< Previous기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 38 자연,터널 그리고 지하공간 (a) (b) <그림 7> 수직응력에 따른 HB와 MC 비교(a) 및 경험상수 m에 따른 HB 파괴포락선의 변화(b) (ISRM, 2014) Hoek 등(2002)은 암반분류법 중 하나인 GSI, , s 등의 관계를 재조사하여 새로운 인자 D(발파손상과 응력이완과 관련)를 제시 하였다. 이를 바탕으로 와 s를 GSI와 D 등으로부터 산정할 수 있다(식 (3)과 식 (4)). 이는 무결암에서의 파괴기준을 암반에서의 파괴기준으로 확대 적용이 가능하도록 한 점에서 의미가 있다(그림 8). exp (3) exp (4) <그림 8> 무결암에서 암반까지 HB 파괴기준의 변화(Marinos과 Hoek, 2001)Vol. 23, No. 3 39 지반조사 이론 및 실내시험 Hoek-Brown 파괴기준의 장점으로 비선형으로 구속응력 범위에 대한 실험결과와 잘 부합하는 점, 다양한 암종에 대한 광범위한 실내시험 자료를 통해 개발된 점, 암반물성을 추정하는 직접적인 경험적 방법을 제공하는 점, 다양한 터널, 지하공간분야에서 약 30년 의 경험을 반영하여 만들어졌다는 점 등을 들 수 있다. 단점 또는 제한사항으로 중간주응력을 고려하지 않았다는 점, 터널이나 지하공 간 분야에서는 널리 사용되고 있으나 석유공학분야 등에서는 널리 사용되지 않고 있다는 점, 파괴기준의 포물선형태가 정수압 응력 축의 중심에 있지 않아 이론적인 부분과 일치하고 있지 않다는 점 등을 들 수 있다. 3.2 암반분류 Ritter(1879)가 경험적 터널 설계법과 지보량 산정에 있어 정식화를 시도한 이후 100 여 년 동안 다양한 암반분류법들이 개발되고 제안되었다. 암반분류법은 개발 목적에 맞는 조건에 해당하는 분류법을 적용하는 것이 요구된다. 이는 분류법 개발과정에서 참조한 현장사례의 범주에 해당하는 문제와 관련되어 있다. 따라서 분류법의 개발 목적과 다른 공학 문제와 프로젝트 등에 적용할 때는 세심 한 주의가 요구된다. 여러 변수를 갖는 대부분의 분류법(Wickham 등, 1972, Bieniawski, 1973, Barton 등 1974)은 암반의 지질공학적 특징과 관련된 모든 요소들의 검토가 가능한 토목공학 사례들을 분석하여 개발되었다. 설계 초기에는 서로 다른 분류법을 적용하여 비교하는 것이 추천되고 있다. 다양한 분류법 중에서 Terzaghi의 암반분류법, RQD, RMR, Q-system 등에 대해 다음과 같이 간략하 게 소개한다. 3.2.1 Terzaghi 암반분류법 이 방법은 암반분류를 이용하여 터널의 지보설계를 최초로 다루었다는 점에서 의미가 있다. 강지보가 지지하여야 할 암반하중을 정성적인 암반분류에 근거하여 추정하였으며, 암반을 기술하기 위해 다양한 용어가 사용되었다. 사용된 용어로 무결암, 층상암반, 보 통정도 절리가 발달한 암반, 블록상 및 균열층상 암반, 심한 파쇄상태이나 화학적으로 신선한 암반, 압착성 암반, 팽창성 암반 등이 있다. 3.2.2 암질지수(RQD) 암반분류에서 중요하게 언급되는 암질지수인 RQD(Rock Quality Designation)는 시추코어를 조사하여 암질을 정량적으로 평가할 목적으로 Deere(1967)에 의해 개발되었다. RQD는 전체 코어 길이에 대하여 10 cm 이상인 신선한 코어조각들의 길이 합을 백분율로 표현한 것이다. 