점하중강도시험이란? 시험 방법과 암석 일축압축강도 추정
암반을 대상으로 터널, 절토사면, 교량기초 또는 지하구조물을 설계할 때 중요한 검토 항목 중 하나는 암석의 강도이다. 암석의 강도는 굴착 안정성, 지보공 설계, 암반 분류 및 기초지반의 지지 성능을 평가하는 데 활용된다.
암석의 강도를 직접 평가하는 대표적인 시험은 일축압축강도시험(Uniaxial Compressive Strength Test)이다.
그러나 일축압축강도시험을 실시하려면 일반적으로 규정된 형상과 치수를 갖춘 암석 시험편을 제작해야 한다.
암석이 심하게 풍화되었거나 절리가 발달한 경우에는 적절한 시험편을 제작하기 어려울 수 있다.
이러한 상황에서 비교적 간편하게 암석의 강도 특성을 평가하는 방법이 점하중강도시험(Point Load Strength Test)이다.
점하중강도시험은 암석 시료의 양쪽에 원뿔형 가압점을 접촉시킨 후 하중을 증가시켜 시료가 파괴될 때의 하중을 측정하는 시험이다.
시험 결과는 점하중강도지수(Point Load Strength Index)로 표현하며, 일반적으로 Is로 표시한다.
또한 시료의 크기에 따른 영향을 보정하기 위해 기준 등가직경 50mm에 대한 보정 점하중강도지수 Is(50)를 산정한다.
점하중강도지수는 암석의 상대적인 강도 평가와 일축압축강도 추정에 활용될 수 있다.
다만 점하중강도시험은 일축압축강도시험과 동일한 시험이 아니며, 두 시험 사이의 관계는 암석의 종류와 구조적 특성에 따라 달라질 수 있다.
이번 글에서는 점하중강도시험의 정의와 원리, 시험 종류, 시험 절차, 점하중강도지수 계산 공식, 크기 보정 방법, 일축압축강도 추정 공식, 가상 계산 예제 및 실무 적용 시 주의사항을 단계별로 설명한다.
1. 점하중강도시험이란 무엇인가?
점하중강도시험은 암석 시료에 두 개의 원뿔형 가압점을 이용하여 집중하중을 가하고, 시료가 파괴될 때의 하중을 측정하는 시험이다.
영어로는 Point Load Strength Test라고 하며, 점하중시험이라고도 한다.
이 시험은 암석의 강도 특성을 비교적 신속하게 평가하는 데 활용된다.
점하중강도시험의 주요 특징
- 비교적 간단한 시험장치를 사용할 수 있다.
- 원주형 코어 시료와 불규칙한 암석 시료에 적용할 수 있다.
- 시료의 크기에 따른 보정이 필요하다.
- 점하중강도지수 Is를 산정할 수 있다.
- 보정 점하중강도지수 Is(50)를 계산할 수 있다.
- 암석 일축압축강도 추정에 활용할 수 있다.
점하중강도시험은 암석의 강도를 직접 측정하는 일축압축강도시험과 달리 집중하중에 대한 파괴저항을 평가하는 시험이다.
따라서 시험 결과를 해석할 때는 암석의 종류와 시험 방향, 시료 크기 및 파괴 형태를 함께 고려해야 한다.
2. 점하중강도시험의 원리와 파괴 메커니즘
점하중강도시험은 암석 시료의 양쪽에 원뿔형 가압점을 접촉시킨 후 하중을 증가시키는 방식으로 진행된다.
하중이 증가하면 가압점 주변에 복잡한 응력 상태가 형성된다.
이 과정에서 암석 내부에 인장응력과 압축응력이 함께 발생할 수 있으며, 특정 조건에서 균열이 발생하고 시료가 파괴된다.
2.1 집중하중 작용
두 개의 가압점을 통해 암석 시료에 하중을 전달한다.
2.2 내부 응력 발생
가압점 사이의 암석 내부에는 복잡한 응력 분포가 형성된다.
2.3 균열 발생
하중이 증가하면 암석의 약한 부분이나 구조적 불연속면을 따라 균열이 발생할 수 있다.
2.4 시료 파괴
균열이 확대되면서 암석 시료가 파괴된다.
