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문제 정의
- 본 연구에서는 포항일원에 분포하는 제3기 미고결 퇴적층을 대상으로 지표지질조사, 공내검층, 암석시험, 물리탐사, 불연속체 해석, 내구성 및 풍화도 분석을 실시하고 이를 토대로 암반을 분류하였으며 골재원으로 사용될 경우 발생할 수 있는 문제점에 대해서 제시하고자 한다.
제안 방법
- 국내의 경우, 이암이 가지고 있는 물리적 공학적 특성으로 인하여 이암을 매립 재료나 도로의 노상이나 노체 재료로 사용한 예가 거의 없다. 그러나 항만 매립공사에서 매립재료원 취득의 한계, 공사기간에 제한 등의 문제로 인하여 과업 대상지역에서 인접한 지역에 풍부한 이 암을 매립 재료로 활용하기 위한 방안으로 국내 최초로 이암을 이용한 시험시공 및 매립공사를 하였다. 표 7은 이암 매립 재료에 대한 체분석 및 액소성 시험결과로 표 6의 시방기준에서 제시한 것과 같이 토취장 시료가 재료의 최대 치수 및 0.
- 도로 노상, 노체재료로의 적합성을 판단하기 위해 현장에서 다짐을 실시한 후 현장 들밀도 시험을 통하여 시험 성과를 분석 하였다. 양질토와 토취장 이암을 이용한 구간별 다짐조건과 현장들밀도 시험결과는 다음 표 9및 표 10과 같다.
- 암석의 풍화저항력 풍화지수는 화학적 풍화에 의해 용탈되는 원소의 비율을 측정함으로서 산정할 수 있다. 두호층 이암 시료의 X-선 형광분석(XRF)으로 측정된 원소의 무게비(wt.%)를 이용하여 풍화지수를 산정하였다. 산성 용액을 현탁하여 만든 인위적인 풍화조건하에서 반응시간이 증가함에 따라 광물들로부터 이온의 제거 반응이 시작되었으며 사장석의 용탈반응으로 인해 Na+ , Ca2+ 등의 이온들이 감소하는 경향을 나타났다.
- 본 연구에서는 제3기 미고결 퇴적층을 대상으로 지표지질조사, 공내검층, 암석시험, 물리탐사, 불연속체 해석, 내구성 및 풍화도 분석 등의 실험과 다짐특성을 파악하여 암반분류와 도로 성토나 매립골재원으로 사용시 고려해야 할 점들에 대해 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연구지역 미고결 이암의 암반분류를 위해 지표조사와 시추조사, S-PS 검층, 전기비저항 및 굴절법 탄성파탐사를 실시하였다. 표 1과 같이 시추코어에 대한 조사 결과 신생대 제3기 미고결층으로 분류된 암석의 코어회수율(TCR)은 90%이상이며 RQD는 30～100%의 범위로 건교부 표준품셈과 공학적 분류 기준에 의해 연암으로 분류되었다.
- 포항 일원에서 두호층을 재료원을 이용하여 매립지와 절토사면에서 수산화철의 착색현상이 관찰되며, 본 연구에 사용된 두호층 이암으로부터 용출시킨 수용액의 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 총고용물질양 (TDS), 염도(Salinity)의 변화를 관찰하였다. 이암 시료중 일부는 pH가 7.
- 현장시험에 대한 기준으로 노체의 다짐도는 90%이상, 노상의 다짐도는 95%이상을 적용하였으며 10톤의 진동로울러를 이용하여 다짐을 하였다. 구간별 현장 밀도시험 결과, 이암 성토의 경우, 노체는 다짐횟수 15회, 다짐두께 30cm, 노상은 다짐횟수 20회, 다짐두께 20cm 로 하여 시공하는 경우 시방기준을 만족하는 것으로 나타났다.
성능/효과
- (1) 포항지역에 분포하는 신생대 제3기 이동층과 두호 층은 미고결 상태의 사암과 이암으로 구성되며, 암석으로 고화과정 중에 지반의 융기로 인해 지표로 노출되어 형성되었다. 그러나 포항일원의 제 3기 퇴적지역에 분포하는 연암은 속성과정(다짐작용, 교결작용, 재결정화작용)중에 노출되어 완전히 고화 되지 못한 상태로 존재하는 것으로 분석되었다.
