반복하중 하에서 화강암 및 사암의 역학적 거동 특성

Abstract

암석은 여러 가지 광물로 이루어진 집합체이며, 생성 과정에서 다양한 요인에 의해 균열과 같은 불연속면이 생성된다. 암석 내 불연속면들은 작용하는 응력 상태와 환경적 요인에 의해 성장하다 최종적으로는 파괴에 이른다. 암석 내 균열은 역학적 하중이나 화학적 작용에 의해 성장한다. 지하공간 구조물을 건설하기 위한 굴착과 발파에 의한 반복하중은 오랜 시간에 걸쳐 암석 내 미세균열을 생성시키며, 결국 암석은 원래의 암석 강도보다 낮은 단계에서 파괴되는 피로파괴에 이르게 된다. 이렇게 암반에 작용하는 반복하중에 의한 피로파괴는 암반 내 지하구조물의 장기적인 안정성에 큰 영향을 미친다. 따라서 암반 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 반복하중에 따른 암석의 역학적 거동 특성을 파악하고 이를 규명하는 것이 매우 중요한 과제이다. 암석의 반복하중에 의한 피로파괴에 대한 연구는 과거로부터 현재에 이르기까지 국내외 많은 연구자들에 의해 수행되었다(Burdine, 1963; Haimson and Kim, 1971; Attewell and Farmer, 1973; Scholz and Koczynski, 1979; Wissler and Simmons, 1985; 김일중과 김영석, 1988; Rao and Ramana, 1992; Jing et al., 1993; 장보안과 김재동, 1995; Bagde and Petroš, 2005; Ko et al., 2006; Fuenkajorn and Phueakphum, 2010; 고태영 외, 2011; 천대성 외, 2011; 천대성 외, 2012; Enlong and Siming, 2012; Wang et al., 2013). Burdine(1963)는 Berea 사암을 대상으로 동일한 응력수준까지 하중의 반복속도를 변화시키면서 파괴되는 반복횟수를 측정한 결과 파괴는 반복속도와 관계없음을 보고하였다. 반면, Attewell and Farmer(1973)에 따르면 백운암을 대상으로 한 실험에서 동일한 응력수준에서 하중속도와 파괴횟수는 밀접한 관계가 있음을 밝혔다. Scholz and Koczynski(1979)는 Wester 화강암을 대상으로 하중속도와 변형률 관계를 시험한 결과 하중속도가 낮은 것은 높은 것에 비하여 변형률이 크다고 보고하였다. Wissler and Simmons(1985)는 Berea 사암, 포틀랜드 arkose, Gallup 사암을 대상으로 응력수준에 따른 반복하중 시험으로 탄성과 소성변형을 연구하였다. 김일중과 김영석(1988)은 반복하중에 의한 사암의 피로파괴거동에서 반복횟수에 따라 탄성도는 감소하고 소성도는 증가함을 규명하였다. Rao and Ramana(1992)는 초음파탐사와 AE 기법을 이용하여 반복하중 하에서 암석의 파괴과정을 보고하였다. Jing et al.(1993)은 반복하중에 의한 절리암반의 거동 상태를 수치해석적으로 밝혔다. 장보안과 김재동(1995)은 압축피로 반복하중에 의한 반려암, 사암, 대리암의 미세균열 발달 양상을 연구하였다. Bagde and Petroš(2005)은 반복하중에 의한 신선한 사암에서의 피로파괴 거동특성을 연구하였다. 고태영 외(2011)의 단조증가 및 반복하중 하에서 암석의 균열 성장에 관한 실험적 연구에서 피로균열은 반복하중에 의해서만 발생하고, 성장 방향은 이차균열과 유사하게 초기균열과 같은 방향이나 하중방향과 직교인 수평방향에서 나타남을 보고하였다. 천대성 외(2012)는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 내압구조에 대한 반복하중의 역학적 영향평가를 연구하였다. 이상과 같이 반복하중에 의한 암석의 물리적 및 역학적 거동 특성에 대한 연구는 다양하게 이루어 졌으며, 그 특성을 파악하기 위해 암석의 흡수율, 공극률, 탄성계수, 포아송비, 종파속도 등의 물성 분석 방법을 이용하였다. 하지만 이들 연구는 건조 상태의 암석시료를 대상으로 반복하중 하에서의 피로파괴가 집중적으로 이루어졌다. 이와는 달리 건조 상태를 포함한 포화 상태의 암석 시료에 대한 반복하중에 의한 암석의 물리적 거동 및 균열 성장의 특징에 관한 연구는 아직까지 매우 미미한 상태에 있다. 따라서 이 연구에서는 건조 및 포화 상태의 화강암과 사암을 대상으로 반복하중 하에서의 피로파괴 특성을 살펴보기 위하여 다음과 같은 과정으로 연구를 수행하였다. 첫째, 건조 상태의 화강암과 사암에 대하여 100%, 80%, 50%의 반복하중 조건에서 흡수율, 공극률, 탄성계수, 포아송비, 종파속도 등의 물성 변화를 비교분석 하였다. 둘째, 포화 상태의 두 암종에 대하여 100%, 80%, 50%의 반복하중 조건에서 탄성계수, 포아송비, 종파속도 등의 물성 변화를 비교분석 하였다. 마지막으로, 건조 및 포화 상태에서의 하중에 따른 화강암과 사암의 물리적 거동 및 미세 균열 성장 특징을 비교분석 하였다.|The purpose of this study is to examine mechanical behavior such as absorption, porosity, p-wave velocity(Vp), uniaxial compressive strength(UCS), Poisson’s ratio(ν) and Young’s modulus(E) of dried and saturated granite and sandstone under cyclic loading. For this purpose, firstly 100% load(breaking strength) is measured each of granite and sandstone. Secondly, calculate 50% and 80% load on the basis of 100% load and then laboratory tests were carried out. Then, differences obtained from the results were compared and analyzed. Finally, mechanical behavior of granite and sandstone were quantitatively analysed. In the case of sandstone UCS was bigger than granite UCS under dried condition and saturated condition. According to measured porosity and absorption of granite and sandstone, generally the variation was very slight. This implies variation of UCS is affected by existence of micro cracks, direction or its composition of granite and sandstone core specimens, not affected by increase of load. The measured Vp of dried granite and sandstone were generally increased after loading. However, in the case of granite core specimens under cyclic load, Vp was decreased. This implies that another new micro cracks developed in the core specimens by cyclic loading. Vp of saturated granite and sandstone core specimens were generally faster than each of dried specimens because it contain water. In the case of after loading, Vp was decreased when water flowed out and increased when still contain water. Poisson’s ratio(ν) and Young’s modulus(E) of dried and saturated granite and sandstone core specimens were showed inverse proportion. That means, degree of variation was slight when the Young’s modulus(E) was high. However, Poisson’s ratio(ν) and Young’s modulus(E) of dried and saturated granite and sandstone core specimens were also distributed in the various range according to specimens. As a result, it suggests that mechanical behavior of granite and sandstone are dependent on load, and also highly affected by existence of micro cracks.