암석시험 : 전단강도(Shear Strength)

암석의 전단강도는 전단상자시험(Shear box test), 단일 및 이중전단시험(Direct single and double shear test), 펀치전단시험(Punch shear test), 토션전단시험(Torsion shear test) 등을 통해 측정할 수 있다. 또한 전단강도인자(shear strength parameter)는 삼축압축시험을 통해서도 얻을 수 있다. 가장 널리 사용되는 방법으로는 연암 또는 불연속면에 대한 전단상자시험과 경암에 대한 삼축압축시험이다.

전단상자시험에서 암석시료는 소석고(plaster of Paris)로 고정된다. 만일 불연속면 표면과 같은 특정 방향을 따른 파괴(전단)가 요구될 경우 이 방향에 따라 전단상자의 전단면이 정렬되어야 한다. 일정한 수직응력이 시료에 전달되는 상태에서 선택된 전단면을 따라 전단력을 가하여 전단력의 증가에 대한 변위를 기록하여 응력-변형률 곡선을 얻게 된다. 3회 이상의 일련의 시험으로부터 전단강도와 수직응력의 그래프를 얻을 수 있으며 이 그래프로부터 점착력과 마찰각을 구할 수 있다(그림 ## 참조).

암석의 불구속 전단강도(Unconfined shear strength)의 측정은 다음 그림 ##에서와 같은 단일전단시험, 이중전단시험, 펀치전단시험 및 토션전단시험의 4가지 방법이 널리 사용된다.

전단시험종류	단일전단시험 (Single ～)	이중전단시험 (Double ～)	펀치전단시험 (Punch ～)	토션전단시험 (Torsional ～)
전단강도	S0 = Fc / A	S0 = Fc / 2A	S0 = Fc / 2πra	S0 = 16Mc/πD3

※ A : the cross sectional area of the specimen

Fc : the force in the direction of the plane A necessary to cause failure

a : the thickness of the specimen

r : the radius of the punch

Mc : the applied torque at failure

D : the diameter of the cylinder

 

불구속 전단 시험은 시험자체가 갖는 문제점으로서 단일, 이중, 펀치전단시험의 경우 전단 또는 펀치면에 응력이 집중되고 끝 부분에서는 감소되어 응력의 불균형이 발생하여 균열이 이러한 선을 따라서 시작되어 최대 전단응력과는 관계없이 발달되는 양상을 나타낼 수 있다. 또한 가해진 응력에 의한 시험편의 변형(휨)은 시료의 반대면에 인장 또는 압축응력을 유도하게 된다. 토션전단시험에서는 시험편의 고정부(grip)에서의 조임(clamp)과 시료의 휨이 동시에 나타날 수 있다.

따라서 이러한 시험에 의해 측정된 전단강도는 다소 오차를 포함하게 되고, 불규칙한 결과를 나타낼 수 있어 Everling(1964)은 암석의 전단강도는 삼축시험으로부터 얻어진 결과가 유효함을 제안하고 순전단 상태에서의 물질의 강도와 파괴면에 대한 수직력이 없는 상태에서 파괴를 일으키는 데 필요한 전단응력을 구분하였다. 대부분의 암석에 대해 이러한 두가지 경우에서의 값은 큰 차이를 나타낸다.

< Portable shear box apparatus >

 

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