- 그러나 포항일원의 제 3기 퇴적지역에 분포하는 연암은 속성과정(다짐작용, 교결작용, 재결정화작용)중에 노출되어 완전히 고화 되지 못한 상태로 존재하는 것으로 분석되었다. (2) RQD와 일축강도를 이용한 연구대상지역 이암의 암반분류 결과 연암으로 분류되었으며 점하중강도는풍화암으로 분류되었다. 또한, 탄성파 속도 측정결과는 연암 내지 보통암으로 분류되는 반면 비저항 시험결과는 완전히 풍화된 암석으로 분류되었다.
- (3) 포항지역 미고결 이암의 분포지는 화산대지에 해당하며, 광화작용으로 원지반 암석은 황(S)의 농도가 높고, 산성배수에 의해 용해되어 토양 및 물 환경을 오염시키는 금속의 농도가 높아 매립지반의 주변으로 오염원 확산이 예상된다. 따라서 이암을 성토재나 매립재로 활용하는 경우, 원지반의 산성배수의 생성 현황과 매립지반에서 오염원의 확산과 정도에 대한 정밀한 조사가 필요하다고 판단되며, 이암 내부에 치환되지 못한 잔류염으로 인한 재해가 발생할 수 있으므로 육상재료원으로 사용 시 이에 대한 검토가 필요하다.
- (4) 구조물의 지지층으로서의 미고결층은 연암과 유사한 강도정수를 보이며, 지표면에 노출된 환경에서 내구성은 풍화암보다 낮은 연경도로 평가되었다. 암반의 분류는 객관적 기준에 의해 평가되어야 하고, 특수성을 보이는 지역의 암반은 현행의 구분 방법과 다른 별도의 합리적인 분류 기준이 마련되어야 할 필요가 있다고 판단된다.
- (5) 매립토의 다짐특성을 고찰한 결과, 이암의 경우 높은 흡수율과 작은 비중의 영향으로 다짐곡선이 양질 토에 비해 넓게 분포하는 특성을 나타났으며 최대건조밀도는 작게 그리고 최적함수비는 매우 크게 나타났다. 또한, 현장 다짐시험 결과 시방서에 제시된 기준을 만족하기 위해서는 양질토에 비해서 2～2.
- EC와 TDS는 3,083～3,333(μS/cm)과 2,200～2,300(ppm)으로 범위로 용출량이 매우 높았으며, 염도는 1.8-2.0(‰)로 측정되어 해성기원 두호층 이암에 잔류염이 남아 있는 것으로 분석되었다.
- 표 1과 같이 시추코어에 대한 조사 결과 신생대 제3기 미고결층으로 분류된 암석의 코어회수율(TCR)은 90%이상이며 RQD는 30～100%의 범위로 건교부 표준품셈과 공학적 분류 기준에 의해 연암으로 분류되었다. S-PS검층에서 측정된 두호층 이암의 동탄성계수, 동전단계수, 동체적계수 및 동포아송비는 건교부 표준품셈에서 연암으로 분류되며(표 2), 굴절법탄성파탐사시험에서 P파의 전파속도는 1,200m/sec 이상으로 연암 및 보통암으로 분류되었다(그림 5).
- 현장시험에 대한 기준으로 노체의 다짐도는 90%이상, 노상의 다짐도는 95%이상을 적용하였으며 10톤의 진동로울러를 이용하여 다짐을 하였다. 구간별 현장 밀도시험 결과, 이암 성토의 경우, 노체는 다짐횟수 15회, 다짐두께 30cm, 노상은 다짐횟수 20회, 다짐두께 20cm 로 하여 시공하는 경우 시방기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 시방기준에 제시된 재료기준을 만족하는 양질토를 이용하는 경우, 노체는 왕복 5회, 노상의 경우에는 왕복 7회의 다짐으로 시방기준을 만족시키는 것으로 나타나 이암성토의 경우 양질토에 비해 약 2～2.
