1. 서론

 

JAXA(우주항공연구개발기구) 및 NASA(미국항공우주국)을 포함한 14개국의 우주기관들이 협력하여, 2011년 달나라 탐사 로드맵을 발표하였다. 이 로드맵에서는 달나라에의 유인착륙탐사가 계획되어 있고, 대형 착륙기, 표면 이동기기 및 본격적인 자원탐사 기기 등이 운용되는 것으로 되어 있다. 이미 지상에서는, JAXA 등에서 우주 기기의 검토가 시작되었으나, 기기설계에 필요한 지반 특성에 관한 정부가 불충분하다는 문제에 직면되어 있다. 때문에 본격적인 유인탐사를 시작하기 전에 무인탐사를 통해 달의 지반조사를 실시할 필요가 있다.

1960년대 후반부터 70년대에 걸쳐 실시된 아폴로 계획에서는 월면 착륙기와 월면 설치 기기를 적절히 계획하는 것을 목적으로 모든 착륙탐사에서 토질역학 실험이 실시되었다. 아폴로 계획에서 조사된 토질역학 특성에서는 지구에 가지고 온 샘플(리턴 샘플)로 부터 얻어진 데이터와 달에서 얻어진 데이터가 있다. 리턴 샘플에 대하여는 지상의 계측기기를 이용하여 여러 전문가가 직접 계측하는 것이 가능하였기에 입자비중, 건조밀도 및 상대밀도 등의 모래의 기본적인 물리량을 정밀하게 얻을 수 있었다. 한편 흐트러지지 않은 상태에서의 관입시험이 실시되었고 그 역학적 특성이 계측되었다(표 1참조). 그러나 이들 관입 시험은 인덱스 시험이라고 불리는 것으로, 가정된 모델에 계측결과를 맞춤으로서, 내부 마찰각과 점착력 등의 파라메터를 추정하는 수법이다. 즉, 아폴로 계획에서 얻어진 역학적 특성은 [추정 값]일 뿐이고, 최근의 기기 설계와 해석에 이용되는 디지털모델의 구축에는 불충분하다고 볼 수 있다. 여기에 저자는 ①월면 지반의 역학특성을 “현장”에서 직접 계측하고, ②계측한 역학특성을 기초로 월면 지반의 역학적 모델을 구축함으로서, ③월면기기의 설계/해석에 적용 하는 것을 가능하게 하는 월면지반탐사 설계에 관하여 검토하여 JAXA에 제안하고 있다.

이 보고서에서는 월면지반의 역학적 특성을 “현장”에서 직접 계측하는 기기의 시작기의 개발과 그 기능과 성능 평가한 시험의 개요를 보고한다.

 

표1. 아폴로에서 추정되는 지반강도 정수

추정근거	점착력 c (kPa)	내부마찰각φ (degree)
아폴로 11호 기기의 관입	0.75 ~ 2.1	37 ~ 45
아폴로 12로 기기의 관입	0.56 ~ 0.75	38 ~ 44
아폴로 14호 토질용 트랜치             차륜의 축	0.03 ~ 0.1 NA	35 ~ 45 37 ~ 47
아폴로 15호 관입시험 등	1.0	50
아폴로 16호 관입시험 station4             관입시험 station10.1             관입시험 station10.2             보아홀	0.6 0.37 0.25 ~ 0.60 1.3	46.5 49.5 47 ~ 50 46.5
아폴로 17호 보아홀             월면차	1.1   ~ 1.8 1.2   0.17	30 ~ 50 35
아폴로 종합 추정 값	0.1 ~ 1.0	30 ~ 50

 

2. 지반역학 특성의 직접 계측 방법

 

지반의 역학특성 계측에는 공(구멍)내전단마찰시험을 채용하였다. 이 시험방법은 드릴구멍(보아홀)을 이용하는 것이 특징으로, “현장”에서 지반을 흐트러뜨리지 않고 전단시험을 실시할 수 있기 때문이다. 이 방법이 지반의 역학적 특성의 직접취득에 가장 적합하다고 생각된다. 순서는 다음과 같다.

