[논문]제주도 화산암의 압열인장강도와 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부마찰각

문경태; 양순보

doi:10.7843/kgs.2020.36.2.17

제주도 화산암의 압열인장강도와 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부마찰각
Cohesion and Internal Friction Angle Estimated from Brazilian Tensile Strength and Unconfined Compressive Strength of Volcanic Rocks in Jeju Island 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.2, 2020년, pp.17 - 28

문경태 (제주대학교 토목공학과) , 양순보 (일본 국립연구개발법인 해상.항만.항공기술연구소 항만공항기술연구소)

초록
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본 연구에서는, 제주도 화산암의 인장강도와 관련하여, 기존의 연구결과 및 본 연구에서 수행된 시험결과에 대한 종합적인 비교·분석을 수행하였으며, 제주도 화산암의 압열인장강도와 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부 마찰각의 특성 및 그 유효성을 각각 살펴보았다. 제주도 화산암의 압열인장강도는 흡수율과 밀접한 관계에 있었으며, 흡수율이 증가함에 따라 지수 함수적으로 급격하게 감소하는 특성을 갖고 있었다. 내부 마찰각은 압열인장도강도에 대한 일축압축강도의 비(σ_c / σ_t)와 밀접한 관계에 있었으며, 강도비 σ_c / σ_t가 증가함에 따라 내부 마찰각은 로그 함수적으로 증가하는 특성을 갖고 있었다. 그리고 제주도 화산암의 강도비 σ_c / σ_t는 내부 마찰각의 크기에 따라 약 5~20 사이의 값을 나타내고 있었다. 한편, 점착력(c)의 경우, 흡수율 및 압열인장강도와 밀접한 관계에 있음을 확인할 수 있었다. 점착력과 흡수율 사이에는 압열인장강도와 흡수율의 관계와 같이 지수 함수적인 관계에 있으며, 점착력과 압열인장강도 사이에는 선형관계에 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 일축압축강도와 압열인장강도로부터 추정된 내부 마찰각과 점착력은 각각 삼축압축강도로부터 추정된 내부 마찰각과 점착력에 비해 약 13% 과소평가 그리고 약 24% 정도 과대평가되는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

With respect to the tensile strength of volcanic rocks in Jeju Island, a comparative study was conducted using the existing research results and the test results performed in this study. In addition, the characteristics and effectiveness of the cohesion and internal friction angle estimated from the Brazilian tensile strength and unconfined compressive strength of Jeju volcanic rocks were investigated. As results, the Brazilian tensile strength of Jeju volcanic rocks was closely related to absorption, and decreased exponentially as the absorption increased. It was confirmed that the internal friction angle was closely related to the ratio of unconfined compressive strength to Brazilian tensile strength (σc / σt), and increased logarithmically as the ratio of σc / σt increased. In addition, the ratios of σc / σt of Jeju volcanic rocks were in the range of 5~20 depending on the magnitude of internal friction angle. In the case of cohesion, it was closely related to the absorption and Brazilian tensile strength. The cohesion exponentially decreased as the absorption increased, such as the relation between the Brazilian tensile strength and absorption. It was confirmed that there was a linear relation between the cohesion and Brazilian tensile strength.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Mohr circles for the stress states of Brazilian tensile strength test and unconfined compressive strength test
표 Table 1. Summary of the physical and mechanical characteristics for high-porous and low-porous basaltic intact rocks (Eum, 2002)
표 Table 2. Summary of the physical and mechanical characteristics for Pyoseonri basalt, Trachy basalt and Scoria (Kim, 2006; Nam et al., 2008b)
표 Table 3. Summary of the results obtained from the unconfined and triaxial compression tests for Pyoseonri basalt, Trachy basalt and Scoria (Kim, 2006)
표 Table 4. Summary of the physical and mechanical characteristics for Bukchon-ri basaltic intact rocks (Moon et al., 2014)
표 Table 5. Summary of the physical and mechanical characteristics for the intact rock specimens sampled at ○○ port in Jeju Island
그림 Fig. 2. Test specimens
표 Table 6. Summary of the results obtained from the unconfined and triaxial compression tests for the intact rock specimens sampled at ○○ port in Jeju Island
표 Table 7. Summary of the physical and mechanical characteristics for Sangga-ri and Eoeum-ri basaltic intact rocks
그림 Fig. 3. Relation between absorption and bulk specific gravity
그림 Fig. 4. Relation between absorption and unconfined compressive strength
그림 Fig. 5. Relation between absorption and Brazilian tensile strength
그림 Fig. 6. Relation between absorption and internal friction angle
그림 Fig. 7. Relation between internal friction angle and the ratio of UCS to BTS
그림 Fig. 8. Comparison between the internal friction angle estimated from Brazilian tensile strength and unconfined compressive strength and the internal friction angle estimated from the unconfined and triaxial compressive strengths
그림 Fig. 9. Relation between absorption and cohesion
그림 Fig. 10. Relation between Brazilian tensile strength and cohesion
그림 Fig. 11. Comparison between the cohesion estimated from Brazilian tensile strength and unconfined compressive strength and the cohesion estimated from the unconfined and triaxial compressive strengths

