암석 강도시험

왜 배우는가: 암석 강도시험은 암반 설계의 기본 입력값인 일축압축강도, 인장강도를 얻는 방법이므로 실무에서 사면·터널·기초 설계의 출발점이 된다. 시험에서는 1교시 용어 문제와 3교시 비교 논술 문제로 반복해서 출제되어, 시험법의 원리와 차이를 정확히 구분하는 능력이 필요하다.

출제 이력: 제112회 1교시 8번, 제101회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

암석 강도시험은 암석 시료에 하중을 가해 파괴 시의 최대 하중으로 압축·인장·점하중 강도를 구하는 실내 시험이다.

• 일축압축강도(uniaxial compressive strength)
• 브라질리언 시험(Brazilian test)
• 간접인장강도(indirect tensile strength)
• 점하중 강도지수(point load strength index)
• 종횡비(length-to-diameter ratio)
• 파괴하중(failure load)
• 시험편 형상(specimen geometry)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 암석 시료를 눌러서 언제 깨지는지 측정하는 시험이다. 암석은 압축에는 강하고 인장에는 약하므로, 용도에 따라 시험 방법을 달리한다. 일축압축시험은 시료를 한 방향으로만 눌러 압축강도를 얻는다. 점하중시험은 원주형 또는 불규칙 시료를 두 점에서 눌러 강도를 간접 추정한다. 브라질리언 시험은 원판 시료를 지름 방향으로 눌러 인장강도를 간접적으로 얻는다.

정식으로 말하면, 암석 강도시험은 시험편을 일정한 하중 조건에서 파괴시켜 파괴 직전의 최대 응력 또는 하중을 구하는 역학 시험이다. 각 시험은 응력 상태가 다르므로 얻는 강도의 종류도 다르다. 일축압축시험은 단축 압축 상태, 브라질리언 시험은 원판 중심선을 따라 인장 응력이 걸리는 상태를 이용한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 일축압축강도는 측압 없이 축방향 하중만 가했을 때의 최대 압축응력이다. 간접인장강도는 직접 인장을 가하지 않고 할렬(쪼갬)하중으로 얻은 인장강도다. 점하중 강도지수는 파괴하중을 두 점 사이 거리의 제곱으로 나눈 값으로 정의되며, 일축압축강도의 대리 지표로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

암석은 절리, 균열, 공극을 포함하므로 현장 강도를 직접 재기 어렵다. 그래서 코어 시료를 채취해 실내에서 강도를 측정하고, 이를 설계값으로 환산하는 방법이 발달했다. 일축압축시험은 가장 단순하고 널리 쓰여 암석 강도의 기준 지표가 되었다.

그러나 대형 시험기를 쓰기 어려운 현장 조사, 시추 코어 등 소량 시료에서는 간편한 시험이 필요하다. 이에 따라 점하중시험이 현장 강도 추정법으로 도입되었다. 또한 인장강도는 압축 시험으로 직접 얻기 어려워, 원판을 쪼개는 브라질리언 시험이 간접 방법으로 자리 잡았다.

암반 설계에서는 암석 강도가 암반분류, 파괴기준, 굴착 안정 해석의 입력값이 된다. 따라서 시험 방법을 목적에 맞게 고르고 결과를 해석하는 능력이 기술사 시험에서 요구된다.

4. 구성요소·원리·절차

암석 강도시험은 시험편에 하중을 가해 파괴에 이르게 하고, 그때의 하중과 시험편 치수로 강도를 구하는 실내시험이다. 시험의 기본 구성은 재하장치, 시험편, 하중·변위 측정장치의 세 부분이다. 시험 방식에 따라 재하 방향이 달라지므로 압축강도와 인장강도를 각각 얻는다.

원리는 재하 방향에 따라 나뉜다. 일축압축시험은 시험편을 축방향으로 압축해 압축강도를 얻는다. 점하중시험은 원추형 하중 판으로 시료를 집중 압축해 파괴하중을 얻고 이를 강도지수로 환산한다. 브라질리언시험은 원반형 시편의 지름 방향으로 선하중을 가해 간접 인장으로 인장강도를 얻는다. 브라질리언시험에서는 시편 중심에 인장응력이 거의 균일하게 작용하므로 중심부에서 파괴가 시작된다.

