암반의 불연속면, 일축압축강도, 투수계수 3가지 정리

암반의 불연속면

암반의 불연속면은 암반이 이방성인지 등방성인지 결정하는 핵심 요소로, 하중 방향에 따라 강도와 변형 특성에 큰 영향을 미칩니다. 암반은 토목, 지반공학 분야에서 일반적으로 등방성 재료로 간주되지만, 셰일, 편마암과 같은 층리구조를 가진 암반은 그렇지 않습니다. 이러한 암반은 이방성(Anisotropy) 특성을 가지며, 이는 암반 강도, 변형계수, 투수계수, 초기 지압비 등에 큰 영향을 미칩니다.

암반의 불연속면, 이방성이란

암반의 이방성이란, 불연속면의 방향에 따라 물리적·역학적 특성이 달라지는 현상을 말합니다. 즉, 암반 내부의 불연속면(층리, 절리 등)이 하중 작용 방향과 어떤 각도로 존재하느냐에 따라 암반의 거동이 크게 달라지게 됩니다. 불연속면으로 인해 강도, 변형계수 등에 변화가 있는 경우 암반은 이방성 요소를 고려해야 합니다. 아래에 불연속면에 따른 암반의 특징을 정리해봤습니다.

암반의 불연속면에 따른 특징 4가지

1) 암반 강도

암반의 강도는 일반적으로 일축압축강도(UCS)로 산정합니다. 그런데, 이 암반 강도는 하중 작용 방향과 불연속면 사이의 경사각에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로, 하중이 불연속면에 수직으로 작용할 경우 강도가 커지고, 평행하게 작용할 경우 강도가 약해지죠. 하지만, 이런 특징은 암반의 불연속면의 방향과 밀접하게 연관되어 있습니다. 아래 그림과 그래프로 확인해보시죠.

그래프에서 보듯이, 하중재하면과 불연속면이 이루는 각이 ‘0’이 되는 것이 가장 암반의 강도를 효율적으로 이용할 수 있다는 걸 알 수 있겠습니다. 불연속면에 따라 암반의 강도만 영향이 있을까요? 암반의 변형계수도 마찬가지입니다. 아래에 같이 보시죠.

2) 암반의 변형계수

① 암반의 변형계수란

암반의 변형계수는 외력을 가했을 때 암반이 얼마나 변형되는지를 나타내는 지반 특성치입니다. 탄성계수(Young’s modulus)와 유사한 개념으로, 암반이 받는 응력과 그에 따른 변형률의 비율을 말합니다. 일반적으로 현장재하시험 등을 통해 구하며, 암반의 강성과 거동을 해석하는 데 중요한 역할을 합니다.

② 암반의 불연속면으로 변형계수 특징

변형계수(Modulus of Deformation) 또한 강도와 유사한 패턴을 보입니다. 불연속면과 하중 방향이 직각이면 변형계수는 낮고, 평행할수록 높아지는 경향을 보입니다.

하중재하방향과 불연속면이 직각인 경우 → 낮은 변형계수 → 암반이 쉽게 변형됨
하중재하방향과 불연속면이 평행한 경우 → 높은 변형계수 → 상대적으로 견고함

3) 암반의 투수계수

암반은 그 자체가 매우 조밀하고 기공이 작아서 투수계수는 작습니다. 그런데, 불연속면이 있다면? 상황은 달라지죠. 암반 내에 절리나 균열이 발달했다? 그럼 그 틈을 따라 물이 흐르겠죠? 또 그 불연속의 방향도 중요합니다. 수평으로 발달하면? 수평방향 투수계수가 크겠죠. 수직으로 발달했다? 그럼 수직방향 투수계수가 커지는 겁니다. 그런데, 수평으로 발달한 암반의 수직방향 투수계수는 어떨까요? 이때는 암반 자체의 투수성에 영향을 받습니다.

쉽게 종합해서 표로 설명드립니다.

4) 초기지압비 (K_o)

① 암반의 초기지압비란

암반의 자연상태로, 수평응력과 수직응력의 비를 말합니다. K_o(수평응력/수직응력)으로 표현하며, K_o는 일반적으로 1 이상인 경우가 많습니다. 즉, 자연상태에서 수평응력이 수직응력에 비해 적게 발생하는게 일반적이라는 말이죠.

② 암반의 불연속면으로 초기지압비 영향

그런데, 암반에 절리, 층리와 같은 불연속면이 존재한다면? 초기지압비가 높아질 수 있습니다. 그럼 암반 상태는 불안정해지는 것이죠. 왜냐면 수직응력보다 수평응력이 큰 상황이기 때문입니다.

예시로, 암반을 굴착할때 K_o가 2 이상이되면 암반 측면이 붕괴할 위험이 매우 높다고 판단합니다. 반대로 K_o 가 낮으면 불연속면이 존재하더라도 수직응력이 충분히 높기 때문에 안정적이라 판단하는 것이죠. 이렇듯, 암반의 초기지압비는 불연속면에 영향을 받고, 터널, 사면, 갱도 설계 시 초기지압비를 정확히 파악해야 안정적인 설계를 할 수 있습니다.

3. 암반의 불연속면 활용

암반의 불연속면, 이방성을 무시하면 잘못된 해석과 설계로 이어질 수 있습니다. 특히 층상암반이나 편암, 셰일 등 구조적 이방성이 뚜렷한 암반의 경우 다음과 같은 점들을 반드시 고려해야 합니다:

강도정수 산정 시 불연속면 방향 고려
하중 방향과 암반의 불연속면이 어떤 각도로 형성되어 있는지를 반영해 강도정수를 결정해야 합니다.
초기 지중응력 예측을 통한 암반 거동 분석
정확한 초기 응력 상태를 반영해 암반의 거동을 예측하고, 이를 설계·시공 및 장기 유지관리까지 활용합니다.