암질조사(암반&지반의 토목지질적 조사)

가. 조사의 목적

일반적인 지질조사는 지표지질조사와 소수의 시추조사를 근거로 지반선을 추정하기 때문에 완전한 설계나 시공에는 불충분하다. 따라서 터파기 암질조사는 점이었던 설계를 선으로 연결하고 면으로 확대하여 구조물 기초지반을 평면상태에서 정밀조사하므로서 구조물의 시공 설계, 시공방향 수립, 안정성 검토, 공사비 산정과 경제성 검토 등의 기초자료를 얻는데 그 목적이 있다.

암질조사라 함은 구조물 기초지반의 물리적 성질과 특수지질 구조에 대한 정밀조사를 말한다.

 

나. 암질분류의 필요성

지질공학적인 암질분류는 암석학적인 분류와는 달리 현장의 지질 기술자가 암석의 자연상태나 성질을 파악하여 구분하는 것이 일반적이며, 암석의 물리적 성질과 자연상태에서의 암석구조를 기준으로, 암절취나 굴착난이도 또는 토목공사의 필요에 따라 구분되는 것으로써 구분의 경계나 분류명칭을 엄밀히 정의하기 힘드나, 토목 시공상의 공지나 공사비등 중요요소를 결정하기 위해서는 암질분류가 필요하며 그 기준 설정은 불가피하다.

 

 

1 암반․지반의 토목지질적 특징

가. 암석의 물리적 성질

암석은 광물의 집합체이다. 따라서 구성 광물의 종류, 결정의 형태나 배열 방향, 암석 자체의 조직(structure) 등에 따라 여러 가지의 물리적 역학적 성질을 가진다.

주요 물리적 성질로는 비중, 공극율, 흡수율, 투수계수, 경도, 탄성파 속도 등을 들수있다. 암종별 물리적 성질을 분석한 사례는 많으나 정리 결과가 다양하고 최대~최소치의 범위도 넓어 일반적인 물성의 이해 차원에서 참고해야 할 것으로 판단된다<표 8.1-1>.

 

나. 암석의 토목지질적 특징

(1) 화성암

㉠ 심성암류 고온고압하에서 생기는 심성암류는 온도, 압력의 변화에 따라 같은 광물도 상(phase)이 다르게 전환되고 입자간에 미세한 틈이 발달된다. 특히, 석영은 온도가 변화됨에 따라(1,470℃~573℃)고온형 석영~저온형 석영간의 천이가 일어나고 체적이 변화하므로서 석영을 다량 포함하고 있는 화강암류는 풍화되어 있지 않은 신선한 암석일지라도 입자간에 미세한 틈이 많이 존재할 수 있다. 감람암(Olivine)류는 온천, 열수 등의 작용에 의해 사문암으로 변환되는 과정에서 체적 팽창에 따른 암체내의 응력 불균형 상태를 유지하여 지층 절개 또는 굴착시 현저한 체적 팽창을 일으키기 쉽다.

 

㉡ 분출암류 분출암은 유리질 성분이 우세하고 공극이 많으며 유상구조(flow structure), 절리 발달 등의 연유로 심성암류에 비해 역학적으로 취약한 편이다. 현무암류는 유동성이 큰 마그마의 영향으로 비교적 균질하나 유문암류는 유동성이 작은 마그마의 영향으로 유상구조가 발달(점성이 높으므로)하게 된다. 유동성이 큰 현무암류에는 냉각이 빠른 표면 부근만 응고하고 내부 마그마만 빠져버린 용암동굴이 형성되기도 한다. 화산암은 응회암 등의 화산쇄설물을 포함하고 있는 경우가 많고 용암류의 흐름사이에는 다공상 미고결층이 존재하기도 하며 수축절리의 발달로 주상절리가 많이 발달한다.