- 구간별 현장 밀도시험 결과, 이암 성토의 경우, 노체는 다짐횟수 15회, 다짐두께 30cm, 노상은 다짐횟수 20회, 다짐두께 20cm 로 하여 시공하는 경우 시방기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 시방기준에 제시된 재료기준을 만족하는 양질토를 이용하는 경우, 노체는 왕복 5회, 노상의 경우에는 왕복 7회의 다짐으로 시방기준을 만족시키는 것으로 나타나 이암성토의 경우 양질토에 비해 약 2～2.5배 정도의 다짐에너지가 필요한 것으로 나타났다. 시험시공 구역의 노체구간을 진동로울러로 층다짐을 한후 들밀도 시험을 하여 만족한 결과를 얻었으나 우천후 흡수성이 큰 이암의 공학적 특성으로 인하여 노상부분이 표면의 물을 모두 흡수한 상태로 다짐도가 풀어지는 현상을 관찰할 수 있었다.
- 9%로 나타났다. 그러나 시방기준을 만족하는 양질토의 경우, 최대건조밀도는 15kN/m3 , 최적함수비는 8～10%로 나타나 토취장 시료는 양질토에 비해 최대건조밀도는 작고 최적 함수비는 매우 크게 나타났다.
- 두호층 이암과 사암의 일축압축 강도는 각각 평균 13.7 MPa와 24.4Mpa로 측정되어 건설교통부 표준품셈 분류 기준에 의해 각각 풍화암과 연암으로 분류되었다(그림 7). 그러나 표 4에서와 같이 한국토지공사 등의 다른 구분기준을 적용하면 대부분 연암의 지층범위에 속한다.
- 또한, 탄성파 속도 측정결과는 연암 내지 보통암으로 분류되는 반면 비저항 시험결과는 완전히 풍화된 암석으로 분류되었다. 따라서 암석분류를 위한 시험방법에 따라서 암석 분류가 다르게 평가될 수 있음을 알 수 있었다.
- (2) RQD와 일축강도를 이용한 연구대상지역 이암의 암반분류 결과 연암으로 분류되었으며 점하중강도는풍화암으로 분류되었다. 또한, 탄성파 속도 측정결과는 연암 내지 보통암으로 분류되는 반면 비저항 시험결과는 완전히 풍화된 암석으로 분류되었다. 따라서 암석분류를 위한 시험방법에 따라서 암석 분류가 다르게 평가될 수 있음을 알 수 있었다.
- (5) 매립토의 다짐특성을 고찰한 결과, 이암의 경우 높은 흡수율과 작은 비중의 영향으로 다짐곡선이 양질 토에 비해 넓게 분포하는 특성을 나타났으며 최대건조밀도는 작게 그리고 최적함수비는 매우 크게 나타났다. 또한, 현장 다짐시험 결과 시방서에 제시된 기준을 만족하기 위해서는 양질토에 비해서 2～2.5배 정도의 다짐에너지가 소요되었다.
- 매립재료원으로서의 적합성을 알아보기 위해 강산성의 용출수가 관찰되는 이암 시료를 해수와 반응시킨 결과는 반응 전 pH 8.07의 해수는 2.56으로 변화되었다. 본 연구에서는 산성배수를 유발하는 물질에 대해 분석은 실시하지 않았으나 두호층 이암 중 일부는 산성암석 배수를 유발하며 단기간 내에 수산화철의 침전이 발생하므로 절토사면의 시공과 매립재 선정 시 광화대에 대한 검토가 필수적으로 선행되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 수행된 지반조사방법 중 암반분류기준으로 제시된 조사방법의 결과만을 토대로 할 경우 두호층 이암은 연암에 해당하며, 극히 일부는 풍화암의 경계값을 나타낸다. 또한 암석에 작용하는 화학적 풍화와 내마모성에대한 특성도 지질학적인 암반분류기준으로는 풍화 되지 않은 연암의 범위에 속하며 일반적인 풍화암과 상이한 결과를 보여준다.
- 본 연구에서 수행된 지반조사방법 중 암반분류기준으로 제시된 조사방법의 결과만을 토대로 할 경우 두호층 이암은 연암에 해당하며, 상부 지층의 일부는 풍화암의 경계값을 나타낸다. 또한 암석에 작용하는 화학적 풍화와 내마모성에 대한 특성도 지질학적인 암반분류기준으로는 풍화 되지 않은 연암의 범위에 속하며 일반적인 풍화암과 상이한 결과를 보여준다.
