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문제 정의
- 주상절리의 장기적인 보존과 안정성을 확보하기 위해서는주상절리의 지질학적 특성과 함께 주상절리를 구성하는 지질공학적 특성을 살펴보는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 무등산국립공원에 발달해 있는 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 무등산응회암에 대한 물리적 및역학적 성질을 파악하기 위한 실내시험과 절리면을 파괴와변형을 이해하기 위한 절리면 전단시험을 실시하였다. 또한불연속면의 특성을 파악하기 위한 불연속면 조사와 현장시험을 실시하였다.
- 본 연구는 무등산국립공원 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 물리역학적 특성을 파악하기 위해 수행되었다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 절리면 전단시험기는 GEOTM & GEO Testing Manage- ment사의 GTR01-NO1를 사용하였다. 2개의 시험편에 대해 각 단계별 수직응력과 전단응력, 그리고 변위를 측정한 후, 이들로부터 수직강성(normal stiffness)과 전단강성(shear stiffness), 점착력(cohesion), 기본마찰각(basic friction angle)을 각각 구하였다. 수직응력-변위와 전단응력-변위의 관계로부터 구한 평균 수직강성은 3.
- 입석대 주상절리대 주변의 진동과 기온, 온도, 바람 등의 국지기상을 살펴보기 위한 현장조사도 실시하였다. 그리고 입석대 주상절리대 하중에 의한 각 지점에서의 지반변형 평가를 위한 수치해석을 수행하였다.
- 이러한 사실은 주상절리 표면온도가 주상절리 위치에 따라 다르게 나타남을 의미한다. 대기온도, 습도, 풍속은 측정 가능한 주상절리 1, 4, 7, 11, 14번 부근에서 측정하였다. 대기온도는 5, 6월 보다 7, 8, 9, 10월이 더 낮게 나타난 반면(Fig.
- 입석대 주상절리대는 무등산 정상으로 가는 대표적인 탐방로로서 탐방객들의 통행량이 매우 높은 편이다. 따라서 입석대 주상절리대 주변의 탐방로를 따라 탐방객들에 의해 발생되는 진동을 측정하여 그 영향을 평가하였다. 측정은 입석대 주상절리대 주변 두 지점을 설정하여 진동소음 측정기인 Blastmate Ⅲ를 사용하여 2015년 6월~10월까지 5회에 걸쳐 수행되었다(Fig.
- 따라서 입석대 주상절리대의 국지기상의 변화를조사하기 위하여 측정 가능한 주상절리 15개를 선정하여 표면온도, 주변온도, 습도, 그리고 풍속을 측정하였다. 입석대주상절리대 표면온도는 Testo 830-T4 온도측정기, 주변의 온도, 습도, 풍속은 Lutro LM-8000 디지털 측정기를 사용하여 측정하였다(Fig.
- 따라서 본 연구에서는 무등산국립공원에 발달해 있는 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 무등산응회암에 대한 물리적 및역학적 성질을 파악하기 위한 실내시험과 절리면을 파괴와변형을 이해하기 위한 절리면 전단시험을 실시하였다. 또한불연속면의 특성을 파악하기 위한 불연속면 조사와 현장시험을 실시하였다. 입석대 주상절리대 주변의 진동과 기온, 온도, 바람 등의 국지기상을 살펴보기 위한 현장조사도 실시하였다.
- )를 측정하였다. 무게는 0.001g까지 측정 가능한 Precisa Gravimentrics AG사의 Precisa Balances 320XT를이용하여 초기, 수중, 건조, 포화 상태 무게를 각각 측정하였으며, 종파속도는 Misung C&S Inspection사의 Concrete Non-Destructive Tester를 이용하여 측정하였다(Fig. 3). 3개시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 1과 같다.
- 불연속면의 표면강도를 살펴보기 위해 주상절리대 표면에 대한 비파괴시험을 실시하였다. 측정은 Proeq사의 L-형 실버슈 미트 해머(silver schmidt hammer)를 이용하였다(Fig.
- 암석블록들의 경계면을 따라 발생되는 암반의 파괴와 변형을 이해하기 위해 절리면에 대한 전단시험을 실시하였다. 절리면 전단시험기는 GEOTM & GEO Testing Manage- ment사의 GTR01-NO1를 사용하였다.
- 일축압축시험으로부터 일축압축강도(uniaxial compressive strength), 탄성계수(Young’s modulus), 포아송비(Poisson’s ratio)를 구하였다. 일축압축시험은 서보제어로서 1mm/min 변위조절이 가능한 DEAKYOUNG TECH & TESTER MTG사의 DTU-900HC를 사용하였으며, 하중에 따른 축 방향 및 횡방향 변형률은 KYOWA사의 UCAM-65B 데이터로 거를 이용하여 획득하였다(Fig.
