암석파괴역학은 토목공학과 암반공학의 다양한 분야에서 널리 적용되는 학문이다. 그러나 대부분의 암반 공학 문제에서 mode II 거동이 우세함에도 불구하고 관련 연구는 mode I 거동에 대한 것이 대부분이다. 현재 mode I의 경우 4개, mode II 파괴인성의 경우 단 한 개의 ISRM 표준시험법이 있다. 본 연구에서 제안하는 새로운 시험법은 문헌조사를 통해서 필요조건으로 구속압 가능 여부, 노치성형의 용이성, 기존 시험장비의 활용, 단순한 시험절차를 정하고 이에 부합하도록 개발하였으며 SCC(Short Core in Compression)로 이름을 정하였다. Mode II 파괴인성 계산에 필요한 응력확대계수 계산식을 3차원수치해석을 통해 선하중과 분포하중 조건에 대해서 구하였고 노치성형을 위한 지그도 제작하였다. 개발된 시험법을 MTS 시스템을 사용하여 화강암에 적용하였으며 가압속도는 0.002 mm/s로 하였다. 시험 결과 $2.33MPa{\sqrt{m}}$의 mode II 파괴인성을 얻었다. 동일한 화강암 블록에서 확보한 시험편에 대하여 간접인장시험으로 구한 mode I 파괴인성은 $1.12MPa{\sqrt{m}}$였다. 따라서 $K_{IIC}/K_{IC}=2.08$로 mode II 파괴인성이 mode I보다 크게 나타났다. 또한 비교적 매끄러운 파괴면과 암분의 생성을 통하여 SCC 시험법이 mode II 거동을 잘 표현함을 확인하였다. 따라서 제안된 SCC 시험법은 암석의 mode II 파괴인성을 결정하는 데 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
암석파괴역학은 토목공학과 암반공학의 다양한 분야에서 널리 적용되는 학문이다. 그러나 대부분의 암반 공학 문제에서 mode II 거동이 우세함에도 불구하고 관련 연구는 mode I 거동에 대한 것이 대부분이다. 현재 mode I의 경우 4개, mode II 파괴인성의 경우 단 한 개의 ISRM 표준시험법이 있다. 본 연구에서 제안하는 새로운 시험법은 문헌조사를 통해서 필요조건으로 구속압 가능 여부, 노치성형의 용이성, 기존 시험장비의 활용, 단순한 시험절차를 정하고 이에 부합하도록 개발하였으며 SCC(Short Core in Compression)로 이름을 정하였다. Mode II 파괴인성 계산에 필요한 응력확대계수 계산식을 3차원 수치해석을 통해 선하중과 분포하중 조건에 대해서 구하였고 노치성형을 위한 지그도 제작하였다. 개발된 시험법을 MTS 시스템을 사용하여 화강암에 적용하였으며 가압속도는 0.002 mm/s로 하였다. 시험 결과 $2.33MPa{\sqrt{m}}$의 mode II 파괴인성을 얻었다. 동일한 화강암 블록에서 확보한 시험편에 대하여 간접인장시험으로 구한 mode I 파괴인성은 $1.12MPa{\sqrt{m}}$였다. 따라서 $K_{IIC}/K_{IC}=2.08$로 mode II 파괴인성이 mode I보다 크게 나타났다. 또한 비교적 매끄러운 파괴면과 암분의 생성을 통하여 SCC 시험법이 mode II 거동을 잘 표현함을 확인하였다. 따라서 제안된 SCC 시험법은 암석의 mode II 파괴인성을 결정하는 데 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
Rock fracture mechanics has been widely applied to various fields of rock and civil engineering. But most researches covered mode I behavior, though mode II behavior is dominant in rock engineering. Until now, there is only one ISRM suggested method for mode II toughness of rock. A new SCC (Short Co...
Rock fracture mechanics has been widely applied to various fields of rock and civil engineering. But most researches covered mode I behavior, though mode II behavior is dominant in rock engineering. Until now, there is only one ISRM suggested method for mode II toughness of rock. A new SCC (Short Core in Compression) mode II toughness test method was developed considering 1) application of confining pressure, 2) easiness of notch creation, 3) utilization of existing equipment, 4) simple test procedure. The stress intensity factors were determined by 3D finite element method considering line and distributed loading conditions. The tests with granite specimens were carried out using MTS 815 rock test system with a loading rate of 0.002 mm/s. The mean value of mode II fracture toughness of granite showed $2.33MPa{\sqrt{m}}$. Mode I toughness of the same granite was $1.12MPa{\sqrt{m}}$, determined by Brazilian disk test and $K_{IIC}/K_{IC}=2.08$. The smooth fracture surface with rock powder formation also supported mode II behavior of SCC method. The SCC method can be used for the determination of mode II fracture toughness of rocks based on the current results.
