암석 물성을 간접적으로 추정하기 위한 방법으로 슈미트 해머 타격법이 보편화되어 있다. 그러나 보고된 대부분의 방법들은 단일 타격법으로 오차를 많이 내포하고 있으며 연속 타격법의 경험식도 자료 처리방법에 불합리한 점들이 많아 범용하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 기존의 ASTM, ISRM, BSI, Poole와 Farmer 및 Hucka의 방법들을 검토하고, 국내에서 출토된 150개의 화성암, 변성암 및 퇴적암을 대상으로 시험을 시행하여 이들 방법들의 불합리한 점들을 수정, 보완하여 최적의 시험방법과 새로운 자료 처리방법을 제시하였다.
암석 물성을 간접적으로 추정하기 위한 방법으로 슈미트 해머 타격법이 보편화되어 있다. 그러나 보고된 대부분의 방법들은 단일 타격법으로 오차를 많이 내포하고 있으며 연속 타격법의 경험식도 자료 처리방법에 불합리한 점들이 많아 범용하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 기존의 ASTM, ISRM, BSI, Poole와 Farmer 및 Hucka의 방법들을 검토하고, 국내에서 출토된 150개의 화성암, 변성암 및 퇴적암을 대상으로 시험을 시행하여 이들 방법들의 불합리한 점들을 수정, 보완하여 최적의 시험방법과 새로운 자료 처리방법을 제시하였다.
Schmidt hammer test as an indirect method has so far been widely applied for determining the physical properties of intact rock, and many researchers have developed procedures for its use on rock cores, blocks and in field. Though many methods have developed upto date for indirect using, the almost ...
Schmidt hammer test as an indirect method has so far been widely applied for determining the physical properties of intact rock, and many researchers have developed procedures for its use on rock cores, blocks and in field. Though many methods have developed upto date for indirect using, the almost were single blow which has many errors. The purpose of this study was to evaluate the established as for ASTM, ISRM, BSI, Poole & Farmer and Hucka method and to suggest a new optimum test method and statistical analysis on rocks. The finding has indicated that succeeding blow has served as an optimal to predict physical properties of rocks. To conduct the experiment, researchers have examined 150 rock blocks, which include igneous, metamorphic and sedimentary rocks in Korea nation wide.
Schmidt hammer test as an indirect method has so far been widely applied for determining the physical properties of intact rock, and many researchers have developed procedures for its use on rock cores, blocks and in field. Though many methods have developed upto date for indirect using, the almost were single blow which has many errors. The purpose of this study was to evaluate the established as for ASTM, ISRM, BSI, Poole & Farmer and Hucka method and to suggest a new optimum test method and statistical analysis on rocks. The finding has indicated that succeeding blow has served as an optimal to predict physical properties of rocks. To conduct the experiment, researchers have examined 150 rock blocks, which include igneous, metamorphic and sedimentary rocks in Korea nation wide.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
암의 상태(오래 노출된 암, 발파암 등)와 암석의 강도에 따라 타격반발 거동이 매우 상이하며, 시험방법에 따라 큰 값의 차이가 나타나는 현상을 분석하여 각각의 시험방법의 장단점과 신뢰도를 검증할 목적으로 본 연구를 수행하게 되었다.
제안 방법
ASTM, ISRM 및 BSI법은 단일타격(single blow)이므로 각 격자점의 제1회 타격값으로, Poole & Farmer와 Hucka 방법은 연속타격(succeeding blow) 값으로 정리하였다.
BSI(British Standard Index)방법 : 각 블록 타격점 중 Diamond net에 근접하는 12개 점들의 1회 타격 값을 선택하여 최대, 최소값은 버리고 10개 값의 평균을 취하였다.
각종 암의 일축압축강도를 기준으로 슈미트 해머 시험방법을 평가하기 위하여 ASTM D 4543-04의 기준에 따라 NX 규격의 일축압축강도 시험용 공시체는 길이/직경의 비가 2를 만족하도록 110 mm를 기준으로 제작하였으며, 상하 압축면의 편평도는 다이아몬드편이 박힌 직경 10 cm의 원판형 연마기를 사용하여 0.02 mm를 목표로 연마하였다(ASTM D 2938-95, ISRM 1981). 파괴 시험은 UTM-200 ton (MT200S, M & T Korea) 을 사용하였으며 3~5회의 제하-재재하시험에서 참값에 가까운 값(민덕기 등, 2006)을 보여 주었기 때문에 예상 파괴강도의 1/3, 2/3 점에서 제하, 재재하를 시행하여 3회 반복재하로 수행하였다.