- 또한불연속면의 특성을 파악하기 위한 불연속면 조사와 현장시험을 실시하였다. 입석대 주상절리대 주변의 진동과 기온, 온도, 바람 등의 국지기상을 살펴보기 위한 현장조사도 실시하였다. 그리고 입석대 주상절리대 하중에 의한 각 지점에서의 지반변형 평가를 위한 수치해석을 수행하였다.
- 7). 입석대 주상절리대 중 안정적으로 측정할 수 있는 8개의 주상절리에 대해 총 10회 타격을 실시하여 최소값과 최대값을 제외한 나머지 반발경도 Q값들의 평균을 취하였다. 측정 결과에 의하면 반발경도 Q값은 51~62 범위로 평균 57 로 나타났다.
- 입석대 주상절리대 암석블록들에 발달해 있는 수직 및 수평 절리면을 따라 파괴와 변형이 발생될 수 있는 가능성이 크므로 불연속면에 대한 특성을 파악하는 것이 필요하다. 입석대 주상절리대에서 불연속면의 측정이 비교적 양호한 15번 주상절리를 대상으로 절리면 거칠기를 측정하였다. 측정은 프로파일 게이지(profile gage)를 사용하여작은 규모의 요철(uneveness)과 큰 규모의 만곡(waviness) 유형을 고려하여 가로 2방향, 세로 2방향을 선정하여 실시하였다(Fig.
- 입석대 주상절리대의 자체하중에 의한 주변 지반변형 상태를 3지점에 대해 수치해석을 수행하였다. 주상절리대 오른쪽 지반에서 나타나는 최대 변위는 지반거리가 약 2.
- 입석대 주상절리대의 자체하중에 의한 주변 지반변형에 대한 평가를 수행하기 위해 수치해석을 실시하였다. 수치해석을 위해 사용된 프로그램은 Midas사의 SoilWorks로 유한요소법에 기초한 2차원 지반해석 프로그램이다.
- 따라서 입석대 주상절리대의 국지기상의 변화를조사하기 위하여 측정 가능한 주상절리 15개를 선정하여 표면온도, 주변온도, 습도, 그리고 풍속을 측정하였다. 입석대주상절리대 표면온도는 Testo 830-T4 온도측정기, 주변의 온도, 습도, 풍속은 Lutro LM-8000 디지털 측정기를 사용하여 측정하였다(Fig. 9a). 표면온도는 15개 주상절리 모두에서 측정되었다.
- 채취한 시험편으로부터 공극률(porosity, n), 비중(specific gravity, Gs), 밀도(density, ρ), 그리고 종파속도(primary velocity, Vp)를 측정하였다. 무게는 0.
- 입석대 주상절리대에서 불연속면의 측정이 비교적 양호한 15번 주상절리를 대상으로 절리면 거칠기를 측정하였다. 측정은 프로파일 게이지(profile gage)를 사용하여작은 규모의 요철(uneveness)과 큰 규모의 만곡(waviness) 유형을 고려하여 가로 2방향, 세로 2방향을 선정하여 실시하였다(Fig. 6). 측정 결과를 절리면 거칠기 상수(joint roughness coefficient, JRC) 표준도(Barton and Chouby, 1977)와 JRC 차트(Barton and Bandis, 1982)에 근거하여 JRC를 산정하였다.
- 경계조건은 지반 하부에 대해 X와 Z 방향의 변위, 주상절리 하부에 있는 지반의 옆면만 X 방향 변위를 구속해주었다. 하중조건은 각각의 경우에 해당하는 주상절리 블록의 하중을 선하중으로 적용하였으며, 거리에 따른 지반변위를 해석하였다.
대상 데이터
- 무등산국립공원 입석대 주상절리대 무등산응회암에 대한물리적 및 역학적 성질을 살펴보기 위하여 입석대 주변의너덜에서 신선한 상태의 무등산응회암 시료를 채취하였다. 채취한 시료로부터 한국암반공학회 암석표준시험법(KSRM, 2010)에 근거하여 직경 55mm, 길이 약 110mm의 압축시험용 시험편 3개와 가로×세로×높이가 각각 100mm× 100mm×50mm인 절리면 전단시험용 시험편 2개를 제작하였다(Fig.
- 연구지역인 무등산국립공원은 동경 126°06'-127°01', 북위 35°06'-35°10'에 위치하며, 행정구역상으로 광주광역시와 전라남도 담양군, 화순군에 포함된다(Fig. 1). 무등산국립공원은 지질학적으로 옥천습곡대 서남부에 위치하며(Kim et al.