Rock fracture mechanics has been widely applied to various fields of rock and civil engineering. But most researches covered mode I behavior, though mode II behavior is dominant in rock engineering. Until now, there is only one ISRM suggested method for mode II toughness of rock. A new SCC (Short Core in Compression) mode II toughness test method was developed considering 1) application of confining pressure, 2) easiness of notch creation, 3) utilization of existing equipment, 4) simple test procedure. The stress intensity factors were determined by 3D finite element method considering line and distributed loading conditions. The tests with granite specimens were carried out using MTS 815 rock test system with a loading rate of 0.002 mm/s. The mean value of mode II fracture toughness of granite showed $2.33MPa{\sqrt{m}}$. Mode I toughness of the same granite was $1.12MPa{\sqrt{m}}$, determined by Brazilian disk test and $K_{IIC}/K_{IC}=2.08$. The smooth fracture surface with rock powder formation also supported mode II behavior of SCC method. The SCC method can be used for the determination of mode II fracture toughness of rocks based on the current results.
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문제 정의
05씩 증가시키면서 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 Watkins와 Liu(1985)가 제안한 것과 동일하게 선하중을 가하는 경우와 시험의 편리성을 위해 등분포 하중을 가하는 경우에 대해서도 각각 해석을 수행하였다. 해석에 사용한 시험편 규격은 일반적인 NX 코어를 사용할 것을 가정하여 D = 54.
본 연구에서는 용이하게 얻을 수 있는 암석 시추코어를 이용하며 성형이 비교적 쉬운 mode II 파괴인성 시험법을 개발하고자 하였다. 이 시험법이 개발되면 mode II 파괴인성뿐만 아니라 임계하균열성장 시험방법에도 적용하여 mode II 장기거동 평가를 비교적 용이하게 수행할 수 있다.
가설 설정
(2002)이 제시한 PTS(Punch-Through Shear)가 있다. 이들이 제시한 mode II 파괴인성의 경우 구속압의 영향을 받기 때문에 구속압 조건에서 파괴인성을 구해야 한다고 기술하였다. PTS시험편의 경우 Fig.
본 연구에서는 Watkins와 Liu(1985)가 제안한 것과 동일하게 선하중을 가하는 경우와 시험의 편리성을 위해 등분포 하중을 가하는 경우에 대해서도 각각 해석을 수행하였다. 해석에 사용한 시험편 규격은 일반적인 NX 코어를 사용할 것을 가정하여 D = 54.0 mm, H = 2D = 108 mm, a = D/2 = 27 mm로 하였다.
제안 방법
SCC시험편에 하중을 가하는 동안 하중과 미소파괴음 신호를 측정하였다. 미소파괴음 신호의 진폭은 생성된 균열의 크기와 관계가 있기 때문에 재하과정의 진폭분포를 분석하였다.
추후 고온 및 저온 상태에서의 시험을 고려하여 챔버 내에서 시험을 수행하였다. 또한 Pocket AE 시스템을 사용하여 재하과정에서 발생하는 균열의 생성을 관찰하였다. AE 측정시 시험편 크기를 고려하여 소형 센서인 Micro80s를 사용하였으며 신호검출한계는 60 dB로 설정하였다.
화강암 시험편을 사용하여 개발된 SCC 시험을 수행하였다. 먼저 국내의 많은 연구에서 사용된 황등화강암 블록에서 일축압축시험용 시험편 성형과 동일하게 시험편을 만든 후 제작된 노치성형 지그와 절단톱으로 노치를 만들었다. 시험 절차는 노치 성형과정을 제외하면 기존의 일축압축시험과 동일하다.
SCC시험편에 하중을 가하는 동안 하중과 미소파괴음 신호를 측정하였다. 미소파괴음 신호의 진폭은 생성된 균열의 크기와 관계가 있기 때문에 재하과정의 진폭분포를 분석하였다.
본 연구에서는 시추코어를 사용하며 성형이 용이하고 삼축조건에서도 시험이 가능한 mode II 파괴인성 시험법을 개발하였고 이를 SCC(Short Core in Compression) 시험법으로 명명하였다. 시험법 개발 시 3차원 수치해석을 사용하여 필요한 계산식을 도출하였으며 시험법 적용 시 예상되는 실제적인 문제점들도 검토하였다.
