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문제 정의
- 구속링 내벽과 가압피스톤에 그리스를 얇게 발라 변형 중 시편과 구속링 사이의 마찰의 효과를 최소화하였다. 모든 시험은 상온 건조 상태의 이 암에 대해 수행하였다.
- 본 연구는 선행 연구의 연장선상에서 미고결 암석의 시간 의존적 변형에 대한 점토함량의 효과를 실험적으로 규명하는데 목적이 있다. 이러한 목적을 위하여 단일지역에서 얻은 점토함량이 다른 미고결 이암에 대해 압밀시험을 수행하였으며, 실험 결과에 간단한 power-law모델을 적용하여 미고결 이암의 변형특성을 분석하였다.
- 선행연구에서 power-law 모델은 시간 함수로서 크리프 변형의 현상학적인 기술을 하는데 상당히 효율적으로 이용되어 왔다. 본 연구에서는 기존의 power-law 모델을 우리의 실험 자료에 적용하여 모델 인자가 갖는 의미와 크리프의 성격에 대해 이해하고자 한다.
- 본 연구에서는 점토함량에 따른 미고결 이암의 시간 의존적 변형성을 비교하기 위해 같은 지역에서 추출한점토함량이 다른 네 종류의 미고결 이암 시편에 대한 압밀 시험을 통해서 시간 의존적 변형을 측정하였다. 또한 시간 의존적 변형 모델의 하나인 power-law 모델을적용하여 그 특성을 알아보았다.
제안 방법
- 모든 시료는 상온 건조 상태로 보관되어왔다. 각각의 시편에 대해 XRD 정량분석을 통한 점토함량 측정이 이루어졌다. 또한 비중(G)과 건조단위 중량(Gs) 등 기본 물성을 측정하였으며 그 결과를 통해 초기 공극률(#)을
- 7 MPa). 또한 응력 경로 중에 몇 차례 감압을 하여감압상태에서의 변형 양상을 관찰하였다.
- 압밀시험기의 팔은 힘점과 받침점 사이의 길이가 500 mm, 힘점과 작용점 사이의 길이가 50 mm이기 때문에 추에 의해 발생한 하중은 10배 증폭되어 시편에 전달된다. 성형된 암석시편의 크기에 맞도록압밀상자에 추가로 24.5 mm 내경의 구속링(confiningring)을 장착하여 그 내부에 암석시편을 넣고 가압피스톤을 통하여 연직방향으로 응력을 가하였다. 측방 변형은 구속링에 의해 제한되므로 변형은 축 방향으로만 발생하고 이 때 발생한 변위는 가압판에 고정된 LVDT를통해 측정하였다.
- 심도에 따라 점토함량^ 다른 네 종류의 이암에 대해압밀시험을 수행하였다. 초기 코어 직경은 약 100mi"만 보관과정에서 축 방향 절반으로 분할되어 한국표준협회(2002)에서 제안하는 압밀시험(KS F 2316)용 원주형시편의 크기인 직경 60mm, 높이 20mm를 만족하는 시편을 제작할 수가 없었다.
- 압밀시험은 응력을 여러 단계로 증가시키며 각 단계마다 응력을 일정하게 유지시킨 상태에서 24시간 동안의 크리프 변형 측정 과정으로 이루어졌다. 각 단계마다웅력 증가분은 1.
- 압밀시험을 위해 일정 하중을 장기간 가할 수 있도록고안된 압밀시험 장비를 이용하였다(Fig. 1). 모든 하중은 추에 의해 즉각적으로 증가 또는 감소하며 추에 의해 발생한 하중은 지렛대 원리에 의해 압밀상자 내의 시편에 전달된다.
- 5에 보인 바와 같다. 이 압밀시험에서는 응력 스텝의 증가량을 달리하며 압밀변형을 측정하였다(즉, 0.97, 1.93, 3.8, 7.7 MPa). 또한 응력 경로 중에 몇 차례 감압을 하여감압상태에서의 변형 양상을 관찰하였다.
- 규명하는데 목적이 있다. 이러한 목적을 위하여 단일지역에서 얻은 점토함량이 다른 미고결 이암에 대해 압밀시험을 수행하였으며, 실험 결과에 간단한 power-law모델을 적용하여 미고결 이암의 변형특성을 분석하였다.
- 이암의 변형특성을 좀 더 조사하기 위하여 또 다른 압밀 시험을 수행하였다. 이 시험 결과는 Fig.
- 5 mm 내경의 구속링(confiningring)을 장착하여 그 내부에 암석시편을 넣고 가압피스톤을 통하여 연직방향으로 응력을 가하였다. 측방 변형은 구속링에 의해 제한되므로 변형은 축 방향으로만 발생하고 이 때 발생한 변위는 가압판에 고정된 LVDT를통해 측정하였다. 구속링 내벽과 가압피스톤에 그리스를 얇게 발라 변형 중 시편과 구속링 사이의 마찰의 효과를 최소화하였다.