 

<표 8.1-1> 대표적인 암석의 물리적 성질

암석명	비중	간극율 (%)	흡수율 (%)	열전도율 × (cal/cm․s․℃)	비저항 (Ω-m)	P파속도 (km/s)	비고
화성암 안산암 현무암 섬록암 반려암 화강암 유문암	2.2~2.7 2.2~2.8 2.8~2.9 2.7~3.0 2.5~2.7 2.5~2.7	2~11 0.1~9.9 0.1~4 0~2 0.05~2.8 1~7	0.1~4.9 0.1~9.9 0.1~4.0 0~0.3 0.2~1.6 0.1~5.6	4.0~8.5 4.0~8.6 6.0~8.5 6.2~9.0 6.2~9.0 7.4~8.8	20~5,000 20~5,000 500~20,000 500~20,000 500~20,000 50~5,000	5.0~6.3 5.0~6.6 5.2~6.6 5.4~6.7 4.6~6.0 4.5~6.3
퇴적암 각력암(화성암) 각력암(화성암) chert dolomite 석회암(경암) chalk 사 암 silt 암 이암,혈암 석 탄	2.5~3.0 2.3~2.5 2.6~2.7 2.5~2.7 2.5~2.7 2.3~2.5 1.9~2.6 2.2~2.5 2.3~2.7 2.5~2.7	0.1~7 1~35 1~4 0.3~25 0.8~27 4~42 0.5~24 2.2~24 2.9~55 1~19	~ ~ 0.1~3 0.3~1.2 0.1~1.8 0.3~4.1 0.7~13.8 0.4~6.3 0.2~6.1 0.2~1.0	7.1~8.0 4.5~6.5 7.0~11.0 8.9~13.9 4.7~8.0 4.7~6.4 3.5~7.7 3.0~7.5 2.2~6.9 4.7~6.4	~ ~ ~ 50~10,000 200~100,000 50~10,000 20~500 20~500 150~500 50~5,000	~ ~ ~ 3.0~7.0 2.8~7.1 1.7~4.2 1.0~4.4 1.4~4.4 1.5~3.5 2.0~4.5
변성암 편마암 대리암 규 암 점판암,편암	2.6~3.2 2.4~2.7 2.6~2.7 2.6~2.8	0.3~2.4 0.1~6 0.8~7 0.4~10	0.1~0.8 0.1~0.8 0.1~0.8 0~0.6	4.9~10.4 4.7~8.0 7.4~18.9 4.1~8.9	100~5,000 1,000~100,000 500~5,000 100~3,000	3.5~7.5 3.8~6.9 5.8~6.3 2.3~5.7

(2) 퇴적암

㉠ 쇄설성 퇴적암 수성, 화성, 쇄설성 퇴적암류는 암석화 작용양상, 생성시기, 분포 상호관계 등에 따라 강도, 풍화저항도가 다르게 나타난다. 주로 후기 지질시대(신생대) 일수록 강도나 풍화저항도가 낮은 것으로 알려지고 있다. 쇄설성 퇴적암별 특성을 요약하면 다음 표와 같다.

 

<표 8.1-2> 쇄설성 퇴적암류의 토목지질적 특성 요약

구 분	셰일류 (점토기원)	사암류 (모래기원)	역암류 (자갈기원)	응회암,각력암류 (화산회,역,각력)
속석작용(암석화작용)의 기간에 따른 강도	지질시대의 신구 시간차에 따른 강도차이가 사암류보다 크다 (신연, 구강)	지질시대의 신구 시간차에 따른 강도차이가 비교적 작다	지질시대의 신구 시간차에 따른 강도차이가 비교적 작다	구성물질, 생성시기에 따라 고결도가 다양하다.
신생대 제3기 이후 암석	미세균열, 점토 광물의 영향 등으로 지표노출시 건조 흡수 반복에 따른 표면붕괴 성향이 있다.
사암, 셰일류의 층상 혼재 (같이 산출되는 경우가 많다)		사암 자체는 풍화 저항도, 강도가 높으나 사암중의 점토질, 석회질의 풍화에 따라 강도가 저하될 수 있다.
지질구조대와 연약대 발달	단층, 절리등의 구조대를 통한 침투수의 영향으로 연약대(열화분)발달 가능하다.	세립질 셰일류가 포함될시는 좌동	세립질 셰일류 포함시는 좌동	팽창성 점토광물을 포함하는 경우 팽윤현상이 발생 하는 경우가 있다.
애추(talus)지형에서 산록부 굴삭(터널등)			강도는 높으나 역간 간극이 크고 점착력이 적은 관계로 파쇄, 붕괴가 일어나기 쉽다.

