KR102534938B1 - 절리암석 동적전단하중 재현을 위한 충격 낙하 테이블 시험장치 - Google Patents

절리암석 동적전단하중 재현을 위한 충격 낙하 테이블 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충돌시 반력에 의해 해머가 시료에 충돌하여 충격지진동을유발하여 시료에 가해지는 전단응력과 구속응력을 구하여 충돌 지진동 파형을 예측하는 충격 낙하 시험장치에 관한 것이다.

Description

절리암석 동적전단하중 재현을 위한 충격 낙하 테이블 시험장치{Shock drop table test device for simulating dynamic shear force on jointed rocks}
본 발명은 지하 암반 내 충돌 지진동 파형 재현을 위한 충격 낙하 테이블 시험장치로서, 보다 상세하게는 충돌시 반력에 의해 해머가 시료에 충격 지진동을 유발하여 시료에 가해지는 충돌 지진동 파형을 구현하는 충격 낙하 시험장치에 관한 것이다.
극초음속 비산체가 지질재료에 충돌하는 경우, 비산체와 지중재료의 충돌지점을 중심으로 분쇄대(crushed zone), 파쇄대(fractured zone, stage I), 균열대(fractured zone, stage II), 그리고 충격 응력대(shock stress zone)로 구분되는 손상영향범위를 형성하게 된다. 이러한 손상영향범위는 비산체의 침투 및 관통에 따라 함께 이동하며, 비산체의 운동이 멈추더라도 발생한 충격 응력파는 계속해서 암반을 따라 지중을 전파한다. 이처럼 지중 암반을 따라 전파하는 충격 응력파가 지하 갱도 등 지중시설의 표면에 도달하는 경우, 박리파괴(spallation), 암반돌출(Rock burst & buckling), 전단파괴(Shear failure) 등의 발생으로 지하갱도 붕괴를 야기할 수 있다.
지중 암반 내 갱도의 붕괴거동은 갱도 상단까지 전달된 응력파의 최대 입자진동속도(Peak Particl Velocity, PPV) 크기, 암반 내 작용하는 초기응력(initial stress), 암반 강도(정적 및 동적) 및 절리특성, 지보상태 등 다양한 환경변수들의 영향을 받으며, 이들의 반영을 통해 붕괴 여부 및 규모를 결정할 수 있다. 극초음속 충돌에 의하여 발생하는 지진동을 이용하여 지중갱도 표적의 붕괴를 유도하거나 붕괴 거동을 예측하기 위해서는 지중환경 조건을 고려한 구속조건과 1m/s~20m/s의 입사 진동속도(input PPV) 및 0.1ms~10ms의 주기를 갖는 가압조건을 구현할 수 있는 충격하중장치의 개발이 필요하며, 이를 이용한 지진동 환산거리 기반 갱도 파괴모델의 개발이 필수적이다.
한편, 지하 암반 내 존재하는 갱도에 충격 지진동이 가해지는 경우, 갱도 주변부의 불연속면 상태, 갱도의 형상 및 지압조건에 따른 구속압 등에 따라 다양한 유형의 충격 지진동 붕괴 현상이 야기될 수 있다. 특히, 암반 내에 위치한 갱도는 연속체 매질에 대한 자유면으로 작용함에 따라 Spalling, Buckling(Rock burst), Shear failure 등에 의한 붕괴형태가 가장 빈번하게 발생하며, 이러한 각각의 붕괴형태에 대한 파괴기준 및 영향인자 특성화가 필요하게 된다.
한국등록특허 10-1738125호에는 해머가 장착된 가이드부를 낙하시켜 시료에 가해지는 동적 충격하중량을 가압하는 낙하충격시험기가 개시되어 있다. 상기 한국등록특허는 시료에 충격을 가하여 시료의 파괴과정에서 발생되는 에너지를 흡수한 충격값을 도출하는 방식이다. 다만, 한국등록특허는 시료가 흡수한 충격값을 도출하는 것에 한정될 뿐, 암석 등 지질에 가해지는 충격(충돌)으로 인해 발생되는 충격응력파가 지중 암반을 따라 전파하여 지하 갱도 등 지중시설의 붕괴를 유도하는지에 대한 (붕괴 거동) 예측은 어려웠다.
