KR101285968B1 - 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법 - Google Patents

미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 채석장의 암석에 분포하는 미세균열의 파라메타를 통해 해당 암석의 결별 강도를 도출할 수 있어서 석산별로 상이한 암석의 채석방향을 정확하게 판단할 수 있게 되고 이를 통해 채석 실수율을 높일 수 있게 되는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법에 관한 것으로, 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계; 상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계; 상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및 박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법{EVALUATION METHOD FOR MAGNITUDE OF ROCK CLEAVAGE USING MICROCRACK}
본 발명은 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법에 관한 것으로, 특히 채석장의 암석에 분포하는 미세균열의 파라메타를 통해 해당 암석의 결별 강도를 도출할 수 있어서 석산별로 상이한 암석의 채석방향을 정확하게 판단할 수 있게 되고 이를 통해 채석 실수율을 높일 수 있게 되는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법에 관한 것이다.
국내의 화강암류 석산(granite quarry)에서는 암체 내부에 잠재하는 분리가 용이한 면을 이용하여 채석한다. 이러한 고유의 방향성은 소위“결”(rock cleavage)이라고 지칭되며, 암석을 채석 또는 가공할 때 경험적으로 사용되는 용어이다.
결은 국내에서 “메”라는 단어로 사용되기도 하며, 이 “메”자는 틈이라는 의미의 일본어 “目”에서 그대로 사용된 것으로 우리 말의 “결”자를 사용하고 있다. 일본의 경우 가장 깨지기 쉬운 면을 1번 혹은 결(目), 이 면과 직교하는 2번째로 깨지기 쉬운 면을 2번, 이들 2면과 직교하는 면에 대하여 3번 등으로 호칭된다. 영어권의 석산에서도 상기한 1번, 2번 및 3번에 해당되는 용어로 리프트 면(rift plane), 그레인 면(grain plane) 및 하드웨이 면(hardway plane)으로 호칭되며, 이들 3개의 면은 상호 직교하는 것을 전제로 한다.
따라서 화강암체의 상대적인 할석의 용이도는 일반적으로 1번 결(rift) > 2번 결(grain) > 3번 결(hardway)의 순으로 되며, 3 종류의 채석면은 일반적으로 상호 수직관계를 형성한다.
이러한 3 종류의 채석면(quarrying plane)은 일반적으로 상호 직교관계를 이루며, 수직상 채석면의 방향성은 각 석산별로 상이하다. 이들 채석면의 방향성은 단위 석산내에서 채석방향을 결정하는 주요 요인으로 작용하며 또한 규격석을 위한 채석 실수율에도 많은 영향을 미친다. 따라서 이러한 수직의 결을 식별하는 능력은 화강암류 석산에서는 특히 중요하게 인식되고 있다.
하지만 실제 석산별로 암석의 채석면이 달리 형성되기 때문에 1번 결의 방향을 공통적으로 적용할 수 없으며, 1번 결의 방향을 대부분의 채석장에서 경험적으로 찾고 있기 때문에 실제 채석 실수율이 저하되고 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 채석장의 암석에 분포하는 미세균열의 파라메타를 통해 해당 암석의 결별 강도를 도출하는 암석 결의 강도 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계; 상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계; 상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및 박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 암석시료 채취 단계에서 채취되는 정방형 암석시료는 상호 직교하는 리프트면, 그레인면 및 하드웨이면을 외면에 가지게 채취되며, 상기 박편 제작 단계에서는 상기 리프트면, 그레인면 및 하드웨이면에 각각 평행한 박편을 제작하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 미세균열 측정 단계에서는 조사선법에 의해 석영 및 장석 내부의 미세균열을 측정하며, 적어도 1mm 이상의 길이를 갖는 미세균열을 측정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 총 길이이며, 총길이가 길수록 해당 결의 상대적인 강도(strength)를 낮게 평가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 밀도이며, 밀도가 높을수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 미세균열의 밀도는 하기의 수학식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
(수학식)
Figure 112012102956336-pat00001
이때, ρ는 미세균열의 밀도, A는 시료의 단면적, N은 미세균열의 수, C는 균열길이의 절반임.