2.5 파괴하중 측정
시료가 파괴될 때의 최대하중을 측정하여 점하중강도지수를 계산한다.
점하중강도시험에서는 시험규격에서 인정하는 유효한 파괴 형태를 확인하는 것이 중요하다.
가압점 주변에서 국부적인 압쇄만 발생하거나 시험 목적에 부적절한 파괴가 나타난 경우에는 결과의 유효성을 검토해야 한다.
3. 점하중강도시험의 종류와 적용 방법
점하중강도시험은 시료의 형상과 하중 적용 방향에 따라 여러 방식으로 구분할 수 있다.
대표적으로 직경방향시험, 축방향시험, 블록시험 및 불규칙괴시험이 있다.
3.1 직경방향시험(Diametral Test)
원주형 암석 코어의 직경방향으로 하중을 가하는 시험이다.
코어 시료의 축에 수직한 방향으로 하중을 적용한다.
3.2 축방향시험(Axial Test)
원주형 암석 코어의 축방향으로 하중을 가하는 시험이다.
시험편의 길이와 직경 등 규격에서 정한 형상 조건을 확인해야 한다.
3.3 블록시험(Block Test)
비교적 규칙적인 블록 형태의 암석 시료에 하중을 가하는 시험이다.
3.4 불규칙괴시험(Irregular Lump Test)
불규칙한 형상의 암석 시료를 대상으로 실시하는 시험이다.
점하중강도시험 종류 비교표
| 시험 종류 | 시료 형태 | 주요 특징 |
|---|---|---|
| 직경방향시험 | 원주형 코어 | 코어 직경방향 재하 |
| 축방향시험 | 원주형 코어 | 코어 축방향 재하 |
| 블록시험 | 블록형 시료 | 규칙적인 암석 블록 활용 |
| 불규칙괴시험 | 불규칙한 암석 | 코어 제작이 어려운 경우 활용 |
시험 종류에 따라 시료의 유효 치수와 등가직경 산정 방법이 달라질 수 있다.
따라서 점하중강도지수를 계산하기 전에 시험 형태를 정확하게 구분해야 한다.
4. 점하중강도시험과 일축압축강도시험의 차이
점하중강도시험과 일축압축강도시험은 모두 암석의 강도 평가에 활용되지만 시험 원리와 결과의 의미가 다르다.
4.1 일축압축강도시험
일축압축강도시험은 규정된 형상의 암석 시험편에 구속압 없이 축방향 압축하중을 가하여 압축강도를 측정하는 시험이다.
4.2 점하중강도시험
점하중강도시험은 두 개의 가압점을 통해 암석에 집중하중을 가하고 파괴하중을 측정하는 시험이다.
점하중강도시험과 일축압축강도시험 비교표
| 구분 | 점하중강도시험 | 일축압축강도시험 |
|---|---|---|
| 영문 명칭 | Point Load Strength Test | Uniaxial Compressive Strength Test |
| 주요 목적 | 암석 강도지수 평가 | 암석 압축강도 측정 |
| 하중 방식 | 집중하중 | 축방향 압축하중 |
| 시료 형태 | 코어, 블록, 불규칙괴 | 규정된 형상의 시험편 |
| 주요 결과 | Is, Is(50) | UCS |
| 주요 활용 | 상대적 강도 평가, UCS 추정 | 직접적인 압축강도 평가 |
점하중강도시험은 일축압축강도시험을 완전히 대체하는 시험으로 이해해서는 안 된다.
특히 중요한 구조물의 설계에서는 필요한 경우 직접적인 일축압축강도시험 결과를 확보하는 것이 바람직하다.
5. 점하중강도시험 장치와 시험 절차
점하중강도시험에는 가압장치, 하중 측정장치 및 시료 치수 측정도구 등이 사용된다.
대표적인 시험규격으로 ASTM D5731이 있다.
5.1 주요 시험 장치
- 원뿔형 가압점
- 하중 가압장치
- 파괴하중 측정장치
- 시료 치수 측정도구
- 시료 고정 및 정렬장치
5.2 시험 절차
1단계. 암석 시료 채취
시험 대상 암반을 대표할 수 있는 시료를 채취한다.
