본 연구에서는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 데이터베이스로 활용될 수 있는 암석의 기초 물성들을 파악하기 위하여, 제천지역 석회암을 대상으로 수많은 실내 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 흡수율, 간극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 조사하였다. 연구 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였으며, 이질석회암은 회색석회암에 비하여 단위중량은 작고 간극률과 흡수율은 크게 나타나 각종 역학적 특성은 상대적으로 작게 평가되었다. 또한 Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다.
본 연구에서는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 데이터베이스로 활용될 수 있는 암석의 기초 물성들을 파악하기 위하여, 제천지역 석회암을 대상으로 수많은 실내 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 흡수율, 간극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 조사하였다. 연구 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였으며, 이질석회암은 회색석회암에 비하여 단위중량은 작고 간극률과 흡수율은 크게 나타나 각종 역학적 특성은 상대적으로 작게 평가되었다. 또한 Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다.
In order to evaluate the physical properties of rock which might serve as a database for both mining and civil works, a lot of laboratory tests for Jecheon limestones were conducted to find unit weight, absorption ratio, porosity, elastic wave velocity, uniaxial compressive strength, Young's modulus...
In order to evaluate the physical properties of rock which might serve as a database for both mining and civil works, a lot of laboratory tests for Jecheon limestones were conducted to find unit weight, absorption ratio, porosity, elastic wave velocity, uniaxial compressive strength, Young's modulus, poisson's ratio, tensile strength, shore hardness, friction angle and cohesion. On investigation of the mechanical properties of both the gray limestone and the clayey limestone distributed in the studied region, the clayey limestone turned out to have more weak mechanical properties which might come from low unit weight, high absorption ratio and high porosity of rocks. The failure criteria of Jecheon limestones were discussed by means of both Mohr-Coulomb criterion and Hoek-Brown criterion. Regression analyses of the physical properties obtained from a lot of laboratory tests were also conducted by means of both linear and multiple regression analyses.
In order to evaluate the physical properties of rock which might serve as a database for both mining and civil works, a lot of laboratory tests for Jecheon limestones were conducted to find unit weight, absorption ratio, porosity, elastic wave velocity, uniaxial compressive strength, Young's modulus, poisson's ratio, tensile strength, shore hardness, friction angle and cohesion. On investigation of the mechanical properties of both the gray limestone and the clayey limestone distributed in the studied region, the clayey limestone turned out to have more weak mechanical properties which might come from low unit weight, high absorption ratio and high porosity of rocks. The failure criteria of Jecheon limestones were discussed by means of both Mohr-Coulomb criterion and Hoek-Brown criterion. Regression analyses of the physical properties obtained from a lot of laboratory tests were also conducted by means of both linear and multiple regression analyses.
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문제 정의
또한 암석의 영률은 암반의 변형특성을 알려주는 기본적인 파라미터로 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 석회암의 탄성파 속도 및 영률과 기타 다른 물성 간의 상호관련성을 알아보기 위하여 실험결과 값들에 대한 회귀분석을 실시하였다.
본 연구에서는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 데이터베이스로 활용될 수 있는 암석의 기초 물성들을 파악하기 위하여, 제천지역 금성면 일대에서 채취한 석회암을 대상으로 수많은 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 흡수율, 간극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 구하였다. 이 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였고, Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다.
본 연구에서는 석회암의 일축압축강도와 기타 물성 간의 상호관련성을 알아보기 위하여 실험결과 값들에 대한 단순회귀분석을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 제천지역 석회암의 물성 간 상호관계를 알아보기 위하여, 실내 시험으로 구한 각종 물성 값들에 대해 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석은 2개 이상의 정량적 변수들 간의 관계를 이용하여 하나의 변수가 나머지 다른 변수들로부터 예측이 가능하게 하는 통계적 기법이다.
압열인장시험은 암석의 간접인장강도를 구하는 것을 목적으로 한다(한국암반공학회, 2006). 본 연구에서는 평균값으로서 지름 50.
제안 방법
본 연구에서는 제천지역 석회암을 대상으로 수많은 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 간극률, 흡수율, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 구하였다. 또한 이 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였고, Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
2mm 규격의 시험편을 총 84개 제작하고 삼축압축시험을 실시하였다. 또한 일정 심도에 위치한 암석의 내부마찰각과 점착력을 구하기 위하여 임의의 한 지점에서 시험편을 3개씩 제작하고 이들에 대해 구속압을 2.5, 7.5, 12.5 MPa 또는 5.0, 10.0, 15.0 MPa로 달리 적용하여 삼축압축시험을 실시하였다. 구속압의 크기를 달리 적용한 3가지 시험편에 대한 삼축압축시험 결과를 이용하여 임의의 한 지점에 위치한 암석에서의 내부마찰각과 점착력을 구하였으며, 이렇게 구해진 내부마찰각과 점착력의 총 자료 개수는 28개이다.