바람직하게는, 상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 평균길이이며, 평균길이가 길수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 발생빈도수이며, 발생빈도수가 높을수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 발생빈도수, 총길이, 밀도, 평균길이 중 적어도 하나 이상이며, 미세균열의 발생빈도수, 총길이, 밀도, 평균길이의 순으로 해당 결의 상대적인 강도와 높은 상관관계를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 채석장의 암석에 분포하는 미세균열의 파라메타를 통해 해당 암석의 결별 강도를 도출할 수 있어서 석산별로 상이한 암석의 채석방향을 정확하게 판단할 수 있게 되고 이를 통해 채석 실수율을 높일 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법을 도시한 흐름도.
도 2는 암석의 1번 면, 2번 면 및 3번 면을 설명하기 위한 모식도.
도 3은 채석면과 미세균열과의 상관성을 나타내는 모식도.
도 4의 (a)와 (b)는 1번 면, 2번 면 및 3번 면에 평행하게 제작된 박편의 확대사진 및 미세균열에 대한 스케치 결과를 나타내는 도면.
도 5는 각 면에 대한 방향각별 미세균열의 총길이 분포를 나타내는 도면.
도 6은 각 면에 대한 방향각별 미세균열의 빈도수 분포를 나타내는 도면.
도 7은 각 면에 대한 방향각별 미세균열의 밀도 분포를 나타내는 도면.
도 8은 6개 방향별 미세균열의 각종 물리량과 인장강도와의 상관 관계를 나타내는 도면.
도 9는 인장강도 - 밀도, 평균길이, 빈도수 및 총길이 간의 상관 관계를 나타내는 도면.
이하 본 발명에 따른 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
암석의 3 방향의 결 중에서 수평면 상에서 잠재하는 수직 결의 방향성은 단위 석산 내에서 채석방향 설정에 주요한 요소로 작용함으로 국내외 화강암류 석산에서는 특히 중요한 의미를 지닌다. 따라서 이 발명에서는 수직면(vertical plane)인 2번 면 및 3번 면을 위시하여 수평면(horizontal plane)인 1번 면 상에서 잠재하는 2 조의 수직 결에 대한 미세균열 관련 조직 분석(microcrack-related fabric analysis)을 실시하였다. 세부사항으로는 미세균열의 물리량 및 강도의 계측 및 시험을 통하여 결의 발달상과 분포상을 규명하였다. 또한 가시화 및 정량화된 미세균열의 분포특성을 통하여 효과적인 결의 판별요소의 도출을 시도하였다. 실험대상 암석은 거창지역의 화강암을 대상으로 하였다.
도 1은 본 발명에 따른 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법을 도시한 흐름도이다.
1. 암석시료 채취 단계( S110 )
경남 거창군 산포리(범일석산)의 쥬라기 화강암(이하 거창화강암)에서 시료를 채취하였다. 거창화강암(Geochang granite)은 선캠브리아기의 반상변정편마암과 흑운모 호상편마암을 관입한 쥬라기 화강암이다. 이 암석은 회백색(greyish white)을 띠고, 등립상의 중립질암으로 석영 및 장석의 입도는 2~6 mm이다. 실험대상 암석시료 채취심도는 약 20m이다. 주구성광물의 모드 조성(vol. %)은 석영: 31.3 %, 사장석: 39.5 %, 정장석: 9.8 %, 미사장석: 9.6 %, 퍼다이트: 5.7 %, 흑운모: 2.9 %이며, 그외 백운모 등이 미량 확인된다. 이 암석은 분류상 흑운모 화강암에 속한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 화강암 석산에서는 1번 면(rift plane)이 수평면을 형성하고, 수직의 2번 면(grain plane)은 ENE의 방향성을 지니며, 수직인 3번 면(hardway plane)은 1번 면과 거의 직각을 형성하고 있는 것으로 인식되고 있다.
2. 박편 제작 단계( S120 )
채취한 거창화강암의 암석시료에서 1번 면, 2번 면 및 3번 면에 각각 평행하게 박편을 제작한다.
제작된 박편의 크기는 2 cm x 3 cm 이고 , 박편의 두께는 면구조의 측정을 용이하게 하기 위해 일반 박편의 3~4배(약 0.1 mm)로 제작한다. 석영 내 미세균열 및 유체포유물, 장석 내 미세균열 및 벽개면, 흑운모의 벽개면 그리고 입자경계 미세균열 등의 다양한 요소가 검토된다. 그러나 석영 및 장석 입자 내부의 미세균열을 제외한 다른 요소는 결의 방향성과 상관성이 결여되었으며, 따라서 본 발명에서는 미세결구(microfabric), 특히 미세균열이 강조된다.
