제주도 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공성 구조를 보이고 있으며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 뿐만 아니라, 제주도의 기반암은 여러 차례의 화산활동으로 인해 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 본 연구에서는 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 다양한 물성 시험 및 일축압축강도 시험을 수행하고, 그 결과를 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리적, 역학적 특성과 비교 분석하였다. 그 결과 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리, 역학적 특성은 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석과 유사한 관계에 있음을 확인할 수 있었으며, 물리적 특성과 역학적 특성의 상관관계로부터 대략적인 설계정수를 추정할 수 있었다.
제주도 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공성 구조를 보이고 있으며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 뿐만 아니라, 제주도의 기반암은 여러 차례의 화산활동으로 인해 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 본 연구에서는 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 다양한 물성 시험 및 일축압축강도 시험을 수행하고, 그 결과를 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리적, 역학적 특성과 비교 분석하였다. 그 결과 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리, 역학적 특성은 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석과 유사한 관계에 있음을 확인할 수 있었으며, 물리적 특성과 역학적 특성의 상관관계로부터 대략적인 설계정수를 추정할 수 있었다.
Volcanic rocks in Jeju Island have vesicular structure caused by various environmental factors, and indicate the differences in geological and mechanical characteristics from region to region. In addition, the bedrock of Jeju Island shows stratified structure, that is, soft layers composed of pyrocl...
Volcanic rocks in Jeju Island have vesicular structure caused by various environmental factors, and indicate the differences in geological and mechanical characteristics from region to region. In addition, the bedrock of Jeju Island shows stratified structure, that is, soft layers composed of pyroclastic rocks or cavities are irregularly developed between the basalt layers by several times of volcanic activity. In this study, various physical tests and unconfined compressive strength test were conducted for intact rocks sampled in northwestern onshore and offshore of Jeju Island. The results obtained in the tests were compared with the physical and mechanical characteristics of intact rocks sampled in southeastern offshore of Jeju Island. As a results, it was confirmed that the physical and mechanical characteristics of basalts sampled in northwestern Jeju Island were similar to those of basalts sampled in southeastern offshore of Jeju Island. In addition, it was possible to estimate approximate design parameters from the correlation of mechanical properties with physical properties of basalts in Jeju Island.
Volcanic rocks in Jeju Island have vesicular structure caused by various environmental factors, and indicate the differences in geological and mechanical characteristics from region to region. In addition, the bedrock of Jeju Island shows stratified structure, that is, soft layers composed of pyroclastic rocks or cavities are irregularly developed between the basalt layers by several times of volcanic activity. In this study, various physical tests and unconfined compressive strength test were conducted for intact rocks sampled in northwestern onshore and offshore of Jeju Island. The results obtained in the tests were compared with the physical and mechanical characteristics of intact rocks sampled in southeastern offshore of Jeju Island. As a results, it was confirmed that the physical and mechanical characteristics of basalts sampled in northwestern Jeju Island were similar to those of basalts sampled in southeastern offshore of Jeju Island. In addition, it was possible to estimate approximate design parameters from the correlation of mechanical properties with physical properties of basalts in Jeju Island.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 현무암의 다공성 구조를 나타내는 파라미터로서 흡수율을 사용하고, 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암 암석의 흡수율과 비중의 관계 및 P파 속도와 S파 속도의 관계를 살펴봄으로써, Yang(2014)에서 언급한 어떤 타입의 화산암에 속하는지 알아보기로 한다. 그리고 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상에서 시추된 현무암 암석의 기본적인 물리적 특성은 물론 일축압축강도, 탄성계수, 포아송비와 같은 역학적 특성에 대하여 비교・분석하고, 그 역학적 특성을 추정하기 위한 회귀 관계식을 제안하고자 한다.
본 절에서는 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대한 초음파 속도와 일축압축 강도 및 접선탄성계수 등의 역학적 특성과의 관계에 대하여 논하고자 한다. 기존의 연구에 의하면 P파 속도 또는 P파 속도와 건조밀도를 함께 고려하여 일축압축강도 및 탄성계수와의 상관관계에 있어서 선형 회귀 관계식 또는 비선형 회귀 관계식을 제안하고 있으며, 따라서 본 연구에서도 P파 속도 또는 P파 속도와 건조밀도를 함께 고려하여 역학적 특성과의 상관관계를 살펴보기로 한다.
