독도는 약 $300{\sim}220$만 년 전에 형성된 해양섬 기원의 화산체로서 동도와 서도로 구성되어 있다. 비록 규모는 작지만 동해의 형성 및 진화와 연관된 지질과학적 중요성 외에 자원적, 생태적, 영토적 가치, 그리고 일본과의 독도 영유권 문제와 관련한 국민적 관심 등 경제 사회 과학 기술적 측면에서 무한한 잠재적 가치와 의미를 갖고 있는 지역이다. 최근 동도 육상부에서 급속하게 진행되고 있는 풍화 및 침식작용으로 인한 각종 균열로 인하여 독도 지반의 안정성 평가의 필요성이 제기되었다. 본 논문은 독도의 지반안정성 분석을 위한 사전조사단계로서 독도의 지질과 층서, 지반불안정을 발생시키는 요인에 대하여 알아보고 육안관찰에 의해 위험요소로 판단된 지역에서 수행되었던 독도 암석의 역학적 특성을 분석하였다. 독도의 암석은 주로 응회암, 조면암, 조면안산암으로 구성되어 있으며, 전체적으로 풍화와 침식에 의해 국내 암석의 역학적 물성수치에 비해 상대적으로 낮았다.
독도는 약 $300{\sim}220$만 년 전에 형성된 해양섬 기원의 화산체로서 동도와 서도로 구성되어 있다. 비록 규모는 작지만 동해의 형성 및 진화와 연관된 지질과학적 중요성 외에 자원적, 생태적, 영토적 가치, 그리고 일본과의 독도 영유권 문제와 관련한 국민적 관심 등 경제 사회 과학 기술적 측면에서 무한한 잠재적 가치와 의미를 갖고 있는 지역이다. 최근 동도 육상부에서 급속하게 진행되고 있는 풍화 및 침식작용으로 인한 각종 균열로 인하여 독도 지반의 안정성 평가의 필요성이 제기되었다. 본 논문은 독도의 지반안정성 분석을 위한 사전조사단계로서 독도의 지질과 층서, 지반불안정을 발생시키는 요인에 대하여 알아보고 육안관찰에 의해 위험요소로 판단된 지역에서 수행되었던 독도 암석의 역학적 특성을 분석하였다. 독도의 암석은 주로 응회암, 조면암, 조면안산암으로 구성되어 있으며, 전체적으로 풍화와 침식에 의해 국내 암석의 역학적 물성수치에 비해 상대적으로 낮았다.
Dokdo is a volcano edifice originating from an oceanic island that was formed around 3 million to 2.2 million years ago, and it consists of Dongdo(eastern island) and Seodo(western island). Even though Dokdo is a small volcanic island, Dokdo has infinite potential value and significant economic, soc...
Dokdo is a volcano edifice originating from an oceanic island that was formed around 3 million to 2.2 million years ago, and it consists of Dongdo(eastern island) and Seodo(western island). Even though Dokdo is a small volcanic island, Dokdo has infinite potential value and significant economic, social, scientific, and technical aspects due to its resources, ecological and territorial value. In addition, it is of national interest with regards to the dispute with Japan over the dominium of Dokdo. A need to evaluate the ground stability of Dokdo, especially in Dongdo, has been seriously raised recently due to the various cracks caused by the progressive weathering and corrosion. This study dealt with the geology and geological layers of Dokdo and identified the status of ground cracks as the previous research to evaluate the ground stability of zones of concern in Dongdo. Also, this study analyzed the relationships between physical and mechanical properties with rock types. The results showed that the values of rock properties in Dokdo are lower contrary to the general rocks in Korea, and tuff was especially affected by the weathering and corrosion.
Dokdo is a volcano edifice originating from an oceanic island that was formed around 3 million to 2.2 million years ago, and it consists of Dongdo(eastern island) and Seodo(western island). Even though Dokdo is a small volcanic island, Dokdo has infinite potential value and significant economic, social, scientific, and technical aspects due to its resources, ecological and territorial value. In addition, it is of national interest with regards to the dispute with Japan over the dominium of Dokdo. A need to evaluate the ground stability of Dokdo, especially in Dongdo, has been seriously raised recently due to the various cracks caused by the progressive weathering and corrosion. This study dealt with the geology and geological layers of Dokdo and identified the status of ground cracks as the previous research to evaluate the ground stability of zones of concern in Dongdo. Also, this study analyzed the relationships between physical and mechanical properties with rock types. The results showed that the values of rock properties in Dokdo are lower contrary to the general rocks in Korea, and tuff was especially affected by the weathering and corrosion.