본 연구에서는 암석물성시험 자료처리용 프로그램인 RocData Ver. 4.0을 이용하여 총 84회의 삼축압축시험 모두를 분석하였다. Fig.
회귀분석에는 단순회귀분석과 다중회귀 분석이 있는데, 독립변수가 하나인 경우가 단순회귀분석이고, 두 개 이상인 경우는 다중회귀분석이라 한다. 본 연구에서는 이 두 가지 회귀분석을 실시함으로써 독립변수와 종속변수간의 상관관계, 즉 상호관련성 여부를 조사하였으며 물성 간 회귀식과 결정계수 등을 구하였다.
본 연구에서는 제천지역 석회암을 대상으로 수많은 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 간극률, 흡수율, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 구하였다. 또한 이 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였고, Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다.
삼축압축시험은 암석의 내부마찰각과 점착력을 구하는 것을 목적으로 하며, 구속압의 크기를 달리한 시험편의 개수는 5개 이상을 원칙으로 하되 최소 3개 이상의 시험편에 대해 시험을 실시하도록 규정되어 있다(한국암반공학회, 2006). 본 연구에서는 평균값으로서 지름 50.1mm, 길이 100.2mm 규격의 시험편을 총 84개 제작하고 삼축압축시험을 실시하였다. 또한 일정 심도에 위치한 암석의 내부마찰각과 점착력을 구하기 위하여 임의의 한 지점에서 시험편을 3개씩 제작하고 이들에 대해 구속압을 2.
압열인장시험은 암석의 간접인장강도를 구하는 것을 목적으로 한다(한국암반공학회, 2006). 본 연구에서는 평균값으로서 지름 50.1mm, 길이 25.2mm 규격의 시험편을 총 55개 제작하고 압열인장시험을 실시하였으며, 이 시험편을 사용하여 암석 반발경도의 일종인 쇼어경도를 측정하기도 하였다.
일축압축시험은 암석의 일축압축강도를 구하는 것을 목적으로 하지만(한국암반공학회, 2005), 이 시험편을 사용하여 암석의 단위중량, 간극률, 흡수율, P파 속도, S파 속도, 영률, 포아송비 등의 다양한 물성을 구할 수 있다. 본 연구에서는 평균값으로서 지름 50.2 mm, 길이 100.4 mm 규격의 일축압축시험편을 총 73개 제작하고 일축압축시험을 실시함으로써 위의 물성들을 구하였다. 세부적인 시험방법은 한국암반공학회 표준암석시험법 (한국암반공학회, 2005)에 따라 실시하였다.
Table 4는 시험에서 얻어진 암석의 물성들을 나타낸 것이다. 여기서, 회색석회암과 이질석회암의 암종별 물성 값과 이들을 통합한 전체 석회암의 물성 값을 각각 나타내었으며, 각 암석의 물성 값은 평균값, 표준편차, 최대값, 최소값 등으로 나누어 표시하였다. 예를 들어 Table 4에서 회색석회암의 측정 자료 개수는 66개이고, 단위중량은 26.
본 연구에서는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 데이터베이스로 활용될 수 있는 암석의 기초 물성들을 파악하기 위하여, 제천지역 금성면 일대에서 채취한 석회암을 대상으로 수많은 역학시험을 실시하여 암석의 단위중량, 흡수율, 간극률, 탄성파 속도, 쇼어경도, 일축압축강도, 인장강도, 영률, 포와송비, 점착력, 내부마찰각 등의 각종 물리적 성질을 구하였다. 이 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였고, Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다. 이 연구의 결과는 국내 암석의 물리적 성질에 관한 연구 중의 하나로서, 국내 석회암에 대한 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
이와 같이 본 연구에서는 구속압을 2.5, 5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 15.0 MPa의 6가지로 적용하여 실험함으로써 삼축압축시험에서 구속압의 크기 영향을 살펴보고자 하였으며, 아울러 Mohr-Coulomb 파괴기준과 HoekBrown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였다.
한편, 단순회귀분석을 통해 일축압축강도와 관련성이 큰 물성으로 나타난 P파 속도, 영률, 포아송비 등에 대해서는 다중회귀분석도 실시하였으며 여기서 구해진 회귀식은 다음과 같다.
한편, 두 개의 시추공에서 채취된 NX규격의 시추 코어를 가공하여 암석의 물리적 성질을 구하기 위한 시험편들을 제작하였다. 일축압축강도 시험편, 압열인장강도 시험편, 삼축압축강도 시험편은 각각 한국암반공학회 표준암석시험법을 따라 제작하였으며(한국암반공학회, 2005), 각 시험별 시험편의 수량은 Table 2와 같다.
