암석 강도특성

왜 배우는가: 암석의 강도는 구속압, 재하속도, 공시체 치수에 따라 달라지므로 실내시험 결과를 현장 암반 설계값으로 옮길 때 보정 기준을 알아야 한다. 토질및기초기술사 시험에서 이 세 영향 요소는 반복해서 묻는 주제다.

출제 이력: 제112회 2교시 2번, 제110회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

암석 강도특성은 암석시료에 하중을 가했을 때 나타나는 압축강도·인장강도·전단강도와 그 파괴 거동을 구속압, 재하속도, 공시체 치수 등 조건과 함께 규정하는 성질이다.

핵심 키워드

• 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS)
• 삼축압축시험(Triaxial Compression Test)
• 구속압(Confining Pressure)
• 재하속도(Loading Rate)
• 공시체 치수 효과(Size Effect)
• 전단강도(Shear Strength)
• 점착력과 내부마찰각
• 취성·연성 거동(Brittle·Ductile Behavior)

2. 개념 풀이

암석은 흙과 달리 입자가 서로 맞물리고 결정이 강하게 결합한 재료다. 그래서 시료에 하중을 가하면 일정 수준까지 탄성적으로 변형하다가 어느 순간 균열이 생겨 갑자기 파괴된다. 이 파괴 순간의 응력이 강도이고, 응력과 변형률의 관계 곡선이 강도특성을 보여 준다.

일축압축강도는 측압 없이 축방향으로만 하중을 가해 얻은 최대 압축응력이다. 가장 간단하고 널리 쓰는 강도 지표다. 식으로는 \sigma_c = P_{max}/A 이며, P_{max}는 최대 하중(N), A는 공시체 단면적(㎡)이다.

삼축압축시험은 공시체를 고무막으로 싸고 측압(구속압 \sigma_3)을 가한 상태에서 축차응력을 증가시키는 시험이다. 구속압을 달리한 여러 시험의 Mohr 응력원을 그리면 파괴포락선이 얻어지고, 그 기울기와 절편에서 내부마찰각과 점착력을 구한다.

전단강도는 암석이 전단 방향으로 파괴될 때의 저항 응력이다. 암석에서는 구속압이 커질수록 전단강도가 커지는 것이 기본 성질이다. 이 성질은 암석 사면과 터널 지보 설계에서 강도 정수를 정하는 근거가 된다.

재하속도는 시료에 하중을 가하는 속도(응력 속도 또는 변형률 속도)다. 시험 결과는 재하속도에 따라 달라지므로 표준 시험에서는 속도를 정해 둔다.

공시체 치수 효과는 같은 암석이라도 시료의 크기(지름, 높이)에 따라 측정 강도가 달라지는 현상이다. 큰 시료일수록 내부에 결함이 많이 포함되어 강도가 낮게 나타나는 것이 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

현장 암반은 깊이에 따라 구속응력을 받고, 발파나 지진처럼 빠른 하중을 받기도 하며, 크기가 큰 블록으로 존재한다. 그러나 실내시험 시료는 작고, 대기압 상태에서 천천히 하중을 받는다. 두 조건이 다르므로 실내시험값을 그대로 현장에 쓰면 강도를 과대 또는 과소평가할 수 있다.

이 차이를 줄이기 위해 구속압, 재하속도, 치수 세 가지 영향을 정량적으로 이해하고 보정해야 한다. 특히 깊이에 따라 구속압이 커지면 강도와 연성이 함께 커진다는 점이 암반 설계의 출발점이다. 이런 이해 없이는 Hoek & Brown 파괴기준 같은 암반 강도 모델의 입력값을 정할 수 없다.

재하속도의 영향은 발파와 같은 동적 하중을 다룰 때 중요하다. 같은 암석이 빠르게 재하되면 더 강하게 나타날 수 있다는 점이 실험으로 확인되었다. 치수 영향은 표준 공시체와 현장 시료의 차이를 설명하는 근거다. 국내 콘크리트 설계기준에서도 100×200mm 공시체 강도보정계수 0.97 같은 보정을 두는데, 암석 실험에서도 시료 크기 보정의 필요성을 같은 원리로 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

암석 강도는 시료 하나의 고유 값이 아니라 시험 조건에 따라 달라지는 결과다. 강도를 결정하는 요소는 크게 암석 자체의 구성(광물, 조직, 공극, 풍화도, 함수비)과 시험 조건(구속압, 재하속도, 온도, 공시체 치수, 응력 경로)으로 나뉜다. 답안에서는 이 두 묶음을 나눠 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 포함하기 쉽다.