코어는 적어도 NX 크기(54 mm), 이중관식 코어배럴을 사용하여 시추되어야 한다고 되어있다. Palmstorm(1982)는 단위체적당 불연속면의 수를 이용하여 RQD를 추정하는 식 (5)를 제안하였다. (5) : 단위체적당 불연속면의 수 RQD는 방향성을 갖는 지수이므로 시추공의 방향에 따라 값이 크게 달라질 수 있다. 단위체적당 불연속면의 수를 이용하여 RQD를 계산하는 방법은 이러한 방향의존성을 줄이는 데 유용하다. 시추 도중이나 취급과정에서 발생된 균열은 RQD 계산에서 무시해야 한다. 기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 40 자연,터널 그리고 지하공간 그림 9는 회수된 코어를 활용하여 RQD를 계산하는 한 예를 제시한 것이다. 전체 길이 200 cm에서 10 cm 이상인 구간 합(38+17+20+ 35 = 110)의 백분율은 55%로 RQD는 55가 된다. 시추코어의 총 길이 = 200 cm 시추코어의총길이 이상의코어조각의길이 × × <그림 9> 회수된 시추코어의 RQD 계산방법 3.2.3 RMR(Rock Mass Rating) RMR은 Bieniawski가 1973년에서 1974년에 제안한 방법으로 Lauffer(1958)의 무지보 유지시간 분류법과 Wickham 등(1972)의 RSR(Rock Structure Rating)을 기초로 개발되었다. RMR의 항목은 무결암 강도(15점), 암질지수(RQD, 20점), 평균 절리간격(20점), 절리상태(30점), 지하수상태(15점)로 구성되어 있다. 위 항목의 점수를 합한 것을 기본 RMR이라 하며, 여기에 절리면의 방향과 구조물 방향에 따라 0에서 -12점까지 조정한 것을 일반적으로 RMR이라하며 설계에 직접 반영된다. RMR은 초기에는 터널과 광업용으로 개발된 후 다양한 적용을 통해 대규모 공동이나 터널, 사면, 기초에까지 적용범위를 확대하였 다. 일반적으로 암반을 지질구조에 따라 영역을 나누고 각 영역에 RMR을 적용한 결과를 설계에 사용한다. RMR에서는 암반등급뿐 아니라 터널의 유지시간, 터널 최대 폭, 암반변형계수, 암반의 점착력과 내부마찰각 등을 구하는 데 사용이 가능하다. 위와 같은 장점 과 달리 지보량 결정에 개별요소의 영향이 Q-system처럼 민감하지 않고 절리간격의 평가에 절리군(또는 불연속면 군)이 3 이하인 경우에는 보수적인 평가가 이루어진다는 점과 총 5개의 암반등급으로 나누고 있으나 실제로 영역 간 뚜렷한 경계가 없다는 한계점이 있다. 터널 폭에 대한 연구가 충분하지 못하기 때문에 현지응력 25 MPa 이하, 직경 10 m, 천공 발파식 마제형 터널에 대한 지보량 결정용으로 적용범위를 국한시키고 있다. RMR 암반분류에서는 대개의 암반이 3개의 절리군을 가지는 것으로 가정한다. 따라서 대상 암반이 2개의 절리군이나 그 이하의 절리군을 가지고 있을 경우에는 보수적으로 평가될 것이므로 이를 고려해야 한다. Vol. 23, No. 3 41 지반조사 이론 및 실내시험 그림 10은 전술한 RMR 구성항목과 범위에 따른 배점, 그리고 절리면의 방향과 구조물 방향에 따른 배점을 제시한 것이다. RMR은 20점 간격으로 등급을 구분하며 각 등급에 따른 자립시간, 점착력, 마찰각 등을 산출할 수 있다. <그림 10> RMR 구성 및 보정항목에 따른 배점(Bieniawski, 1989) 3.2.4 Q-system Q-system은 1974년 노르웨이 NGI(Norwegian Geotechnical Institute)의 Barton, Lien, Lunde 등에 의해 개발된 암반분류법으로, 스칸디나비아의 212개 터널 사례연구를 근거로 제안된 터널 지보설계를 용이하게 해주는 공학적 분류체계이다. 