본 연구에서는 석회암 공동이 분포하는 지역에서 발생한 지반침하 현상의 원인을 파악하고 공동의 분포 위치 및 규모를 분석하기 위하여 지표지질조사, 시추조사, 전기비저항, 토모그래피 탐사 등을 실시하였다. 지표지질조사 및 시추조사 결과에 의하면 연구지역에서 석회암은 방해석의 함량에 따라 고함유대와 저함유대가 교호하며 분포한다. 시추조사 결과를 중심으로 전기비저항 및 탄성파 토모그래피 탐사 결과와 비교분석한 결과에 의하면 대부분의 공동은 지반침하가 발생한 지점을 중심으로 심도 7~14 m의 토사층과 암반의 경계부 주변에 집중되어 분포하고 있다. 또한 공동의 규모는 558~835 ㎥로 소규모이며, 침하의 형태는 사질토 지반에서 흔히 발생하는 Suffosion sinkhole에 속한다.
본 연구에서는 석회암 공동이 분포하는 지역에서 발생한 지반침하 현상의 원인을 파악하고 공동의 분포 위치 및 규모를 분석하기 위하여 지표지질조사, 시추조사, 전기비저항, 토모그래피 탐사 등을 실시하였다. 지표지질조사 및 시추조사 결과에 의하면 연구지역에서 석회암은 방해석의 함량에 따라 고함유대와 저함유대가 교호하며 분포한다. 시추조사 결과를 중심으로 전기비저항 및 탄성파 토모그래피 탐사 결과와 비교분석한 결과에 의하면 대부분의 공동은 지반침하가 발생한 지점을 중심으로 심도 7~14 m의 토사층과 암반의 경계부 주변에 집중되어 분포하고 있다. 또한 공동의 규모는 558~835 ㎥로 소규모이며, 침하의 형태는 사질토 지반에서 흔히 발생하는 Suffosion sinkhole에 속한다.
Geological mapping, borehole drilling, electrical resistivity, and seismic tomography surveys were conducted in order to map underground cavities and better understand the mechanisms driving subsidence in a limestone region in Korea. Limestone outcrops in the study area generally alternate between c...
Geological mapping, borehole drilling, electrical resistivity, and seismic tomography surveys were conducted in order to map underground cavities and better understand the mechanisms driving subsidence in a limestone region in Korea. Limestone outcrops in the study area generally alternate between calcite-rich and calcite-poor rock. The results reveal that in areas experiencing subsidence, cavities occur mainly around soil-rock boundaries at depths of 7~14 m. These results are based on comparative analyses of electrical resistivity, seismic tomography, and borehole logging data. The volumes of the cavities are relatively small in a range of 558~835 ㎥ and they have a shape typical of suffosion sinkholes, which are typically found where sandy soils overlie bedrock cavities.
Geological mapping, borehole drilling, electrical resistivity, and seismic tomography surveys were conducted in order to map underground cavities and better understand the mechanisms driving subsidence in a limestone region in Korea. Limestone outcrops in the study area generally alternate between calcite-rich and calcite-poor rock. The results reveal that in areas experiencing subsidence, cavities occur mainly around soil-rock boundaries at depths of 7~14 m. These results are based on comparative analyses of electrical resistivity, seismic tomography, and borehole logging data. The volumes of the cavities are relatively small in a range of 558~835 ㎥ and they have a shape typical of suffosion sinkholes, which are typically found where sandy soils overlie bedrock cavities.
본 연구에서는 소규모 지반 침하가 발생한 석회암 지역의 농경지를 대상으로 전기비저항 및 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하여 석회암 내 발달하고 있는 공동의 위치를 파악하였으며, 주변 노두에서의 지표지질조사와 시추조사의 결과를 비교분석함으로써 3차원적인 지하 공동의 분포 형태와 규모를 산정하였다.
제안 방법
공동의 분포 위치와 규모 등을 파악하기 위해 지반침하 지점 주변에 대한 시추조사 및 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 시추조사는 총 6개소에 심도 30 m까지 수직 시추를 수행하였고, 전기비저항 탐사는 지반 침하 지점을 중심으로 횡방향 4측선, 종방향 5측선 등 총 9측선에서 실시하였으며, 시추공을 활용하여 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다(Fig.
지표지질조사 및 시추조사를 통해 일부 공동을 확인할 수 있었으나 석회 공동의 특성상 공동의 방향 및 연장성은 매우 불규칙하게 나타나므로 지표지질조사 및 시추조사를 통해 분포 형태를 정확히 추정하기는 어렵다. 따라서 지하 심부에 발달하고 있는 공동의 위치와 규모를 효과적으로 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다. 전기비저항 탐사는 미국 AGI사에서 개발한 Super sting R8/IP를 이용하였으며, 획득한 자료로부터 RES2DINV VER 3.
