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(1)

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(2)

2014년 2월 석사학위논문

반복하중 하에서 화강암 및 사암의 역학적 거동 특성

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

(3)

반복하중 하에서 화강암 및 사암의 역학적 거동 특성

Mechani calbehavi orofgr ani t eandsandst one undercycl i cl oadi ng

2014년 2월 25일

조선대학교 대학원

에 너 지 자 원 공 학 과

나 태 유

(4)

반복하중 하에서 화강암 및 사암의 역학적 거동 특성

지도교수 강 성 승

이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함

2013년 10월

조선대학교 대학원

에너지자원공학과

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나태유의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 강 추 원 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 고 진 석 ( 인) 위 원 조선대학교 교수 강 성 승 ( 인)

2013년 10월

조선대학교 대학원

(6)

-목 차-

Listoftables···i

Listoffigures···iii Abstract···ⅵ 1.서론 ···1

2.연구배경 ···3

3.시험방법 ···4

3.1시험편 ···4

3.2실내시험 ···8

3.2.1공극률 및 흡수율 ···8 3.2.2종파속도 ···10 3.2.3일축압축 및 반복하중시험 ···11 4.연구결과 ···12 4.1화강암의 강도 및 물성 변화 ···12 4.1.1일축압축강도 ···12 4.1.2공극률 및 흡수율 ···13 4.1.3종파속도 ···16 4.1.4영률 및 포아송비 ···20 4.2사암의 강도 및 물성 변화 ···32 4.2.1일축압축강도 ···32 4.2.2공극률 및 흡수율 ···33 4.2.3종파속도 ···36 4.2.4영률 및 포아송비 ···40 5.반복하중과 화강암 및 사암의 역학적 관계 고찰 ···51 5.1반복하중과 화강암의 역학적 관계 ···51

(7)

참고문헌 ···54

(8)

Li stoft abl es

Table 3-1.Classification of dried and saturated granite and sandstone core specimensfortest,UCS:uniaxialcompressivestrength···6 Table3-2.Dimensionsofgraniteandsandstonecorespecimens···7 Table4-1.TheresultsofthemeasuredUCS ofdriedandsaturatedgranitecore specimens,UCS:uniaxialcompressivestrength···13 Table4-2.Theresultsofthecalculatedporosityandabsorptionbeforeandafter loading according todriedgranitecorespecimens,M_:dry weight,M

 :saturatedweight,Po:porosity,Ab:absorption···14 Table4-3.TheresultsofthecalculatedVpbeforeandafterloadingaccordingto driedgranitecorespecimens,Vp:P-wavevelocity···17 Table4-4.TheresultsofthecalculatedVpbeforeandafterloadingaccordingto saturatedgranitecorespecimens.Vp:P-wavevelocity···18 Table 4-5.The results ofthe calculated Young’s modulus (E)and Poisson’s ration( )andafterloadingaccordingtodriedgranitecorespecimens20 Table 4-6.The results ofthe calculated Young’s modulus (E)and Poisson’s ration ( ) and after loading according to saturated granite core specimens···21 Table4-7.Theresultsofthemeasured UCS ofdried and saturated sandstone corespecimens,UCS:uniaxialcompressivestrength···33 Table4-8.Theresultsofthecalculatedporosityandabsorptionbeforeandafter loading according todried sandstonecorespecimens,M_{ }:dry weight, M:saturatedweight,Po:porosity,Ab:absorption···34 Table4-9.TheresultsofthecalculatedVpbeforeandafterloadingaccordingto driedsandstonecorespecimens,Vp:P-wavevelocity···37 Table4-10.Theresultsofthecalculated Vpbeforeand afterloading according tosaturatedsandstonecorespecimens.Vp:P-wavevelocity···38

(9)

specimens···40 Table4-12.The results ofthe calculated Young’s modulus (E)and Poisson’s ration ( ) and after loading according to saturated sandstone core specimens···41

(10)

Li stoff i gur es

Figure 3-1.Figure 3-1.Preparation ofcore specimen,(a)core recovery,(b) cuttingand(c)polishingwork···4 Figure3-2.Corespecimensofgraniteandsandstonefortest···5 Figure3-3.Measuring processofabsorption and porosity,(a)desiccator,silica gelandvacuum oilpumpforsaturation,(b)Measurementofweightin waterandsaturationweight,(c)dryingformeasuringdryweight···9 Figure3-4.ComponentsofCND testerformeasuringP-wavevelocity···10 Figure 3-5.A view of the universaltesting machine (UTM) for measuring uniaxialcompressivestrength(UCS)inlaboratory···11 Figure 4-1. Variation of (a) porosity and (b) absorption of granite core specimensunder50%,80%,100% loads···15 Figure4-2.Vpvariationofgranitecorespecimensunder50%,80%,100% loads,

(a)beforeloading,(b)afterloading···19 Figure4-3.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under100% load ofdried granitecorespecimens,(a)GD-1,(b)GD-2, (c)GD-3···22 Figure4-4.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under50% loadofdriedgranitecorespecimens,(a)GD-4,(b)GD-6·23 Figure4-5.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under80% loadofdriedgranitecorespecimens,(a)GD-7(b)GD-9··24 Figure4-6.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under cyclic load of dried granite core specimens,(a) GD-10 (50%

load),(b)GD-10 (80% load),(c)GD-12 (50% load),(d)GD-12 (80%

load)···25 Figure4-7.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under100% load ofsaturated granite core specimens,(a)GW-1,(b)

(11)

under 50% load of saturated granite core specimens,(a) GW-4 (b) GW-5(c)GW-6···27 Figure4-9.Relationshipbetweenuniaxialcompressivestrength(UCS)andstrain under 80% load of saturated granite core specimens,(a) GW-7,(b) GW-8···28 Figure 4-10.Figure 4-10.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS)and strain undercyclicloadofsaturated granitecorespecimens (a)GW-10(50% load),(b)GW-10(80% load),(c)GW-11(50% load), (d)GW-11(80% load),(e)GW-12(50% load),(f)GW-12(80% load)29 Figure4-11.Variationof(a)Poisson’sratio()and(b)Young’smodulus(E)of granitecorespecimensunder50%,80%,100% loads···31 Figure 4-12.Variation of (a) porosity and (b) absorption of sandstone core specimensunder50%,80%,100% loads···35 Figure4-13.Vp variation ofsandstone core specimens under50%,80%,100%

loads,(a)beforeloading,(b)afterloading···39 Figure 4-14.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain under100% load ofdried sandstone core specimens,(a)SD-1, (b)SD-2,(c)SD-3···42 Figure 4-15.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain under50% loadofdriedsandstonecorespecimens,(a)SD-4,(b) SD-5···43 Figure 4-16.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strainunder80% loadofdriedsandstonecorespecimens···44 Figure 4-17.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain undercyclic load ofdried sandstone core specimens,(a)SD-11 (50% load),(b)SD-11(80% load)···45 Figure 4-18.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain under 100% load of saturated sandstone core specimens,(a) SW-1,(b)SW-2,(c)SW-3···46 Figure 4-19.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and

(12)

(b)SW-5···47 Figure 4-20.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strainunder80% loadofsaturatedsandstonecorespecimens···48 Figure 4-21.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain under cyclic load of saturated sandstone core specimens,(a) SW-11(50% load),(b)SW-11(80% load)···49 Figure4-22.Variationof(a)Poisson’sratio()and(b)Young’smodulus(E)of sandstonecorespecimensunder50%,80%,100% loads···50

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Abst r act

Me c ha ni c a lbe ha vi o ro fgr a ni t ea nds a nd s t o ne und e rc yc l i cl o a d i ng

ByTAE YOO NA

Adv.Prof.:Seong-SeungKang,Ph.D, Dept.ofEnergyandResourcesEngineering GraduateSchoolofChosunUniversity

The purpose of this study is to examine mechanicalbehavior such as absorption,porosity,p-wave velocity(Vp),uniaxialcompressive strength(UCS), Poisson’s ratio()and Young’s modulus(E)ofdried and saturated granite and sandstone under cyclic loading.For this purpose,firstly 100% load(breaking strength)is measured each ofgranite and sandstone.Secondly,calculate 50%

and80% loadonthebasisof100% loadandthenlaboratorytestswerecarried out.Then,differences obtained from the results were compared and analyzed.