파괴 시험은 UTM-200 ton (MT200S, M & T Korea) 을 사용하였으며 3~5회의 제하-재재하시험에서 참값에 가까운 값(민덕기 등, 2006)을 보여 주었기 때문에 예상 파괴강도의 1/3, 2/3 점에서 제하, 재재하를 시행하여 3회 반복재하로 수행하였다. 구면좌를 사용하여 편심을 방지하였고 모든 성과는 데이터 로거를 통하여 자료 획득용 PC에 저장하였다. 시험은 3개/조로 시행하여 평균값을 대표성과로 채택하였다.
본 연구는 기존 시험방법을 검정하고 불합리한 점을 개선하여 최적의 방법을 도출함과 동시에 자료 처리방법을 새로이 제안하는 부분을 (I)편에, 신뢰도 증진을 위하여 국내에서 출토되는 1,417블록의 시료를 대상으로 도출된 실험결과를 (I)편에서 제시된 방법을 반발거동이 상이한 암석군에 적용하여 유도된 경험식과 그에 대한 신뢰성 검정을 (II)편에 각각 수록한다.
블록의 각 격자점에 25회 연속타격을 하였다. 그들 격자점 중 임의의 점에 대한 암석별 타격 거동을 도시한 것이 그림 2이다.
슈미트 해머를 수직하향으로 타격하고 격자 상의 동일점에 25회 연속타격을 하였다. 타격 중 격자점에서 약간 이탈되거나, 수직도의 미세한 변화가 생겨도 타격 값이 1~3의 차이가 발생한다.
구면좌를 사용하여 편심을 방지하였고 모든 성과는 데이터 로거를 통하여 자료 획득용 PC에 저장하였다. 시험은 3개/조로 시행하여 평균값을 대표성과로 채택하였다.
전국에 분포된 화성암, 변성암 및 퇴적암을 지질도에 표기된 분포지역에 따라 개략적인 면적 분포비율을 정하여 각 지역을 선정하여 시료를 채취하였으며 현지에서 암석용 해머와 슈미트 해머 타격으로 개략적 강도 분포를 고려하여 채취하였다. 기존 시험방법의 평가를 위한 대상은 화성암, 변성암 및 퇴적암이 고루 포함된 암석으로 보편성을 유지하기 위하여 화성암종의 대종을 이루는 화강암(대보 화강암과 불국사 화강암), 안산암, 유문암을, 변성암의 대종인 편마암을, 퇴적암종은 셰일, 사암, 이암, 역암, 석회암, 응회암을 대략적인 출토 비율을 감안하여 150개를 선정하여 시험하였다(표 1).
225 kg･m)) / Sanyo Testing Machine / GSR -자동기록)를 사용하였다. 채취한 암석 블록에 6 cm간격의 격자를 설정한 후 울퉁불퉁한 요철면을 다이아몬드 연마기로 마모하여 평탄한 면을 만든 후 각 점에 슈미트 해머를 수직하향 방향으로 타격하였다. 블록의 가장자리는 최소 6cm의 이격거리를 두고 격자점을 설정하였다.
타격 중요동을 방지하기 위하여 철제 좌대(H-beam : 350×350×12)를 제작하여 그 위에 블록을 고정한 후 엽리, 층리면에 수직으로 타격하였다(그림 1).
파괴 시험은 UTM-200 ton (MT200S, M & T Korea) 을 사용하였으며 3~5회의 제하-재재하시험에서 참값에 가까운 값(민덕기 등, 2006)을 보여 주었기 때문에 예상 파괴강도의 1/3, 2/3 점에서 제하, 재재하를 시행하여 3회 반복재하로 수행하였다.
화성암, 변성암 및 퇴적암을 포함한 150 블록(표 1)을 대상으로 각 블록의 격자점마다 연속으로 25회씩 타격하여 보편적으로 많이 쓰이는 시험방법(표 2)에 따라 자료를 정리하였다.
대상 데이터
전국에 분포된 화성암, 변성암 및 퇴적암을 지질도에 표기된 분포지역에 따라 개략적인 면적 분포비율을 정하여 각 지역을 선정하여 시료를 채취하였으며 현지에서 암석용 해머와 슈미트 해머 타격으로 개략적 강도 분포를 고려하여 채취하였다. 기존 시험방법의 평가를 위한 대상은 화성암, 변성암 및 퇴적암이 고루 포함된 암석으로 보편성을 유지하기 위하여 화성암종의 대종을 이루는 화강암(대보 화강암과 불국사 화강암), 안산암, 유문암을, 변성암의 대종인 편마암을, 퇴적암종은 셰일, 사암, 이암, 역암, 석회암, 응회암을 대략적인 출토 비율을 감안하여 150개를 선정하여 시험하였다(표 1). 블록 1개의 평균무게는 160 kg 정도이다.