방해석 고함유 및 저함유 석회암을 구성하는 광물의 정량적인 분석을 위해 각 시료에 대한 XRD 분석을 수행하였다. XRD 분석에 사용된 기기는 네덜란드에서 생산된 RA/FR-571로 Ni-필터링 CuKα (1.
석회암 공동과 토층/기반암의 경계부 변화에 대한 정밀한 분석을 위해 지하 공동의 탐지에 효과적인 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 6개의 시추공 중 지반침하 지점으로부터 약 120 m 이격된 BH-4를 제외한 5개의 시추공을 이용하여 총 7개 단면에서 탄성파(p파) 속도분포를 획득하였으며, 탐사 심도는 5~28 m로 스웨덴 ABEM사의 탐사 장비를 이용하였다.
공동의 분포 위치와 규모 등을 파악하기 위해 지반침하 지점 주변에 대한 시추조사 및 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 시추조사는 총 6개소에 심도 30 m까지 수직 시추를 수행하였고, 전기비저항 탐사는 지반 침하 지점을 중심으로 횡방향 4측선, 종방향 5측선 등 총 9측선에서 실시하였으며, 시추공을 활용하여 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다(Fig. 11).
연구 지역 일대의 지질 구조를 분석하기 위해 지반침하 지점 주변의 노두를 대상으로 지표지질 조사를 수행하였다. 지표지질 조사는 지반침하 발생 지점으로부터 남서 방향으로 약 80 m 이격된 지점에 위치하는 노두(Site-1)와 북동 방향으로 약 600 m 이격된 비탈면(Site-2) 등 총 2개소에서 수행하였다(Fig.
지반침하가 발생한 석회암 지역의 지하 공동의 발달 특성과 분포 위치, 규모 등을 분석하기 위해 지표지질 조사를 통한 지질학적 특성 분석 및 시추조사, 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다.
지표지질 조사를 통해 나타난 방해석 고함유 및 저함유 석회암의 구성 광물 및 성분 등 암석학적 특성을 분석하기 위해 편광 현미경 관찰과 XRD 분석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
석회암 공동과 토층/기반암의 경계부 변화에 대한 정밀한 분석을 위해 지하 공동의 탐지에 효과적인 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 6개의 시추공 중 지반침하 지점으로부터 약 120 m 이격된 BH-4를 제외한 5개의 시추공을 이용하여 총 7개 단면에서 탄성파(p파) 속도분포를 획득하였으며, 탐사 심도는 5~28 m로 스웨덴 ABEM사의 탐사 장비를 이용하였다.
본 연구지역은 시대미상의 석회암과 화강암질 편마암이 주로 분포하며, 옥천 변성대와 영남 지괴가 접하는 곳에 위치한다. 석회암 층은 옥천누층군의 천매암 하부층 또는 평안누층군 하부 층으로 시대 미상의 고기 화강암질 편마암과 쥬라기 흑운모 화강암에 의하여 소규모 포획체로 산재되어 분포한다(Fig.
연구 지역 일대의 지질 구조를 분석하기 위해 지반침하 지점 주변의 노두를 대상으로 지표지질 조사를 수행하였다. 지표지질 조사는 지반침하 발생 지점으로부터 남서 방향으로 약 80 m 이격된 지점에 위치하는 노두(Site-1)와 북동 방향으로 약 600 m 이격된 비탈면(Site-2) 등 총 2개소에서 수행하였다(Fig. 4).
데이터처리
따라서 지하 심부에 발달하고 있는 공동의 위치와 규모를 효과적으로 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 수행하였다. 전기비저항 탐사는 미국 AGI사에서 개발한 Super sting R8/IP를 이용하였으며, 획득한 자료로부터 RES2DINV VER 3.4b 해석 프로그램을 이용하여 역산과정을 거쳐 2차원 전기비저항 영상을 도출하였다. 탐사는 쌍극자 배열을 이용하여 총 9측선에서 수행되었으며, 횡방향 측선의 길이는 200 m와 300 m, 종방향의 측선 길이는 60~130 m이다.
성능/효과
이 층리면은 Site-1의 층리면과 동일한 방향으로 발달하고 있어 연장선으로 판단된다. 절리의 간격은 10~25 cm로 비교적 규칙적으로 발달하고 있으며, 절리면은 약간 거친 상태로 약 1 cm 내외의 간극 사이에 토사 충전물이 국부적으로 관찰된다. 염산의 반응 결과, Site-1과 같이 곳에 따라 염산에 격렬하게 반응하거나 미약한 반응을 보이며, 방해석 고함유대와 저함유대가 약 3~7 m 내외의 두께로 교호하면서 나타나는 것이 특징적이다(Fig.
