변형율 경화/연화(약화)-암석의 탄성 거동, 소성거동

① 탄성거동 : 강체에 가해지던 응력을 제거하면 잔여 변형율을 남기지 않고 완전히 원래의 형태로 돌아간다. 이상적인 탄성거동에는 다음과 같은 3가지 유형이 있다(그림 2.19 참조).

- 완전탄성(perfect elastic) : 응력-변형율 곡선이 응력을 가할 때와 응력을 제거할 때, 형태에 관계없이 하나의 곡선을 이룰 경우

- 이력탄성(elastic with hysteresis) : 응력을 가할 때와 응력을 제거할 때 다른 경로를 나타낼 경우

- 선형탄성(linear elastic) : 응력-변형율의 관계가 직선인 경우로 대부분의 금속이나 강한 암석들은 파괴강도의 60-70%까지는 선형탄성을 보이나 공극이 발달한 암석은 이력현상을 보인다.

② 소성거동 : 소성변형(plastic deformation)은 가해진 응력이 제거된 후에도 원래의 형태를 회복하지 못하고 영구변형을 남기는 경우를 말한다. 일반적으로 모든 암석은 일정 수준 이상의 응력을 받게 되면 영구변형을 일으키며, 특히 소성변형이 큰 경우를 연성파괴라 한다. 소성변형은 다음과 같은 이상적인 형태로 나눌 수 있다(그림 2.19 참조).

- 완전소성(perfect plastic) : 항복하중까지는 탄성적으로 거동하다가 항복점 이후에는 가해진 응력이 일정하여도 계속적인 변형을 일으키는 경우.

- 변형율 경화(strain hardening) : 항복하중 이후 응력이 증가함에 따라 변형율이 증가하는 경우로, 높은 구속압 하에서의 과도한 변형으로 나타난다. 이 경우, 암석은 변형될 수록 강해져 결국 시료 전체에 걸쳐 균질한 변형을 일으킨다. 따라서 이와 같은 변형의 경우에서는 변형이 많이 일어날 수록 더욱 강해지고, 축방향의 변형이 매우 클 경우로 정의되는 파괴상태에서 시료는 균질하게 변형되고, 전체적인 균열의 발달 또는 multiple shear plane (or Luders line)을 나타낸다. 만일 시료가 균질한 변형을 계속한다면 결국 체적의 변화없이 큰 뒤틀림(distorton)을 일으키게 되며 이러한 소성파괴(plastic yield)의 한계상태를 임계 또는 한계상태(critical state)라 한다.

이 상태에서 다시 응력 σc가 다시 가해지면 응력-변형율 곡선은 F점까지 회복되며 CD의 경사는 DE와 거의 같게 된다. 따라서 실제로 변형율 경화는 항복응력을 σa에서 σc로 증가시키게 된다. 만일 응력이 계속 증가한다면 변형이 지속되어 F에 이르러 파괴가 일어난다. 이와같은 응력-변형율 곡선은 연성물질에 대한 것이며, 대부분의 암석의 경우는 취성물질로서 항복응력 근방에서 파괴(균열)에 의해 곡선의 진행이 멈추어진다.

- 변형율 약화(strain softening) : 항복하중 이후 응력을 지탱하는 능력이 감소하는 경우로, 낮은 구속압 하의 강한 암석의 전단면과 인장균열을 수반하는 변형에서 관찰된다. 이 경우 암석시료는 최대응력에 접근할 수록 변형율의 증가화 함께 약화되고, 불균질한 변형을 일으켜 최대응력 이후로는 전단면 또는 변형집중대(strain concentrated zone)을 형성한다.

 

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