; Hajiabdolmajid, 2001)와 부합하는 것이다.
- 컴퓨터단층영상에 의해 관찰된 평균적인 파괴범위는 28°~42°에서 발생하는 것으로 나타났으며, 최대 55°까지 관찰되었다. 파괴심도의 경우 터널반경의 1.
- 터널을 모사한 원형공동은 모형실험체 중간까지 천공되어 있으며, 실험결과에서 막장 주변에서는 3차원 아치효과에 의해 손상이 적게 발생하는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 9의 A). 막장으로부터 거 리가 증가함에 따라 파괴영역은 넓어지고 깊어지는 경향을 보였고 막장 전방에는 또 다른 형태의 파괴가 발생한 것을 관찰할 수 있었다(Fig.
- 없는 것으로 나타났다. 파괴심도의 경우 터널단면에 작용하는 축차응력과 선형적으로 비례하는 경향을 보였으나, 파괴범위의 경우 응력조건에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
- 파괴범위와 파괴심도를 측정하기 위해서 진삼축 압축응력조건에서 수행된 모형실험체를 의학용 Xray 컴퓨터단층촬영장치를 이용하여 분석하였다. 응력조건에 따른 파괴범위와 파괴심도를 정량적으로 예측할 수 있다면, 암반구조물의 설계 시공시 발생할 수 있는 갑작스러운 취성파괴의 발생정도와 파괴범위의 예측이 가능하고 이로부터 적절한 보강이 수행될 수 있기 때문에 취성파괴가 발생할 수 있는 영역에서 암반구조물의 안정성 확보가 가능할 것으로 판단된다.
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