7~1.2 mm 범위의 고른 입도분포를 보이며, 소량의 석영과 백운모도 관찰된다.
절리의 간격은 10~25 cm로 비교적 규칙적으로 발달하고 있으며, 절리면은 약간 거친 상태로 약 1 cm 내외의 간극 사이에 토사 충전물이 국부적으로 관찰된다. 염산의 반응 결과, Site-1과 같이 곳에 따라 염산에 격렬하게 반응하거나 미약한 반응을 보이며, 방해석 고함유대와 저함유대가 약 3~7 m 내외의 두께로 교호하면서 나타나는 것이 특징적이다(Fig. 7).
석회암 층은 옥천누층군의 천매암 하부층 또는 평안누층군 하부 층으로 시대 미상의 고기 화강암질 편마암과 쥬라기 흑운모 화강암에 의하여 소규모 포획체로 산재되어 분포한다(Fig. 4; Hong et al., 1980).
%로 암석의 대부분을 구성하고 있으며, 석영은 0.5 vol.%, 백운모는 0.
3. 시추조사 결과, 공동은 심도 7~14 m의 토사층과 암반의 경계부 주변에 밀집되어 분포하고 있으며, 이 경계부가 지하수의 유동 통로 역할을 하여 주변으로 용해 및 용식 작용이 일어나 공동이 발달된 것으로 판단된다.
4. 시추조사와 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사를 통해 분석된 공동은 지반침하가 발생한 지점 주변에 밀집되어 분포하고 있으며, 그 규모는 558~835 m3으로 산정되었다.
1. 연구 지역에서 발생한 지반 침하 형상은 Subsidence sinkhole 중 사질토 지반에서의 Suffosion sinkhole의 형태를 보인다.
2. 연구 지역의 석회암은 주로 주구성광물이 방해석인 고함유대와 주구성광물이 돌로마이트인 저함유대로 구분되고, 이들은 동서 방향의 주향으로 교호하며 분포하고 있다.
지표지질 조사 결과, 지반침하 지역은 국부적으로 석회질을 협재한 편마암과 방해석 고함유대 및 저함유대의 석회암이 교호하는 지반으로 고함유를 보이는 층준에서 지하수에 의한 용식 작용으로 공동이 발달한 것으로 판단되며, Site-2에서 관찰되는 소규모의 공동들은 이 가능성을 잘 보여주는 결과이다.
후속연구
5. 지하 공동의 발달 형태 및 분포 위치, 규모 등을 파악하기 위해서는 다양한 지반조사를 통한 복합적인 분석이 이루어져야 하며, 이를 통해 지반 침하의 원인을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 지반 및 기초 등의 설계와 시공 시 중요한 정보를 제공함으로써 각종 안전사고를 예방할 수 있는 방법이 될 수 있다.
참고문헌 (31)
Ahn, K. S., 2007, Corrosion of calcareous rocks and ground subsidence in the Muan area, Jeonnam, Korea., The Journal of The Petrological Society of Korea, 16(2), 47-58 (In Korean with English abstract).
Beck, B. F., 1996, Karst geohazards: engineering and environmental problems in karst terrane. Proc. 5th multidisciplinary approaches to assessment and management. In D. M. Cruden and R. Fell(eds.) Landslide risk assessment; Proceeding International Workshop, Rotterdam, Balkema, 25-50.
Culshaw, M. G. and Waltham, A. C., 1987, Natural and artificial cavities as ground engineering hazards, Quarterly Journal of Engineering Geology, 20(2), 139-150.
Debeglia, N., Bitri, A., and Thierry, P., 2006, Karst investigations using microgravity and MASW; Application to Orlans, France. Near Surface Geophysics, 4(4), 215-225.
Dourado, J. C., Filho, W. M., Braga, A. C. O., and Nava, N., 2001, Detection of cavities in sandstone using gravity, resistivity and GPR methods, Brazilian Journal of Geophysics, 19(1), 19-32.
Gillieson, D. S., 1996, Caves : Processes, development, and management, Blackwell publishers, 324p.
Goodman, R. E., 1993, Engineering geology: Rock in engineering construction, John Wiley & Sons, New York, 143-194.
Gritto, R. and Majer E. L., 2000, Seismic mapping of subsurface cavities, Conference Proceedings of the Annual Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems (SAGEEP), Arlington, VA, 1215-1244.
Han, K. C., Cheon, D. S., Ryu, D. W., and Park, S. G., 2007, Analysis of ground subsidence on Gyochon residential region of Muan City, Tunnel & Underground space, 17(1), 66-74. (In Korean with English abstract)
Hong, S. H., Lee, B. J., and Kim, W. Y., 1980, Explanatory text of the geological map of Muju sheet (1:50,000), Korea Research Institute of Geoscience and manual resources.