2단계. 시료 상태 확인
암석의 풍화도, 균열 및 층리 상태를 확인한다.
3단계. 시험 종류 선정
시료 형상에 따라 직경방향시험, 축방향시험, 블록시험 또는 불규칙괴시험을 선택한다.
4단계. 시료 치수 측정
시험규격에 따라 가압점 사이의 거리와 시료 치수를 측정한다.
5단계. 시료 설치
가압점 사이에 시료를 설치하고 적절하게 정렬한다.
6단계. 하중 적용
시험규격에서 정한 방법으로 하중을 증가시킨다.
7단계. 파괴하중 측정
시료가 파괴될 때의 하중을 측정한다.
8단계. 파괴 형태 확인
시험규격에 적합한 파괴가 발생했는지 확인한다.
9단계. 점하중강도지수 계산
파괴하중과 등가직경을 이용하여 점하중강도지수를 계산한다.
10단계. 크기 보정 및 결과 해석
기준 등가직경 50mm에 대한 보정값을 계산하고 시험 결과를 해석한다.
실제 시험에서는 적용 시점의 최신 ASTM D5731 규격을 확인해야 한다.
6. 점하중강도지수(Is) 계산 공식
점하중강도지수는 암석 시료의 파괴하중과 등가직경을 이용하여 계산한다.
6.1 기본 계산 공식
Is = P / De²
여기서,
- Is : 점하중강도지수(MPa)
- P : 파괴하중(N)
- De : 등가직경(mm)
이때 P를 N, De를 mm로 적용하면 계산 결과의 단위는 N/mm²이며, 이는 MPa와 같다.
6.2 등가직경이란?
등가직경(Equivalent Core Diameter)은 시험 시료의 형상과 치수를 고려하여 계산하는 대표적인 치수이다.
원주형 코어의 직경방향시험에서는 일반적으로 코어 직경을 등가직경으로 사용할 수 있다.
반면 축방향시험이나 블록시험, 불규칙괴시험에서는 시료의 형상과 하중 적용면의 치수를 이용하여 등가직경을 계산한다.
6.3 비직경방향시험의 등가직경
축방향시험, 블록시험 및 불규칙괴시험에서는 다음과 같은 관계를 이용할 수 있다.
De² = 4A / π
여기서,
- De : 등가직경(mm)
- A : 가압점 사이의 최소 단면적에 해당하는 대표 면적(mm²)
실제 A의 산정은 시험규격에서 정한 시료 치수 측정방법을 따라야 한다.
6.4 점하중강도지수의 의미
Is가 클수록 해당 시험조건에서 상대적으로 큰 파괴하중을 견딘다는 의미이다.
그러나 시료의 크기와 형상에 따라 결과가 달라질 수 있으므로 일반적으로 크기 보정을 실시한다.
7. 점하중강도지수 Is(50) 크기 보정 방법
점하중강도시험 결과는 시료 크기에 영향을 받을 수 있다.
따라서 서로 다른 크기의 시료를 비교하기 위해 기준 등가직경 50mm에 대한 보정 점하중강도지수 Is(50)를 산정한다.
7.1 크기 보정 공식
대표적인 크기 보정 관계는 다음과 같다.
Is(50) = F × Is
여기서,
- Is(50) : 기준 등가직경 50mm에 대한 보정 점하중강도지수(MPa)
- F : 크기 보정계수
- Is : 측정된 점하중강도지수(MPa)
7.2 크기 보정계수
대표적인 보정식은 다음과 같다.
F = (De / 50)⁰·⁴⁵
여기서,
- De : 시험 시료의 등가직경(mm)
- 50 : 기준 등가직경(mm)
이 식은 널리 사용되는 경험적 크기 보정 관계이다.
실제 시험에서는 적용하는 ASTM D5731의 규정과 시료 크기 범위를 확인해야 한다.
7.3 크기 보정의 필요성
시료 크기가 서로 다르면 점하중강도지수를 직접 비교하기 어려울 수 있다.
따라서 크기 보정을 통해 시험 결과를 공통된 기준으로 환산할 수 있다.
다만 크기 보정을 실시하더라도 암석의 이방성, 균열 및 풍화 정도에 따른 영향이 완전히 제거되는 것은 아니다.
