암석시료의 삼축압축 및 전단강도(Triaxial Compressive & Shear Strength)

암반의 안정성을 논의할 경우, 암반이 나타내는 역학적 특성을 파악하는 것은 필수적이다. 기본적으로 중요한 것은 암반 내 응력-변형률 상태와 유사한 시험조건을 설정하고 평가하는 것이다. 높은 응력환경 하에 있는 암석의 거동이나 그에 따른 지압현상 또는 단층이나 습곡 등의 지질구조에 관계되는 각종 현상을 해명하기 위해서는 삼축압축시험이 유력한 수단이 된다. 암반 내에는 일반적으로 세 개의 주응력이 모두 압축응력인 것이 보통이다. 삼축압축시험은 이와 같은 응력 상태를 인공적으로 만들어서 그때의 암석의 거동을 관측하는 시험이다.

특히 삼축압축시험은 완전한 파괴 포락선에 대한 해석이 요구될 경우 실시된다. 정수압이 구속압(또는 봉압, confining pressure)으로서 원통형의 암석시편의 표면에 작용하는 상태에서 암석의 파괴가 일어날 때까지 시험편에 축방향의 하중을 가함으로서 암석의 강도를 측정한다. 각각 다른 구속압 상태에서의 일련의 시험을 실시함으로서 모어 응력원과 과괴포락선을 구하고, 점착력과 마찰각을 얻을 수 있다(그림 ## 참조)

삼축압축시험을 통한 암석강도의 결정과정은 Vogler and Kovari(1978)와 ASTM(1967)에 의해 제시된 바 있다. 시험편에 대한 시험은 다음 그림과 같이 특별히 고안된 Hoek-Cell과 같은 고압셀(high pressure cell)내에서 이루어지며, 일반적인 삼축시험에서는 간극수압의 측정은 이루어지지 않는다. 실제로 암석에 대한 일련의 삼축시험으로부터 간극수압이 구속압의 효과를 상쇄시킨다는 점을 지적하였다. 즉 만일 간극수압이 구속압과 같다면 균열은 불구속 압축강도와 동등한 축차응력(deviation stress)의 일정한 값에서 발생되어 일축압축시험에서의 결과를 나타낸다는 것이다(Murrell, 1963).

이러한 자료로부터 다음 그림 ##과 같은 Mohr 응력원을 작성할 수 있다(그림 ##에서 압축력은 음의 값으로 나타내었다). 만일 Coulomb-Navier 파괴이론을 가정하고, 원중심으로부터 2θ각으로 직선을 그어 P점을 구하면 파괴면에 가해진 수직력과 전단력을 구할 수 있다. 내부 마찰각 ψ는 P점에서의 접선의 기울기로 구해지며, 내부마찰계수(μ=tanψ)는 tan2θ=1/μ로서 얻울 수 있다. 또한 ψ = 90°-2θ이고 tan2θ=cotψ이므로 단일 시험편에 대한 삼축시험으로부터 파괴면에 가해지는 수직 및 전단력을 구할 수 있으며, 내부마찰각(ψ)과 내부마찰계수(μ)를 얻을 수 있다

 

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