- %)를 이용하여 풍화지수를 산정하였다. 산성 용액을 현탁하여 만든 인위적인 풍화조건하에서 반응시간이 증가함에 따라 광물들로부터 이온의 제거 반응이 시작되었으며 사장석의 용탈반응으로 인해 Na+ , Ca2+ 등의 이온들이 감소하는 경향을 나타났다. 이암의 풍화지수는 74.
- 5배 정도의 다짐에너지가 필요한 것으로 나타났다. 시험시공 구역의 노체구간을 진동로울러로 층다짐을 한후 들밀도 시험을 하여 만족한 결과를 얻었으나 우천후 흡수성이 큰 이암의 공학적 특성으로 인하여 노상부분이 표면의 물을 모두 흡수한 상태로 다짐도가 풀어지는 현상을 관찰할 수 있었다. 양질토로 다짐을 한 지반에서 1일 동안 약 15mm정도의 강우가 발생한 후 다짐 지반 표면을 1m 굴착한 후 노체지반의 함수비를 측정한결과, 2～3%의 변화가 나타났으나 이암을 사용한 경우에는 8～10% 정도 함수비가 증가되었다.
- 177kEq/ha/yr이며, 매우 느린 풍화속도에 해당한다. 암석을 구성하는 화학종의 조성과 이온 용탈과정으로 평가되는 이암은 풍화암과 상이하며 풍화 과정은 고결된 암석과 동일한 과정을 보였다.
- 함수율과 흡수율 시험결과 자연 상태의 이암은 함수율은 10～20%, 흡수율은 35～47%의 범위를 보였다. 암석의 변질에 대한 내구성의 상대적 등급을 평가하기 위해 제안된 슬레이크 내구성시험(Franklin and Chandra, 1972)에서 두호층 사암은 2회의 슬레이킹 시험 후 잔류량이 98.03%였으며, 이암은 73.60%의 잔류량을 보였다. 지반이 습윤, 건조가 반복되는 환경에 노출된 경우 사암과 이암의 기계적 풍화 정도 차이에 의한 이방성이 나타날 것으로 예상되나 연구지역 기반암인 화산암의 풍화암 내구성에 비해 높은 내구성을 나타냈다.
- 시험시공 구역의 노체구간을 진동로울러로 층다짐을 한후 들밀도 시험을 하여 만족한 결과를 얻었으나 우천후 흡수성이 큰 이암의 공학적 특성으로 인하여 노상부분이 표면의 물을 모두 흡수한 상태로 다짐도가 풀어지는 현상을 관찰할 수 있었다. 양질토로 다짐을 한 지반에서 1일 동안 약 15mm정도의 강우가 발생한 후 다짐 지반 표면을 1m 굴착한 후 노체지반의 함수비를 측정한결과, 2～3%의 변화가 나타났으나 이암을 사용한 경우에는 8～10% 정도 함수비가 증가되었다. 이암을 이용한 경우는 다짐 직후, 노체나 노상토로서의 기준은 만족하였으나 이암 특유의 공학적인 특성으로 함수비 증가 량이 크고 다짐도가 이완되는 현상을 보이므로 노체나노상토로 사용하는 경우 신속한 포장이 필요한 것으로 판단되었다.
- 포항 일원에서 두호층을 재료원을 이용하여 매립지와 절토사면에서 수산화철의 착색현상이 관찰되며, 본 연구에 사용된 두호층 이암으로부터 용출시킨 수용액의 수소이온농도(pH), 전기전도도(EC), 총고용물질양 (TDS), 염도(Salinity)의 변화를 관찰하였다. 이암 시료중 일부는 pH가 7.75로 약알카리성이 증가한 반면, 다른 일부는 2.66～2.76 범위의 강산성에 해당하는 pH를 보였다. EC와 TDS는 3,083～3,333(μS/cm)과 2,200～2,300(ppm)으로 범위로 용출량이 매우 높았으며, 염도는 1.
- 산성 용액을 현탁하여 만든 인위적인 풍화조건하에서 반응시간이 증가함에 따라 광물들로부터 이온의 제거 반응이 시작되었으며 사장석의 용탈반응으로 인해 Na+ , Ca2+ 등의 이온들이 감소하는 경향을 나타났다. 이암의 풍화지수는 74.49～75.85의 값으로 연암에 해당하며, 풍화가 진행된 이암의 경우도 점토광물의 풍화단계에 까지는 이르지 못하는 것으로 나타났다. 풍화의 진행 경로는 대부분 기반암, 일라이트, 카올린의 경로로 진행될 것으로 예상된다(그림 10).