- 구하였다. 일축압축시험은 서보제어로서 1mm/min 변위조절이 가능한 DEAKYOUNG TECH & TESTER MTG사의 DTU-900HC를 사용하였으며, 하중에 따른 축 방향 및 횡방향 변형률은 KYOWA사의 UCAM-65B 데이터로 거를 이용하여 획득하였다(Fig. 4). 3개 시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 2와 같다.
- 또한, Gwangju city (2013)에 따르면, 무등산국립공원 주상절리는 다양한 고도에 분포하는 주상절리 암체에서 화산력 크기의 암편과 부석이 관찰되고, 입석대 정상부 주상절리에서 수평방향으로 반복되는 선 구조와 신장된 피아메구조가 관찰되어 무등산응회암에 해당됨을 보고하였다. 입석대 주상절리대는 해발 1, 017m에 위치해 있으며, 5~18m 높이의 돌기둥 30여개가 동서 방향으로 120m 가량 늘어서 있다. 입석대 주상절리대의 모양은 원기둥 형태가 아닌 한 면이 1~2m 정도인 5~6각 기둥형태로 발달되어 있다(Ahn, 2010; Gwangju city, 2013).
- 10d). 재료의 입력 물성 값은 실내시험 및 현장 조사로부터 얻은 자료를 사용하였다. 경계조건은 지반 하부에 대해 X와 Z 방향의 변위, 주상절리 하부에 있는 지반의 옆면만 X 방향 변위를 구속해주었다.
- 실시하였다. 절리면 전단시험기는 GEOTM & GEO Testing Manage- ment사의 GTR01-NO1를 사용하였다. 2개의 시험편에 대해 각 단계별 수직응력과 전단응력, 그리고 변위를 측정한 후, 이들로부터 수직강성(normal stiffness)과 전단강성(shear stiffness), 점착력(cohesion), 기본마찰각(basic friction angle)을 각각 구하였다.
- 채취하였다. 채취한 시료로부터 한국암반공학회 암석표준시험법(KSRM, 2010)에 근거하여 직경 55mm, 길이 약 110mm의 압축시험용 시험편 3개와 가로×세로×높이가 각각 100mm× 100mm×50mm인 절리면 전단시험용 시험편 2개를 제작하였다(Fig. 2).
- 비파괴시험을 실시하였다. 측정은 Proeq사의 L-형 실버슈 미트 해머(silver schmidt hammer)를 이용하였다(Fig. 7). 입석대 주상절리대 중 안정적으로 측정할 수 있는 8개의 주상절리에 대해 총 10회 타격을 실시하여 최소값과 최대값을 제외한 나머지 반발경도 Q값들의 평균을 취하였다.
- 따라서 입석대 주상절리대 주변의 탐방로를 따라 탐방객들에 의해 발생되는 진동을 측정하여 그 영향을 평가하였다. 측정은 입석대 주상절리대 주변 두 지점을 설정하여 진동소음 측정기인 Blastmate Ⅲ를 사용하여 2015년 6월~10월까지 5회에 걸쳐 수행되었다(Fig. 8). 측정 결과 최대 진동값은 0.
이론/모형
- 6). 측정 결과를 절리면 거칠기 상수(joint roughness coefficient, JRC) 표준도(Barton and Chouby, 1977)와 JRC 차트(Barton and Bandis, 1982)에 근거하여 JRC를 산정하였다. 절리면 거칠기는 JRC 표준도에 따르면 4~6 범위, JRC 차트에 따르면 1~1.
성능/효과
- 9e). 결론적으로 입석대 주상절리대는 다른 지역의 주상절리대와 다르게 고지대에 분포해 있으며, 계절적 영향과 날씨의 변화에 큰 영향을 받고 있기 때문에 시간이 경과함에 따라 암석 표면의 변질과 변형에 의한 풍화상태가 진전될 것으로 사료된다.
- 3개시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 1과 같다. 공극률은 0.60%~0.68% 범위로 평균 0.65%, 비중은 2.68~2.71 범위로 평균 2.69, 밀도는 2.66g/cm3~2.69g/cm3 범위로 평균 2.68g/cm3, 그리고 종파속도는 2411m/s~2443m/s 범위로 평균 2427m/s로 나타났다.
- 5 범위가 우세하여 약간 거침 상태에 해당되는 것으로 나타났다. 또한 주상절리 표면에 대한 실버슈 미트 해머 반발경도 Q값을 측정한 결과 평균 57(약 90 MPa)로 나타났으며, 이는 원래 일축압축강도의 약 28% 수준이다.
