선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 압입에 의한 암석의 파괴과정을 실험적으로 관찰하였으며 시험결과를 분석하는 방법 및 지수산정법을 제시하고자 하였다. 또한 동일한 암종을 대상으로 수행된 선형절삭시험 결과(Yu, 2007; Jeong et al., 2011, Cho, 2010)와 비교하여 디스크커터의 수직하중을 예측하는 방법을 연구하고자 하였다.
- 본 연구에서는 NX코어에 대하여 최대 6 mm의 압입깊이에 도달할 때까지 압입시험를 수행하였다. 따라서 압입자가 암석코어에 6 mm 압입되었을 때, 반경방향으로 발생한 균열은 암석 시험편의 하부면까지 전달되지 않아야 한다.
- 본 연구에서는 다양한 직경의 코어를 대상으로 압입시험을 수행하여 암석시편의 직경이 시험결과에 미치는 영향을 알아보았다. 시험조건은 Table 4와 같으며 그 결과는 Table 5에 요약하였다.
- 구속프레임은 암석 시편에 충분한 반경방향 구속력을 제공하기 위해서 25 mm의 두께를 가진 열처리된 철로 제작하였다. 시험체 제작 시에는 코어 주변을 압축강도 약 40 MPa, 인장강도가 약4 Mpa인 다이아스톤으로 캐스팅하였는데 앞서 설명 된 이유와 같이 암석에 충분한 구속력을 제공하기 위해서이다. 시험 시에 캐스팅된 재료와 함께 암석시편이 팽창하게 되므로 시험체의 분리를 용이하게 하기 위하여 본 연구에서는 선행연구와는 달리 구속프레임을 이중으로 제작하였다(Fig.
- 이러한 시험장비와 시험법을 바탕으로 국내 6개 암석에 대하여 압입시험을 수행하였다. 압입에 의한 암석의 파괴과정을 실험적으로 관찰하였으며 시험결과를 분석하는 방법 및 지수산정법을 제시하고자 하였다. 또한 동일한 암종을 대상으로 수행된 선형절삭시험 결과(Yu, 2007; Jeong et al.
- 하지만 적용성을 보다 높이기 위해서는 가장 최적화된 시험법 및 시험 결과의 해석 방법이 제안되어야 할 것으로 판단되었다. 이에 본 연구에서는 규격화된 시험을 수행하기 위하여 암석시편의 크기와 길이를 변화시켜 가며 시험을 수행하여 사용한 압입자에 적합한 시험조건을 제안하였다.
- 하지만 국내에서는 아직 압입시험에 대한 연구가 수행된 바가 없기 때문에 본 연구에서는 합리적인 시험을 수행하기 위하여 우선 다양한 크기의 시편에 대하여 시험을 수행하고 압입시험에서 나타나는 암석 시편의 크기효과를 살펴보았다. 이러한 시험장비와 시험법을 바탕으로 국내 6개 암석에 대하여 압입시험을 수행하였다.
제안 방법
- 2. Punch penetration test apparatus made in this study.
- 먼저 고정 플레이트는 하중기의 형상에 맞추어 제작하되 압입자를장착하고 분리할 수 있도록 하였다. 구속프레임은 암석 시편에 충분한 반경방향 구속력을 제공하기 위해서 25 mm의 두께를 가진 열처리된 철로 제작하였다. 시험체 제작 시에는 코어 주변을 압축강도 약 40 MPa, 인장강도가 약4 Mpa인 다이아스톤으로 캐스팅하였는데 앞서 설명 된 이유와 같이 암석에 충분한 구속력을 제공하기 위해서이다.
- 그러나 암종별로 암석 시험편이 파괴되는 압입깊이가 다르므로 정량적인 비교가 힘들다. 그리하여 압입깊이에 따른 작용하중의 정량적인 예측을 위하여 단위 압입깊이당 평균작용력의 증가량을 나타내는(Eq. 6) 평균하중지수(MLI)를 새로운 지수로 제안하였다(Fig. 10).