- 크리프 변형에 대한 점토함량의 효과를 좀 더 명확히 알아보기 위해 측정된 변형률을 즉각적인 변형과 24시간 동안의 시간 의존적 변형으로 구분하여 각 크기를 각 응력의 함수로 Fig. 3에 도시하였다. 각 응력 단계에서 발생한 크리프 변형의 크기는 점토함량에 따라 차별적으로 발생하였다.
대상 데이터
- 초기 코어 직경은 약 100mi"만 보관과정에서 축 방향 절반으로 분할되어 한국표준협회(2002)에서 제안하는 압밀시험(KS F 2316)용 원주형시편의 크기인 직경 60mm, 높이 20mm를 만족하는 시편을 제작할 수가 없었다. 시편의 크기는 시험 결과의 표준화를 위해서는 중요하지만 동일한 조건에서 수행된 시험 결과의 상호 비교를 목적으로 했을 때는 큰 무리가없을 것으로 생각되어 본 연구에서는 직경 25.4 mm, 높이 15 mm의 원주형 시편을 성형하여 이용하였다. 모든 시편은 축방향이 연직방향과 일치하도록 제작하였다.
- 실험에 이용된 암석 시편은 한국지질자원연구원에서 제공된 포항시 제3기 미고결 퇴적층에서 얻은 시추코어이다. 총 심도 1.
- 포항시 제3기 미고결 퇴적층에서 얻은 시추코어이다. 총 심도 1.1 km의 시추코어 중 상부 359 m 전구간은 미고결 이암으로 구성되어 있으며 이 중 점토함량이 다른 네 종류의 시료를 각각 81, 104, 268, 334 m의 심도에서 추출하였다. 모든 시료는 상온 건조 상태로 보관되어왔다.
이론/모형
- 통해서 시간 의존적 변형을 측정하였다. 또한 시간 의존적 변형 모델의 하나인 power-law 모델을적용하여 그 특성을 알아보았다.
성능/효과
- 93 MPa의 응력 스텝 직후 24시간동안 발생한 크리프 변형률의 평균치와 표준편차 결과를 보면 점토함량이 증가함에 따라 대체로 크리프 압밀도 증가하는 추세로 나타남을 볼 수 있다. 24시간 동안 발생한 크리프 변형률의 크기는 점토함량 39.5%의 이암이 19.1%의 이암에 비해 약 4배정도 더 높게 발생하였다. 그러나 그림에서 보듯이 초기공극률은 한 시편(점토함량 29.
- 크리프 변형 측정 과정으로 이루어졌다. 각 단계마다웅력 증가분은 1.93 MPa이며 총 6회에 걸쳐 응력을 증가시켰다. 또한 한 시험(점토함량 19.
- 압밀 변형은응력 증가에 따른 즉각적인 변형 (instantaneous string)과일정한 응력 하에서의 크리프 변형으로 구분되었다. 각 응력 단계마다 매 24시간씩 관찰된 크리프 변형은 초기에 급격한 변형속도(strain rate)를 보이다가 점진적으로 변형속도가 감소하는 경향을 보였다. 점토함량 30% 이하 이암의 경우 시간 의존적 크리프는 24시간 후에 안정화되는 경향이 있지만 점토함량 39.
- 4와 같다. 각 이암에 대해 1.93 MPa의 응력 스텝 직후 24시간동안 발생한 크리프 변형률의 평균치와 표준편차 결과를 보면 점토함량이 증가함에 따라 대체로 크리프 압밀도 증가하는 추세로 나타남을 볼 수 있다. 24시간 동안 발생한 크리프 변형률의 크기는 점토함량 39.
- 5에 같이 도시하였다. 결과에서 보듯이 응력 증가 스텝의 크기가 커질수록 그 직후 발생하는 크리프 변형의 양도 증가하는 경향을 볼 수 있다. 시험 도중 감압을 하면 감압에 따른 즉각적인 변형률 저하가 발생하는데 이 때 발생한 시간 의존적 변형이 거의 무시될 만큼 작은 크기라는 점에서탄성회복(elastic recovery)이라 볼 수 있다.
- 관찰한 크리프 변형은 시간에 따라 지수함수적으로증가하여 power-law 모델로 잘 기술할 수 있었으며, 특히 power-law 모델의 계수 E1가 발생 크리프의 규모를정의하는 것으로 보인다.
- 측방 변형은 구속링에 의해 제한되므로 변형은 축 방향으로만 발생하고 이 때 발생한 변위는 가압판에 고정된 LVDT를통해 측정하였다. 구속링 내벽과 가압피스톤에 그리스를 얇게 발라 변형 중 시편과 구속링 사이의 마찰의 효과를 최소화하였다. 모든 시험은 상온 건조 상태의 이 암에 대해 수행하였다.
- 발생한 크리프 변형의 크기는 점토함량에 비례하는 경향을 보여 점토의 점성 성분이 미고 결이 암의 크리프에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 또한 응력 증가분이 일정하면 그에 동반되어 발생하는 크리프의 규모도 거의 일정하며 응력증가분이 커지면 크리프 변형의 크기도 커져 응력증가분과 크리프 변형 사이에 선형관계가 있음을 알 수 있었다. 즉, 미고결 이 암의 변형특성은 선형 점소성 변형임을 지시한다.