장점으로 여러 현장에 서 사용된 사례가 많아 다양한 사례들을 충분히 검토가 가능하다는 점, Q 값의 범위가 넓어 변수의 선택에 따른 오차가 적은 점, 터널 폭과 높이의 범위가 넓은 점, 팽창 또는 압착 지반조건에 적용성이 양호한 점, 다양한 분야에서 성공적으로 적용된 점, 지보 선택 범위가 상세한 점 등을 들 수 있다. 단점으로는 다소 복잡하다는 점, 북유럽 자료를 중심으로 개발되어 북구편중 현상이 있는 점, 극히 불량한 지역에 대한 사례가 거의 없는 점 등을 들 수 있다.기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 42 자연,터널 그리고 지하공간 Q-system은 6개의 서로 다른 요소를 사용하여 암질을 정량적으로 평가하며, 6개의 요소는 암질지수(RQD), 절리군의 수(Jn), 가장 상태가 나쁜 절리나 불연속면의 거칠기(Jr), 취약한 절리면의 충전물 또는 변질정도(Ja), 지하수의 유입상태(Jw), 응력조건(SRF, 응력 감소계수)이다. 이들 6개 요소를 블록 크기, 블록 간 강도, 블록 단위에 작용하는 유효응력의 3개의 지수그룹으로 나누어 이들의 곱으 로 표현한다(식 (6)). × × (6) Q는 각 요소의 최솟값 및 최댓값을 조합할 경우 0.001에서 1,000 사이의 값으로 표시되며, 9개의 등급으로 분류하여 터널 폭과 Q 값에 따른 지보방법을 제사하고 있다(그림 11). <그림 11> Q 값에 따른 등급분류 및 지보방법(Bieniawski, 1989) RMR과 Q-system 사이의 차이점은 RMR이 암반의 응력조건을 고려하지 않는다는 점과 Q-system은 절리의 방향이나 무결암의 강도를 고려하지 않는다는 점이다. 그러나 이러한 차이점에도 불구하고 두 암반분류법사이에 많은 관계식이 제안되었다. Bieniawski Vol. 23, No. 3 43 지반조사 이론 및 실내시험 (1976)는 RMR과 Q값 사이의 상관관계를 조사하였다. 그는 스칸디나비아의 68개 사례, 남아프리카의 28개 사례, 미국/캐나다/호주/유 럽의 21개 사례를 포함한 총 117개 사례를 분석한 결과로부터 관계식을 도출하였다(식 (7)). 다른 많은 연구자들에 의해 이들 상관관계 의 높은 신뢰성이 입증되었으며, 이후 개별 연구자들에 의해 암종별, 사업별 상관관계식을 제안하고 활용하고 있다. ln (7) Hoek(1994)가 제안한 GSI(Geological Strength Index)도 암반분류를 위해 자주 사용되는 분류법으로 절리암반에 대한 암반강도와 암반변형계수를 추정하기 위해 제안되었다. GSI는 암반의 절리 구조와 표면 상태에 대한 제안된 표로부터 GSI를 산출한다. 4. 실내시험 터널, 사면과 같은 지반구조물의 안전한 설계, 시공 및 유지를 위해 굴착대상인 암석과 암반의 공학적 특성과 함께 대상지역의 지압상태(현지응력 또는 원위치 응력) 등을 파악하는 것은 매우 중요하다. 공학적 특성은 크게 물리적 성질과 역학적 성질로 구분할 수 있다. 비중, 공극률, 흡수율, 탄성파(전파)속도 등이 물리적 성질에 해당하며, 강도, 변형특성, 경도 등이 역학적 성질에 해당한다. 