대상 데이터
0 MPa로 달리 적용하여 삼축압축시험을 실시하였다. 구속압의 크기를 달리 적용한 3가지 시험편에 대한 삼축압축시험 결과를 이용하여 임의의 한 지점에 위치한 암석에서의 내부마찰각과 점착력을 구하였으며, 이렇게 구해진 내부마찰각과 점착력의 총 자료 개수는 28개이다.
본 연구에서는 충북 체천시 금성면에 위치한 ㈜NMC몰랜드 광산에서 코어 형태로 채취한 암석 시료에 대해 실내 시험을 실시하였다. 이 광산은 몰리브덴을 주로 채광하는 광산으로서 제천시 중심지로부터 남측 약 7 km 지점에 위치한다.
데이터처리
더욱이 본 지역의 석회암은 주로 회색석회암이며 이질석회암은 회색석회암층 사이에서 간헐적으로 나타나기 때문에, 광산 개발이나 토목 구조물 설계를 위한 공학적인 관점에서 보면 두 가지 석회암을 통합하여 분석하는 것이 더 합리적이라 생각된다. 따라서 본 연구에서는 회색석회암과 이질석회암의 시험자료를 통합한 모든 자료를 대상으로 SPSS ver. 18.0을 사용하여 회귀분석을 실시 하였다.
이론/모형
4 mm 규격의 일축압축시험편을 총 73개 제작하고 일축압축시험을 실시함으로써 위의 물성들을 구하였다. 세부적인 시험방법은 한국암반공학회 표준암석시험법 (한국암반공학회, 2005)에 따라 실시하였다.
압열인장시험과 삼축압축시험의 세부적인 시험방법은 한국암반공학회 표준암석시험법(한국암반공학회, 2006)에 따라 실시하였다. Table 5는 압열인장시험, Table 6은 삼축압축시험의 결과를 나타낸 것으로서 Table 4와 마찬가지로 암석의 불균질성으로 인해 각종 물성 값들은 어느 정도 흩어짐이 나타나는 것을 알 수 있었다.
한편, 두 개의 시추공에서 채취된 NX규격의 시추 코어를 가공하여 암석의 물리적 성질을 구하기 위한 시험편들을 제작하였다. 일축압축강도 시험편, 압열인장강도 시험편, 삼축압축강도 시험편은 각각 한국암반공학회 표준암석시험법을 따라 제작하였으며(한국암반공학회, 2005), 각 시험별 시험편의 수량은 Table 2와 같다. 여기서 회색석회암에 비하여 이질석회암의 시험편 수량이 작은 것은 본 지역에서 채취된 두 가지 석회암의 산출 빈도를 고려하였기 때문이다.
성능/효과
1. 일축압축시험 73회, 압열인장시험 55회, 삼축압축시험 84회를 실시하여 얻어진 제천석회암의 평균 물성은 단위중량 26.7 kN/m3 , 간극률 0.89%, 흡수율 0.32%, P파 속도 4803 m/s, S파 속도 3104 m/s, 쇼어경도 43, 일축압축강도 65 MPa, 인장강도 5 MPa, 영률 56 GPa, 포와송비 0.23, 점착력 12 MPa, 내부 마찰각 47°이었다.
2. 이질석회암은 회색석회암에 비하여 단위중량은 작고 간극률과 흡수율은 크게 나타났으며, 각종 역학적 특성은 상대적으로 작게 평가되었다.
3. 삼축압축시험의 결과를 Hoek-Brown 파괴조건식에 적합시켜 구한 파괴상수 m은 11.46으로 나타났는데, 이는 이 파괴조건식의 제안자가 제시한 석회암의 m값과 부합하였다.
4. 물성 상호간의 관련성을 조사하기 위한 회귀분석에서 석회암의 일축압축강도는 P파 속도, 영률, 포아송비 등과 밀접한 상호 관계를 보였다.
1은 총 73개 석회암 시험편의 물성 분포를 나타낸 것으로, Table 4에 나타난 8가지 물성별로 히스토그램과 정규곡선을 표시한 것이다. 당초 시험 암석들은 모두 비슷한 외견을 가지고 있었으나 암석의 불균질성으로 인해 각종 물성 값들은 어느 정도 흩어짐이 나타나는 것을 알 수 있었다. 각 자료들의 표준편차는 Table 4에 나타낸 바와 같다.
먼저 P파 속도에 대한 단순회귀분석의 결과, P파 속도는 S파 속도와 가장 관련성이 크게 나타났다. Fig.
본 광산의 갱도 내 두 지점에서 각각 시추작업(NX, L=400m)를 실시하였으며, 채취된 시추 코어를 분석한 결과 이 지역은 석회암이 가장 우세하게 나타났다. 이 지역의 지층은 석회암, 스카른, 석회규산염암, 백운암, 석영반암, 돌로마이트 층이 분포하며, 몰리브덴 광체는 석회암층 또는 스카른 및 석영반암층 내에 협재되어 있었다.
