암석 제시험을 위한 시료 채취

3.1 서 론

암석의 역학적 특성의 측정에 필요한 장비와 시험절차를 간단한 이론과 함께 제시한다. 이러한 시험은 암석의 역학적 문제 또는 암석 구조의 평가 등에 필요한 역학적 특성에 대한 자료를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이에 따라 다양한 시험장비와 시험절차가 개발된 바 있고, 다양한 암석의 종류에 대한 시험이 수행되어, 많은 역학적인 특성값이 보고된 바 있다. 이러한 시험결과는 암석 자체의 특성뿐만 아니라 시험이 수행된 방식과 절차 등의 시험환경에도 크게 영향을 받는다는 점이 밝혀졌다. 이에는 시료의 크기 및 형태, 시료 표면의 편평도(flatness), 거칠기(smoothness), 재하면과 시료사이의 마찰, 재하속도, 시료내의 응력상태와 함수비 및 시험시의 온도와 같은 요소가 있다.

따라서 다양한 시험조건에서 발생하는 결과값의 오차를 줄이고, 신뢰도를 높이기 위하여 ASTM, U.S. Bureau of Mines, Department of Mines and Technical Surveys, Canada, the South African Institute of Mining and Metallurgy 등은 다양한 시험에 대한 기준을 제시한 바 있다.

 

3.2 시료 채취

시료의 채취과정을 특성화하는 것은 암석의 구조 파악, 모델의 구성 또는 조사와 관계된 특정 프로젝트에서 중요한 부분을 이루는 각기 다른 역학적 특성을 가진 암석으로부터의 적절한 시료의 선택을 위한 것이다.

 

1) 시료채취 계획수립 및 지질특성파악

일차적인 시료 채취과정 또는 계획은 프로젝트의 목적에 따라 달라져야 한다. 다음으로는 거시적 규모로 지질학적인 암석의 종류를 파악하여야 한다. 거시적 규모의 판단기준으로는 광물조성, 층리면, 절리 또는 다른 연약면, 풍화도, 공극율, 색 등이 있다. 또한 파악된 암석을 입자 또는 결정 크기에 따라 세분하여야 한다.

 

2) 시료채취범위

시료채취범위는 각 지질분류단위에 대한 채취시료의 수와 규모를 말한다. 이는 역학적 특성 시험의 종류와 요구되는 정밀도, 시료의 채취조건 및 여타 시험과의 중요도, 경제성과 시간적인 제한에 따라 결정된다.

시험결과의 일차적인 분석은 동일 구역에서 채취된 시료간의 결과값이 크게 다르지 않다는 점을 나타낼 수 있어야 하며, 이차적으로는 이 시료들에 대한 결과값의 다른 점을 밝혀내어 세부적인 구분이 가능하여야 한다.

 

3) 시료채취방향

대부분의 암석은 이방성을 가지므로 시추 및 시료채취과정이 허용하는 한 상호 직교하는 3축 방향에서의 시료채취가 이루어져야 한다. 보통 이러한 방향은 층리면, 편리면, 벽개면 등의 암석 조직의 방향을 고려하여 설정된다. 퇴적층의 경우 암석특성의 변화는 층리면에 수직 및 평행한 방향에서 크게 나타난다. 따라서 이와 같은 암석에 대해서는 2방향에서의 시료채취가 요구된다.

 

 

4) 시료 준비

대부분의 역학적 특성 시험에서 시료는 현장에서의 다이아몬드 드릴 코어 또는 현장에서 채취된 암석 블록에 대한 실내 코어링 작업으로부터 얻어진다. 시료의 제작에는 현장 발파 등으로 인한 시료의 변형(균열의 발생 등)을 피하기 위해 현장 암석 블록보다는 현장 시추로부터의 시료가 선호되며, 채취된 시료는 현장에서의 함수상태를 유지하기 위해 고안된 용기를 이용하여 이동되어야 한다.

실내에서의 시료의 준비에는 다음과 같은 장비가 갖추어져야 한다. 1) Coring Machine(drill), 2) Diamond cut-off saw, 3) Grinding lap and 4) Surface grinder

Coring machine은 암석의 종류에 따라 착탈이 가능한 diamond thin-wall bit을 이용하여 직경 54mm의 시료를 제작할 수 있어야 한다. 냉각제로서 보통 물이 사용되며, 암석에 따른 강도를 고려하여 코어 제작에 사용되는 모터의 마력(horse power)은 충분하게 설계되어야 한다. Diamond cut-off saw는 채취한 암석시료를 코어 제작에 적당한 크기로 자르는 데 사용되며, Grinding lap과 Surface grinder는 코어의 표면을 매끈하게 만드는 데 사용된다. 일반적인 Surface grinder는 보통 54mm 보다 큰 규격의 코어의 양끝을 서로 평행하고 매끈하게 만드는 데 사용된다.

ASTM(American Society for Testing and Materials) D2938에 의한 일축압축시험에 대한 시료기준은 NX(54mm) 이상의 직경과 2.0～2.5의 L/D ratio 이며, 시료의 양단은 수직축에 대해 직각인 서로 평행한 면을 이루어야 한다. ISRM(International Society for Rock Mechanics) 에서는 시편의 길이 대 지름의 비를 단축압축시험에 대하여 2.5～3.0, 삼축의 경우는 2.0～3.0 으로 제안하고 있다. 이와 같은 시료의 성형에 대한 허용기준으로는 다음과 같은 것이 있다.

 

1) Irreaularities : 시료둘레의 표면은 0.127mm 이내로 매끈하여야 한다.

 

2) End lapping : 시료의 양단은 축방향에 대해 0.25°이내로 수직하여야 하며, 0.025mm 이내로 매끈하여야 한다.

 

3) Height : 각 시료의 길이의 편차는 0.051mm 이내로 균질하여야 한다.

암석시료내의 수분은 시험결과에 영향을 미치는 또 다른 요소로서 비록 시료내의 수분이 압축강도에 미치는 영향이 작더라도, 대리암(Marble)의 탄성계수는 건조상태에 비해 포화상태에서 약 30% 이상 크게 나타난다. 거의 건조상태의 시료에서의 수분의 변화는 암석의 특성에 크게 영향을 미치지 않는다는 점이 밝혀져 대부분의 실내시험에서 암석시료는 실내온도에서 약 2주간 건조시킨 후, 시험을 실시한다. 이러한 건조과정은 대부분의 암석특성의 측정에 적용되는 과정이나 지하 또는 현장상태의 암석의 특성을 정확히 반영할 수 없다는 점이 반드시 지적되어야 한다.

 

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