불연속면의 종류및 조사, 불연속면의 공학적인 특징

1. 정의

- 절리(모든 암반), 층리(퇴적암), 엽리(변성암), 단층·파쇄대(대규모 지질구조) 등 암석의 물리적 연속성이 끊겨있는 면을 불연속면(Discontinuities in Rock Mass)라 한다.

※ 암석(Rock)

- 무결함으로 이루어진 여러 종의 광물의 집합체(유기물이 자연적인 덩어리를 이루거나 집합체를 형성)

- 냇가나 강바닥의 자갈 또는 석탄 등

- 지반이라 함은 흙과 암석뿐만 아니라 암반의 절리 등 간극을 충진한 지하수나 공기 등을 포함하는 포괄적인 의미를 내포하고 있다.

※ 암반(Rock mass)

- 암석과 불연속면을 포함한 암체(rock mass)를 의미

- 암반거동, 불연속면의 특성이 매우 중요하며, 지반을 대상으로 하는 공사에서 암석강도가 아무리 높다 해도 불연속면에서 파괴가 우선적으로 일어날 수 있기 때문에 안정성은 암석자체의 평가보다는 암반전체를 평가하는 것이 중요

- 즉 암반내 불연속면의 빈도, 형상, 상태 등은 암반의 성질을 크게 좌우하며 암반 특성시험은 원위치 변형시험, 원위치 전단시험, 초기 응력시험, 현장 투수시험, 비파괴시험, 지질조사(시추 및 물리탐사) 등이 있다.

2. 불연속면의 종류와 영향

(1) 절리(Joint) = 열극(裂隙) 또는 분할선

① 생성원인

- 물리적 환경에 변화가 있으면 발생하며, 절리는 지하보다는 지표면에서 자주 생긴다. (지하 깊은 곳에서는 절리가 생기기보다는 습곡이 생기는 경우도 많고, 암석이 생성된 환경과 차이가 크지 않기도 하다.)

- 심성암이 지표면으로 올라오며 주위의 압력이 낮아지는 상황

- 현무암과 같은 화성암이 굳으며 주위의 온도가 급격히 낮아져 다각형 모양으로 수축(주상절리, 판상절리, 구상절리 등)

- 화성암체의 관입, 습곡, 침식으로 응력이완, 탈수작용에 의한 응력중가 등

- 암석이 양 옆에서 강한 장력이나 횡압력을 받는 상황

- 층리가 발달한 일부 퇴적암 → 판상 절리

- 화강암이나 이암과 같은 괴상(방향성 등이 보이지 않고 균질한 덩어리로 된 암석) → 구상절리

② 특징

- 절리면을 따라 현저하게 움직인 흔적이 없음

- 연장성은 보통 수cm~수m 정도

- 화성암, 퇴적암은 비교적 규칙적인데, 변성암은 불규칙함

- 풍화는 이들 절리면을 따라 시작됨

③ 종류

- 판상절리(화성암의 냉각)

- 주상절리(화성암의 분출시 용암냉각)

- 전단절리(전단응력 집중)

- 인장절리(인장력이 우세, 전단절리에 부수적 발생)

(2) 층리(層理, Bedding, stratification)

① 생성원인

퇴적암 생성시 거의 수평면 상태로 퇴적물이 고르게 한겹씩 쌓이게 되는데 계절, 해류, 수심 등에 따라 시간적 차이, 입자크기, 색, 성분, 퇴적 속도 등의 변화로 형성

 

② 특징

- 층상의 면은 퇴적물이 굳어진 후에도 잘 쪼개짐

- 색이나 입도를 달리함

- 물과 바람이 거의 없는 저에너지 환경, 예를 들면 해저 깊숙한 곳이나 호수 깊은 곳에서 주로 만들어짐

- 괴상 : 층리를 나타내지 않은 것(사암, 역암)