1. 월면 드릴에 의한 준비삭공 : 전용의 삭공 장치를 이용하여 보아홀을 삭공한다.

2. 지반역학시험 : 보아홀에 공내전단 시험장치를 삽입하고, 수평재하시험 및 공내전단시험을 실시한다.

2.1 월면드릴에 의한 준비삭공

월면드릴에 의한 삭공은 이에 연속되는 공내전단 마찰 시험용의 보아홀 제작이 목적이다. 삭공에는 비트 선단에서 발생하는 굴삭폐석을 지상에 배출하는 기구가 필요하나, 월면에는 극고진공(대기압력 : 1x10-8Pa이하)이기 때문에, 지상에서 일반적으로 수행되는 슬러리 순환굴삭(발생하는 굴삭폐석을 이수화시켜, 로트를 경유하여 지상에 배출하는 삭공방법)의 적용은 불가능하다. 또한, 월면의 저중력 순환(지구의 1/6)에 의해, 관입에 필요한 반력을 확보하기 어려운 점, 더불어 적정한 공내시험을 실시하기 위해, 공벽을 가능한 무너뜨리지 않는 것이 장치설계에서 중요한 조건이 된다. 더불어 진공환경에서 굴삭을 위한 비트가 과열하기 쉬운 점과, 소 전력화 및 경량화에 관하여도 고려가 필요하다.

이러한 조건을 종합적으로 판단한 결과, 시스템에서는 오거(스크류형 드릴)를 이용한 레고리스(운석 충돌 등에 의해 파쇄된 암석의 축적물: 달의 표면을 덮고 있는 물질)를 지상에 배출하는 방법을 채용하였다. 오거는 굴삭폐석 배출용의 스크류부와 선단의 초경비트로 구성되어, 회전/굴진에 의해 식공？배토가 실시된다. 또한 굴삭 중에는 굴삭반력, 회전토르크 및 삽입 심도가 계측되도록 되어있다. 이들 삭공 정보는 자동 굴삭의 피드백제어 및 안전성확인 등에 사용된다.

2.2 지반역학시험

지반역학시험에서는 월면 드릴을 이용하여 삭공한 보아홀에 계측관(존데)를 삽입하고, 수평 재하시험 및 전단마찰시험을 실시한다(그림1 참조). 존데에서는 보아홀 내부에서 반경방향으로 팽창한 공벽을 가압하는 기구를 가지고, 그 응력의 계측과 제어가 가능한 통모양의 계측기로 되어 있다.

수평재하시험 프로세스에서는 존데로 공벽을 가압하고, 그 압력과 벽면의 변위로부터 지반의 변형계수(E) 및 항복압력을 구한다. 전단마찰계수 시험 프로세스에서는 공벽에 존데를 소정의 하중으로 밀어붙인 상태에서 끌어 올림으로서, 레고리스 안에 전단 미끄러짐을 발생시켜 인상력 (전단력)과 변위의 관계로부터 지반의 강도계수 [점착력(c) 및 내부 마찰각(φ)]를 구한다. 수평 재하시험과 전단마찰시험은 각각 별도 목적의 시험이나, 제안하는 방법에서는 동일의 존데에 의해 두 시험을 실시할 수가 있었다. 보고서에서는 후자의 공내 전단마찰 시험에 관한 실내실험 결과를 보고한다.

 

 

 

 

전단마찰시험의 절차는 아래와 같다. ①존데를 보아홀에 삽입 ②소정의 하중에 의한 수평재하를 개시 ③수평재하량을 일정하게 제어 ④소정의 속도로 존데를 인상 ⑤소정의 인상량에서 정지 ②~⑤의 절차로 복수의 수평재하 중레벨에서 반복 함으로서 복수의 [수평재하력, 인상력]의 관계가 얻어진다. 더불어 수평재하력 및 인상력은 재하판의 접지면적으로 나누고, 각각 수직응력 및 전단응력으로 나타낸다.