8. 점하중강도시험 계산 예제
이번에는 가상의 암석 시료를 대상으로 점하중강도지수와 크기 보정값을 계산해 보자.
※ 다음 사례는 계산 원리를 설명하기 위한 가상 조건이며 실제 시험자료가 아니다.
8.1 가상 시험 조건
| 항목 | 설정값 |
|---|---|
| 시험 종류 | 직경방향시험 |
| 코어 직경 D | 40mm |
| 파괴하중 P | 8,000N |
| 등가직경 De | 40mm |
8.2 점하중강도지수 계산
Is = P / De²
Is = 8,000 / 40²
Is = 8,000 / 1,600
Is = 5.0MPa
8.3 크기 보정계수 계산
F = (De / 50)⁰·⁴⁵
F = (40 / 50)⁰·⁴⁵
F = 0.8⁰·⁴⁵
F ≈ 0.904
8.4 보정 점하중강도지수 계산
Is(50) = F × Is
Is(50) = 0.904 × 5.0
Is(50) ≈ 4.52MPa
따라서 이 가상 암석 시료의 보정 점하중강도지수는 약 4.52MPa이다.
8.5 계산 결과 정리
| 항목 | 계산 결과 |
|---|---|
| 파괴하중 | 8,000N |
| 등가직경 | 40mm |
| 점하중강도지수 Is | 5.0MPa |
| 크기 보정계수 F | 약 0.904 |
| 보정 점하중강도지수 Is(50) | 약 4.52MPa |
이 결과는 해당 시험조건에서의 점하중강도 특성을 나타낸다.
실제 암반의 강도를 평가할 때는 여러 시험편의 결과를 종합적으로 검토해야 한다.
9. 점하중강도지수를 이용한 일축압축강도 추정
점하중강도시험 결과는 암석의 일축압축강도를 추정하는 데 활용할 수 있다.
일반적으로 점하중강도지수 Is(50)와 일축압축강도 UCS 사이의 경험적 관계를 이용한다.
9.1 일축압축강도 추정 공식
대표적인 경험식은 다음과 같다.
UCS ≈ K × Is(50)
여기서,
- UCS : 추정 일축압축강도(MPa)
- K : 경험적 환산계수
- Is(50) : 보정 점하중강도지수(MPa)
9.2 환산계수 K의 의미
K는 점하중강도지수와 일축압축강도 사이의 관계를 나타내는 경험적 계수이다.
일부 문헌에서는 약 20~25 수준의 환산계수가 대표적인 예로 제시되기도 한다.
그러나 K는 모든 암석에 동일하게 적용되는 상수가 아니다.
암석의 종류, 이방성, 풍화도 및 시험조건 등에 따라 달라질 수 있다.
따라서 실제 설계에서는 대상 암석의 일축압축강도시험과 점하중강도시험 결과를 비교하여 환산계수를 보정하는 것이 바람직하다.
9.3 가상 일축압축강도 계산
앞서 계산한 Is(50)를 이용한다.
- Is(50) = 4.52MPa
- 가정한 환산계수 K = 22
UCS ≈ K × Is(50)
UCS ≈ 22 × 4.52
UCS ≈ 99.4MPa
따라서 이 가상 조건에서 추정한 일축압축강도는 약 99.4MPa이다.
9.4 환산계수에 따른 결과 비교
| 환산계수 K | 추정 UCS |
|---|---|
| 15 | 약 67.8MPa |
| 20 | 약 90.4MPa |
| 22 | 약 99.4MPa |
| 25 | 약 113.0MPa |
| 30 | 약 135.6MPa |
위 결과에서 동일한 Is(50)를 적용하더라도 환산계수에 따라 추정 일축압축강도가 크게 달라진다.
따라서 점하중강도시험 결과를 이용하여 UCS를 추정할 때는 환산계수 선정에 주의해야 한다.
10. 점하중강도시험 결과에 영향을 미치는 주요 요인
점하중강도시험 결과는 암석의 종류와 시험조건에 따라 달라질 수 있다.
10.1 암석의 종류
화강암, 사암, 셰일 및 석회암 등은 서로 다른 조직과 강도 특성을 나타낸다.
