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문제 정의
- 한편, 풍화암의 경우 토사 지반과는 달리 암반의 불연속면 발달정도 에 따라 강도 특성이 좌우되므로 소규모 공시체에 대한 실내역학시험 보다는 실물 크기 현장에서의 원 위치 시 험을 통한 강도 정수의 평가가 필수적인데, 설계 단계에서는 대규모 원위치 시험을 소정의 심도에서 실시하기 어려우므로 비교적 수행 이 용이한 원위치 시험 결과로부터 강도 정수를 평가할 수 있는 방법의 개발이 요구되는 상황이다. 본 연구는 국내의 대표적인 화강암 분포지역을 연구 대상 지역으로 선정하여 풍화암층을 대상으로 수행된 일련의 실내역학 및 원위치 시험 결과로부터 풍화도에 따른 화강 풍화암의 강도 변형 특성을 구명하고 설계단계에서 비교적 수행이용이한 공내재하시험 결과로부터 풍화도에 따른 화강풍 화암의 내부 마찰각 및 점착력 등의 강도정수를 평가할 목적으로 수행되었다. 이를 위하여 연구대상 부지에 대한 시추조사, 현장삼축시험 및 공내재하시험 등의 원위치시험과 풍화정도를 구분하기 위한 흡수율 시험 및 풍화내구성지수 시험(slaking durability test) 등을 포함한 일련의 실내시험을 수행하였다.
- 현장 삼축 압축시험은 원위치암반에 대하여 각 주상의 암반 블럭을 성형하여 암반 블럭의 3방향 면에 하중을 재하하여 이때의 응력과 변형율 관계로부터 암반의 강도 및 변형 특성을 파악하는 것으로 원리적으로는 실내에서 실시하는 각 주형 공시체를 이용한 삼축압축시 험을 원위치암반에 확장한 것으로 볼 수 있다. 본 시험의 주된 목적은 교란되지 않은 원지반 조건의 풍화암에 대한 강도 정수를 평가하기 위한 것으로 본 연구에서 제시한 풍화암의 풍화등급에 대하여 시험을 수행하였다. 한편, 본 연구에서는 현장 삼축 압축시험 결과를 공내재하시험 결과로부터 추정된 풍화암의 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수와 비교분석하여 추정 방법의 신뢰도를 검증토록 계획하였다.
- 한편, Haberfield와 Johnson(1990)의 연구결괴는 가상의 공내재하시험 결과를 이용한 제한된 조건 하에서 수행된 것으로 실제 풍화암에 대한 검증은 수행되지 않은 결과이다. 따라서, 본 연구에서는 화강풍화암에 대한 공내재하시험 결과로부터 해석적 방법으로 평가된 강도 정수를 현장 삼축 압축시험 결과와 비교분석하여 해석적 방법의 적용성을 파악하고자 하였다. 또한, 본 연구에서는 실측된 공내재하시험 결과를 만족하는 매개변수를 얻는 과정이 매우 복잡하고 많은 해석시간이 소요되므로 선형 회귀분석을 이용한 최적화 기법을 적용한 전산 프로그램을 개발하여 사용하였다.
제안 방법
- 본 연구는 국내의 대표적인 화강암 분포지역을 연구 대상 지역으로 선정하여 풍화암층을 대상으로 수행된 일련의 실내역학 및 원위치 시험 결과로부터 풍화도에 따른 화강 풍화암의 강도 변형 특성을 구명하고 설계단계에서 비교적 수행이용이한 공내재하시험 결과로부터 풍화도에 따른 화강풍 화암의 내부 마찰각 및 점착력 등의 강도정수를 평가할 목적으로 수행되었다. 이를 위하여 연구대상 부지에 대한 시추조사, 현장삼축시험 및 공내재하시험 등의 원위치시험과 풍화정도를 구분하기 위한 흡수율 시험 및 풍화내구성지수 시험(slaking durability test) 등을 포함한 일련의 실내시험을 수행하였다. 실내시험 결과를 토대로 연구 대상지 역의 풍화암을 3등급의 풍화도로 분류할 수 있는 방법을 제시하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준 및 공동 확장 이론을 토대로 한 해석적 방법을 이용하여 공내재하시험 결과로부터 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수를 풍화도에 따라 산정하였다.
- 이를 위하여 연구대상 부지에 대한 시추조사, 현장삼축시험 및 공내재하시험 등의 원위치시험과 풍화정도를 구분하기 위한 흡수율 시험 및 풍화내구성지수 시험(slaking durability test) 등을 포함한 일련의 실내시험을 수행하였다. 실내시험 결과를 토대로 연구 대상지 역의 풍화암을 3등급의 풍화도로 분류할 수 있는 방법을 제시하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준 및 공동 확장 이론을 토대로 한 해석적 방법을 이용하여 공내재하시험 결과로부터 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수를 풍화도에 따라 산정하였다. 한편, 공내재하시험 결과로부터 추정된 강도정수를 풍화도와 관련하여 수행된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교분석하여 검증할 목적으로 연구 중에 있으며 현재까지 1종의 풍화도에 대하여 수행된 현장삼축 압축시험 결과와 비교하여 공내재하시험 결과를 이용한 강도 정수 추정법의 신뢰성을 검증하였는데, 다양한 응력 수준 조건 및 풍화등급 조건을 달리하여 수행된 현장삼축 압축시험 결과를 토대로 한 연구는 현재 진행 중에 있다.