Finally, mechanical behavior of granite and sandstone were quantitatively analysed.In the case ofsandstone UCS was biggerthan granite UCS under dried condition and saturated condition.According to measured porosity and absorption ofgranite and sandstone,generally the variation was very slight. ThisimpliesvariationofUCS isaffectedbyexistenceofmicrocracks,direction or its composition ofgranite and sandstone core specimens,notaffected by increase of load. The measured Vp of dried granite and sandstone were generally increased after loading. However, in the case of granite core specimensundercyclicload,Vpwasdecreased.Thisimpliesthatanothernew microcracksdevelopedinthecorespecimensbycyclicloading.Vpofsaturated graniteand sandstonecorespecimensweregenerally fasterthan each ofdried specimens because it contain water.In the case of after loading,Vp was decreased when water flowed out and increased when still contain water.

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Poisson’s ratio()and Young’s modulus(E)ofdried and saturated granite and sandstonecorespecimenswereshowed inverseproportion.Thatmeans,degree of variation was slight when the Young’s modulus(E) was high.However, Poisson’s ratio()and Young’s modulus(E)ofdried and saturated granite and sandstonecorespecimenswerealso distributed in thevariousrangeaccording to specimens.Asaresult,itsuggeststhatmechanicalbehaviorofgraniteand sandstonearedependentonload,andalsohighlyaffectedbyexistenceofmicro cracks.

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1.서론

암석은 여러 가지 광물로 이루어진 집합체이며,생성 과정에서 다양한 요인에 의해 균열과 같은 불연속면이 생성된다.암석 내 불연속면들은 작용하는 응력 상태 와 환경적 요인에 의해 성장하다 최종적으로는 파괴에 이른다.암석 내 균열은 역 학적 하중이나 화학적 작용에 의해 성장한다.지하공간 구조물을 건설하기 위한 굴 착과 발파에 의한 반복하중은 오랜 시간에 걸쳐 암석 내 미세균열을 생성시키며, 결국 암석은 원래의 암석 강도보다 낮은 단계에서 파괴되는 피로파괴에 이르게 된 다.이렇게 암반에 작용하는 반복하중에 의한 피로파괴는 암반 내 지하구조물의 장 기적인 안정성에 큰 영향을 미친다.따라서 암반 구조물의 안정성을 확보하기 위해 서는 반복하중에 따른 암석의 역학적 거동 특성을 파악하고 이를 규명하는 것이 매우 중요한 과제이다.

암석의 반복하중에 의한 피로파괴에 대한 연구는 과거로부터 현재에 이르기까 지 국내외 많은 연구자들에 의해 수행되었다(Burdine,1963;Haimson and Kim, 1971;Attewelland Farmer,1973;Scholz and Koczynski,1979;Wissler and Simmons,1985;김일중과 김영석,1988;RaoandRamana,1992;Jing etal.,1993;

장보안과 김재동,1995;BagdeandPetroš,2005;Koetal.,2006;Fuenkajorn and Phueakphum,2010;고태영 외,2011;천대성 외,2011;천대성 외,2012;Enlong andSiming,2012;Wang etal.,2013).Burdine(1963)는 Berea사암을 대상으로 동 일한 응력수준까지 하중의 반복속도를 변화시키면서 파괴되는 반복횟수를 측정한 결과 파괴는 반복속도와 관계없음을 보고하였다.반면,AttewellandFarmer(1973) 에 따르면 백운암을 대상으로 한 실험에서 동일한 응력수준에서 하중속도와 파괴 횟수는 밀접한 관계가 있음을 밝혔다.ScholzandKoczynski(1979)는 Wester화강 암을 대상으로 하중속도와 변형률 관계를 시험한 결과 하중속도가 낮은 것은 높은 것에 비하여 변형률이 크다고 보고하였다.WisslerandSimmons(1985)는 Berea사 암,포틀랜드 arkose,Gallup사암을 대상으로 응력수준에 따른 반복하중 시험으로 탄성과 소성변형을 연구하였다.김일중과 김영석(1988)은 반복하중에 의한 사암의 피로파괴거동에서 반복횟수에 따라 탄성도는 감소하고 소성도는 증가함을 규명하 였다.RaoandRamana(1992)는 초음파탐사와 AE 기법을 이용하여 반복하중 하에 서 암석의 파괴과정을 보고하였다.Jingetal.(1993)은 반복하중에 의한 절리암반의

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거동 상태를 수치해석적으로 밝혔다.장보안과 김재동(1995)은 압축피로 반복하중 에 의한 반려암,사암,대리암의 미세균열 발달 양상을 연구하였다.Bagde and Petroš(2005)은 반복하중에 의한 신선한 사암에서의 피로파괴 거동특성을 연구하였 다.고태영 외(2011)의 단조증가 및 반복하중 하에서 암석의 균열 성장에 관한 실 험적 연구에서 피로균열은 반복하중에 의해서만 발생하고,성장 방향은 이차균열과 유사하게 초기균열과 같은 방향이나 하중방향과 직교인 수평방향에서 나타남을 보 고하였다.천대성 외(2012)는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 내압구조에 대한 반복하중의 역학적 영향평가를 연구하였다.

이상과 같이 반복하중에 의한 암석의 물리적 및 역학적 거동 특성에 대한 연구 는 다양하게 이루어 졌으며,그 특성을 파악하기 위해 암석의 흡수율,공극률,탄성 계수,포아송비,종파속도 등의 물성 분석 방법을 이용하였다.하지만 이들 연구는 건조 상태의 암석시료를 대상으로 반복하중 하에서의 피로파괴가 집중적으로 이루 어졌다.이와는 달리 건조 상태를 포함한 포화 상태의 암석 시료에 대한 반복하중 에 의한 암석의 물리적 거동 및 균열 성장의 특징에 관한 연구는 아직까지 매우 미미한 상태에 있다.따라서 이 연구에서는 건조 및 포화 상태의 화강암과 사암을 대상으로 반복하중 하에서의 피로파괴 특성을 살펴보기 위하여 다음과 같은 과정 으로 연구를 수행하였다.첫째,건조 상태의 화강암과 사암에 대하여 100%,80%, 50%의 반복하중 조건에서 흡수율,공극률,탄성계수,포아송비,종파속도 등의 물성 변화를 비교분석 하였다.둘째,포화 상태의 두 암종에 대하여 100%,80%,50%의 반복하중 조건에서 탄성계수,포아송비,종파속도 등의 물성 변화를 비교분석 하였 다.마지막으로,건조 및 포화 상태에서의 하중에 따른 화강암과 사암의 물리적 거 동 및 미세 균열 성장 특징을 비교분석 하였다.