본 발명은 충격 지진동으로 인해 발생되는 충격응력파가 지중시설의 붕괴를 유도하는지를 예측할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 시료에 가해지는 동적 전단력(전단응력)을 측정할 수 있는 충격 낙하 시험장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양상은
하부플레이트(11), 상기 하부플레이드 상에 직립되어 배치된 메인 기둥(12) 및 상기 하부 플레이트 상에 위치하는 충격댐퍼(13)를 구비하는 지지프레임(10) ;
상기 메인 기둥(12)과 인접하게 위치하는 가이드바(21), 하면에 상기 충격댐퍼(13)와 충돌하는 제 1 해머(221, 충격봉)를 구비하여 상기 가이드바(21)를 따라 승하강하는 가이드플레이트(22)로 이루어지는 가이드부(20) ; 및
상기 가이드 플레이트(22) 상부에 고정되고, 내부에 시료(1)가 위치되는 입체 구조의 바디(31), 상기 시료가 거치되는 지지부(32), 상기 지지부를 측면에서 가압하는 유압부(33), 상기 바디(31) 상부측에 위치하는 제 2 해머(34), 상기 바디(31)의 상면을 관통하여 시료에 인접 내지 접촉되는 충격봉(35) 및 일측은 상기 제 2 해머 하단과 인접 또는 접촉되고 타측은 상기 충격봉(35)의 상부측에 고정되는 충격하중셀(36)을 구비하는 동적 하중 프레임(30)을 포함하고,
상기 가이드부(20)와 동적 하중 프레임(30)이 낙하하여 제 1 해머(221)가 상기 충격댐퍼(13)에 충돌되면, 상기 제 2 해머가 상기 시료(1)에 충돌하여 충격 지진동을 유발하는 충격 낙하 시험 장치에 관련된다.
본 발명의 충격낙하 시험장치는 하부 바닥의 충격댐퍼에 충돌하는 제 1 해머와 반발력에 의해 시료에 충격 지진동을 유발하는 제 2 해머를 구비하여 시료에 가해지는 전단하중-시간곡선을 제어할 수 있다.
본 발명의 충격낙하 시험장치는 시료의 양쪽에 0.1MPa/mm 이상의 일정 수직강성을 제공하는 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치와 유압식 하중장치를 구비한 동적 하중 프레임으로 시료에 가해지는 구속응력조건하에서 발생하는 전단응력을 구하여 임의의 충돌 지진동 파형에 의한 절리암석의 전단파괴거동을 예측할 수 있다.
도 1은 한국등록특허 10-1738125호의 낙하충격시험기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일구현예인 충격 낙하 시험 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2의 동적 하중 프레임을 이용하여 암석의 동적 전단 변형 거동을 시험하는 도면이다.
도 4는 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)의 구현예이다.
도 5는 수직하중셀의 일예이다.
도 6은 시료의 전단응력(τ)와 수직응력(σ)에 대한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일구현예인 충격 낙하 시험 장치의 개략도이고, 도 3은 도 2의 동적 하중 프레임을 이용하여 암석의 동적 전단 변형 거동을 시험하는 도면이고, 도 4는 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)의 구현예이고, 도 5는 수직하중셀의 일예이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 충격 낙하 시험 장치는 지지프레임(10). 가이드부(20) 및 동적 하중 프레임(30)을 포함한다.
상기 지지프레임(10)은 하부플레이트(11), 상기 하부플레이드 상에 직립되어 배치된 메인 기둥(12) 및 상기 하부 플레이트 상에 위치하는 충격댐퍼(13)를 구비한다.
상기 지지프레암은 낙하 충격 시험이 가능하도록 일정 높이를 갖는 프레임으로서, 하부플레이트(11)는 지면상에 위치된다.
상기 메인기둥(12)은 일단이 상기 하부플레이트에 고정되어, 소정 높이로 직립되어 두 개 이상이 배치될 수 있다.
상기 충격 댐퍼(13)는 후술하는 제 1 해머와 충돌하여 충격파를 발생시킨다. 상기 충격댐퍼(13)는 열처리된 강봉(steel bar)으로서, 상부에 충격흡수 패드가 위치될 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 가이드부(20)는 가이드바(21)과 가이드플레이트(22)를 포함한다.