따라서 암석의 종류에 따라 점하중강도지수와 일축압축강도 사이의 관계가 달라질 수 있다.
10.2 풍화 정도
풍화가 진행된 암석은 일반적으로 강도와 내구성이 저하될 수 있다.
다만 풍화 정도에 따른 강도 변화는 암석의 종류와 구조적 특성에 따라 달라진다.
10.3 층리 및 이방성
셰일과 같은 층상 암석에서는 하중을 가하는 방향에 따라 강도 특성이 달라질 수 있다.
따라서 시험 방향을 구분하여 결과를 해석하는 것이 중요하다.
10.4 시료 크기
시료 크기는 점하중강도지수에 영향을 줄 수 있다.
이러한 영향을 줄이기 위해 Is(50) 크기 보정을 실시한다.
10.5 균열 및 절리
시료 내부에 균열이 존재하면 파괴하중이 감소할 수 있다.
따라서 시험 전 시료의 균열 상태를 확인해야 한다.
10.6 함수상태
일부 암석은 수분 함량에 따라 강도 특성이 달라질 수 있다.
특히 수분에 민감한 셰일과 이암 등에서는 시험 시료의 함수상태를 기록하는 것이 중요하다.
11. 점하중강도시험의 실무 적용과 주의사항
점하중강도시험은 암반의 강도 특성을 신속하게 평가할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 시험 결과를 실제 설계에 적용할 때는 다양한 조건을 고려해야 한다.
11.1 암반 분류
점하중강도지수는 암석의 강도 특성을 평가하고 암반 분류에 필요한 자료를 확보하는 데 활용할 수 있다.
11.2 터널 설계
터널 굴착 구간에서 암석의 강도 특성을 파악하기 위한 보조자료로 활용할 수 있다.
11.3 절토사면
절토사면을 구성하는 암석의 강도 특성을 비교하고 풍화에 따른 강도 변화를 평가하는 데 활용할 수 있다.
11.4 현장 시료 평가
코어 시료의 상태가 불량하거나 규정된 일축압축강도시험편 제작이 어려운 경우 점하중강도시험을 활용할 수 있다.
11.5 일축압축강도 추정
점하중강도지수와 경험적 환산계수를 이용하여 일축압축강도를 추정할 수 있다.
다만 추정값은 직접 측정한 일축압축강도와 구분하여 사용해야 한다.
실무 적용 시 주의사항
| 검토 항목 | 주요 확인사항 |
|---|---|
| 시료 대표성 | 현장 암반을 대표하는지 확인 |
| 시험 방향 | 층리 및 이방성 고려 |
| 시료 크기 | 등가직경과 크기 보정 |
| 파괴 형태 | 유효한 파괴 여부 |
| 함수상태 | 건조·습윤 조건 기록 |
| 시험 개수 | 충분한 시험자료 확보 |
| UCS 환산 | 적절한 환산계수 선정 |
| 결과 해석 | 다른 강도시험과 비교 |
실무 검토 체크리스트
- 암석의 종류를 확인한다.
- 풍화도와 균열 상태를 기록한다.
- 시험 방향을 구분한다.
- 시료 치수를 정확하게 측정한다.
- 유효한 파괴 형태를 확인한다.
- 점하중강도지수 Is를 계산한다.
- Is(50) 크기 보정을 실시한다.
- 시험 결과의 산포를 검토한다.
- UCS 환산계수의 적용성을 확인한다.
- 필요하면 직접적인 일축압축강도시험을 병행한다.
12. 점하중강도시험에 관한 자주 묻는 질문(FAQ)
Q1. 점하중강도시험이란 무엇인가요?
점하중강도시험은 암석 시료에 두 개의 원뿔형 가압점을 통해 집중하중을 가하고 파괴하중을 측정하는 시험이다.
암석의 상대적인 강도 평가와 일축압축강도 추정에 활용된다.
Q2. 점하중강도지수 Is는 어떻게 계산하나요?
점하중강도지수는 다음과 같이 계산한다.
Is = P / De²
여기서 P는 파괴하중이고 De는 등가직경이다.
Q3. Is(50)는 무엇인가요?
