[논문]단조 및 반복하중 하에서의 모사 암석 시료의 임계하 균열성장 지수에 관한 연구

고태영

doi:10.7474/tus.2019.29.2.124

단조 및 반복하중 하에서의 모사 암석 시료의 임계하 균열성장 지수에 관한 연구
A Study on Subcritical Crack Growth Parameters in Rock-like Material under Monotonic and Cyclic Loading 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.29 no.2, 2019년, pp.124 - 134

초록
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암석에서의 임계하 균열성장은 단조 및 반복하중 하에서 일어날 수 있다. 임계하 균열 성장은 암반에 건설되는 지하구조물의 장기 안정성의 평가에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 모사 암석 시료를 사용하여 단조 및 반복하중 하에서의 임계하 균열성장 지수를 구하였다. 단조하중 조건에서는 일정 응력 속도법이 적용되었으며, 반복하중에 의한 임계하 균열성장 지수는 반복에 의한 균열성장 속도와 응력확대계 수폭의 관계를 이용하였다. 연구에 사용된 시험편은 $45^{\circ}$와 $60^{\circ}$의 균열 경사각을 가지고 있으며, 균열의 간격 및 연속성에 변화를 주어 전단 또는 인장에 의한 균열성장이 가능하도록 하여 전단 또는 인장에 의한 임계하 균열성장 지수도 구하였다. 그 결과, 임계하 균열성장 지수 n은 작용하는 하중 조건, 즉 단조 및 반복하중, 혹은 전단 및 인장에 관계없이 거의 일정한 값을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Subcritical crack growth in rock material can occur under monotonic and cyclic loading. Subcritical crack growth plays an important role in evaluating the long-term stability of structures in rocks. This paper presents the results of studies conducted to determine subcritical crack growth parameters under monotonic and cyclic loading in rock-like material. The constant stress rate method was employed for monotonic loading. The subcritical crack growth parameter of n under cyclic loading was determined by the relation between the rate of crack growth per cycle and stress intensity factor range. The specimens contained pre-existing flaws with 45 and 60 degrees of inclination angle and flaws spacing and continuity were varied to arrange crack growth in shear or tensile manner. The results show that the parameter of n is almost constant regardless of the applied load conditions such as monotonic and cyclic or shear and tension.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic configuration of specimen geometry
표 Table 1. Specimen geometry used in this study
그림 Fig. 2. Specimen geometry
그림 Fig. 3. Specimen geometry after crack growth
그림 Fig. 4. Schematic illustration of the crack model: (a) shear crack model; (b) sliding crack model
그림 Fig. 5. Results of constant stress rate tests under monotonic loading
그림 Fig. 6. Variation of the crack growth da/dN as a function of the stress intensity factor range ΔK
표 Table 2. Experiment results

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 실험적인 방법에 따라 두 개의 균열을 가지는 모사 암석 시료인 석고 시멘트 시험편의 단조 및 반복하중 조건에서의 임계하 균열성장지수를 구하고, 특히 지수 n이 각각의 하중 조건에 따라 어떻게 다른지를 살펴보고자 한다.

가설 설정

“45-0-2a”와 “60-0-2a” 시험편에서는 전단에 의해 암석 브릿지가 결합될 때의 일축압축강도를 파괴강도로 가정하였고, “45-a-a”와 “45-2a-2a”시험편에서는 날개균열에 의해 암석 브릿지가 결합될 때의 일축압축강도를 파괴강도로 가정하였다.