한편 박편의 확대사진(x 6.7) 상에서 가로 및 세로 방향으로 각각 5개의 측선과 교차(조사선법)하는 석영 및 장석 입자 내부의 미세균열의 길이(L), 간격(S), 빈도수(N) 및 15° 간격의 방향각(θ)을 측정한다. 이러한 미세균열의 길이는 측정상의 난이도를 고려하여 분포성이 뚜렷한 1 mm 이상인 것만 대상으로 하는 것이 바람직하다.
거창화강암의 결과 관련된 강도 이방성이 검토되었다. 강도시험으로는 직접적인 인장시험에 비하여 보다 용이한 압열 인장시험(Brazilian tensile test)을 실시하였다. 1번 면, 2번 면 및 3번 면에 각각 수직인 방향으로 NX 코어(직경 5.4 cm)를 채취하여 길이 대 직경의 비가 1:2가 되도록 시편을 제작하였다. 시편에 대하여 모두 6 방향의 결에 평행한 방향으로 압열 인장시험을 실시하였으며, 1 방향의 결에 대하여 모두 10개의 시편이 사용되었다.
3. 미세균열 측정 단계( S130 )
화강암에서는 세 방향의 채석면과 평행하게 제작된 박편 상에서 상호 직교하는 2조의 결(미세균열)을 각각 측정할 수 있다. 도 3에 도시된 채석면과 미세균열과의 상관성을 나타내는 모식도에서와 같이 1번 면에 평행하는 박편에서는 그레인 1(grain 1)과 하드웨이 2(hardway 2), 2번 면에 평행하는 박편에서는 리프트 1(rift 1)과 하드웨이 1(hardway 1) 그리고 3번 면에 평행하는 박편에서는 그레인 2(grain 2) 및 리프트 2(rift 2)의 미세균열을 각각 측정할 수가 있다.
한편 조사선법에 의한 석영 및 장석 내부의 미세균열을 종합하여 길이, 간격, 빈도수 및 밀도 등을 측정하고, 거창화강암체 내부에 잠재하는 결 즉, 미세균열의 제 특성을 모식도에서 제시한 6 방향과 연계하여 분석한다. 또한 인장강도치와 다양한 미세균열의 파라메터와의 상관성을 검토하게 된다. 1번 면, 2번 면 및 3번 면에 평행하게 제작된 박편의 확대사진 및 미세균열에 대한 스케치 결과의 일부가 각각 도 4의 (a)와 (b)에 도시되어 있다.
4. 결의 강도 평가 단계( S140 )
4-1 미세균열의 길이
미세균열의 길이는 모두 397개를 측정하였다. 각 면별로는 아래의 표 1에서와 같이 1번 면에서 80개, 2번 면에서 147개 그리고 3번 면에서 170개를 각각 측정하였다. 전체적인 미세균열의 길이는 1~8 mm 사이에 분포하며, 1~3 mm 사이에 집중한다. 거창화강암의 총 측정치에 대한 1~3 mm 사이의 균열이 차지하는 비율은 3번 면(36.0 %) > 2번 면(29.2 %) > 1번 면(17.4 %)의 순을 보인다. 거창화강암의 전체적인 평균길이는 2.29 mm이며, 각 면의 평균길이는 2번 면(2.45 mm) > 3번 면(2.31 mm) > 1번 면(2.17 mm)의 순으로 나타난다. 한편 3 및 2번 면에 비하여 1번 면에서 측정한 미세균열의 평균길이가 2.17 mm로서 가장 짧게 나타난다.
Length
(mm)
Plane
1
~
2
2
~
3
3
~
4
4
~
5
5
~
6
6
~
7
7
~
8
Total
N % Mean
(mm)
Rift 43 26 6 4 1     80 20.2 2.17
Grain 62 54 16 10 2 1 2 147 37.0 2.45
Hardway 90 53 17 7 2 1   170 42.8 2.21(2.29)
4-2 방향각별 총길이
3개 면에서 측정된 미세균열의 총 길이(total length)는 아래의 표 2에 나타난 바와 같이 808.8 mm이며, 2번 면(339.7 mm) > 3번 면(332.8 mm) > 1번 면(136.3 mm)의 순으로 나타난다. 2번 면과 3번 면의 총 길이는 유사하며, 수평면에 해당되는 1번 면의 총길이가 가장 짧은 특성이 있다.
