대구지역 셰일의 강도특성
곽 성 민 Seong-Min Kwag 1) , 임 수 빈 Su-Bin Im 1) , 신 국 진 Kuk-Jin Shin 1) , 이 민 지 Min-Ji Lee 1) , 이 승 한 Seung-Han Lee 2) , 김 교 원 Gyo-Won Kim 1)
*1)
경북대학교 지질학과 Dept. of Geology, Kyungpook National University
2) 계명대학교 토목공학과 Dept. of Civil Engineering, Keimyung University
주요어: 적색셰일, 흑색셰일, 일축압축강도, 점하중강도, 크리프시험
1. 서론
대구지역의 셰일은 중생대 백악기에 퇴적된 경상계 하양층군의 퇴적암으로 다른 암석에 비하여 일반적으로 암석의 강도가 낮고 장기적으로는 크리프변형이 큰 것으로 알려져 있다. 대구지역에 분포하는 셰일은 크게 적색셰일과 흑색 셰일로 육안으로 구분할 수 있는데 암석의 색상의 차이는 퇴적환경과 관련된 것으로 알려져 있다. 즉 적색셰일은 비교적 퇴적수심이 얕은 산화환경에서 형 성되었고 흑색셰일은 수심이 깊은 환원환경에서 형성되어서 퇴적물 내의 유기물에 의한 결과로 알려져 있다.
본 연구는 대구지역 셰일을 콘크리트용 조골재로 활용가능한지를 평가하기 위하여 수행하는 연 구과제의 일환으로 셰일의 강도특성을 파악하는데 그 목적이 있다. 암석의 강도는 골재로서의 활 용성을 평가하는 가장 기본적인 요소로써 주로 일축압축강도시험으로 측정하고 있다. 본 연구에 서는 암석강도 측정을 위하여 일축압축강도와 더불어 점하중강도시험을 실시하여서 상호 비교 검 토하였으며 또 콘크리트의 장기적인 내구성에 영향을 미칠 것으로 판단되는 조골재의 크리프 안 정성 검토를 위하여 크리프시험을 실시하였다.
2. 시료제작 및 시험방법
본 연구에 이용된 셰일시료는 대구지역 지하철 1호선 및 2호선 설계 시의 지반조사에서 얻어진 시추코어를 이용하였다. 일축압축강도시험은 직경에 대한 길이의 비(L/D)를 약 2 정도로 제작하여 적색과 흑색 셰일로 구분하여서 각각 10회씩 시험하였고, 점하중강도시험은 셰일이 이방성 암석 인 점을 고려하여 시료 축방향(층리면 경사와 직각)으로 L/D=0.9로 제작하여 20회의 시험을 실시 하였다. 크리프시험은 일축압축강도시험의 샘플과 동일하게 제작된 시료에 스트레인게이지를 축 방향 및 횡방향으로 부착하여 적색과 흑색의 셰일에 대하여 각각 4개에 대하여 실시하였다.
일축압축강도시험에 이용된 시험기는 UTM으로 최대용량 1000kN, 변위센서의 범위는 0~200mm 이다. NX코어 크기로 편평도 0.025mm 이내로 만들기 위해 연마기를 이용하였고, 파괴시간은 시료 가 2~15분 이내에 깨어질 수 있도록 재하속도를 0.2mm/min로 재하하는 등 KSRM의 규정을 바탕 으로 수행하였다.
점하중강도시험은 일축압축강도시험에 이용된 기기와 같은 것으로 측정하였고, 가압장치는 선
* 교신저자 : gyokim@knu.ac.kr
단부가 구형으로 된 원추형이며 중심축이 ±0.2mm 오차 범위 이내로 일치하는 장치를 이용하였으 며, 시료가 10~60초 이내에 깨어질 수 있도록 재하속도를 0.5mm/min로 이 또한 KSRM의 규정을 바탕으로 수행하였고 시료형상의 문제로 국부적인 모서리 파괴가 일어난 것은 제외하였다.
크리프시험은 재하용량 300kN, 4주 스프링 반력식의 시험기기를 이용하였으며, KYOWA사 YCAM-500A 정적 데이터로그를 사용하였고 스트레인게이지는 Tokyo Sokki사 PFL-30-11-1L를 이 용하였고, 측정하는 동안 온도 20° 습도 60% 실내 조건을 유지하여 수행하였다.