(17)

2.연구배경

갈수록 줄어드는 지상공간의 부족으로 현재는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 지하공간 활용의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.지하공간이라 함은 지표 하에 수직 또는 수평으로 흙이나 암석을 굴착하여 만든 공간을 의미한다.미 국 지하공간협회(American Underground Space Association,AUA)에서는 경제적 이용이 가능한 범위 내에서 지표면의 하부에 자연적으로 형성되었거나 인위적으로 조성된 일정 규모의 공간자원으로 규정하고 있다.또한 국토해양부(2008)에서는 도 심에서 도시문제의 경감요구에 대한 대응,개발억제 지역에서의 토지이용 효율화 지향,부도심 등에서의 도시 구조의 다변화 필요성에 대한 대응,지하공간의 환경 특성 활용요구에 대한 대응 등으로,이를 위해 지표면 하부에 조성된 공간자원을 지하공간으로 정의하고 있다.이렇듯 지하공간은 활용하고자 하는 시설물의 용도에 따라 개발 심도가 다르게 결정된다(신희순,2012).

지하공간의 개발과 활용은 지하도로,터널과 같은 국토의 효율적인 이용 측면과 함 께 CO2지중저장시설이나 방사성폐기물지중처분시설과 같이 사회적으로 논쟁의 중 심이 되고 있는 중대한 문제들을 해결하는 있어서 매우 유용한 방안이다.국내의 경우 현재 국토의 효율적 이용에 있어 지하공간 활용 기술은 선진국 수준에 이르고 있지만, 사회적으로 이슈화되고 있는 고심도 지하공간개발 기술은 아직 초기단계에 머무르고 있 는 실정이다.현재 지구온난화의 주범인 CO2를 저감시키기 위한 대안으로서 지중저 장기술이나 국내 에너지공급의 약 40%를 차지하는 원자력발전에 의해 필연적 으로 생성되는 방사성폐기물의 지중처분기술 등과 같은 고심도 지하공간을 개 발하기 위한 독자적인 국내 기술이 절실히 요구되고 있다.고심도 지하공간개발 을 위해서는 고심도 지하연구실험실(Underground Research Laboratory,URL)구축이 필요하며,이를 위해서는 실질적이고 활용 가능한 연구가 수행되어야 한다.

고심도 지하공간을 개발함에 있어 지하공동 굴착으로 인한 암반의 변형과 함께 지속적이고 반복적으로 암반에 작용하는 피로하중에 의한 미세균열의 발생과 증가 는 암반의 물리적 및 역학적 특성에 중요한 영향을 미친다.따라서 이 연구에서는 반복하중에 의한 암석의 피로파괴 거동 특성을 비교,분석함으로써 고심도 지하공 간의 안정성을 해석하는데 유용한 자료를 제시하고자 한다.

(18)

3.시험방법

3. 1시험편

반복하중 하에서의 암석의 역학적 거동 특성 및 미세균열 성장 특성을 관찰하 기 위하여 화강암과 사암의 코어 시험편을 제작하였다.각 암석의 시험편은 직경 38mm,높이 약 78mm 크기의 원형시험편으로서 건조 상태 및 포화 상태에서의 하중 50%,80%,100%,반복하중 시험을 위하여 각 하중별 화강암과 사암 덩어리 로부터 각각 3개씩 총 24개의 코어를 회수하였다.시험편 제작과정은 Figure3-1과 같다.화강암은 남원 화강암이 사용되었으며,사암은 고흥군 탄포리의 사암 채석장 에서 채취하였다.화강암과 사암에 대한 기본 물성 값을 측정하기 위하여 시험편은 각각 건조 상태에서 100% 하중에 대한 일축압축강도용 3개,그리고 사전에 측정된 100% 일축압축강도의 평균값을 근거로 파괴하중의 50%,80% 및 반복하중 하에서 의 물성 값과 역학적 거동,미세 균열의 성장을 파악하기 위한 건조 상태 및 포화 상태의 시험편 각각 12개씩 준비하였다.

Figure3-1.Preparation ofcorespecimen,(a)corerecovery,(b)cutting and(c) polishingwork.

(19)

100% 하중 하에서의 시료는 건조 상태의 화강암 시료(GD-1,GD-2,GD-3), 사암 시료(SD-1,SD-2,SD-3)와 포화 상태의 화강암 시료(GW-1,GW-2,GW-3), 사암 시료(SW-1,SW-2,SW-3)으로 분류하여 표기하였다.일축압축강도 50% 하 중 하에서의 시료는 각각 GD-4,GD-5,GD-6,SD-4,SD-5,SD-6,GW-4,GW-5, GW-6,SW-4,SW-5,SW-6 이며,80% 하중 하에서의 시료는 GD-7,GD-8, GD-9,SD-7,SD-8,SD-9,GW-7,GW-8,GW-9,SW-7,SW-8,SW-9,그리고 반복하중 하에서의 시료는 GD-10, GD-11, GD-12, SD-10, SD-11, SD-12, GW-10,GW-11,GW-12,SW-10,SW-11,SW-12로 표기하여 제작하였다.성형된 각 시험편은 Figure3-2에서 보이며,이들을 정리하면 Table3-1과 같다.

Figure3-2.Corespecimensofgraniteandsandstonefortest.

(20)

Table 3-1.Classification of dried and saturated granite and sandstone core specimensfortest,UCS:uniaxialcompressivestrength

Rocktype Specimen Remark

Granite

Dried

GD-1,GD-2,GD-3 100% ofUCS on granite

GD-10,GD-11,GD-12 cyclingloadon granite

Saturated

GW-1,GW-2,GW-3 100% ofUCS on granite

GW-10,GW-11,GW-12 cyclingloadon granite

Sandstone

Dried

SD-1,SD-2,SD-3 100% ofUCS on sandstone

SD-4,SD-5,SD-6 50% ofUCS on sandstone SD-7,SD-8,SD-9 80% ofUCS on

sandstone SD-10,SD-11,SD-12 cyclingloadon

sandstone

Saturated

SW-1,SW-2,SW-3 100% ofUCS on sandstone

SW-4,SW-5,SW-6 50% ofUCS on sandstone SW-7,SW-8,SW-9 80% ofUCS on

sandstone SW-10,SW-11,SW-12 cyclingloadon

sandstone

(21)

Table3-2.Dimensionsofgraniteandsandstonecorespecimens

Specimen No.

Granite

Specimen No.

Sandstone Diameter

(mm)

Length (mm)

Diameter (mm)

Length (mm) GD-1 38.11 78.58 SD-1 37.89 78.11 GD-2 37.93 77.62 SD-2 38.03 77.95 GD-3 37.98 78.88 SD-3 38.06 78.32 GD-4 37.95 79.11 SD-4 38.00 77.67 GD-5 38.10 77.02 SD-5 38.12 78.16 GD-6 38.15 77.65 SD-6 37.99 78.26 GD-7 38.06 78.38 SD-7 37.91 78.17 GD-8 38.09 77.94 SD-8 38.01 77.86 GD-9 37.81 75.77 SD-9 37.78 77.94 GD-10 38.11 78.00 SD-10 37.94 78.44 GD-11 37.84 78.09 SD-11 37.88 78.62 GD-12 38.11 78.08 SD-12 37.83 78.13 GW-1 38.01 78.64 SW-1 38.01 77.86 GW-2 38.05 78.42 SW-2 37.85 78.54 GW-3 38.03 78.95 SW-3 37.88 77.88 GW-4 38.02 77.57 SW-4 37.99 78.18 GW-5 38.03 78.93 SW-5 37.98 77.93 GW-6 38.01 79.49 SW-6 38.01 78.31 GW-7 37.80 77.91 SW-7 37.92 78.52 GW-8 38.08 76.35 SW-8 38.07 78.04 GW-9 38.13 78.04 SW-9 38.01 78.68 GW-10 38.04 78.75 SW-10 37.96 77.96 GW-11 38.02 77.52 SW-11 37.77 78.21 GW-12 38.41 77.90 SW-12 37.94 78.34

(22)

3. 2실내시험

3. 2. 1공극률 및 흡수율

하중 및 반복하중을 가하기 전,후에 대한 암석의 물성변화 특성을 알아보기 위하여 흡수율 및 공극률 측정을 실시하였다.화강암과 사암,각 시험편의 초기 흡 수율 및 공극률로부터 50%,80%,반복하중을 가한 후 측정된 각 시험편의 공극률 및 흡수율의 결과를 비교하였다.시험편은 앞서 제작된 코어 시험편을 사용하였다.