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문제 정의
시작되었다. 본 논문에서는 독도의 지반 안정성 분석을 위한 사전조사단계로서 독도의 지질과 층서, 지반 불안정을 발생시키는 요인에 대하여 알아보고 육안관찰에 의해 위험요소로 판단된 지역에서 수행되었던 독도 암석의 역학적 특성에 대해서 다룬다.
따른 보강대책이 요구되고 있다. 본 보고에서는 지반평가를 위한 기본조사의 일환으로 수행된 독도 암석의 실내시험으로부터 암종과 역학적 특성사이의 상관관계를 분석하였으며, 얻어진 주요내용은 다음과 같다.
특히 최근 들어 독도(특히 동도) 육상부에서 급속하게 진행되고 있는 풍화 및 침식작용으로 인한 각종 균열로 인하여 독도 지반의 안정성 평가의 필요성이 사회 일각에서 심각하게 제기됨에 따라 해양수산부에서는 독도 보존과 관리차원에서 보다 체계적인 계획을 수립하고 이를 추진하기 위한 과학적인 근거를 확보하기 위하여 독도 전반의 지반균열, 특히 동도 내 경비/개방구역에 대한 정밀지반평가를 실시하기로 결정하면서 본연구가 시작되었다. 본 논문에서는 독도의 지반 안정성 분석을 위한 사전조사단계로서 독도의 지질과 층서, 지반 불안정을 발생시키는 요인에 대하여 알아보고 육안관찰에 의해 위험요소로 판단된 지역에서 수행되었던 독도 암석의 역학적 특성에 대해서 다룬다.
제안 방법
또한 절리면에 대한 직접전단시험을 실시하여 마찰각, 점착력, 절리면 수직강성(Kn), 절리면 전단 강성(Ks) 등을 구하였다(표 2와 표 3).
물리적, 역학적 물성사이의 상관성은 암반공학의 기본특성이 되는 일축압축강도를 기준으로 하여 분석하였다. 밀도의 경우 조면안산암과 조면암에서는 일축 압축강도와 선형적인 관계를 유지하고 있으며, 약 40 MPa 이상의 경우 선형성은 더욱 명확하게 나타났다(그림 8, 표 4).
본 논문에서는 독도 동도지역 암석의 대표성 등을 고려하여 그림 6에서 보는 바와 같이 20개 지점에서 시료를 채취하여 기본 물성시험을 실시하였으며, 절리면 전단시험은 10개 지점에서 각 1개의 시료에 대하여 절리면 전단시험을 수행하였다. 시료의 채취는 독도의 자연경관을 훼손하지 않도록 주의하였다.
시료의 채취는 독도의 자연경관을 훼손하지 않도록 주의하였다. 시료를 채취함에 있어서는 시험편 성형이 용이하도록 대상 암반에서 비교적 신선한 부분을 선택하였다.
절리면 전단시험에서 얻어진 결과를 중심으로 절리면 물성 간의 상관성을 알아보았다. 절리의 역학적 특성은 절리 표면의 거칢정도를 표현하는 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 기준으로 분석하였다.
채취한 시료에 대하여 비중, 흡수율, 탄성파속도(P, S 파)와 같은 물리적 특성과 삼축압축시험, 일축압축시험, 인장강도 등의 역학적 특성을 측정하고, 일련의 시험으로부터 탄성계수, 포아송비, 내부마찰각, 점착력 등을 계산하였다. 또한 절리면에 대한 직접전단시험을 실시하여 마찰각, 점착력, 절리면 수직강성(Kn), 절리면 전단 강성(Ks) 등을 구하였다(표 2와 표 3).