AI 본문요약
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문제 정의

이 장에서는 Mohr-Coulomb 파괴기준에 대해서 간단히 설명하고, Piratheepan et al.(2012)에 의해 제안된 압열인장강도와 일축압축강도로부터 점착력과 내부 마찰각을 추정하는 방법에 대해서 기술하고자 한다.
, 2006), 내부 마찰각과 점착력을 추정하기에 앞서 암석 공시체의 크기 및 형상의 영향을 고려하여 일축압축강도 및 압열인장강도를 교정하는 것은 중요하다. 그러나 현재까지 현무암 암석의 공시체의 직경 및 형상의 영향을 조사한 연구가 없기 때문에, 본 연구에서는 아래에 서술한 방법과 같이 일축압축강도와 압열인장강도를 각각 교정하고, 기존에 발표된 연구결과와 본 연구에서 수행한 실험결과를 종합적으로 비교 분석하고자 한다.
3을 통하여, 흡수율과 겉보기비중의 사이에는 부(-)의 선형관계에 있으며, 흡수율이 증가함에 따라 겉보기비중은 선형으로 감소하고 있다. 그리고 본 연구에서 다룰 화산암은 우연하게도 Kim(2006)과 Nam et al. (2008b)의 스코리아를 제외하면, 선형회귀 (1) 주위에 분포하고 있음을 알 수 있으며, 본 연구에서는 선형회귀 (1)에 해당하는 제주도 화산암을 중심으로 그 특성을 각각 살펴보고자 한다.
(2012)의 방법에 의해 추정된 점착력과 내부 마찰각의 특성을 각각 살펴보고자 한다. 또한 압열 인장강도 및 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부 마찰각을 삼축압축시험 결과로부터 도출된 점착력 및 내부 마찰각과 비교하여 그 유효성을 검증하고자 한다.

제안 방법

(2014)은 Piratheepan et al.(2012)에 의해 제안된 방법을 이용하여, 다양한 성인의 암석의 압열인장강도와 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부 마찰각을 검토하였다. 그러나 위의 두 연구는 삼축압축시험 결과로부터 도출된 점착력과 내부 마찰각과의 비교 분석은 수행하고 있지 않다.
본 연구에서는, Yang(2014, 2015a)에서 제안된 선형회귀 (1)에 해당하는 제주도 화산암을 대상으로 다양한 물성시험 및 강도시험을 수행하였으며, 일축압축강도 (σc)와 압열인장강도(σt)의 특성, 일축압축강도와 압열인장강도를 이용하여 식 (6)과 (7)로부터 추정된 내부 마찰각(ϕ)과 점착력(c)의 특성 및 그 유효성을 각각 살펴보았다.
그리고 제작된 암석 시편의 물리적 및 역학적 특성을 파악하기 위해, 비중/흡수율 시험(KS F2518), 일축압축강도시험(KS E 3033, ASTM D 7012) 및 압열인장강도시험(KS E 3032)을 KS규격에 따라 수행하였다. 비중/흡수율 시험에는 전자저울(CBX-22KH, CAS)을 사용하여 시편의 무게를 측정하였고, 강도시험에는 만능재료 시험기(SGA-B-100PC, Shingang Precisionind Co. LTD)를 사용하였다. Table 7에 암석시편의 물성 및 강도시험 결과를 정리하였으며, 상가리 현무암과 어음리 현무암의 교정압열인장강도와 교정일축압축강도의 평균값을 이용하여 식 (6)과 (7)로부터 추정된 내부마찰각과 점착력을 나타내었다.
05mm인 원주형시편을 제작하였다. 암석의 압축강도시험 규정(KS E3033, ASTM D7012)에 따라, 암석의 종횡비(D/H; D: 암석 시편의 직경, H: 암석 시편의 높이)가 약 0.5가 되도록 일축압축강도용 시편을 제작하였으며, 압열인장강도 시험용 암석 시편은 암석의 인장강도시험 규정(KS E3032)에 따라 시편의 형상비(t/D)가 약 0.5가 되도록 제작하였다. 지역별로 일축압축강도시험용과 인장강도시험용 암석 시편을 각각 5개씩 제작하여 총 20개에 대해 시험을 진행하였다.
이 장에서는 Table 1, 2, 4 및 5에 나타낸 제주도 화산암에 대한 기존의 연구결과와 Table 7에 나타낸 본 연구에서 수행한 화산암에 대한 흡수율과 겉보기비중의 관계를 살펴보고, 제주도 화산암의 교정일축압축강도(이하 일축압축강도)와 교정압열인장강도(이하 압열인장강도)의 특성, 일축압축강도와 압열인장강도로부터 추정된 내부 마찰각과 점착력의 특성 및 그 유효성을 각각 살펴보고자 한다.