- 모든 가압 단계에서는 응력 증가 직후에 시간에 따른 크리프 변형이 현저하게 발생함을 관찰하였으며 감압이나 부분적 재가압 시에는 시간 의존적 변형이 거의 발생하지 않아 발생한 크리프 변형은 비가역적 점소성 변형임을 보였다. 발생한 크리프 변형의 크기는 점토함량에 비례하는 경향을 보여 점토의 점성 성분이 미고 결이 암의 크리프에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다.
- 13Q15로 상당히 비슷한 기울기를 갖는다. 반면에 점토함량이 증가할수록 값이 증가함을 보였다. 점토함량 23.
- 본 실험 연구의 결과들은 미고결 이암에서의 크리프변형이 암석 조직 자체가 갖는 고유한 성질임을 보여주었다. 점토함량이 증가함에 따라 크리프 변형의 크기도 증가하는 경향으로 보아 크리프 변형을 유발하는 유력한 원인은 점토의 점성 효과일 것으로 생각된다.
- 변형률시간 곡선에서 d와 E1 공히 크리프 곡선의 전체적인 형태를 정의하지만 주로 E1는 전반적인 곡선의 기울기(또는 증가분)에 의해 그 값이 달라지는 반면에 E1 은 초기 크리프 변형 량^ 의해 그 값이 크게 달라진다. 본 연구에서 보인 24시간 동안의 비교적 짧은 크리프 시험 결과는 점토함량 차이나 응력변화에 동반된 크리프 변형의 차이가 주로 크리프 과정의 초기 단계에서 발생했음을 지시한다.
- 실험을 통해 관찰한 점토함량 차이와 즉각적인 응력증가량 변화에 따른 크리프 변형률의 차이는 지수함수로잘 표현될 수 있으며 두 경우 대체로 power Jaw의 d 보다는 E1에 의해 그 차이가 기술되는 것으로 나타났다. 변형률시간 곡선에서 d와 E1 공히 크리프 곡선의 전체적인 형태를 정의하지만 주로 E1는 전반적인 곡선의 기울기(또는 증가분)에 의해 그 값이 달라지는 반면에 E1 은 초기 크리프 변형 량^ 의해 그 값이 크게 달라진다.
- 6 에 도시하였다. 응력 증가 직후 24시간동안 발생한 시간 의존적 변형은 웅력 증가분이 증가함에 따라 대체로 선형적으로 증가함을 알 수 있으며 이는 본 연구에서 관찰한 크리프 변형이 점토가 갖는 점성 변형에 기인할가능성이 크다는 점에서 이암의 선형점성변형 (linearviscous deformation) 특성을 지시한다.
- 8은 점토함량이 40%인 이암 구간에서의 지하수압 강하(또는 수위강하)에 동반되어 발생할 수 있는 총 변형을 유추한 예이다, 48 시간 동안의 크리프 변형을 고려해 보면 탄성에 근거하여 분석한 변형량과 비슷한 규모의 크리프 변형이 발생하여 총 변형은 탄성변형의 두 배 이상으로 산정되었다. 이 분석은 양수에 의한 유효응력의 증가에 따른 즉각적 변형과 시간에 따른 점성적 크리프 변형을 독립적으로 계산한 비교적 단순한 결과이지만 미고결 암석에서의 시간에 따른 변형이 간과하기에는 상당한 규모로 발생함을 보여준다.
- 각 응력 단계에서 발생한 크리프 변형의 크기는 점토함량에 따라 차별적으로 발생하였다. 점토함량 39.5% 이암이 시험된 시편 중 가장 큰 크리프 변형을 보였으며 19.1%의 이 암이 가장 낮은 크리프 변형을 보였다. 또한 점토함량 23.
- 2에 시간에 따른 총 체적변형률의 관계로 도시하였다. 총 6회의 응력 증가 단계 동안 모든 이 암에서 상당한 크기의 압밀 변형이 관찰되었다. 압밀 변형은응력 증가에 따른 즉각적인 변형 (instantaneous string)과일정한 응력 하에서의 크리프 변형으로 구분되었다.
- 한편 응력증가에 따른 즉각적 변형은 점토함량과 특별한 상관관계를 보이지 않는 가운데 초기 하중 시에 매우 높은 값으로 측정되었으며 응력이 증가함에 따라 0.01 이하로 점차로 감소하는 경향을 보였다. 이는 압밀이 진행될수록 공극 닫힘에 따른 시편의 경화현상 때문이다.
후속연구
- 실제 포항 시추공에서의 양수량과 수위강하 간의 관계는 상당히 선형적으로 비례함이 보고되어 있다(송윤호 외, 2005). 또한 양수에 따른 미고결 지반의 압밀은 이 지역의 지반 침하량 산정에 있어서도 중요하게 활용될 수 있을 것이라 생각된다.
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