- 아산편마암의 경우 편리각을 두 가지 경우로 나누어 시험을 수행하였으며, Case 1은 압입면과 편리면이 평행한 경우이며 Case 2는 압입면과 편리면이 직교하는 경우이다(Table 1). 또한 암석의 취성특성에 따라 압입시험에서 나타나는 암석의 파괴양상의 차이를 살펴보기 위하여 Altindag(2002)가 제시한 단축압축강도와 인장강도의 관계(Eq. 2)로부터 정의되는 취성도(B3)를 산정하였다.
- 6). 본 연구에서 사용한 6개 암석에서 압입깊이가 6 mm를 초과하는 경우 암석 시험편이 파괴되는 현상이 관찰되었으므로, 최대 압입깊이를 6 mm로 설정하여 시험을 수행하였다. 압입시험의 그래프에서 최대 압입깊이 까지의 구간에서 얻게 되는 기울기로부터 하중지수(단위: kN/mm)를 산정하였다.
- 따라서 압입자가 암석코어에 6 mm 압입되었을 때, 반경방향으로 발생한 균열은 암석 시험편의 하부면까지 전달되지 않아야 한다. 본 연구에서는 황등화강암을 대상으로 암석시편의 길이를 변화시켜가며(Table 3) 각각 3번씩 시험을 수행하여 균열의 전파 길이를 조사하였다. 시험을 수행한 결과 기본 조건으로 설정한 압입깊이 6 mm의 시험에서는 균열전파길이가 40 mm 정도로 나타났다.
- 시험체 제작 시에는 코어 주변을 압축강도 약 40 MPa, 인장강도가 약4 Mpa인 다이아스톤으로 캐스팅하였는데 앞서 설명 된 이유와 같이 암석에 충분한 구속력을 제공하기 위해서이다. 시험 시에 캐스팅된 재료와 함께 암석시편이 팽창하게 되므로 시험체의 분리를 용이하게 하기 위하여 본 연구에서는 선행연구와는 달리 구속프레임을 이중으로 제작하였다(Fig. 2). 압입자는 선행연구를 참고하여 (Dollinger et al.
- 025 mm/초의 일정한 속도로 시험을 수행하였다. 압입시험 중 가해지는 하중은 로드셀(Load Cell)을 통해 측정하였으며, 압입 깊이는 데이터 수집 시스템에 연결된 LVDT로 측정할 수 있다. 하중과 압입 깊이는 0.
- 본 연구에서 사용한 6개 암석에서 압입깊이가 6 mm를 초과하는 경우 암석 시험편이 파괴되는 현상이 관찰되었으므로, 최대 압입깊이를 6 mm로 설정하여 시험을 수행하였다. 압입시험의 그래프에서 최대 압입깊이 까지의 구간에서 얻게 되는 기울기로부터 하중지수(단위: kN/mm)를 산정하였다. 하중지수를 사용하면 이를 활용하여 회귀 모델식을 구성하고 6 mm 이상의 압입깊이(or 다양한 절삭조건)에 대해서도 작용하중을 예측할 수 있기 때문에 작용력을 예측하는데 합리적인 방법인 것으로 판단되었다.
- 압입자는 선행연구를 참고하여 (Dollinger et al., 1998; Ozdemir and Nilsen, 1999; Yagiz, 2002; Yagiz, 2009) 120°의 각도를 가지는 콘 모양(Conical shape)으로, 압입자의 팁은 응력의 집중으로 인해 발생하는 암석의 쪼개짐을 방지하기 위하여 곡률반경이 3.125 mm가 되도록 제작하였다.
- 압입지수들과 디스크커터의 작용력 간의 경향성을 파악해 보기 위하여 기존연구로부터 수행되었던 선형절삭시험(유상화, 2007, 조정우, 2010, 정호영 등, 2011) 결과 중 공통된 절삭조건을 선택하여 그 관계를 파악해 보았다. 본 연구에서는 선형절삭시험에서 측정된 디스크커터의 모든 작용력(0이 아닌 값)을 평균한 값으로 산정되는 평균수직력(mean normal force, MNF)과 평균회전력(mean rolling force, MRF)를 비교대상으로 사용하였다(Cho, 2010).
