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문제 정의
- 이 연구에서는 절리면의 전단거동 특성을 거칠기 변화양상을 고려하여 고찰하였다. 전단거동에 의한 거칠기 변화를 정량적으로 분석하기 위하여 3차원 레이저스캐너를 사용하여 절리면 형상에 대한 좌표를 획득하고 거칠기 변화에 대한 최적의 거칠기 계수를 도출하였다.
- 10a). 이와 같은 강도계수 변화에 대해 원인을 분석하기 위하여 절리면의 미세 거칠기 변화양상을 고찰하였다. Type 1양상을 나타내는 편마암 절리시료 GN18에서 측정한 미세 거칠기 분포를 Fig.
가설 설정
- 1. 절리면의 전단강도는 초기 거칠기의 영향을 크게 받는다. 절리면 강도가 높을수록 거칠기에 의거한 전단 저항력이 크게 발휘된다.
제안 방법
- 거칠기 변화를 효과적으로 반영하는 계수를 선정하기 위하여 편마암, 화강암 및 셰일 절리시료를 이용하여 법선응력 3.4-5.0 MPa 구간에서 순차적 전단시험을 수행하고 전단거동 전ㆍ후의 거칠기 감쇠에 의한 계수 변화를 산정하여 Fig. 2에 도시하였다. 수치적으로 상이한 범위의 값을 갖는 계수들의 변화를 고찰하기 위하여 거칠기 계수를 초기 값을 기준으로 정규화하였다.
- 절리면의 거칠기 및 법선응력의 크기가 전단거동에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 다단계 절리면 전단시험을 수행하였다. 다단계 전단시험은 일정한 법선응력 구간을 설정하여 수행되었으며, 전단변위가 발생되면 절리시료를 원위치 시키지 않은 상태에서 법선응력을 순차적으로 증가시켜 다음 법선응력 단계에서의 전단거동을 측정하였다. 전단시험에는 화강암, 편마암, 셰일의 세 가지 암종에서 추출한 절리시료를 사용하였다.
- 전단거동에 의한 거칠기 변화를 정량적으로 분석하기 위하여 3차원 레이저스캐너를 사용하여 절리면 형상에 대한 좌표를 획득하고 거칠기 변화에 대한 최적의 거칠기 계수를 도출하였다. 다단계 전단시험을 수행하여 법선응력 크기에 따른 거칠기 변화양상과 거칠기 감쇠에 따른 전단강도 변화를 고찰하였다.
- 시험단계별로 절리면의 전단강도계수인 점착력(c) 및 마찰각(Φ)을 산정하였다. 반복되는 전단거동에 의한 순차적 거칠기 감쇠를 고찰하고 전단강도에 대한 영향을 분석하기 위하여 시험단계별로 절리면 거칠기를 Ace One 사에서 제작한 3차원 레이저 스캐너(모델 RP205)로 측정하였다. 초기 거칠기 측정→ 특정 법선응력 구간에서의 다단계 전단시험 → 전단강도 계수 산정 → 거칠기 재측정 과정이 순차적으로 반복되었으며, 전단거동에 의해 거칠기 변화가 매우 미약하거나 절리표면이 완전히 마모되거나 파쇄될 때 까지 4~9회 반복하여 수행되었다.
- 반복된 전단거동에 의한 거칠기 감쇠를 고찰하기 위하여 전단시험 단계별로 거칠기 계수 Ai-를 산정하였다. 편마암, 화강암 및 세일 시료에 대하여 4개 법선응력구간에서 수행된 최초 4회까지 반복된 전단거동에 의한 거칠기 감쇠(ΔAi-)를 산정하고 초기 Ai- 와의 관계를 회귀분석하여 Fig.
- 단일 절리시료는 특정 법선응력 구간에서의 다단계 전단시험에 이용되었다. 법선응력 구간은 0.1-0.5 MPa, 0.7-1.5 MPa, 1.8-3.0 MPa 및 3.4-5.0 MPa 이며, 각 법선응력 구간에서 5 단계로 법선응력을 증가시켜 전단시험을 수행하였다(Cho and Suk, 2013).
