본 연구에서는 제주도 북동부 육해상, 남동부 해상 및 북서부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 삼축압축시험을 수행하였으며, 그 결과로부터 산정된 Hoek-Brown 파괴기준의 파라미터인 암석 계수 $m_i$의 특성을 살펴보았다. 그리고 Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각과 Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착 력 및 내부 마찰각을 각각 비교 분석하였다. 그 결과 제주도 현무암 암석에 대한 Hoek-Brown 파괴기준의 암석 계수 $m_i$는 암석의 내부 마찰각과 밀접하게 연관되어 있었으며, 내부 마찰각이 증가함에 따라 급격하게 증가하였다. Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력은 Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착력보다 평균적으로 약 24% 정도 과대하게 추정되고 있으며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 내부 마찰각은 Mohr-Coulomb 파괴기준의 내부 마찰각과 비슷한 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 제주도 북동부 육해상, 남동부 해상 및 북서부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대하여 삼축압축시험을 수행하였으며, 그 결과로부터 산정된 Hoek-Brown 파괴기준의 파라미터인 암석 계수 $m_i$의 특성을 살펴보았다. 그리고 Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각과 Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착 력 및 내부 마찰각을 각각 비교 분석하였다. 그 결과 제주도 현무암 암석에 대한 Hoek-Brown 파괴기준의 암석 계수 $m_i$는 암석의 내부 마찰각과 밀접하게 연관되어 있었으며, 내부 마찰각이 증가함에 따라 급격하게 증가하였다. Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력은 Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착력보다 평균적으로 약 24% 정도 과대하게 추정되고 있으며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 내부 마찰각은 Mohr-Coulomb 파괴기준의 내부 마찰각과 비슷한 값을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
In this study, a series of triaxial compressive strength tests were conducted for basaltic intact rocks sampled in the northeastern onshore and offshore, southeastern offshore and northwestern offshore of Jeju Island. Hoek-Brown constants $m_i$ were estimated from the results of the triax...
In this study, a series of triaxial compressive strength tests were conducted for basaltic intact rocks sampled in the northeastern onshore and offshore, southeastern offshore and northwestern offshore of Jeju Island. Hoek-Brown constants $m_i$ were estimated from the results of the triaxial compression tests, and the properties of the Hoek-Brown constants $m_i$ were investigated. In addition, the cohesion and internal friction angle, strength parameters of Mohr-Coulomb failure criterion, obtained from the results of the triaxial compression tests were compared and analyzed with those estimated from Hoek-Brown failure criterion, respectively. As results, it was found that the Hoek-Brown constant $m_i$ is deeply related to the internal friction angle. As the internal friction grows, the Hoek-Brown constant $m_i$ increases exponentially. The cohesions estimated from the Hoek-Brown failure criterion, on average, are approximately 24% higher than those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion. The internal friction angles estimated from the Hoek-Brown failure criterion are similar to those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion.
In this study, a series of triaxial compressive strength tests were conducted for basaltic intact rocks sampled in the northeastern onshore and offshore, southeastern offshore and northwestern offshore of Jeju Island. Hoek-Brown constants $m_i$ were estimated from the results of the triaxial compression tests, and the properties of the Hoek-Brown constants $m_i$ were investigated. In addition, the cohesion and internal friction angle, strength parameters of Mohr-Coulomb failure criterion, obtained from the results of the triaxial compression tests were compared and analyzed with those estimated from Hoek-Brown failure criterion, respectively. As results, it was found that the Hoek-Brown constant $m_i$ is deeply related to the internal friction angle. As the internal friction grows, the Hoek-Brown constant $m_i$ increases exponentially. The cohesions estimated from the Hoek-Brown failure criterion, on average, are approximately 24% higher than those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion. The internal friction angles estimated from the Hoek-Brown failure criterion are similar to those obtained from the Mohr-Coulomb failure criterion.
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제안 방법
따라서 본 연구에서는 제주도 북동부 육해상, 남동부 해상 및 북서부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대한 삼축압축시험 결과와 Kim(2006)과 Nam et al.(2009)의 연구결과를 이용하여, 제주도 현무암에 대한 Hoek-Brown 파괴기준에서 이용되는 암석 계수 mi의 특성 및 적절한 특성값을 살펴보고, Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착력 및 내부 마찰각과 Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각을 각각 비교 분석하고자 한다.
