1. 암석과 불연속면
※암석
- 여러 광물의 집합체로서 구성비자들의 결합물질에 의해 강하게 결합되어 있어 일정한 강도를 갖는다. 자연재료로서의 물리적, 역학적 특성을 가지며 무결암이라고도 한다.
※불연속면
- 암반 내에 나타나는 모든 연약면을 총칭하는 것으로서, 암석은 이면을 경계로 불연속적이며 지질학적 성인으로 다양한 형태와 크리로 존재한다.
- 절리(모든암반), 층리(퇴적암), 엽리(변성암), 단층 파쇄대 등 암석의 물리적 연속성이 끊겨있는 면을 불연속면이라 한다.
※암반
- 암석과 불연속면을 포함한 암체(Rock mass)를 의미
- 암반거동, 불연속면의 특징이 매우 중요하며, 지반을 대상으로 하는 공사에서 암석강도가 아무리 높다 해도 불연속면에서 파괴가 우선적으로 일어날 수 있기 때문에 안정성은 암석자체의 평가보다 암반전체를 평가하는 것이 중요
- 즉 암반내 불연속면의 빈도, 형상, 상태 등은 암반의 성질을 크게 좌우하며 암반 특성시험은 원위치 변형시험, 원위치 전단시험, 초기 응력시험, 현장 투수시험, 비파괴시험, 지질조사 등이 있다.
2. 암반공학의 특징
암석특징
- 자연재료 철, 콘크리트와 같은 인공재료와 달리 자연재료인 암석은 비균질성, 이방성 및 비선형적 특성을 보이며, 이러한 이유로 인하여 암석의 물성을 파악하기 어려우며, 임의로 조절할 수 없다.
불연속면특징
- 불연속 암반 내 존재하는 불연속면으로 인하여 불연속성을 보이며, 불연속면이 암반의 거동을 지배하기 때문에 불연속면의 공학적 특징과 기하학적 요소를 파악해야 한다.
암반특징
- 암반분류 암반의 변형 및 파괴특성을 파악하기 위해서는 여러 현장시험이 요구되나 그 한계성으로 인하여 암반분류를 이용하는데, 그 사용 목적에 따라 분류요소별로 병가하게 된다.
3. 불연속면의 종류
암반에는 수많은 불연속면이 존재한다. 불연속면이라 함은 0 또는 아주 낮은 인장강도를 갖는 모든 역학적 불연속면을 말한다.
불연속면의 종류에는 절리 및 벽개와 같은 분리면, 편리와 층리 등 암석형성 과정의 초기단계에 발생한것, 단층이나 파쇄대와 같은 대규모적인 지질구조와 연관된 것 등이 있다.
3.1 절리(Joint)
절리(Joint)는 암석의 지질적인 연속성이 깨진 암반속에 포함되는 틈으로 항상 서로 평행한 집합체를 형성하며, 이러한 같은 방향성에 속하는 절리를 절리군(Joint set)이라 한다.
절리의 중요한 특징은 절리면의 평행한 방향에서 전단변위를 거의 보이지 않으며, 층리, 벽개 등과 평행하게 형성되어 있는 것이다.
물리적 환경에 변화가 있으면 발생하며, 절리는 지하보다는 지표면에서 자주 생긴다.
- 판성절리 (화성암의 냉각)
- 주상절리 ( 화성암의 분출시 용암냉각)
- 전단절리 (전단응력 집중)
- 인장절리 (인장력이 우세, 전단절리에 부수적 발생)
3.2 층리(Bedding)
퇴적엄 생성시 거의 수평면 상태로 퇴적물이 고르게 한겹씩 쌓이게 되는데 계절, 해류, 수심 등에 따라 시간적 차이, 입자크기, 색, 성분, 퇴적속도 등의 변화로 형성
- 사층리
- 연흔
3.3 엽리(Foliation)
엽리란 변성암이나 변형암에서 나타나는 모든 반복되는 면구조를 이르는 용어로 변성암에서 나타나는 모든 면구조
- 편리
- 편마구조
3.4 단층(Fault)
단측은 어떤 방식으로든 해당 암층에 차별적인 힘이 가해져서 그 힘이 해소되어야 할 때 발생함. 특히 암석이 연성변형되지 않고 취성변형이 더 안정적일때 발생하므로 보통 단층은 상부지각에 국한되는 현상으로 생각할 수 있다.
- 정단층
- 역단층
- 지구와 지루
- 주향이동단층
4. 암석과 암반의 강도모델
: 일단, 강도모델에 대해 알아보기 전에, 파괴강도는 암석, 절리, 암반이 모두 다르다는 것을 알아두어야 한다.
: 또한, 파괴의 정의에 대해 다시 알아보면,
응력의 큰 증가 없이 변형이 크게 증가해 역학적 저항기능을 상실한 상태를 의미한다는 것도
알아보고 넘어간다.
