암석의 응력-변형율 곡선

Deformation stages of rock : 상기한 바와 같은 응력-변형율 곡선은 이상적인 연석물질에 대한 것으로 실제 암석의 거동과는 다르다.

암석의 응력-변형율 곡선은 그림 2.14와 같고 각 단계에서의 변형특성은 다음과 같다

① Stage Ⅰ(A) - Microcrack and pore closure : 응력이 가해진 초기 단계로 응력방향에 따라 암석내에 존재하는 공극 또는 미세균열이 닫혀진다. 이러한 현상은 특히 연암과 다공질암에서 응력-변형율 곡선 초기의 비선형성(nonlinearity, 위로 오목)의 원인이 된다.

② Stage Ⅱ(B) - Recoverable elastic deformation : 하중의 증가에 따른 공극 또는 미세균열의 닫힘으로 암석강도는 더욱 커지고, 선형에 가까운 응력-변형율 곡선을 보인다. 따라서 이 때의 변형은 탄성거동으로서 회복가능(recoverable)하다. 이 단계에서는 최소한의 탄성활동이 나타나며, peak stress의 35-40% 정도의 상부경계에서 미세균열이 발생될 수도 있다.

-> Microcrack initiation

③ Stage Ⅲ(C) - Partially recoverable deformation stable fracture propagation : 이 단계는 지속적인 압축으로부터 파생되는 거의 선형적인 체적의 증가에 의한 팽창이 시작되는 단계로서 2 단계에서와 마찬가지로 거의 선형적인 응력-변형율 곡선을 나타내며, 거의 완전한 회복이 가능하다. 미세균열의 확장이 독립적으로 전 시료에 걸쳐 고르고 안정적인 형태로 이루어진다. 이 단계의 상부 경계는 최대 압밀(compaction)과 체적변화가 0인 점으로 최대강도(응력)의 80%에 해당하며 암석변형의 임계상태를 나타낸다.

-> Maximum safe axial strain

④ Stage Ⅳ(D) - Non recoverable progressive deformation resulting from unstable fracture propagation: 이 단계는 미세균열의 급속한 확장과 체적 증가로 특징지워진다. 미세균열의 확장(또는 진행)은 더 이상 독립적으로 진행되지 않고, 최대 인장응력이 가해지는 지역에서 집중적으로 발생되어 서로 연결되어 (암석의 강도 또는 구속압의 크기에 따라) 인장균열이나, 전단면을 형성한다.

⑤ Stage Ⅴ(E) - Coalescen & forking of microfracture: 최대응력 상태를 지난 암석은 내부적으로는 매우 교란되어 있으나 아직 intact 상태를 유지한다. 이 단계에서 균열은 분기하고 서로 연결되어 거대균열(macrocrack) 또는 fault를 형성한다. 이 단계에서 암석의 파괴 또는 더욱 정확하게는 변형율 약화(strain softening deformation)가 일어난다. 즉 최대 응력하의 시료는 변형의 증가에 따라 약화되며, 계속적인 변형은 이미 형성된 시료내부의 약대에 집중되어 변형대 또는 전단면을 형성한다.

-> Formation of faults

⑥ Stage Ⅵ(F) - Motion of fault planes : 이 단계에서 암석은 분리되어 일련의 블록을 형성한다. 이 단계에서의 주요 변형기구는 서로 미끄러지는 블록간의 마찰이다. 또한 차별적인 전단에 의한 2차 균열이 발생할 수 있다. 시료에 가해지는 축 방향의 응력은 더욱 떨어져 어느 한계에서 일정한 값을 유지한다. 이 때의 강도를 잔류강도(residual strength)라 하며, 미끄러지는 블록간의 마찰저항력과 같은 값을 갖는다.

Portland Stone의 시료에 대한 시험으로부터 마지막 두 단계에서의 암석의 상태를 볼 수 있다. 그림 2.15은 제4단계의 마지막인 Peak stress에서 재하가 중단된 것으로 응력이 집중된 시료의 모서리로부터 전단면이 형성되는 것을 나타낸다. 그림 2.16은 10%의 축 변형까지 시험을 지속하여 얻어진 것으로 시료가 서로 분리된 블록들로 구성됨을 볼 수 있다.

                                      (그림 2.15)                                  (그림 2.16)

 

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