본 연구는 국내 150 블록의 각종 암을 대상으로 하였으며 타격거동이 상이한 암석을 대상으로 시험을 시행하였다.
본 연구에 사용한 슈미트 해머는 암석용으로 제작된 N-hammer (HS-1665A, 타격 에너지 2.207 N･m (0.225 kg･m)) / Sanyo Testing Machine / GSR -자동기록)를 사용하였다. 채취한 암석 블록에 6 cm간격의 격자를 설정한 후 울퉁불퉁한 요철면을 다이아몬드 연마기로 마모하여 평탄한 면을 만든 후 각 점에 슈미트 해머를 수직하향 방향으로 타격하였다.
ISRM, ASTM, BSI 방법은 단일 타격법인데 타격거동을 관찰하면 이들 시험방법은 참값을 찾기에는 불합리한 점이 발견되며, 연속 타격방법을 제시한 연구자의 결과는 자료정리 방법에 불합리한 점이 나타난다. 본 연구에서는 1개 블록을 대상으로 500회 타격으로 참값을 찾을 수가 있었으며 이 값을 기준으로 각종 방법의 결과와 비교할 수 있었다.
본 연구의 시험대상인 150개 블록의 퇴적암, 화성암 및 변성암별로 각 타격 평균값에 대한 통계자료를 항목별 특징을 정리하면 다음과 같다.
지금까지 많은 연구자들이 제시한 경험식이나 유력 연구기관에서 규정한 시험법 중에서 가장 보편적으로 상용되고 있는 시험법 5가지를 선택하여 본 연구의 대상으로 정하였다(표 2). 또한 본 시험에서 얻은 자료를 이들 연구자들의 방법에 따라 각각의 결과를 도출하여 상호비교를 하였다.
데이터처리
-. Hucka의 방법 : 위와 같은 조건으로 1회~10회 연속 타격값을 추출하여 최고값들의 평균값을 구하였다.
-. ISRM방법 : 각 격자점의 25회 연속 타격값중 1회 타격값을 20개 선택하여 큰 값 순서로 10개 값의 평균값을 산출하였다.
지금까지 많은 연구자들이 제시한 경험식이나 유력 연구기관에서 규정한 시험법 중에서 가장 보편적으로 상용되고 있는 시험법 5가지를 선택하여 본 연구의 대상으로 정하였다(표 2). 또한 본 시험에서 얻은 자료를 이들 연구자들의 방법에 따라 각각의 결과를 도출하여 상호비교를 하였다. 선행 연구자들의 방법을 기준으로 본 연구에 적용한 것을 아래에 요약하였으며 그 결과를 요약하여 표 6에 정리하였다.
이론/모형
Poole & Farmer의 방법 : 각 블록의 격자점마다 25회 연속타격을 시행한 자료에서 1회~5회 타격값을 추출하여 그 중 최대값을 선정하고, 동일 블록내의 다른 두 점의 값도 같은 방법으로 선정하여 평균값을 구하였다.
성능/효과
1) 1점에 25회 연속타격을 20회 이상 시행하면 참값에 가장 가까운 최근접값을 도출할 수 있다.
-. 150개 블록의 타격값중 48%인 72개 블록의 타격값이 표준편차와 변동계수가 영으로 나타났다. 즉 72개 블록의 타격값의 평균은 참값으로 도출되었다는 것을 의미한다.
2) 암석을 대상으로 하는 타격시험은 연속 타격법이 단일 타격법보다 신뢰성이 더 높다. 단일 타격법은 콘크리트재료에 적합한 시험법으로 밝혀졌다.
3) 풍화, 응력해방으로 인한 내외부 강도 차이가 있는 암석의 타격법은 연속 타격법으로 시행하여야 최근 접값을 얻을 수 있다.
4) 암석 블록 혹은 노두암반을 대상으로 1점에 10회 연속타격을 하여 1회~5회 타격값은 버리고 6회~10회 타격값의 평균을 그 점의 대표값으로 정하고 한 변이 15~20 cm정도의 이격 거리의 정삼각형 3정점의 값을 구하여 평균값을 블록의 대표로 취하면 매우 신뢰성 높은 값이 된다.