공학적 특성을 파악하는 시험은 실내와 현장시험으로 구분될 수 있으며, 실내시험은 비교적 용이하게 암석의 기본특성을 평가할 수 있는 점에 비해 현장요소의 영향을 미반영하는 단점이 있다. 이에 반해 현장시험은 현실적인 현장 암반의 특성을 평가할 수 있으나, 많은 시간과 고비용 들며 경우에 따라 현장시험이 가능하지 않는 경우 등이 존재한다. 본 강좌에서는 이 중 실내시험에 대해서 다루며, 이후 현장시험에 대해 소개하는 기회를 가질 예정이다. 암석과 암반은 다른 재료에 비해 불균질성을 많이 내포하고 있으며, 시험조건에 따라 분산도가 비교적 큰 특징이 있다. 따라서 신뢰성을 높이기 위해 시료의 대표성, 시험장비의 정밀성, 시험자의 숙련도, 시험기준 및 절차 등 시험 전반에 관한 품질이 충족되어야 한다. 시험기준 및 절차와 관련하여 암석 및 암반에 대한 표준시험법으로 한국산업표준(KS), 한국암반공학회 암석표준시험법, 국제암 반공학회 제안시험법(ISRM suggested method), 미국표준시험법(ASTM) 등이 있다. 우리나라는 KOLAS라는 한국인정기구를 통해 국가공인시험기관을 운영하고 있으며, 관리는 국가기술표준원에서 담당하고 있다. 국가공인시험기관에서 나온 결과물은 ILAC(세계시 험소인정기구)에 의해 국제적으로 인정된다. 본 강좌에서는 일축압축강도시험, 인장강도시험, 삼축압축강도시험, 절리면 전단강도시 험 등 대표적인 실내시험에 대해서 소개한다. 4.1 시료준비 시험에 있어 가장 기본이자 처음 수행하는 작업이 시료를 준비하는 것이며, 암석시험의 경우에는 시료 채취가 그 중 첫 번째 작업이 라 할 수 있다. 시료는 대표가 될 수 있는 장소에서 채취하고, 규격에 맞는 시험편을 제작할 수 있는 분량으로 채취되어야 한다. 시료 채취 시 암석 본래의 특성이 영향을 받아서는 안 되며 시험편을 제작할 때까지 시료의 손상이 없어야 한다. 채취과정이나 발파 등에 의해 손상된 암석의 경우 시험 과정과 결과에서 손상과 관계된 사항을 명기해야 한다. 채취된 시료는 코어링 기계, 절단기, 연마기 등을 이용하여 규격에 맞도록 성형한다. 표 1은 여러 규정에 따른 시료 성형 규격을 제시한 것이다. KS 경우 기존에는 시료의 형상에 ‘core’와 함께 ‘cube’가 들어있었으나 최근 개정된 규정에서는 다른 규정들과 같이 ‘cube’를 제외하고 ‘core’로만 시료의 형상을 제한하고 있다. 기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 44 자연,터널 그리고 지하공간 <표 1> 표준시험법에 따른 시료 성형 규격 구분ASTMISRM suggested methodKSKSRM 표준시험법 Code No.D 4543(일축압축시험)E 3031Vol. 15 No. 2 시료의 형상CoreCoreCoreCore 시료의 크기직경 47 mm 이상 직경 54 mm 이상 최대 입자크기의 10배 이상 직경 54 mm 표준 직경 20 mm 이상, 최대 입자크기의 10배 이상 직경 54 mm 표준 직경 20 mm 이상, 최대 입자크기의 10배 이상 직경과 길이의 비(L/D)2.0~2.52.5~3.01.5~2.51.5~2.5 코어면의 편평도0.5 mm0.03 mm0.5 mm0.5 mm 가압면의 편평도25 μm0.02 mm0.025 mm0.025 mm 가압면의 경사도1/2301/10001/2301/230 코어의 편평도는 15 μm 이하인 V형 블록과 감도 25 μm 이상의 다이얼 게이지 또는 변위 트랜스듀서를 사용하여 시료를 120° 간격으로 회전하며 측정한 값의 최대 편차를 말한다. 