8과 9에 그 결과를 각각 도시하였다. Fig. 8에서는 Mohr-Coulomb 파괴기준의 점착력과 Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력을 비교하였으며, Fig. 9에서는 Mohr-Coulomb 파괴기준의 내부 마찰각과 Hoek- Brown 파괴기준으로부터 추정된 내부 마찰각을 비교하였다.
본 연구에서는 제주도 북동부 육해상, 남동부 해상 및 북서부 해상에서 채취한 현무암 암석에 대한 삼축압축 시험 결과를 이용하여, 제주도 현무암 암석에 대한 HoekBrown 파괴기준에서 사용되는 암석 계수 mi의 특성에 대해서 살펴보았으며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력 및 내부 마찰각과 Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 점착력 및 내부 마찰각을 각각 비교･분석하였다. 얻어진 결과를 종합하면 다음과 같다.
제주 광역경제권 선도사업 R&D사업의 제주 해역 특성에 적합한 해상풍력발전기의 설치를 위한 지반설계 기술 개발의 일환으로, 2012년에서 2014년까지 약 3년 간에 걸쳐 제주도 북동부 육해상, 남동부 해상, 북서부 해상에 대하여 시추가 이루어졌으며(Fig. 3), 채취된 암석에 대한 구성광물과 조성을 파악하기 위한 편광현미경 및 X-선 회절 분석, 그리고 KS 및 ASTM 시험규정에 입각한 다양한 물성시험 및 강도시험이 수행되었다.
제주도 현무암 암석에 대한 삼축압축시험 결과로부터 산정된 Mohr-Coulomb 파괴기준의 파라미터인 점착력 및 내부 마찰각, 그리고 Hoek-Brown 파괴기준으로 부터 추정된 점착력과 내부 마찰각을 비교하기 위하여 Fig. 8과 9에 그 결과를 각각 도시하였다. Fig.
대상 데이터
암석은 NX구경인 코어 시추기를 이용하여 채취하였으며, 한국암반공학회 시험편 제작 표준법(2005)에서 제시하고 있는 종횡비(h/d; h: 암석 시편의 높이, d: 암석 시편의 직경)에 만족하도록 Fig. 4와 같이 원주형 암석 시편을 제작하였고(제주도 북동부: h=99.78±2.67mm, d=50.36±0.26mm; 제주도 남동부: h=121.56±1.05mm, d=52.52±0.55mm; 제주도 북서부: h=110.78±5.20mm, d=49.94±0.24mm), 이들 현무암 암석 시편에 대하여 ASTM 규정 D 7012에 따라 5MPa, 10MPa, 15MPa인 구속압력 아래에서 가압속도를 0.5MPa/s로 축하중을 가하여 삼축압축시험(압축시험기: KDC9409-20; 삼축압축셀: NX 코어용)을 수행하였다.
이론/모형
여기서, Table 6과 Table 7에 나타낸 식 (10)의 선형관계식 및 결정계수는 Hoek and Brown의 연구와 일관성을 유지하기 위하여 Hoek and Brown(1997)에서 언급된 바와 같이 삼축압축시험 결과에서 0 < σ3′ < 0.5σ1′인 범위에 포함된 결과에 대한 값을 나타내었으며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터의 점착력 및 내부 마찰각의 추정은 Hoek and Brown(1997)에서 제시된 바와 같이 식 (6)에 나타낸 관계식을 이용하여 0 < σ3′ < 0.25σci 인 범위에 있는 8개의 같은 간격으로 떨어진 σ3′ 값들에 대한 σ′ 값을 각각 구하고, (σ3′, σ′) 값들에 대한 선형회귀분석을 통하여 식 (3)과 같은 선형 관계식을 구하였으며, 식 (4)와 (5)를 이용하여 내부 마찰각과 점착력을 각각 계산하였다.
