암석역학실험

목차

1. 채취장소
2. 암석의 종류
3. Schmidt hammer Test
4. Profile gauge를 이용한 절리면의 JRC 결정
5. 시험편 제작
6. 겉보기 비중과 공극률 측정
7. 인장 강도 시험(Tensile Strength Test)
8. 일축 압축 시험 (Uniaxial Compression Test)
9. 삼축 압축시험
10. Mohr 응력원
12. 결 론

본문내용

강도(fracture strength)는 극한강도와는 구별된다.
재료에서 인장시편을 깎아내어 인장시험기에 고정시켜서 시험을 한다. 인장시험편에 서서히 인장하중을 가해서 재료의 항복점내력(耐力)인장강도신장(伸長)드로잉(drawing) 등 기계적인 여러 성질을 측정한다. 인장시험에서는 이 밖에 비례한도탄성한도(彈性限度)탄성계수일용량 등도 측정할 수 있으며, 가해진 하중과신장과의 관계를 나타내는 선도(線圖)도 구할 수 있다. 인장하중에 의해서 생기는 응력(應力)을 인장응력이라고 하는데, 인장응력과 신장의 관계를 나타내는 응력-변형도 선도는 재료의 성질을 나타내는 중요한 것이다. 이 선도에서 최대점의 응력을 인장강도라고 한다.
시험에 필요한 시편은 원주형으로 하고 직경에 대한 높이의 비는 0.5～1.0이어야 하며, 직경은 NX크기 (코아 직경 54mm) 이상이어야 한다.
이 시험은 ISRM에서 제안된 시험방법에 따라 시행할 수 있다. 또한 직접인장시험 또는 굴곡시험에 의한 방법으로 시험할 수 있다.
▲ 압열 인장시험(Brazilian test)
- 직접 인장시험의 단점(시료의 제작)을 극복하기 위해서 시료의 제작 및 하 중의 재하 방법이 비교적 쉬운 시험법
- 시험법 : 원판 형태의 시료에 대해 직경 방향으로 선상의 압축하중을 가 하여 인장 파괴시키는 시험
- 원판형 암석 시료를 상하에서 압축시키면 원판 내부에서는 중심선을 따라 좌우로 분리되려는 인장응력이 생겨 인장 파괴 발생
- 원판의 중심선에 직각인 방향으로 인장응력이 발생함과 동시에 중심선과 평행한 방향에는 인장응력의 3배가 되는 압축응력 발생
- 압축강도가 인장강도의 3배 이하인 경우에는 압열 인장시험이 불가능
- 그러나 암석의 경우는 압축강도가 인장강도의 8～10배 정도
- 압열 인장시험에서 구해진 인장강도 = 직접인장시험에서 구한 인장강도
P : 파괴시의 하중
d : 시료의 직경
l : 시료의 두께
▲ 인장강도 측정 과정
시험 전
시험 후
▲ 인장시험을 통해 얻은 인장강도
⇒ 145kg/cm2
8. 일축 압축 시험 (Uniaxial Compression Test)
먼저 강도라는 것을 알아야 할 것이다. 강도는 재료에 부하가 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다. 여기에는 인장강도, 압축강도, 굽힘 강도, 비틀림 강도 등이 있다.
압축시험에 있어서 원주나 각주 모양으로 성형한 시험편에 축방향 만에 압축력을 가해서 시험을 하는데 이 시험은 정확하게는 일축압축시험이며 이는 앞으로 나올 삼축압축 시험과는 구분된다.
일축압축시험 모식도
▲ 일축압축강도 측정 과정
시험 전
시험 후
▲ 일축압축 강도 ⇒ 1120kg/cm2
▲ 응력과 변형률 관계
횡 방 향
축 방 향
응 력
변 형 률
응 력
변 형 률
100
25
100
97
150
24
150
93
200
23
200
89
250
30
250
-116
300
38
300
-147
350
56
350
-217
400
77
400
-299
450
98
450
-381
500
121
500
-470
550
144
550
-560
600
166
600
-645
650
191
650
-743
700
216
700
-840
750
240
750
-933
800
267
800
-1038
850
295
850
-1147
900
322
900
-1252
950
351
950
-1365
1000
393
1000
-1529
1050
473
1050
-1840
1100
483
1100
-1879
⇒ 영률(E) = = 550 / 560 = 0.982×106 = 9.82×105
포아송비() = - = -(144 / -560) = 0.257
9. 삼축 압축시험
- 시료에 대해서 세 방향의 주응력 를 가한 상태에서 시험
- 시험방법 : 원주형의 시료를 이용하여 횡방향으로 구속압(confining pressure)을 가하게 되는데 이 경우 수평의 두 방향의 압력()은 같게 됨, 엄밀한 의미로는 삼축 압축이 아니지만 통상적으로 삼축 압축이라 함.
- 삼축시험 시 파괴 : 일축 압축시험과 유사하게 전단파괴가 주로 일어나며 파괴시의 하중을 시료의 단면적으로 나누어서 삼축 압축강도를 얻음.
- 삼축압축 시험으로부터 얻을 수 있는 결과
1) 응력-변형률 곡선
2) 파괴 기준선
▲ 삼축압축 강도 측정 과정
삼 축 압 축 시 험
▲ 삼축압축 강도
봉 압 50일 때 Sc = 1640kg/cm2
100일 때 Sc = 1920kg/cm2
150일 때 Sc = 1700kg/cm2
10. Mohr 응력원
- 이 그림에서 보여지는 공통접선을 Mohr-Coulomb 파괴기준선이라 함
c : 점착력(cohesive strength), φ : 내부마찰각(angle of internal friction)
- Mohr-Coulomb 파괴기준선은 암석의 파괴면에 작용하고 있는 수직응력과 전단응력의 크기를 나타냄.
- 파괴기준선 아래쪽 영역은 암석 내부에 존재 가능한 응력 영역이고, 위쪽 영역은 암석의 파괴로 인하여 실존할 수 없는 영역
12. 결 론
모어 응력원의 작성 결과나 이론적인 토대 - 압축강도가 인장강도의 10~12배 - 로 볼때 일축압축 강도나 삼축압축 강도가 정상적인 수치가 나오지 않은 것으로 판단된다.
그 이유는 일축압축 시험의 경우 시험편의 편평도가 강도에 많은 영향을 미치는데 처음 제작해보는 것이라 많이 미숙하여 시험편 제작이 제대로 이루어지지 않아 이런 결과가 나온 것으로 생각된다. 삼축 압축시험의 경우 특히 봉압을 150을 주었을 때의 강도가 봉압을 100을 주었을 때 보다 현저히 낮게 측정되었는데 파괴 후 시험편을 확인 결과 한쪽 모서리 부분만 파괴되었음을 발견했다.
이는 이부분에 육안으로 식별하기 힘든 미시적 Crack이 존재했을 가능성도 있고 시험편 제작시 편평도가 맞지 않아 이 부분이 먼저 파괴가 발생한 것으로 생각된다.
이번 실험을 통해 강도 시험에 있어 시험편 제작이 얼마나 중요한지 알게 되었고 일축압축 강도 시험 시 시험편과 시험기 사이에 구리스를 바르지 않았는데 구리스를 발라 주면 일축압축 강도 값이 바르기 전보다 더 정확히 나오지 않을까 하는 생각도 든다.

키워드

인장,   압축시험,   강도,   Schmidt,   hammer,   암석,   채취장소,   시험편