그림 127. 사용 시험기기 왼쪽부터 일축압축강도시험기, 점하중시험기 및 크리프시험기
3. 시험결과 및 분석
3.1 일축압축강도 및 점하중강도
대구지역 셰일의 일축압축강도시험 결과 적색셰일은 69.2~82.1MPa 범위의 값을 가지며 평균 76.4MPa, 흑색셰일은 40.7~53.2MPa 범위의 값을 보이며 평균 45.8MPa로 적색셰일이 흑색셰일보다 강도가 크게 측정되었다. 점하중강도시험 결과 적색셰일은 1.6~3.2MPa 사이의 값을 가지며 평균 2.3MPa으로 측정되었고, 흑색셰일은 0.7~2.2MPa 사이의 값을 가지며 평균 1.6MPa로 나타났는데 일축압축강도와 마찬가지로 적색셰일이 흑색셰일보다 평균적으로 큰 강도임을 알 수 있다.
셰일의 강도는 교결작용과 더불어 공극률도 관계된다고 정태종(1996)에서 밝혔으며, 적색셰일이 상대적으로 낮은 공극률을 갖고 광물성분 분석결과 SiO
2함양이 좀 더 많은 것이 영향을 준 것으 로 사료된다.
일축압축 강도(MPa)
적색 78.2 80.2 73.6 72.8 76.9 69.2 82.1 79.2 80.1 71.4 흑색 49.2 44.6 43.4 46.7 45.0 48.3 53.2 40.9 45.3 40.7
점하중 강도(MPa)
적색 2.6 1.8 2.8 1.6 2.3 1.9 1.7 1.8 2.9 2.5 2.8 3.2 1.9 1.6 1.7 2.5 2.4 2.0 2.7 2.8 흑색 1.4 1.5 0.7 2.0 1.8 1.7 2.2 2.2 2.2 2.1 1.3 1.4 0.5 1.5 1.8 1.5 1.3 1.6 1.5 1.8 표 51. 셰일의 일축압축강도 및 점하중강도
3.2 일축압축강도 및 점하중강도의 상관성
암석의 일축압축강도와 점하중강도의 상관관계에 대하여 Broch & Franklin(1972)이
제안하였으며, 국내의 셰일에 대한 일축압축강도와 점하중강도의 상관관계에 대하
여 정형식외(1997)는 , 이영휘외(2009)는 ∼ 를 제안하였다. 본
연구를 통해 알아본 일축압축강도와 점하중강도 사이의 시료에 대한 시험은 일축압축강도 시험을 위해 코어를 제작하고 남은 부분 즉 서로 붙어 있는 부분에 대하여 점하중강도를 측정하여 그 값 을 구하였고, 그 값 또한 일축압축강도가 상대적으로 다른 시료에 비해 크면 점하중강도도 똑같이 나타났다. 또한 셰일과 같이 축과 층리면의 방향성과의 관계에 따라 그 값이 바뀌는 이방성 암석 에 대한 연구는 이영휘외(2008)에 의해 수행된바 있고, 층리면의 각도에 따라 강도가 상당한 차이 를 보인다고 하였다. 본 연구에서는 재하 축과 층리면이 직각이 되도록 시료를 성형하여 측정하였 는데 그 결과로 얻어진 셰일의 일축압축강도와 점하중강도의 상관관계식은 다음과 같다.
적색셰일 (1) 흑색셰일 (2) 여기서, 일축압축강도, 직경 50mm의 점하중강도이다.
그림 128. 대구지역 셰일의 일축압축강도와 점하중강도의 상관관계
3.3 크리프시험
대구지역 셰일의 크리프 특성을 연구한 조래훈과 김교원(2009)의 결과에 의하면 Griggs(1936)가 제안한 다음 수식이 대체로 셰일의 크리프 특성을 잘 반영하는 것으로 보고되었다.
log (3)
여기서, 크리프 변형률, 순간변형률, 1차 크리프 상수, 2차 크리프 상수이고
시간이다.
