실내 암석시험 종류 및 시험규정

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실내시험은 시료의 물리/ 역학적 시험을 통하여 보다 정밀한 지반의 공학적 특성 파악을 위하여 현장답사, 시추공 및 현장시험에서 채취된 시료를 대상으로 실시된다. 실내시험 결과는 설계, 시공 및 유지관리의 기초자료로 정확성이 요구되므로 정밀성이 보장된 시험장비를 이용하여 시험기준에 따라 실시하여야 한다.

 

시험명칭	시험결과	시험결과의 이용	표준방법
			KS F	ISRM	ASTM
비중시험	비중	비중, 흡수율, 함수비, 포화도, 간극비	2518	O	-
흡수율 시험	공극율 흡수율	암석의 투수성	2518	O	-
탄성파속도시험	탄성파전파속도 동적탄성상수	암반의 균열도 파악 암반 분류	-	O	D2845
일축압축시험	압축강도, 탄성계수, 포아송비	암석의 역학적 특성 암반 분류	KS E 3033	O	D2938 D3148
삼축압축시험	점착력 내부마찰각	현지 암반의  변형파괴특성	-	O	D2664

<실내암석시험의 구분 및 표준시험규정>

 

 

 

 

O 시험 종류

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1) 비중

비중은 시료의 질량과 같은 체적의 물(1기압, 4℃에서의 순수한 물)의 질량과의 비율로 표시된다. 암석의 경우에는 상온에서의 비율이 통상 사용된다. 암석시료가 균질하고 간극이 없는 이상적인 상태라면 암석의 참된 비중을 얻는 것은 용이하다. 그러나 암석에서 많은 간극이 존재하고 있기 때문에 실질부(입자)의 체적 산정이 곤란하고 참된 비중을 구하는 것은 지극히 어렵다. 이와 같이 암석에 있어서 겉보기 체적에 의하여 얻어진 비중은 겉보기 비중이라 하여 참된 비중과 구별된다. 또한, 측정과정에서 암석시료의 체적이 변화하는 재료나 물에 용해되는 재료의 경우에는 정밀도 높게 정형된 시료 치수로부터 체적을 구함으로써 비중을 산출(부피 비중)할 경우가 있다.

 이와 같이 비중이라 하더라도 암석성질과 비중 측정법에 따라 여러 가지 값이 존재한다. 아래표에서는 이들 값(진비중, 겉보기 비중, 부피 비중 등)의 비교 예를 제시하였다. 암석은 반드시 균질한 것이 아니기 때문에 시료에 따라서는 비중 값에 흩어짐이 있다. 따라서 토입자 비중시험에 적용되는 것처럼 동일시료에 대해서 3개 이상 실시하는 것이 바람직하다. 또한 암종이 같아도 구성광물, 생성연대, 입도, 성인, 생성 연대, 퇴적환경이나 생성 후의 변화(풍화, 변질, 구조운동)등에 의하여 비중 값에 차이가 생긴다.

 

측정법 암석명	진비중	겉보기 비중			부피비중	함수비 (%)	유효간극율 (%)
		자연상태	강제습윤	강제건조
이암	2.69	1.85	1.85	1.38	1.82	34.9	49.8
이암	2.71	1.80	1.81	1.31	1.78	39.5	52.9
이암	2.70	1.72	1.73	1.19	1.71	46.4	56.7
세립사암	2.70	1.85	1.66	1.38	1.85	42.8	52.0
세립사암	2.69	1.93	1.93	1.49	1.85	30.1	47.1
세립사암	2.71	2.23	2.24	1.96	2.04	15.2	34.7
중립사암	2.67	1.93	1.98	1.58	1.93	23.7	41.6
응회암	2.72	1.50	1.50	0.87	1.49	73.4	68.4
응회암	2.71	1.63	1.63	1.08	1.57	49.3	21.2

<각종 비중시험결과의 비교>

 

 

 

2) 흡수율

 암석시료의 간극에 물이 어느 정도 침투하는가를 나타내는 것이며 암석의 기본적인 물성의 하나이다. 암석시료가 흡수할 수 있는 최대의 물량이 그 시료의 실질 부분의 질량에 대하여 어느 정도 인가를 나타내는 비율을 말한다.