- 6의 관계로부터 하중지수(MLI)에 적용하고자 하는 압입깊이를 곱할 경우 해당 압입깊이에 작용하는 하중을 예측할 수 있는데 이러한 방법은 커터의 수직력과 압입지수 간의 선형비례관계가 가정되어야 한다. 이것을 가정하였을 때 PLI는 최대 수직력, MLI는 평균 수직력을 예측하는데 사용될 수 있을 것으로 판단되나 본 연구에서는 평균 수직력에 대한 분석을 중점적으로 수행하였다. 결과분석에 사용된 선형절삭시험에서 최대 수직력을 산정하지 않았기 때문이다.
- 하지만 국내에서는 아직 압입시험에 대한 연구가 수행된 바가 없기 때문에 본 연구에서는 합리적인 시험을 수행하기 위하여 우선 다양한 크기의 시편에 대하여 시험을 수행하고 압입시험에서 나타나는 암석 시편의 크기효과를 살펴보았다. 이러한 시험장비와 시험법을 바탕으로 국내 6개 암석에 대하여 압입시험을 수행하였다. 압입에 의한 암석의 파괴과정을 실험적으로 관찰하였으며 시험결과를 분석하는 방법 및 지수산정법을 제시하고자 하였다.
- 따라서 하부면을 구속하는 구속재의 두께는 13~27 mm가 필요하다는 것을 뜻한다. 이에 따라 본 연구에서는 하부면을 구속하는 구속재의 두께를 27 mm로 설정하였다.
- 본 연구에서 사용한 하중기는 Shimadzu사에서 제작한 200톤 용량의 장비이다. 준비된 시편을압입자가 표면의 정 가운데를 가압하도록 위치시킨 후 0.025 mm/초의 일정한 속도로 시험을 수행하였다. 압입시험 중 가해지는 하중은 로드셀(Load Cell)을 통해 측정하였으며, 압입 깊이는 데이터 수집 시스템에 연결된 LVDT로 측정할 수 있다.
- 9). 즉, 최종 압입깊이에서 측정한 하나의 기울기는 다양한 압입깊이에서 암석의 압입저항을 대표하기 어려우므로 본 연구에서는 여러 극대점에서 기울기를 측정하는 방식인 PLI를 산정하였다. Eq.
- 8). 하중의 감소가 뚜렷하게 보이는 점들을 최소 3개 선택하여 지수를 산정하였다. 선행 연구와 달리 여러 개의 극대점을 선택하여 지수를 산정한 이유는 시험 시에 압입깊이에 따라 기울기가 변화하기 때문이다(Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서는 선형절삭시험에서 측정된 디스크커터의 모든 작용력(0이 아닌 값)을 평균한 값으로 산정되는 평균수직력(mean normal force, MNF)과 평균회전력(mean rolling force, MRF)를 비교대상으로 사용하였다(Cho, 2010). 그러나 암종별로 절삭조건이 달라 여러 절삭조건의 작용력을 비교하는 것은 불가능하였으며 공통된 절삭조건인 압입깊이 4 mm, 커터간격 40 mm인 조건을 대상으로 하였다.
- 압입시험에서는 최대 변위를 설정할 수 있으며 그 변위를 일정한 속도로 제어할 수 있는 기능을 가진 하중기가 요구된다. 본 연구에서 사용한 하중기는 Shimadzu사에서 제작한 200톤 용량의 장비이다. 준비된 시편을압입자가 표면의 정 가운데를 가압하도록 위치시킨 후 0.
- 3 참조). 본 연구에서는 비교적 최대 강도 발현 시간이 짧고 빠르게 양생되는 다이아스톤을 사용하였으며 물과의 배합 시 무게 비는 4:1을 사용하였다. 본 연구에서는 최소 6시간동안 양생하였으나 캐스팅 재료의 강도가 약할 경우 압입하중의 편차가 크게 발생할 수 있으므로 캐스팅 재료는 그 강도가 충분히 발현될 만큼 양생시키는 것이 좋다.