일축압축시험의 절차는 다음과 같다.

• 코어를 가공해 지름 D와 높이 H를 측정하고, 높이 대 지름비를 확인한다.
• 시험편 양 끝면을 평행하게 연마하고 중심을 맞춰 재하장치에 놓는다.
• 측압을 가하지 않고 축방향 하중을 일정 속도로 증가시킨다.
• 파괴하중 P_{max}를 기록하고 파괴 양상을 관찰한다.
• 식으로 일축압축강도를 계산한다.

일축압축강도는 다음 식으로 구한다.

$\sigma_c=\frac{P_{max}}{A}=\frac{4P_{max}}{\pi D^2}$

여기서 \sigma_c는 일축압축강도(MPa), P_{max}는 파괴하중(N), A는 시험편 단면적(mm²), D는 시험편 지름(mm)이다.

점하중시험의 절차는 다음과 같다.

• 코어 또는 불규칙 암편을 준비하고 하중점 사이 거리 D를 측정한다.
• 원추형 하중 판 사이에 시료를 놓고 하중을 가해 파괴시킨다.
• 파괴하중 P를 기록한다.
• 지름 보정 강도지수 I_{s(50)}를 구한다.

$I_{s}=\frac{P}{D_e^2}, \quad I_{s(50)}=F\,I_s$

여기서 D_e는 등가 지름(mm), F는 지름 보정계수(F=(D_e/50)^{0.45})이다. 일축압축강도는 I_{s(50)}에 관련 기준이 정한 환산 계수를 곱해 추정한다.

브라질리언시험의 절차는 다음과 같다.

• 두께 t, 지름 D인 원반형 시편을 만든다.
• 원반 지름 방향으로 두 하중 판을 대고 하중을 가해 쪼갬 파괴시킨다.
• 파괴하중 P_{max}를 기록한다.
• 인장강도를 계산한다.

$\sigma_t=\frac{2P_{max}}{\pi D t}$

여기서 \sigma_t는 인장강도(MPa), t는 시편 두께(mm)다. 이 식은 원반의 중심에 작용하는 인장응력을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

암석 강도시험은 국제암반역학회(ISRM)의 시험법 권고와 국내외 시험 기준을 따른다. 국내에서는 암석의 일축압축강도 시험을 KS 규격과 설계 지침에 따라 수행한다. 아래 표는 시험별 기준값과 조건을 정리한 것이다.

일축압축시험의 시험편 높이 대 지름비는 2:1을 기준으로 한다. 비가 작아지면 강도가 과대하게 나타난다. 최근 연구에서는 높이 대 지름비에 따른 보정식이 제안되고 있다.

점하중시험은 현장 시료에 적용하기 쉬운 간이 시험이다. 강도지수를 일축압축강도로 환산할 때 환산계수를 사용한다. 환산계수는 암종과 이방성에 따라 차이가 크므로 시험 결과에 맞춰 보정해야 한다.

브라질리언시험은 인장강도를 구하는 간접 시험이다. 일축인장시험보다 시편 준비가 쉽고 균열에 덜 민감하다. 국내 설계 기준에서는 인장강도를 일축압축강도의 일정 비율로 추정하는 경우가 많다.

개정 연혁으로는 ISRM 권고 방법이 시험 절차의 기준으로 널리 쓰이고 있다. 국내 기준은 현행 KS 규격과 설계 지침을 기준으로 적용한다.

6. 유형과 비교

암석 강도시험은 하중 재하 방식과 얻는 강도의 종류에 따라 나뉜다. 일축압축시험은 압축강도, 점하중시험은 점하중지수로 환산한 압축 관련 강도, 브라질리언시험은 간접인장강도를 얻는다. 시험체 크기, 시험 속도, 파괴 형태가 서로 달라 결과를 직접 비교할 때 주의가 필요하다.