암석시험 : 일축압축강도(Unconfined Compressive Strength) 시험

일축압축강도(Sc)는 원통형 또는 각주(prism)형태의 암석 시험편에 구속압(confining pressure)이 없는 상태에서 압축력을 작용시켜 파괴가 일어났을 때의 하중(Pc)을 시험편의 단면적(A)으로 나눈 값을 말한다.

Sc = Pc / A

이와 같이 얻어진 압축강도는 시험편의 형태, 크기, 함수율, 재하속도, 재하면의 거칠기 등과 같은 요소에 의해 영향을 받는다.

암석의 일축압축강도에 영향을 미치는 요인으로는 구성광물, 입자의 크기, 공극율, 풍화도, 절리 빈도 등의 내부적 요인과 시험편 사이의 마찰, 시험편의 형태, 크기, 가압속도 등의 외부적 요인이 있으며 외부적 요인에 의한 효과는 표준상태를 정의하여 조건을 일정하게 하는 것으로 보정하게 된다. 일반적으로 직경 54mm(NX core)의 원주형 시험편, 0.005mm이하의 편평도, 종횡비 2-3인 건조상태의 시험편을 사용하여 0.5-1MPa/sec의 가압속도를 표준 상태로 설정한다.

 

3.4.1 일축압축강도에 영향을 미치는 요인

1) 내부적 요인 <12

다음의 표 ##에서와 같이 규암(Quartzite)과 같은 화성암과 몇몇 사암(Sandstone)은 일반적으로 높은 압축강도를 나타낸다. 풍화되지 않은 현무암(Basalt)의 경우 60,000 psi의 일축압축장도를 나타낸다. 반암질(porphyritic) 화성암의 강도는 공극율에 따라 다른 강도를 나타낸다. 즉, 조밀한 구조를 갖는 반암은 더 큰 강도를 나타낸다.

표 ## Compressive strength of rocks (General values)

Compressive strength, (psi)	Types of rock
Over 40,000	Some baslats, diabase, some quartzites
25,000-40,000	Fine-grained granites, diorite, basalt, compact, well-cemented sandstones and limestones, quartzite
10,000-25,000	Average sandstones and limestones, medium-and coarse-grained granites, gneiss
5,000-10,000	Porous sandstones and limestones, shales
Under 5,000	Tuff, chalk, very porous sandstone, siltstone

from A. von Moos and F. de Quervain, "Technische Gesteinkunde," Birkhaeuser Verlag, Basel, Switzerland, 1948

암석의 종류에 따른 조직(입자의 크기 등)의 차이에 의해 강도가 달라지기도 한다. 즉, 세립의 사암은 조립질의 암석보다 큰 강도를 갖는다. 화성암과 변성암은 현미경 관찰로 확인되는 입자간의 상호결합의 세기에 따라 강도를 달리한다. 이와 같은 요소를 암석의 결정도(crystallinity)라고 한다. 그러나 퇴적암에 있어서는 조직뿐만 아니라 교결물(cement)의 강도 역시 암석의 압축강도에 영향을 미치게 된다. 이는 특히 사암, 역암, 각력암 등과 같은 암석에서 흔히 나타난다. 만일 이러한 교결물이 전적으로 또는 부분적으로 점토질이라면 압축강도는 다소 낮을 것이다. 석회암은 흔히 점토로 충진된 균열을 가지며, 이러한 경우의 강도는 낮게 나타난다. 퇴적암에서의 교결물질이 석영인 경우, 강도는 매우 높게 나타나며 이러한 암석은 “규화된 암석”으로 분류된다.

열극 또는 미세 균열은 특히 파괴면의 방향과 일치하는 것의 경우 암석의 강도를 저하시키는 요인으로 작용한다. 이러한 균열을 포함하는 암석의 강도는 층리 또는 균열에 대해 수직으로 압축력이 작용할 때 가장 크게 나타난다.