 

 

 

이 시험은, 정압 일면 전단시험에 상당하며, 전단응력(τ)과 수평변위량(t)의 경과변화는 그림2와 같이 나타낼 수 있다. 전단응력(τ)의 최대값(정압전단응력(τf))을, 각 재하단계에서 그 값의 수직응력(σ)에 대하여 작도하면 그 근이직선의 절편과 구배로부터 강도정수 (cd,φd)가 구해진다(그림 3참조). 이들 수직응력과 전단응력의 관계는 다음 식으로 나타낸다.

τf=σtanφd+cd (1)

 

3. 실험용 시제품의 개요

 

3.1 장치사양

제안기기의 기본적인 기능과 성능을 확인함과 동시에 우주선 탐재용 기기의 설계에 필요한 데이터를 취득하는 것을 목적으로 시제품에 의한 실험을 실시하였다. 특히 삭공시에는 굴삭에 따른 반력의 발생과 에너지소비 등이 실제기기 제작에서의 문제가 될 가능성이 있음으로 실험을 실시하고 그 데이터를 기기설계에 활용하도록 하였다. 표-2에 실험장치의 사양을 나타낸다.

 

표-2 시험제작실험장치의 사양

 

항 목	사 양
굴삭깊이	최대 : 400mm
굴진속도	최대 : 10mm/sec
굴진력	최대 : 50N
회전속도	최대 : 2.0r/sec
회전토르크	최대 : 1.9Nm
토조깊이	450mm
토층직경	200mm

 

실험용시제품은 월면용 드릴부, 진공챔버부및 지반역학계측장치로 구성된다. 다음에 그 개요를 서술한다.

3.2 월면용 드릴부

3.2.1 드릴 구동부

월면용 드릴시제품을 그림4 및 사진1에 나타낸다. 구동부는 오거를 상승시키는 승강 기구부(굴진동작)와 오거를 회전시키는 회전 기구부로 구성된다. 승강 기구부는 가이드 레일에 부착된 승강부에 6축력 센서, 회전 기구부 및 오거가 조립되고 이를 테이블형 구동 나사로 구동함으로서 승강 가능하도록 하였다. 6축력 센서는 굴삭시의 굴진력 및 회전 토르크의 계측에 이용된다.

 

 

 

3.2.2 오거 드릴

굴삭에 사용한 오거와 드릴비트를 사진2에 나타낸다. 오거는 외경25㎜/피치10㎜의 나선으로 하였다. 이것은 아폴로계획에서 이용된 드릴 외경이 25㎜이었기 때문에, 비교를 위하여 동등의 외경을 채용하였다. 또한, 드릴피트의 외경 굴삭직경은 30㎜로, 오거보다 약간 큰 직경으로 하였다. 이것은, 오거의 외주와 굴삭 후의 보아홀 벽면과의 마찰 영향을 작게 하기 위함이다.

3.2.3 진공 챔버부

진공시험시의 장치전체를 사진3에 나타낸다. 그리고, 진공챔버 토조 부분의 상세를 그림5에 나타낸다. 진공챔버의 내부에는 앞에서 기술한 드릴기구부 및 모의월사가 채워진 토조가 배치되고, 외부 PC로 굴삭 및 계측이 가능하도록 하였다. 또한, 굴삭상태 확인을 위한 LED라이트와 카메라를 내부에 설치하고, 디스플레이를 통하여 굴삭상태를 확인 가능하도록 하였다(그림4 참조).

