[논문]동적하중 하에서 석회암의 변형 및 파괴거동에 관한 실험적 연구

강명수; 강형민; 김승곤; 천대성; 조상호

doi:10.7474/tus.2012.22.5.339

동적하중 하에서 석회암의 변형 및 파괴거동에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Deformation and Failure Behavior of Limestones under Dynamic Loadings 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.22 no.5 = no.100, 2012년, pp.339 - 345

강명수 (전북대학교 자원.에너지공학과) , 강형민 (전북대학교 자원.에너지공학과) , 김승곤 (전북대학교 자원.에너지공학과) , 천대성 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , (북해도대학 대학원 공학연구과) , 조상호 (전북대학교 자원.에너지공학과)

초록
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동적하중 하에서 암석의 변형거동 및 파괴강도는 발파, 지진 또는 암반돌출의 지진동에 의한 지하구조물의 안정해석에 중요하다. 본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB) 충격실험시스템을 석회암시료의 일축압축시험과 압열인장시험에 적용하여 고변형률과 동적강도 평가를 수행하였다. 충격봉의 발사속도를 제어하여 파괴강도 이하 동적응력 상태에서의 석회암시료의 동적응력-변형거동을 분석하였다. 시료 내 파괴여부 및 파괴양상을 파악하기 위하여 Micro-focus X-ray 단층촬영을 수행하였다. 동적 압축강도 실험결과, 석회암시료의 동적압축강도는 변형율속도 의존성을 보였으며, 동적 압축파괴강도는 140 MPa 이상으로 평가되었다. 동적 압열 인장 실험결과, 석회암시료의 동적 압열인장강도는 21 MPa 이상으로 정적 압열인장강도보다 3배 이상 높은 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Information on the deformation behavior and fracture strength of rocks subjected to dynamic loadings is important to stability analyses of underground openings underground vibration due to rock blasts, earthquakes and rock bursts. In this study, Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) system was applied to estimate dynamic compressive and tensile fracture strengths of limestone and also examine deformation behavior of limestones under dynamic loadings. A micro-focus X-ray CT scanner was used to observe non-destructively inside the impacted limestone specimens. From the dynamic tests, it was revealed that the limestone have over 140MPa dynamic compressive strength and the strain-rate dependency of the strength. Dynamic Brazilian tensile strength of the limestone exceeds 21MPa and shows over 3 times static Brazilian tensile strength.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

동적압축 및 동적인장 하중에 의한 석회암의 변형거동 및 파괴강도를 파악하기 위하여, 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB)실험법에 일축압축실험과 압열인장실험을 적용하여 석회암에 대한 동적강도 평가를 수행하였다. 단계별 충격하중에 의한 석회암시료의 변형률속도 및 최대파괴강도를 평가하였다. 동적 일축압축실험으로부터, 석회암시료는 동적 압축강도의 변형률속도 의존성을 보여주었으며, 동적 임계파괴강도는 140 MPa로 평가되어 정적 압축강도보다 높은 값을 보였다.
동적 압열인장실험 중 시료 내 중앙부분에 발생하는 인장균열을 확인하기 위하여 고속카메라 촬영을 수행하였다. Fig.
동적인장강도실험은 단계별 변형률 속도 하에 동적인장강도를 평가하기 위하여 충전 압축공기압력을 10 psi와 15 psi로 제어하였으며, 실험시료가 파괴되기 전에 시료 내 준정적 응력상태가 유지되도록 펄스쉐이핑 기법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였고, 200 mm의 충격봉을 사용하였다.
본 연구에서는 관전압 130 kV와 관전류 98μA의 콘빔(cone beam)조건으로 시험시료에 대하여 촬영을 수행하였다.
본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB) 충격실험시스템에 일축압축시험과 압열인장시험을 적용하여 석회암에 대한 동적강도 평가를 수행하였다. 사용된 암석시료는 장수광업소에서 채취한 백운암질 석회암으로 재현성을 높이기 위하여 정밀하게 제작되었다.
충격봉의 발사속도를 제어하여 파괴강도 이하의 동적응력상태에서 석회암시료의 동적응력변형거동을 분석하였다. 시료 내 파괴여부 및 파괴양상을 파악하기 위하여 고해상도 Micro-focus X-ray 단층 촬영을 수행하였다.
본 연구에서는 관전압 130 kV와 관전류 98μA의 콘빔(cone beam)조건으로 시험시료에 대하여 촬영을 수행하였다. 암석은 고밀도의 재료이므로 6 mm의 구리 필터를 이용하여 게인(gain) 보정을 실시하였다. 슬라이스의 해상도는 1,024×1,024로 설정하였다.
사용된 암석시료는 장수광업소에서 채취한 백운암질 석회암으로 재현성을 높이기 위하여 정밀하게 제작되었다. 응력평형 이전에 시료 내의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑 기법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 변형률-시간 곡선으로부터 동적압축 및 동적 압열인장강도, 변형률 속도를 평가하였다. 충격봉의 발사속도를 제어하여 파괴강도 이하의 동적응력상태에서 석회암시료의 동적응력변형거동을 분석하였다.
응력평형 이전에 시료 내의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑 기법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 변형률-시간 곡선으로부터 동적압축 및 동적 압열인장강도, 변형률 속도를 평가하였다. 충격봉의 발사속도를 제어하여 파괴강도 이하의 동적응력상태에서 석회암시료의 동적응력변형거동을 분석하였다. 시료 내 파괴여부 및 파괴양상을 파악하기 위하여 고해상도 Micro-focus X-ray 단층 촬영을 수행하였다.