: 파괴규준에 대해서, 구조물 설계시 암반의 응력변화가 있을 때, 응력이 파괴에 이르렀는지 아닌지를
판단하는 기준을 파괴규준으로 정의한다는 것도 다시 알아본다.
: 보통 Mohr - Coulomb파괴규준, Hoek - Brown 파괴규준을 쓴다고 한다.
1. Mohr - Coulomb 파괴기준
: 암석에 대해 인장실험, 일축압축강도시험, 삼축압축 강도시험을 실시해 그 결과로 Mohr원을 그렸을 때,
접선과 절편을 이용해 Mohr - Coulomb파괴포락선을 긋고, 그 안쪽을 안정, 바깥쪽을 불안정으로
나타낸 파괴기준그래프
: 이미 이전에 다룬 내용들이기 때문에 링크첨부로 설명을 끝내고자 한다.
<토질의 파괴면 Mohr - Coulomb 파괴기준에 따라 설정하기>
<삼축압축시험(CD Test)를 통해 Mohr - Coulomb 파괴기준 설정하기>
2. Hoek - Brown의 파괴기준 (H - B 모델) **
: 암반에서는 이 모델을 많이 쓴다고 한다.
: 암석뿐만 아니라 암반에서도 적용가능한 유일한 모델이기 때문이기도 하고,
: 현실적인 경험식이기 때문에 많이 쓰기도 한다는데,
: 한국에서는 잘 안쓰는 경향이 있다고 하신다.
이것의 암반 고유 값인 c' 나 Φ' 값 모두 수직응력인 σn' 에 따라 값이 달라지기 때문에 뭐라고 딱 산정하기 힘들다는 점도, Hoek - Brown식을 쓰는 이유가 된다고 한다.
Hoek - Brown 파괴기준
이런 식을 하나로 나타내면 다음과 같다.
이 식은 암석과 암반을 구분해서 각자 다르게 적용해야 한다.
< 암석의 H-B Parameter >
: 위에 있는 Hoek - Brown 식에서 신선한 암일 때는 s = 1, a= 0.5 를 도입하고, 절리가 많을수록
s는 0에 가까워지는 값을 적용한다.
mb대신 mi값을 넣는데, 이것을 암석계수라고 한다.
암석계수는 암석의 형태에 따라, 구성 물질에 따라 각각 다른 값을 넣는다고 한다.
< 암반의 H-B Parameter >
: mb, s 값을 구하기 위해 GSI(Geological Strength Index)를 도입한다.
< Hoek - Brown 파괴기준과 Mohr - Coulomb 파괴기준의 관계 >
: 암석에 대한 Mohr - Coulomb 파괴기준의 주응력을 일반화해서 암반에 대한
Mohr - Coulomb 파괴기준을 다음 식으로 표시하는 것이 가능하다.
Mohr - Coulomb 파괴포락선은 직선인 반면, Hoek - Brown 파괴포락선은 곡선이다.
이 곡선을 직선으로 바꾸기 위해서 여러 방법이 제시되었지만, 가장 쉬운 방식은 회귀분석법을 이용한 방식이다.
암석과 암반의 강도파라미터 특성
: 보통 응력 - 변형률 곡선의 최대 응력점으로 나타낸다. (σpeak)
: 암석의 강도와 암반의 강도는 큰 차이점이 있다.
--> 암석의 강도과 암반보다 훨씬 크고 인장저항력도 가지게 된다.
--> 이는 암반의 강도는 불연속면에 의해 지배된다는 점도 원인 중 하나가 된다.
강도 측정법: 암석시험(실내시험)
(1) 암석 실내강도시험
--> 암반에서는 대부분 일축강도시험, 터널이여도 일축강도시험, 연약지반이면 삼축강도시험을 실행한다.
(2) 브라질리언 테스트
: 인장강도 시험법이다. -> 강성은 구할 수 없다.
: 일축인장시험의 대용으로, 시편을 옆으로 두고 압축하중을 가하는 시험이다.
: 하중을 가할 때, 시편 속에서 연직방향의 응력은 압축응력으로 작용, 수평방향으로는
인장응력이 작용되는 특징을 이용한다.
출처: University of Alberta, Civil and Environmental Engineering, School of Mining and Petroleum Engineering
(3) 간접시험 이용
: Point load test랑 일축압축강도를 이용한다.
강도 측정법: 암석시험(현장시험)
: Schmidt Hammer Test 등을 통해 실제 시험을 해서,
응력 - 변형률 곡선을 만들고, 그 시험의 최고점에서 강도를 산정한다.
강도 측정법: 불연속면 강도시험
: 불연속면의 강도파라미터를 결정한다.
: 절리면을 경계로 한 직접전단시험이 가장 좋다.
(1) 틸트시험(tilt test)
(2) 직접전단시험
(3) 삼축압축시험