Is(50)는 시료 크기에 따른 영향을 보정하여 기준 등가직경 50mm에 대한 점하중강도지수로 환산한 값이다.
서로 다른 크기의 시료를 비교하는 데 활용된다.
Q4. 점하중강도시험으로 일축압축강도를 계산할 수 있나요?
점하중강도지수와 경험적 환산계수를 이용하여 일축압축강도를 추정할 수 있다.
대표적인 관계는 다음과 같다.
UCS ≈ K × Is(50)
다만 환산계수 K는 암석의 종류와 시험조건에 따라 달라질 수 있다.
Q5. 점하중강도시험과 일축압축강도시험의 차이는 무엇인가요?
점하중강도시험은 집중하중에 대한 암석의 파괴저항을 평가한다.
반면 일축압축강도시험은 규정된 시험편에 축방향 압축하중을 가하여 압축강도를 직접 측정한다.
Q6. 점하중강도시험은 어떤 암석에 적용할 수 있나요?
화강암, 사암, 셰일, 석회암 등 다양한 암석에 적용할 수 있다.
다만 암석의 상태와 시험규격에서 정한 적용조건을 확인해야 한다.
Q7. 점하중강도시험 결과에 영향을 주는 요인은 무엇인가요?
암석의 종류, 풍화도, 층리 및 이방성, 시료 크기, 균열 상태, 함수상태 등이 영향을 줄 수 있다.
Q8. 점하중강도시험 결과만으로 암반의 안정성을 판단할 수 있나요?
그렇지 않다.
암반의 안정성은 암석 강도뿐 아니라 절리, 풍화도, 지하수 및 현장 응력 상태 등에 영향을 받는다.
따라서 점하중강도시험 결과는 다른 지반조사 및 암반시험 결과와 함께 검토해야 한다.
결론
점하중강도시험은 암석의 강도 특성을 비교적 간편하게 평가할 수 있는 시험으로, 암반 조사와 강도 평가에 유용하게 활용된다.
시험에서는 두 개의 원뿔형 가압점을 이용하여 암석 시료에 집중하중을 가하고 파괴하중을 측정한다.
점하중강도지수 Is는 파괴하중과 등가직경을 이용하여 계산하며, 시료 크기에 따른 영향을 보정하기 위해 Is(50)를 산정한다.
또한 Is(50)와 경험적 환산계수를 이용하면 암석의 일축압축강도를 추정할 수 있다.
그러나 점하중강도시험과 일축압축강도시험은 시험 원리와 파괴조건이 서로 다르므로 추정값을 직접 측정한 압축강도와 동일하게 취급해서는 안 된다.
특히 환산계수는 암석의 종류, 이방성, 풍화도 및 시험조건 등에 따라 달라질 수 있다.
따라서 실제 설계에서는 충분한 시험자료를 확보하고, 필요한 경우 일축압축강도시험과 비교하여 환산계수를 보정해야 한다.
결국 점하중강도시험의 핵심은 암석의 상대적인 강도 특성을 신속하게 평가하고, 시험조건과 보정계수의 한계를 고려하여 암반 설계에 필요한 강도자료를 합리적으로 확보하는 데 있다.
참고문헌 및 관련 기술자료
- ASTM D5731. Standard Test Method for Determination of the Point Load Strength Index of Rock and Application to Rock Strength Classifications.
- ISRM. Suggested Methods for Determining Point Load Strength.
- Broch, E. & Franklin, J. A. (1972). The Point-Load Strength Test. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts.
- Bieniawski, Z. T. (1975). The Point-Load Test in Geotechnical Practice. Engineering Geology.
- Goodman, R. E. Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons.
- Hoek, E. & Brown, E. T. Underground Excavations in Rock. Institution of Mining and Metallurgy.
- 한국암반공학회. 암석 강도시험 및 암반 분류 관련 학술자료.
※ 본문에 제시한 점하중강도지수와 일축압축강도 계산 사례는 개념 설명을 위한 가상 조건이다. 실제 시험에서는 적용 시점의 최신 ASTM D5731 규격을 확인해야 하며, 설계에는 현장 암반조건과 추가 시험자료를 종합적으로 검토해야 한다.
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