 흡수율은 강제건조상태(W2), 강제습윤상테에서(W3)의 측정 중량을 이용하여 (W3-W2/W2 * 100(%)로부터 구한다. 흡수율은 포화상태의 함수비에 상당한다고 말할 수 있다.

경암의 흡수율은 10%이하이며 신선하고 치밀한 암석에서는 1%에도 달하지 않는 경우가 많다. 풍화에 따라 흡수율은 당연히 증가하며, 연암에서는 수%부터 60%정도에도 달하며 상당히 변화한다.. 이 간극량의 지표가 되는 흡수율은<그림 2-8>에 제시한 바와 같이 일축압축강도와 비교적 좋은 관계에 있다. 대략적으로 암석 종류에는 관계없이 흡수율이 5%이상으로 되면 강도는 낮고, 특히 10%를 넘어가면 대단히 작게 나타난다.

 

 

 

<흡수율과 일축압축강도의 관계>

 

 

 

 

3) 탄성파 전파속도측정

시험편을 탄성파가 통과하는데 소요된 시간을 측정하여 탄성파인 압축파(P파, 종파)와 전단파(S파, 횡파)의 전파속도를 구하는 비파괴시험으로써 시험편은 일축압축강도, 삼축압축강도 등에 사용되는 시험편을 사용하는 것이 바람직하다. 강도시험을 하지 않고 탄성파 전파속도만을 측정하고자 할 때는 시험편의 길이는 5.0 ～ 10.0㎝, 최소 단면적을 0.5㎠ 이상으로 하고 시험편 양쪽 끝면은 서로 평행하며 측정축과 직각으로 되도록 제작하여야 하며 시험편의 형태는 원주형이 아니라도 된다. 실내 탄성파 전파속도 측정장치의 모식도는 <그림 2-9>과 같다. 측정원리는 그림에서와 같이 시험편의 상하부에 발진기 및 수진기를 설치하고 발진기에서 발생된 파가 시험편을 통과하여 수진기에 도달하면 이 파형이 측정기의 창에 나타난다. 이 파형으로부터 파가 시험편을 통과하는 시간을 측정한다. 이 통과시간과 암석시험편의 길이로부터 탄성파속도를 측정한다. 압축파(P파, 종파)와 전단파(S파, 횡파)가 있는데 P파는 파의 진동방향과 진행방향이 같은 경우이며, S파는 파의 진동방향이 진행방향과 직각을 이루는 경우이다. 측정장비에는 P파 및 S파를 발생하는 발진기가 따로 있어서 각각의 파에 대한 탄성파 전파속도를 측정할 수 있다. P파 전파속도 Vp 및 S파 전파속도 Vs 는 다음과 같이 계산된다.

 

 

 

그리고 이 탄성파 전파속도를 이용하여 암석의 동탄성계수, Εd 및 동포아송비 Vd는 다음 식으로 구할 수 있다. 탄성파 전파속도는 단축압축강도와 함께 암석의 등급분류기준으로 많이 이용된다.

 

 

 

4) 일축압축시험

암석시험편의 축방향으로 압축력을 가한 후 파괴될 때의 하중을 측정하여 일축압축강도를 구하면 또한 시험편의 변형률을 측정하여 응력-변형률 곡선을 얻어 탄성계수나 포아송비를 구할 수 있다. 시험편의 형태는 국내의 석재에 대한 일축압축강도시험규정(KS E 3033)에서는 각주 또는 원주형으로 되어 있으나 각주의 경우 시험편 제작의 어려움과 정밀도상에 문제점이 있어 ASTM 또는 ISRM에서는 각주는 인정치 않고 원주형을 권하고 있다. 크기의 경우 국내에서는 직경에 대한 높이의 비를 1.0으로 하고 있으나 일본의 규정(JIS M 0302)에서 는 약 2.0, ASTM(D2938) 또는 ISRM에서는 2.0～3.0를 규정하고 있어 외국의 시험결과와의 비교시 주의를 하여야 한다. 시험편 성형의 정밀도에 대한 ISRM의 규정을 보면, 가압면의 편평도는 0.02mm, 측면과 가압면의 직각도는 0.001rad(0.05mm/50mm), 측면길이의 직선성은 전체길이에 대해 0.3mm 이내로 되어 있다. 일축압축시험에서 파괴하중을 P(kg), 압축력을 받는 시험편의 단면적을 A라 할 때, 일축압축강도 σc는 다음 식으로 계산된다.