Hong, W. P,, Hong, K. P., and Yea, G. G., 2008, The behaviour characteristics of reinforced limestone cavities by high pressure Jet-Grouting, The Journal of Engineering Geology, 18(1), 7-16 (In Korean with English abstract).
Korea Institute of Geoscience ad Mineral Resources (KIGAM), 2005, Development of integrated threedimensional geophysical methods for geotechnical engineering, 77-86.
Kihm, J. H., Jeong, U. J., Kim, J. H., and Yoon, W. S., 2005, Characteristics of the karst topography in limestone terraines, Danyang, Korea., Journal of the Geological Society of Korea, 41(1), 45-58 (In Korean with English abstract).
Kim, C. R., Kim, J. H., Park, S. G., Park, Y. S., Yi, M. J., Son, J. S., and Rim, H. R., 2006, Application of geophysical methods to cavity detection at the ground subsidence area in karst, Journal of Korean Society of Earth and Exploration Geophysicists, 9(4), 271-278 (In Korean with English abstract).
Kim, J. H., Cho, S. J., and Yi, M. J., 2004a, Borehole radar survey to explore limestone cavities for the construction of highway bridge, Exploration Geophysics, 35, 80-87.
Kim, J. H., Yi, M. J., Cho, S. J., and Son, J. S., 2004b, Application of crosshole resistivity anisotropy tomography to the safety analysis of a high storied building over abandoned old mine: CD-ROM, 66th EAGE Conference & Exhibition, Expanded Abstracts, Houten, Netherlands.
Kim, N. Y., Park, Y. H., Kim, H. J., and Park, Y. S., 2010, A case study for a limestone cavity after cement milk grouting, Korean Geo-Environmental Society Fall Conference, 476-486 (In Korean with English abstract).
Lee, S. C., Ryu, C. Y., and Cho, K. H., 2011, A study on the reinforcement of bridge foundation in the limestone cavity, Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 11(1), 51-57 (In Korean with English abstract).
Mark, H. D., and Eric, R., 1999, Two-dimensional resistivity profiling; geophysical weapon of choice in karst terrain for engineering applications, Hydrogeology and engineering geology of sinkholes and karst, Balkema, Rotterdam, 219-224.
Park, S. G., Kim, C. R., Son, J. S., Kim, J. H., Yi, M. J., and Cho, S. J., 2006, Detection of limesilicate cavities by 3-D electrical resistivity survey, Economic and Environmental Geology, 39(5), 597-605 (In Korean with English abstract).
Park, S. S., Hong, J. O., and Chun, B. S., 2013, A study on the reinforcement case of bridge foundation in the limestone cavity with CGS method, The Journal of Korean Geo-Environmental Society, 14(12), 43-52 (In Korean with English abstract).
Roth, M. J. S., Mackey, J. R., Mackey, C., and Nyquist, J. E., 2002, A case study of the reliability of multielectrode earth resistivity testing for geotechnical investigations in karst terrains, Engineering and Environmental Impacts of Karst, 225-232.
Waltham, A. C., 1989, "Ground Subsidence", Chapman & Hall, New York, 202p.
Waltham A. C., 1994, Foundations of engineering geology, Blackie Academic & Professional, 3-59.
Waltham, A. C. and Fookes, P. G., 2003, Engineering classification of karst ground conditions, Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrology, 36, 101-118.
Waltham, A. C. and Fookes, P. G., 2005, Engineering classification of karst ground conditions, Speleogenesis and Evolution of Karst Aquifers, 3(1), 1-20.
Waltham, T., Bell, F. G., and Culshaw, M. G., 2005, Sinkholes and Subsidence: Karst and Cavernous Rocks in Engineering and Construction, Springer, Berlin Heidelberg, Chichester, United Kingdom, 382p.
Wilson, W. L. and Beck B. F., 1988, Evaluating sinkhole hazard in mantled karst terrane, American Society of Civil Engineers Geotechnical Special Publication, 14, 1-24.
Yi, M. J., Kim, J. H., and Son, J. S., 2011, Three-dimensional anisotropic inversion of resistivity tomography data in an abandoned mine area, Exploration Geophysics, 42(1), 7-17.
Yoon, W. S., Kim, H. S., and Choi, W. S., 1999, Characteristics of lime-cavities and survey design for bridge foundation in the karst area, KGS spring 1999 national conference, March 27, Seoul, Korea., 399-406 (In Korean with English abstract).
Yuhr, L., Bension, R. C., and Butler, D., 1993, Characterization of karst features using electromagnetics and microgravity: a strategic approach, Proceedings of the Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, San Diego, California, USA, 4, 209-228.
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