선하중의 경우 30.0 kN, 분포하중의 경우 상부의 모든 절점에 10 MPa를 가압하여 22.9 kN의 하중을 가하는 것으로 모델링하였다.
본 연구에서는 시추코어를 사용하며 성형이 용이하고 삼축조건에서도 시험이 가능한 mode II 파괴인성 시험법을 개발하였고 이를 SCC(Short Core in Compression) 시험법으로 명명하였다. 시험법 개발 시 3차원 수치해석을 사용하여 필요한 계산식을 도출하였으며 시험법 적용 시 예상되는 실제적인 문제점들도 검토하였다.
암석코어 형태의 시험편에 대한 수치해석에서 전단응력을 어느 지점의 값으로 사용할 것인가를 검토하기 위하여 Fig. 8과 같이 중심에서 r=0, r=D/4, r=D/2 만큼떨어진 세 지점에서의 전단응력을 비교하였다. 비교 결과 Fig.
여러 연구자들이 다양한 형태의 시료를 사용하여 mode II 파괴인성을 결정하였다. 대표적인 시험편 형상과 재하방식은 Fig.
시험편 성형 시 고정장치를 사용한다고 하더라도 선균열이 중앙에 도달하지 않거나(bad_type 1) 초과(bad_type 2)할 수 있는 가능성이 있다. 이 경우 균열면에서의 응력분포가 어떻게 변하는지를 수치해석을 통해 검토하였다. 불량시험편은 기준시험편과 비교할 때 양측에서 각각 1 mm씩 미달이거나 초과하도록 모델을 구성하였다.
2가 가장 이상적인 것으로 제안하였다. 이를 참고하여 노치간격비, c/H를 0.10～0.40까지 0.05씩 증가시키면서 해석을 수행하였다. 본 연구에서는 Watkins와 Liu(1985)가 제안한 것과 동일하게 선하중을 가하는 경우와 시험의 편리성을 위해 등분포 하중을 가하는 경우에 대해서도 각각 해석을 수행하였다.
이상의 검토를 통해 암석코어에 SBC 시험편과 같은 형태의 노치를 형성하는 시험법을 Fig. 4와 같이 제안하였으며 시험편의 이름은 SCC(Short Core in Compression)으로 명명하였다. 이 시험법의 경우 암석코어를 사용하므로 측면을 다듬을 필요가 없으며 노치를 만드는 작업도 매우 쉽다.
11과 같다. 추후 고온 및 저온 상태에서의 시험을 고려하여 챔버 내에서 시험을 수행하였다. 또한 Pocket AE 시스템을 사용하여 재하과정에서 발생하는 균열의 생성을 관찰하였다.
화강암 시험편을 사용하여 개발된 SCC 시험을 수행하였다. 먼저 국내의 많은 연구에서 사용된 황등화강암 블록에서 일축압축시험용 시험편 성형과 동일하게 시험편을 만든 후 제작된 노치성형 지그와 절단톱으로 노치를 만들었다.
대상 데이터
선하중의 경우에는 6 x 6 x 54 mm의 철재막대를 사용하였으며 변위제어 모드에서 하중속도는 0.002 mm/s로 재하하였다.
16과 같다. 파괴면은 예상파괴면을 따라 발생하였으며 광물 내 파괴도 관찰되었다. Fig.
황등화강암을 이용하여 25개의 시험편을 제작하였다. 사용한 화강암의 일축압축강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, 내부마찰각과 점착력은 각각 177.
이론/모형
모든 시험은 MTS 815 시스템을 사용하여 수행하였다. 시험에 사용한 전체 시스템과 가압부 및 세팅된 모습은 Fig.
선형파괴역학의 주 관심사 중 하나는 응력확대계수를 구하는 것이다. 여러 가지 방법이 있으나 본 논문에서는 Owen과 Fawkes(1983)가 제안한 방법을 사용하였으며 3차원 응력계산에는 MIDAS GTS NX를 사용하였다.
성능/효과
3차원 수치해석 결과 노치주변의 전단응력은 하중재하방식에 관계없이 유사하였으며 선하중을 재하하는 경우 재하점 부근에서 응력집중이 발생하였다(Fig. 5). 수치해석을 사용하여 결정한 형상함수는 Fig.
