[논문]암석코어시편의 절리면 직접전단시험을 위한 겉보기 면적 계산방법

강훈; 박정욱; 박찬; 오태민; 조정우

doi:10.7474/tus.2020.30.6.551

암석코어시편의 절리면 직접전단시험을 위한 겉보기 면적 계산방법
Calculation Method for Nominal Area of Rock Core Specimen During Direct Shear Test 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.6, 2020년, pp.551 - 558

강훈 (한국표준과학연구원) , 박정욱 (한국지질자원연구원) , 박찬 (한국지질자원연구원) , 오태민 (부산대학교) , 조정우 (한국생산기술연구원)

초록
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기존 시험법은 암석시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적의 변화를 고려해야 한다고 명시하고 있다. 본 기술보고는 암석코어 시편의 절리면 직접전단시험시 겉보기 면적 계산방법을 제시하였다. 암석코어 시편의 초기 절리면을 타원으로 가정하고, 타원의 중첩면적 감소를 계산하는 수식을 정리하였다. 전단변위와 겉보기 면적을 정규화하면 타원형상에 관계없이 일정한 변화 비율을 가지는 것을 확인하였다. 암석코어 시편 전단시험을 위한 정규화 실험상수를 제안하여 일반화된 계산방법을 제안하였다. 그 방법을 실제 전단시험의 데이터에 적용하여 결과 변화값을 확인하고, 정확도에 대해 간략히 토의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This note presents the calculation of nominal area for rock core specimen under direct shear testing condition. The initial nominal area was assumed as ellipsoid, and the equations for calculating the nominal area are derived. The normalized shear displacement and normalized nominal area have an identical relationship regardless of the ellipsoid shape. New testing constants and the generalized method were suggested to calculate the decrease of the nominal area. The method was applied to calculate the direct shear testing data and the changes of result were discussed.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Definition of the initial contact area of a core sample
그림 Fig. 2. Decrease of the nominal area resulting from increasing the shear displacement
그림 Fig. 3. Curve used in the calculation of nominal area
그림 Fig. 4. Change of the normalized nominal area according the normalized shear displacement
표 Table 1. Information of the rock core used in direct shear test
그림 Fig. 5. Joints of rock core specimen for direct shear test
그림 Fig. 6. Shear stress and nominal area ratio according to the shear displacement
그림 Fig. 7. Peak shear stress v.s. normal stress
그림 Fig. 8. Residual shear stress v.s. normal stress
표 Table 2. Results of the direct shear test applying the nominal area

AI 본문요약
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문제 정의

위의 식 (6)은 다소 복잡해서 매번 실시간으로 계산하기에 번거로움이 있다. 따라서 정규화된 방법을 제안하여 계산과정을 보다 단순화하고자 한다. 이를 위하여, 전단변위를 전단변위와 장축길이의 비율(_: normalized shear displacement)로 정규화하고(식 (7)), 겉보기면적을 초기 타원면적으로 나눈 면적비율(_: normalized nominal area)로 정규화하였다(식 (8)).
절리면이 대부분 코어 시추방향에 대해 경사를 가지고 있고, 원형은 타원에 포함되기 때문에 중첩면적을 타원형으로 가정할 수 있다. 본 기술보고에서는 코어시편의 접촉면인 타원의 겉보기 면적변화를 계산하는 방법을 제시하고, 그에 따른 면적변화의 정규화 과정과 실제 직접 전단시험적용 사례를 소개한다.

