절리면의 전단거동 특성을 알아보기 위하여 암석종류와 거칠기가 서로 다른 110개의 자연 암석 절리면 시료에 대하여 거칠기 측정시험과 다단계전단시험을 실시하였다. 시험 암석은 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 종류이고, 절리면은 JRC값에 따라 3가지 그룹으로 분류하였다. 거칠기 측정시험을 통해 절리면의 거칠기 파라미터를 분석하였으며, 다단계전단시험을 통해 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 변화가 각종 전단특성에 미치는 영향을 알아보았다. 절리면의 거칠기와 수직응력이 커질수록 최대전단강도와 전단강성은 증가하였고, 거칠기가 작고 수직응력이 커질수록 팽창각은 감소하였다. 절리면의 전단특성은 암석종류와 거의 무관한 것으로 나타나 모암의 강도보다는 거칠기와 수직응력에 더 큰 영향을 받았다. 또한 동일 암석 절리면에 대한 다단계시험과 직접전단시험의 결과를 비교분석함으로써 두 시험법의 특징을 고찰하였으며, 다단계시험으로 구한 팽창각은 시험 전반부의 낮은 수직응력수준에서 얻은 값만 유효한 것으로 나타났다.
절리면의 전단거동 특성을 알아보기 위하여 암석종류와 거칠기가 서로 다른 110개의 자연 암석 절리면 시료에 대하여 거칠기 측정시험과 다단계전단시험을 실시하였다. 시험 암석은 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 종류이고, 절리면은 JRC값에 따라 3가지 그룹으로 분류하였다. 거칠기 측정시험을 통해 절리면의 거칠기 파라미터를 분석하였으며, 다단계전단시험을 통해 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 변화가 각종 전단특성에 미치는 영향을 알아보았다. 절리면의 거칠기와 수직응력이 커질수록 최대전단강도와 전단강성은 증가하였고, 거칠기가 작고 수직응력이 커질수록 팽창각은 감소하였다. 절리면의 전단특성은 암석종류와 거의 무관한 것으로 나타나 모암의 강도보다는 거칠기와 수직응력에 더 큰 영향을 받았다. 또한 동일 암석 절리면에 대한 다단계시험과 직접전단시험의 결과를 비교분석함으로써 두 시험법의 특징을 고찰하였으며, 다단계시험으로 구한 팽창각은 시험 전반부의 낮은 수직응력수준에서 얻은 값만 유효한 것으로 나타났다.
Both the roughness measurement tests and the multi-stage shear tests were carried out on the 110 rock joint samples in order to investigate the influences of rock type, joint roughness and normal stress on the shear behaviour of rock joints. Test samples were composed of quartz porphyry, dacite, gra...
Both the roughness measurement tests and the multi-stage shear tests were carried out on the 110 rock joint samples in order to investigate the influences of rock type, joint roughness and normal stress on the shear behaviour of rock joints. Test samples were composed of quartz porphyry, dacite, granite and gneiss, which were classified into three detailed groups according to their JRC values. Roughness parameters of rock joints were analyzed by roughness measurement tests, and shear characteristics were also investigated by multi-stage shear tests. Both peak shear strength and shear stiffness were increased as both joint roughness and normal stress were increased, whereas dilation angles showed lower values at the lower roughness and higher normal stress conditions. Besides, shear characteristics obtained from all tests of four different rock types with different rock strengths showed irrelevant details, therefore the influences of both joint roughness and normal stress on shear behaviors were found to be more considerable than the strength of intact rock. The results obtained from both multi-stage shear tests and direct shear tests were finally compared, where the dilation angles obtained from multi-stage shear tests were found to be valid only for the first normal stress conditions.
Both the roughness measurement tests and the multi-stage shear tests were carried out on the 110 rock joint samples in order to investigate the influences of rock type, joint roughness and normal stress on the shear behaviour of rock joints. Test samples were composed of quartz porphyry, dacite, granite and gneiss, which were classified into three detailed groups according to their JRC values. Roughness parameters of rock joints were analyzed by roughness measurement tests, and shear characteristics were also investigated by multi-stage shear tests. Both peak shear strength and shear stiffness were increased as both joint roughness and normal stress were increased, whereas dilation angles showed lower values at the lower roughness and higher normal stress conditions. Besides, shear characteristics obtained from all tests of four different rock types with different rock strengths showed irrelevant details, therefore the influences of both joint roughness and normal stress on shear behaviors were found to be more considerable than the strength of intact rock. The results obtained from both multi-stage shear tests and direct shear tests were finally compared, where the dilation angles obtained from multi-stage shear tests were found to be valid only for the first normal stress conditions.