본 연구에서의 크리프시험의 재하하중은 일축압축강도의 평균값의 40%, 50%, 60%, 70%으로 결 정하였는데, 앞에서 제시한 바와 같이 적색셰일의 일축압축강도의 평균값은 76.4MPa이고 이때 총 하중은 150.0kN이었고, 흑색셰일 강도는 45.8MPa 이어서 이때 총 하중은 90.0kN이었다. 재하시간 을 72시간으로 하여 단일단계 크리프시험을 수행한 결과 일축압축강도가 큰 적색셰일의 변형률이 흑색셰일에 비해 높게 측정된 것을 알 수 있으나, 이는 재하하중이 크기 때문인 것으로 판단된다.
재하시간 72시간에서 시료가 파괴된 경우는 없었으며, 따라서 2차 크리프 상태에 도달하지 않은 상태에서 시험이 종료된 것으로 판단된다. 따라서 2차 크리프 상수 이었다. 각각의 단계별 측정값과 시간에 따른 변형에 대한 결과는 아래 표와 그림과 같다.
시료 길이
(mm) 직경 (mm)
재하하중 (MPa)
변형률, (x10
6) Axial Lateral
순간 크리프 상수, a
1차 크리프 상수, b
적색 40% 10.5 50 30.6 720 140 756 7.5
적색 50% 10.3 50 38.2 1,087 152 1,081 1.7 적색 60% 10.4 50 45.8 1,937 209 1,977 1.7 적색 70% 10.5 50 53.5 2,072 213 2,237 7.2
흑색 40% 10.5 50 18.3 613 107 629 8.5
흑색 50% 10.4 50 22.9 598 101 591 5.5
흑색 60% 10.5 50 27.5 1,272 108 1,288 3.7 흑색 70% 10.5 50 32.1 1,308 109 1,312 3.3 표 52. 크리프 시험에 대한 각각의 기본 물성치 및 변형률에 따른 측정값
그림 129. 적색셰일의 하중별 변형률 곡선 그림 130. 흑색셰일의 하중별 변형률 곡선
4. 토의 및 결론
1) 일축압축강도는 층리면에 거의 수직방향으로 측정되었는데, 적색셰일 평균 76.5MPa, 흑색셰
일 평균 54.6MPa으로 적색셰일의 강도가 더 높았으며, 점하중강도 또한 적색셰일이 평균 2.3MPa,
흑색셰일이 평균 1.6MPa로 같은 경향을 보였는데 그 원인은 암석의 공극률의 차이에 기인한 것으
로 보인다.
2) 일축압축강도와 같은 방향으로 측정한 점하중강도와의 상관관계는 다음과 같다.
적색셰일 , 흑색셰일
3) 크리프시험에서는 일축압축강도의 40%, 50%, 60%, 70%의 하중을 72시간 동안 재하하였으나, 2차 크리프에 도달하지 못하였으며 크리프 파괴에 도달한 시료는 없었다. 이 결과로 볼 때 대구지 역의 셰일은 상대적으로 크리프 변형이 적은 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 지역기술혁신사업의 연구비지원(11CRTI-C059640-01)에 의해 수행되었습 니다.
참고문헌
이영휘, 김희동, 2008, 대구지역 셰일 압축강도의 고유이방성에 관한 연구, 한국지반환경공학, 9권, 7호, pp.45-51
이영휘, 윤찬호, 2009, 대구지역 셰일의 점재하지수 특성 및 일축압축강도와의 상관성, 한국지반환경공학, 10권, 3호, pp.37-45
정태종, 1996, 대구 지역에 분포하는 백악기 셰일의 역학적 특성, 한국지구과학, 17권, 6호, pp.489-496 정형식, 유병옥, 1997, 암석의 풍화에 따른 강도변화 특성 및 강도추정에 관한 연구, 한국지반공학, 13권, 6 호, pp. 71～91.
조래훈, 김교원, 2009, 다단계 재하시험에 의한 함안층 적색 셰일의 크리프특성, 지질공학, 19권, 2호 pp.165-175
Broch E., Franklin J. F. (1972), The point load strength test, Int. J. Rock Mech. Min. Sci., Vol. 9, No.
6, pp.669～697
Griggs, D. T., 1936, Deformation of rocks under high confining pressure, J. Geol., 44, pp.541-577.