- 연구 대상 부지는 경기도 。。지역에 위치한 곳으로 본 지역의 지층분포 및 암반 특성을 확인하기 위하여 지표지질 조사, 시추조사, 실내시험 및 X선 회절 분석 등을 실시하였다. 시추 조사는 총 8개소에 대하여 실시하였는데 잔류토 및 풍화암층에 대한 불교란 시료를 최대한 전심도에 대하여 연속적으로 채취하였다.
- 시추 조사는 총 8개소에 대하여 실시하였는데 잔류토 및 풍화암층에 대한 불교란 시료를 최대한 전심도에 대하여 연속적으로 채취하였다. 또한, 시추시 잔류토 및 풍화암에 대하여 일정 간격으로 표준관 입 시험(80회) 및 공내재하시험(24회)을 병행하여 실시하였으며 현장 삼축시험은 대상 지 역 풍화암의 풍화도 평가 결과에 따른 풍화등급을 고려하여 공내재하시험이 수행된 동일 위치까지 지반을 굴착한 후 시험을 수행하였다. 실내시험은 입도 분석(24회), 흡수율 시험(141회), 밀도시험(80회) 및 풍화내구성시험(80회) 등의 물성시험과 공시체제작이 가능한 경우에 대하여는 삼축 압축시험(6회) 및 직접전단시험(6회) 등의 역학시험을 실시하였다.
- 또한, 시추시 잔류토 및 풍화암에 대하여 일정 간격으로 표준관 입 시험(80회) 및 공내재하시험(24회)을 병행하여 실시하였으며 현장 삼축시험은 대상 지 역 풍화암의 풍화도 평가 결과에 따른 풍화등급을 고려하여 공내재하시험이 수행된 동일 위치까지 지반을 굴착한 후 시험을 수행하였다. 실내시험은 입도 분석(24회), 흡수율 시험(141회), 밀도시험(80회) 및 풍화내구성시험(80회) 등의 물성시험과 공시체제작이 가능한 경우에 대하여는 삼축 압축시험(6회) 및 직접전단시험(6회) 등의 역학시험을 실시하였다. 실내시험 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 풍화잔류토는 통일분류법상 입도분포가 양호한 사질토에 해당되며 세립질 함량은 미소한 것으로 확인되었는데, 풍화암의 풍화정도를 국제지질학회에서 제시한 풍화 분류기준(geological society, 1990)을 참조하여 정성적으로 구분하면 보통 정도의 풍화(moderately weathered) 내지 높은 정도의 풍화(highly weathered)에 해당되는 것으로 분류된다.
- Irfhn과 Dearman(1978)은 흡수율, 슈미트 헤머 반발치 및 점하중 강도 등으로 화강암의 정량적인 풍화지수를 제안하였으며, Lee와 de Freitas(1988)등은 풍화내구성지수가 화강암의 풍화도를 표현하는 데 적합함을 규명하였다. 따라서, 본 연구에서는 연구 대상 지역 풍화암의 풍화도를 비교적 수행이 간편하고 정량적인 방법으로 평가하기 위하여 흡수율, 풍화내구성 및 밀도 등의 암석학적 특성을 고려한 방법을 풍화지수로 사용하였다. 연구 대상 지역의 화강 풍화암을 대상으로 수행된 흡수율, 밀도시험 및 표준관입 시험 시험 결과를 토대로 흡수율, 건조밀도 및 N값의 상관성을 분석한 결과는 그림 1 및 그림 2와 같다.
- 연구 대상 지역에서 풍화암지층에 대하여 채취한 불교란 시료를 대상으로 수행한 흡수율, 풍화내구성 지 수 및 건조밀도 등의 실내시험과 표준관입 시험 결과 등의 상관성 분석 결과를 토대로 대상풍화암의 풍화등급을 3종으로 분류한 결과는 표2와 같다. 앞에서 언급한 바와 같이 본 연구지역에 분포하는 풍화암은 보통(moderately) 내지 높은 (highly) 정도의 풍화영역에 해당되는데, 풍화도에 따른 흡수율 및 풍화내구성 지수의 분포특성으로부터 시험 결과의 분산 정도는 있으나 흡수율 2%, 5% 및 10% 지점에서 건조밀도, 풍화내구성 지수 및 N값의 변화가 두드러지게 발생되는 것으로 확인되어 이때의 흡수율을 기준으로 대상지역 풍화암의 풍화도를 3가지 등급으로 구분하였다. 또한, 흡수율 10% 이상 인 구간의 경우 시험 결과 간 뚜렷한 경계는 확인할 수 없었으나, 본 연구에서는 시료 채취 시 암반코아의 상태 및 풍화지수 판정을 위한 각 시험의 가능성 여부 등으로부터 흡수율 15% 지점을 토사와 풍화암의 풍화 경계면으로 구분하는 데는 큰 무리가 없는 것으로 판단된다.