θ (°)
Plane
Negative Positive Total
82.5
~
90
67.5
~
82.5
52.5
~
67.5
37.5
~
52.5
22.5
~
37.5
7.5
~
22.5
0
~
7.5
0
~
7.5
7.5
~
22.5
22.5
~
37.5
37.5
~
52.5
52.5
~
67.5
67.5
~
82.5
82.5
~
90
Lt %
Rift 23.7 16.0 1.9 2.2 8.7 7.1 6.1 6.1 9.4 2.2 1.9 1.93 27.7 21.4 136.3 16.9
Grain 32.7 26.7 13.3 7.1 6.1 10.1 9.4 11.3 42.3 36.1 15.1 8.0 30.3 91.2 339.7 42.0
Hardway 13.4 44.1 27.7 16.3 14.3 16.3 24.0 16.7 24.7 16.3 15.1 22.3 41.2 40.4 332.8 41.1
이를 바탕으로 한 각 면의 방향각(θ)별 미세균열의 총 길이분포도는 도 5와 같다. 방향성은 박편의 세로축의 중심을 택하여 시계방향(positive)과 반시계방향(negative)으로 구분하여 측정하였다. 3개 면에 대한 방향각 별 총 길이분포는 상이하며, 도 3의 모식도에서 제시한 6개 방향과 관련하여 분포특성을 도출하였다. 1번 면에서는 ± 80°~± 90°구간(그레인 1)에서 높은 길이분포를 보이며, - 30°구간에서 미약한 변곡점(diverging point)을 각각 형성하나, 전체적인 곡선의 형태는 Y축을 경계로 하여 대칭형태를 취하는 분포특성이 나타난다. 2번 면에서는 ± 80°~ ± 90°구간(리프트 1)에서 가장 높은 길이분포를 보이며, + 10°~ + 30°구간에서 변곡점을 형성한다. 3번 면(리프트 2와 그레인 2가 교차하는 면)에서는 ± 80°~ ± 90°구간(리프트 2)에서 높은 길이분포를 보이며, 0°~ ± 10°구간(그레인 2)에서 다시 변곡점을 형성하여 분포성이 뚜렷한 2조의 미세균열이 상호 수직에 가까운 분포형태를 취한다. 3개 면 중에서 1번 면과 3번 면의 곡선형태는 Y축을 경계로 하여 대칭형이다. 도 5는 3개 면의 방향각별 미세균열의 총 길이에 대한 분포성을 나타낸다.
4-3 미세균열의 간격
미세균열의 간격은 모두 489개를 측정하였다. 아래의 표 3에 나타난 바와 같이 각 면에 대한 균열간격은 1번 면에서는 104개, 2번 면에서는 189개 그리고 3번 면에서는 196개를 각각 측정하였다. 거창화강암의 균열간격은 7 mm 이내의 범위에서 분포하고, 주로 1 mm 이내에 집중되어 있다. 균열의 전체적인 평균간격은 약 1.07 mm로 나타난다.
Spacing
(mm)
Plane
0
~
0.5
0.5
~
1.0
1.0
~
1.5
1.5
~
2.0
2.0
~
2.5
2.5
~
3.0
3.0
~
3.5
3.5
~
4.0
4.0
~
4.5
4.5
~
5.0
5.0
~
5.5
5.5
~
6.0
6.0
~
6.5
6.5
~
7.0
Total
N % Mean
(mm)
Rift 11 33 16 4 16 4 6 2 3 2 3 1 3 104 21.3 1.85
Grain 60 81 19 12 12 1 4 189 38.7 0.86
Hardway 71 76 19 15 8 2 1 2 2 196 39.4 0.85
각 면별로 1 mm 이하의 균열간격의 분포비를 보면, 3번 면(44.3 %) > 2번 면(42.5 %) > 1번 면(13.3 %)의 순으로 나타난다. 각 면의 평균간격은 1번 면(1.85 mm) > 2번 면(0.86 mm) > 3번 면(0.85 mm)의 순으로 된다. 각 면 별로 평균간격을 비교하여 보면, 2번 면과 3번 면의 평균길이 유사하며, 3번 면의 평균간격이 상대적으로 가장 조밀하다. 이와 같은 현상은 균열발달의 빈도수(N)와 상관성이 있다.
4-4 미세균열의 수
미세균열에 대한 방향별 분포수(N)는 거창화강암에서 모두 397개를 측정하였다. 아래의 표 4에 나타난 바와 같이, 각 면에 대하여 1번 면에서는 80개, 2번 면에서는 147개, 3번 면에서는 170개를 각각 측정하였다.