상기 가이드바(21)는 상기 메인 기둥(12)에 인접하게 위치되는 수직봉이다. 도 2와 같이, 상기 가이드바(21)는 상기 메인 기둥과 고정패드(14)를 통해 체결될 수 있다.
상기 가이드 플레이트(22)는 금속판으로서, 상면에 동적 하중 프레임(30)이 고정되고, 상기 가이드바(21)를 따라 승하강될 수 있다.
상기 가이드플레이트(22)는 하부 중앙부위에 상기 충격댐퍼(13)와 충돌하는 제 1 해머(221)를 구비한다. 상기 제 1 해머(221)는 강철이나 열처리된 강봉(steel bar)등의 금속재질일 수 있다. 상기 가이드 플레이트(22)가 낙하하면, 상기 제 1 해머(221)가 상기 충격댐퍼(13)에 충돌되고, 충돌시 발생되는 충격력(반력)이 상기 동적 하중 프레임(30)에 전달된다.
상기 동적 하중 프레임(30)은 불연속 암반의 지중압 조건(외부 충격에 의한 전단력)을 모사하도록 설계되었다.
도 2와 도 3을 참고하면, 동적하중 프레임(30)은 바디(31), 지지부(32), 유압부(33), 제 2 해머(34), 충격봉(35) 및 충격하중셀(36)을 포함할 수 있다.
상기 바디(31)는 시료(1)가 내부에 위치할 수 있는 입체 형상의 구조물이다. 상기 바디(31)는 상기 가이드 플레이트(22) 상면에 고정될 수 있다.
상기 지지부(32)는 시료(1)의 좌측, 우측, 하부 또는 상부측에 위치하여 시료를 고정할 수 있다.
상기 유압부(33)는 상기 지지대를 측면에서 가압할 수 있다. 상기 유압부(33)는 상기 지지대를 통해 상기 시료에 측면에서의 힘을 제공할 수 있다.
본 발명의 충격 낙하 시험 장치는 상기 지지대(32)와 시료(1) 사이에 위치하고, 시료 측면에서 일정 수직 강성 조건을 제공하는 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)를 포함할 수 있다.
CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)는 지지대(32)에 일면에 부착되는 하판(41), 상기 시료에 돌출판이 밀착되는 상판(42) 및 용수철(431)을 구비하며 상기 상판(41)과 하판(42) 사이에 위치하는 변형 제어장치(43)을 포함한다.
상기 변형제어장치(43)는 용수철의 탄성을 이용하여 암석시료에 일정한 수직하중을 유지할 수 있다.
CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)는 변형제어장치(43)의 탄성력을 이용해 암석시료의 팽창거동하에서도 유압부의 힘을 균일하게 시료에 유지해주는 장치이다.
예를 들면, 일정 수직 강성 조건은 시료를 측면에서 0.1MPa/mm~2MPa/mm으로 가압하는 가압조건이다.
예를 들면, 유압부와 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)는 약 0.1 MPa/mm수준의 힘을 상기 시료 측면(중력방향의 수직방향)으로 제공할 수 있다.
상기 제 2 해머(34)는 상기 프레임(31) 상부측에 위치하는 대칭형상의 금속재 해머이다. 예를 들면, 상기 제 2 해머는 반구, 원기둥, 각기둥 형상일 수 있다.
상기 충격봉(35)은 바디(31)의 상면을 관통하여 시료에 인접 내지 접촉되는 금속봉이다.
상기 충격하중셀(36)은 제 2 해머 하단에 위치하여 시료에 가해지는 충격하중을 측정하는 센서이다. 충격하중셀(36)은 제 2 해머(34) 및 충격봉(35)를 통해 암석시료에 전달되는 충격하중을 측정할 수 있다.
상기 충격하중셀(36)은 공지된 장치를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 충격하중셀(36)로 석영(quartz) 하중셀, 압전소자(piezoelectric element), 변형률게이지 센서가 이용될 수 있다.
상기 동적 하중 프레임(30)은 시료(1)를 사이에 두고 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)의 반대편에 위치하며, 상기 일정 수직강성 조건에서 암석시료 절리(두 암석시료의 접촉면)의 팽창으로 발생되는 수직응력(σ)을 측정하는 수직하중셀(50)을 포함할 수 있다.