 

 

 

챔버 내부구조는 그림5와 같이 상하로 나누어져 있고, 챔버 하부의 외측관이 진공펌프에 접속되어 그 내부에 토조가 설치된다. 토조는 구조재의 펀칭메탈(그림중④)과 모의월사의 유출을 방지하기 위한 스테인레스메슈(그림중③)의 2중구조로 되어있고, 메슈 (구멍150㎛)를 통하여 모의월사 내부의 공기를 배기하는 구조로 되어있다(그림 속의 화살표는 공기의 흐름을 나타낸다). 일반적으로 진공환경에서 토조를 이용한 실험을 실시하는 경우, 토조표면에서 폭기하면, 토중의 공기가 급격히 팽창？확산하는 비등현상이 발생하고, 토조가 크게 파괴되는 경우가 있다. 이 장치는 이러한 모의월사의 비등현상을 억제하기 위해 고안된 방법을 채용한 것이다. 이와 같이 하면 챔버상부(그림중①)의 공기와 모의월사를 경유하여 배출되기 때문에, 모의월사의 토압(토양내 압력)은 챔버 상부의 압력과 동등 또는 그 이하가 된다. 토양 내부에 압력의 편차와 구배가 발생하는 것도 생각되므로 이번 검토에서는 토양내 압력의 최대값으로 챔버 상부의 압력을 채택하였다.

3.3 지반역학계측장치

3.3.1 존데

앞에서 서술한 바와 같이 존데는 팽창하는 기능을 가지고, 공벽과의 압력을 계측하면서 제어할 필요가 있다. 월면에서의 사용을 예상 할 경우 지상과 같이 유체압력을 이용한 팽창은 곤란하기 때문에, 기계적인 팽창기능(이후, 팽창기구)로 설계？시작하였다.

그림6에 존데의 단면도를 나타낸다. 존데의 팽창기구(사진4 참조)는 전동모터의 회전력을 반경방향의 팽창력으로 변환하는 기구로 되어있다. 공벽에 밀어 붙이는 부분의 기하학적 조건은 (a)재하판이 공벽에 평행 (b)재하판의 위치가 회전축의 축방향으로 부동의 2점이다. 이를 실현하기 위해 다음의 기구를 고안하였다. 우선, ①모터의 회전을 ③리드 나사 우측과 ④리드 나사 좌측에 전달하고 ⑥너트 우측과 ⑦너트 좌측을 이용하여 ⑤유니버셜 조인트를 중심으로 한 대상의 직동 동작(모터의 회전축상)으로 변환하는 기구로 하였다. 다음으로, 모터 축상을 대상으로 작동한다 ⑥너트 우측과 ⑦너트 좌측에 평행링크를 붙이고, 그 선단에 ⑪재하판을 설치한다. 시제품에서는 존데의 직경을 30㎜로 하고, 반경 방향으로 40% 이상 팽창하도록 설계했다. 앞에서 서술한 것과 같이 드릴 비트의 외주굴삭 직경도 30㎜이나, 이것으로 굴삭한 구멍의 직경은, 굴삭면에서의 모래입자간의 간섭에 의해 실제로는 30㎜이상이 된다. 또한, 존데의 팽창기구를 최대한 유효하게 이용하는 것도 생각하여, 존데의 직경을 드릴비드 직경과 동등하게 설정하였다.

한편, 밀어붙이는 압력 계측은 다음과 같이 실시하였다. 먼저, 존데의 ⑤재하판에 가해지는 압력은 링크를 통하여 ⑥넛트 우측, ⑦넛트 좌측에 전달된다. 힘의 방향은 ⑤유니버셜 조인트를 중심으로 하여 외측으로 향하는 힘이 된다. 이 힘은 ③리드나사 우측과 ④리드나사 좌측에 전달되어, ⑤유니버셜 조인트를 회전축 방향으로 당기는 힘이 된다. 이 때, ⑤유니버셜 조인트를 회전 방향 및 회전축압축방향으로 구속하는 기구로 하면, ④리드나사 좌측은 ⑧가동판에 힘을 전달하여, ⑨로드셀에서 힘을 계측할 수 있다.

한편, 모터의 엔코더로부터 얻은 회전정보로부터 ③리더 나사 우측과 ④리더 나사 좌측의 위치를 계산하고, 링크의 기하학적 조건으로부터 ⑨로드셀의 계측결과를 ⑧재하판의 반경방향 힘으로 변환하는 것이 가능하다. 이 기구를 이용하여 재하판의 확장반경을 제어하는 것으로, 공벽에의 압력 제어를 실시하였다.