측정 방법은 한국암반공학회 암석표준시험법(2010)에서 규정한 시험법에 근거하여 총 3단계에 걸쳐 측정을 실시하였으며,그 절차는 다음과 같다(Figure3-3).첫째, 데시케이터와 진공오일펌프(ULVAC KIKO.Inc.,모델번호 GLD-051)를 이용하여 시험편을 12시간 이상 800Pa(6torr)이하의 진공상태에서 수침하여 포화시킨다.둘 째,포화된 시험편은 모델번호 JH-600수중무게 측정 장치에 있는 바구니에 넣고, 0.001g까지 측정이 가능한 전자저울(Precisa Gravimentrics AG,모델번호 Precisa Balances320XT)을 이용하여 시험편의 수중무게(_{  })을 측정한다.그리고 시험편 을 수조에서 꺼내어 젖은 천으로 표면을 닦아내고 시험편의 표면건조 포화 상태의 무게( )를 측정한다.셋째,건조기를 이용하여 24시간 이상 105°C에서 ±3정도의 온도를 유지한 이후에 시험편의 건조무게(_)를 측정한다.마지막으로 앞서 측정 된 수중무게,포화무게,건조무게를 각각 이용하여 식 (3.1)과 (3.2)로부터 흡수율과 공극률을 구한다.

흡수율    

_{ }_{ }

×  (3.1)

공극률    _{ }_{  }

_{ }_{ }

×  (3.2)

(23)

Figure3-3.Measuring processofabsorption and porosity,(a)desiccator,silica geland vacuum oilpump forsaturation,(b)Measurementofweightin water andsaturationweight,(c)dryingformeasuringdryweight.

(24)

3. 2. 2종파속도

일축압축강도의 50%,80%,그리고 반복하중을 가하기 전후의 암석에서 나타날 수 있는 속도 차이를 비교하기 위하여 종파속도(Vp)를 측정하였다.100% 하중 실 험 시험편의 경우,시험편이 파괴되므로 하중을 가하기 전의 종파속도만 측정하였 다.시험편은 앞서 설명된 공극률 및 흡수율 시험을 위해 사용된 것과 같은 크기의 코어 시험편이 사용되었다.종파속도는 Figure3-4에서 보는 바와 같이 Concrete Non-DestructiveTester(CND)(MISUNG C & S INSPECTION Co.Ltd.,모델 번 호 CND02-02)를 사용하여 측정하였다.이 장치는 본체와 발신과 수신용 센서,그 리고 센서에서 본체로 신호를 전달 할 수 있는 BNC connectorcable로 구성되어 있다.측정 방법은 CND 본체에 시험편의 길이를 입력한 이후 발신 센서로부터 생 성된 펄스가 시험편을 통과하여 수신센서에 도달할 때의 초기시간을 기록한다.측 정값은 각 시험편 별로 3번 측정해서 얻은 값에 대한 평균값을 사용하였다.

Figure3-4.ComponentsofCND testerformeasuringP-wavevelocity.

(25)

3. 2. 3일축압축 및 반복하중 시험

일축압축강도의 100% 하중시험을 통하여 화강암과 사암,각 시료의 초기 파괴 강도의 기준 값을 얻고,이에 대한 일축압축강도의 50%와 80%의 하중을 가하기 전과 후의 암석의 물성변화 특성을 알아보기 위하여 일축압축시험을 실시하였다.

또한 GD 10-12,GW 10-12,SD 10-12,SW 10-12시험편에 대해서 반복하중시험 을 실시하였다.시험편은 상하 압축면에 대한 편평도를 유지하기 위하여 약 150 mm의 다이아몬드 연마편(diamond grinding wheel)을 이용하여 편평도의 오차가

±0.02mm 이내가 되도록 정밀하게 연마를 하였다.일축압축시험은 ISRM(1979)과 한국암반공학회 암석표준시험법(2010)에서 규정한 시험법에 근거하여 실시하였다.

이때 사용된 만능재료 시험기(DEAKYOUNG TECH & TESTER MTG.Co.Ltd.

의 모델 번호 DTU-900HC)는 Figure 3-5에서 보인다.시험 시 시험편 축하중의 편심을 방지하기 위해 sphericalplaten을 이용하였다.측정 시 변형률과 축하중 값 들은 데이터로거(KYOWA,모델 번호 UCAM-65B-AC M14)를 통하여 저장되며, 모든 자료는 컴퓨터를 사용하여 처리된다.

Figure 3-5.A view ofthe universaltesting machine (UTM) for measuring uniaxialcompressivestrength(UCS)inlaboratory.

(26)

4.연구결과

4. 1화강암의 강도 및 물성 변화

화강암 시험편에 가해지는 일축압축 하중 정도에 따른 화강암의 물성변화 특성 을 파악하기 위하여 공극률,흡수율,종파속도 및 일축압축시험,반복하중시험 등의 실내시험을 실시하였다.하중에 따른 화강암의 물성변화는 하중을 가하기 전의 물 성시험 결과로부터 하중을 가한 이후의 각 단계별 물성시험 결과를 비교분석하였 다.실내시험의 경우 50% 하중과 80% 하중시험과 반복하중시험의 결과 값을 비교 분석하였으며,이때의 모든 하중 값은 100% 파괴실험을 통해 측정된 파괴강도 값 의 평균을 기준으로 하였다.

4. 1. 1일축압축강도

화강암 시험편에 대한 일축압축강도의 50%,80%,그리고 50∼ 80% 반복하중 시험을 실시하기 위하여 초기 화강암 시험편의 일축압축강도를 측정하고 기준 강 도 값을 설정하기 위하여 건조 상태의 화강암 시험편과 포화 상태의 시험편 GD-1, GD-2,GD-3과 GW-1,GW-2,GW-3시험편을 이용하여 100% 하중 시험을 실시 하였다.일축압축강도 측정 결과는 Table4-1과 같다.건조 상태의 화강암 시험편 의 경우,131.5∼ 166.5MPa의 분포를 나타냈다.기준 강도 값은 GD-1과 GD-2 시험편에 비해 차이가 큰 GD-3을 제외한 GD-1과 GD-2강도 값의 평균인 163.5 MPa로 설정하였다.이를 기준으로 약 50% 하중인 80.5 MPa,80% 하중으로는 128.8MPa를 적용하여 단계별 하중 및 반복하중 시험을 실시하였다.포화 상태의 화강암 시험편의 경우,89.9∼ 157.3MPa의 분포를 나타냈으나 일축압축강도 값의 차이가 큰 GW-2를 제외한 GW-1과 GW-3강도 값의 평균인 94.5MPa로 설정하 였다.이를 기준으로 약 50% 하중인 47.2MPa,80% 하중으로는 75.6MPa를 적용 하여 단계별 하중 및 반복하중 시험을 실시하였다.

(27)

Specimen No.