- 이방성 나타냄

- 층리의 줄무늬는 퇴적 구조가 바뀔 때 생성

③ 종류

- 사층리

- 연흔

(3) 엽리(葉理, Foliation, Schistosity)

① 생성원인

엽리란 변성암이나 변형암에서 나타나는 모든 반복되는 면 구조를 이르는 용어로 층리와 같은 1차구조의 잔재인지 변성·변형작용에 의해 만들어진 것인지는 바로 분별하기 어렵기 때문에 변성암에서 나타나는 모든 면구조를 엽리라고 함. 엽리는 암반이 고온, 고압 등에 의해 재결정작용을 받아 운모와 같은 판상의 광물이 평행하게 배열되게 된다.

② 특징

- 엽리면을 따라 잘 쪼개짐

- 광물의 재분포로 띠 또는 집중을 나타냄(호상 편마암, 안구 편마암)

- 단층과 파쇄대 많음

③ 종류

- 편리 : 세립질이지만 육안으로 구분가능(편암)

- 편마구조: 변성암의 입자가 크며 암석의 평행구조(편마암)

(4) 단층(Fault)

① 생성원인

단층은 어떤 방식으로든 해당 암층에 차별적인 힘이 가해져서 그 힘이 해소되어야 할 때 발생함. 특히 암석이 연성(延性) 변형되지 않고 취성(脆性) 변형이 더 안정적일 때 발생하므로, 보통 단층은 상부지각에 국한되는 현상으로 생각할 수 있다. 그러나 연성변형이 선호되는 깊은 곳이라도, 강한 전단 응력(剪斷應力)가 연성 변형만으로 해소되지 않을 때나 이미 발달해 있는 불연속면이 재활성화 및 확장될 수 있다.

② 특징

- 일반적으로 절리에 비해서 연장성이 커서(수m~수천km) 토목공사시(댐, 터널, 원자력발전소, 지하공동) 단층이 중요한 약선대가 된다.

- 0.5mm 이상의 변위량을 나타내면 단층으로 정의할 수 있지만, 실제로 변위량이 이보다 훨씬 큰 것이 대부분

- 단층을 따라서 풍화, 파쇄가 심함

- 단층은 단층면의 윗부분 또는 주변부 암석의 파괴와 기계적인 풍화작용을 수반하므로, 지표면에서의 단층면은 주변 암석에 비해서 급속한 풍화 작용을 받는다. 그러므로 지표에 나타난 단층선은 국부적으로 지형이 낮은 곳(계곡, 강)를 형성한다.

- 단층면을 따라 단층활동면(Slikenside), 단층점토, 단층각력암, 단층대(파쇄대) 등이 나타남

- 투수층 형성가능 큼

- 화성암과 퇴적암에서도 나타나지만, 오래된 암석인 변성암류에서 특히 많이 나타난다.(특히 Pre캠브리아기의 변성암류 지역에서 토목공사를 할 경우 단층은 재해요인으로 작용하곤 한다.)

- 지진발생 많은 곳에 분포됨

- 단층의 발달조건은 구속응력(σ3)가 작고, 간극수압(u)가 큰 조건에서 취성 파괴될 때 형성된 것이다. 따라서 지각의 상부(10km 이내)에서 발달하는 것이 보통

 

③ 종류

◎ 경사 이동 단층 : 단층의 변위가 위아래, 즉 중력장에 수직한 방향인 경우

단층면은 보통 기울어져 있음. 수직으로 발달하는 단층은 흔하지 않음. 단층면이 발달하면 중력장에 대해 이 단층면의 위에 놓인 암층을 상반이라고 하고, 아래에 놓인 암층을 하반이라고 부른다.

✓ 정단층(normal fault) : 상반(上盤)가 미끄러져 내려간 단층.

- 지층을 양쪽에서 서로 끌어 당기는 장력에 의해 발생.

- 정단층에 의한 함몰로 생긴 길쭉한 저지대를 지구 또는 열곡이라 함(추가령열곡).