㉡ 화학적․유기적 퇴적암 석회암, 돌로마이트가 대표적인 암석으로 석회암이 가장 일반적이다. 통상 석회암은 chert-shale, 점판암 등과 층상으로 존재하기 쉬우며, 강도면에서 중간정도이나 탄산의 용해작용에 의해 공동이 형성되고 지하수 유로를 형성, 기초지반으로 누수, 침하 등이 우려될 수 있는 지질이다. 일부 석회암내 단층, 절리 등의 구조대에는 이차적인 석회암, 방해석 등이 맥상으로 채워져 있기도 하며 이 경우 강도, 침투성 등에는 비교적 안전한 것으로 알려져 있다. 쳐트류는 암질이 상당히 견고하나 층리, 절리가 발달하여 수cm이하의 각진 암편으로 쪼개지기 쉽다.

(3) 변성암

광역 변성작용으로 이루어진 편마암류, 편암류는 조성광물이 판상 또는 봉상으로 배열되고 역학적으로 이방성을 갖기 쉽다. 또한 구성광물 중 일부 광물은(운모, 흑연, 활석 등) 편리 방향으로 얇게 벗겨지는 성질이 있어 구조물로 인한 응력방향을 고려해야 할 것이다.

통상 변성암류는 암석 자체의 변성작용과 구조지질적 변동에 의해 암상의 형태가 다양하고 국부적으로 암상의 변화폭이 큰 편이다.

 

다. 미고결 지층의 토목지질적 특징

통상 미고결 지층에는 기반암의 풍화토(풍화대)와 충적층(점토, 실트, 모래, 자갈류의 퇴적지층), 분출암층의 미고결 쇄설층․점토층 등이 있다. 충적층은 퇴적여건이 비교적 광역적으로 유사하므로 지역 전반의 분포심도, 지층구성 등은 지형 분석과 지질조사를 통하여 파악하기 쉬운편이다. 그러나 풍화대는 구성 암석의 물성, 조직, 지질구조대의 발달 상태 등과 외적인 여건(기후, 지형, 식생 등)에 따라 천차만별하여 기초 지반의 예측이나 처리에 예기치 못한 장애를 일으키기도 한다.(현무암중의 미고결 화성쇄설성퇴적층이나 점토층도 지표에서 예측하기 어려운 미교결층의 일종으로 볼 수 있으나 특수한 경우로서 본 장에서는 생략함)

(1) 암석의 풍화대

암석 풍화의 주 요인은 물리적 요인 즉, 압력제거(절리발달), 물의 동결(쐐기작용), 결정작용(암석파괴), 온도변화, 식물작용 등이고, 화학적 요인 즉, 물과 암석(광물)간의 용해, 산화작용, 탄산화작용, 가수분해작용, 수화작용 등이다.분포 면적이 넓은 화강암질 암석(화강암, 화강편마암)의 풍화는 곧 암석 파괴를 의미하며, 국내에서도 깊이가 수십m가 넘는 심층 풍화대가 많이 분포되어 있다. 협소한 지역에서도 지질구조대를 경계로 하여 현격한 차별 풍화대가 나타나 토목지질측면에서 관심의 대상이 되는 지층이다.

(2) 암반의 급격한 풍화파쇄

장기간에 걸쳐 진행되는 암반의 풍화와는 달리, 절개 당시는 비교적 신선하고 견질인 암반이 단시간(수일~수개월)의 지표 노출하에 쉽게 파쇄되어 토사․사력화되는 현상이 있다. 주로 점토 및 퇴적암류에서 자주 발생되며 주요인은 팽윤(암반의 흡수․팽창에 따른 체적증가)과 slaking(흡수에 따른 입자간의 결합력 약화로 강도가 저하되고, 입자가 흩어져서 토양화 촉진)현상이다.