제안 방법

1)암석코어 시편의 초기접촉면을 타원으로 정의하였으며, 전단변위에 따라 감소하는 중첩면적의 계산방법을 제시하였다. 2)전단변위와 겉보기면적을 초기값과의 비율로 정규화하여 새로운 변수를 정의하였다.
제시하였다. 2)전단변위와 겉보기면적을 초기값과의 비율로 정규화하여 새로운 변수를 정의하였다. 이때 타원의 형상에 관계없이 전단 변위 비율에 따라 감소하는 겉보기면적의 비가 일정함을 발견하였다.
3)암석코어 시편의 전단시험시 겉보기면적 변화와 실시간 겉보기 응력을 계산할 수 있는 계산식을 제안하였다. 이를 실제 전단시험 수행사례에 적용하여 차이를 정리하였다.
본 기술보고는 국제암반공학회의 제안시험의 권고사항에 따라 암석코어 시편의 절리면 직접전단시험 시 겉보기 면적을 계산하는 방법을 제안하였다. 암석코어 시편 절리면 시편의 겉보기 면적을 계산하는 방법과 그 적용사례를 설명하였다.
절리면 직접전단시험 수행사례에 제안한 계산방법을 적용하였다. 이때, 겉보기 면적이 고려될 때의 응력변화량을 조사하고, 점착력과 마찰각에 미치는 영향을 간략히 살펴보았다. 대상 암석코어 시편의 세부정보는 Fig.
3)암석코어 시편의 전단시험시 겉보기면적 변화와 실시간 겉보기 응력을 계산할 수 있는 계산식을 제안하였다. 이를 실제 전단시험 수행사례에 적용하여 차이를 정리하였다. 그 결과, 겉보기 증첩면적을 고려하면 보다 정확한 데이터를 획득할 수 있음을 확인하였다.
절리면 직접전단시험 수행사례에 제안한 계산방법을 적용하였다. 이때, 겉보기 면적이 고려될 때의 응력변화량을 조사하고, 점착력과 마찰각에 미치는 영향을 간략히 살펴보았다.
이를 위하여, 전단변위를 전단변위와 장축길이의 비율(_: normalized shear displacement)로 정규화하고(식 (7)), 겉보기면적을 초기 타원면적으로 나눈 면적비율(_: normalized nominal area)로 정규화하였다(식 (8)). 코어시편 겉보기 면적 형상이 정규화된 변수에 미치는 영향을 파악하기 위해, 코어시편 장축과 단축의 비( ratio)에 따른 정규화된 변수 간의 관계를 조사하였다(Fig. 4). 그 결과 코어시편 장축(), 단축() 길이 비에 관계없이 정규화된 변수 간에 일정한 관계가 도출되었다.

성능/효과

4). 그 결과 코어시편 장축(), 단축() 길이 비에 관계없이 정규화된 변수 간에 일정한 관계가 도출되었다. 따라서, 장축과 단축비율( ratio)은 상수로 가정할 수 있으므로, 전단변위와 장축길이의 비율(_)이 유일한 실험변수가 된다.
이를 실제 전단시험 수행사례에 적용하여 차이를 정리하였다. 그 결과, 겉보기 증첩면적을 고려하면 보다 정확한 데이터를 획득할 수 있음을 확인하였다.
7, 8을 선형회귀하였고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 높은 수직응력에서 2%정도 전단응력이 증가한 결과, 마찰각은 일정하게 0.3-0.8% 정도씩 증가하였고, 점착력은 0.3-0.7% 정도 증가한 결과가 나타났다. 따라서 제안시험법과 마찬가지로 타원의 겉보기 면적을 고려해야 보다 정확한 시험결과를 획득할 수 있음을 재확인하였다.
0%까지 진행되었다. 따라서 다 단 전단시험(multi-stage shear test)시 면적변화를 고려해야 정확한 응력 값을 도출할 수 있음을 확인하였다.
7% 정도 증가한 결과가 나타났다. 따라서 제안시험법과 마찬가지로 타원의 겉보기 면적을 고려해야 보다 정확한 시험결과를 획득할 수 있음을 재확인하였다.

참고문헌 (3)

Barton, N.R. and V. Choubey, 1977. The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mech. 10(1-2).
Muralha, J., Grasselli, G., Tatone, B. et al., 2014, ISRM Suggested Method for Laboratory Determination of the Shear Strength of Rock Joints: Revised Version. Rock Mech. Rock Eng. 47, 291-302.

상세보기
한국암반공학회, 2009. 암석의 직접전단강도 결정을 위한 실내 표준시험법. 터널과 지하공간, 19(4), 269-272.

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