포화도는 암석의 압축강도를 저하시킨다. 연구에 의하면 젖은 상태(wet conditoin)에서 화강암은 12%, 대리암과 화강암은 4-8%, 사암(layered sandstone)은 10-20%의 강도 저하를 나타낸다. 공극율이 높을수록 포화의 가능성이 커 포화시의 강도저하가 쉽게 나타날 수 있다. 즉 흡수율(per cent sorption)이 클수록, 압축강도는 저하된다. 만일 암석에 대한 시험이 현장에서 직접 수행된다면 자연적인 함수율이 먼저 결정되어야 하나, 실내 시험의 경우는 건조 또는 포화상태에서 수행될 수 있다.

2) 외부적 요인 <3, 2

① 종횡비 (L/D ratio, slenderness ratio)

Dhir and Sangha(1973)는 최적의 종횡비는 2.5로서 이보다 낮은 값에서 균열은 시편의 양단의 제한된 지역에 집중되어 발생되고, 이보다 큰 값에서는 파괴후 응력상태에서 균열이 발생되지 않은 end region으로부터 균열이 발생된 중앙지역으로의 탄성변형 에너지의 전이가 발생한다고 한바 있다. 그러나 Obert and Duval(1967)은 일축강도와 종횡비의 관계를 다음과 같은 경험식을 이용하여 나타내었다.

③ 재하속도(Loading rate)

암석의 압축강도는 재하 속도에 비례하여 크게 나타난다. 그러나 100, 200 또는 400 psi/sec의 재하속도에 대한 측정된 압축강도의 차이는 무시할 만한 것으로 나타났다. ISRM(Brown, 1981)은 0.5～1.0MPa/sec의 재하속도를 추천한다.

④ 시편 형상

시편의 양단은 서로 편평하고, 수직 응력축에 수직되도록 연마되어야 한다. 직접 하중을 받는 시편의 양단의 편평도는 강도에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 시편의 양단은 Grinder를 이용하여 균등한 편평도를 유지하여야 하며, 1° 이내로 양단간의 평형을 이루어야 한다.

⑤ 가압면

시편의 상하부에서 하중을 전달하는 가압면은 암석 시험편과 가압면 사이의 접촉부에서의 응력 집중현상을 막기 위해 편평한 원형의 강철(hardened steel)판으로 구성되어야 하며, 한 쪽의 가압면은 곡면의 중심이 시편의 중심과 일치하는 spherical seat으로 연결되어 하중의 편심(편향된 집중)을 피할 수 있어야 한다(그림 ## 참조). 만일 구형 가압 cell(loading cell)의 직경이 시료의 직경에 비해 너무 크거나, 구형 표면이 매끄럽지 않거나, 시료가 정확히 중앙에 놓이지 않는 경우의 압축강도는 적절한 시험에서 보다 약 50% 가량 작은 값을 나타낸다.

시험편에 하중이 작용하면 시험편과 가압면의 수평적인 팽창이 발생한다. 암석시험편과 강철의 차별적 팽창의 결과로 시험편의 양단에 수평 방향의 응력이 발생되어 강도에 영향을 미치게 된다. 이러한 응력의 정도는 암석과 강철간의 마찰계수와 각각의 탄성상수에 따라 달라지게 된다. 암석과 가압면 간의 마찰계수에 영향을 미치는 가압면의 편평도(smoothness)의 변화를 최소화하기 위해 보통 표면이 연마 처리된 강화 강철이 사용된다.

 

3.4.2 일축압축강도

암분류는 암석의 강도, 불연속면의 발달, 풍화정도, 지하수 특성 등의 여러요소가 있지만, 이중 단축압축강도를 통한 분류가 가장 기본적이다. 암등급을 알게되면 이에따라 굴착, 발파, 보강 대책 등의 방법이 암종에 따라 다르게 적용된다. 국내에서 널리 사용되는 분류법들에는 건설부 표준품셈과 지질품셈, 그리고 외국에서 사용되는 분류법으로는 ISRM에 의한 것들이 있다.

1) Geological Society, IAEG, ISRM

일축압축강도에 대한 등급이 Geology Society(Anon, 1981), IAEG(Anon, 1979), ISRM(Anon, 1981)에 제시된바 있다.