상기 수직하중셀(50)은 다양한 구조로 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 수직하중셀(50)은 하판(51), 압력측정센서(52), 상판(53), 고정바(54) 및 레일(55)을 포함할 수 있다.
상기 압력측정센서(52)는 공지된 압력 측정 센서로서 석영(quartz) 하중셀, 압전소자(piezoelectric element), 변형률게이지 센서가 이용될 수 있다.
상기 레일(55)은 암석시료와의 접촉하되 저항을 최소화할 수 있도록 설계된 금속 구조물이다.
상기 동적 하중 프레임(30)은
상기 바디(31) 상면에 직립되는 고정바(37), 상기 고정바 상부측에 삽입되어 위치하는 고정수단(38), 상기 고정바에 삽입되고 상기 고정수단 아래에 위치하여 상기 고정바를 따라 상하 이동가능한 플레이트(39)를 포함할 수 있다.
상기 플레이트(39) 하면에 상기 제 2 해머(34)가 체결될 수 있다.
상기 플레이트(39)는 상기 고정수단(예를 들면, 볼트) 아래에 위치되어 중력방향으로 힘이 가해지면 상기 고정 수단(38) 아래로 하강될 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 가이드부(20)와 동적 하중 프레임(30)이 낙하하여 제 1 해머(221)가 상기 충격댐퍼(13)에 충돌되면, 충돌과 거의 동시에 상기 제 2 해머가 하강하여 상기 시료(1)에 충돌하여 충격 하중(유사 지진동)을 유발할 수 있다.
상기 고정수단(38)은 제 2 해머의 반복적인 충돌(해머링)을 방지할 수 있다.
상기 동적 하중 프레임(30)은 Shearing failure에 의한 붕괴가 발생할 수 있는 충격 하중의 조건(Buckling 현상과 유사한 수준)인 약 10m/s 이내의 충격 진동속도 및 1~20ms 수준의 응력파 주기를 제공할 수 있다.
상기 동적 하중 프레임(30)은 상기 제 2 해머(34)의 크기, 중량, 형상 또는 재질을 변경시켜 충격 지진동의 규모와 파형을 제어할 수 있다.
본 발명의 충격 낙하 시험 장치는 하기 수학식 1의 전단응력(τ)을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
전단응력(τ) = F/A,
수직응력(σ)=P/A
F : 충격하중셀(36)로 측정된 충격하중(kgf)
P : 수직하중셀(1a)로 측정된 충격하중(kgf)
A : 암석시료의 절리접촉면(A = 가로 × 세로, cm2)
도 6은 시료의 전단응력(τ)와 수직응력(σ) 대한 그래프의 예로서, OA 구간은 절리의 거칠기로부터 발생한 팽창압에 의한 전단응력과 수직응력이 동시에 증가하는 구간이며, AB구간은 절리의 거칠기 표면이 파괴되면서 발생하고 전단응력의 증가가 둔감해지는 구간이며, BC구간은 절리의 거칠기 파괴되고 잔류응력이 존재하는 구간이다.
상기 전단응력(τ)와 수직응력 (σ) 그래프의 경향을 잘 나타낼 수 있는 추세식을 만들면 암석절리면의 파괴조건식이 될 수 있다.
한편, 본 발명의 충격 낙하 시험 장치는 상기 시료에 부착되는 제 1 가속도 센서(A1) 및 상기 가이드부에 설치되는 제 2 가속도 센서(A1)를 구비하여 상기 시료의 (전단)변위값(u)을 측정할 수 있다. 시료의 (전단)변위값(u)은 제 2 해머가 상기 시료(1)에 충돌하는 경우, 시료(1)가 이동된 거리이다,
시료의 전단변위값(u)은 시료의 전체 변위(b)와 상기 가이드부(20) 및 동적하중프레임(30)이 보이는 변위(c)의 차를 후술한 바와 같이 계산하여 산출한다.
시료의 전체 변위는 도 2 (b)상의 암석시료 1b의 표면에 제 1 가속도센서(A1)를 부착하여 측정할 수 있다. 제 1 가속도센서로 부터 획득할 수 있는 원데이터(Raw data)는 시간에 따른 가속도 이력이며, 이때의 가속도 값을 시간에 대해 1차 적분하면 시간에 대한 속도 이력을 산출할 수 있다. 전술된 시간-속도 이력 산출 값을 시간에 대해 2차 적분을 수행하면 시간에 대한 암석시료의 전체 변위 값을 획득할 수 있다.