- 압입지수들과 디스크커터의 작용력 간의 경향성을 파악해 보기 위하여 기존연구로부터 수행되었던 선형절삭시험(유상화, 2007, 조정우, 2010, 정호영 등, 2011) 결과 중 공통된 절삭조건을 선택하여 그 관계를 파악해 보았다. 본 연구에서는 선형절삭시험에서 측정된 디스크커터의 모든 작용력(0이 아닌 값)을 평균한 값으로 산정되는 평균수직력(mean normal force, MNF)과 평균회전력(mean rolling force, MRF)를 비교대상으로 사용하였다(Cho, 2010). 그러나 암종별로 절삭조건이 달라 여러 절삭조건의 작용력을 비교하는 것은 불가능하였으며 공통된 절삭조건인 압입깊이 4 mm, 커터간격 40 mm인 조건을 대상으로 하였다.
- 본 연구에서는 황등화강암, 아산편마암, 후동화강암 등 국내 6개 암석에 대한 압입시험을 수행하였으며 6개 암석의 역학적 성질을 정리하면 Table 1과 같다. 아산편마암의 경우 편리각을 두 가지 경우로 나누어 시험을 수행하였으며, Case 1은 압입면과 편리면이 평행한 경우이며 Case 2는 압입면과 편리면이 직교하는 경우이다(Table 1).
- , 1998). 본 연구에서도 높이와 직경의 비가 최소 1을 만족하는 암석코어를 사용하였으며 NX코어(직경 54 mm)를 사용하였다. 시험편을 제작하는 과정은 다음과 같다.
- 이상의 제시된 방법에 따라 시험을 수행하여 6개 암석의 하중지수를 측정한 결과는 Table 6과 같다. 암석코어의 직경은 54 mm, 직경대 길이의 비는 1:1, 다이아스톤의 두께는 27 mm를 적용하였다. 선행 연구(Yagiz, 2002, Yagiz, 2009)에 의해 제시된 지수와의 비교를 위하여 BIm의 산정결과 또한 함께 정리하였다.
성능/효과
- 시험에서 얻은 작용하중와 압입깊이의 관계 그래프로부터 하중지수를 산정한 후 수직하중을 예측하는 것은 합리적인 것으로 나타났다. PLI와 MLI는 최종 파괴점에서의 기울기를 산정하는 BIm보다 다양한 압입 깊이에 의한 하중의 변화량을 반영할 수 있는 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 비교적 최대 강도 발현 시간이 짧고 빠르게 양생되는 다이아스톤을 사용하였으며 물과의 배합 시 무게 비는 4:1을 사용하였다. 본 연구에서는 최소 6시간동안 양생하였으나 캐스팅 재료의 강도가 약할 경우 압입하중의 편차가 크게 발생할 수 있으므로 캐스팅 재료는 그 강도가 충분히 발현될 만큼 양생시키는 것이 좋다.
- 본 연구의 시험결과로부터 압입시험은 코어시료를 사용하는 실험실 규모의 시험을 통하여 TBM의 추력을 개략적으로 추정할 수 있는 유용한 시험임을 확인할 수 있었다. 시험에서 얻은 작용하중와 압입깊이의 관계 그래프로부터 하중지수를 산정한 후 수직하중을 예측하는 것은 합리적인 것으로 나타났다.
- 분석결과 동일한 절삭조건에서 커터의 평균수직력과 압입시험을 통해 산정한 PLI와 MLI 사이에는 높은 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Fig. 13). 평균수직력과 PLI, MLI와의 Pearson 상관계수는 각각 0.
- 6의 A점에 해당하는 부분이다. 시편의 가장 연약한 방향 위주로 인장균열이 발생하게 되는데 이 때 발생한 균열은 시험이 계속되면서 성장하여 주 균열면을 이루는 것을 확인할 수 있었다. 초기 인장 균열의 발생 시점인 A점과 최종 파괴 시점인 C점사이의 구간(Stage-2, B)에서는 압입깊이가 증가하면서 추가의 균열이 발생하고 연결되면서 암석의 치핑이 이루어진다.