- 정단층에 의해 주변이 침강하여 생긴 길쭉한 고지대를 지루라 함.

- 이스라엘의 수도 예루살렘은 지루 위에 있는 도시이고, 사해(死海)는 예루살렘이 있는 지루와 그 동쪽 요르단의 수도인 암만이 있는 지루 사이의 지구(地溝)에 형성된 호수이다.

- 암체의 수평 길이 증가.

✓ 역단층(reverse fault) : 상반(上盤)가 미끄러져 올라간 단층.

- 지층을 양쪽에서 서로 밀어 압축력으로 발생.                  - 강이 끊겨 호수가 생성.

- 암체의 수평 길이 감소.

✓ 수직단층 : 단층면이 수직인 단층으로, 위아래로 이동해 상반, 하반을 구분할 수 없다.

◎ 주향 이동 단층(Strike-slip Faults)

주향 이동 단층은 단층의 변위가 좌우, 즉 중력장에 수평한 방향인 경우를 의미한다. 여기서는 상반과 하반은 중요하지 않음.

✓ 주향이동단층(strike-slip fault)

- 단층면이 수직이거나 급경사를 이루며, 단층운동이 거의 수평적이어서, 주향에 따른 변위를 보여 주는 단층.

- 포항↔양산 일대의 북동방향으로 발달한 양산단층. 강원도 태백시 일대의 함백산 대단층

◎ 기타 여러 분류의 단층

변위는 주향과 경사 방향 모두 움직일 수 있으며, 단층면이 곡면일 수도 있고 변위가 단순히 직선이 아니라 곡선을 이루어 움직이는 것도 가능하므로 이에 따라 여러 세부명을 정하기도 함.

④ 단층의 증거

1) 직접 관찰

(1) Slickenside(단층활면, 滑面) : 단층면에 따라서 생긴 마찰이 단층면을 반들반들하게 만들어 놓은 면.

(2) Fault gouge(단층점토) : 단층면 사이에 끼워져 있는 얇은 점토로서, 단층운동으로 암석이 으깨져 분말화되어 점토로 변질된 것.

(3) Fault breccia(단층각력암) : 단층운동에 의해서 으깨진 단층면 부근에 있는 파쇄된 암석.

(4) Fault zone(단층대) 또는 Shear zone(파쇄대) :

- 여러 단층들이 밀집해서 발달되어 있을 때, 그 부분에 있는 파쇄된 지역을 단층대 또는 단층파쇄대라고 부른다.

- 국내의 대규모 단층대는 북동방향으로 발달되어 있으며, 일반적으로 단층대는 풍화가 매우 심한 경우가 많다.

2) 간접 추측

(1) 단층조선(斷層條線, Fault striae) :

- 단층면 또는 단층활면에는 선상(線狀)의 홈이나 광물들이 단층 지괴(地塊)의 상대적인 운동 방향으로 배열되어 있는 형태.

- 따라서 단층조선은 단층의 운동 방향을 제시한다.

(2) 지질 및 지형상의 불규칙한 특성 :

- 불규칙한 단층절벽(Fault scarp)의 발달

- 산능선이 불규칙하게 끊긴다.

- 물이 흐르는 계곡의 방향이 갑자기 휘어지거나, 차단되어 없어지거나, 호수를 형성한다.

 

⑤ 단층의 지반공학적인 영향

단층은 점토를 충진하는 경우가 많고, 또한 파쇄가 많이 된 암석이 존재하는, 연장성이 큰 불연속면이므로 각종 토목공사시 대규모의 재해요소로 작용한다.

 

 

1) 절취사면, 지하굴착, 터널굴착시 활동파괴 가능성이 매우 높다. 일단 단층을 따라서 활동하게 되면 단층활동면의 강도는 최대강도(peak strength)에서 잔류강도(residual strength)로 작아지고, 또한 암석의 절리틈새가 벌어지게 되므로(특히 편마암) 가 틈새로 물이 들어가 간극수압이 크게 작용하여 붕괴를 촉진한다. 따라서 초기에 적절한 대책의 수립이 매우 중요하다.