위와 같은 현상은 암석자체가 갖고 있는 내부적 요인과 함수 상태나 상재 하중 등의 외부적 요인으로 지배된다. 대표적인 암석으로는 이암(mudstone), 셰일(shale) 등이 있다.

일반적인 암종별 풍화 과정과 풍화물의 특성을 요약하면 <표 8.1-3>과 같다.

<표 8.1-3> 암석의 풍화와 풍화물

구분	암석명	풍화과정	풍화물 및 그 성질
화 성 암	화강암류 (화강암,섬록암 등)	기반암→암괴→사 기반암→사 또는 점토「석비례」	심층풍화「석비례」 또는 점토, 투수성, 붕괴성 및 침식성이 크다.
	석영반암류 석영조면암	기반암→거력(주상절리지역) 기반암→잔자갈(판상절리지역)	갈색점토 차별침식을 받기 쉬우며 신선한 암상면에 요철을 형성한다.
	화산암류 (안산암,현무암)	기반암→암괴 기반암→점토
	화산암류 (집괴암,응회암)	기반암→암괴→력 기반암→자갈→사 기반암→사 기반암→점토	미세한 입자로 되기 어려운 성향이 있다.
수성암	사암	기반암→암괴→력 기반암→력→사 기반암→사	고기의 것은 단단하고 괴, 력이 되기 어렵다. 신기의 것은 연하고 모래가 되기 쉽다.
	세일,점판암	기반암→자갈→사→점토	고기의 것은 판상, 기석상으로 신기의 것은 불규칙암괴로 나타나나 일반적으로 미세한 풍화물을 만들기 쉽다.
	규암(쳐트)	기반암→암괴→력 기반암→력→자갈	치밀하고 단단하여 력, 자갈을 만들기 쉽다.
	석회암	기반암→암괴→력(일반적으로 물리적풍화는 되기 어렵다)	역으로부터 급속도로 용해해서 소실한다 용해후 적색토(잔적토)가 남는다.
변성암	천매암 (결정편암류)	기반암→력→사(단단한 것) 기반암→점토(연한 것)	세립으로 되기 쉽다. 점토분이 많아진다.
	사문암	기반암→점토	점토화하기 쉽다. 흡수해서 팽창한다.

라. 주요 지질구조대

지질구조대는 암석의 산상과 구조, 암종 등에 따라 여러 가지로 나타나며, 토목현장에서 자주 나타나는 주요 지질구조대를 요약하면 다음과 같다.

 