Granite UCS (MPa)

Dried

GD-1 166.5

GD-2 160.4

GD-3 131.5

Saturated

GW-1 99.0

GW-2 157.3

GW-3 89.9

Table 4-1.The results ofthe measured UCS ofdried and saturated granite corespecimens,UCS:uniaxialcompressivestrength

4. 1. 2공극률 및 흡수율

하중을 가하기 전 화강암 시험편에 대한 각 하중 단계별 초기 공극률 및 흡수 율 결과로부터 하중을 가한 이후의 각 하중 단계별 측정된 공극률 및 흡수율의 결 과를 정리하면 Table4-2와 같다.GD-1,GD-2,GD-3시험편은 100% 하중을 가 하기 전의 화강암 시험편의 초기 공극률과 흡수율을 보여주고 있다.50% 하중을 시험편에 가한 GD-4의 시험편은 하중을 가하기 전보다 공극률이 0.064% 증가하였 으며,흡수율은 0.024% 증가하였다.GD-6은 공극률 0.032%,흡수율 0.012% 증가하 였다. 80% 하중을 가한 GD-7 시험편은 하중을 가하기 전에 비해 공극률이 0.028%,흡수율이 0.011% 감소하였으며,GD-9의 경우 공극률이 0.321%,흡수율이 0.122% 증가하였다.50∼ 80% 의 하중으로 반복하중을 가한 결과 GD-10의 공극 률은 0.006%,흡수율은 0.002% 증가하였으며,GD-12의 공극률은 0.028%,흡수율은 0.011% 증가하였다.

(28)

Driedgranitespecimens

Specimen No.

Beforeloading Afterloading

M_

(g)

M_

(g)

Po (%)

Ab (%)

M_

(g)

M_

(g)

Po (%)

Ab (%)

GD-1 231.204 231.751 0.627 0.237 - - - - GD-2 231.655 232.124 0.537 0.202 - - - - GD-3 233.741 234.263 0.593 0.223 - - - - GD-4 233.219 233.704 0.552 0.208 233.189 233.731 0.616 0.232 GD-5 226.582 227.071 0.572 0.216 - - - - GD-6 231.423 231.987 0.646 0.244 231.385 231.977 0.678 0.256 GD-7 233.973 234.564 0.670 0.253 232.973 233.537 0.642 0.242 GD-8 231.633 232.217 0.669 0.252 - - - - GD-9 223.681 224.155 0.563 0.212 221.795 222.536 0.884 0.334 GD-10 232.007 232.589 0.665 0.251 232.008 232.596 0.671 0.253 GD-11 225.913 226.481 0.666 0.251 - - - - GD-12 231.761 232.325 0.645 0.243 231.761 232.35 0.673 0.254 Table 4-2.The results ofthe calculated porosity and absorption before and afterloading according todriedgranitecorespecimens,M_:dryweight,M_{ }: saturatedweight,Po:porosity,Ab:absorption

(29)

하중을 가하기 전과 후의 결과를 GD-2,GD-6,GD-9의 측정값을 이용하여 비 교분석한 결과는 다음과 같다(Figure4-1).하중을 가하기 전의 공극률은 0.65%에 서부터 0.54%까지의 분포를 보였으며,각 각의 시료에 대하여 50%,80%,100% 하 중을 가한 후의 공극률을 살펴보면 50% 하중이 가해졌을 때,0.03% 증가하였고, 80% 하중 하에서는 0.32%로 증가하는 경향을 보였다.하중을 가하기 전 화강암 시 료의 흡수율은 0.2%에서부터 최대 0.24%의 분포를 보였다.각 각의 시료에 대하여 50%,80%,100% 하중을 가한 후의 흡수율의 변화를 보면 50% 하중이 가해졌을 때,0.02% 증가하였고,80% 하중 하에서는 0.12%로 증가하는 경향을 보였다.하중 이 가해지기 전의 화강암시료의 공극률과 흡수율은 평균적으로 근소한 차이를 보 였으며,50%와 80%의 하중이 가해졌을 때,공극률이 모두 증가하였으며,특히 80% 하중 구간에서 크게 증가하였다.

0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90

50 60 70 80 90 100

Porosity (%)

X% of universial compressive strength Before loading

After loading (a)

0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40

50 60 70 80 90 100

Absorption (%)

After loading (b)

Figure 4-1. Variation of (a) porosity and (b) absorption of granite core specimensunder50%,80%,100% loads.

(30)

4. 1. 3종파속도

하중을 가하기 전 건조 상태의 화강암 시험편에 대한 각 하중 단계별 초기 종 파속도의 결과로부터 하중을 가한 이후 각 하중 단계별로 측정된 종파속도의 결과 를 정리하면 Table 4-3와 같다.이와 같은 방법으로 포화 상태의 화강암 시험편 종파속도 측정 결과 값은 Table4-4과 같다.50% 하중의 경우,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1482.9∼ 1598.4m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도 는 1529.4∼ 1556.9m/s의 분포를 보였다.50% 하중을 가했을 때,GD-4와 GD-6 시험편은 각각 하중을 가하기 전보다 종파속도가 74m/s,52.1m/s증가하였다.80

% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1449.8∼ 1635.2m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1572.6∼ 1659.6m/s의 분포를 보였다.

80% 하중을 가했을 때,GD-7와 GD-9시험편은 각각 하중을 가하기 전보다 종파 속도가 122.8m/s,24.4m/s증가하였다.50∼ 80% 반복하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1621.6∼ 1642.1m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1468.9∼ 1474.5m/s의 분포를 보였다.50∼ 80% 하중을 가했을 때, GD-10와 GD-12 시험편은 각각 하중을 가하기 전보다 종파속도가 167.6 m/s, 152.7m/s감소하였다.

포화 상태의 화강암 시험편에서 50% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초 기 종파속도는 1809.7∼ 1848.3m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1695.7∼ 1797.2m/s의 분포를 보였다.50% 하중을 가했을 때,GW-4는 49 m/s 감소하였으며,GW-5는 131m/s,GW-6시험편은 하중을 가하기 전보다 51.1m/s 감소하였다.80% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1718.1∼

1818.2m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1721.9∼ 1793.1 m/s의 분포를 보였다.80% 하중을 가했을 때,GW-7은 25.1m/s감소하였으며,GW-8은 38.8m/s감소하였다.50∼ 80% 반복하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종 파속도는 1625∼ 1801.4m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1879.5

∼ 1902.4m/s의 분포를 보였다.반복하중을 가했을 때,GW-10은 254.5m/s증가 하였으며,GW-11은 91.8m/s증가하였고,GW-12는 172.9m/s증가하였다.

(31)

Table4-3.Theresultsofthecalculated Vpbeforeand afterloading according todriedgranitecorespecimens,Vp:P-wavevelocity

Driedgranitecorespecimens

Specimen No.

Beforeloading Afterloading Vp(m/s) Vp(m/s)

GD-1 1514.6 -

GD-2 1611.6 -

GD-3 1618.3 -

GD-4 1482.9 1556.9

GD-5 1598.4 -

GD-6 1477.3 1529.4

GD-7 1449.8 1572.6

GD-8 1628.4 -

GD-9 1635.2 1659.6

GD-10 1642.1 1474.5

GD-11 1635.2 -

GD-12 1621.6 1468.9

(32)

Table4-4.Theresultsofthecalculated Vpbeforeand afterloading according tosaturatedgranitecorespecimens.Vp:P-wavevelocity

Saturatedgranitecorespecimens

Specimen No.