대상 데이터

본 연구에서는 제주시 애월읍 상가리와 어음리의 화산암석을 대상으로 기본적인 물성 및 강도시험을 수행하였다. 한국지질자원연구원 지질도(MGEO, KIGAM) 에 의하면, 상가리에는 금덕리현무암(Qkdb)이, 어음리에는 부면동조면현무암(Qbmtb)이 분포하는 것으로 나타났다.
암석의 이방성을 고려하여 시편의 방향성 유지를 위해 지하수 관정 굴착시 채취된 동일심도의 화산암석을 사용하였으며, 비트의 크기가 BX구경인 코어 시추기를 이용하여 직경(D=Avg.±SD)이 43.34±0.05mm인 원주형시편을 제작하였다.
5가 되도록 제작하였다. 지역별로 일축압축강도시험용과 인장강도시험용 암석 시편을 각각 5개씩 제작하여 총 20개에 대해 시험을 진행하였다. Fig.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 제주도 화산암의 압열인장강도와 관련하여, 기존의 연구결과 및 새롭게 수행된 시험결과에 대하여 종합적인 비교 분석을 수행하였으며, 제주도 화산암의 압열인장강도와 일축압축강도로부터 Piratheepan et al.(2012)의 방법에 의해 추정된 점착력과 내부 마찰각의 특성을 각각 살펴보고자 한다. 또한 압열 인장강도 및 일축압축강도로부터 추정된 점착력과 내부 마찰각을 삼축압축시험 결과로부터 도출된 점착력 및 내부 마찰각과 비교하여 그 유효성을 검증하고자 한다.
그리고 제작된 암석 시편의 물리적 및 역학적 특성을 파악하기 위해, 비중/흡수율 시험(KS F2518), 일축압축강도시험(KS E 3033, ASTM D 7012) 및 압열인장강도시험(KS E 3032)을 KS규격에 따라 수행하였다. 비중/흡수율 시험에는 전자저울(CBX-22KH, CAS)을 사용하여 시편의 무게를 측정하였고, 강도시험에는 만능재료 시험기(SGA-B-100PC, Shingang Precisionind Co.

성능/효과

한편, 점착력의 경우, 흡수율 및 압열인장강도와 밀접한 관계에 있었으며, 점착력과 흡수율 사이에는 일축압축강도 및 압열인장강도와 흡수율의 관계와 같이 지수 함수적으로 감소하는 관계에 있었다. 그리고 점착력과 압열인장강도 사이에는 선형관계에 있음을 확인할 수 있었다.
기존의 연구결과를 포함한 제주도 화산암의 물리･역학적 특성에 대한 종합적인 비교 분석을 통하여(Yang, 2014, 2015a, 2015b; Yang and Sassa, 2016, 2017), 제주도 화산암은 다공성 구조의 특성을 나타내는 파라미터인 흡수율 및 유효공극률과 겉보기비중의 관계에 따라 크게 두 개의 타입으로 구분할 수 있다. 그리고 제주도 화산암의 일축압축강도와 점착력은 위의 관계에 따라 두 개의 타입으로 구분할 수 있으며, 흡수율 또는 유효 공극률이 증가함에 따라 제주도 화산암의 일축압축강도와 점착력은 지수 함수적으로 급격히 감소하는 경향을 보였다. 내부 마찰각은 흡수율 또는 유효공극률이 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하는 경향이 있음이 밝혀졌다.
일축압축강도와 압열인장강도로부터 추정된 내부 마찰각과 점착력은 삼축압축강도로부터 추정된 내부 마찰각과 점착력에 비해 각각 약 13% 과소평가 그리고 약 24% 정도 과대평가되는 경향을 보였다.
제주도 화산암의 일축압축강도와 압열인장강도는 흡수율과 밀접한 관계에 있었으며, 흡수율이 증가함에 따라 지수함수적으로 급격하게 감소하는 특성을 갖고 있었다. 내부 마찰각은 압열인장도강도에 대한 일축압축강도의 비(σ_c/σ_t)와 밀접한 관계에 있었으며, 강도비(σ_c/σ_t) 가 증가함에 따라 내부 마찰각은 로그 함수적으로 증가하는 특성을 갖고 있었다.
그리고 제주도 화산암의 강도 비(σ_c/σ_t)는 내부 마찰각의 크기에 따라 약 5~20 사이의 값을 나타내고 있었다. 한편, 점착력의 경우, 흡수율 및 압열인장강도와 밀접한 관계에 있었으며, 점착력과 흡수율 사이에는 일축압축강도 및 압열인장강도와 흡수율의 관계와 같이 지수 함수적으로 감소하는 관계에 있었다. 그리고 점착력과 압열인장강도 사이에는 선형관계에 있음을 확인할 수 있었다.