- 60%의 잔류량을 보였다. 지반이 습윤, 건조가 반복되는 환경에 노출된 경우 사암과 이암의 기계적 풍화 정도 차이에 의한 이방성이 나타날 것으로 예상되나 연구지역 기반암인 화산암의 풍화암 내구성에 비해 높은 내구성을 나타냈다. 내구성 지수에 의한 암석의 분류를 적용하면(Gamble, 1971) 두호층사암은 고 내구성에 해당하며, 이암은 중정도 내구성 암석으로 분류된다.
- 연구지역 미고결 이암의 암반분류를 위해 지표조사와 시추조사, S-PS 검층, 전기비저항 및 굴절법 탄성파탐사를 실시하였다. 표 1과 같이 시추코어에 대한 조사 결과 신생대 제3기 미고결층으로 분류된 암석의 코어회수율(TCR)은 90%이상이며 RQD는 30～100%의 범위로 건교부 표준품셈과 공학적 분류 기준에 의해 연암으로 분류되었다. S-PS검층에서 측정된 두호층 이암의 동탄성계수, 동전단계수, 동체적계수 및 동포아송비는 건교부 표준품셈에서 연암으로 분류되며(표 2), 굴절법탄성파탐사시험에서 P파의 전파속도는 1,200m/sec 이상으로 연암 및 보통암으로 분류되었다(그림 5).
- 함수율과 흡수율 시험결과 자연 상태의 이암은 함수율은 10～20%, 흡수율은 35～47%의 범위를 보였다. 암석의 변질에 대한 내구성의 상대적 등급을 평가하기 위해 제안된 슬레이크 내구성시험(Franklin and Chandra, 1972)에서 두호층 사암은 2회의 슬레이킹 시험 후 잔류량이 98.
후속연구
- (3) 포항지역 미고결 이암의 분포지는 화산대지에 해당하며, 광화작용으로 원지반 암석은 황(S)의 농도가 높고, 산성배수에 의해 용해되어 토양 및 물 환경을 오염시키는 금속의 농도가 높아 매립지반의 주변으로 오염원 확산이 예상된다. 따라서 이암을 성토재나 매립재로 활용하는 경우, 원지반의 산성배수의 생성 현황과 매립지반에서 오염원의 확산과 정도에 대한 정밀한 조사가 필요하다고 판단되며, 이암 내부에 치환되지 못한 잔류염으로 인한 재해가 발생할 수 있으므로 육상재료원으로 사용 시 이에 대한 검토가 필요하다.
- 그러나 미고결 상태의 층리에 기인한 박리현상, 높은 점토광물 함량에 의한 지반의 팽창이나 침하, 사암과 이암의 고결 정도의 차이에서 나타나는 이방성은 일반적으로 풍화암 지반에서 경험하는 사례와 매우 유사하다. 따라서 포항과 같이 미고결 상태의 지반이 분포하는 지역은 현재의 품셈에 의한 분류와 구별되는 현지 특성을 고려한 분류기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
- 그러나 미고결 상태의 층리에 기인한 박리 현상, 높은 점토광물 함량에 의한 지반의 팽창이나 침하, 사암과 이암의 고결 정도의 차이에서 나타나는 이방성은 일반적으로 풍화암 지반에서 경험하는 사례와 매우 유사 하다. 따라서 포항과 같이 미고결 상태의 지반이 분포하는 지역은 현재의 품셈에 의한 분류와 다른 현지 특성을 고려한 분류기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
- 56으로 변화되었다. 본 연구에서는 산성배수를 유발하는 물질에 대해 분석은 실시하지 않았으나 두호층 이암 중 일부는 산성암석 배수를 유발하며 단기간 내에 수산화철의 침전이 발생하므로 절토사면의 시공과 매립재 선정 시 광화대에 대한 검토가 필수적으로 선행되어야 할 것으로 판단된다. 특히, 신생대 이암은 지표수와 지하수 오염의 주인자인 산성배수(ARD, Acid Rock Drainage)를 유발시키는 황산기를 생성하는 경우가 많아 매립재로 활용시에는 검증이 요구된다(심연식, 2000).
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