Table 7은 이 두 가지 석회암의 평균 물성을 비교한 것으로서 이 표는 Table 4, 5, 6에서 발췌하여 제작한 것이다. 여기서 이질석회암은 회색석회암에 비하여 단위중량은 작고 간극률과 흡수율은 크게 나타나 상대적으로 간극을 많이 포함하고 있음을 알 수 있었다. 이러한 구조적 특성은 각 암석의 역학적 성질에도 영향을 미치는 것이 확인되었는데, 예를 들어 이질석회암의 탄성파 속도와 일축압축강도는 회색석회암에 비하여 작게 나타났으며 영률과 포아송비 등의 변형 특성도 유사한 경향을 나타내었다.
전술한 바와 같이 본 지역 석회암은 회색석회암과 이질석회암으로 구분되며, 전체 석회암 중에서 약 90%는 회색석회암이고 이질석회암은 약 10%에 불과하였다. 따라서 이질석회암의 측정 자료 수는 회색석회암의 자료 수에 비하여 상대적으로 적다.
한편, 시추코어에서 나타난 석회암은 크게 두 가지 종류로 구분할 수 있었는데, 첫째는 회색을 나타내는 일반적인 석회암(이하 “회색석회암”이라고 함)이고 둘째는 밝은 회색을 나타내며 이질이 협재되어 있는 석회암(이하 “이질석회암”이라고 함)이다. 전체 석회암 중에서 약 90%는 회색석회암이었고 이질석회암은 약 10%에 불과하였다.
후속연구
5. 이 연구의 결과는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
이처럼 국내 암석의 물리적 성질에 관한 연구들은 꾸준히 수행되고 있지만 암석은 불균질하고 이방성을 가진 재료이므로 아직까지 모든 물성을 규명하여 변형거동을 예측하기에는 다소 무리가 있다. 더욱이 암석의 물성은 암석 종류나 풍화 정도에 따라 민감하게 달라지므로 이에 대한 계속적인 연구가 필요한 것으로 생각된다.
이 지역에 분포하는 회색석회암과 이질석회암의 역학적 특성을 비교 검토하였고, Mohr-Coulomb 파괴기준과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 제천 석회암의 파괴조건을 해석하였으며, 여러 가지 물성간의 단순회귀분석과 다중회귀분석을 통해 물성 상호간의 관련성을 알아보았다. 이 연구의 결과는 국내 암석의 물리적 성질에 관한 연구 중의 하나로서, 국내 석회암에 대한 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석회암의 특징은 무엇인가?
8%를 차지한다(한국지구과학회, 2009). 석회암은 시멘트의 주원료로서 유용한 광물자원으로 활용되기도 하지만, 자체 내에 크고 작은 공동을 포함하는 경우가 많으므로 토목 공사에서는 특별한 주의가 필요한 암반이다.
본 논문에서 수행한, 제천지역 석회암을 대상으로 수많은 역학시험을 통해 알 수 있는 것은 무엇인가?
1. 일축압축시험 73회, 압열인장시험 55회, 삼축압축시험 84회를 실시하여 얻어진 제천석회암의 평균 물성은 단위중량 26.7 kN/m3 , 간극률 0.89%, 흡수율 0.32%, P파 속도 4803 m/s, S파 속도 3104 m/s, 쇼어경도 43, 일축압축강도 65 MPa, 인장강도 5 MPa, 영률 56 GPa, 포와송비 0.23, 점착력 12 MPa, 내부 마찰각 47°이었다.
2. 이질석회암은 회색석회암에 비하여 단위중량은 작고 간극률과 흡수율은 크게 나타났으며, 각종 역학적 특성은 상대적으로 작게 평가되었다.
3. 삼축압축시험의 결과를 Hoek-Brown 파괴조건식에 적합시켜 구한 파괴상수 m은 11.46으로 나타났는데, 이는 이 파괴조건식의 제안자가 제시한 석회암의 m값과 부합하였다.
4. 물성 상호간의 관련성을 조사하기 위한 회귀분석에서 석회암의 일축압축강도는 P파 속도, 영률, 포아송비 등과 밀접한 상호 관계를 보였다.
5. 이 연구의 결과는 석회암 지반에서 광산개발이나 토목공사를 수행할 때 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
조선누층군은 한반도 어디에 위치하는가?
충청북도 제천, 단양 지역과 강원도 삼척, 태백, 영월, 정선 일대에 넓게 분포하는 조선누층군은 우리나라의 대표적인 석회암층이다. 조선누층군은 북한에서는 평남지역, 남한에서는 옥천대 북동부 지역에 위치하며 한반도 면적의 약 8.
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