이축압축 조건에서 실험체/재하판 경계면상의 마찰저항 감소를 위한 롤러 지지된 피스톤 형태의 하중재하판의 개발

Development of a roller supported piston type loading platen reducing the frictional restraint along the interfaces between the specimen and platens under the biaxial loading condition

암석의 물성평가 및 파괴모델 실험을 위하여 다축압축 실험이 자주 사용된다. 다축압축 실험을 통한 암반의 거동 평가시 정확한 결과의 산출을 위하여 실험체와 가압판 경계면에서의 경계조건에 대한주의를 기울일 필요가 있다. 일반적으로 철제로 된 일체형 가압판의 사용시 실험체의 경계면과 하중재하판사이에서 발생하는 마찰저항으로 인하여 실험체 경계부에서부터 응력회전 현상이 발생하여 경계면에서부터 작용하는 외력의 방향은 회전하게 된다. 이와 같은 실험체/하중재하판 경계면 사이에서 발생하는 마찰저항을 감소시키기 위하여 다양한 방법이 제시되었다. 그 중 대표적인 예가 빗살구조의 하중재하판이다. 본 논문에서는 빗살구조의 하중재하판의 단점을 극복하고 하중재하판의 공간이 상대적으로 덜 차지하는 롤러로 지지된 피스톤 형태의 하중재하판을 소개하고 있다. 롤러로 지지된 피스톤 형태의 하중재하판은 지지강성이 충분한 짧은 피스톤 후면에 샤프트 형태의 롤러를 설치하여 실험체의 변형과 동시에 각 피스톤이 동반하여 거동하도록 구성되었다. 본 논문에서는 롤러 지지된 피스톤의 구조 상세 및 요구되는 기능에 대한 검증을 위하여 측면부 마찰저항 실험과 이축압축 실험이 수행되었으며 실험결과와 수치해석 결과의 비교를 통하여 장비의 적용성에 대한 검증이 이루어 졌다.

Multi-axial compression tests have been frequently adopted for the evaluation of material properties of rock cores and rock fracture model tests. Special care has to be applied on the boundary condition between the specimen and loading platen to draw the precise test results of the multi-axial compression tests. With the use of dry steel platen, the stress rotation will occur, due to the frictional restraint from the boundary between the specimen and loading platen. The restraint will deviate the expected test results under the conditions of the given external pressures. Various methods have been applied to reduce the side restraint along the specimen/loading platen interface. The steel brush type loading platen is one example of the attempts. In this paper, a new type of loading platen is introduced to overcome the limitation caused by the use of the brush type loading platen, which requires some internal space for the installation of the brushes. The new type of loading platen, roller supported steel piston type loading platen. is constituted of shot steel pistons which have sufficient stiffness to deliver the external pressure and the shaft type roller installed at the rear of the pistons. The pistons are designed to follow the local deformation of the specimens. In this paper, structural details of the loading platen are presented and frictional and biaxial compression tests results are shown to verify the required functions of the loading platen. Furthermore, calibration process is followed by a comparison between the test results and numerical analyses.