이론/모형
상관성을 알아보았다. 절리의 역학적 특성은 절리 표면의 거칢정도를 표현하는 JRC(Joint Roughness Coefficient)를 기준으로 분석하였다. 그림 18은 마찰각과 JRC 의 상관관계를 나타내는 것으로 JRC 가 증가할수록 마찰각 역시 커지는 경향을 보이지만 상관도가 매우 낮게 나타났다.
성능/효과
1. 독도는 약 300~220만 년 전에 형성된 해양섬 기원의 화산체로서, 독도에 분포하는 지층들은 하부로부터 괴상 응회각력암, 조면안산암 I, 층상 라필리응회암, 층상응회암, 조면안산암 n, 스코리아성 층상 라필리응회암, 조면안산암 n, 각력암, 조면암, 염기성 암맥 등 총 9개 화산암층 단위로 구성되어있다.
2. 독도(특히 동도) 지반의 불안정은 단층과 절리, 균열 그리고 불완전한 공사 등에 기인한다. 독도 지반에는 단층과 절리들이 매우 발달하고 있으며, 단층 부근에서는 단층작용으로 인해 주변에 연약층이 형성되어 쐐기파괴나 낙반을 일으키게 된다.
3. 독도의 암석은 주로 응회암, 조면안산암, 조면암으로 이루어져 있으며, 전체적으로 풍화와 침식에 의해 국내 암석의 역학적 물성수치에 비해 상대적으로 낮은 수치를 보였다. 또한 조면안산암과 조면암은 응회암에 비해 상대적으로 높은 역학적 물성 수치를 나타냈다.
4. 밀도 탄성계수, P, S파속도는 일축압축강도가 증가할수록 선형적으로 증가하였으나, 흡수율은 지수적으로 감소하였으며, 일축압축강도보다 밀도와 밀접한 상관성을 보였다. 반면, 포아송비는 일축 압축강도와 상관성이 거의 없는 것으로 나타났다.
5. 임계변형률은 0.1 %에서 1 %사이에 존재하며, 특히 20 MPa이상의 일축압축강도를 갖는 조면 안산암과 조면암의 경우 임계변형률은 0.3 %에서 0.8 %로 보다 일정한 값을 보였다. 취성지수는 조면암을 제외하고 분산이 심하나, 일축압축강도에 따라 비례적으로 증가하는 경향을 보였다.
6. 마찰각과 절리면 전단강성은 JRC가 높을수록 대체적으로 증가하는 경향을 보이나, 수직강성 대 전단 강성의 비는 JRC가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 그 값은 1이하의 값을 보였다. 이는 시험에 사용된 시료의 JRC가 평균이하의 낮은 범위로서 마찰각 등과의 관계가 뚜렷하게 나타나지 않은 것으로 판단된다.
전파속도와 일축압축강도에 대해 선형회귀한 결과, 조면 안산암의 P파속도의 기울기는 조면암에 비해 상대적으로 크게 나타났으나, S파속도의 경우 두 암종에서 유사한 기울기를 보였다. p, S파속도의 밀도와의 상관성은 응회암을 포함한 모든 암종에 대해 일축 압축강도보다 높게 나타났으며, 밀도에 대한 선형회귀의 기울기는 S파속도의 경우 세 암종 모두 유사하였으나, P파 속도의 경우 일축압축강도와 의 관계와 달리 조면안산암에 대한 기울기가 조면암에 비해 낮게 나타남을 보였다. 따라서 밀도 또는 P, S파속도로부터 암석의 강도를 유추하는 경우 암종 뿐아니라 고려된 물성의 상관성 등에 대한 충분한 검토가 요구된다.
또한 다른 연구(한국지질자원연구원, 2007, 그림 15b)에서는 약 40 MPa 이하의 일축압축강도를 제외한 범위에서 임계변형률은 일축압축강도에 크게 영향을 받지 않는다고 보고하였다. 독도 암석역시 기존 연구와 같이 임계변형률은 0.1 %에서 1 %사이에 존재하며, 특히 20 MPa 이상의 일축압축강도를 갖는 조면안산암과 조면암의 경우 임계변형률은 0.3 %에서 0.8 %로 보다 일정한 값을 보였다.
