2014. 3. 22. 08:20ㆍ# 공부방
암석의 강도에 영향을 미치는 요인
◈ 암반의 강도
암석의 강도는 암석의 종류별, 물리적 및 화학적 특성에 따라 달라지며 암반의 파괴는 불연속면의 성장, 병합에 의해 발생하기 쉽다. 이것은 불연속면의 선단 부근에 응력 집중이 발생하기 쉽기 때문이다.
따라서 암반 강도는 암석 당도 및 불연속면의 특성에 지배된다. 암반의 전단강도도 암석이나 흙과 같이 점착력과 내부마찰각으로 표현할 수 있다. 이 경우 블록의 크기, 맞물림, 블록 마찰이 내부마찰각을 지배하고 구성 광물입자 사이의 결합 정도, 불연속면의 분포 상황이 점착력을 지배한다.
1. 풍화상태
암석이 풍화작용을 받으면 광물입자간의 결합력이 약해져 암석 전체의 강도가 저하된다. 같은 종류의 암석이라도 풍화를 받지 않은 암석은 풍화를 받은 암석보다 높은 강도를 나타낸다.
◈ 광물의 풍화에 대한 안정성
석영-백운모-정장석-흑운모-Na사장석-각섬석-Ca사장석-감람석 순이며, 각 광물의 생성환경이 고온, 고압일수록 지표환경에서는 안정도가 낮은 것이 특징이다.
2. 등방성과 균질성
암석이 이방성이고 불균질하면 어느 한 곳으로 응력이 집중되며, 응력이 작용하는 방향에 따라 파괴가 일어나는 강도가 다르다. 이는 응력이 모든 방향으로 균일하게 작용하지 못하기 때문이다. 따라서 암석의 강도는 조암광물의 종류, 배열, 간극의 분포 및 암종과 관련된다.
3. 불연속면의 발달
암석 내에 발달된 절리, 단층, 편리, 편마구조 및 층리 등의 불연속면 구조가 발달되어 있을 경우, 그 구조의 발달상태, 경사, 간격, 틈새의 폭, 충진물질의 종류와 상태, 습윤상태, 거칠기 등에 따라 암석의 강도가 달라진다.
(1) 불연속면이 재하방향과 이루는 각
불연속면이 응력의 재하방향과 평행하고 이들의 경사가 급하며 틈새가 넓을수록 암석의 강도는 낮아지는 반면, 불연속면의 발달방향이 재하방향과 직각을 이루고 경사각이 낮으며 틈새가 좁을수록 앞의 경우보다 강도가 훨씬 커진다.
(2) 불연속면의 조도, 충진물
▪ 불연속면의 틈새가 좁은 경우 불연속면이 조도(roughness)는 전단강도에 중요한 영향을 미친다. 굴곡도(waveness : i)와 전단강도(τ)는 τ= σn tan(ψ+ i)의 관계가 있다.
▪ 충진폭, 풍화정도, 광물성분, 입자의 크기, 충진물의 강도, 함수비와 투수성 등에 따른 충진물질(clay seam)도 암석의 강도에 영향을 미친다.
4. 재하속도
암석의 변형 및 강도는 재하속도에 좌우된다. 암석이 변형을 일으켜 파괴될 때는 탄성변형과 소성변형의 단계를 거쳐 응력의 계속적 증가에 따라 파괴가 일어난다. 응력이 갑자기 증가하게 되면, 즉 재하속도가 증가하게 되면 탄성변형과 소성변형을 거치는 시간이 짧아지고 곧바로 파괴점에 도달하므로, 저항력이 커지게 된다. 따라서 급속 재하할 경우 완속재하의 경우보다 강도가 커지며(파괴가 느리게 일어나며) 보통 2배 정도 증가를 나타낸다. 재하속도의 효과는 경암보다 연암에서 더욱 현저하게 나타난다.
5. 간극수압(Pore pressure)
암석의 전단강도(τ)는 암석에 작용하는 응력(σ)과 암석의 내부마찰각(ψ) 및 점착력(C)의 관계에 의해 τ= C + σtan ψ로 표현된다. 그러나 암석의 공극이 물로 포화되면 이 간극수들이 응력을 감소시키기 때문에 간극수압(u)만큼 응력이 감소되어 전단강도는 감소하게 된다.
․ 따라서, τ= C + (σ-u)tan ψ
화강암의 경우 습윤(포화)상태에서의 강도는 건조 상태에 비해 10~20%의 감소를 초래한다는 보고가 있다.
6. Intermediate principal stress : Confining stress
암석에 작용하는 세 방향의 주응력(σ1, σ2, σ3)에서 중간주응력이 보통의 경우보다 커서 최대 주응력과 같을 때 (σ1 = σ2 > σ3)의 구속압이 작용하게 된다. 암석에 구속압이 작용하게 되면 암석의 탄성한계가 높아지고 소성변형의 범위도 커져서 결국 암석의 강도가 커지게 된다.
이와 같이 중간주응력이 커서 최대주응력과 같게되면 암석의 강도가 증가하며, 취성파괴에서 연성파괴로 변화하고 탄성계수도 증가한다. 구속압의 증가는 파괴점 강도를 증가시켜 잔류강도도 증가된다.
7. 시편의 크기
암석의 시편의 크기가 커지면 불연속면을 많이 포함하게 되고 암석 자체의 등방성이나 균질성도 불량하게 되므로 강도가 저하한다. 이 현상은 암반의 경우에도 적용이 가능하다. 암반의 크기가 클수록 암반의 전단강도는 저하되기 쉽다.
따라서 동일한 종류의 암석이라도 공시체의 크기가 증가하거나, 전단 면적이 증가하거나, 길이가 길어지면 강도는 감소된다.
8. 시편의 모양
공시체의 모양이 원형에 가까울수록 강도크기가 증가한다.