연약암반의 일축압축강도 추정을 위한 침관입시험법 적용

Abstract

터널, 사면, 댐 등과 같은 구조물을 건설할 경우 구조물이 위치할 곳에 대한 지질상태를 파악하는 것은 구조물의 안정성을 평가하기 위해서 수행되어야 할 중요한 요소 중의 하나이다. 구조물의 안정성 평가는 정성적인 평가와 함께 정량적인 평가도 요구되므로 정성적인 평가인 지질상태 파악에만 의존하는 것은 무리가 있다. 예를 들면 터널과 같은 구조물의 역학적 변형은 터널 굴착에 따른 응력의 변화와 암반 강도와의 관계에 의해 결정되기 때문에 암반의 강도를 정량적으로 나타내야 할 필요성이 있다. 정량적인 평가 지표로서 암반에 대한 강도는 암반공학(Hudson and Harrison, 1997)이나 암반분류(Bieniawski, 1989)에 적용되는 암석재료의 중요한 물리적 성질 중의 하나이며, 실내시험에 의한 일축압축강도(UCS)가 그 예이다. 하지만 암석재료에 대한 UCS를 알아내기 위해서는 현장에서 채취한 시료를 ASTM(1994)과 ISRM(1979)에서 규정한 일축압축시험법에 근거하여 원기둥 형태의 시험편을 제작해야 하는데 그 과정이 복잡하고 많은 시간이 소요된다. 더군다나 신선한 암반에서 채취한 시료의 경우 시험편을 제작하는데 어려움이 없는 반면, 풍화된 암석, 절리나 층리를 포함한 암석, 또는 점토광물을 포함한 암석과 같은 연약암반 시료의 경우 일축압축시험을 위한 적정한 형태의 시험편 제작이 어렵다. 이러한 원기둥 형태의 정형화된 시험편 제작의 문제점을 해결하기 위하여 슈미트해머시험(Schmidt hammer test, ISRM, 1978a), 압열인장시험(Brazilian test, ISRM, 1978b), 점하중시험(point load test, ISRM, 1985), Block punch strength index test(Ulusay et al., 2001) 등과 같은 다양한 암석강도 시험법들이 개발되었다. 하지만, 이상에서 언급한 시험법들도 연약암반의 경우 시험편이 제작되는 과정에서 시험편이 깨지거나 비교적 짧은 시간에 쉽게 풍화가 일어나는 등의 문제점이 발생함으로 인하여 실내시험이 불가능할 수 있다. 따라서 이러한 문제점을 극복하고 연약한 암반에도 적용할 수 있는 또 다른 형태의 시험법이 요구되었으며, 이를 위한 비파괴 간이 시험기인 침관입시험기(Needle penetrometer)가 개발되었다(Okada et al., 1985, Yamaguchi et al., 2005, Maruto Corporation, 2006, Erguler and Ulusay, 2007, 2009). 이 연구에서는 첫째, 연약암반의 UCS추정 시험법으로서 비파괴 간이 시험기인 침관입시험법에 대하여 소개하고자 한다. 둘째, 연약암반의 UCS를 추정하기 위한 연구로서 인공암반 시료와, 자연암반 시료에 대한 침관입시험을 실시하여 침관입저항력(NPR)으로부터 UCS를 정량적으로 추정하고자 한다. 마지막으로, 침관입시험으로부터 계산된 UCS 추정값과 실제 일축압축시험에 의한 UCS를 비교하고, 자연암반에대한 침관입시험결과를 검토하여 연약암반에 대한UCS 추정 시험법으로서 그 적용 가능성을 파악하고자 한다.|The various mechanical properties of rock materials, which are commonly used in rock engineering, are required for analyzing and evaluating the stability of geo-structures such as tunnels, dams and slopes. In particular, the uniaxial compressive strength (UCS) has been one of the important mechanical properties in rock materials. The uniaxial compressive strength of rock materials can be generally obtained by the conventional uniaxial compression test. This conventional testing method can be obtained the value of exact uniaxial compressive strength, whereas a lot of time and effort to prepare sample for its test are needed. In addition, a test sample of the appropriate size demanded for the uniaxial compression test in often difficult to make. Due to these problems, some testing method such as the point load test, brazilian test, schmidt hammer test, and block punch strength index test have been developed and suggested for estimating the uniaxial compressive strength. However, these methods are also difficult for preparing the appropriate test sample, especially in the case of weak rocks. Needle penetration test has been developed in order to solve above difficulties. This method as non-destructive test method can be applied in in-situ state as well as laboratory. The purpose of this study is to estimate the uniaxal compressive strength for the weak rocks from the needle penetration resistance measured by a needle penetrometer. For this purpose, we firstly made the artificial cemented-based specimens. Curing period of each specimen is five steps, 3-day, 7-day, 14-day, 21-day and 28-day. and the ratio of Cement : Bentonite : Water is three cases, 1.0 : 1.0 : 3.0, 1.3 : 0.7 : 2.5, 1.5 : 0.5 : 2.0. Secondly, the needle penetration test and uniaxial compression test were performed to obtain the needle penetration resistance(NPR) and the uniaxial compressive strength(UCS). Then, the relationship between the measured needle penetration resistance and the estimated and measured uniaxial compressive strengths were compared. Finally, the uniaxial compressive strength was estimated from the needle penetration resistance. In relationship between NPR and UCS, the UCS gradually increased until the NPR of less than 10 N/mm, then drastically increased from more than 10 N/mm. The NPR was widely distributed at the curing period of 3-day to 14-day, but was narrowed at the curing period of 21-day to 28day. In addition, the NPR of the curing periods, 21-day and 28-day, was nearly constant, but the UCS of those showed a big difference. In relationship between the estimated uniaxial compressive strength and the measured uniaxial compressive strength, the gradient of UCS obtained from this study was between the lower limit of 1:06 and the upper limit of 1:1.7, and most of the values are closely located at the accurate estimation gradient of 1:1. As a result, it is considered that the UCS estimated from the NPR is reasonable enough.