위 표는 전단강도 결정 요소를 원인별로 정리한 것이다. 구속압과 재하속도는 응력-변형률 곡선의 최대강도와 파괴 후 거동을 함께 바꾼다. 공시체 치수는 시료 내 결함의 수와 크기가 달라지며 나타나는 현상이다.

암석의 파괴 원리는 Mohr-Coulomb 기준으로 설명한다. 전단강도는 파괴면의 수직응력과 점착력, 내부마찰각으로 결정된다. 식은 다음과 같다.

$\tau = c + \sigma \tan\phi$

여기서 \tau는 전단강도(MPa), c는 점착력(MPa), \sigma는 파괴면의 수직응력(MPa), \phi는 내부마찰각(°)이다. 구속압 \sigma_3가 커지면 같은 축차응력에서도 파괴 Mohr 원이 커져 강도가 증가한다. 이것이 구속압 효과의 기본 원리다.

구속압이 커지면 파괴 시 축차응력이 증가하고 연성 거동이 강해진다

응력-변형률 시험의 절차는 다음과 같다.

• 공시체를 치수 측정 후 고무막으로 감싸 삼축셀에 설치한다.
• 셀압(구속압)을 가해 정수압 상태를 만든다.
• 일정한 변형률 속도로 축차하중을 재하한다.
• 축하중, 축변위, 필요 시 체적변화를 측정한다.
• 최대 축차응력을 파괴강도로 결정하고 여러 구속압에서 결과를 모아 파괴포락선을 그린다.

재하속도는 파괴에 이르는 시간을 결정한다. 빠른 재하에서는 균열이 성장할 시간이 짧아 강도가 높게 나타난다. 반대로 느린 재하에서는 응력부식이나 크리프 성분이 함께 작용해 강도가 낮아진다. 암석은 점탄성·취성 거동을 보이므로 재하속도 영향이 뚜렷하다.

공시체 치수 효과는 시료 내 결함이 많을수록 파괴가 빨리 시작되는 원리로 설명한다. 같은 암종이라도 직경이 커지면 임의의 약한 면이 포함될 확률이 높아져 평균 강도가 낮아진다. 따라서 시험 결과를 비교할 때는 직경과 높이/직경비를 함께 기록해야 한다. 일반적으로 높이는 직경의 2.0~2.5배로 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

암석 강도시험의 방법은 국내 KS 규격과 국제 규격(ISO, ASTM)을 따른다. 다음 표는 강도 특성에 직접 관련된 기준과 기준값을 정리한 것이다.

위 표의 값은 암석 시험 기준이 아니라 치수와 재하속도 효과를 설명하는 대표 값이다. 암석 삼축시험의 재하속도와 공시체 크기는 시험기관이 정한 절차를 따르며, 지반 설계에서는 시험 조건을 보고서에 명시한다. 치수보정계수 0.97은 콘크리트 설계기준의 값으로, 암석에 그대로 적용하지 않고 치수 효과의 방향을 설명하는 근거로만 쓴다.

구속압 효과는 여러 구속압에서 얻은 파괴포락선으로 정량화한다. 같은 암석이라도 구속압이 높아지면 파괴 양상이 취성에서 연성으로 바뀐다. 이 전이 조건은 시험 기준보다 암석의 종류와 구속압 범위에 따라 달라지므로 시험 계획에 반영한다.

재하속도 효과는 변형률 속도 자체를 기준으로 비교한다. 빠른 속도에서는 강도가 증가하고 취성이 커지며, 느린 속도에서는 강도가 감소하고 연성 성분이 증가한다. 동적 하중은 정적 시험 결과보다 강도가 크게 나타날 수 있으므로 설계 하중 조건과 시험 속도를 맞춘다.