- 연구 대상 지역의 풍화암의 풍화도에 따른 응력변형특성을 파악하고 풍화암의 강도 정수 평가를 위하여 공내재하시험을 실시하였는데 시추 8개소 위치의 잔류토 및 풍화암에 대하여 총 24회의 시험을 수행하였다. 또한, 공내재하시험이 실시된 위치에서 채취된 불교란 시료를 대상으로 풍화도 평가 시 수행된 흡수율 및 풍화내구성지수 시험 등을 실시하여 풍화등급을 확인하였다.
- 연구 대상 지역의 풍화암의 풍화도에 따른 응력변형특성을 파악하고 풍화암의 강도 정수 평가를 위하여 공내재하시험을 실시하였는데 시추 8개소 위치의 잔류토 및 풍화암에 대하여 총 24회의 시험을 수행하였다. 또한, 공내재하시험이 실시된 위치에서 채취된 불교란 시료를 대상으로 풍화도 평가 시 수행된 흡수율 및 풍화내구성지수 시험 등을 실시하여 풍화등급을 확인하였다. 공내재하시험으로부터 풍화암의 한계 응력을 평가하기 위해서는 probe 초기 체적의 2배까지 시험이 수행되어야 하지만 시험 시 probe 파손의 경우 가 상당수 발생하여 한계 응력은 실측된 응력변형관계를 토대로 외삽기법을 이용하여 산정하였다.
- 또한, 공내재하시험이 실시된 위치에서 채취된 불교란 시료를 대상으로 풍화도 평가 시 수행된 흡수율 및 풍화내구성지수 시험 등을 실시하여 풍화등급을 확인하였다. 공내재하시험으로부터 풍화암의 한계 응력을 평가하기 위해서는 probe 초기 체적의 2배까지 시험이 수행되어야 하지만 시험 시 probe 파손의 경우 가 상당수 발생하여 한계 응력은 실측된 응력변형관계를 토대로 외삽기법을 이용하여 산정하였다. 각 풍화등급에 따라 수행된 공내재하시험 결과 산정된 대표적인 응력변형 곡선은 그림 6과 같은데 시험 결과를 참조하면 풍화도가 증가할수록 항복응력 및 한계응력은 감소하고 반경 방향 변형율은 증가하는 일반적인 경향을 보이는데 항복이 발생되는 변형율은 약 2% 미만인 것으로 나타 났다.
- 본 시험의 주된 목적은 교란되지 않은 원지반 조건의 풍화암에 대한 강도 정수를 평가하기 위한 것으로 본 연구에서 제시한 풍화암의 풍화등급에 대하여 시험을 수행하였다. 한편, 본 연구에서는 현장 삼축 압축시험 결과를 공내재하시험 결과로부터 추정된 풍화암의 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수와 비교분석하여 추정 방법의 신뢰도를 검증토록 계획하였다. 본 현장 삼축압축시 험 결과는 본 연구에서 제시한 풍화등급 가운데 1종의 풍화도에 대하여 수행된 시험 결과를 토대로 한 것으로 다양한 응력 수준 및 풍화등급에 따라 수행된 현장 삼축시험 결과를 토대로 한 연구는 현재 진행 중에 있다.
- 현재까지 국외에서 일부 수행된 사례의 경우 대부분의 현장 삼축 압축시험이 터널 등과 같은 지중내 굴착 단면에 대하여 실시되어 원지반을 하중 반력 기구로 사용한 반면, 본 연구에서 실시된 현장삼축시험의 경우는 공내재하시험이 수행된 시험위치까지 지반을 굴착한 후 노출된 바닥면에서 시험이 수행되어 별도의 반력장치가 필요하므로 H형강으로 제작된 반력대에 4개의 어스앵커를 설치하였다. 한편, 시험공시체 제작시 대상 지반이 자연상태에 완전히 노출되어 원지반 풍화암의 2차적인 풍화가 발생될 수 있으므로 공시체제작 직후 모형 수지 석고를 이용하여 제작된 공시체를 마감 처리하였다. 시험시 사용된 하중재하장치는 유압실린더를 이용한 수동제어방식을 적용하였는데 구속압 장치의 경우 시험과정 중 일정한 구속압 이 유지되어야 하므로 유압실린더의 오일 압력을 조절할 수 있도록 실린더와 펌프를 개조하였으며 응력 제어 방식의 시험을 위하여 수평 및 연직 방향 유압실린더에 로드 셀(load cell)을 부착하여 하중을 측정하였다.
- 한편, 시험공시체 제작시 대상 지반이 자연상태에 완전히 노출되어 원지반 풍화암의 2차적인 풍화가 발생될 수 있으므로 공시체제작 직후 모형 수지 석고를 이용하여 제작된 공시체를 마감 처리하였다. 시험시 사용된 하중재하장치는 유압실린더를 이용한 수동제어방식을 적용하였는데 구속압 장치의 경우 시험과정 중 일정한 구속압 이 유지되어야 하므로 유압실린더의 오일 압력을 조절할 수 있도록 실린더와 펌프를 개조하였으며 응력 제어 방식의 시험을 위하여 수평 및 연직 방향 유압실린더에 로드 셀(load cell)을 부착하여 하중을 측정하였다. 현장 삼축 압축시험시 구속 압조건은 각각 5kg/cm2, 10kg/cm2 및 15kg/cn?를 적용하였는데, 이는 공내재하시험 결과로 추정된 강도 정수와의 상관성 분석시 동일한 응력 수준에서 비교될 수 있도록 계획한 것이다.