2) 지하수 유로로서, 단층파쇄대를 따라 터널굴착시 과도한 수압이 발생하므로 차수비용이 과다하고, 지하수위 저하에 따른 인접구조물의 침하피해를 야기시킬 수 있다. 또한 단층틈새의 점토물질(fault gouge)가 점차로 씻겨 없어지므로 지하수의 유로가 확장되어 장기적으로 터널붕괴를 야기시킨다.

3) 불투수층의 역할 : 터널굴착시 점토로 충진된 단층을 만나게 될 경우, 터널막장 전면에 점토층으로 인해 차단되어 고였있던 지하수가 일시에 터져 나와 인명피해 및 공사피해가 크다. 점토충진 단층과 관련된 사면안정성 검토시에는 보통 점토가 10cm 이상 수십 m 두께로 충진되어 있어 활동파괴면으로 작용하는 경우가 많으므로, 사면안정을 위한 시추조사시에는 "피압지하수"가 발생하는 위치를 파악하는 것이 시추조사로써 점토층을 확인하는 것보다도 활동파괴면의 위치를 판단하는 보다 신뢰성 있는 방안이 되는 경우가 많다.

 

4) 댐기초의 불안정 (활동파괴 가능성, 누수 가능성)

5) 단층면은 전단강도가 작고 변형이 쉽게 일어나므로 구조물의 기초를 단층위에 설치할 경우, 단층 좌우로 부등침하가 발생할 가능성이 있다.

6) 단층대에 기초를 설치할 경우, 지지력이 매우 약하다.

7) 터널굴착시 암석이 파괴되어 있어, 낙반 위험이 크고, 다량의 지하수 유입으로 차수 및 보강을 많이 해야 하므로, 공사비가 증가한다.

3. 불연속면의 조사

(1) 간격(Spacing)

- 크기에 따라 암반굴착 정도, 투수성에 영향

- 크기에 따라 터널 붕괴요인에 영향

(2) 연속성(Persistence)

- 연장성은 암반의 공학적 성질을 지배하는 중요한 요소, 노두의 크기 때문에 현장에서 조사시 어려움

- 암반비탈면 안정성 검토시 절리의 연속성 정도를 추정하는 것이 매우 중요

- 연속성이 크면 위험하고 절리면 전단강도가 작다. 절리면은 보통 점착력은 없고 내부마찰각만 고려하나 연속성이 적으면 점착력도 고려할 수 있다.

(3) 절리 거칠기(Roughness)

- 불연속면의 거칠기는 불연속면에 나타나는 작은규모의 요철(Uneveness)와 큰 규모의 만곡(Waviness)로 정의

- 요철과 만곡으로 절리면의 전단강도를 추정함.

- 절리면의 충진물이 없는 경우에는 정확한 추정이 가능하며 Profile Gauge 또는 tilt test를 이용하여 측정

- 거칠기는 절리면 전단강도에 영향이 큼

※기울임시험(Tilt test) : 기본마찰각은 직접전단시험(Direct shear test)나 기울임시험(Tilt test) 등으로 측정할 수 있으나, 국제암반역학회(International Societyof Rock Mechanics, ISRM)는 기울임시험을 기본마찰각 측정의 표준시험방법으로 제안하였다(Alejano et al., 2018). 기울임시험은 상부 시료와 하부 시료를 맞물려 놓은 후 서서히 시료들을 기울여 상부 시료가 하부 시료로부터 미끄러지기시작할 때의 각도를 측정하며, 이때 측정된 기울기 각이 암석의 기본마찰각이다. 기울임시험은 마찰각을 쉽게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 얇은 판의 형태나 코어 등의 다양한 형태의 시료들을 시험에 사용할 수 있는 장점이 있다.