 

 

 

3.3.2 전단력 계측부

 

보아홀에 존데 삽입, 인상 및 전단응력의 계측은, 상기의 보아홀 굴삭장치의 오거부분을 존데에 바꾸어 달아 지반역학 계측장치로 함으로써 달성하였다 (사진5 참조). 승강기구로 존데를 보아 홀에 삽입하고, 지정한 위치에서 정지한다. 그 다음 존데를 제어하고 지정한 수직응력에 도달한 시점에 끌어 올린다. 이때의 전단응력은 6축력센서로 계측한 인상력으로부터 산출된다.

 

3.4 모의 월사

 

 

 

3.4.1 모의 월사 기본 특성

월면은 암석의 파쇄축적물(레고리스)로 덮여있고, 그 대부분을 점유하는 물질이, 즉[모래]로 정의되는 고운 입자 성분이다. 모의 월사는 이 월면의 고운 입자부분을 모의하여 재료로 개발하였다. 그림7에 국내에서 개발한 모의월사(FJS-1)의 입도를 나타낸다. FJS-1의 최대입경은 2㎜로 전체의 50%의 질량이 통과하는 체의 치수(입경중앙값)는 70 ~ 75㎛로 되어있다. 그림 속의 실선은 아폴로 샘플에서 계측된 입도의 상한/하한 값으로 FJS-1의 입도는 그 범위에 들도록 제조되었다. 또한 표3에 입자의 기본특성으로 부피밀도(단위용적질량)의 최소값과 최대값 및 입자비중을 나타내었다. FSJ-1의 전암 분석결과(화학조직)를 표4에 나타내었다. 달의 바다의 대표 값으로 보는 아폴로 11호(고티탄)시료와 아폴로12호(저티탄)시료의 화학조직도 비교를 위하여 병기하였다. 지상의 암석으로부터 제조된 FSJ-1은 달에는 없는 Fe2O3가 많이 포함된다. 또한 FSJ-1은 아폴로 샘플보다 Na가 풍부하고, 알카리분을 많이 포함한다.

 

 

 

표3 FSJ-1의 물리특성(입자)

	단위용적질량(g/㎤)		입자비중
	최소	최대
아폴로샘플	1.45	1.79	평균3.1(2.3 ~ 3.2이상)
FSJ-1	1.40	2.0	2.94

표4 FSJ-1의 화학성분(wt%)

Element	A-11	A-12	FJS-1
SiO2	42.2	46.3	49.14
TiO2	7.8	3.	1.91
Al2O3	13.6	12.9	16.23
Cr2O3	0.3	0.34	0
FeO	15.3	15.1	8.3
Fe2O3	0	0	4.77
MnO	0.2	0.22	0.19
MgO	7.8	9.3	3.84
CaO	11.9	10.7	9.13
Na2O	0.47	0.54	2.75
K2O	0.16	0.31	1.01
P2O5	0.05	0.4	0.44
S	0.12	-	0
H2O	0	0	0.43
Total	99.9	99.11	98.14

 

3.4.2 월면 깊이와 부피밀도의 관계

아폴로의 지하 샘플의 계측결과로부터 그림8의 깊이와 부피밀도의 관계가 유추되었다. 표면부근의 부피밀도는 1.5g/㎤정도로, 모래로 보면 느슨한 상태인 것에 비하여 깊이가 깊어질수록 급격히 다짐된 밀실한 상태로 변이한다. 이번 실험에 이용한 모의월사의 부피밀도는 1.7 ~ 1.9kg/㎤으로, 월면 무인 탐사의 조사범위로 생각되는 2m정도까지의 깊이를 고려하였다.