- 따라서, 본 연구에서는 화강풍화암에 대한 공내재하시험 결과로부터 해석적 방법으로 평가된 강도 정수를 현장 삼축 압축시험 결과와 비교분석하여 해석적 방법의 적용성을 파악하고자 하였다. 또한, 본 연구에서는 실측된 공내재하시험 결과를 만족하는 매개변수를 얻는 과정이 매우 복잡하고 많은 해석시간이 소요되므로 선형 회귀분석을 이용한 최적화 기법을 적용한 전산 프로그램을 개발하여 사용하였다. 해석시 필요한 입력 매개 변수 중 풍화암의 포아송비는 금회연구에서는 정확하게 산정된 결과가 없으므로 기존 연구결과를 참조하여 0.
대상 데이터
- 연구 대상 부지는 경기도 。。지역에 위치한 곳으로 본 지역의 지층분포 및 암반 특성을 확인하기 위하여 지표지질 조사, 시추조사, 실내시험 및 X선 회절 분석 등을 실시하였다. 시추 조사는 총 8개소에 대하여 실시하였는데 잔류토 및 풍화암층에 대한 불교란 시료를 최대한 전심도에 대하여 연속적으로 채취하였다. 또한, 시추시 잔류토 및 풍화암에 대하여 일정 간격으로 표준관 입 시험(80회) 및 공내재하시험(24회)을 병행하여 실시하였으며 현장 삼축시험은 대상 지 역 풍화암의 풍화도 평가 결과에 따른 풍화등급을 고려하여 공내재하시험이 수행된 동일 위치까지 지반을 굴착한 후 시험을 수행하였다.
- 본 현장 삼축압축시 험 결과는 본 연구에서 제시한 풍화등급 가운데 1종의 풍화도에 대하여 수행된 시험 결과를 토대로 한 것으로 다양한 응력 수준 및 풍화등급에 따라 수행된 현장 삼축시험 결과를 토대로 한 연구는 현재 진행 중에 있다. 본 연구에서 설계 및 제작된 현장 삼축압축시험 장 비는 크게 하중재하장礼 하중측정장礼 변형 측정장치, 반력장치 및 재하지지대로 구분할 수 있는데 제작 형태는 그림 8과 같고 시험 절차는 그림 9와 같다. 현재까지 국외에서 일부 수행된 사례의 경우 대부분의 현장 삼축 압축시험이 터널 등과 같은 지중내 굴착 단면에 대하여 실시되어 원지반을 하중 반력 기구로 사용한 반면, 본 연구에서 실시된 현장삼축시험의 경우는 공내재하시험이 수행된 시험위치까지 지반을 굴착한 후 노출된 바닥면에서 시험이 수행되어 별도의 반력장치가 필요하므로 H형강으로 제작된 반력대에 4개의 어스앵커를 설치하였다.
이론/모형
- 본 연구는 연구대상 부지에서 실시된 총 24개의 공내재하시험 결과를 이용하여 제시된 풍화등급에 따라 풍화암의 점착력, 내부 마찰각 및 팽창각어ilation angle) 등의 강도 정수를 추정하기 위하여 수행된 것으로 Haberfield와 Johnson(1990)이 제시한 해석적 방법을 이용하였다 본 방법은 Mohr-Coulomb의 탄소성 이론, 응력팽창이론stress dilantancy theory) 및 공~동확장이■론(cavity expansion theory)으로부터 전개된 이론식을 이용한 것으로 실측된 공내재하시험 결과와 이론식에 포함된 매개 변수를 반복 가정하여 해석적 방법으로 평가된 결과 간의 회귀분석을 통하여 오차가 최소인 경우에 해당되는 매개 변수로부터 강도 정수를 추정하는 방법으로 재료는 선형 Mohr-Coulomb 파괴 규준, 비 관련 흐름 법칙 및 응력 팽창 이론을 만족하며 반경 방향 균열 효과는 고려하지 않는 가정사항을 전제로 하는데 해석시 적용한 기본 이론 식은 식 ⑺〜식(10)과 같다.
성능/효과
- 실내시험은 입도 분석(24회), 흡수율 시험(141회), 밀도시험(80회) 및 풍화내구성시험(80회) 등의 물성시험과 공시체제작이 가능한 경우에 대하여는 삼축 압축시험(6회) 및 직접전단시험(6회) 등의 역학시험을 실시하였다. 실내시험 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 풍화잔류토는 통일분류법상 입도분포가 양호한 사질토에 해당되며 세립질 함량은 미소한 것으로 확인되었는데, 풍화암의 풍화정도를 국제지질학회에서 제시한 풍화 분류기준(geological society, 1990)을 참조하여 정성적으로 구분하면 보통 정도의 풍화(moderately weathered) 내지 높은 정도의 풍화(highly weathered)에 해당되는 것으로 분류된다. 한편, 화강 풍화암에 대한 X선 회절 분석 결과를 요약하면 표 1과 같은데 분석 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 화강 풍화암은 석영, 정장석, 사장석, 운모 및 점토광물로 구성된 것으로 확인되었는데, 화강암의 주요 조암광물인 석영과 정장석이 전체 광물함량의 대부분(60%〜80%)을 차지하는 것으로 나타났다.
