암반은 암석과 여러 불연속면들로 구성되어 있습니다. 암반의 공학적인 특성을 평가하기 위해서는 무결암의 특성과 불연속면의 특성을 개별적으로 평가하여 종합합니다.
1. 암석과 암반
암석이란 불연속면과 같은 결함을 포함하지 않은 신선한 암석으로 무결암(intact rock), 또는 신선암(fresh rock) 등의 용어를 사용합니다. 반면에 암반(rock mass)이란 무결암과 여러 가지 불연속면들의 복합체를 말합니다.
암반의 공학적 특성은 일반적으로 암석의 물성과는 많은 차이가 나며, 불연속면의 분포나 특성에 크게 좌우됩니다. 특히 일정한 방향으로 발달한 불연속변의 분포나 경우에는 역학적인 특성의 이방성이 나타납니다. 반면에 다수의 불연속면이 불규칙적으로 분포하는 경우에는 이방성의 영향은 오히려 감소합니다.
암반에 형성된 응력은 기원에 따라 크게 자연응력과 인위응력으로 나눌 수 있습니다.
자연응력(natural stress)이란 자연 상태의 암반에 형성된 응력을 말합니다. 여기에는 암반의 자중에 따른 응력(gravitational stress), 조산운동 등에 응력(tectonic stress), 잔류응력, 열응력(thermal stress)등이 있습니다.
인위응력(induced stress)이란 굴착공사 등에 따라서 기존의 자연응력 상태가 변화함에 따라 새로 형성된 응력상태를 말합니다.
2. 암석의 지질학적 특성
암석의 지질학적인 특성은 암석을 구성하는 광물의 종류와 성인, 그리고 불연속면 등에 의한 지질구조적 특성을 의미합니다.
1) 지층의 연령(geologic time)
일반적으로 비슷한 암종의 경우, 연령이 오래된 지층일수록 강도와 강성(stiffness)이 높고 공극률은 낮습니다. 그러나 암반 내 응력의 변화가 크고, 특히 변성작용에 수반된 파쇄대의 존재로 인하여 지역에 따라 높은 투수율이 나타납니다.
2) 입자의 크기
광물입자에 포함된 여러 미세균열(microcrack)들은 외력의 변화에 따라 점차 성장하여 암석의 파괴를 유발합니다. 입자의 크기가 작을수록 미세균열의 분포 가능성이 낮아지므로 비슷한 암종에서는 입자 크기가 작은 암석의 강도가 높습니다.
3) 이방성
입자들의 배열상태나 조직에 따라 암석의 강도나 변형 특성, 풍화에 대한 내구성들이 달라집니다. 암석의 이방성은 주로 변성암(엽리, 편리)이나 퇴적암(층리)에서 흔히 나타나고, 심성암의 경우에도 상부 지압의 감소에 따른 이완균열(relaxation microcrack)의 분포로 발생할 수 있습니다.
4) 입자들의 결합상태
용융상태의 마그마에서 결정화 작용(crystallization)에 따라 형성되는 화성암의 광물입자들은 서로 불규칙하게 맞물려 결합하므로, 입자들 사이의 결합력에 따른 인장강도나 압축강도가 높습니다. 쇄설성 퇴적암은 고결물(cement)에 따른 입자들의 결합력이 낮고, 특히 고결물의 종류에 따라 강도의 차이가 큽니다. 결정질 퇴적암은 비교적 높은 결합력을 나타냅니다.
5) 광물조성
화성암을 이루는 조암광물들의 안정성은 일반적으로 Bowen 반응계열에 나타난 생성 순서에 따라 차이를 보입니다. 즉, 반응계열의 상부에 위치하는 감람석이나 Ca-사장석은 온도나 압력의 변화에 대한 안정성이 낮아서 쉽게 풍화되어 점토광물로 변하지만, 석영은 풍화에 대한 내구성이 매우 높습니다.
3. 암종에 따른 공학적 특성
1) 화성암
화산암은 용암류(lava flow)에 포함된 휘발성분에 따른 기공(vug, amygdules)들의 분포가 특징적이며, 역학적, 수리학절 이방성을 나타냅니다. 지하 심부에 존재하는 심성암은 치말하고 내구성이 높으며 공극률은 2% 이내로 낮습니다. 용융상태의 마그마로부터 형성되므로 비교적 균질하고 등방성을 나타내는 경우가 많습니다.
그러나 열극(fissure)을 따라 유동하는 지하수나 열수용액으로 인한 부분적인 변질, 또는 풍화가 일어날 수 있으며, 온도변화와 열응력의 변화로 형성된 크고 작은 균열들을 포함하기도 합니다. 융기와 침식작용에 따라 지표 근처에 분포하는 심성암에는 지압의 감소에 의해 생성된 이완균열들이 지표면과 나란한 방향으로 배열되어 판상절리(sheet joint)를 형성하는 경우도 있습니다.
2) 변성암
변성암은 기존의 암석이 높은 열과 압력으로 변질되어 형성된 암석으로 일반적으로 낮은 공극률이 나타나지만, 국지적으로 파쇄대의 분포에 따라 높은 투수율이 나타나기도 합니다. 변성암으로 이루어진 암반에는 흔히 습곡이나 단층이 분포하고 다양한 형태의 균열들을 포함합니다.
편암이나 천매암, 점판암 등은 흔히 이방성을 나타내지만, 열에 의한 변성암(hornfels나 quartzite)들은 이방성의 영향이 비교적 적습니다. 편마암의 경우는 편마 구조를 따라 불균질한 풍화대가 형성되기 쉽습니다.
3) 퇴적암
퇴적암의 층리는 암석의 이방성을 유발하는 중요한 요인으로 암반의 불연속면으로 작용합니다. 사암은 일차 공극률(primary poroosity)과 투수율이 높고 다른 퇴적암에 비해 비교적 강도가 큽니다. 그러나 고결물질(quartz, gypsum, or calcite)의 종류에 따라 강도의 차이가 심합니다.
점토질의 셰일이나 이암(mudstone)은 수분의 함유 여부에 따라 공학적 특성이 큰 차이가 나타나며, 풍화 내구성(slake durability)이나 수분에 따른 팽창성(swelling potential)이 고려되어야 합니다. 결정질 퇴적암 중 석회암이나 백운암은 탄산을 포함하는 지하수에 의해 용해되기 쉽습니다. 해수 증발로 형성되는 증발암(gypsum, rock salt)은 물을 통한 용해도가 크고, 반복되는 탈수작용(dehydration)과 수화작용(hydration)으로 발생하는 부피팽창을 통해 균열이 형성될 수 있습니다.