3.4.3 모의 월사 내부의 압력 특성

지구의 일반적인 모래와 비교하여, 세립성분 비율이 높은 모의월사는, 입자간격에 공기를 가두는 성질이 강하기 때문에 진공시의 공기배출에는 시간이 필요할 것으로 사료된다. 실험환경을 설정하기 위해서 앞에서 서술한 진공챔버와 토조를 이용하여 부피밀도 1.75g/㎤의 모의 월사를 진공으로 하고, 토양내 압력을 계측하였다. 시계열의 챔버 압력(진공펌프측 분위기의 압력)과 토양내 압력을 그림9에 나타내었다. 배기조건은 정밀용 진공펌프(유확산펌프)를 이용한 경우와 개략펌프(유회전펌프)를 이용한 경우의 2종류를 설정하였다.

실험결과 시작한 진공장치에서는 토양내 압력 25Pa이하를 달성할 수 있다는 것이 규명되었기에, 본 실험에서의 진공환경조건은 토양내 압력25Pa이하를 목표로 하였다. 이 압력은 달의 대기 압력인 1x10-8Pa이하와 비교하여 충분히 낮은 값이라고는 할 수 없으나, 지상에서 이 레벨의 토양내 압력을 달성한 기존의 연구 예는 없다. 또한, 대기압에 비하여 약 1/4,000로 극히 작으므로, 토양간극의 공기가 삭공시의 모래입자의 운동에 끼치는 영향에 관하여는, 이 압력에서도 대기압과의 차이를 기대할 수 있다고 판단하였다. 표5에 실험환경과 월면환경과의 비교를 나타내었다.

 

 

 

표5 실험환경

항 목	실험환경	월면환경
온    도	상온	-170 ~ 110℃*1
토양내압력*2	25Pa ~ 대기압	10-8Pa이하
중    력	1G	1/6G
굴삭대상	FJS-1 *3	달 레고리스

 

 

 

 

 

*1 : 적도 부근의 밤(최저)과 낮(최고) 온도

*2 : 모의 월사 내부 및 달의 레고리스 내부 압력

*3 : 국내에서 생산되는 모의 월사의 명칭

 

4. 실험결과

 

4.1 굴삭실험

4.1.1. 시험조건

굴삭실험에서의 부피밀도, 스텝 회전수 및 토양내 압력의 각 조건을 표6에 나타내었다. 부피밀도는 1.75g/㎤(지하 50㎝ 상당) 및 1.90g/㎤ (지하 250㎝ 상당)의 2종류, 토양내 압력은 상압과 25Pa이하의 2종류를 실시하였다. 굴진속도는 공통으로 2.0㎜/sec로 고정하였다. 이 굴진 속도로부터 오거피치 10㎜를 따라 굴삭하는(나무 나사와 같이 굴진한다)경우의 회전 속도는 0.2r/sec로 하였다. 실험에서는 0.2r/sec를 기준으로 하여 5종류의 회전속도를 설정하였다.

 

표6 굴삭실험조건

실험	부피밀도(g/㎤) (상대밀도(%))	스텝회전수(r)	토양내압력 (Pa)	실험	부피밀도(g/㎤) (상대밀도(%))	스텝회전수 (r)	토양내압력 (Pa)
#1-1	1.75 (67%)	1.0	상압	#1-11	1.90 (88%)	1.0	상압
#1-2		1.5		#1-12		1.5
#1-3		2.5		#1-13		2.5
#1-4		3.75		#1-14		3.75
#1-5		5.0		#1-15		5.0
#1-6	1.75 (67%)	1.0	11.7	#1-16	1.90 (88%)	1.0	14.7
#1-7		1.5	14.7	#1-17		1.5	17.3
#1-8		2.5	10.8	#1-18		2.5	18.7
#1-9		3.75	5.33	#1-19		3.75	22.7
#1-10		5.0	6.67	#1-20		5.0	17.3

 

표안의 스텝 회전수는, 오거가 1피치 굴진하는 사이의 회전수로서 다음과 같이 정의한다.

S=Rp/v (2)

여기서, S : 스텝 회전수(r), R : 회전속도(r/sec), P : 피치(m), v : 굴진속도(m/sec)

이상과 같이, 나무나사와 같이 굴진하는 경우의 스텝 회전수는 S=1.0이 되고, 이 값을 최소로 하여, S를 5.0까지 5단계로 설정하였다.