성능/효과
(1) 제주도 현무암 암석에 대한 Hoek-Brown 파괴기준의 암석 계수 mi는 암석의 내부 마찰각과 밀접하게 연관되어 있으며, 내부 마찰각이 증가함에 따라 급격하게 증가하는 경향이 있다. 그리고 현무암 암석의 공극 특성을 나타내는 흡수율과도 연관성을 나타내고 있다.
(3) 제주도 현무암 암석에 대하여 Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력은 Mohr-Coulomb 파괴 기준으로부터 산정된 점착력보다 과대하게 추정되고 있으며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 점착력을 초기설계에 사용할 시에는 점착력의 특성 값을 재조정하는 것이 바람직하다고 사료된다.
(4) Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 내부 마찰각의 경우, Mohr-Coulomb 파괴기준으로부터 산정된 내부 마찰각과 비슷하거나 약간 작은 값을 나타내며, Hoek-Brown 파괴기준으로부터 추정된 내부 마찰각을 초기설계에 이용할 시에는 재조정 없이 그대로 사용해도 무방하다고 사료된다.
후속연구
(5) 본 연구에서 나타낸 그래프 및 회귀관계식은 제주도 현무암 암반에 대한 초기설계에 있어서 유용하게 이용될 수 있을 것이라 생각되며, 앞으로 흡수율이 8% 이상인 다공성 현무암 및 다양한 화산암에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
7을 통하여 알 수 있듯이, 제주도 현무암 암석에 대한 흡수율과 Hoek-Brown 계수 mi 사이의 연관성을 어느 정도 알 수 있으나, 흡수율을 통하여 직접적으로 Hoek-Brown 계수 mi를 추정하기에는 약간 부족하다고 느껴진다. 따라서 제주도 현무암에 대한 Hoek-Brown 계수 mi를 추정하기 위해서는 Fig. 6을 이용하여 흡수율로부터 내부 마찰각을 산정한 후, Fig. 5를 이용하여 Hoek-Brown 계수 mi를 추정하는 것이 좀 더 바람직하 다고 사료되며, 이 결과로부터 현무암 암석에 대한 물성 시험을 통하여 초기설계를 수행하는데 있어서 필요로 되는 현무암 암석, 또는 적절한 GSI값을 이용하여 현무암 암반에 대한 강도정수를 대략적으로 추정할 수 있을 것이라 생각한다.
한편 제주도 현무암의 경우 암석의 공극 상태에 따라 연암에서 극경암까지 다양하게 분포하고 있으며(Yang, 2014; 2015a), 제주도에 널리 분포하고 있는 현무암 암반에 대한 좀 더 정확한 초기설계를 수행하기 위하여 제주도 현무암 암석에 대한 Hoek-Brown의 계수 mi를 제시할 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제주도 화산암 중, 다공성 구조를 갖고 있는 암석은?
제주도 화산암은 다공성 구조인 현무암과 같은 특수한 지질학적 조건을 갖고 있으며, 기반암은 육지부와 달리 현무암층 사이에 연약층인 화산쇄설물 및 공동이 불규칙하게 발달된 층상구조로 이루어져 있기 때문에, 이전부터 대규모 토목공사 및 지하수 개발에 있어서 수많은 시행착오를 경험하고 있다(Kim, 2006). 뿐만 아니라 최근에 건설되고 있는 육상 및 해상 풍력발전시스템의 기초공사와 향후 건설예정인 대규모의 토목공사에 대비하여 제주도 암반지반에 대한 공학적 관점에서의 물리적 및 역학적 특성에 대한 심도 깊은 연구가 요구되고 있는 실정이다.
현무암의 기공은 어떤 원리로 형성되는가?
이중에서 제주도는 약 200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화산활동에 의해 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도의 화산암은 지역마다 지질특성이 다양하며, 그 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 특히 용암이 분출할 때 마그마에 작용하던 압력이 낮아짐에 따라 그 속에 존재하던 가스가 표면으로 올라오면서 형성된 기공들은 마그마의 점성을 비롯한 여러 환경요소로 인하여 그 크기와 분포가 다양하게 형성되어 있다.
제주도에서 중생대의 화산암는 어디에 주로 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). 이중에서 제주도는 약 200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화산활동에 의해 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도의 화산암은 지역마다 지질특성이 다양하며, 그 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다.
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