9와 같다. 기준 시험편에 비하여 선균열이 중앙에 도달하지 못한 bad_type 1의 경우 전단응력이 더 작게 나타났으며 반대로 선균열이 중앙을 초과한 bad_type 2의 경우 전단응력이 기준 시험편에서 구해진 값보다 약간 크게 나타났다. 위의 값을 가지고 응력확대계수를 외삽하여 구하면 기준시험편의 경우 0.
두 가지 재하방식에 따른 차이는 c/H=0.1에서 3.5%로 가장 컸으며 실제적으로 시험을 수행하는 구간인 0.15 ≤ c/H ≤ 0.25의 구간에서는 0.5% 차이로 작게 나타났다.
비교 결과 Fig. 8과 같이 거의 유사하며 r=D/4인 경우 약간 작은 값을 가지며 r=0을 기준으로 균열 첨단부에서는 차이가 6.4%이나 실제 응력확대계수 계산에 사용되는 distance>0.001 m 구간에서는 2.7%로 차이가 감소하였다.
사용한 화강암의 일축압축강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, 내부마찰각과 점착력은 각각 177.0 MPa, 8.3 MPa, 45.5 GPa, 0.33, 58.5°, 22.0 MPa로 나타났다.
2로 사용할 것을 제안하였다. 수치해석 결과와 기존의 연구결과를 검토하여 SCC 시험편의 경우에도 c/H를 0.15～0.25로 사용할 것을 제안한다.
화강암을 사용하여 개발된 방법으로 시험한 결과 2.33 MPa# 의 mode II 파괴인성을 얻었으며 동일한 화강암에 대한 mode I 파괴인성 1.12 MPa# 와 비교할 경우 KIIC/KIC = 2.08를 얻어 mode II 파괴인성이 mode I보다 크다는 기존의 결과와 잘 일치하였다. 또한 비교적 평평한 파괴면과 암분의 생성은 암석의 파괴가 mode II로 발생하였음을 보여준다.
후속연구
, 2012). 그러나 균열의 형태(인장, 전단 또는 혼합모드)에 대한 정보는 없기 때문에 더 많은 수의 센서를 사용한 추가시험을 통해 균열의 위치와 형태를 분석하는 것이 필요하다.
또한 비교적 평평한 파괴면과 암분의 생성은 암석의 파괴가 mode II로 발생하였음을 보여준다. 따라서 본 논문에서 제시한 SCC 시험법은 암석의 mode II 파괴인성 시험법으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 용이하게 얻을 수 있는 암석 시추코어를 이용하며 성형이 비교적 쉬운 mode II 파괴인성 시험법을 개발하고자 하였다. 이 시험법이 개발되면 mode II 파괴인성뿐만 아니라 임계하균열성장 시험방법에도 적용하여 mode II 장기거동 평가를 비교적 용이하게 수행할 수 있다.
향후 mode II 파괴인성에 대한 온도, 압력과 수분의 영향을 검토할 예정이며 임계하균열성장과 같은 장기안정성 시험에도 적용할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암석파괴역학이란?
암석파괴역학은 토목공학과 암반공학의 다양한 분야에서 널리 적용되는 학문이다. 그러나 대부분의 암반 공학 문제에서 mode II 거동이 우세함에도 불구하고 관련 연구는 mode I 거동에 대한 것이 대부분이다.
암석코어를 이용한 시험법의 단점은?
, 1992; Watkins & Liu, 1985). 이 외에 암석코어를 이용한 시험법이 제시되었으나 이 경우에는 노치성형이 매우 복잡하다는 단점이 있다(Backers et al., 2002).
SCC시험편에 하중을 가하는 동안 재하과정의 진폭분포을 분석한 결과는?
재하 초기단계에서는 Fig. 15와 같이 대부분의 진폭이 70 dB 이하였으며 일부 신호만 70 dB을 초과하였다. 하중이 증가함에 따라 이벤트의 수가 증가하였으나 진폭은 70 dB보다 작았다. 하중이 강도의 70%에 도달한 경우 80～100 dB의 큰 진폭을 가지는 이벤트가 증가하였다. 파괴 이후에는 미소파괴음의 수가 급격히 감소하였다. 따라서, 미소파괴음모니터링을 통해 초기 미세균열 발생에서부터 파괴를 일으키는 큰 균열의 성장까지 잘 감지하였으며 이러한 경향은 기존의 일축압축 시험 등에서 알려진 것과 매우 유사하였다(Shim & Lee, 2000; Lee et al.
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