가압면의 편평도와 경사도는 감도 2.5 μm 이상의 다이얼 게이지 또는 변위 트랜스듀서를 사용하여 게이지를 시편의 직경방향으로 이동하면서 매 3 mm마다 1회 이상 측정하여 도시한 그래프와 이를 최적화한 그래프의 최대 편차이다. 경사도는 최적화한 그래프와 코어면 사이의 각을 말한다(그림 12). <그림 12> 코어 편평도(좌)와 가압면 편평도, 경사 측정방법(우)(한국암반공학회, 2010) 4.2 시험장치 및 시험방법 시험장치 중 가압장치는 암석시험에 있어 중요한 요소로서 메인 프레임, 유압펌프, 제어장치, 자료획득장치 등으로 이루어져 있다. 암석은 일반적으로 취성과 강성이 높기 때문에 완전 응력-변형률 곡선을 획득하거나 시험 후 손상 등을 알아보기 위해서 높은 강성을 갖는 가압장치의 사용이 요구된다. 시험이 진행되는 동안 시험편의 축방향으로 압축력이 작용하며 동시에 가압장치의 프레임에는 인 장력이 작용하여 가압장치에 에너지가 누적된다. 시험편 파괴 시 가압장치에 쌓인 에너지가 시험편에 전달하게 되는 데, 강성이 낮은 가압장치의 경우 누적된 에너지가 시험편으로 전달되어 록버스트(rockburst)와 같은 파괴현상을 유발할 수 있다. 그림 13은 시험장치 에서 작용하는 압축력과 인장력, 그리고 강성과 연성 시험장치에서 누적되는 에너지에 관해 설명한 것이다.Vol. 23, No. 3 45 지반조사 이론 및 실내시험 <그림 13> 시험 중 가압장치 프레임의 작용력(좌)와 연성/강성시험 장치 특성 국제암반공학회의 제안시험법은 1981년에 3개 분야에 대해 14개의 시험법이 제안되었으며 ‘Yellow book’으로 불린다. 이후 2007 년에 발간된 Blue book은 site characterization, Laboratory testing, Field testing, Monitoring 등 시험분야를 4개 분야로 구분하고 보다 세분화되고 개선된 시험절차와 방법 등이 제안되었다. 근래에 발간된 Orange book은 이전 발간된 책에 파괴기준과 암반특성화 에 대한 추가적인 부분이 보강되어 5개 분야로 구분하여 발간되었다. 그림 14는 각각 발행된 제안시험법의 표지로서 명칭은 표지의 색으로 구분되어 명명되고 있음을 알 수 있다. 각각 시험(방)법은 개요 및 이력, 범위, 장치, 저차, 계산, 보고, 최종점검, 사사, 참고문 헌 등으로 구성되어 있다. <그림 14> 국제암반공학회에서 제안한 표준시험법기술강좌 시리즈 조사 및 정보 기술위원회 46 자연,터널 그리고 지하공간 ASTM의 구성 역시 국제암반공학회의 제안시험법과 유사하며 둘 사이의 차이 중 하나는 ASTM에서는 코드번호가 명명되는 반면에 제안시험법은 코드대신 제목 등의 방식이 사용되고 있다는 점이다. 한국암반공학회에서 제안한 표준시험법(2010)은 국제암반공학회 의 제안시험법과 ASTM을 준용하였으며 한국산업표준에서 고려하지 못한 부분 등 개선방안 등을 포함하여 국내 여건에 맞게 제안되었 다. 국제암반공학회의 제안시험법과 같이 코드대신 시험법의 명칭으로 명명하고 있다. 암석시험과 관련된 한국산업표준은 2020년 개정판에서 한국암반공학회 표준시험법을 대부분 사용하고 있어 둘 사이의 차이는 거의 없어진 상태이다. 4.3 시험방법 4.3.1 일축압축강도시험 일축압축강도시험은 무결암의 일축압축강도를 측정하는 시험으로 암석시험의 기본이 된다. 일축압축강도시험에서 암석의 강도 이 외 탄성계수와 포아송비를 산정할 수 있다. 