(4) 불연속면의 간극(Aperture)

- 간극은 하나의 불연속면에 대해 서로 인접한 암석간의 분리된 수직거리로 정의되며, 그 간극의 공간은 물이나 공기와 같은 것으로 충진되어 있음

- 간극의 영향은 투수시험에 의해 가장 잘 평가될 수 있음

- 절리강도 : 절리면 부근에 있는 암석의 일축압축강도로 정의

- 절리면이 거의 벌어지지 않고 절리사이에 충전물질이 없는 경우에 절리면의 압축강도는 전단강도에 중요한 영향을 미침

- 불연속면의 간극은 절리면 전단강도에 영향을 줌

- 불연속면의 간극을 기준으로 풍화가 시작됨

(5) 충전물질(Filling material)

- 충전물 강도 : 전단강도, 과압밀비, 선행변위의 유무

- 충전된 절리의 공학적 성질은 충전물질의 종류에 따라 다양한 성질을 나타며, 대체로 충전물이 있는 경우 절리면 전단강도가 작고 변형량이 큼

- 절리면 사이에 충전된 물질은 사면의 파괴시에 상대적으로 낮은 전단강도로 인해 파괴면이 될 가능성이 대단히 높기 때문에 지반조사시 이러한 충전물질을 포함하는 절리면의 유무를 파악하는 것은 대단히 중요하다.

- 불연속면 틈새의 충전물 특성(점토, 실트, 암편 등의 재료적인 특성과 입자크기, 풍화등급, 광물조직 특성)에 따라 전단강도, 변형률, 투수성에 영향을 줌

(6) 절리군의 수(Number of Sets)

- 단방향의 경우 : 평면파괴나 전도파괴 발생 가능

- 2~3개 방향성을 가질 경우 : 쐐기파괴 발생 가능

- 특정한 방향이 없고 불연속면의 간격이 좁은 경우 : 원형파괴

(7) 암괴 크기

암괴의 크기에 따라 같은 방향성을 가지더라도 파괴 발생 여부가 달라질 수 있음.

(8) 주향, 경사(Strike, dip) / 절리 방향성 (Orientation)

- 사면 및 터널의 안정성 평가에 있어 중요한 인자로 붕괴가능성, 붕괴형태 영향 큼

 

(9) 투수성(Seepage)

- 암석 자체보다 절리면의 투수성이 지배적임(충진물에 의해 영향)

- 수압으로 인하여 암괴의 유효응력이 감소하여 사면안정성이 감소함

(10) 면강도(Wall Strength)

- 면강도가 크면 절리면 전단강도가 큼

- 보통 모암강도보다 풍화, 변질에 의해 강도가 약하며, 슈미트해머로 측정함.

- 약한 경우 변위에 따라 굴곡도가 적어짐 → 변위발생에 따라 요철(굴곡도)가 파괴되며 평평해짐.

4. 단층과 절리 비교

단층도 절리와 마찬가지로 암석에 생긴 균열이나, '움직임'가 있으면 '단층', 없으면 '절리'이다. 즉, 절리면을 기준으로 양쪽의 암석이 상대적으로 움직였는지 아닌지를 바탕으로 절리와 단층을 구분한다. (즉, 절리 중 양쪽의 암체가 서로 다른 방향으로 움직였으면 단층이다.) 과거에는 단층도 절리의 일종으로 보았으나, 현재는 이 둘을 구분한다.

5. 암석과 불연속면

※암석

- 여러 광물의 집합체로서 구성비자들의 결합물질에 의해 강하게 결합되어 있어 일정한 강도를 갖는다. 자연재료로서의 물리적, 역학적 특성을 가지며 무결암이라고도 한다.

​※불연속면

- 암반 내에 나타나는 모든 연약면을 총칭하는 것으로서, 암석은 이면을 경계로 불연속적이며 지질학적 성인으로 다양한 형태와 크리로 존재한다.