Vp(m/s) Vp(m/s)

GW-1 1809.7 -

GW-2 1839.6 -

GW-3 1826.7 -

GW-4 1809.7 1760.7

GW-5 1826.7 1695.7

GW-6 1848.3 1797.2

GW-7 1818.2 1793.1

GW-8 1760.7 1721.9

GW-9 1718.1 -

GW-10 1625.0 1879.5

GW-11 1801.4 1893.2

GW-12 1729.5 1902.4

(33)

건조 상태와 포화 상태에서의 화강암 시료의 종파속도 변화결과를 GD-2, GD-6,GD-9,GW-1,GW-6,GW-7의 측정값을 이용하여 분석한 결과는 다음과 같다(Figure4-2).건조 상태의 화강암 시료의 경우 하중을 가하기 전의 종파속도 는 1477.3 m/s에서부터 1635.2 m/s까지의 분포를 보였다(Figure4-2(a)).각 각의 시료에 대하여 50%,80%,100% 하중을 가한 후의 종파속도 변화를 살펴보면 50%

하중이 가해졌을 때 52.1m/s가 증가하였으며,80% 하중 하에서는 24.4m/s증가 하였다(Figure4-2(b)).포화 상태의 화강암 시료는 하중을 가하기 전 1809.7m/s에 서 최대 1848.3m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 변화를 살펴보면,50%

하중이 가해졌을 때 51.1m/s가 감소하였으며,80% 하중 하에서는 25.1m/s감소 하였다.종파속도 실험결과를 살펴보면,건조 상태보다 포화 상태일 때의 종파속도 가 빠르게 나타남을 확인할 수 있다.또한,건조 상태 하에서는 하중이 가해짐에 따라 속도가 증가하는 추세를 보였다.포화 상태 하에서의 화강암 시료는 전반적으 로 하중이 가해졌을 때,종파속도가 모두 감소하였다.

50 60 70 80 90 100

1400 1500 1600 1700 1800 1900

P-wave (m/s)

X% of universial compressive strength Wet condition

Dry condition (a)

1400 1500 1600 1700 1800 1900

50 60 70 80 90 100

P-wave (m/s)

Dry condition (b)

Figure4-2.Vpvariationofgranitecorespecimensunder50%,80%,100% loads, (a)beforeloading,(b)afterloading.

(34)

4. 1. 4영률 및 포아송비

건조 상태의 화강암 시험편과 포화 상태의 화강암 시험편에 하중 50%,80%, 100%,반복하중을 가한 후의 영률과 포아송비의 결과 값은 Table 4-5와 Table 4-6과 같다.

Table 4-5.The results ofthe calculated Young’s modulus (E)and Poisson’s ration( )andafterloadingaccordingtodriedgranitecorespecimens

Driedgranitecorespecimens Specimen

No. Young’smodulus(E) Poisson’sration( )

GD-1 27.16 0.204

GD-2 28.34 0.267

GD-3 45.19 0.154

GD-4 44.98 0.035

GD-5 - -

GD-6 18.73 0.156

GD-7 69.35 0.392

GD-8 - -

GD-9 48.47 0.253

GD-10 50% 24.06 0.219

80% 41.93 0.284

GD-11 50% - -

80% - -

GD-12 50% 15.79 0.170

80% 24.98 0.251

(35)

Table 4-6.The results ofthe calculated Young’s modulus (E)and Poisson’s ration( )andafterloadingaccordingtosaturatedgranitecorespecimens

Saturatedgranitecorespecimens Specimen

No. Young’smodulus(E) Poisson’sration( )

GW-1 23.18 0.223

GW-2 0.032 0.169

GW-3 20.56 0.188

GW-4 17.52 0.228

GW-5 2.40 0.232

GW-6 7.40 0.117

GW-7 20.38 0.138

GW-8 42.46 0.118

GW-9 - -

GW-10

50% 4.38 0.050

80% 14.44 0.098

GW-11

50% 7.16 0.257

80% 23.51 0.256

GW-12

50% 9.56 0.104

80% 26.88 0.152

(36)

건조 상태의 화강암 시험편의 경우,100% 하중을 가했을 때,영률은 27.16∼

45.19의 분포를 보였으며,포아송비는 0.154 ∼ 0.204의 분포를 나타내었다.100%

하중을 가했을 때의 포아송비 분포는 Figure4-3과 같다.

0 50 100 150 200

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Strain( )

Lateral

Axial

Uniaxial compressive strength (MPa)

(a) GD-1

0 50 100 150 200

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial

Strain( )

(b) GD-2

0 50 100 150 200

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial

Strain( )

(c) GD-3

Strain( )

Figure 4-3.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strain under100% load ofdried granite core specimens,(a)GD-1,(b)GD-2, (c)GD-3.

(37)

50% 하중을 가했을 때,시험편의 영률은 GD-4는 44.98,GD-6은 18.73이었으 며 포아송비는 각각 0.035,0.156였다.50% 하중을 가했을 때의 포아송비 그래프 분 포는 Figure4-4와 같다.

0 20 40 60 80 100

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

Strain( )

(a) GD-4

0 20 40 60 80 100

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

Strain( )

(b) GD-6

Figure 4-4.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strainunder50% loadofdriedgranitecorespecimens,(a)GD-4,(b)GD-6.

(38)

80% 하중을 가했을 경우,GD-7의 영률은 69.35,포아송비는 0.392로 나타났으 며,GD-9의 영률은 48.47,포아송비는 0.253으로 나타났다.80% 하중을 가했을 때 의 포아송비는 Figure4-5과 같다.

0 50 100 150

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 Lateral

Axial

(a) GD-7

Strain( )

0 50 100 150

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 Lateral

Axial

(b) GD-9

Strain( )

Figure 4-5.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strainunder80% loadofdriedgranitecorespecimens,(a)GD-7(b)GD-9.

(39)

50∼ 80% 반복하중을 가한 후의 GD-10은 50% 까지 하중이 가해졌을 때의 영률이 24.06,포아송비가 0.219로 나타났으며,최종 80% 까지 반복하중이 가해졌을 때 영률은 41.93,포아송비는 0.284였다.GD-12의 경우 50% 까지 하중이 가해졌 을 때의 영률이 15.79,포아송비가 0.17로 나타났으며,최종 80% 까지 반복하중이 가해졌을 때 영률은 24.98,포아송비는 0.251였다.반복하중 시험의 포아송비 분포 는 Figure4-6과 같다.

0 20 40 60 80 100 120 140

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial

(a) GD-10 (50% load)

Strain( )

0 20 40 60 80 100 120 140

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial (b)

Strain( )

GD-10 (80% load)

0 20 40 60 80 100 120 140

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial

(c) GD-12 (50% load)

Strain( )

0 20 40 60 80 100 120 140

-3000-2000-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 Lateral

Axial

(d) GD-12 (80% load)

Strain( )

Figure 4-6.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strainundercyclicloadofdriedgranitecorespecimens,(a)GD-10(50% load),

(40)

포화 상태의 화강암 시험편의 경우,100% 하중을 가했을 때,영률은 0.032∼

23.18의 분포를 보였으며,포아송비는 0.169∼ 0.223의 분포를 나타냈다.100% 하 중을 가했을 때의 포아송비 분포는 Figure4-7과 같다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Lateral

Axial

(a) GW-1

Strain( )

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Lateral

Axial (b)

Strain( )

GW-2

0 20 40 60 80 100 120 140 160

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Lateral

Axial (c)

Strain( )

GW-3

Figure 4-7.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strain under 100% load ofsaturated granite core specimens,(a) GW-1,(b) GW-2,(c)GW-3.

(41)

50% 하중을 가했을 때,시험편의 영률은 2.4∼ 17.52의 분포를 나타냈으며,포 아송비는 0.117 ∼ 0.232로 나타났다.50% 하중을 가했을 때의 포아송비 분포는 Figure4-8과 같다.

0 10 20 30 40 50 60

-1000-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Lateral

Axial

(a) GW-4

Strain( )

0 10 20 30 40 50 60

-1000-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Lateral

Axial

(b) GW-5

Strain( )

0 10 20 30 40 50 60

-1000-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Lateral

Axial

(c) GW-6

Strain( )

Figure 4-8.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strainunder50% loadofsaturatedgranitecorespecimens,(a)GW-4(b)GW-5 (c)GW-6.