대상 데이터

석회암 블록으로부터 회수한 암석코어를 절단 및 연마하여 밀도, 탄성파속도, 정적 일축압축강도(6회), 정적 압열강도(3회)를 수행한 결과의 평균값을 Table 1에 나타내었다. 대상 석회암 시료는 건설표준품셈기준으로 보통암이다.
이러한 조건을 만족시키기 위하여 금속재 디스크를 이용한 충격파형을 제어하는 펄스쉐이핑 기법을 적용하였다(Frew et al, 2002). 본 실험에는 직경 10 mm, 두께 0.58 mm의 구리디스크를 사용하였다. 충격봉의 발사속도는 6∼14 m/s범위가 되도록 압축공기압을 제어하였다.
광산에서 생산되는 백운암질 석회암은 백색 및 회백색의 결정질이며, 암맥의 경사방향은 110-130°, 경사는 20-60°의 범위를 보이고 있다. 본 실험에서 사용한 시료는 발파 후 발생한 파괴블록으로부터 드릴 코어링을 수행하여 제작되었다. Fig.
봉의 재질은 열처리 머레이징강을 사용하였으며, 입사 봉의 길이는 2,600 mm, 전달봉의 길이는 1,600 mm, 봉 직경은 φ37.67 mm이다.
본 연구에서는 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB) 충격실험시스템에 일축압축시험과 압열인장시험을 적용하여 석회암에 대한 동적강도 평가를 수행하였다. 사용된 암석시료는 장수광업소에서 채취한 백운암질 석회암으로 재현성을 높이기 위하여 정밀하게 제작되었다. 응력평형 이전에 시료 내의 파괴를 방지하기 위하여 펄스쉐이핑 기법을 적용하여 입사파의 증가시간을 제어하였으며, 동적 변형률 측정법으로 계측된 변형률-시간 곡선으로부터 동적압축 및 동적 압열인장강도, 변형률 속도를 평가하였다.
시료 채취 현장은 전북 장수에 위치한 ○○산업(주) 장수광업소로서, 부근 지질에는 선캄브리아기 흑운모편마암과 백운암질 석회암, 규질 석회암이 주로 나타나고 있다. 광산에서 생산되는 백운암질 석회암은 백색 및 회백색의 결정질이며, 암맥의 경사방향은 110-130°, 경사는 20-60°의 범위를 보이고 있다.

이론/모형

동적압축 및 동적인장 하중에 의한 석회암의 변형거동 및 파괴강도를 파악하기 위하여, 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB)실험법에 일축압축실험과 압열인장실험을 적용하여 석회암에 대한 동적강도 평가를 수행하였다. 단계별 충격하중에 의한 석회암시료의 변형률속도 및 최대파괴강도를 평가하였다.
암석과 같은 취성재료를 본 실험에 적용하기 위해서는 암석시료가 최종 파괴이전에 시료 전체에 걸쳐 응력 평형상태가 도달하여야 하고, 일정한 변형률속도를 유지해야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위하여 금속재 디스크를 이용한 충격파형을 제어하는 펄스쉐이핑 기법을 적용하였다(Frew et al, 2002). 본 실험에는 직경 10 mm, 두께 0.