- 실내시험 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 풍화잔류토는 통일분류법상 입도분포가 양호한 사질토에 해당되며 세립질 함량은 미소한 것으로 확인되었는데, 풍화암의 풍화정도를 국제지질학회에서 제시한 풍화 분류기준(geological society, 1990)을 참조하여 정성적으로 구분하면 보통 정도의 풍화(moderately weathered) 내지 높은 정도의 풍화(highly weathered)에 해당되는 것으로 분류된다. 한편, 화강 풍화암에 대한 X선 회절 분석 결과를 요약하면 표 1과 같은데 분석 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 화강 풍화암은 석영, 정장석, 사장석, 운모 및 점토광물로 구성된 것으로 확인되었는데, 화강암의 주요 조암광물인 석영과 정장석이 전체 광물함량의 대부분(60%〜80%)을 차지하는 것으로 나타났다. 본X선 회절 분석 시험 시료가 전체 암반의 대표성을 지닌다고 보기는 어려워 정량적인 평가는 어렵지만 풍화암에서 잔류토로 풍화가 진행될수록 점토광물의 함량이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 한편, 화강 풍화암에 대한 X선 회절 분석 결과를 요약하면 표 1과 같은데 분석 결과를 참조하면 연구 대상 지역의 화강 풍화암은 석영, 정장석, 사장석, 운모 및 점토광물로 구성된 것으로 확인되었는데, 화강암의 주요 조암광물인 석영과 정장석이 전체 광물함량의 대부분(60%〜80%)을 차지하는 것으로 나타났다. 본X선 회절 분석 시험 시료가 전체 암반의 대표성을 지닌다고 보기는 어려워 정량적인 평가는 어렵지만 풍화암에서 잔류토로 풍화가 진행될수록 점토광물의 함량이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 화강풍화암의 흡수율과 건조 밀도의 관계를 분석한 결과를 참조하면 건조밀도의 분포는 2.15g/cm3 〜2.72g/cm3으로 나타났는데, 이때 해당되는 흡수율의 분포 범위는 0.89%〜 18.9%로 나타났다. 또한, 흡수율이 증가할수록 풍화암의 건조 밀도는 지수적으로 감소하는 경향을 보이는데 이를 지수함 수의 형태로 표현하면 식(1)과 같으며 이때의 결정 계수는 0.
- 9%로 나타났다. 또한, 흡수율이 증가할수록 풍화암의 건조 밀도는 지수적으로 감소하는 경향을 보이는데 이를 지수함 수의 형태로 표현하면 식(1)과 같으며 이때의 결정 계수는 0.804로 비교적 높은 상관도를 보이는 것으로 나타났다. 한편, 흡수율 시험 시료와 동일 위치에서 실시된 표준관입 시험 결과와 흡수율의 관계를 분석한 결과(그림 2참조)에 따르면 흡수율과 표준관입시험치의 관계는 건조밀도의 관계와 유사하게 N값이 증가할수록 흡수율은 지수적으로 반비례하여 감소하는 것으로 나타났다.
- 804로 비교적 높은 상관도를 보이는 것으로 나타났다. 한편, 흡수율 시험 시료와 동일 위치에서 실시된 표준관입 시험 결과와 흡수율의 관계를 분석한 결과(그림 2참조)에 따르면 흡수율과 표준관입시험치의 관계는 건조밀도의 관계와 유사하게 N값이 증가할수록 흡수율은 지수적으로 반비례하여 감소하는 것으로 나타났다. 한 가지 주목할 만한 것은 실무에서 일반적으로 토사와 풍화암의 경계를 구분할 때 적용하는 특정 N치 100(50/15)를 기준으로 하여 좌우측 구간의 흡수율 감소 형태가 차이를 보인다는 것인데 이에 해당되는 흡수율은 지수함수를 이용하여 회귀분석한 결과(식 (2) 참조)에 따르면 10% 정도인 것으로 나타났다.
- 분석 결과를 참조하면 풍화내구성지수시험의 건습반복 1회 시 조건(이하 SDIi) 및 건습반복 2회 시 조건(이하 SDI2) 모두 흡수율이 증가할수록 풍화내구성지수는 감소하는 형태를 보이는 것으로 나타났는데, 흡수율 2% 미만의 영역에서는 내구성 지수의 변화폭이 매우 미소한 반면, 흡수율 5-10% 구간에서는 내구성지수가 급격하게 감소되는 것으로 나타났다. 본 결과를 Lee와 de Freitas(1988)의 결과와 비교해보면 연구 대상 지역 풍화암중 흡수율 5%~ 10% 범위는 높은 풍화 단계(highly weathered)에 해당 됨을 추정할 수 있다.