상기 가이드부(20) 및 동적하중프레임(30)의 변위는 상기 가이드부(20)에 부착된 제 2 가속도센서(A2)의 측정값을 토대로, 전술한 방법과 동일하게, 시간-가속도 이력을 시간에 대해 1차 및 2차 적분하여 획득할 수 있다.
CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)가 제공하는 일정 수직 강성 조건에서 상기 수직응력(σ)은 전단변위값(u)의 함수가 될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현 예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다.

Claims (5)

  1. 하부플레이트(11), 상기 하부플레이트(11) 상에 직립되어 배치된 메인 기둥(12) 및 상기 하부플레이트 상에 위치하는 충격댐퍼(13)를 구비하는 지지프레임(10) ;
    상기 메인 기둥(12)과 인접하게 위치하는 가이드바(21), 하면에 상기 충격댐퍼(13)와 충돌하는 제 1 해머(221)를 구비하여 상기 가이드바(21)를 따라 승하강하는 가이드플레이트(22)로 이루어지는 가이드부(20) ; 및
    상기 가이드 플레이트(22) 상부에 고정되고, 내부에 시료(1)가 위치되는 입체 구조의 바디(31), 상기 시료가 거치되는 지지부(32), 상기 지지부를 측면에서 가압하는 유압부(33), 상기 바디(31) 상부측에 위치하는 제 2 해머(34), 상기 바디(31)의 상면을 관통하여 시료에 인접 내지 접촉되는 충격봉(35) 및 일측은 상기 제 2 해머 하단과 인접 또는 접촉되고 타측은 상기 충격봉(35)의 상부측에 고정되는 충격하중셀(36)을 구비하는 동적 하중 프레임(30)을 포함하고,
    상기 가이드부(20)와 동적 하중 프레임(30)이 낙하하여 제 1 해머(221)가 상기 충격댐퍼(13)에 충돌되면, 상기 충격봉이 상기 시료(1)에 충격 지진동을 유발하는 것을 특징으로 하는 충격 낙하 시험 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 동적 하중 프레임(30)은
    상기 지지부(32)와 시료(1) 사이에 위치하고,
    시료 일측면에서 시료에 밀착되어 일정 수직 강성 조건을 제공하는 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)를 포함하고,
    상기 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)는
    지지부(32) 일면에 부착되는 하판(41) ;
    상기 시료에 돌출판이 밀착되는 상판(42) ; 및
    용수철(431)을 구비하며 상기 상판(42)과 하판(41) 사이에 위치하는 변형 제어장치(43)을 포함하고,
    여기서, 일정 수직 강성 조건은 시료를 측면에서 0.1MPa/mm~2MPa/mm힘으로 가압하는 가압조건인 것을 특징으로 하는 충격 낙하 시험 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 동적 하중 프레임(30)은
    상기 시료(1)를 사이에 두고 상기 CNS(Constant Normal Stiffness) 가압장치(40)의 반대편에 위치하고, 상기 일정 수직강성 조건에서 암석시료 절리(두 암석시료의 접촉면)의 팽창으로 발생되는 수직응력(σ)을 측정하는 수직하중셀(52)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 낙하 시험 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 충격 낙하 시험 장치는 하기 수학식 1의 전단응력(τ)과 수직응력을 산출하는 것을 특징으로 하는 충격 낙하 시험 장치.
    [수학식 1]
    전단응력(τ) = F/A,
    수직응력(σ) = P/A
    F : 충격하중셀(36)로 측정된 충격하중(kgf)
    P : 수직하중셀(52)로 측정된 충격하중(kgf)
    A : 암석시료의 절리접촉면(A = 가로 × 세로, cm2)
  5. 제 1항에 있어서, 상기 충격 낙하 시험 장치는 상기 시료에 부착되는 제 1 가속도 센서(A1) 및 상기 가이드부에 설치되는 제 2 가속도 센서(A2)를 구비하여 상기 시료의 변위값(u)을 측정하는 것을 특징으로 하는 충격 낙하 시험 장치.
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