θ (°)
Plane
Negative Positive Total
82.5
~
90
67.5
~
82.5
52.5
~
67.5
37.5
~
52.5
22.5
~
37.5
7.5
~
22.5
0
~
7.5
0
~
7.5
7.5
~
22.5
22.5
~
37.5
37.5
~
52.5
52.5
~
67.5
67.5
~
82.5
82.5
~
90
N %
Rift 11 10 3 4 6 4 3 3 7 4 3 3 10 9 80 20.2
Grain 12 14 7 4 3 4 7 5 20 17 6 5 12 31 147 37.0
Hardway 15 19 12 7 8 7 15 11 12 7 9 13 19 16 170 42.8
한편 각 면에 대한 방향각 별 균열의 분포수는 도 6에 도시된 바와 같으며, 이는 미세균열의 길이 측정 수치와 동일하다. 3개 면에 대한 방향각 별 분포양상을 도 3의 모식도와 관련하여 기재하였다. 1번 면에서는 ± 80°~ ± 90° 구간(그레인 1)에서 가장 높은 분포수를 보이고 있다. +15~20° 구간에서 미약한 변곡점 형성하나, 전체적인 곡선의 형태는 Y축을 경계로 대칭형태로 나타난다. 2번 면에서는 ± 80°~ 90° 구간(리프트 1)에서 가장 높은 분포를 보이며, + 10°~ 20°구간(하드웨이 1)에서 변곡점을 형성한다. 전체적으로 대칭형태를 취하는 분포특성이 나타난다. 3번 면(리프트 2와 그레인 2가 교차하는 면)에서는 ± 80°~ 90°구간(리프트 2)에서 가장 높은 길이분포를 보이며, + 10°~ 20°구간(그레인 2)에서 변곡점을 형성하여 2조의 미세균열이 상호 수직에 가까운 분포성을 나타내고 있다. 도 6은 3개 면의 방향각 별 미세균열의 분포수에 대한 분포성을 나타내며, 도 5에서 제시한 총길이에 대한 분포형과 상호 부합한다.
4-5 미세균열의 밀도 및 강도
조사선법에 의한 방향각 별 미세균열의 수(N) 및 길이(L)는 모두 397개가 측정되었다(표 1 및 표 4 참조). 미세균열의 밀도(ρ)는 시료의 단면적(A), 균열길이의 절반(half-length, C) 및 미세균열의 수(N)를 이용하여 다음 수학식 1을 통해 구할 수 있다.
Figure 112012102956336-pat00002
이렇게 구해진 미세균열의 밀도(ρ)는 아래의 표 5와 같이 정리될 수 있다.
θ (°)
Plane
Negative Positive Total
82.5
~
90
67.5
~
82.5
52.5
~
67.5
37.5
~
52.5
22.5
~
37.5
7.5
~
22.5
0
~
7.5
0
~
7.5
7.5
~
22.5
22.5
~
37.5
37.5
~
52.5
52.5
~
67.5
67.5
~
82.5
82.5
~
90
ρ %
Rift 0.04 0.02 0.001 0.001 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.001 0.001 0.001 0.06 0.04 0.21 14.3
Grain 0.07 0.04 0.02 0.01 0.01 0.02 0.01 0.02 0.07 0.06 0.03 0.01 0.06 0.21 0.64 43.5
Hardway 0.09 0.08 0.05 0.03 0.02 0.03 0.03 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 0.07 0.08 0.62 42.2
미세균열의 밀도는 균열의 빈도수와 길이의 함수이며, 각 면에 대한 분포각(θ)별 미세균열의 밀도가 도 7에 도시되어 있다. 1번 면에서는 분포각 ± 80°~ ± 90° 구간(그레인 1)에서 비교적 높은 밀도분포를 보이며, 0°~ ± 10°구간(하드웨이2)에서 변곡점을 형성하여 2조의 미세균열이 상호 수직에 가까운 분포성을 보이고 있다. 이와 같은 양상은 총 길이 및 빈도 수(도 5 및 도 6 참조)의 경우와 유사하다. 2번 면에서는 ± 80°~ ± 90°구간(리프트 1)에서 가장 높은 밀도분포를 보이며, + 10°~ 30°구간에서 변곡점을 각각 형성하여 미약한 증가추세를 보이고 있다. 3번 면에서는 ± 80°~ ± 90°(리프트 2)에서 높은 밀도분포를 보이며, 0°~ ± 10°구간(그레인 2)에서 변곡점을 형성하여 2조의 미세균열이 상호 수직에 가까운 분포성을 보이고 있다. 이와 같은 양상은 1번 면의 분포형태와 상호 부합한다. 균열밀도를 보면, 거창화강암에서 2번 면 (0.64) > 3번 면 (0.62) > 1번 면 (0.21)의 순으로 나타난다.