- 절리(모든암반), 층리(퇴적암), 엽리(변성암), 단층 파쇄대 등 암석의 물리적 연속성이 끊겨있는 면을 불연속면이라 한다.

​※암반

- 암석과 불연속면을 포함한 암체(Rock mass)를 의미

- 암반거동, 불연속면의 특징이 매우 중요하며, 지반을 대상으로 하는 공사에서 암석강도가 아무리 높다 해도 불연속면에서 파괴가 우선적으로 일어날 수 있기 때문에 안정성은 암석자체의 평가보다 암반전체를 평가하는 것이 중요

- 즉 암반내 불연속면의 빈도, 형상, 상태 등은 암반의 성질을 크게 좌우하며 암반 특성시험은 원위치 변형시험, 원위치 전단시험, 초기 응력시험, 현장 투수시험, 비파괴시험, 지질조사 등이 있다.

6. 암반공학의 특징

암석특징

- 자연재료 철, 콘크리트와 같은 인공재료와 달리 자연재료인 암석은 비균질성, 이방성 및 비선형적 특성을 보이며, 이러한 이유로 인하여 암석의 물성을 파악하기 어려우며, 임의로 조절할 수 없다.

​불연속면특징

- 불연속 암반 내 존재하는 불연속면으로 인하여 불연속성을 보이며, 불연속면이 암반의 거동을 지배하기 때문에 불연속면의 공학적 특징과 기하학적 요소를 파악해야 한다.

​암반특징

- 암반분류 암반의 변형 및 파괴특성을 파악하기 위해서는 여러 현장시험이 요구되나 그 한계성으로 인하여 암반분류를 이용하는데, 그 사용 목적에 따라 분류요소별로 병가하게 된다.두어야 한다.

: 또한, 파괴의 정의에 대해 다시 알아보면, 응력의 큰 증가 없이 변형이 크게 증가해 역학적 저항기능을 상실한 상태를 의미한다는 것도 알아보고 넘어간다.

: 파괴규준에 대해서, 구조물 설계시 암반의 응력변화가 있을 때, 응력이 파괴에 이르렀는지 아닌지를 판단하는 기준을 파괴규준으로 정의한다는 것도 다시 알아본다.

: 보통 Mohr - Coulomb파괴규준, Hoek - Brown 파괴규준을 쓴다고 한다.

암석의 풍화와 암반등급의 공학적 분류

Q. 암석이 어떻게 풍화가 될까요?

: 일단, 원래 있던 암석에 쪼개짐, 즉, 절리가 생긴다.

: 그리고, 절리가 생긴 암석에 점점 퇴적물이쌓이기도 하고, 암석이 풍화되어 모래로도 바뀌면서, 기반암이 토질 밑에 깔리게 된다.

: 다시, 이 토질이 침식작용을 통해 치워져서, 기반암이 대기에 드러나게 되고, 첫번째 과정이 다시 반복된다.

----> 이것을 풍화와 운반작용의 순환 이라고 부른다.

​우리는, 이 암석이 풍화되는 정도에 따라 공학적으로 등급을 매겨서 분류하고 한다.

보통, R0은 거의 없고, R1 ~ R2는 변성암, R3 ~ R4는 퇴적암, R5 ~ R6은 화성암 이라고 분류한다. 개인적으로 변성암이 제일 잘 풍화된다는게 신기한 점이다.

그리고, 이 분류법은 약간의 문제가 있다. 예를 들어, R4분류와 R5분류의 경계선의 풍화정도를 가진 암석은 어떻게 분류할 것인가? 에 대한 문제가 있다.

하지만, 흔히 선진국이라고 불리는 영국이나 독일같은 나라들에 비해서 우리나라의 분류법은 후진적이라고 한다. 많이 개선되어야 하는 점을 강조하시는데, 조금 더 자세한 분류법이 나왔으면 하는 바람이다.

 

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