암반역학(지반내 응력, 암체의 강도와 변형(암석물질 및 암석의 특성) ) 중에서

1. 지반내 응력 (GROUND STRESSES)

암체에 굴착 등의 변형이 가해지면 초기 응력 역시 재배열된다. 따라서 ground stresses은 초기응력(virgin(original) stresses)와 유도응력(induced stress)로 대분되며 이들 두 가지 유형의 응력을 합쳐 응력장(Stress field)이라 한다.

▶ 초기응력은 다음과 같이 정의된다.

Gravitational stress : 상부 암체에 의해 받는 중력에 의한 응력

Tectonic stress : 과거로부터 현재까지 지각의 변형에 의해 야기된 응력

Residual stress : 어떠한 지질학적 현상이 제거된 후 남아있는 응력

암석응력의 측정(rock stress measurement)은 overcoring 방법, flat jack techniques, hydrofractureing 방법을 포함하여 매우 다양한 기법이 이용된다. 일반적으로 수직응력은 overburden의 심도에 근거하여 (공학적 목적에 충분한 정확도로) 예측가능하나 수평응력의 추정에 대해서는 쉽게 예측이 불가능하다. 따라서 stress가 중요한 변수로 작용하는 project에 대해서는 별도의 응력측정이 필수적이다.

2. 암체의 강도와 변형

(STRENGTH AND DEFORMABILITY OF ROCK MASSES)

앞서 언급한 것처럼 design engineer는 joint, bedding planes, shears and faults와 같은 다양한 지질학적 불연속면으로 분리된 rock material의 연결체인 rock mass를 대상으로 하기 때문에 intact rock과 rock mass에 대한 공학적 특성의 파악이 중요하다.

1) 암석물질의 특성 (Properties of rock materials)

▶ 응력-변형 곡선(Stress-strain curve) : best representation of rock behavior (그림 1.11 참조) 암석시료에 대한 응력-변형시험은 rock material의 강도, 탄성계수(modulus of elasticity)와 poisson's ratio에 대한 자료 뿐만 아니라 fractured material의 resistance to load도 유추 가능하다(Jaeger and Cook(1981)). 후자의 특성은 균열에도 불구하고 안정성을 갖는 굴착주변 암반의 해석과 이에 따른 보강의 적용에도 중요하다.

( 그림 1.11 ) Representation of brittle fracture mechanism for quartzite in uniaxial compression

▶ Lab. testing methods : 실험실에서의 암석시험방법 및 과정은 ISRM(the International Society for Rock Mechanics), ASTM(the American Society for Testing and Materials)과 ISRM suggested method(표 1.3 참조), ASTM Standards에 상세히 제시되어 있다.

( 표 1.3 ) Test categories published by the ISRM as Suggested Methods

( after Franklin, 1979 )

rock material의 강도와 deformation의 특성은 다음과 같은 주요한 요인에 크게 좌우된다.(표 1.4 참조 )

( 표 1.4 ) Factor governeng the behavior of rock

(after U.S. National Committee on Rock Mechanics.1981)

① Anisotropy ; 균일한 크기와 random한 방향성의 불연속면을 갖는 암체는 거의 없다. 따라서 암석시료를 불연속면에 대해 다양한 각도에서 응력을 측정하여야 한다.

② Moisture content/pore water pressure ; saturated sample의 강도가 dry sample의 강도의 절반정도가 될 정도로 수분이 암석강도에 미치는 영향은 크다. 실질적인 면에서의 moisture content와 pore water pressure의 중요성은 건조상태에서 안정한 구조가 젖은 상태에서 불안정해지는 경우와 반면에 젖은 상태의 암체는 cutting, drilling and blasting에 유리하다는 점에 있다.

③ Confining pressure ; confining pressure의 증가는 암석강도의 증가를 초래한다. 이러한 효과는 (triaxial state of stress에서 반영되는) 지하심부의 암석의 강도를 측정하는 데 매우 중요하다.

④ Time-dependent deformation(creep) and rate of loading ; 암석의 강도와 변형은 시간에 관계된다. 짧은 시간동안의 loading(i.e. high loading rates)은 암석강도의 증가를 초래한다. 반면에 일정 응력의 계속적인 작용은 적용되는 응력의 크기와 지속시간에 따라 계속적인 변형과 결과적인 파괴를 나타낸다. 즉 특정 stress level에서의 암석시료는 일정 시간후에 파괴가 발생하며 이를 long-term strength라 한다.

⑤ Specimen size and shape ; 시료의 크기와 형태는 test의 결과가 어느정도 현장에 적합한가를 결정한다.

 

▶ Applicability of Lab. test on intact rock specimen

static rock mechanics에서 특히 중요한 암체의 특성은 다음과 같다.

① 변형계수, 탄성계수 (Modulus of deformation or elasticity) - 터널, 지하공동, 탄광, 댐기초등의 설계에 있어 핵심

② 압축강도(Compressive strength)- 탄광지주설계에 중요

③ 전단강도(Shear strength)- 암반사면과 댐의 접합점, 기초에 중요

④ 인장강도(Tensile strength)- important im mine roofs

⑤ 점착력과 마찰각(cohesion and friction angle)- important in fractured masses, yield zones, residual strength and rockbolt design

⑥ 후-파괴계수(Post-failure modulus)- important in longwall mining and pillar design

⑦ 지지력(Bearing capacity)- important for mine floors and foundations

⑧ 열역학적 반응(Thermo-mechnacal response)- important in nuclear waste disposal

 

2) 현장실험(Insitu tests)

변형자료(deformability data)를 얻기위해서는 flatjack test, pressure chamber test, borehole jacks, dilatometers, tunnel relaxation test, petite sismique, compressive tests, shear tests등 다양한 시험이 적용된다. 이와 같이 암체특성을 결정하기 위한 현장시험은 매우 다양하며, 실험실에서의 시험에 비해 다수의, 큰 규모의 시료를 대상으로 하기 때문에 test volume과 현장의 상태(temperature, humidity 등)의 관점에서도 장점을 갖는다.

그러나 이러한 현장시험은 다양하게 나타나는 결과해석의 어려움과 이론적인 불확실성으로 그 적용이 어렵다. 따라서 이러한 현장시험결과의 적절한 적용은 다양한 현장시험과 실내시험을 바탕으로한 공학적인 판단에 의존하여야 한다.

 

3) Scaling of laboratory test data to in-situ values

실내시험결과를 현장에 적용(extrapolating)하기 위한 “links” 또는 “correlation”은 매우 다양하다. {ex. RQD(Rock Quality Designation)와 modulus reduction ratio EM/EL(ratio of the rock mass modulus to the laboratory modulus)간의 상관관계의 적용 등}

그러나 실내자료의 적용에는 scale effect의 고려가 필요하다. 일반적으로 암체의 상태에 따라 다르기는 하지만 대부분의 현장시험결과는 실내시험결과의 0.2～0.6 정도로 나타난다.

이러한 실내자료의 현장적용을 위한 scaling의 고려에는 다양한 수치적 또는 물리적 모델링의 이용이 매우 적합하다.

 ▶ Deformability data ; (see text), ▶ Strength data ; (see text)

 

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