한편 도 3의 미세균열의 모식도에서 제시한 6개 방향에 따른 미세균열의 미세균열의 발생빈도(N), 총길이(Lt), 평균길이(Lm), 밀도(ρ) 및 압열 인장강도치를 종합해 보면 아래의 표 6과 같다.
Plane Direction of rock cleavage N
Lt
(mm)
Lm
(mm)
ρ

Tensile strength
(kg/cm2)
σt An (%)
Rift Hardway 2
Grain 1
6
20
12.2
45.1
2.01
2.70
0.02
0.11
99
96
3.1
Grain Hardway 1
Rift 1
12
43
20.7
123.9
1.92
2.91
0.03
0.28
97
87
10.8
Hardway Grain 2
Rift 2
26
31
40.7
53.8
1.65
2.69
0.05
0.17
88
83
5.8
Mean 23 49.4 2.31 0.11 91.6 6.5
여기에서 An(Anisotropy coefficient, 이방성 계수)은 Max-Min / Mean 으로 구해질 수 있다.
상기한 미세균열의 각종 물리량에 대하여 각 면의 2방향의 결에 대한 평균치를 산출한 결과, 아래의 표 7에서와 같이 (리프트 1 + 리프트 2) 〉(그레인 1 + 그레인 2) 〉(하드웨이 1 + 하드웨이 2)의 순으로 되어 결의 강도에 따른 경향성이 보다 뚜렷하다.
Direction of
rock cleavage
N
Lt
(mm)
Lm
(mm)
ρ
Tensile strength
(kg/cm2)
σt An (%)
Rift 1+Rift 2 / 2 37 88.8 2.80 0.22 87.5 11.3
Grain 1+Grain 2 / 2 23 42.9 2.17 0.08 92
Hardway 1 +Hardway 2 / 2 9 16.4 1.96 0.02 98
화강암의 결과 관련된 역학적 이방성을 밝히기 위하여 균열의 분포성에 비교적 예민한 압열 인장시험을 수행하였다. 도 3에 제시한 6개 방향의 결과 평행한 방향으로 압열 인장응력을 가한 후 강도를 측정하였다. 6개 방향의 인장강도는 83~99 kg/cm2(평균:91.6 kg/cm2), 각 면에 대한 2개 방향별 강도 이방성 계수의 범위는 3.1~10.8 %(평균 6.5 %)로 각각 나타난다. 도 8에 도시된 바와 같이 6개 방향별 미세균열의 각종 물리량과 인장강도와의 상관도에서 인장강도는 미세균열의 밀도, 빈도수 및 총길이와 비교적 높은 상관성을 보이고 있다.
6개 방향별 인장강도 - 밀도, 평균길이, 빈도수 및 총길이간의 상관도에서 최적상관식은 모두 음의 지수함수로 표현되며, 도 9에 도시된 바와 같이 인장강도의 방향별 분포특성은 평균길이(R2=0.11)에 비하여 상대적으로 변화 폭이 큰 빈도수(R2=0.73) 및 총길이(R2=0.70)에 상대적으로 더 민감하다. 여기에서 R은 상관계수(correlation coefficient)이며, R2 은 상관계수(R)을 제곱한 것과 같으며 R²이 1 일 경우 모든 표본 관측치가 추정된 회귀선 상에만 있다는 것을 의미하며, 반면, R²이 0 일 경우에는 추정된 회귀선이 변수 사이의 관계를 전혀 설명해 주지 못함을 의미한다.
