Freezing-thawing is one of the representative processes causing frost weathering, and many researches have given their interest to the study for it. In initial stage of frost weathering of granite by freezing and thawing, propagation and growth of cracks existing at its surface is of importance, because granite, especially in intact condition, has low porosity and low permeability and water is the main agent of weathering by freezing-thawing.
In this study, the deterioration of effective constrained elastic modulus of intact granite by repetitive freezing and thawing was examined from the point of view of increasing porosity resulted from propagation and growth of surface cracks. Through quantitative and qualitative theoretical analysis, increase of porosity was determined. Repetitive freezing-thawing experiment using intact granite with cylindrical shape was carried out, and the change of P-wave velocity was measured. From the change in P-wave velocity, the change of constrained modulus was calculated. Theoretical expectation of change in effective modulus by increase of porosity was compared with that derived from Voigt-Reuss model and the experimental results.
As crack depth increased, theoretical expectation of rate of surface crack growth from elastic-plastic fracture mechanics theory showed excessive magnitude. The source of such results from continuous increasement of crack length and pressure exerted on the inner crack wall. For accomodation, stress reduction factor(SRF), considering the shape and discontinuity of crack, was induced. The results corrected with SRF showed good agreement with expectation of change in constrained elastic modulus from experimental results.
본 연구에서는 반복적 동결-융해작용에 의한 암석 표면의 미세 균열 전파 및 성장에 대한 이론적 검토를 수행하고, 그 결과를 이용하여 균열에 따른 암석의 유효구속탄성계수의 변화모델을 도출한 뒤 실제 신선암 상태의 화강암에 대해 수행된 동결-융해실험과정에서 P파 속도를 이용하여 산정된 실험적 구속탄성계수의 변화와 비교하여보았다. 표면균열에서의 동결조건은 균열 내부로의 물의 이동조건에 따라 제한된 이동조건하에서의 구속조건과 상대적으로 자유로운 이동조건하에서의 비구속조건으로 구분할 수 있으며, 균열의 전파와 성장에 미치는 양적인 효과에서는 구속조건이 비구속조건에 비해 훨씬 더 큰 균열효과를 갖는다.소성파괴역학에 의한 균열 성장의 평가에서는 균열 단부에서 발생하는 소성영역의 크기가 단부에 작용하는 stress intensity factor에 비례하는 것으로 나타난다. 동결시 발생하는 균열의 기하학적 진행 형상을 선형으로 상정할 경우, 이는 실제보다 매우 과대평가된 균열 진전을 예측하게 된다. 균열 성장의 적절한 평가를 위해서는 과도한 이론적 예측치에 대한 적절한 보정이 요구된다. 본 연구에서는 균열의 총 진행깊이에 비례하는 압력감소효과를 줄 수 있는 SRF(stress reduction factor)를 도입, 균열 깊이 증가에 따른 응력의 감소 현상에 대한 보정을 시도하였다. 균열의 성장에 대한 이론적 고찰에 기반하여 비구속조건에서의 반복적 동결-융해에 의한 암석 표면의 균열 성장에 따른 암석의 공극률 변화량을 계산하였다. 신선한 화강암 시편을 대상으로 동결-융해과정이 200회 반복되었을 때의 공극률의 변화량을 계산한 결과, 작게는 10-4%에서 크게는 0.1%까지 공극률이 증가하는 것으로 나타났다. 반복적 동결-융해실험을 통한 P파 속도의 변화 및 이를 이용한 실험적 유효구속탄성계수를 측정한 결과, P파 속도는 200회의 동결-융해 과정 후에 초기 속도의 최대 30%까지 감소하였으며, 유효구속탄성계수는 최대 40%까지 감소한 것으로 나타났다. 동결-융해에 의한 공극률의 변화에 따른 유효구속탄성계수의 변화를 Voigt-Reuss 모델과 공극률 지수 모델을 이용하여 이론적으로 도출하고 그 결과를 실험 결과와 비교해 본 결과, 실험적으로 결정된 유효구속탄성계수의 변화는 변화Voigt 모델에 의해 제시되는 상한선과 Reuss 모델에 의해 제시되는 하한선으로 결정되는 이론적 변화가능영역 내에 존재함을 확인하였다. 공극률 지수 모델은 최소자승법을 이용하여 상수를 구할 수 있었으며, 실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다.