후속연구

이로부터 Kim(2006)의 c_triaxial를 추정하기 위해 사용된 일축압축강도와 삼축압축강도는 공시체 직경이 NX 코어드릴 구경의 결과에 비해 일축압축강도와 각각의 구속압력에 대한 압축강도가 과대하게 평가되고 있을 가능성이 크며, 이에 따라 c_triaxial 또한 과대하게 추정되었다고 사료된다. 그리고 비교 데이터의 수가 충분하지 않기 때문에, 앞으로 제주도 화산암에 대한 추가적인 실험을 수행하여 위의 관계에 대해 심도있게 분석할 필요가 있다고 사료된다.
본 연구를 통하여, 제주도 화산암석의 다공성 구조를 나타내는 파라미터의 하나인 흡수율 이용하여 다양한 강도정수를 추정할 수 있음을 알 수 있었으며, 삼축압축시험에 비해 비교적 간단하게 수행할 수 있는 일축압축시험과 압열인장강도시험을 통하여, Mohr-Coulomb 파괴기준의 강도정수인 점착력과 내부 마찰각을 손쉽게 추정할 수 있으리라 사료된다.
, 2014; This study)이다. 흡수율을 이용한 내부 마찰각의 추정은 경우에 따라 실제의 내부 마찰각 보다 과대하게 추정될 가능성을 배제할 수 없으며, 다양한 흡수율의 화산암에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제주도의 특징은 무엇인가?	제주도는 약 200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화산활동에 의해 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도의 지반은 얇은 토사층 아래 용암류 암반과 화산쇄설층 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있으며, 지역마다 다양한 지질특성을 보이고 있다. 특히 제주도의 암반은, 육지부에 존재하는 심성암 또는 퇴적암과 달리, 용암 속에 존재하던 휘발성분이 미쳐 빠져나가지 못하고 굳으면서 형성된 기공(Vesicle)이 불규칙적으로 발달한 다공성 구조를 갖고 있는 것이 특징이라고 할 수 있다.
	Mohr-Coulomb 파괴기준의 특징은 무엇인가?	암반역학에서 사용되는 파괴기준들 중의 하나인 Mohr-Coulomb 파괴기준은 수식이 단순하고, 이해하기 쉽고, 간단하게 사용할 수 있기 때문에 자주 사용되고 있다. 적어도 3개 이상의 서로 다른 구속압력 아래에서 이루어진 삼축압축시험 결과를 수직응력과 전단응력 평면상에 Mohr원을 나타냄으로써, Mohr-Coulomb 파괴 포락선과 인장강도를 나타내는 최대인장기준선을 결정할 수 있다. 여기서 Mohr-Coulomb 파괴 포락선은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
	제주도의 암반의 특징은 무엇인가?	제주도는 약 200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화산활동에 의해 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도의 지반은 얇은 토사층 아래 용암류 암반과 화산쇄설층 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있으며, 지역마다 다양한 지질특성을 보이고 있다. 특히 제주도의 암반은, 육지부에 존재하는 심성암 또는 퇴적암과 달리, 용암 속에 존재하던 휘발성분이 미쳐 빠져나가지 못하고 굳으면서 형성된 기공(Vesicle)이 불규칙적으로 발달한 다공성 구조를 갖고 있는 것이 특징이라고 할 수 있다. 그리고 제주도에서는 이전부터 대규모 토목공사 및 지하수 개발에 있어서 수많은 시행착오를 경험하고 있으며(Kim, 2006), 최근에는 카본프리아일랜드라는 슬로건 아래 육･해상 풍력발전단지의 건설 및 공항인프라 확충을 위한 토목공사 등 대규모 건설공사가 계획되어 있다.

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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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