- 본 연구의 시험결과로부터 압입시험은 코어시료를 사용하는 실험실 규모의 시험을 통하여 TBM의 추력을 개략적으로 추정할 수 있는 유용한 시험임을 확인할 수 있었다. 시험에서 얻은 작용하중와 압입깊이의 관계 그래프로부터 하중지수를 산정한 후 수직하중을 예측하는 것은 합리적인 것으로 나타났다. PLI와 MLI는 최종 파괴점에서의 기울기를 산정하는 BIm보다 다양한 압입 깊이에 의한 하중의 변화량을 반영할 수 있는 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서는 황등화강암을 대상으로 암석시편의 길이를 변화시켜가며(Table 3) 각각 3번씩 시험을 수행하여 균열의 전파 길이를 조사하였다. 시험을 수행한 결과 기본 조건으로 설정한 압입깊이 6 mm의 시험에서는 균열전파길이가 40 mm 정도로 나타났다. 따라서 길이가 27 mm와 41 mm인 시편은 시험조건에 부합하지 않는다.
- 압입시험에 의해 나타나는 암석의 거동은 암석 특유의 성질이기 때문에 같은 암종의 경우 유사한 형태의 그래프가 나타나게 되며 암종에 따라 취성의 차이로 인하여 하중의 증가 형태가 달라짐을 확인할 수 있었다. 취성도가 높은 암석 하중의 증감이 눈에 띄게 보이는 특징을 나타내었고, 취성도가 낮은 암석은 하중이 완만하게 증가하는 특징을 보였다.
- 따라서 황등화강암의 경우, 압입자가 6 mm 압입되었을 때 수직균열의 전파길이는 압입자의 직하부로부터 34 mm인 것으로 판단할 수 있다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때 6 mm의 압입시험에 필요한 암석코어의 길이는 압입깊이 6 mm와 균열의 전파 길이 40 mm를 더하여 50 mm 가량인 것으로 약 판단할 수 있다. 또한 시료길이가 68 mm인 경우에는 하부면을 구속하는 다이아스톤이 파괴되었다.
- 16과 같으며, 압입깊이 별로 절삭조건이 일정하지 않아 비교적 공통된 시험조건인 커터간격이 48~60 mm 범위에 있는 결과를 사용하였다. 이상의 결과로부터 압입시험을 통해 디스크커터의 수직하중을 개략적으로 추정하는 것은 합리적인 결과를 도출하는 것으로 보인다. 그러나 본 연구에서 가정한 것과는 달리 선행연구에서는 디스크커터의 수직하중은 압입깊이와 선형적인 비례관계를 가지지 않으며 커터간격에도 영향을 받는 것으로 나타났으므로(Cho, 2010, Jeong et al.
- 직경이 증가함에 따라 파괴되는 최대 압입깊이와 작용하중이 함께 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 직경 54 mm와 직경 60 mm의 시험결과는 서로 유사하였으나, 직경 75 mm 이상의 시험결과는 그 이전과 다른 경향성을 보였다(Table 5).
- 압입시험에 의해 나타나는 암석의 거동은 암석 특유의 성질이기 때문에 같은 암종의 경우 유사한 형태의 그래프가 나타나게 되며 암종에 따라 취성의 차이로 인하여 하중의 증가 형태가 달라짐을 확인할 수 있었다. 취성도가 높은 암석 하중의 증감이 눈에 띄게 보이는 특징을 나타내었고, 취성도가 낮은 암석은 하중이 완만하게 증가하는 특징을 보였다. Table 2는 취성도가 높은 아산편마암(case 1)과 상대적으로 취성이 낮은 마천화강암의 압입시험 결과를 요약한 그래프이다.
- 13). 평균수직력과 PLI, MLI와의 Pearson 상관계수는 각각 0.93과 0.90이 도출되었다. Pearson 상관계수는 변수들 간의 선형관계를 나타내 주는 지표로써 값이 클수록 변수들 간에는 강한 선형의 상관관계를 가지는 것을 의미한다.
- 선행 연구(Yagiz, 2002, Yagiz, 2009)에 의해 제시된 지수와의 비교를 위하여 BIm의 산정결과 또한 함께 정리하였다. 하중지수의 크기가 클수록 동일한 압입깊이에서 암석을 파괴시키기 위해서는 더 큰 작용력이 요구됨을 뜻하며 PLI와 MLI는 밀접한 상관성(R2=0.94)을 가지고 있는 것으로 나타났다(Fig. 12).
