점하중 강도시험

왜 배우는가: 점하중 강도시험은 현장에서 시료를 간단히 시험해 암석의 강도를 추정할 수 있어 암반 분류와 설계 초기 단계에서 널리 쓰인다. 일축압축시험을 대신하는 방법으로 자주 비교되므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제134회 2교시 4번, 제128회 1교시 2번, 제118회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

점하중 강도시험은 암석 시료를 두 개의 원추형 재하점 사이에서 집중하중으로 파괴시켜 점하중강도지수를 구하고, 이로써 일축압축강도를 추정하는 현장·실내 겸용 시험이다.

• 점하중강도지수(Point Load Strength Index, Is)
• 점하중강도(Point Load Strength, Is(50))
• 재하점(Loading Point)
• 인장파괴(Tensile Failure)
• 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS)
• 이론 환산계수(Conversion Factor)
• 시료 형상 보정(Size Correction)
• 암반 분류(Rock Mass Classification)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 돌 조각을 뾰족한 두 쇠추 사이에 끼워 눌러 깨뜨리고, 깨진 힘으로 돌의 세기를 가늠하는 시험이다. 시료를 일축압축 시험기에 맞게 정형하지 않아도 되므로 시간과 비용이 적게 든다.

정식 정의는 다음과 같다. 점하중 강도시험은 원주형 코어나 불규칙한 블록 시료를 두 개의 원추형 강재 재하점 사이에 놓고 집중하중 P를 가하여 파괴시키는 시험이다. 파괴하중 P와 재하점 사이 거리 De로부터 점하중강도지수 Is를 구한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 점하중강도지수는 파괴하중을 등가 직경의 제곱으로 나눈 값으로, 시료 크기 효과를 줄인 강도 지표다. 재하점은 원추형 강재 끝이 시료에 닿는 두 지점이며, 여기서 집중하중이 전달된다. 인장파괴는 시료 내부에 재하축과 수직인 인장응력이 생겨 쪼개지며 나는 파괴다. 점하중 시험은 암석의 압축강도를 직접 재는 것이 아니라 인장응력이 파괴를 일으키는 원리를 이용한다.

시험 결과로 얻는 값은 Is이며, 표준 직경 50mm 시료로 보정한 Is(50)을 기준 값으로 쓴다. 보정은 시료 직경과 재하점 거리 비를 이용하는 형상 보정 계수로 수행한다.

3. 등장 배경과 필요성

암석의 일축압축시험은 정확하지만 코어를 정밀하게 성형해야 하고, 시험 한 건에 시간과 비용이 많이 든다. 현장에서 많은 시료를 빠르게 시험해야 하는 터널·사면 조사에서는 이 방식이 실용적이지 않다.

이 문제를 해결하기 위해 시료를 정형하지 않고 그대로 또는 불규칙한 블록 상태로 시험하는 점하중 시험이 개발되었다. 현장에서 시추 코어 조각이나 굴착면의 암편을 바로 시험할 수 있어 조사 밀도를 높이는 데 효과적이다.

또 암반 분류 체계와 연결하기 위해 필요하다. 암석 강도는 암반 분류에서 평점 항목으로 쓰이므로, 현장에서 빠르게 얻은 강도 지표가 설계 입력과 이어져야 한다. 점하중 강도시험은 이런 목적을 충족하는 현장 시험으로 자리 잡았다.

국내에서도 현장 조사에서 점하중 시험을 활용하는 사례가 많고, 일축압축강도와 점하중강도지수 사이의 상관식을 지역 암종별로 구하는 연구가 계속되고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

점하중 강도시험은 두 개의 원추형 재하 점 사이에 암석 시료를 끼우고 하중을 가해 파괴시키는 시험이다. 시료에 작용하는 인장응력이 파괴를 일으키므로, 시험 장치와 절차를 이해하면 점하중 강도지수의 의미가 분명해진다.