(42)

80% 하중을 가했을 경우,GW-7의 영률은 20.38,포아송비는 0.138로 나타났으 며,GW-8의 영률은 42.46,포아송비는 0.118로 나타났다.80% 하중을 가했을 때의 포아송비는 Figure4-9와 같다.

0 18 36 54 72 90

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(a) GW-7

Strain( )

0 18 36 54 72 90

-500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(b) GW-8

Strain( )

Figure 4-9.Relationship between uniaxial compressive strength (UCS) and strain under 80% load of saturated granite core specimens,(a) GW-7,(b) GW-8.

(43)

50∼ 80% 반복하중을 가한 후의 GW-10은 50% 까지 하중이 가해졌을 때의 영률이 4.38,포아송비가 0.05로 나타났으며,최종 80% 까지 반복하중이 가해졌을 때 영률은 14.44,포아송비는 0.098를 보였다.GW-11의 경우 50% 까지 하중이 가 해졌을 때의 영률이 7.16,포아송비가 0.257로 나타났으며,최종 80% 까지 반복하중 이 가해졌을 때 영률은 23.51,포아송비는 0.256를 보였다.GW-12의 경우 50% 까 지 하중이 가해졌을 때의 영률이 9.56,포아송비가 0.104로 나타났으며,최종 80%

까지 반복하중이 가해졌을 때 영률은 26.876,포아송비는 0.152를 보였다.반복하중 시험의 포아송비 분포는 Figure4-10과 같다.

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(a) GW-10 (50% load)

Strain( )

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(b) GW-10 (80% load)

Strain( )

Figure 4-10.Relationship between uniaxialcompressive strength (UCS) and strain undercyclic load ofsaturated granite core specimens (a)GW-10 (50%

load),(b)GW-10 (80% load),(c)GW-11 (50% load),(d)GW-11 (80% load), (e)GW-12(50% load),(f)GW-12(80% load).

(44)

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(c) GW-11 (50% load)

Strain( )

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(d) GW-11 (80% load)

Strain( )

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(e) GW-12 (50% load)

Strain( )

0 18 36 54 72 90

-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 Lateral

Axial

(f) GW-12 (80% load)

Strain( ) Figure4-10.Continued.

(45)

건조 상태와 포화 상태에서의 화강암 시료의 영률과 포아송비 변화결과를 GD-2,GD-6,GD-9,GW-1,GW-6,GW-7의 측정값을 이용하여 비교분석한 결과 는 다음과 같다(Figure4-11).포아송비는,건조 상태 일 때 각각 50%,80%,100%

의 하중이 가해짐에 따라 50% 하에서는 0.16,80% 하중 하에서는 0.25,100% 하중 하에서는 0.27을 보였다.포화 상태에서는 50% 하에서의 포아송비는 0.12,80% 하 중 하에서는 0.14,100% 하중 하에서는 0.22로 나타났다(Figure4-11(a)).건조 상 태 일 때의 영률은,각각 50%,80%,100%의 하중이 가해짐에 따라 50% 하에서는 18.73,80% 하중 하에서는 48.47,100% 하중 하에서는 28.34를 보였다.포화 상태의 화강암 시료는 50% 하에서의 영률은 7.4,80% 하중 하에서는 20.38,100% 하중 하 에서는 23.18로 나타났다(Figure4-11(b)). 실험결과,하중이 증가함에 따른 변화에 대한 뚜렷한 상관관계는 확인하기 어려웠으나,화강암 시료의 경우,건조 상태일 때가 포화된 상태에 비해 전반적으로 높게 나타남을 확인할 수 있으며 이는 즉,포 화 상태보다 건조 상태의 화강암이 지하공간 개발 및 구조물 구축에 있어 외적인 하중이 가해졌을 때,변형의 영향을 적게 받을 것임을 알 수 있다.포아송비는 하 중이 가해짐에 따라 건조 상태와 포화 상태 모두 증가하는 경향을 보였으며,이는 하중 값이 커짐에 따라 변형 정도가 크게 발생하여 경도가 약해짐을 알 수 있다.

0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

50 60 70 80 90 100

Poisson's ratio ( v )

X% of universial compressive strength Wet condition Dry condition

(a)

0 10 20 30 40 50

50 60 70 80 90 100

Young's modulus (E)

Dry condition (b)

Figure4-11.Variation of(a)Poisson’sratio ()and (b)Young’smodulus(E) ofgranitecorespecimensunder50%,80%,100% loads.

(46)

4. 2사암의 강도 및 물성 변화

사암 시험편에 가해지는 일축압축 하중 정도에 따른 사암의 물성변화 특성을 파악하기 위하여 공극률,흡수율,종파속도 및 일축압축시험,반복하중시험 등의 실 내시험을 실시하였다.하중에 따른 사암의 물성변화는 하중을 가하기 전의 물성시 험 결과로부터 하중을 가한 이후의 각 단계별 물성시험 결과를 비교분석하였다.실 시된 실내시험의 경우 50% 하중과 80% 하중시험과 반복하중시험의 결과 값을 비 교분석하였으며,이때의 모든 하중 값은 100% 파괴실험을 통해 측정된 파괴강도 값의 평균을 기준으로 하였다.

4. 2. 1일축압축강도

사암 시험편에 대한 일축압축강도의 50%,80%,그리고 50 ∼ 80% 반복하중 시험을 실시하기 위하여 초기 사암 시험편의 일축압축강도를 측정하고 기준 강도 값을 설정하기 위하여 건조 상태의 사암 시험편과 포화 상태의 시험편 SD-1, SD-2,SD-3과 SW-1,SW-2,SW-3시험편을 이용하여 100% 하중 시험을 실시하 였다.일축압축강도 측정 결과는 Table4-7과 같다.건조 상태의 사암 시험편의 경 우,108.1∼ 205.5MPa의 분포를 나타내었으나 기준강도 값은 다른 시험편에 비해 강도 값 차이가 큰 SD-2를 제외한 SD-1과 SD-3강도 값의 평균인 186.6MPa로 설정하였다.이를 기준으로 약 50% 하중인 93.3MPa,80% 하중으로는 149.3MPa 를 적용하여 하중 및 반복하중 시험을 실시하였다.포화 상태의 사암 시험편의 경 우,110∼ 157.4MPa의 분포를 나타냈으나 일축압축강도 값 차이가 큰 SW-2를 제외한 SW-1과 SW-3강도 값의 평균인 111.3MPa로 설정하였다.이를 기준으로 약 50% 하중인 55.7MPa,80% 하중으로는 89MPa를 적용하여 하중 및 반복하중 시험을 실시하였다.

(47)

Specimen No.