- 한편, 풍화 내구성 지수와 표준관입시험 치의 관계를 분석한 결과는 그림 5와 같다. 분석 결과를 참조하면 앞에서 언급한 흡수율과 N값의 관계와 유사 하게 특정 N값을 경계로 풍화 내구성 지수의 분포 특성 이 변화하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 암반에 서의 표준관입시험 결과가 시험 특성상 흡수율과 같이 풍화암반의 풍화정도를 나타내는 정량적인 자료로 활 용하는데는 어려움이 있으나, 정성적으로 풍화도를 판 단하는 자료로서의 활용은 비교적 적합한 것으로 판단 된다.
- 앞에서 언급한 바와 같이 본 연구지역에 분포하는 풍화암은 보통(moderately) 내지 높은 (highly) 정도의 풍화영역에 해당되는데, 풍화도에 따른 흡수율 및 풍화내구성 지수의 분포특성으로부터 시험 결과의 분산 정도는 있으나 흡수율 2%, 5% 및 10% 지점에서 건조밀도, 풍화내구성 지수 및 N값의 변화가 두드러지게 발생되는 것으로 확인되어 이때의 흡수율을 기준으로 대상지역 풍화암의 풍화도를 3가지 등급으로 구분하였다. 또한, 흡수율 10% 이상 인 구간의 경우 시험 결과 간 뚜렷한 경계는 확인할 수 없었으나, 본 연구에서는 시료 채취 시 암반코아의 상태 및 풍화지수 판정을 위한 각 시험의 가능성 여부 등으로부터 흡수율 15% 지점을 토사와 풍화암의 풍화 경계면으로 구분하는 데는 큰 무리가 없는 것으로 판단된다.
- 공내재하시험으로부터 풍화암의 한계 응력을 평가하기 위해서는 probe 초기 체적의 2배까지 시험이 수행되어야 하지만 시험 시 probe 파손의 경우 가 상당수 발생하여 한계 응력은 실측된 응력변형관계를 토대로 외삽기법을 이용하여 산정하였다. 각 풍화등급에 따라 수행된 공내재하시험 결과 산정된 대표적인 응력변형 곡선은 그림 6과 같은데 시험 결과를 참조하면 풍화도가 증가할수록 항복응력 및 한계응력은 감소하고 반경 방향 변형율은 증가하는 일반적인 경향을 보이는데 항복이 발생되는 변형율은 약 2% 미만인 것으로 나타 났다.
- 표3을 참조하면 공내재하시험 결과로부터 평가된 메나드 변형계수는 풍화등급 I, II 및 III에 대하여 각각 220kg/cm2 — 400kg/cm2, 550kg/cm2— 1980kg/cm2 및 1200kg/cm2~5000kg/cm2의 범위로 분포되는 것으로 나타났는데, 풍화도에 따라 최대 약 20배 가까운 변화를 보이는 것으로 나타나 풍화도에 따라 암반 변형 특성의 차이가 두드러지게 변화하는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 흡수율 변화에 따른 건조밀도 또는 N값의 변화와 유사한 형태로 나타났는데, 이는 풍화 진행에 따른 암반 내 간극증가와 입자간 고결력 저하에 따른 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과는 흡수율 변화에 따른 건조밀도 또는 N값의 변화와 유사한 형태로 나타났는데, 이는 풍화 진행에 따른 암반 내 간극증가와 입자간 고결력 저하에 따른 것으로 판단된다. 그림 7을 참조하면 풍화진행에 따른 풍화암의 응력변형 특성의 변화를 판단할 수 있는데 풍화가 진행되어 흡수율이 증가할수록 한계 응력, 항복 응려 메나드변형계수 및 전단탄 성계수는 지수함수적으로 감소하는 형태를 보이는 것으로 나타났는데, 앞서 풍화등급 결정 시 경계가 된 흡수율 5%, 10% 및 15% 지점에서 감소 추이가 변하는 것을 확인할 수 있었다. 공내재하시험 결과를 토대로 화강 풍화암의 항복응력, 한계응력, 메나드 변형계수 및 전단탄 성계수와 흡수율과의 상관식을 제시하면 식(3)〜식 (6)과 같다.
- 본 현장 삼축 압축시험이 수행된 풍화암지층의 흡수율은 약 10%이며 환산N값은 100정도로 본 연구에서 제시한 풍화등급 II에 해당되는 풍화암지층이다. 현장 삼축 압축시험이 수행된 지층과 동일 위치에서 수행한 공내재하시험 결과에서 산정된 대상 풍화암층의 항복응력 및 한계응력은 각각 18.3kg/cm2 및 72.1kg/cm2 정도로 나타났으며, 메나드 변형계수는 약 750kg/cm2 정도인 것으로 확인되었다.