4.1.2 삭공실험 결과

스텝 회전수와 삭공 드릴의 관계를 그림10에 나타내었다.

그림 10으로부터 스텝 회전수의 증가에 따라 삭공 토르크가 감소하는 경향이 명확히 나타났다. 이번에 이용한 직경 25㎜, 피치 10㎜의 오거는 스텝 회전수를 5로 한 경우에, 환경조건(부피밀도 및 토양내 압력)에 상관없이 비교적 작은 토르크로 삭공이 가능하였다. 원인은 사진6에 나타낸 바와 같이, 스텝 회전수가 큰 경우에는 굴삭 폐석을 보아홀로부터 보다 많이 배출하는 것이 가능하기 때문이다.

 

 

 

굴삭 폐석을 배출하기 위해 충분한 회전속도가 얻어지지 않으면, 보아홀 내부에서 오거가 주위의 모의월사를 압축하고, 이것이 굴삭의 저항이 되어 굴진력 및 삭공 토르크가 증가하는 것이 생각 되어진다. 예를 들면, 사진 6의 #1-16(표6참조)은 스텝 회전수가 1보다 작고, 폐석을 원활히 배출하는 못하는 상황을 나타내고 있고, 이 때의 삭공에는 큰 토르크를 필요로 한다. 굴삭 후의 보아홀의 상황을 사진7에 나타내었다. 모의월사의 굴삭 후에는 이러하게 자립하는(공벽이 중력으로 붕괴하고, 구멍이 메워지지 경우가 없다) 보아홀을 제작하는 것이 되었다. 아폴로의 드릴굴삭 등에서도 관찰되고 있는 이 자립현상은 토질역학적으로는 겉모양의 접착력에 의한 효과라고 생각된다. 이 표면접착력에는, 입자의 형상에 기인하는 입자끼리의 인터록킹 작용과 전단 파괴 시에 모래체적이 팽창하는 다이레이턴시 현상 등이 영향하고 있다.

 

 

 

4.2 공내전단마찰시험

4.2.1 실험조건

공내전단마찰시험의 실험조건을 표7에 나타내었다. 부피밀도는 1.70g/㎤(지하 40㎝상당)부터 1.90g/㎤(지하 250㎝상당)까지의 5종류, 토양내 압력은 상압 만으로 하였다. 수직응력에 대하여는 20 ~ 100kPa의 범위에서 5점의 재하를 설정하였으나, 부피밀도가 작은 상태에서는 재하에 의해 지반이 파괴되어 계측할 수 없는 상태가 발생하였기 때문에 응력범위와 재하수를 부피밀도 마다 조절하였다.

 

표7 공내전단마찰시험조건

실험	부피밀도(g/㎤) (상대밀도(%))	수직응력 (kPa)	비고	실험	부피밀도(g/㎤) (상대밀도(%))	수직응력 (kPa)	비고
#2-1	1.70 (59%)	20		#2-14	1.85 (81%)	20
#2-2		30		#2-15		40
#2-3		40		#2-16		60
#2-4		50	지반파괴	#2-17		80
#2-5	1.75 (67%)	20		#2-18		100
#2-6		35		#2-19	1.90 (88%)	20
#2-7		50		#2-20		40
#2-8		65	지반파괴	#2-21		60
#2-9	1.80 (74%)	20		#2-22		80
#2-10		35		#2-23		100
#2-11		50
#2-12		65
#2-13		80	지반파괴

 