표 2는 여러 표준시험법에서 제안된 일축압축강도시험의 규격을 제시한 것으로, 평판의 경도나 직경, 두께 등과 함께 구면좌(spherical seat)의 직경 등에 대한 기준을 포함하고 있다. <표 2> 일축압축강도시험에 대한 표준시험법의 규격 구분ASTMISRM suggested methodKSKSRM 표준시험법 Code No. D 7012-14 (D 2938) E 3033 Vol. 15 No. 2 (Vol. 15 No. 4) 자동제어장치○○○○ 평판의 경도HRC 58 이상HRC 58 이상HRC 58 이상HRC 58 이상 평판의 직경1.0D~1.1DD~D+2 mmD~1.2DD~1.2D 평판의 편평도0.0255 mm0.005 mm0.025 mm0.025 mm 평판의 두께0.5D 이상15 mm 이상 or D/3 이상15 mm 이상 or D/3 이상 15 mm 이상 or D/3 이상 구면좌의직경D~2.0DD~2.0DD~2.0D 일축압축강도시험에 있어 상하 평판과 시험편의 상하면의 상태의 확인 및 가압장치의 중심선과 시험편의 중심선을 일치시켜야 한 다. 일반적으로 초기가압 상태(ASTM의 경우 약 100 N)에서 일정한 가압속도(파괴 시까지 대개 2분 이상 10분 이내의 시험시간)로 시험을 진행한다. 시험에 필요한 시험의 개수는 ASTM에서는 10개 이상을 명시하고 있으나 현실적 상황과 국내 여건을 반영하여 KSRM에서는 5개 이상을 권장하고 최소 3개를 사용하도록 명시하고 있다. 일축압축강도는 식 (8)로부터 쉽게 계산된다. (8) : 일축압축강도 : 최대 하중 : 시험편의 단면적Vol. 23, No. 3 47 지반조사 이론 및 실내시험 일축압축강도시험에서 변형률이나 변위를 측정 장치를 이용하여 탄성계수와 포아송비를 계산할 수 있다. 변형률 측정을 위해 스트 레인 게이지를 사용할 경우 5 이상의 감도를 갖고 입자 크기의 10배 이상의 길이를 갖는 게이지를 사용해야 한다. 변위 측정의 경우 0.002 mm 이상의 감도를 가져야 한다. 변형률은 초기 길이에서 변화된 길이의 비율로 계산되며, 그림 15는 스트레인 게이지와 변위 측정기가 부착되어 있는 시험편의 모습을 제시한 것이다. <그림 15> 스트레인 게이지와 변위 측정기가 부착된 시험편의 모습 탄성계수는 변형률의 변화량에 대한 응력의 변화량(∆∆)으로 계산되며, 일반적으로 응력-변형률 곡선에서 직선부분의 평균 기울기인 평균 탄성계수로 제시된다. 많은 경우 강도의 40~60% 응력수준에서 산정한다. 평균 탄성계수 이외 최대 응력에서 고정된 백분율의 응력수준에서 접선 기울기로 산정하는 접선 탄성계수와 응력이 0인 지점에서 최대 응력의 고정된 백분율의 응력수준까지 연결한 직선의 기울기인 할선 탄성계수를 사용할 수 있다. 일반적으로 고정된 백분율로 50% 응력수준을 사용한다. 포아송비는 응력- 변형률 곡선에서 횡방향 변형률에 대한 축방향 변형률의 비로 계산되며, 탄성계수를 구하는 방법과 동일하게 평균, 접선, 할선 방법으 로 산정할 수 있다. 시험 후 결과보고에는 다음 사항을 반드시 포함하여야 한다. ∙ 시험한 시험편의 수 ∙ 전단, 축방향 균열과 같은 파괴 형태 ∙ 시험편 각각에 대한 일축압축강도 및 평균(SI 단위) ∙ 응력-변형률 곡선 ∙ 각 시험편에 대한 탄성계수와 포아송비 및 평균 ∙ 탄성계수 결정방법과 축방향 응력수준 그리고 다음 사항도 표기하면 시험된 암석의 물성 파악에 도움이 된다.Next >