국내 단위 석산 내에서의 결의 방향성은 채석방향을 결정하는 주요 요인으로 작용하며 또한 규격석을 위한 채석 실수율에도 많은 영향을 미친다. 따라서 이러한 수직의 결을 식별하는 능력은 화강암류 석산에서는 특히 중요하게 인식되고 있다. 기존의 석산에서는 일반적으로 수직 결의 방향과 평행한 수직상 채석면이 형성되어 있으나, 미개발지 내에서 발달하는 암체의 수평면 상에서 수직 결을 형성하는 1번 면 또는 2번 면의 방향을 결정하는 일은 신중하여야 하며 또한 중요한 사안에 속한다. 이러한 수직 결을 형성하는 미세균열의 방향성 파악과 아울러 미세균열의 유형별 가시화를 통하여 화강암체의 응력성에 관련된 지구조적인 측면에서도 그 의의를 모색할 수가 있다. 도 4에서 좌측 하부의 석영 내부 미세균열의 방향성은 수직의 2번 면(그레인 1)에 거의 평행하며, 도 5에서는 ± 80°~ 90°구간에서 높은 집중성을 보여주고 있다. 따라서 이러한 유형의 미세균열의 배열성은 화강암체 내부의 응력성을 반영하며, 특히 수직 결의 방향성 판별에 강력한 지시자로 나타난다.
거창지역의 쥬라기 화강암을 대상으로 1번 면, 2번 면 및 3번 면에 평행하게 제작된 박편의 확대사진을 이용하여 미세균열의 방향성과 길이, 빈도수 및 밀도의 분포성 그리고 강도와의 상관성 등을 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 조사선법에 의한 미세균열의 분포형은 1번 결 및 2번 결의 방향을 따라 상호 직교하는 형태를 보인다. 또한 미세균열의 밀도, 빈도수, 총길이 및 평균길이는 결의 상대적인 강도를 제시하고 1번 결 > 2번 결 > 3번 결의 순으로 나타난다.
2. 결의 모식도에 따른 6개 방향별 압열 인장강도 - 미세균열의 빈도수, 밀도 및 총길이와의 관계도에서 결의 상대적인 발달 정도를 비교적 잘 반영하며, 평균길이에 비하여 빈도수 및 총길이와 상관성이 높게 나타난다.
3. 박편의 확대사진 상에서 전형적인 석영 내부 미세균열은 그레인 1의 방향성을 잘 반영한다. 석영 내부에 분포하는 미세균열의 분포특성은 잠재적인 채석면의 방향성을 판단할 수 있게 만든다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계;
    상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계;
    상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및
    박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하되,
    상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 총 길이이며, 총길이가 길수록 해당 결의 상대적인 강도(strength)를 낮게 평가하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  2. 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계;
    상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계;
    상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및
    박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하되,
    상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 밀도이며, 밀도가 높을수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 미세균열의 밀도는 하기의 수학식을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
    (수학식)
    Figure 112013030265330-pat00013

    이때, ρ는 미세균열의 밀도, A는 시료의 단면적, N은 미세균열의 수, C는 균열길이의 절반임.
  4. 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계;
    상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계;
    상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및
    박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하되,
    상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 평균길이이며, 평균길이가 길수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  5. 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계;
    상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계;
    상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및
    박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하되,
    상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 발생빈도수이며, 발생빈도수가 높을수록 해당 결의 상대적인 강도를 낮게 평가하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  6. 화강암으로부터 정방형 암석시료를 채취하는 암석시료 채취 단계;
    상기 암석시료의 3개 결의 면과 평행한 박편을 각각 제작하는 박편 제작 단계;
    상기 각 박편에서 상호 직교하는 2조의 결을 가진 미세균열을 측정하는 미세균열 측정 단계; 및
    박편 내 상기 미세균열의 파라메터를 통해 각 결의 상대적인 강도를 평가하는 결의 강도 평가 단계; 를 포함하되,
    상기 결의 강도 평가 단계에서 미세균열의 파라메터는 미세균열의 발생빈도수, 총길이, 밀도, 평균길이 중 적어도 하나 이상이며, 미세균열의 발생빈도수, 총길이, 밀도, 평균길이의 순으로 해당 결의 상대적인 강도와 높은 상관관계를 가지는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 암석시료 채취 단계에서 채취되는 정방형 암석시료는 상호 직교하는 리프트면, 그레인면 및 하드웨이면을 외면에 가지게 채취되며, 상기 박편 제작 단계에서는 상기 리프트면, 그레인면 및 하드웨이면에 각각 평행한 박편을 제작하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 미세균열 측정 단계에서는 조사선법에 의해 석영 및 장석 내부의 미세균열을 측정하며, 적어도 1mm 이상의 길이를 갖는 미세균열을 측정하는 것을 특징으로 하는 미세균열을 이용한 암석 결의 강도 평가 방법.

  9. 삭제
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