4.2.2 공내전단 마찰시험 결과

공벽에의 수직응력과 전단응력의 계측 예를 그림 11 및 그림 12에 나타내었다. 각 그림은, 모든 수직응력 레벨에 대하여 전단 과정을 하나의 그래프로 정리하여 나타내었기 때문에, 횡축의 경과시간은, 각 수직응력 레벨 내에서 만 연속하고 있다. 그림 11은 부피밀도 1.75g/㎤ (상대밀도67%)의 중간 채움 지반에 대하여 결과를 나타내고 있다. 수직응력 65kPa로 당겼을 때의 지반의 파괴가 발생하고, 응력이 해방되어 있는 상황이 나타내어져 있다. 한편, 그림 12는 부피밀도 1.90g/㎤ (상대밀도88%)의 밀실채움 지반에 관하여 나타내고 있다. 20 ~ 100kPa의 수직응력범위에서 지반이 파괴되는 것 없이 전단 슬라이딩을 하고 있는 상태가 확인되었다. 이와 같이 얻어진 응력이력은 그림2의 수직응력(σ) 및 전단응력(τ)에 상당하나, 실제의 지반 응답에서는 지반의 불 균일성이 원인으로 생각되는 노이즈도 포함되어 있다. 그림 13에 수직응력과 전단응력의 관계를 나타내었다.

그림 13으로부터 구한 내부마찰각(φd) 및 점착력 (cd)를 상대밀도에 대하여 나타내면 그림 14 및 그림 15와 같이 된다. 내부마찰각은 41˚~43˚에 값이 모이는 결과가 나왔다. 또한 점착력에 대하여는 부피밀도 1.9g/㎤(상대밀도 88%)에 대해서만 11.3kPa가 되었고 이외는 7~8kPa정도이었다. 기존의 토질시험과 비교하기 위해서, 3축 압축시험에 의한 내부마찰각과 점착력을 같은 그림 안에 나타내었다. 일반적으로는 내부마찰각의 변동변수는 10%~20%, 점착력은 20% ~ 40%라고 한다. 이것을 고려하여 공내전단 시험결과를 3축압축시험결과와 비교하면, 내부마찰각은 거의 동등하고, 점착력은 약간 낮은 값으로 되었다. 계측값의 타당성에 대하여는 보다 면밀히 검토를 실시할 필요가 있으나, 이번 시작한 시험장치는 지반특성을 얻을 수 있는 기본적인 기능과 성능을 가지고 있다는 것을 확인하였다.

 

 

 

전단응력의 응답은 일반적으로 그림2와 같이 전단 개시 때에 전단응력의 최대값이 관측되고, 그 후 잔류응력이 관측되나 이번 실험결과 (그림11 및 그림12등) 에서는 명확한 전단응력의 최대값은 관측되지 않았다. 그 요인으로는 전단 속도가 너무 컸다는 점과 수직응력의 제어성능이 낮았기 때문으로 생각되어진다. 건조 모래에 대하여는 전단속도는 전단응력의 응답에 거의 영향을 끼치지 않는 것이 알려져 있으나, 일반의 1면 전단 시험이 중력에 의한 재하 방식인 것에 대하여 이번 실험은 모터에 의한 액티브한 재하 방식이기 때문에 재하의 제어성능과 전단속도의 크기에 의해 피크가 검출되지 않았다는 가능성이 생각 되어진다. 향후 재하 제어 성능의 향상과 전단속도의 조절에 관하여 검토하고 싶다. 또한, 상대밀도가 작은 경우 전단마찰시험에서는 수직응력에 의하여 전단 면의 상대밀도가 크게 되는 것이 생각 되어진다. 향후, 수직응력과 상대밀도의 관계를 명확히 하고, 상대밀도에 대응한 수직응력 레벨을 결정하고 싶다.

5. 결론

 

월면 지반의 역학적 특성을 직접 관측하기 위해 월면용의 드릴 및 전단마찰 시험장치를 설계？ 시작하고. 실험을 행하여 이들의 기능과 성능을 평가하였다. 그 결과, 제안한 기기의 계측기구에 의해 지반특성의 취득이 가능함을 확인함과 동시에 본격적인 우주선 탑재용 기기의 설계에 유효한 정보가 확보되었다. 앞으로의 과제로는 재하 제어성능의 향상과 수직응력과 상대밀도의 관계를 명확히 할 필요가 있다는 것을 알았다.