따라서 본 연구에서는 현무암의 다공성 구조를 나타내는 파라미터로서 흡수율을 사용하고, 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암 암석의 흡수율과 비중의 관계 및 P파 속도와 S파 속도의 관계를 살펴봄으로써, Yang(2014)에서 언급한 어떤 타입의 화산암에 속하는지 알아보기로 한다. 그리고 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상에서 시추된 현무암 암석의 기본적인 물리적 특성은 물론 일축압축강도, 탄성계수, 포아송비와 같은 역학적 특성에 대하여 비교・분석하고, 그 역학적 특성을 추정하기 위한 회귀 관계식을 제안하고자 한다.
따라서 본 절에서는 선형근사 (2)에 해당하는 암석, 즉 제주도 북서부 월령리 현무암 암석(h/d = 2.18 ± 0.029)의 결과를 포함한 제주도 북서부 육・해상의 현무암 암석과 제주도 남동부 해상에서 채취한 암석(h/d = 2.32 ± 0.059)의 탄성계수 및 포아송비와 같은 탄성상수의 특성에 대해서 논하고자 한다.
본 절에서는 Yang(2014)의 연구 결과와 비교하기 위해, 흡수율과 비중 사이의 관계를 살펴보기로 한다. 그러나 Yang(2014)이 참고로 한 일부 문헌(Kim and Choi, 1991; Cho et al.
본 절에서는 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대한 초음파 속도와 일축압축 강도 및 접선탄성계수 등의 역학적 특성과의 관계에 대하여 논하고자 한다. 기존의 연구에 의하면 P파 속도 또는 P파 속도와 건조밀도를 함께 고려하여 일축압축강도 및 탄성계수와의 상관관계에 있어서 선형 회귀 관계식 또는 비선형 회귀 관계식을 제안하고 있으며, 따라서 본 연구에서도 P파 속도 또는 P파 속도와 건조밀도를 함께 고려하여 역학적 특성과의 상관관계를 살펴보기로 한다.
제안 방법
그래서 흡수율과 비중의 관계를 살펴보기 이전에 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암 암석, Moon et al.(2014)의 제주도 북동부 육상의 현무암 암석, Yang(2014)이 참고로 한 애월항, 강정항 그리고 제주도 남동부 해상 및 제주 북서부 월령리 일대에서 시추된 암석에 대한 보고서의 결과를 통하여 건조밀도와 비중 사이의 관계를 먼저 살펴보기로 한다. Fig.
암석의 물리적 특성을 파악하기 위해 ASTM C97/ C97M-09에 입각한 밀도, 비중, 공극률 및 흡수율 시험, 그리고 ASTM D 2845-08에 따라 초음파속도 시험을 수행하였다. 그리고 암석의 역학적 특성을 파악하기 위해 ASTM D 7012-07에 따라 가압속도를 0.5MPa/s로 축하 중을 가하여 일축압축강도시험을 수행하였으며, 강도시험 수행 시 축변형율과 횡변형율을 측정하여 일축압축 강도의 50% 구간에서의 접선탄성계수와 포아송비를 각각 계산하였다.
본 연구에서는 시추된 암석의 역학적 특성을 파악 하기 위해, KS 규정 및 ASTM 규정을 만족하도록 종횡비를 약 2.2로 설정하여 시편의 높이를 해상 암석의 경우 110.8 ± 5.204mm(h/d = 2.22 ± 0.104), 육상 암석의 경우 114.04 ± 0.855mm(h/d = 2.18 ± 0.016)로 제작하였다.
본 연구에서는 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상에서 시추한 현무암의 물리, 역학적 특성을 비교・분석하였으며, 얻어진 결과를 종합하면 다음과 같다.
1에 나타낸 것과 같이 제주도 북서부 육상과 해상에 대하여 시추가 이루어졌다. 이를 통하여 채취된 암석에 대하여 구성광물과 조성을 파악 하기 위해 편광현미경 및 X-선 회절 분석을 수행하였으며, KS 및 ASTM 시험규정에 입각하여 다양한 물성시험 및 강도시험을 수행하였다.