물리적, 역학적 물성사이의 상관성은 암반공학의 기본특성이 되는 일축압축강도를 기준으로 하여 분석하였다. 밀도의 경우 조면안산암과 조면암에서는 일축 압축강도와 선형적인 관계를 유지하고 있으며, 약 40 MPa 이상의 경우 선형성은 더욱 명확하게 나타났다(그림 8, 표 4). 반면, 40 MPa이하의 범위에서 밀도는 일축 압축강도와 상관성이 거의 없는 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 일축압축강도가 낮은 응회암에서 명확하게 확인할 수 있었다.
밀도의 경우 조면안산암과 조면암에서는 일축 압축강도와 선형적인 관계를 유지하고 있으며, 약 40 MPa 이상의 경우 선형성은 더욱 명확하게 나타났다(그림 8, 표 4). 반면, 40 MPa이하의 범위에서 밀도는 일축 압축강도와 상관성이 거의 없는 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 일축압축강도가 낮은 응회암에서 명확하게 확인할 수 있었다. 응회암의 밀도는 약 1.
6 g/cn?에서 2.2 g/cn?사이의 수치를 나타냈으며, 이는 일반 암석의 평균 밀도인 2.5 g/cnU보다 상대적으로 낮은 수치로서, 독도에 존재하는 다른 암석에 비해 풍화의 영향을 많이 받고 있는 것으로 판단할 수 있다. 표 4는 기본 물성 간의 상관관계에 대한 회귀식으로 각 물성의 단위는 그림에서 제시된 단위를 사용하였다.
16). 일반적인 암석의 취성지수가 20 전후에 분포하는 경향에 비해 독도암석의 경우 풍화로 인하여 낮은 취성지수를 보였다. 내부마찰각의 경우, 조면 안산암만 일축압축강도가 증가함에 따라 커지는 경향을 보이나, 그 외 다른 암종의 경우 상관성을 찾을 수 없었다(그림 17).
전단강성과 JRC의 상관관계 역시 대체적으로 JRC가 높을수록 증가하는 경향을 보이나(그림 19), 수직강성 대 전단 강성의 비는 JRC가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 그 값은 1이하의 낮은 값을 보였다(그림 20).
조면안산암과 조면암의 P, s파속도는 일축압축강도와 선형적인 관계를 보이고있으나, 응회암의 경우는 상관성을 파악하기 어려웠다. 전파속도와 일축압축강도에 대해 선형회귀한 결과, 조면 안산암의 P파속도의 기울기는 조면암에 비해 상대적으로 크게 나타났으나, S파속도의 경우 두 암종에서 유사한 기울기를 보였다. p, S파속도의 밀도와의 상관성은 응회암을 포함한 모든 암종에 대해 일축 압축강도보다 높게 나타났으며, 밀도에 대한 선형회귀의 기울기는 S파속도의 경우 세 암종 모두 유사하였으나, P파 속도의 경우 일축압축강도와 의 관계와 달리 조면안산암에 대한 기울기가 조면암에 비해 낮게 나타남을 보였다.
정밀조사 대상 구역을 선정하기 위해 조사 지역의 지반 상태를 육안 관찰한 결과 총 14군데에서 낙석 또는 사면 붕괴 징후가 발견되었다. 이 구역들에 관한 내역과 불안정을 초래하고 있는 원인들을 아래 표 과 그림 5에 제시하였다.
8 %로 보다 일정한 값을 보였다. 취성지수는 조면암을 제외하고 분산이 심하나, 일축압축강도에 따라 비례적으로 증가하는 경향을 보였다. 일반적인 암석의 취성지수가 20 전후에 분포하는 경향에 비해 독도 암석의 경우 풍화로 인하여 낮은 취성지수를 보였다.
후속연구
제시할 예정이다. 또한 조사예정인 서도지역의 재해 예상지점 선정과 재해위험도 평가 등에도 활용될 예정이다.
본 연구에서 측정된 동도의 역학적 특성과 지반 불안정요인 등을 기반으로 향후 지반안정성 해석과 재해위험도 평가, 그리고 독도의 특성을 고려한 보수, 보강방안을 제시할 예정이다. 또한 조사예정인 서도지역의 재해 예상지점 선정과 재해위험도 평가 등에도 활용될 예정이다.
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