공학적 물체로서 암반에 대하여

암석 또는 암체는 그 자체의 불연속성과 다양한 특성에 의해 공학적 반응 예측이 어렵다. 암체는 절리, 층리면, 단층과 같은 불연속면에의해 그 공학적인 거동이 결정된다는 점에서 다른 공학적인 물질과 구분될 수 있다. 또한 암석시료(무결암, intact rock material) 자체의 반응은 그 구성광물과 입자들의 연결상태 및 미세균열(micro fracture)의 발달양상에 따라 매우 복잡하고, 이론적인 설명이 어렵다.

▶ Problem Domain (Scale Effect) : 암체내부의 불연속면의 간격과 대상 영역(problem domain)의 관계에 따른 암체의 거동과 영향권을 간단하게 나타내면 다음 (그림 1.15)과 같다.

(그림 1.5) 지하공동굴착과 암반사면의 설계에 이용되는 암체거동모델의 유형에 대한 규모(크기)효과(scale effect)

1) Intact Rock

흙 또는 콘크리트와는 다른 공학적 매체로서 여타의 역학과 구분되는 암석역학의 기본 원리를 제시할 수 있는 무결암의 특성은 다음과 같다.

① 균 열(Rock fracture) : 다른 공학적의 매체에서의 균열은 대부분 인장응력장(tensile stress field)에서 발생하며, 이러한 현상을 해석하기 위해 탄성론(theory of plasticity)이 고안되었다. 그러나 암반공학에서 주로 다루어지는 응력장은 압축력(compressive stress)으로 탄성론의 직접적인 적용이 어렵다. 즉,암석이 압축력을 받게되면 균열의 발생과 확장의 위치를 제공하는 미세균열의 표면간에 마찰력이 발생하게 되어 다른 공학적 매체와는 다른 거동을 나타내게 된다. 이와 같은 현상에 의해 암석의 강도는 구속압(confining stress)에 따라 매우 민감하게 변화되며 이러한 이유로 암석의 변형에 탄성론을 직접 적용하기 어려운 점이 있다.

② 인장강도(Tensile strength) : 암석은 토양과 콘크리트를 제외한 다른 공학적 매체와는 달리 낮은 인장강도를 갖는다. 일축인장시험에서 암석시료는 일축압축시험에서 적용되었던 응력에 비해 매우 낮은 응력하에서 파괴된다. 또한 암체의 경우 존재하는 불연속면에 의해 인장력에 대한 저항(인장강도)은 매우 낮거나 또는 없는 것으로 다루어 질 수 있다. 따라서 암석은 흔히 정적 인장력이 발생 또는 지지될수 없다는 의미에서 no-tension material로 묘사된다.

③ 지하수의 영향(Effect of groundwater) : 지하수는 크게 두 가지 관점에서 암석의 역학적인 거동에 영향을 미친다. 첫 번째 영향은 Terzaghi의 유효응력법칙에 의한 것으로 “다양한 물질의 특성과 시험 조건에도 불구하고, 암석의 반응은 전응력(total stress)이 아닌 유효응력(effective stress)에 의존한다.”는 것이다.

다음으로 암석의 역학적 특성에 대한 지하수의 영향은 특정 암석 또는 광물에 대한 것으로 특히, 절리내 충진물이나 셰일과 같은 점토질 암석의 강도를 저하시키고 변형을 유도하는 등의 연약암(풍화암, soft rock)에 대한 영향을 들수 있다.

④ 풍 화(Weathering) : 풍화는 암석의 표면에서 일어나는 물리적, 화학적 변질을 말한다. 이러한 현상은 지표 및 지하(탄산염암의 용해, 이온교환, 산화/환원 등)에서도 진행되며, 암석 표면의 전단 강도뿐만 아니라 무결암의 역학적 특성에도 영향을 미친다.

⑤ 이방성(Anisotropy) : 암석내에 존재하는 조직(fabric) 또는 미세균열(micro- fracture), 층리면 또는 벽개변의 방향성에 의해 대부분의 암석은 이방성을 갖는다. 이러한 특성은 등방탄성론을 이용한 현장응력의 측정 및 해석시 충분히 고려되어야 하며, 슬레이트, 셰일과 같은 암석에 대한 압축강도는 내재하는 이방성이 충분히 고려되어야 한다.

2) Discontinuities

암석공학에서의 불연속면은 암체내의 인장강도가 매우 낮거나 또는 없는 역학적인 불연속면을 나타내는 일반적인 용어로서 절리, 층리면, 벽개면, 단층 등의 약대(weakness zone)를 지시한다.

불연속면은 암체의 공학적 반응에 다음과 같은 측면에서 영향을 미친다.

① 전단변위(미끄러짐, slip)가 발생할 수 있는 낮은 전단강도를 갖는 면이 될 수 있다.

② 암체의 전체적인 전단 또는 인장강도를 감소시킨다.

③ 경계에서의 분리 또는 미끄러짐과 연관하여 블록의 회전 또는 전단변위와 같은 암체의 전체적인 불연속적인 역학적 반응을 야기한다.

④ 연속체에서는 나타나지 않는 광범위한 파괴기구(failure mechanism)을 나타낼 수 있으며, 이에 따라 보강대책을 달리하여야 한다.

⑤ 낮은 강도와 강성(stiffness)에 의해 암체내의 응력분포에 영향을 미친다.

⑥ 폭파 또는 다른 원인에 의한 응력파(stress waves)를 굴절, 반사 또는 지연시킨다.

⑦ 굴착과정에서 나타나는 파쇄를 조절한다.

⑧ 무결암 보다 높은 투수성에 의해 암체를 통한 주요한 지하수 유동로를 제공한다.

▶ 이와같은 영향을 고려한 방향성(orientation), 간격(spacing), 연장성(persistence), 거칠기(roughness), 강도(wall strength), 간극(aperture), 충진물(filling), 누수(seepage), 절리군의 수(number of sets), 블록크기(block size)과 같은 불연속면의 인자에 대한 불연속면의 정량적인 기술이 이루어져야 한다(ISRM).

3) Rock Masses

균열암반의 특성, 규모, 이방성 등의 특성에 의해 하중-변위, 응력-변형특성 등의 암체의 기본적인 역학적 특성의 측정에는 어려움이 있다. 따라서 다음표에서와 같이 암체의 역학적인 특성의 측정에는 직접적인 방법과 간접적인 방법이 이용된다.

(표 1.9) Methods of investigating the mechanical Response of Discontinuous Rock Masses

 

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