대상 데이터
제주 광역경제권 선도사업 R&D사업의 제주 해역 특성에 적합한 해상풍력발전기 설치를 위한 지반설계기술 개발의 일환으로 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 제주도 북서부 육상과 해상에 대하여 시추가 이루어졌다.
제주도 북서부 육상(BH)과 해상(HBH)에서 채취한 현무암에 대한 물리적 및 역학적 특성을 파악하기 위한 시험 결과를 시추공별로 Table 3과 4에 각각 나타내었다. 그리고 Yang(2014)의 연구 결과와 비교하기 위해 ASTM D 7012-04에 Eq.
이론/모형
암석의 물리적 특성을 파악하기 위해 ASTM C97/ C97M-09에 입각한 밀도, 비중, 공극률 및 흡수율 시험, 그리고 ASTM D 2845-08에 따라 초음파속도 시험을 수행하였다. 그리고 암석의 역학적 특성을 파악하기 위해 ASTM D 7012-07에 따라 가압속도를 0.
성능/효과
(1) 제주도 북서부 육・해상의 현무암은 흡수율과 비중의 관계, P파 속도와 S파 속도의 관계 및 흡수율과 일축압축강도의 관계를 통하여 제주도 남동부 해상의 현무암과 유사한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
(2) 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상의 현무암에 대한 흡수율과 접선탄성계수 및 포아송비와 같은 탄성상수와의 비교・분석을 통하여, 흡수율의 변화에 따른 접선탄성계수 및 포아송비의 경향을 어느 정도 알 수 있었지만, 접선탄성계수와 포아송비를 추정할 수 있을 정도로 결정계수는 높지 않았다.
(3) 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상의 현무암에 대한 일축압축강도와 접선탄성계수의 관계를 통하여, 흡수율과 비중의 관계에 있어서 선형근사 (2)에 해당하는 제주도 화산암은 연암에서 경암에 해당하며, 평균적인 탄성계수 비를 갖고 있다고 사료된다. 그리고 일축압축강도와 포아송비의 관계를 통하여, 낮은 일축압축강도의 제주도 현무암의 경우, 암석 표면 및 내부에 존재하는 공극의 영향으로 인해 포아송비의 결정이 어렵지만, 대체적으로 0.
(4) 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상의 현무암에 대한 초음파 속도와 일축압축강도 및 접선탄성계수와의 상관관계에 있어서, P파 속도만을 고려하는 것보다 P파 속도와 건조밀도를 함께 고려하여 상관관계를 나타내는 것이 결정계수가 높음을 확인할 수있었다.
(5) 제주도 현무암에 대한 일축압축강도, 접선탄성계수 및 포아송비와 같은 역학적 특성을 추정할 시에는, 우선 흡수율을 이용하여 일축압축강도를 추정하고, 추정된 일축압축강도를 통하여, 접선탄성계수와 포아송비를 추정하거나, 초음파 속도를 이용하여 역학적 특성을 추정하는 것이 바람직하다고 사료된다.
(3) 제주도 북서부 육・해상 및 남동부 해상의 현무암에 대한 일축압축강도와 접선탄성계수의 관계를 통하여, 흡수율과 비중의 관계에 있어서 선형근사 (2)에 해당하는 제주도 화산암은 연암에서 경암에 해당하며, 평균적인 탄성계수 비를 갖고 있다고 사료된다. 그리고 일축압축강도와 포아송비의 관계를 통하여, 낮은 일축압축강도의 제주도 현무암의 경우, 암석 표면 및 내부에 존재하는 공극의 영향으로 인해 포아송비의 결정이 어렵지만, 대체적으로 0.25~0.3 사이를 중심으로 분산되어 있음을 알 수 있었으며, 일축압축강도가 증가함에 따라 암석의 공극의 영향은 서서히 줄어들고, 약 150MPa 이상의 일축압축강도에서는 0.25~0.3 사이로 수렴하는 경향을 알 수 있었다. 이를 통하여 선형근사 (2)에 해당하는 제주도 현무암의 포아송비는 0.