- Kim(2001)은 측정 간격의 증가에 따라 계수가 지수함수적으로 감소하며, 감소되는 양상은 계수에 따라서 상이한 것으로 보고하였다. 본 연구에서는 이와 같은 양상을 고찰하기 위하여 화강암 절리시료 GN01에 대해서 거칠기 계수 Rp, SDH, SDSL, Z2, iave 및 Ai- 를 0.1 ~ 1.0 mm 범위에서 측정 간격을 변화시켜 산정하고 계수 변화 양상을 Fig. 1에 도시하였다. 계수 산정결과는 0.
- 2에 도시하였다. 수치적으로 상이한 범위의 값을 갖는 계수들의 변화를 고찰하기 위하여 거칠기 계수를 초기 값을 기준으로 정규화하였다. 순차적 전단거동에 의해 거칠기 계수 Z2 , SLave 및 Rp-1은 증가/감소를 반복하며, 거칠기 감쇠가 진행된 이후에도 초기 거칠기 계수를 상회하는 경향이 나타났다.
- 시험단계별로 절리면의 전단강도계수인 점착력(c) 및 마찰각(Φ)을 산정하였다.
- 그러나 전단강도 기준선의 하강에 따라 강도계수인 점착력은 감소하지만 마찰각은 감소하는 형태(type 1) 및 증가하는 형태(type 2)의 상반된 변화양상이 나타나는 것이 보고되었다(Cho and Suk, 2013). 이 연구에서도 편마암 절리시료를 이용한 전단거동 분석에서 동일한 전단강도 계수변화 양상을 획득하였다. 편마암 절리시료 GN18의 경우 순차적 전단거동에 의해 점착력과 마찰각이 모두 감소하였으며(Fig.
- 이 연구에서는 절리면의 전단거동 특성을 거칠기 변화양상을 고려하여 고찰하였다. 전단거동에 의한 거칠기 변화를 정량적으로 분석하기 위하여 3차원 레이저스캐너를 사용하여 절리면 형상에 대한 좌표를 획득하고 거칠기 변화에 대한 최적의 거칠기 계수를 도출하였다. 다단계 전단시험을 수행하여 법선응력 크기에 따른 거칠기 변화양상과 거칠기 감쇠에 따른 전단강도 변화를 고찰하였다.
- 절리면 강도가 다른 편마암, 화강암 및 셰일 절리시료를 이용하여 순차적 전단거동 시험을 수행하였으며, 반복된 전단거동에 의한 미세 거칠기 분포 및 전단강도 변화를 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 절리면 강도가 미세 거칠기 변화에 끼치는 영향을 고찰하기 위하여 일축압축강도가 상이한 셰일과 편마암 절리시료를 이용하여 전단거동 반복에 의한 미세 거칠기 분포 변화 양상을 고찰하였다. 유사한 초기 거칠기를 가지는 셰일 절리시료 SH10(Ai- = 9.
- 절리면의 거칠기 및 법선응력의 크기가 전단거동에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 다단계 절리면 전단시험을 수행하였다. 다단계 전단시험은 일정한 법선응력 구간을 설정하여 수행되었으며, 전단변위가 발생되면 절리시료를 원위치 시키지 않은 상태에서 법선응력을 순차적으로 증가시켜 다음 법선응력 단계에서의 전단거동을 측정하였다.
- 절리면의 거칠기에 따른 전단변위 변화양상을 고찰하기 위하여 초기 거칠기가 상이한 편마암 절리시료를 이용하여 상대적으로 낮은 법선응력 수준인 0.1-0.5 MPa 범위에서 전단변위를 측정하고, 실험결과를 Fig. 3에 도시하였다. 특정 법선응력 수준에서의 최대전단변위는 뚜렷한 변곡양상이 나타나는 경우에는 최대변위 값으로, 변곡양상이 없이 완만한 증가양상이 나타나는 경우에는 완만한 경사가 시작되는 지점에서의 변위 값으로 산정하였다.
- 전체 법선응력 범위에서 절리면의 초기 거칠기가 클수록 거칠기 감쇠가 크게 나타났다. 초기 거칠기 - 거칠기 감소에 대한 회귀선을 이용하여 초기 Ai- = 10을 기준으로 법선응력 수준에 따른 거칠기 감쇠를 산정하였다. 법선응력 0.