Sandstone UCS (MPa)

SD-1 205.5

SD-2 108.1

SD-3 167.6

SW-1 110.0

SW-2 157.4

SW-3 112.6

Table4-7.Theresultsofthemeasured UCS ofdried and saturated sandstone corespecimens,UCS:uniaxialcompressivestrength

4. 2. 2공극률 및 흡수율

하중을 가하기 전 사암 시험편에 대한 각 하중 단계별 초기 공극률 및 흡수율 의 결과로부터 하중을 가한 이후의 각 하중 단계별로 측정된 공극률 및 흡수율의 결과를 정리하면 Table4-8과 같다.SD-1,SD-2,SD-3시험편은 100% 하중을 가 하기 전의 사암 시험편의 초기 공극률과 흡수율을 보여주고 있다.50% 하중을 시 험편에 가한 SD-4의 시험편은 하중을 가하기 전보다 공극률이 0.076% 감소하였으 며,흡수율은 0.026% 감소하였다.SD-5는 공극률 0.151%,흡수율 0.053% 감소하였 다.80% 하중을 가한 SD-7시험편은 하중을 가하기 전에 비해 공극률이 0.129%, 흡수율이 0.046% 감소하였으며,이 외의 시험편은 50% 하중을 버티지 못하고 파괴 되어 비교가 불가하였다.50∼ 80%의 하중으로 반복하중을 가한 결과 SD-11의 공극률은 1.804%,흡수율은 0.633% 증가하였으며,SD-10과 SD-12의 공극률과 흡 수율은 시험편이 파괴되어 비교가 불가 하였다.시험편에 대해 50%,80%,반복하 중을 가한 결과를 하중을 가하기 전의 공극률,흡수율과 비교했을 때,SD-11을 제 외하고 전반적으로 소폭의 차이로 감소함을 보였다.

(48)

Driedsandstonecorespecimens

Specimen No.

M

(g)

M

(g)

Po (%)

Ab (%)

M

(g)

M

(g)

Po (%)

Ab (%)

SD-1 254.732 255.316 0.661 0.229 - - - - SD-2 253.618 254.460 0.952 0.332 - - - - SD-3 253.573 254.121 0.622 0.216 - - - - SD-4 250.731 251.305 0.659 0.229 250.601 251.109 0.583 0.203 SD-5 249.402 250.287 1.008 0.355 249.231 249.983 0.857 0.302 SD-6 249.398 250.215 0.932 0.328 - - - - SD-7 250.271 250.824 0.635 0.221 250.152 250.592 0.506 0.175 SD-8 249.428 250.550 1.279 0.450 - - - - SD-9 240.564 243.102 2.882 1.055 - - - - SD-10 235.000 239.866 5.530 2.071 - - - - SD-11 253.415 253.737 0.366 0.127 251.980 253.893 2.170 0.760 SD-12 248.695 249.500 0.926 0.323 - - - - Table 4-8.The results ofthe calculated porosity and absorption before and afterloading according todriedsandstonecorespecimens,M_{ }:dry weight,M

 :saturatedweight,Po:porosity,Ab:absorption

(49)

하중을 가하기 전과 후의 결과를 SD-1,SD-4,SD-7의 측정값을 이용하여 비 교분석한 결과는 다음과 같다(Figure4-12).하중을 가하기 전의 공극률은 0.64%

에서 최대 0.66% 까지 나타났으며,각 각의 시료에 대하여 50%,80%,100% 하중 을 가한 후의 공극률을 살펴보면 50% 하중이 가해진 후의 공극률은 0.08%,80%

하중 하에서는 0.13% 감소하였다.하중을 가하기 전 사암 시료의 흡수율은 0.22%

에서부터 0.23% 의 분포를 나타내었다.각 각의 시료에 대하여 50%,80%,100%

하중을 가한 후의 흡수율의 변화를 보면 50% 하중이 가해진 후의 흡수율은 0.03%

감소하였으며,80% 하중 하에서는 0.04% 감소하였다.하중이 가해지기 전의 사암 시료의 공극률과 흡수율은 평균적으로 근소한 차이를 보였으며,공극률과 흡수율 모두 감소하는 추세를 보이며 하중 값에 따른 공극률과,흡수율의 변화도가 크게 변한다는 것을 확인할 수 있다.화강암 시료의 공극률과 흡수율은 증가였으나 사암 시료는 감소하였다는 점은 각 각의 시료 내부에 존재하는 균열의 발달 방향이 축 방향 혹은 횡 방향인가에 따라 발생하는 차이점으로 사료된다.

0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75

50 60 70 80 90 100

Porosity (%)

After loading (a)

0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26

50 60 70 80 90 100

Absorption (%)

After loading (b)

Figure 4-12.Variation of(a) porosity and (b) absorption ofsandstone core specimensunder50%,80%,100% loads.

(50)

4. 2. 3종파속도

하중을 가하기 전 건조 상태의 사암 시험편에 대한 각 하중 단계별 초기 종파 속도(Vp)의 결과로부터 하중을 가한 이후 각 하중 단계별로 측정된 종파속도의 결 과를 정리하면 Table 4-9와 같다.이와 같은 방법으로 포화 상태의 사암 시험편 종파속도 측정 결과 값은 Table4-10과 같다.50% 하중의 경우,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1789∼ 2031.2m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1940.3∼ 2031.2m/s의 분포를 보였다.50% 하중을 가했을 때,SD-4의 종파속도 는 하중을 가하기 전과 후가 변함이 없었으며,SD-5시험편은 하중을 가하기 전보 다 종파속도가 44.4m/s감소하였다.80% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초 기 종파속도는 1902.4∼ 2031.2m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 2041.9m/s를 보였다.80% 하중을 가했을 때,SD-8와 SD-9시험편은 파괴되어 비 교가 불가하였으며,SD-7은 하중을 가하기 전보다 종파속도가 10.7m/s증가하였 다.50∼ 80% 반복하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1793.1

∼ 2026 m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 2047.2 m/s를 보였다.

50∼ 80% 하중을 가했을 때,SD-10와 SD-12시험편은 파괴되어 비교가 불가하 였으며,SD-11은 하중을 가하기 전보다 종파속도가 10.5m/s감소하였다.

포화 상태의 사암 시험편에서 50% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 2015.5 ∼ 2041.9 m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 1979.7∼ 2047.2m/s의 분포를 보였다.50% 하중을 가했을 때,SW-4는 5.3m/s 증가하였으며,SW-5는 하중을 가하기 전보다 46.3 m/s 감소하였다.80% 하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 1844∼ 1848.3m/s의 분포를 보였 으며 하중을 가한 후의 속도는 1831m/s를 보였다.80% 하중을 가했을 때,SW-7 과 SW-8은 파괴되어 하중을 가하기 전 값과 비교가 불가하였으며,SW-9는 하중 을 가하기 전보다 13m/s감소하였다.50∼ 80% 반복하중을 가했을 때,하중을 가하기 전 초기 종파속도는 2010.3∼ 2047.2m/s의 분포를 보였으며 하중을 가한 후의 속도는 2085.6m/s를 보였다.반복하중을 가했을 때,SW-10과 SW-12는 파 괴되어 하중을 가하기 전 값과 비교가 불가하였으며,SW-11은 32.1m/s증가하였 다.

(51)

Table4-9.Theresultsofthecalculated Vpbeforeand afterloading according todriedsandstonecorespecimens,Vp:P-wavevelocity

Driedsandstonecorespecimens

Specimen No.

Vp(m/s) Vp(m/s)

SD-1 2015.5 -

SD-2 1911.8 -

SD-3 2015.5 -

SD-4 2031.2 2031.2

SD-5 1984.7 1940.3

SD-6 1789.0 -

SD-7 2031.2 2041.9

SD-8 1959.8 -

SD-9 1902.4 -

SD-10 1793.1 -

SD-11 2031.2 2020.7

SD-12 2010.3 -

(52)

Table4-10.TheresultsofthecalculatedVpbeforeandafterloading according tosaturatedsandstonecorespecimens.Vp:P-wavevelocity

Saturatedsandstonecorespecimens

Specimen No.

Vp(m/s) Vp(m/s)

SW-1 2026.0 -

SW-2 2041.9 -

SW-3 2041.9 -

SW-4 2041.9 2047.2

SW-5 2026.0 1979.7

SW-6 2015.5 -

SW-7 1848.3 -

SW-8 1884.1 -

SW-9 1844.0 1831.0

SW-10 2047.2 -

SW-11 1875.0 1907.1

SW-12 2010.3 -