그리고 시험편에 가압하중방향 즉, 종방향 및 이에 직각되는 횡방향의 변형률을 측정함으로써 ＜그림 2-10＞과 같은 응력-변형률 곡선을 구할 수 있다. 이 응력-변형률 곡선으로부터 가장 기본적인 암석의 변형특성인 두 개의 탄성상수는 다음 식을 이용하여 구한다.

 

여기서, σ = 시험편에 종방향으로 가해지는 압축응력

εA = 시험편의 종방향 변형률                εL = 시험편의 횡방향 변형률

 

 

 

응력-변형률 곡선에서 영률(탄성계수)을 구하는 방법은 크게 3가지가 있는데, ＜그림 2-10＞의 왼쪽 그림에서와 같이 파괴응력의 50～60% 수준에 있는 어느 응력에서의 접선탄성계수, 가운데 그림에서와 같이 직선구간 전체에 대한 평균탄성계수, 그리고 오른쪽 그림에서와 같이 어느 응력에서의 총변형량을 고려한 횡탄성계수 등이다. 암석은 일반적으로 비탄성적인 변형을 포함하고 있어서 이러한 경우에는 영률 또는 탄성계수 대신에 변형계수라는 용어가 쓰이기도 한다.

 

 

 

 

5) 삼축압축시험

원주형 시험편을 초기에 정수압상태로 유지시킨 후 측면의 구속압(confining pressure)은 일정하게 유지시키면서 축 방향 응력(σ1)을 서서히 증가시켜 시험편이 파괴에 이르게 하는 시험을 삼축압축시험(triaxial compression test)이라 부른다. 점성이 있는 기름을 채운 용기 내에 시험편을 넣고 유압펌프를 이용하여 압력을 가하는 방법으로 구속압을 발생시킨다. 구속압을 달리하면서 동일 종류의 시료에 대해 시험을 수회 반복하여 암석의 삼축압축강도 특성을 파악한다. 삼축압축시험에서는 다이얼게이지 등을 이용하여 피스톤과 유압 chamber사이의 상대변위를 측정함으로써 시험편에 발생하는 축 방향 변형률을 측정한다. 시험편에 직접 변형률계를 부착하여 축 방향 및 횡 방향 변형률을 측정할 수 있다. 삼축압축시험의 결과로 얻은 구속 응력(σ3)과 이에 대응하는 파괴강도(σ1)를 이용하면 암석파괴조건에 대한 정보를 얻을 수 있다. 수평축을 수직 응력, 수직 축을 전단 응력으로 표시한 직교좌표계에 σ3와 이에 대응되는 σ1을 지름의 양끝으로 하는 Mohr Circle을 그리고 이 원에 공통으로 접하는 포락선을 구하면 이 곡선이 암석시험편의 파괴조건을 표시하게 된다. 공통접선을 직선으로 근사 시키면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

 

 

여기서 φ는 내부마찰각(Internal friction angle)이라 불리는 암석의 역학적 상수이며, 수직축의 절편값 C는 암석의 점착강도이다. 그러나 실제 파괴포락선은 직선이 아닌 곡선이므로 수직응력 수준에 따라 내부마찰각과 점착강도가 변화한다는 점도 명심할 필요가 있다. 그러므로, 봉압을 대상 암반 구조물 심도에 해당하는 수직응력 수준으로 유지하고 삼축압축시험을 실시하여 내부마찰각과 점착강도를 구하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

 

 

 

※ 참고자료

2023.03.25 - [강박사의 토목이야기] - 토질 및 암반의 분류 및 기재방법(지질조사)

2023.03.24 - [강박사의 토목이야기] - 우리나라의 암반분류(암판정)