- 이러한 이유는 측정간격이 작을 때는 고경사각을 가지는 2차 거칠기(요철)의 영향이 우세하게 반영되어 높은 계수 값을 형성하고, 측정간격이 커질수록 상대적으로 낮은 경사각의 1차 거칠기(만곡)의 영향이 우세하게 반영되기 때문인 것으로 판단되었다. 측정간격 증가에 따른 계수의 감소 비율은 계수별로 상이하게 나타났으며, 측정간격이 0.5 mm 이상인 경우에는 측정간격에 따른 계수변화가 미세한 것으로 고찰되어서 거칠기 계수 산정에 대한 표준간격으로 활용하였다.
- 0 MPa)에서의 전단강도 변화특성을 고찰하였다. 편마암 절리시료를 이용하여 측정된 법선응력 수준별 전단강도 분포를 Fig. 13에 도시하였으며, 거칠기에 따른 전단강도 변화를 고찰하기 위하여 Barton의 전단강도 포락선도 함께 도시하였다. 절리면 강도(JCS)는 편마암 시료의 평균일축압축강도인 208.
- 편마암, 화강암 및 셰일 절리시료를 초기 거칠기(Ai-)에 의거하여 3개 그룹으로 분류하고(Table 1), 법선응력 구간(0.1-5.0 MPa)에서의 전단강도 변화특성을 고찰하였다. 편마암 절리시료를 이용하여 측정된 법선응력 수준별 전단강도 분포를 Fig.
대상 데이터
- 다단계 전단시험은 일정한 법선응력 구간을 설정하여 수행되었으며, 전단변위가 발생되면 절리시료를 원위치 시키지 않은 상태에서 법선응력을 순차적으로 증가시켜 다음 법선응력 단계에서의 전단거동을 측정하였다. 전단시험에는 화강암, 편마암, 셰일의 세 가지 암종에서 추출한 절리시료를 사용하였다. 단일 절리시료는 특정 법선응력 구간에서의 다단계 전단시험에 이용되었다.
성능/효과
- 2. 전단거동에 의해 높은 경사각의 미세 거칠기가 감소하고 낮은 경사각의 미세 거칠기가 증가하는 경우에는 점착력과 마찰각이 모두 감소한다. 거칠기 파쇄 과정에서 이차적으로 높은 경사각의 미세 거칠기가 재형성되는 경우에는 마찰각이 증가하는 것으로 나타났으며, 절리면 강도가 높은 경우에 고경사각의 미세 거칠기 형성이 우세하게 나타났다.
- 이와 같이 거칠기 계수 Z2 , SLave , Rp-1 및 SDH는 전단거동이 반복됨에 따라 계수치가 진동하는 양상을 나타내어 순차적 전단 거동을 반영하지 못하는 것으로 사료되었다. 거칠기 계수 iave 및 Ai-는 전단거동이 반복됨에 따라 비교적 일정하게 감소되는 양상을 나타내었으며, 이들 중에서 Ai-의 감소폭이 가장 커서 절리면의 거칠기 감쇠를 가장 잘 대표하는 것으로 판단되었다.
- 전단거동에 의해 높은 경사각의 미세 거칠기가 감소하고 낮은 경사각의 미세 거칠기가 증가하는 경우에는 점착력과 마찰각이 모두 감소한다. 거칠기 파쇄 과정에서 이차적으로 높은 경사각의 미세 거칠기가 재형성되는 경우에는 마찰각이 증가하는 것으로 나타났으며, 절리면 강도가 높은 경우에 고경사각의 미세 거칠기 형성이 우세하게 나타났다.
- 그러나 GN18 경우와는 상이하게 순차적 전단거동에 의해 낮은 경사각의 미세 거칠기 빈도가 감소하였으며, 경사각 20° 이상의 미세 거칠기 빈도는 증가하는 것으로 나타났다.
- 88)에서 공통적으로 법선응력이 커질수록 최대전단변위가 증가하였다. 그러나 동일한 법선응력에 대해서 최대전단변위가 발생되는 전단응력, 즉 전단강도가 거칠기 증가에 따라 크게 상승하였으며 최대전단변위도 증가하였다. 상대적으로 높은 법선응력 수준인 3.