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문제 정의
본 연구에서는 절리면의 전단거동 특성을 조사하기 위하여 암석종류와 거칠기가 서로 다른 110개의 자연 암석 절리면 시료에 대하여 거칠기 측정시험과 다단계전단시험을 실시하였다. 시험 암석은 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 종류이고, 시험 절리면은 거칠기 정도에 따라 소, 중, 대의 3가지 그룹으로 나누어 각 암석종류와 거칠기에 따른 전단특성을 알아보았다.
제안 방법
시험 암석은 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 종류이고, 시험 절리면은 거칠기 정도에 따라 소, 중, 대의 3가지 그룹으로 나누어 각 암석종류와 거칠기에 따른 전단특성을 알아보았다. 거칠기 측정시험을 통해 절리면의 거칠기 파라미터를 분석하였으며, 다단계전단시험을 통해 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 변화가 절리면의 최대전단강도, 전단강성, 팽창각, 최대마찰각, 점착력에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 동일 암석 절리면에 대한 다단계전단시험과 직접전단시험의 결과를 비교분석함으로써 두 시험법의 특징을 살펴보았다.
첫째, 암석종류에 따라 QP(석영반암, quartz porphyry), DC(석영안산암, dacite), GR(화강암, granite), GN(편마암, gneiss)으로 분류하였다. 둘째, 각 암석 절리면을 거칠기에 따라 L(low), M(medium), H(high)의 3가지로 세분하였다. 여기서 L등급은 JRC 0∼4, M등급은 JRC 4∼8, H등급은 JRC 8∼16에 해당하며 각 등급별 JRC 평균값은 순서대로 2.
거칠기 측정시험을 통해 절리면의 거칠기 파라미터를 분석하였으며, 다단계전단시험을 통해 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 변화가 절리면의 최대전단강도, 전단강성, 팽창각, 최대마찰각, 점착력에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 동일 암석 절리면에 대한 다단계전단시험과 직접전단시험의 결과를 비교분석함으로써 두 시험법의 특징을 살펴보았다.
절리면 압축강도(JCS)는 암석 절리면의 강도 특성을 나타내는 변수로서, 모암의 강도, 절리면의 풍화정도, 충전물 존재 여부에 따라 다양한 값을 보인다. 본 연구에서는 110개 절리면 시험편에 대해 20회씩의 슈미트 해머시험을 실시하여 각 시험편의 JCS를 구하였으며, 이를 암석종류와 절리면 거칠기에 대해 분석해보았다
본 연구에서는 경험식에 시험 시의 수직응력, 시험편의 JCS, Barton의 대표곡선과의 비교를 통해 얻은 시험편의 JRC값을 각각 입력하여 팽창각을 구해보았다. 그리고 이와 같이 경험식을 통해 얻어진 팽창각과 시험을 통해 직접 얻어진 팽창각을 비교하여 경향성을 살펴보았다.
본 연구에서는 극경암으로서 거칠기가 서로 다른 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 110개 암석 절리면 시료(JRC 평균값 6.1)에 대하여 거칠기 측정시험과 다단계전단시험을 실시하여 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력에 따른 전단특성을 알아보았으며, 다단계시험과 직접전단시험의 결과를 비교분석함으로써 두 시험 범의 특징을 살펴보았다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 다단계전단시험을 통해 110개 시험편별로 최대전단강도, 전단강성, 팽창각을 구하였으며, 각 시험편에서 획득한 자료를 Table 1의 그룹별로 통계 처리하여 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 크기가 전단특성에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 일정수직하중(CNL) 조건으로 다단계 전단시험을 실시하였는데, 이때 수직응력은 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 MPa의 5단계로 구분하였다. 전단하중은 일정한 전단변위속도로 제어하였으며, 시험편마다 수직응력 단계별로 2 mm씩 총 10 mm의 전단변위를 발생시켰다.
본 연구에서는 절리면의 전단거동 특성을 조사하기 위하여 암석종류와 거칠기가 서로 다른 110개의 자연 암석 절리면 시료에 대하여 거칠기 측정시험과 다단계전단시험을 실시하였다. 시험 암석은 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 종류이고, 시험 절리면은 거칠기 정도에 따라 소, 중, 대의 3가지 그룹으로 나누어 각 암석종류와 거칠기에 따른 전단특성을 알아보았다. 거칠기 측정시험을 통해 절리면의 거칠기 파라미터를 분석하였으며, 다단계전단시험을 통해 암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 변화가 절리면의 최대전단강도, 전단강성, 팽창각, 최대마찰각, 점착력에 미치는 영향을 조사하였다.
시험 암석의 기본적인 물성을 조사하기 위하여 4가지 암석에 대하여 5개씩 원주형 암석 시험편을 제작하여 일축압축시험을 실시하였다. 시험을 통해 단위중량, 일축압축강도, 탄성계수 등을 구하였으며 Table 2는 그 결과를 정리한 것으로, 이들은 모두 극경암 수준의 강한 암석이었다.