- 시험 결과를 참조하면 응력-변형율의 관계는 구속압 조건에 따라 차이는 있으나 최대 강도가 발현되는 변형율 수준은 약 11 〜 13%로 나타나 상당한 변형에 도달될 때까지 지속적인 강도 증가를 나타내는 변형율 경화거동을 보이는 것으로 나타났는데, 최대 강도를 기준으로 한 변형계수(Ew)를 산정한 결과 각각의 구속 압조건에 대하여 각각 561kg/cm2, 666.7kg/cm2 및 888.9kg/cm2로 산정되었다. 한편, 본 시험 결과를 토대로 M아ir・Coulomb 파괴 기준을 적용할 경우 풍화암의 점착력은 9.
- 4。로 산정되었다. 본 결과는 제한된 구속압 조건에 대한 강도 정수 평가를 목적으로 한 것으로 화강풍화암 이 Hoek와 Brown(1980)의 파괴 기준 등과 같은 비선형적인 강도 특성을 만족한다면 본 시험 결과를 낮은 응력 수준에 적용할 경우 점착력은 과다평가되고 내부 마찰각은 과소평가될 수 있다. 즉, 현장 삼축시험.
- 연구 대상 지역의 풍화암에 대하여 수행된 공내재하시험 결과로부터 Haberfield와 Johnson(1990)이 제시한 해석적 방법을 이용하여 추정된 점착력, 내부 마찰각 및 팽창각을 각각의 경우에 해당되는 흡수율에 따라 분석한 결과는 그림 11과 같다. 해석 결과를 참조하면 분산 정도는 있으나 점착력, 내부 마찰각 및 팽창각 모두 흡수율이 증가함에 따라 지수적으로 감소하는 형태로 나타났다. 해석적 방법으로 평가된 점착력은 풍화등급에 따라 약 5kg/cm2~20kg/cm2^ 범위로 분포되며, 내부마찰 각 20〜40。, 팽창각은 20。 미만의 범위로 분포되는 것으로 나타나 풍화도에 따라 강도 정수의 변화가 매우 큰 것으로 나타났다.
- 해석적 방법으로 평가된 점착력은 풍화등급에 따라 약 5kg/cm2~20kg/cm2^ 범위로 분포되며, 내부마찰 각 20〜40。, 팽창각은 20。 미만의 범위로 분포되는 것으로 나타나 풍화도에 따라 강도 정수의 변화가 매우 큰 것으로 나타났다. 한편, 흡수율 5% 및 10% 지점에서 강도정수의 변화폭이 큰 것으로 나타나 본 연구에서 제시한 풍화등급 구분이 연구 대상 풍화암에 대하여 적절함을 확인할 수 있다. 또한, 공내재하시험 결과로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각을 풍화등급 II의 풍화도에서 실시된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교한 결과 두 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났는데, 본 결과는 제한된 1종의 풍화도에서 수행된 것이므로 향후 다른 풍화도에서 보다 많은 현장 삼축 압축시험을 수행하여 추가적인 연구가 진행된다면 비교적 간단한 공내재하시험 결과로부터 깊은 심도에서의 강도 정수를 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
- ⑴ 본 연구지역의 화강풍 화암을 대상으로 실시된 흡수율, 건조밀도 및 풍화내구성지수시험 결과 간 상관성 분석을 통하여 흡수율이 풍화도를 평가하는 유용한 지표가 될 수 있음을 확인하였으며 흡수율을 이용하여 중간 내지 높은 풍화정도에 해당되는 풍화암을 3등급으로 세분하여 분류할 수 있도록 제안하 였다.
- ⑵대상 암반에 대하여 수행된 흡수율 및 풍화내구성지수 시험 결과와 표준관입 시험 결과(N값)와의 상관성 분석을 실시한 결과 특정 N값을 기준으로 흡수율 및 풍화내구성지수의 분포특성이 변화하는 것을 확인할 수 있었으나, N값만으로는 풍화도를 구분하기 위한 정량적인 자료로 활용하는 데는 다소 문제가 있는 것으로 판단된다.
- (3) Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용한 공동확장 이론으로부터 유도된 이론식을 사용하여 공내재하시험 결과로부터 점착력, 내부 마찰각 및 팽창각을 추정하여 본 연구에서 제시한 풍화등급에 따른 강도정수 변화를 분석한 결과, 풍화도가 증가할수록 강도정수는 지수적으로 감소하는 경향으로 나타났는데 본 연구에서 제안한 풍화등급의 경계 부근에서 감소폭이 큰 것으로 나타나 제안된 풍화도 분류 방법 이 신뢰성 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 실내시험 결과를 토대로 연구 대상지 역의 풍화암을 3등급의 풍화도로 분류할 수 있는 방법을 제시하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준 및 공동 확장 이론을 토대로 한 해석적 방법을 이용하여 공내재하시험 결과로부터 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수를 풍화도에 따라 산정하였다. 한편, 공내재하시험 결과로부터 추정된 강도정수를 풍화도와 관련하여 수행된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교분석하여 검증할 목적으로 연구 중에 있으며 현재까지 1종의 풍화도에 대하여 수행된 현장삼축 압축시험 결과와 비교하여 공내재하시험 결과를 이용한 강도 정수 추정법의 신뢰성을 검증하였는데, 다양한 응력 수준 조건 및 풍화등급 조건을 달리하여 수행된 현장삼축 압축시험 결과를 토대로 한 연구는 현재 진행 중에 있다.