- 7 MPa 수준에서 전단강도가 급격하게 증가한다. 그룹 2 경우에는 거칠기 감소에 의해 전반적인 전단강도가 감소하였으며, 법선응력 1.8 MPa 수준에서 전단강도가 급격하게 증가한다. 거칠기가 가장 낮은 그룹 3 경우에는 전단강도가 가장 저하되어 있으며, 최대 법선응력 5 MPa 수준까지 전단강도가 급격하게 변화되는 구간이 도출되지 않고 연속적으로 변화되는 양상을 나타낸다.
- 4에 도시하였다. 낮은 법선응력 수준에서의 경우와 동일하게 전단 강도는 절리면의 거칠기 증가에 따라 확연하게 증가되는 양상을 나타내었다. 그러나 최대전단변위는 거칠기가 증가하여도 뚜렷한 증가양상은 나타나지 않는다.
- 높은 법선응력 조건에서의 전단거동에 의해 30° 이하의 저경사 미세 거칠기 빈도가 감소하였으며, 1차 전단거동에서 형성된 60° 이상의 초고경사의 미세 거칠기도 4차 전단거동에 의해 소멸되었다.
- 전단거동 이전의 초기 미세 거칠기 분포와 비교할 때 첫 번째 전단거동에 의해 낮은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 증가하였고, 높은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 감소하였다. 다섯 번째 전단거동 이후에는 낮은 경사각의 미세 거칠기 분포가 더욱 증가하였으며, 높은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 지속적으로 감소하였다. 이는 반복된 전단거동에 의해 고경사의 미세 거칠기가 지속적으로 파쇄 또는 마모되었으며, 이에 부수적으로 저경사 미세 거칠기들이 형성되어 전체적인 절리면 거칠기 경사가 감소된 것을 의미한다.
- 법선응력 0.3 MPa 수준에서 초기 Ai- = 7.07 인 시료는 4번째 전단시험 이후 6.71로 감소하였으며(ΔAi- = 0.36), 초기 Ai- = 12.01인 높은 거칠기 시료는 4번째 전단거동 이후 10.87로 감소하였다(ΔAi- = 1.14).
- 법선응력 0.3 MPa 수준에서 초기 Ai- = 7.07인 시료의 전단강도는 0.382 MPa 에서 4번째 전단거동 이후 0.363 MPa로 감소하였으며(Δτ = 0.019 MPa), 초기 Ai- = 12.01인 높은 거칠기 시료의 전단강도는 0.620 MPa에서 4번째 전단거동 이후 0.460 MPa로 감소하였다(Δτ = 0.160 MPa).
- 법선응력 4.2 MPa 수준에서 초기 Ai- = 6.89인 시료는 4번째 전단거동 이후 5.78로 감소하였으며(ΔAi- = 1.11), 초기 Ai- = 15.39인 높은 거칠기 시료는 4번째 전단거동 이후 10.05로 감소하였다(Δ Ai- = 5.34).
- 법선응력 4.2 MPa 수준에서 초기 Ai- = 6.89인 시료의 전단 강도는 2.512 MPa 에서 4번째 전단거동 이후 2.233 MPa로 감소하였으며(Δτ = 0.279 MPa), 초기 Ai- = 15.39인 높은 거칠기 시료의 전단강도는 3.953 MPa에서 4번째 전단거동 이후 3.292 MPa로 감소하였다(Δτ = 0.661 MPa).
- 수치적으로 상이한 범위의 값을 갖는 계수들의 변화를 고찰하기 위하여 거칠기 계수를 초기 값을 기준으로 정규화하였다. 순차적 전단거동에 의해 거칠기 계수 Z2 , SLave 및 Rp-1은 증가/감소를 반복하며, 거칠기 감쇠가 진행된 이후에도 초기 거칠기 계수를 상회하는 경향이 나타났다. 거칠기 계수 SDH는 전단거동이 반복됨에 따라 전반적으로는 감소하는 경향을 나타내지만 화강암 절리시료 GR10에서 불규칙한 변화양상을 나타내며(Fig.
