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문제 정의
- 본 연구에서는 국내의 107개 국도 터널에서 수행한 각종 현장 및 실내시험 자료를 수집하여 암종에 따른 역학적 특성을 분석하였다. 암종은 화강암과 편마암, 퇴적암, 화산암, 변성암으로 구분하였고, 각 암종에서의 점착력과 내부마찰 각, 탄성계수, 변형계수, 일축압축강도 등 총 10개 종류의 역학적 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 국내의 107개 국도 터널에서 수행한 각종 시험자료를 수집하여 암종 및 암석 강도의 분류에 따라 암반의 역학적 특성을 분석하고, 분포 범위와 평균값을 산정하였다. 총 4,280개의 자료를 이용하여 10 종류의 역학적 특성을 분석하였다.
- 1c). 또한 동일한 현장의 시험 자료라도 암반의 지질 상태 및 풍화 정도에 따라 역학적 특성이 달라질 수 있기 때문에 각 암종별로 암석의 강도를 구분하여 역학적 특성의 범위 및 중앙값, 평균값을 산정하였다(Fig. 1d).
- 2는 상자그림을 이용해 역학적 특성의 분포 범위를 도시한 것으로 시험 자료를 크기순으로 배열한 후 누적 백분율의 25%에 해당하는 값인 1사분위수(lower quartile)와 누적 백분율의 75%에 해당하는 3사분위수(upper quartile)를 상자(box)로 표현한 것이다. 본 연구에서는 자료의 밀집 정도를 상세히 분석하기 위해 상자 안에 분포하는 사분위수간(interquartile) 자료를 분포 범위(IQR, interquartile range)로 산정하였다. 단위중량은 무결암에 대한 실내시험을 통해 산정한 값으로 암종에 따른 분포 범위의 분석 결과, 편마암이 22.
- 총 4,280개의 자료를 이용하여 10 종류의 역학적 특성을 분석하였다. 분석에 이용된 역학적 특성은 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 탄성계수, 포아송비, 일축압축강도, 인장강도, 투수계수, 비중이다. 편마암, 화강암, 퇴적암, 화산암, 변성암 등 5개의 암종으로 분류하여 분석을 수행했으며, 동일한 암종에서도 다양한 범위를 보이는 역학적 특성을 고려하기 위해 시험을 수행한 대상 암석의 강도에 따라 풍화암과 연암, 보통암, 경암으로 세분화하여 분석하였다.
- 암반의 역학적 특성은 암종별로 분석되었고, 동일한 암종이라도 다양한 범위를 보이는 역학적 특성을 고려하기 위해 시험을 수행한 대상 암석의 강도에 따라 풍화암과 연암, 보통암, 경암으로 세분화하여 분석하였다. 암석의 강도에 따른 분류는 시추 로깅(logging) 자료를 참고하였다.
- 본 연구에서는 국내의 107개 국도 터널에서 수행한 각종 현장 및 실내시험 자료를 수집하여 암종에 따른 역학적 특성을 분석하였다. 암종은 화강암과 편마암, 퇴적암, 화산암, 변성암으로 구분하였고, 각 암종에서의 점착력과 내부마찰 각, 탄성계수, 변형계수, 일축압축강도 등 총 10개 종류의 역학적 특성을 분석하였다. 또한 토목 분야에서 일반적으로 사용하는 암석의 강도분류에 따라 상자그림(box plot)을 작성하여 역학적 특성의 분포 범위와 중앙값, 평균값을 산정하였다.
- 분석에 이용된 역학적 특성은 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 탄성계수, 포아송비, 일축압축강도, 인장강도, 투수계수, 비중이다. 편마암, 화강암, 퇴적암, 화산암, 변성암 등 5개의 암종으로 분류하여 분석을 수행했으며, 동일한 암종에서도 다양한 범위를 보이는 역학적 특성을 고려하기 위해 시험을 수행한 대상 암석의 강도에 따라 풍화암과 연암, 보통암, 경암으로 세분화하여 분석하였다.
대상 데이터
- 수집된 자료는 국내의 107개 국도 터널에서 설계 시 수행한 현장 및 실내 시험 자료로서 국내 전역에서 수행한 시험 결과를 분석하였다(Fig. 1a).
- 이 자료들은 터널 설계 시 중요하게 분석되는 역학적 특성으로서 지반의 안정성을 확보하기 위한 수치해석 및 구조계산에 이용된다. 암종에 따른 역학적 특성 분석을 위해 터널 주변의 지질을 확인하여 편마암 33개소, 화강암 17개소, 퇴적암 37개소, 화산암 12개소, 변성암 8개소로 암종을 구분하였다(Fig. 1b).
- 1b). 총 10개 종류의 역학적 특성을 분석하였고, 각 인자별로 수집된 자료는 총 4,280개이다(Fig. 1c).