6(b)에서 알 수 있듯이, 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암 암석의 흡수율과 수정 일축압축강도의 관계는 선형근사 (2)에 해당하는 암석의 결과범위 안에 포함되어 있음을 알 수 있다. 그리고 전체적으로 일축압축강도는 흡수율이 감소함에 따라 지수적으로 증가하고 있으며, 일축압축강도의 편차 또한 크게 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 Yang(2014)에서 언급을 했듯이, 제주도 화산암에 대한 흡수율의 증가에 따른 비중의 감소 경향을 분석함으로써 암석을 구분하고, 서로 다른 경향에 해당하는 암석의 흡수율과 일축압축강도와의 관계를 각각 나타냄으로써 근사곡선의 결정계수는 크게 증가하고 있다.
제주도 북서부 육상(BH) 및 해상(HBH)에서 시추한 암석의 박편현미경 분석과 X-선 회절 분석에 의한 구성 광물을 Table 1과 2에 각각 나타내었다. 분석 결과 일부 암석에서 각섬석이 나타나고 있지만, 암석의 주요 구성 광물은 사장석과 휘석으로서 제주도 북서부 육・해상에서 시추된 암석은 현무암이라고 할 수 있다.
위에서 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암 암석에 대한 흡수율과 비중의 관계 그리고 P파 속도와 S파 속도의 관계를 비교함으로써, 제주도 북서부 육・해상에서 채취한 현무암은 Yang(2014)에서 말하는 제주도 화산암의 두 개의 서로 다른 선형근사 관계에서 제주도 북서부 월령리 및 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 등과 같은 선형근사(2)에 해당하는 암석임을 알 수 있었다.
7은 제주도 북서부 육・해상의 현무암 및 남동부 해상의 현무암에 대한 흡수율과 접선탄성계수의 관계를 나타내고 있다. 전체적으로 흡수율이 감소함에 따라 접선탄성계수는 지수적으로 증가하고 있으며, 흡수율에 대한 접선탄성계수의 편차 또한 매우 크다는 것을 알 수 있다. 그리고 Fig.
한편 공극률과 접선탄성계수의 상관관계 또한 살펴보았지만, 흡수율과 접선탄성계수의 결정계수보다 작은 값을 나타내었으며, 따라서 본 연구에서는 흡수율과 접선탄성계수의 관계만을 나타내었다.
후속연구
6을 통하여 제주도 화산암의 일축압축강도에 대한 암석의 비중 및 암석의 다공성 구조의 특성을 나타내는 흡수율의 영향을 알 수 있지만, 위에서 언급을 했듯이, 흡수율이 감소함에 따라 거의 같은 흡수율 범위에서 일축압축강도의 편차는 크게 증가하고 있으며, 일축압축강도에 영향을 미치는 본 연구에서 고려하고 있지 않은 파라미터 또는 일축압축강도 시험에 있어서 예상하지 못한 어떠한 영향이 포함되어 있을 가능성이 크다. 따라서 실제에 일축압축강도를 설계에 이용할 시에는 실내시험을 통하여 계측된 일축압축강도 값을 그대로 사용하기 보다는 Fig. 6의 흡수율과 일축압축강도 사이의 회귀 관계식을 통하여 추정된 값과 비교하여, 안전 측으로 일축압축강도를 조정할 필요가 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주도 화산암의 특징은?
제주도 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공성 구조를 보이고 있으며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 뿐만 아니라, 제주도의 기반암은 여러 차례의 화산활동으로 인해 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다.
제주도의 기반암의 특징은 무엇인가?
제주도 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공성 구조를 보이고 있으며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 뿐만 아니라, 제주도의 기반암은 여러 차례의 화산활동으로 인해 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있다. 본 연구에서는 제주도 북서부 육 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 다양한 물성 시험 및 일축압축강도 시험을 수행하고, 그 결과를 제주도 남동부 해상에서 채취한 현무암 암석의 물리적, 역학적 특성과 비교 분석하였다.
우리나라의 화산활동 중 중생대의 화산암은 어디에 분포하는가?
우리나라의 화산활동은 중생대의 중성 내지 산성 화산암류의 분출과 신생대의 현무암의 분출로 크게 구분된다. 중생대의 화산암은 옥천대 및 경상분지 내에 주로 분포하고, 제3기 후기와 제4기의 신생대 화산활동은 제주도, 울릉도, 철원~전곡 일대, 포항분지의 구룡포 일대에서 일어났다(KGS, 2012). 이 중에서 제주도는 약 200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화산활동에 의해 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도의 화산암은 지역마다 지질학적으로 다양하게 분포하고 있으며, 그 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다.
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