<표 8.1-4> 현장에서 육안으로 쉽게 관찰되는 주요지질 이상구조

구 분	정 의	발생원인, 종류	토목지질적 특성
◦단 층 (Fault)	∙ 지각중에 생긴 경계를 양측이 전이하여 어긋난틈. 즉, 암석파괴에 따라 형성된 불연속면(퇴적암지대에서는 지층이동인지가 용이하나. 화성암, 변성암지대는 상대적으로 식별이 어려움)	∙ 발생원인 : 지각에 작용하는 장력, 횡압력으로 발생 ∙ 종류 : 수직, 정, 역,주향 이동단층 등 수십종	∙ 단층면상에 점토, 각력함유 또는 석영맥 등이 교대 충진되어 있어 이질구조를 보이고, 주변 암석의 풍화파쇄를 수반하므로 특별히 주의를 요하는 구조임
◦습 곡 (fold)	∙ 물결처럼 굴곡된 지층군으로 지표지형과는 상반된 굴곡형상을 나타내는 경우가 많다.	∙ 발생원인 : 수평퇴적지층에 횡압력이 작용하여 형성 ∙ 종류 : 정, 경사, 평행,횡와, 복배사, 침강습곡 등	∙ 습곡작용에 따라 지층교란, 파쇄대를 형성하고 있음. ∙ 지점간 응력차 발생 ∙ 배사부(장력), 향사부(압축력)응력차로 형성되며, 배사부는 풍 화침식에 상대적으로 취약함.
◦부정합 (Unconforming)	∙ 상하 지층간의 결층(소멸된 지층)을 의미하며 침식면, 비퇴적면으로 나타난다.	∙ 장기간에 걸친 큰지각변동으로 기존지층의 소멸 ∙ 종류 : 난정합, 사교부정합, 비정합, 준정합 등	∙ 결층, 지층의 부분적 소멸 등으로 나타나는 불연속면에 유의
◦층 리 (Stratafication)	∙ 퇴적층상구조로 퇴적물 입자의 대소, 종류, 색, 운반매질 등의 변화에 따른 층상의 이질구조	∙ 발생원인 : 기후변화, 해저․호저의 심도변화, 해류의 농도․수온변화, 생물 성쇄 등과 지각운동의 작용이 관련	∙ 층상지층의 역학적 이방성으로 층상박리,슬라이딩 유발 요인 이 됨 ∙ 성층면을 통한 누수가능성 내제
◦엽 리 (foliation)	∙ 운모와 같이 판상의 광물이 평행하게 배열된 구조	∙ 발생원인 : 암석의 재결정작용 ∙ 종류 : 편리, 편마구조, 선구조 등	∙ 주로 변성암, 퇴적암에서 나타나며 풍화가 진행된 곳에서는 토목지질적 취약구조로 작용함
◦쪼개짐 (Cleavage)	∙일정방향으로 잘쪼개지는 성질	∙ 세립질 암석에 발달된 틈	∙ 슬래이트와 같이 특정방향(판상)으로 절개되는 성질이므로 주의를 요함
◦암 맥 (dyke)	∙ 기존 암석중의 틈을 따라 관입한 화성암체	∙ 발생원인 : 암석의 틈을 이질용암(magma)이 뚫고 들어와 채움(석영맥, 방해석은 단순히 맥(vein)으로 별도 구분하나 구조지질적 측면에서는 암맥과 같이 취급하여야 할 것으로 판단됨)	∙ 암맥은 풍화침식 저항강도에 따라 주변암석보다 신선하거나 더욱 취약할 수도 있다. ∙ 전반적으로 암맥 자체의 취약성 과 아울러 접촉부의 변질에 의한 취약구조를 유의하여야 함
◦접촉대	∙ 이질암석의 경계부분	∙퇴적암체의 층리면을 관입한 화성암체 ∙분출에 의해 기존암석과의 불연속면, 병반, 암경등의 경계면 형성 등(지질학적 분류는 아니나 편의상 이질암석의 불연속적 경계면을 접촉대로 총칭하여 설명코자 함)	∙ 열변성작용, 동력변성작용 등에 따라 주변 암질의 경연도, 풍화 정도, 구조대 발달 형태가 상이하게 나타남 ∙ 지하수 유로형성이 용이함
◦차별풍화 심층풍화)	∙ 국부적으로 풍화작용에 현저한 차이발생	∙ 발생원인 : 풍화요인(암질구조대 발달 등 내․외적 요소)의 차별성 등으로 특정부분에 심한 풍화(통상 지질구조대로 분류하지는 않지만 편의상 지질구조대로 나누고자 함)	∙ 화강암, 화강편마암 지역에서 자주 나타나며 풍화심도가 깊거나 풍화토사 내에 핵석이 존재 (기초지반 확인시 특히 유의해야할 지질구조임)