전단하중은 일정한 전단변위속도로 제어하였으며, 시험편마다 수직응력 단계별로 2 mm씩 총 10 mm의 전단변위를 발생시켰다. 시험 중 수직하중, 전단하중, 수직변위, 전단변위 자료를 초당 10개씩 획득하였으며, 시험을 통해 시험편별로 최대전단강도, 전단강성, 팽창각을 구하였다.
암석종류, 절리면 거칠기, 수직응력의 크기가 절리면의 전단거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다단계 전단시험을 실시하였다. 이 시험은 절리면 시험편에 대해 어느 일정한 수직응력 구간에서 전단응력을 증가시키며, 소정의 전단변위가 발생된 후에는 다음 단계의 수직응력 구간에서 순차적으로 전단변위를 증가시키는 시험으로서, 보통 5단계의 수직응력 구간에 대해 실시되고 있다.
이때 레이저 센서의 측정간격은 1 mm로 하였으며, 측정된 자료들을 통계 처리하여 각종 거칠기 파라미터들을 구하였다. 여기서 구해진 대표적인 파라미터는 절리면 구간 기울기의 평방평균값 Z2와 거칠기 형상지수 Rp이며, 이를 이용하여 거칠기 특성을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 NX규격의 시추코어 형태로 채취한 석영반암, 석영안산암, 화강암, 편마암의 4가지 암석에 대해 총 110개의 절리면 시험편을 제작하여 시험을 실시하였다(Hong, 2009). 석영반암과 석영안산암은 각각 경남 김해의 석영반암(27개)과 석영안산암(26개)이고, 화강암은 충북 옥천의 흑운모화강암(28개)이며, 편마암은 경기도 파주의 흑운모편마암(29개)이다.
본 연구에서는 시험편당 3개의 측정선에 대해 프로파일 게이지를 사용하여 절리면 거칠기를 실측한 후 Barton의 JRC 표준도표에 따라 총 330개의 JRC값을 획득하였다. 또한 레이저 측정장치를 사용하여 해당 측정선에 대한 통계적 파라미터로서 Z2와 Rp를 구한 후 식 (1)∼(3)으로 거칠기 측정선에 대한 JRC값을 산정하였다.
절리면의 거칠기가 전단거동에 미치는 영향을 검토한 연구도 실시되었는데(Jang and Cho, 1999, Kim et al., 2005, Park et al., 2007), 이 연구들은 자연 절리면 암석시료가 아니라 톱날형 모사암석이나 인공 절리면 암석시료를 실험대상으로 하였다. 이에 대해 국내 암석의 자연 절리면을 대상으로 한 연구(Lee et al.
데이터처리
석영반암과 석영안산암은 각각 경남 김해의 석영반암(27개)과 석영안산암(26개)이고, 화강암은 충북 옥천의 흑운모화강암(28개)이며, 편마암은 경기도 파주의 흑운모편마암(29개)이다. 시험 암석 절리면의 거칠기는 프로파일 게이지를 통해 얻은 절리면 프로파일을 Barton and Choubey (1977)의 대표곡선과 비교함으로써 시험 절리면의 JRC를 산정하였다. Fig.
성능/효과
1. Barton의 JRC 대표곡선과의 비교를 통해 얻은 JRC 값은 거칠기의 통계적 파라미터를 통해 JRC를 산정하는 관계식 중에서 Maerz et al.(1990)의 방법과 가장 큰 일치율을 보였고, JRC값이 커질수록 두 가지 값은 서로 유사해지는 경향을 보였다.
2. 절리면 거칠기와 수직응력이 커질수록 최대전단강도와 전단강성은 증가하였고, 거칠기가 작고 수직응력이 커질수록 팽창각은 감소하였지만, 암석종류에 따른 특별한 상관관계는 찾아보기 힘들었다.
4. 직접전단시험으로 구한 절리면의 팽창각은 Barton and Choubey(1977)의 경험식과 대략적으로 부합하였지만, 다단계전단시험으로 구한 팽창각은 경험식과 부합하지 않았으며 다단계시험의 첫 번째 단계 수직응력수준에서 얻은 값만 유효한 것으로 나타났다.
