A study on the Change of Uniaxial Compressive Strength and Young's Modulus According to the Specimen Size of Intact Material

무결함 재료의 크기에 따른 강도와 탄성계수의 변화에 관한 연구

Rock and discontinuities are main factors consisting of a rock mass and the physical properties of each factor have direct effects on the mechanical stability of artificial structures in the rock mass. Because physical properties of the rock and discontinuities change a lot according to the size of test materials, a close attention is needed when the physical properties, obtained from laboratory tests, are used for the design of field structures. In this study, change of physical properties of intact materials due to the change of their size are studied. Six kinds of artificial materials including crystal, instead of an intact rock, are adopted for the study to guarantee the homogeneity of specimen materials even with relatively large size. Uniaxial strength and Young's modulus of each artificial material are checked out for a size effect and compared with the predicted values by Buckingham's theorem - dimensional analysis. A numerical analysis using PFC (Particle Flow Code) is also applied and primary factors influencing on the size effect are investigated.

암석과 불연속면은 암반을 구성하는 주요소이며 각각의 주요 물성들은 암반 구조물의 역학적 안정성에 직접적인 영향을 미친다. 암석 및 암반 불연속면의 물성은 시료의 크기에 따라 변화하는 양상을 보이므로 실험실 시험에서 얻은 물성을 현장 구조물 설계에 적용할 때는 세심한 주의가 필요하다. 이러한 이유로 실험실에서 얻은 암석 및 불연속면의 물성을 이용하여 현장규모의 암석 및 불연속면의 물성을 합리적으로 예측하는 방법을 확립할 필요가 있다. 본 연구에서는 암반의 크기 효과에 대한 기초 연구로서 불연속면을 제외한 무결암 부분의 크기에 따른 물성 변화를 알아보고자 한다. 무결암에 가까운 재료를 택하기 위해 암석 대신 최대한 균질성이 보장될 수 있는 인공재료를 선택하였고 이러한 인공 재료에 대한 크기 변화에 따른 강도 및 탄성계수의 변화양상에 대해 살펴보았다. Buckingham's theorem을 이용한 차원해석을 통해 이상적인 무결함 재료의 크기에 따른 강도 및 탄성계수의 변화 양상을 파악하였고 이를 실험을 통해 검증해보기 위해 총 6가지의 재료를 대상으로 일축압축강도 실험을 실시하였다. 또한 3차원 입자결합모델을 이용한 상용프로그램인 PFC3D (Particle Flow Code 3- Dimension)를 사용하여 무결함 시료에 대해서 크기에 따른 강도 및 탄성계수 등의 물성 변화 양상을 수치해석을 통해 확인하고 그 영향요소를 분석하였다.