- 2개의 시험편에 대해 각 단계별 수직응력과 전단응력, 그리고 변위를 측정한 후, 이들로부터 수직강성(normal stiffness)과 전단강성(shear stiffness), 점착력(cohesion), 기본마찰각(basic friction angle)을 각각 구하였다. 수직응력-변위와 전단응력-변위의 관계로부터 구한 평균 수직강성은 3.15GPa/m, 평균 전단강성은 0.38GPa/m, 그리고 평균 점착력과 내부마찰각은 0.50MPa 와 35°로 각각 산정되었다(Fig. 5).
- 68 g/cm3, 평균 종파속도는 2411m/s로 나타났다. 역학적 성질의 경우 평균 일축압추강도는 323MPa, 평균 탄성계수는 81GPa, 그리고 평균 포아송비는 0.25로 나타났다. 절리면 전단시험의 경우 평균 수직강성은 3.
- 3개 시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 2와 같다. 일축압축강도는 288 MPa~360MPa 범위로 시험편에 따라 차이가 있지만 평균 323MPa를 보였으며, 탄성계수는 78 GPa~84GPa 범위로 평균 81GPa, 포아송비는 0.23~0.26 범위로 평균 0.25로 나타났다.
- 입석대 주상절리대 무등산응회암의 물리적 성질의 경우 평균 공극률은 0.65%, 평균 비중은 2.69, 평균 밀도는 2.68 g/cm3, 평균 종파속도는 2411m/s로 나타났다. 역학적 성질의 경우 평균 일축압추강도는 323MPa, 평균 탄성계수는 81GPa, 그리고 평균 포아송비는 0.
- 입석대 주상절리대 주변의 현장조사에서 진동을 측정한결과 최대 진동값은 0.57PPV (mm/s)~2.35PPV (mm/s) 범위를 보여 주상절리대 주변의 탐방객들에 의해 발생되는진동은 미약한 것으로 나타났다. 주상절리의 표면 및 부근에서 온도, 습도, 풍속 등 국지기상을 측정한 결과 측정 당일의 날씨 영향을 크게 받은 것으로 나타났다.
- 50MPa, 그리고 평균 내부마찰각은 35°로 나타났다. 절리면 거칠기를 측정한 결과 거칠기 상수(JRC) 표준도에 따르면 4~6 범위, JRC 차트에 따르면 1~1.5 범위가 우세하여 약간 거침 상태에 해당되는 것으로 나타났다. 또한 주상절리 표면에 대한 실버슈 미트 해머 반발경도 Q값을 측정한 결과 평균 57(약 90 MPa)로 나타났으며, 이는 원래 일축압축강도의 약 28% 수준이다.
- 3지점에 대해 수치해석을 수행하였다. 주상절리대 오른쪽 지반에서 나타나는 최대 변위는 지반거리가 약 2.5m 일 때 최대값을 보이며, 3m에서 급격하게 감소하다가 6 m 부근에서부터 미미하게 증가하는 경향을 보였다. 중간지점지반의 경우 최대 변위는 지반거리가 0~2m에서 최대값을보이며, 3m에서 급격하게 감소하다가 12m 이후부터는 미미하게 증가하는 경향을 나타냈다.
- 35PPV (mm/s) 범위를 보여 주상절리대 주변의 탐방객들에 의해 발생되는진동은 미약한 것으로 나타났다. 주상절리의 표면 및 부근에서 온도, 습도, 풍속 등 국지기상을 측정한 결과 측정 당일의 날씨 영향을 크게 받은 것으로 나타났다.
- 8). 측정 결과 최대 진동값은 0.57PPV (mm/s)~2.35PPV (mm/s) 범위를 보여 두 지점 모두 탐방객들에 의해 발생되는 진동은 미약한 것으로 나타났다.
- 입석대 주상절리대 중 안정적으로 측정할 수 있는 8개의 주상절리에 대해 총 10회 타격을 실시하여 최소값과 최대값을 제외한 나머지 반발경도 Q값들의 평균을 취하였다. 측정 결과에 의하면 반발경도 Q값은 51~62 범위로 평균 57 로 나타났다. 평균 Q값을 일축압축강도로 환산하여 계산하면 약 90MPa이 된다.
후속연구
- 즉, 주로 주상절리의 생성 원인, 형태학적 분석, 암석학적 분석등으로 이뤄진 반면, 거동과 변형에 따른 안정성에 관한 연구는 수행된바 없었다. 따라서 향후 주상절리대의 장기적인보존과 안정성을 확보하기 위해서는 주상절리대의 암석학적, 형태학적 연구뿐만 아니라 지질공학적 관점의 연구도 고려되어야 한다.
- 11c). 모든 경우에 있어서 지표면으로부터 가까운 심도에서의 수직변위가 크게 나타나므로 향후 이에 대한 주기적인 모니터링이 필요할 것으로 사료된다.
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