0 GPa/m로서 절리면 거칠기가 커질수록 전단강성은 증가하였다. 따라서 절리면 거칠기는 수직응력과 함께 전단강성에 영향을 미치는 요소임을 알 수 있었다.
13은 거칠기별 최대 마찰각과 점착력을 비교한 것으로, 거칠기가 커질수록 절리면의 전단특성은 증가하였다. 따라서 절리면의 최대전단강도는 수직응력과 절리면 거칠기에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
15는 수직응력에 따른 전단강성을 3가지 거칠기 그룹별로 나타낸 것으로, 수직응력이 커질수록 전단강성은 증가하였다. 또한 수직응력이 2.5 MPa인 경우 L, H 그룹의 전단강성은 각각 8.7, 14.0 GPa/m로서 절리면 거칠기가 커질수록 전단강성은 증가하였다. 따라서 절리면 거칠기는 수직응력과 함께 전단강성에 영향을 미치는 요소임을 알 수 있었다.
3. 석영안산암에 대해 다단계전단시험과 직접전단시험을 각각 실시하여 구해진 최대마찰각과 점착력은 명백한 차이를 보였다. 그러나 여기서 사용된 시험편들의 거칠기와 시험 시의 수직응력수준은 서로 달랐기 때문에, 향후 동일한 암종, 거칠기, 수직응력수준을 적용한 비교시험을 수행한다면 두 시험방법의 정량적인 차이를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
석영안산암에 대해 다단계전단시험과 직접전단시험을 각각 실시하여 구해진 최대마찰각과 점착력은 명백한 차이를 보였다. 그러나 여기서 사용된 시험편들의 거칠기와 시험 시의 수직응력수준은 서로 달랐기 때문에, 향후 동일한 암종, 거칠기, 수직응력수준을 적용한 비교시험을 수행한다면 두 시험방법의 정량적인 차이를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
이러한 차이점은 전술한 바와 같이 두가지 시험에서 사용한 시험편의 거칠기와 시험 시의 수직응력수준 범위가 서로 다른 점에도 원인이 있겠지만, 두 시험법 자체의 차이가 시험결과에 영향을 미친다고 짐작할 수 있다. 따라서 향후 동일한 암종, 거칠기, 수직응력수준을 적용한 비교시험을 수행한다면 두 방법의 정량적인 차이를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 Z2를 이용한 방법들은 JRC값이 작을 때는 일치율이 작았지만 JRC값이 커질수록 일치율이 증가하는 경향을 나타내었다. 실제로 본 연구에서 실험한 절리면들은 평균 JRC값이 6.1로서 비교적 평탄한 편에 속하였기 때문에 Maerz의 방법이 더 큰 일치율을 보인 것으로 생각되지만, 향후 보다 많은 자료를 이용한 추가 연구가 요망된다.
(2013)에 의해 실시된 바 있다. 이 방법은 시험 중 절리면의 요철부가 일부 파괴되어 원래의 거칠기 형상이 변화된다는 문제점이 있지만, 직접전단시험에 비해 유용성 있는 시험법이므로 계속적인 연구가 필요하다.
당초 무결암의 강도가 크면 절리면의 전단특성이 클 것으로 예상했지만, Table 3과 같이 무결암의 강도가 절리면의 전단특성에 미치는 영향은 확인할 수 없었다. 이는 본 연구에서 시험한 암석이 모두 극경암 수준의 강한 암석일 뿐 아니라 시험 중 가해진 수직응력이 강도에 비해 매우 작기 때문일 것으로 생각되는데, 보다 정량적인 연구를 위해서는 향후 강도의 차이가 큰 암석들에 대한 비교시험이 요구된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
직접전단시험이란?
한편, 직접전단시험은 암석 절리면의 전단특성을 구하는 표준시험으로서, 한국암반공학회는 이와 관련한 실내 표준시험법(KSRM, 2009)을 규정하였다. 하지만 직접전단시험을 통해 절리면의 전단특성을 구하기 위해서는 거칠기가 똑같은 수 개의 시료가 필요하나 이들을 구하기는 현실상 매우 어렵다.
다단계전단시험으로 절리면 전단 특성을 구하는데 있어 문제점은?
(2013)에 의해 실시된 바 있다. 이 방법은 시험 중 절리면의 요철부가 일부 파괴되어 원래의 거칠기 형상이 변화된다는 문제점이 있지만, 직접전단시험에 비해 유용성 있는 시험법이므로 계속적인 연구가 필요하다.
직접전단시험으로 절리면의 전단특성을 구하기 어려운 이유는?
한편, 직접전단시험은 암석 절리면의 전단특성을 구하는 표준시험으로서, 한국암반공학회는 이와 관련한 실내 표준시험법(KSRM, 2009)을 규정하였다. 하지만 직접전단시험을 통해 절리면의 전단특성을 구하기 위해서는 거칠기가 똑같은 수 개의 시료가 필요하나 이들을 구하기는 현실상 매우 어렵다. 이에 비해 다단계전단시험은 하나의 절리면에 대한 시험만으로 전단특성을 구할 수 있는 장점이 있어, Lee et al.
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