성능/효과

4(c)는 입사봉와 전달봉을 잇는 인장균열을 보여주고 있다. 결과적으로, 1 ms 이후 2 ms 사이에 균열이 발생했음을 알 수 있다.
동적 일축압축실험으로부터, 석회암시료는 동적 압축강도의 변형률속도 의존성을 보여주었으며, 동적 임계파괴강도는 140 MPa로 평가되어 정적 압축강도보다 높은 값을 보였다. 동적 압열인장실험결과, 석회암시료의 동적 압열인장강도는 21 MPa 이상으로 정적강도보다 3배정도 높았으며, 변형률 속도 의존성을 보였다. 동적 일축압축실험 시료에 대한 Micro-focus X-ray 단층화상 분석으로부터, 석회암 시료의 동적 임계파괴강도 이상에서는 시료 내 전단파괴 양상이 나타나고 있음을 보여주었다.
동적 압열인장실험결과, 석회암시료의 동적 압열인장강도는 21 MPa 이상으로 정적강도보다 3배정도 높았으며, 변형률 속도 의존성을 보였다. 동적 일축압축실험 시료에 대한 Micro-focus X-ray 단층화상 분석으로부터, 석회암 시료의 동적 임계파괴강도 이상에서는 시료 내 전단파괴 양상이 나타나고 있음을 보여주었다.
단계별 충격하중에 의한 석회암시료의 변형률속도 및 최대파괴강도를 평가하였다. 동적 일축압축실험으로부터, 석회암시료는 동적 압축강도의 변형률속도 의존성을 보여주었으며, 동적 임계파괴강도는 140 MPa로 평가되어 정적 압축강도보다 높은 값을 보였다. 동적 압열인장실험결과, 석회암시료의 동적 압열인장강도는 21 MPa 이상으로 정적강도보다 3배정도 높았으며, 변형률 속도 의존성을 보였다.
실험으로부터 얻어진 입사파, 반사파, 전달파는 변형률 보정계수를 통해 변형률-시간 곡선으로 전환시키고, 식 (1), (2), (3)에 대입하여 시료 내 최대응력과 변형률 속도를 평가하여, Table 2에 정리하였다. 최대 압축응력값은 변형률속도가 증가함을 보이고 있다. 각 석회암 시료의 동적응력-변형률의 그래프를 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석회석 광산에 일어나고 있는 변화는 무엇인가?	최근 국내 석회석 광산의 경우, 노천채광에서 갱내채광으로 전환하거나 비산, 먼지, 진동 등의 환경 유해요소를 저감시키기 위하여 갱외시설물을 갱내화 하는 사례가 증가하고 있다. 특히 파쇄기와 선광시설 등 갱외 시설물을 지하에 설치하는 경우에는 지진이나 발파와 같은 지진동에 대한 지하공동 주변암반의 지속적인 안정성이 확보되어야 한다.
	갱외 시설물을 지하에 설치할 경우, 무엇이 필요한가?	최근 국내 석회석 광산의 경우, 노천채광에서 갱내채광으로 전환하거나 비산, 먼지, 진동 등의 환경 유해요소를 저감시키기 위하여 갱외시설물을 갱내화 하는 사례가 증가하고 있다. 특히 파쇄기와 선광시설 등 갱외 시설물을 지하에 설치하는 경우에는 지진이나 발파와 같은 지진동에 대한 지하공동 주변암반의 지속적인 안정성이 확보되어야 한다. 석회석 지하광산개발은 폭약을 이용한 굴착이 이루어지므로 공동주변 암반에 손상 영역이 남게 되며, 이러한 영역은 지하공동의 장기간의 안정성에 큰 영향을 미치게 된다.
	본 논문에서 스플릿 홉킨슨 압력봉(SHPB)실험법에 일축압축실험과 압열인장실험을 적용하여 석회암에 대한 동적강도 평가를 수행하고, 단계별 충격하중에 의한 석회암시료의 변형률속도 및 최대파괴강도를 평가한 결과는 어떠한가?	단계별 충격하중에 의한 석회암시료의 변형률속도 및 최대파괴강도를 평가하였다. 동적 일축압축실험으로부터, 석회암시료는 동적 압축강도의 변형률속도 의존성을 보여주었으며, 동적 임계파괴강도는 140 MPa로 평가되어 정적 압축강도보다 높은 값을 보였다. 동적 압열인장실험결과, 석회암시료의 동적 압열인장강도는 21 MPa 이상으로 정적강도보다 3배정도 높았으며, 변형률 속도 의존성을 보였다. 동적 일축압축실험 시료에 대한 Micro-focus X-ray 단층화상 분석으로부터, 석회암 시료의 동적 임계파괴강도 이상에서는 시료 내 전단파괴 양상이 나타나고 있음을 보여주었다.

참고문헌 (8)

Cho S.H., Cho S.K., Kim S.K., P C., Kaneko K., 2009, Experimental Study on the Dynamic Damage Mechanism of Rocks Under Different Impact Loadings, Korean Society for Rock Mech., Tunnel and Underground Space, 19.6, 545-557.
Yang J.H., Ahn J.L., Kim S.K., Song Y.S., Sung N.H., L Y.K., Cho S.H., 2011, Estimation of Dynamic Brazilian Tensile Strength of Rocks Using Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) System, Korean Society for Rock Mech., Tunnel and Underground Space, 21.2, 109-116.
Cho S.H., Nakamura Y., Ogata Y., Mohanty B., Kitayama H. and Kaneko K., 2007, Fracture processes of rocks in dynamic tensile-splitting test, the 1st Canada and U.S. Rock Mechanics Symposium, Vancouver, Canada.
Jason T.G., Arun S. and Atul S., 2002, Photoelastic Evaluation of Stress Fields and Fracture During Dynamic Splitting Experiments, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, ETATS-UNIS, 30.3, 186-196.
Cho S.H., Mohanty B., Rajeev R., Xia K., and Kaneko K., 2007, Fragmentation mechanism of rock in Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test, 21st Canadian Congress of Applied Mechanics, Ryerson University, Toronto, Canada, 607-608.
Frew D.J., Forrestal M. J. and Chen W., 2002, Pulse shaping techniques for testing brittle materials with a split hopkinson pressure bar, Experimental Mechanics, 42.1, 93-106.

상세보기
Joseph W.T., Allen R.C. and Steven T.K., 1993, Experimental and Numerical Analysis of High Strain Rate Splitting Tensile Tests, ACI Materials Journal, 90.2.

상세보기
Zhao J. and Li H.B., 2000, Experimental determination of dynamic tensile properties of a granite, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 861-866.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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