표는 장치 구성과 각 요소의 역할을 정리한 것이다. 시료 크기와 재하 방식은 시험의 재현성을 좌우하므로 절차와 함께 기억한다.

원리는 다음과 같다. 두 재하점 사이 시료 단면에 인장응력이 생기고, 이 인장응력이 한계를 넘으면 시료가 쪼개져 파괴된다. 암석은 압축강도에 비해 인장강도가 작으므로 이 파괴 방식이 시험의 기본이 된다.

시료 형태는 코어형(직경 D가 기준)과 불규칙 블록형으로 나뉜다. 코어형은 길이가 직경의 약 1.0배 이상이어야 하며, 블록형은 재하점 사이 최소 폭 W와 재하 방향 길이를 함께 쓴다.

절차는 다음과 같다.

• 암석 시료를 채취하고 형상을 정한다. 코어형은 직경 D, 블록형은 폭 W와 두께 B를 측정한다.
• 시료를 재하점 사이에 놓고 재하점 간격 D를 기록한다.
• 하중을 일정한 속도로 증가시켜 파괴 시 최대 하중 P를 읽는다.
• 파괴면 형태를 기록하고 시험 결과가 유효한지 판단한다. 파괴면이 두 재하점을 잇는 면에서 크게 벗어나면 무효 처리한다.
• 보정식으로 점하중 강도지수 I_s를 구하고 필요한 경우 크기 보정을 한다.

핵심 공식은 다음과 같다.

$I_s=\frac{P}{D_e^2}$

여기서 I_s는 점하중 강도지수(MPa), P는 파괴 하중(N), D_e는 등가 코어 직경(mm)이다. 등가 직경은 블록형 시료에서 D_e^2 = 4WD/\pi 로 구한다. W는 폭(mm), D는 재하점 간격(mm)이다.

크기 보정은 표준 직경 50mm에 맞추는 과정이다. 보정된 값 I_{s(50)}는 다음과 같다.

$I_{s(50)}=F\cdot I_s$

여기서 F는 크기 보정계수, D_e는 등가 직경(mm)이다. 보정으로 시료 크기에 따른 차이를 줄인다.

점하중 강도지수는 파괴 하중을 등가 직경의 제곱으로 나눈 값이다

계산 예는 다음과 같다. 주어진 값은 P=2{,}000\,\text{N}, D_e=50\,\text{mm}이다. I_s=2000/50^2=0.8\,\text{MPa}이다. 보정계수 F=1.0이므로 I_{s(50)}=0.8\,\text{MPa}이다. 암석의 점하중 강도지수로서 상식 범위이다.

암석 종류와 함수 상태는 결과에 영향을 준다. 같은 암석이라도 포화 상태에서는 강도지수가 낮게 나타난다.

5. 관련 법령·기준·표준

점하중 강도시험의 기준으로 많이 인용되는 것은 국제암반역학회(ISRM) 권고 방법과 국내 암반 시험 관련 시방서이다. 이 부분은 시험 방법과 결과 해석의 기준을 제공한다. 법령에서 직접 정한 값은 많지 않으므로, 설계 적용에서는 시방서와 발주처 기준을 함께 본다.

표는 시험 조건의 핵심 기준을 모은 것이다. 시험 수량과 재하 속도는 결과의 신뢰도를 정하므로 답안에 함께 적는다.

개정 연혁은 국내 기준에서 점하중 시험을 설계 기준에 포함시키는 방향으로 이어져 왔다. 암반 설계에서는 일축압축강도 대신 점하중 강도지수를 현장 시험 값으로 쓰는 경우가 늘었다.

6. 유형과 비교

점하중 강도시험은 시험 방법과 시료 형태에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 답안에서는 축방향 재하(axial test), 횡방향 재하(diametral test), 블록·불규칙 시료 시험(irregular lump test)을 구분해 쓴다. 시료 형상이 원주형 코어인지, 임의 형상 덩어리인지에 따라 보정 방법과 결과 해석이 달라진다.