- 한편, 본 연구에서는 현장 삼축 압축시험 결과를 공내재하시험 결과로부터 추정된 풍화암의 점착력 및 내부 마찰각 등의 강도정수와 비교분석하여 추정 방법의 신뢰도를 검증토록 계획하였다. 본 현장 삼축압축시 험 결과는 본 연구에서 제시한 풍화등급 가운데 1종의 풍화도에 대하여 수행된 시험 결과를 토대로 한 것으로 다양한 응력 수준 및 풍화등급에 따라 수행된 현장 삼축시험 결과를 토대로 한 연구는 현재 진행 중에 있다. 본 연구에서 설계 및 제작된 현장 삼축압축시험 장 비는 크게 하중재하장礼 하중측정장礼 변형 측정장치, 반력장치 및 재하지지대로 구분할 수 있는데 제작 형태는 그림 8과 같고 시험 절차는 그림 9와 같다.
- 즉, 현장 삼축시험. 결과에서의 파괴포락선은 구속 응력 범위가 커서 직선으로 획일적으로 표현될 수 있으나 응력 범위가 작은 경우 이를 만족하지 않을 수도 있으므로 다양한 응력 수준에서의 추가적인 연구를 통하여 이에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
- 해석시 필요한 입력 매개 변수 중 풍화암의 포아송비는 금회연구에서는 정확하게 산정된 결과가 없으므로 기존 연구결과를 참조하여 0.3을 사용하였고 잔류마찰각은 대상 풍화암에 대한 직접전단 시험 결과로부터 산정된 22。를 적용하였는데, 강도정수 추정에 필요한 매개 변수에 관한 연구는 차후 세부적으로 수행하여 보완할 계획이다.
- 한편, 흡수율 5% 및 10% 지점에서 강도정수의 변화폭이 큰 것으로 나타나 본 연구에서 제시한 풍화등급 구분이 연구 대상 풍화암에 대하여 적절함을 확인할 수 있다. 또한, 공내재하시험 결과로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각을 풍화등급 II의 풍화도에서 실시된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교한 결과 두 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났는데, 본 결과는 제한된 1종의 풍화도에서 수행된 것이므로 향후 다른 풍화도에서 보다 많은 현장 삼축 압축시험을 수행하여 추가적인 연구가 진행된다면 비교적 간단한 공내재하시험 결과로부터 깊은 심도에서의 강도 정수를 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 공내재하시험 결과를 이용한 해석적 방법으로 추정된 강도 정수는 원위치 상태의 응력수준에 대하여 결정된 값이므로 본 방법을 적용할 경우에는 재하 중에 가까운 응력 수준의 범위를 고려하여야 할 것으로 판단된다.
- 또한, 공내재하시험 결과로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각을 풍화등급 II의 풍화도에서 실시된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교한 결과 두 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났는데, 본 결과는 제한된 1종의 풍화도에서 수행된 것이므로 향후 다른 풍화도에서 보다 많은 현장 삼축 압축시험을 수행하여 추가적인 연구가 진행된다면 비교적 간단한 공내재하시험 결과로부터 깊은 심도에서의 강도 정수를 파악할 수 있을 것으로 판단된다. 한편, 공내재하시험 결과를 이용한 해석적 방법으로 추정된 강도 정수는 원위치 상태의 응력수준에 대하여 결정된 값이므로 본 방법을 적용할 경우에는 재하 중에 가까운 응력 수준의 범위를 고려하여야 할 것으로 판단된다. 즉, 흙막이 구조물 및 사면과 같은 굴착 조건에 대하여 본 방법을 적용할 경우 응력이완 및 그에 따른 2차적인 풍화 등을 고려할 수 없어 풍화암의 강도 정수를 과다 평가할 수 있으므로 세심한 주의가 필요한 것으로 판단된다.
- 한편, 공내재하시험 결과를 이용한 해석적 방법으로 추정된 강도 정수는 원위치 상태의 응력수준에 대하여 결정된 값이므로 본 방법을 적용할 경우에는 재하 중에 가까운 응력 수준의 범위를 고려하여야 할 것으로 판단된다. 즉, 흙막이 구조물 및 사면과 같은 굴착 조건에 대하여 본 방법을 적용할 경우 응력이완 및 그에 따른 2차적인 풍화 등을 고려할 수 없어 풍화암의 강도 정수를 과다 평가할 수 있으므로 세심한 주의가 필요한 것으로 판단된다.
- (4) 공내재하시험 결과로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각을 1종의 풍화도에서 실시된 현장 삼축 압축시험 결과와 비교한 결과 두 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타나 제안된 강도 정수 추정법의 신뢰성을 확인할 수 있었으나 향후 보다 다양한 응력 수준에 대한 추가적인 검증이 필요한 것으로 판단된다.
- (5) 공내재하시험 결과로부터 해석적 방법으로 추정된 강도 정수는 원위치 상태의 응력 수준에 대하여 결정된 값이므로 본 해석적 방법을 적용할 경우에는 재하 중에 가까운 응력 수준의 범위를 고려하여야 할 것으로 판단된다.
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