퇴적암, 화성암 및 변성암들은 각기 타격값의 상이한 거동을 알 수 있다. 6회~17회 타격값 사이에서 동일한 값으로 나타나는 표준편차(SD: standard deviation)와 변동계수(CoV: coeffic-ient of variation)가 영(zero)인 블록은 퇴적암에서 41.2%, 화성암에서 22.2% 및 변성암에서 84.4%로 나타났다. 150개 블록 전체로 산출하면 48%가 된다.
본 연구와 이들 두 연구결과를 감안한다면 ASTM, ISRM 및 BSI 기준처럼 1회 타격값을 위주로 암석의 강도를 추정한다는 것은 분산이 심하여 오차가 클 수 있고 더욱이 초기값은 참값과의 차이가 크기 때문에 신뢰도가 낮을 것으로 판단할 수 있다. 이러한 결과를 미루어 보면 1회 타격법은 표면과 내부의 강도 차이가 거의 없는 콘크리트에 적합한 방법이지만, 풍화와 응력해방에 의한 내외부강도 차이가 있는 암석을 대상으로 하기에는 부적합한 것으로 판단된다.
이는 변성암에 대한 슈미트 해머 타격 시 오차가 가장 작고 화성암에서 오차가 가장 크다는 것을 의미한다. 일반적인 통계에서 표준편차의 평균값이 15~20% 내로 산출되면 양호한 값으로 통용되고 있으나 본 연구결과에서는 표준편차의 최고값 1.68을 적용해도 0.15%이하 이므로 타격값들은 참값에 거의 근접하다는 사실을 알 수 있다.
본 연구의 자료 150개 중 5개는 95% 신뢰구간을 벗어나고 있음을 보여 준다. 즉 본 연구의 제안방법은 약 3.33%의 신뢰성 상실이 발생한다는 것을 알 수 있다. 이런 결과는 간접시험법으로 추정하는 값의 불확실성에 대하여 수용할 수 있는 수준이라 할 수 있겠다.
표 6에서 연속타격방법들은 표준편차와 변동계수가 작은 값으로 산출되었으며 근접성도 매우 좋은 결과로 도출되었다. 그 중에서도 본 연구의 결과는 가장 근접성이 좋아 오차도 최소값으로 나타나고 있다.
후속연구
많은 연구자들이 슈미트 해머로 일축압축강도를 간편하게 추정하기 위해서 노력한 결과로 다양한 경험식이 도출되었으나 대부분이 타격 에너지가 낮은 콘크리트용 해머를 사용하여 단일 타격으로 성과를 도출한 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 이 점이 매우 큰 편차를 유발하여 값의 신뢰도가 떨어진다는 것을 밝히게 되는데 이에 따라 신뢰성이 높은 경험식이 갖추어야 할 요소의 필요성이 제기될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
슈미트 해머 타격시험이 타 방법에 비해 실험에 활용하기가 편리한 이유는 무엇인가?
이러한 방법 중에는 점하중 강도시험, 슈미트 해머 타격시험, 탄성파 시험 등이 있다. 이들 중 슈미트 해머 타격시험은 비파괴 시험으로 현장 및 실내에서 시험이 간단하며 장비 취급이 간편하고 장비가 저렴하기 때문에 실험에 활용하기가 타 방법에 비해 편리하다. 더욱이 간접 시험법들 중 슈미트 해머 타격법은 타 방법에 비하여 신뢰도가 높기는 하나(민덕기 등, 2008) 간접시험법 활용의 증대를 위해서는 좀 더 신뢰도가 증진될 필요가 있다.
슈미트 해머는 무엇을 위하여 개발되었는가?
슈미트 해머는 스위스의 기술자 Ernst Schmidt가 1948년에 콘크리트 강도의 평가를 위하여 개발하였으며 콘크리트 강도 측정(Schmidt, 1951)을 발표한 이래 암석의 강도 측정을 하는 단계까지 발전하였다(Barton 등, 1977). Deere와 Miller(1966)는 hammer의 반발치(Rn)와 단위중량(r t)을 곱한 값(Rn*r t)과 암석의 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS), 탄성계수(E t) 와의 상관성 도표를 발표했고 Aufmuth(1974)와 Beverly (1979)는 여러 암석을 대상으로 Rn*r t와 일축압축강도 사이의 높은 상관성이 있음을 실험으로 증명하였다.
슈미트 해머 타격시험의 단점은 무엇인가?