- 직경 54 mm와 직경 60 mm의 시험결과는 서로 유사하였으나, 직경 75 mm 이상의 시험결과는 그 이전과 다른 경향성을 보였다(Table 5). 하지만 본 연구에서 사용한 하중지수가 직경 60 mm ~ 75 mm 사이를 기점으로 크게 달라지는 것으로 미루어 볼 때(Table 5 참조) 기존의 연구자들과 본 연구에서 사용된 압입자에 적합한 암석코어의 직경은 54 mm ~ 60 mm가량인 것으로 판단되었다. 암석코어의 직경의 변화에 따른 시험결과의 차이는 압입자와 암석코어의 크기효과에서 기인한 것으로 보여진다.
- 14와 같이 그 관계가 약한 것으로 분석되었다. 회전력이 일체 고려되지 않는 시험이기 때문인 것으로 보이며 선형적인 상관관계가 낮긴 하나 PLI와 MLI가 증가함에 따라 커터의 회전력이 증가하는 경향은 확인할 수 있었다.
후속연구
- 한번 적용이 되면 설계 변경이 어려운 TBM 공법의 특성 상 설계 단계에서 해당 암반에 대한 굴진율을 예측하고 굴착성능을 평가하는 것이 공사기간과 비용을 산정하는데 있어 매우 중요하기 때문이다. 따라서 시험 수행 시 많은 비용과 노력이 소요되고 대형 암석 시험체를 채취해야 한다는 점에서 다양한 공사구간에 대한 성능예측이 현실적으로 어려운 선형절삭시험의 한계점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 코어시료를 사용하는 실내시험이기 때문에 LCM시험에 비해 시험수행이 간편하며 이에 소요되는 비용과 노력이 적은 장점을 가진다. 또한 이 시험의 결과는 TBM 디스크커터뿐만 아니라 드래그비트(drag bit)나 원뿔형 픽(conical pick)의 수직하중 혹은 절삭성능을 예측하는 용도로도 활용될 수 있다.
- 압입시험 뿐만 아니라 TBM의 굴진성능예측을 위한 기타 실내시험(NTNU 등)의 활용도를 높이기 위해서는 지속적인 연구를 통하여 국내 암석에 대한 시험결과를 데이터베이스화하고 현장굴진자료와 상관관계를 규명하여 예측모델을 만들어 나가는 것이 무엇보다 중요하다. 본 연구의 주요 결과들은 국내의 TBM 성능예측모델 확립을 위한 기초 자료로서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 하지만 TBM 디스크커터의 작용력을 보다 합리적으로 추정하기 위해서는 더 많은 변수들을 고려하여야 할 것이다. 커터간격은 선형절삭시험에 대한 선행연구에 나타나 있듯이 디스크커터의 작용력에 영향을 주는 중요한 변수 중에 하나이므로 추후 연구를 통하여 커터의 간격을 고려한 작용력을 고려해야 할 것이다. 비록 회전력이 고려되지는 않지만 TBM의 사양설계 시 결정되어야 할 핵심사양 중에 하나인 추력을 암석코어를 사용한 실내실험을 통해 추정할 수 있다는 것은 큰 의미를 지닌다고 하겠다.
- 압입시험은 암석을 압입자로 압입하여 암석의 물리적 특성에 따라 암석의 굴진 저항성을 측정하는 유용한 실내시험방법 중 하나이다. 하지만 적용성을 보다 높이기 위해서는 가장 최적화된 시험법 및 시험 결과의 해석 방법이 제안되어야 할 것으로 판단되었다. 이에 본 연구에서는 규격화된 시험을 수행하기 위하여 암석시편의 크기와 길이를 변화시켜 가며 시험을 수행하여 사용한 압입자에 적합한 시험조건을 제안하였다.
- Pearson 상관계수는 변수들 간의 선형관계를 나타내 주는 지표로써 값이 클수록 변수들 간에는 강한 선형의 상관관계를 가지는 것을 의미한다. 회귀곡선의 결정계수(R2) 역시 0.83으로 강한 상관관계를 가지는 것으로 나타나 압입시험을 통해 산정한 하중지수들은 디스크커터의 평균수직력을 산정하는데 있어 중요한 지표로 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.