구 분	정 의	발생원인, 종류	토목지질적 특성
◦단 층 (Fault)	∙ 지각중에 생긴 경계를 양측이 전이하여 어긋난틈. 즉, 암석파괴에 따라 형성된 불연속면(퇴적암지대에서는 지층이동인지가 용이하나. 화성암, 변성암지대는 상대적으로 식별이 어려움)	∙ 발생원인 : 지각에 작용하는 장력, 횡압력으로 발생 ∙ 종류 : 수직, 정, 역,주향 이동단층 등 수십종	∙ 단층면상에 점토, 각력함유 또는 석영맥 등이 교대 충진되어 있어 이질구조를 보이고, 주변 암석의 풍화파쇄를 수반하므로 특별히 주의를 요하는 구조임
◦습 곡 (fold)	∙ 물결처럼 굴곡된 지층군으로 지표지형과는 상반된 굴곡형상을 나타내는 경우가 많다.	∙ 발생원인 : 수평퇴적지층에 횡압력이 작용하여 형성 ∙ 종류 : 정, 경사, 평행,횡와, 복배사, 침강습곡 등	∙ 습곡작용에 따라 지층교란, 파쇄대를 형성하고 있음. ∙ 지점간 응력차 발생 ∙ 배사부(장력), 향사부(압축력)응력차로 형성되며, 배사부는 풍 화침식에 상대적으로 취약함.
◦부정합 (Unconforming)	∙ 상하 지층간의 결층(소멸된 지층)을 의미하며 침식면, 비퇴적면으로 나타난다.	∙ 장기간에 걸친 큰지각변동으로 기존지층의 소멸 ∙ 종류 : 난정합, 사교부정합, 비정합, 준정합 등	∙ 결층, 지층의 부분적 소멸 등으로 나타나는 불연속면에 유의
◦층 리 (Stratafication)	∙ 퇴적층상구조로 퇴적물 입자의 대소, 종류, 색, 운반매질 등의 변화에 따른 층상의 이질구조	∙ 발생원인 : 기후변화, 해저․호저의 심도변화, 해류의 농도․수온변화, 생물 성쇄 등과 지각운동의 작용이 관련	∙ 층상지층의 역학적 이방성으로 층상박리,슬라이딩 유발 요인 이 됨 ∙ 성층면을 통한 누수가능성 내제
◦엽 리 (foliation)	∙ 운모와 같이 판상의 광물이 평행하게 배열된 구조	∙ 발생원인 : 암석의 재결정작용 ∙ 종류 : 편리, 편마구조, 선구조 등	∙ 주로 변성암, 퇴적암에서 나타나며 풍화가 진행된 곳에서는 토목지질적 취약구조로 작용함
◦쪼개짐 (Cleavage)	∙일정방향으로 잘쪼개지는 성질	∙ 세립질 암석에 발달된 틈	∙ 슬래이트와 같이 특정방향(판상)으로 절개되는 성질이므로 주의를 요함
◦암 맥 (dyke)	∙ 기존 암석중의 틈을 따라 관입한 화성암체	∙ 발생원인 : 암석의 틈을 이질용암(magma)이 뚫고 들어와 채움(석영맥, 방해석은 단순히 맥(vein)으로 별도 구분하나 구조지질적 측면에서는 암맥과 같이 취급하여야 할 것으로 판단됨)	∙ 암맥은 풍화침식 저항강도에 따라 주변암석보다 신선하거나 더욱 취약할 수도 있다. ∙ 전반적으로 암맥 자체의 취약성 과 아울러 접촉부의 변질에 의한 취약구조를 유의하여야 함
◦접촉대	∙ 이질암석의 경계부분	∙퇴적암체의 층리면을 관입한 화성암체 ∙분출에 의해 기존암석과의 불연속면, 병반, 암경등의 경계면 형성 등(지질학적 분류는 아니나 편의상 이질암석의 불연속적 경계면을 접촉대로 총칭하여 설명코자 함)	∙ 열변성작용, 동력변성작용 등에 따라 주변 암질의 경연도, 풍화 정도, 구조대 발달 형태가 상이하게 나타남 ∙ 지하수 유로형성이 용이함
◦차별풍화 심층풍화)	∙ 국부적으로 풍화작용에 현저한 차이발생	∙ 발생원인 : 풍화요인(암질구조대 발달 등 내․외적 요소)의 차별성 등으로 특정부분에 심한 풍화(통상 지질구조대로 분류하지는 않지만 편의상 지질구조대로 나누고자 함)	∙ 화강암, 화강편마암 지역에서 자주 나타나며 풍화심도가 깊거나 풍화토사 내에 핵석이 존재 (기초지반 확인시 특히 유의해야할 지질구조임)

 

 

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