그러나 암석의 생성배경(퇴적암, 화성암, 변성암)에 따른 특성, 모집단의 규모 및 강도분포의 정규화를 고려하지 않은 이유로 현실과 잘 부합되지 않은 결과가 도출되므로 일반적으로 쓰이지 못하는 것이 현실이다. 더욱이 이 시험 방법은 연구자에 따라 다양하며, 일반 적으로 ASTM D5873-05이나 ISRM(2009) 제안시험법에 준하여 실험을 시행하는 경우가 많다. 해머의 타격 방법, 시험자료의 정리기준 및 해석방법의 차이에서 다양한 시험방법 및 경험식들이 제시되고 있다.
참고문헌 (35)
민덕기, 문종규(2006), 'Schmidt hammer 반발지수로 울산지역 퇴적암의 공학적 특성을 추정하기 위한 연구', 한국지반 공학회 논문집, 제22권, 제10호, pp.139-150
Beverly, B.E., Schoenwolf, D.A., Brierly, G.S. (1979), 'Correlations of rock index values with engineering properties and the classification of intact rock'
Barton, N., Choubey, V. (1977), 'The shear strength of rock joints in theory and practice', Rock Mech., Vol.10, pp.1-54
Deere, D.U., Miller, R.P. (1966), 'Engineering classification and index properties for intact rocks', Tech. Report, Air Force Weapons Lab. New Mexico, No. AFNL-TR. Kirtland.,pp.65-116
Day, M.J., Goudie, A.S. (1977), 'Field assessment of rock hardness using the Schmidt test hammer', Br. Geomorphol Res. Group Tech. Bull, Vol.18, pp.19-29
Duncan,N. (1969), 'Engineering Geology and rock mechanics', London,Leonard Hill, Vol. 1
Fowell, R.J., McFeat Smith, I. (1976), 'Factors influencing the cutting performance of a selective tunnelling machine', In Jones, J.M. editor. Proceedings of the International Sympogium on Tunnelling '76, London : IMM; pp.301-309
Goktan, R.M., Gunes, N. (2005), 'A comparative study of Schmidt hammer testing procedures with reference to rock cutting machine performance prediction', Int. J. Rock Mech. and Min. Sci., Vol.42, pp.466-472
Inoue, M., Omi, M., (1970), 'Study on the Strength of Rock by the Schmidt Test Hammer', Rock Mechanics, Japan, Vol.1, pp.177-179
ISRM (1979),'Suggested methods for determining the uniaxial compressive strength and deformability of rock materials', Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Geomech. Abstr., Vol.16(2), pp.135-140
ISRM (1981), 'The Complete ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring : Commission on Testing Methods', Int.l Soc. Rock Mech. pp.628-633
ISRM (2009), 'ISRM Suggested method for determination of the Schmidt hammer rebound hardness : Revised version', Int. J. Rock Mech. & Min. Sci. Vol.46, pp.627-634
Kahraman, S. (2001), 'Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock', Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol.38, pp.981-994
Katz, O., Reches, Z., Reogiers, J.C. (2000), 'Evaluation of mechanical rock properties using a Schmidt hammer', Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol.37, pp.723-728
Kazi, A., Al-Mansour, Z.R. (1980), 'Empirical relationship between Los Angeles Abrasion and Schmidt hammer strength tests with application to aggregates around Jeddah', Q. J .Eng. Geol., London, Vol.13, pp.45-52
Poole, R.W., Farmer, I.W. (1978), 'Geotechnical factors affecting tunnelling machine performance in coal measures rocks', Tunnels Tunnelling, pp.27-30
Poole, R.W., Farmer, I.W. (1980), 'Consistency and repeatability of Schmidt hammer rebound data during field testing', Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr.,Vol.17, pp167-171
Schmidt, E. (1951), 'A non-destructive concrete tester', Concrete, Vol.59, No.8, pp.34-35
Shorey, P.R., Barat, D., Das, M.N., Mukherjee, K.P., Singh, B. (1984), 'Schmidt hammer rebound data for estimation of large scale in situ coal strength', Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr., Vol.21
Singh, R.N., Hassani, F.P., Elkington, P.A.S. (1983), 'The application of strength and deformation index testing to the stability assessment of coal measures excavations', Proc. 24th. US Symp. on Rock Mech., Taxas A & M Univ., AEG, pp.599-609
Xu, S., Grasso, P., Mahtab. (1990), 'Use of Schmidt hammer for estimating mechanical properties of weak rock', Proc. 6th. Int. IAEG Congress, Vol.1, pp.511-519
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.