표 ## Grades of unconfined compressive strength

Geological Society		IAEG		ISRM
Term	Strength	Term	Strength	Term	Strength
Very weak	～1.25	Weak	～15	Very low	～6
Weak	1.25～5.00	Moderately strong	15～50	Low	6～20
Moderately weak	5.00～12.50	Strong	50～120	Moderate	20～60
Moderately strong	12.50～50	Very strong	120～230	High	60～200
Strong	50～100	Extremely strong	230～	Very high	200～
Very strong	100～200
Extremely strong	200～

Term	Description	Strength (kg/cm2)
Extremely weak	Indentd by thumbnail	2.5 ～ 10
Very weak	Crumbles under firm blows with point of geological hammer, can be peeled by a pocket knife.	10 ～ 50
Weak	Can be peeled by a pocket knife with difficulty, shallow indentations made by firm blow with point of geological hammer	50 ～ 250
Moderately strong	Cannot be scraped or peeled with a pocket knife, specimen can be fractured with single firm blow of geological hammer to fracture it	250 ～ 500
Strong	Specimen requires more than one blow of geological hammer to fracture it.	500 ～ 1000
Very strong	Specimen requires many blows of geological hammer to fracture it.	1000 ～ 2500
Extremely strong	Specimen can only be chipped with geological hammer.	> 2500

2) 건설부 표준품셈에서의 분류.

암종 등급	풍화암		연 암		보통암		경 암		극경암
	A	B	A	B	A	B	A	B
암편내압강도 (Kg/cm2)	300 ～700	100 ～200	700 ～1000	200 ～500	1000 ～1300	500 ～800	1300 ～1600	800 이상	1600 이상
암편탄성파속도 (km/sec)	2.0 ～2.7	2.5 ～3.0	2.7 ～3.7	3.0 ～4.3	3.7 ～4.7	4.3 ～5.8	4.7 ～5.8	5.7 이상	5.8 이상

note A : 편마암, 화강암, 섬록암, 안산암, 석회암, 사암, 현무암, 력암, 편암등

B : 흑색편암, 녹색편암, 휘록응회암, 혈암, 이암, 응회암, 집괴암 등

3) 지질 품셈에서의 분류.

암시대 구분	제 3 기	중 생 대	고생대 및 선캠브리아기	단축압축 강도
풍화암	각 암석의 풍화암	각 암석의 풍화암	각 암석의 풍화암	125 이하
연암	세일, 응회암, 사암, 이암, 각력응회암	세일, 탄질세일	세일, 실트스톤, 탄질세일, 석회암, 대리석, 점판암, 천매암, 사문암	125 ～ 400
중경암	역암, 집괴암, 현무암(다공질)	사질세일, 실트스톤, 장석질 사암	슬레이트, 백운암, 흑운모편암, 흑연편암, 녹니석편암. 견운모편암	400 ～ 800
경암	쳐트, 규질아질라이트, 유문암, 반암, 안산암, 조면암, 집괴암, 현무암(조밀)	역암, 경사암, 각력암, 규질셰일, 화강암, 반암, 규장암, 화강편마암, 쳐트, 혼펠스	사암, 역암, 규질세일, 규질석회암, 쳐트, 혼펠스, 화강암, 섬록암, 화강섬록암, 석장암, 반려암, 석영반암, 화강반암, 페그마타이트 반암, 화강편마암 운모 편마암, 각섬편마암, 호상편마암, 석영편암, 각섬편암, 운모편암	800 ～ 1200 (Kg/cm2)
극경암	규질아질라이트, 석영조면암, 석영안산암	석영맥, 쳐트, 혼펠스	경사암, 규암, 석영맥	1200 이상인 경우에는 1800

4) 일본 토질공학회의 분류.

분류	극경암	경암	준경암	팽윤성 경암
강도(kgf/cm2)	1000 이상	500 ～·1000	100 ～ 500	100 ～ 500의 팽윤성암
분류	이방성 준경암	사질연암	점토질 연암	팽윤성 연암
강도(kgf/cm2)	100 ～ 500의 이방성암(편암등)	10 ～ 100의 사질암(풍화암포함)	10 ～ 100의 점토암질	10 ～ 100의 팽윤성암

5) 한국도로공사의 분류(중부고속도로 건설공사현장).

암종	극경암	경암	보통암	연암	픙화암
단축압축강도 (kgf/cm2)	2040 이상	1500 이상	1500～800	800～300	300 이하

 

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