제안 방법

0.02 MPa/s의 하중속도에 대한 압축강도 시험은 2회 실시하였으며, 50 MPa/s의 하중속도에 대한 압축강도 시험은 3회 실시하였다.
45°와 60°의 균열 경사각을 사용하였으며, 균열의 간격 및 연속성에 변화를 주어 전단 또는 인장에 의한 균열성장이 가능하도록 균열을 배치하여 전단 또는 인장에 의한 임계하 균열성장 지수도 구하였다.
그 뒤 시험편의 표면을 연마하여 높이 152.4 mm, 너비 76.2 mm, 두께 30mm의 크기로 만들고, 온도 40°C의 건조기에 넣어 4일 동안 양생한 후 시험하였다.
단조 하중에 의한 임계하 균열성장지 수의 결정은 일정 응력 속도법(constant stress rate method)을 사용하였으며(Ko and Kemeny, 2011), 반복하중에 의한 임계하 균열성장 지수의 결정은 시험편에서 균열이 성장하여 파괴될 때까지 반복 하중을 가하여 측정하였다.
시험에 사용된 모든 균열 배치 형태에 대하여 50 MPa/s의 하중속도에서 측정된 시험편의 파괴 강도를 3회에 걸쳐 측정하여 이들의 평균값을 동적 강도로 사용하였다.
연구에 사용된 시험편은 45°와 60°의 균열 경사각을 가지고 있으며, 균열의 간격 및 연속성에 변화를 주어 전단 또는 인장에 의한 균열성장이 가능하도록 하여 전단 또는 인장에 의한 임계하 균열성장 지수도 구하였다.
각각의 시험편에 반복하중의 최대값은 동적 강도의 90%, 85%, 80%의 값을 적용하였으며, Fig.6과 같이 균열성장 속도와 응력 확대계수폭을 로그눈금의 그래프로 표현하고 선형회귀에 의한 직선의 기울기를 구하였다.
본 연구에서는 0.02 MPa/s와 50 MPa/s의 두 가지의 응력속도가 사용되었으며, 각각의 응력속도에 대해 시험편의 종류마다 2~3 회의 일축압축시험이 시행되어 임계하 균열성장지수 n1을 구하였다.
시험과정은 모두 디지털 캠코더에 의해서 녹화되었으며, 비디오 분석을 통해 균열의 시작, 결합 그리고 파괴될 때까지의 하중반 복횟수 등을 측정하였다.
인장에 의해 균열이 발생한 시험편에 대해서는 활주균열모형(sliding crack model)을 이용하여 응력확대계수의 식을 구하였다.

대상 데이터

50 MPa/s의 하중속도에서의 파괴강도는 시험편의 파괴가 너무 짧은 순간에 발생하여 균열이 결합되고 완전히 파괴될 때의 강도의 차이를 구별할 수 없어서, 시험편이 완전히 파괴되었을 때의 일축압축강도를 사용하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Kemeny and Cook(1987)이 제안한 식을 이용하였으며, 응력확대계수의 식은 다음의 식 (11)과 같다.

성능/효과

1) 단조 하중에 의한 임계하 균열성장의 경우, 전단에 의한 파괴가 일어난 “45-0-2a”, “60-0-2a” 시험편에서의 임계하 균열성장 지수는 각각 34와 36으로 평균 35이고, 인장에 의해 파괴가 일어난 “45-a-a”, “45-2a-2a” 시험편에 서의 임계하 균열성장 지수은 각각 30과 37이었으며 평균 33으로, 전단과 인장에 의한 임계하 균열성장 지수가 서로 유사하였다.
2) 반복 하중에 의한 임계하 균열성장의 경우, 전단 파괴가 일어난 “45-0-2a”, “60-0-2a” 시험편에서의 임계하 균열성장 지수는 각각 31과 37로 평균 34이었으며, 인장 파괴가 일어난 “45-a-a”, “45-2a-2a” 시험편에서의 임계하 균열성장 지수는 각각34와 37이었으며 평균 35로, 전단과 인장에 의한 임계하 균열성장 지수가 서로 유사하였다.
3) 약간의 편차는 있지만 대체적으로 하중 조건과 관계없이 임계하 균열성장 지수의 값은 서로 유사한 것으로 나타났다.
4) 이상의 결과로부터 임계하 균열성장 지수는 하중조건에 관계없이 일정하며, 암석의 종류에 따라 달라지는 물질 상수의 하나로 판단된다.
균열이 없는 시험편의 일축압축강도(uniaxial compressive strength)는 34.8 MPa, 인장강도(tensile strength)는 3.2 MPa, 탄성 계수(elastic modulus)는 5.9 GPa, 그리고 푸아송 비(Poisson’s ratio)는 0.15로 측정되었다.
이상의 결과로부터 임계하 균열성장 지수는 하중조건에 관계없이 일정하며, 암석의 종류에 따라 달라지는 물질 상수의 하나로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

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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