- 국내의 107개 국도 터널에서 수행한 각종 시험자료를 수집하여 암종 및 암석 강도의 분류에 따라 암반의 역학적 특성을 분석하고, 분포 범위와 평균값을 산정하였다. 총 4,280개의 자료를 이용하여 10 종류의 역학적 특성을 분석하였다. 분석에 이용된 역학적 특성은 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 탄성계수, 포아송비, 일축압축강도, 인장강도, 투수계수, 비중이다.
데이터처리
- 암종은 화강암과 편마암, 퇴적암, 화산암, 변성암으로 구분하였고, 각 암종에서의 점착력과 내부마찰 각, 탄성계수, 변형계수, 일축압축강도 등 총 10개 종류의 역학적 특성을 분석하였다. 또한 토목 분야에서 일반적으로 사용하는 암석의 강도분류에 따라 상자그림(box plot)을 작성하여 역학적 특성의 분포 범위와 중앙값, 평균값을 산정하였다.
성능/효과
- 1. 암종별 분포 범위에 대한 분석 결과, 편마암은 단위중량(22.0~28.2 kN/m3), 화강암은 탄성계수(0.2~58.2 GPa)와 포아송비(0.20~0.31), 퇴적암은 일축압축강도(42.8~204.6 MPa), 인장강도(3.4~17.7 MPa), 투수계수(0.4 × 10−5~3.8 × 10−5 cm/sec), 화산암은 점착력(0.01~27.0 MPa)과 변형계수 (2.4~26.5 GPa), 비중(2.54~5.73), 변성암은 내부마찰각(25.9~55.0o)에서 가장 넓은 범위를 보인다.
- 2. 암석의 강도분류에 따른 범위는 풍화암의 경우 화강암의 투수계수(4.6 × 10−5~1.6 × 10−4cm/sec), 연암은 퇴적암의 포아송비와(0.17~0.26), 편마암의 단위중량(22.0~26.5 kN/ cm3), 보통암은 편마암의 비중(2.66~2.78), 경암은 화강암의 인장강도(7.4~26.6 MPa)와 탄성계수(14.2~58.2 GPa), 화산암의 일축압축강도(48.2~173.6 MPa)와 변형계수(5.4~26.5 GPa), 점착력(0.1~27.0 MPa)과 내부마찰각(39.3~60.0o)에서 가장 넓게 나타났다.
- 3. 암종에 따른 각 역학적 특성의 평균값 분석 결과, 편마암은 비중(2.71), 화강암은 투수계수(5.5 × 10−5cm/sec), 퇴적암은 단위중량(26.7 kN/m3)과 점착력(11.2 MPa), 내부마찰각 (54.9o), 화산암은 변형계수(13.4 GPa)와 탄성계수(45.2 GPa), 일축압축강도(105.6 MPa), 인장강도(14.1 MPa), 변성암은 포아송비(0.26)에서 가장 높은 값을 보인다.
- 2d). 또한 탄성계수는 모든 암종에서 0.2~58.2 GPa까지 상당히 넓은 분포 범위를 보이며, 풍화암의 경우 0.2~0.9 GPa의 좁은 범위에 분포하는 것으로 나타났다(Fig. 2e).
- 2f). 무결암에 대한 일축압축시험과 점하중시험을 통해 산정한 일축압축강도는 편마암과 변성암에서 각각 25.8~107.7 MPa, 51.0~128.7 MPa로 33.5~204.6 MPa에 분포하는 다른 암종에 비해 상대적으로 좁은 범위에 분포하며, 화강암과 퇴적암의 경암은 약 100 MPa 이상의 높은 일축압축강도를 가지고 있는 것으로 나타났다(Fig. 2g).
- 2j). 포아송비와 투수계수, 비중을 제외한 다른 역학적 특성들은 대부분의 암종에서 강도가 강한 경암으로 갈수록 대체로 높아지는 경향을 보이며, 분포 범위는 암종과 암석의 강도별로 매우 다양하게 나타난다.
후속연구
- 암반의 역학적 특성에 대한 비교분석은 통계적이고 정량적인 결과로서 중요한 참고자료로 활용될 수 있다. 그러나 본 연구의 분석 결과에서 나타났듯이 역학적 특성은 암종 및 강도분류에 따른 세부적인 분석에도 불구하고 다양한 범위 및 평균값을 보이기 때문에 보다 합리적인 설계정수로 활용하기 위해서는 지질학적 생성과정에 대한 이해와 지질 상태 및 절리의 발달정도, 지역, 암석의 생성시기, 심도 등 다양한 변수를 고려한 분석이 필요하다.
- 4. 암반의 역학적 특성에 대한 비교분석은 통계적이고 정량적인 결과로서 중요한 참고자료로 활용될 수 있다. 그러나 본 연구의 분석 결과에서 나타났듯이 역학적 특성은 암종 및 강도분류에 따른 세부적인 분석에도 불구하고 다양한 범위 및 평균값을 보이기 때문에 보다 합리적인 설계정수로 활용하기 위해서는 지질학적 생성과정에 대한 이해와 지질 상태 및 절리의 발달정도, 지역, 암석의 생성시기, 심도 등 다양한 변수를 고려한 분석이 필요하다.
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