- 그러나 최대전단변위는 거칠기가 증가하여도 뚜렷한 증가양상은 나타나지 않는다. 이상의 결과를 고려할 때 동일한 법선응력 수준에서의 전단강도는 절리면 거칠기의 영향을 크게 받지만, 최대전단변위는 높은 법선응력조건에서는 거칠기에 의한 영향이 크게 나타나지 않는 것으로 판단되었다.
- 2c). 이와 같이 거칠기 계수 Z2 , SLave , Rp-1 및 SDH는 전단거동이 반복됨에 따라 계수치가 진동하는 양상을 나타내어 순차적 전단 거동을 반영하지 못하는 것으로 사료되었다. 거칠기 계수 iave 및 Ai-는 전단거동이 반복됨에 따라 비교적 일정하게 감소되는 양상을 나타내었으며, 이들 중에서 Ai-의 감소폭이 가장 커서 절리면의 거칠기 감쇠를 가장 잘 대표하는 것으로 판단되었다.
- 이는 전단거동에 의한 미세 거칠기 파쇄과정에서 2차적으로 높은 경사각을 갖는 미세 거칠기가 상당한 수준으로 형성된 것을 의미한다. 이와 같이 순차적 전단거동 과정에서 부수적으로 형성된 높은 경사각의 미세 거칠기가 전단강도 계수인 마찰각을 증가시키는 중요한 요인으로 작용한 것으로 판단되었다.
- 7에 도시하였다. 일축압축강도가 상이한 2개 암종의 절리면 시료에서 공통적으로 초기 Ai-가 높을수록 Ai- 감쇠가 크게 나타났으며, 상대적으로 강도가 낮은 세일에서의 거칠기 감쇠현상이 강도가 높은 편마암에서보다 더욱 뚜렷하게 나타났다.
- 전반적으로 미세 거칠기는 낮은 경사각의 빈도가 높고 경사각이 높아질수록 빈도가 점차 감소하는 음지수 함수분포를 나타낸다. 전단거동 이전의 초기 미세 거칠기 분포와 비교할 때 첫 번째 전단거동에 의해 낮은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 증가하였고, 높은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 감소하였다. 다섯 번째 전단거동 이후에는 낮은 경사각의 미세 거칠기 분포가 더욱 증가하였으며, 높은 경사각의 미세 거칠기 빈도는 지속적으로 감소하였다.
- 5에 도시하였다. 전체 법선응력 범위에서 절리면의 초기 거칠기가 클수록 거칠기 감쇠가 크게 나타났다. 초기 거칠기 - 거칠기 감소에 대한 회귀선을 이용하여 초기 Ai- = 10을 기준으로 법선응력 수준에 따른 거칠기 감쇠를 산정하였다.
- 1 mm 측정간격에 대한 계수를 기준으로 정규화하여 도시하였다. 절리 프로파일의 진폭에 관련된 SDH는 측정 간격에 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 기울기 관련 계수들은 지수함수적인 감소를 보이고 있다. 이러한 이유는 측정간격이 작을 때는 고경사각을 가지는 2차 거칠기(요철)의 영향이 우세하게 반영되어 높은 계수 값을 형성하고, 측정간격이 커질수록 상대적으로 낮은 경사각의 1차 거칠기(만곡)의 영향이 우세하게 반영되기 때문인 것으로 판단되었다.
- 초기 거칠기 측정→ 특정 법선응력 구간에서의 다단계 전단시험 → 전단강도 계수 산정 → 거칠기 재측정 과정이 순차적으로 반복되었으며, 전단거동에 의해 거칠기 변화가 매우 미약하거나 절리표면이 완전히 마모되거나 파쇄될 때 까지 4~9회 반복하여 수행되었다.
- 세일의 경우 절리벽면 강도가 상대적으로 낮아서 전단과정에서 거칠기가 용이하게 파쇄되고 결과적으로 전단강도에 대한 거칠기 영향이 매우 미약한 것으로 분석되었다. 특이할 점은 초기 거칠기가 매우 큰 그룹 1 시료에 3 MPa 보다 높은 법선응력이 작용할 경우 1차 전단거동에 의한 미세 거칠기 파손에 의해 전단강도가 매우 크게 하락하는 현상이 발생되었다(Fig. 15a 참조).
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