국토의 효율적인 활용을 위하여 지하철용 터널이나 상하수도용 수로 터널, 유류 및 액화가스 비축 시설, 양수 지하 발전소 등이 건설되고 있으며 방사성 폐기물의 지하처분장, 농축산물의 저장 등을 위한 지하 공간의 개발이 더욱 활발해질 전망입니다.
터널이나 지하 공간의 굴착을 위한 설계에서 기본적으로 고려되어야 할 요소는 암반의 강도와 변형 특성이 있습니다.
1. 암반과 불연속면
암반공학에서는 대상 암반의 특성을 해석하여 토목이나 건축 구조물의 설계에 반영합니다. 터널이나 지하공동의 굴착을 위한 설계에서 가장 기본적으로 고려되어야 할 요소는 암반의 역학적 특성, 즉 암반의 강도와 변형 특성입니다.
암반의 역학적 특성은 암반 내에 존재하는 수많은 불연속면이나 지하수나 지표수의 유입으로 신선한 암석의 경우에 비해 매우 복잡한 양상이 나타납니다. 이러한 불연속면들의 분포와 공학적인 특성, 암반 내의 신선한 암석들의 공학적 특성, 그리고 전체적인 암반의 강도와 변형 특성 등이 암반공학의 주요 내용을 이룹니다.
암반은 수많은 불연속면들에 따라 분할된 불연속체로서, 이러한 불연속면들은 전체적인 암반의 공학적 특성을 결정하는 중요한 요소가 됩니다. 불연속면(rock discontinuity)이란 모든 종류의 절단면(breaks)을 의미하는 것으로써, 예를 들면 절리면이나 층리면, 서로 다른 암체 사의 접촉면(contacts), 그리고 단층면 등이 여기에 속합니다.
절리(joint)는 지질구조 중의 하나로서 가장 대표적인 불연속면이며 불연속면들을 대표하는 용어로 사용되고 있습니다. 불연속면들의 특성은 국제암반공학회(ISRM)에서 제시한 기준을 따라 10가지 요소들을 사용합니다.
1) 불연속면의 방향성
불연속면의 방향성은 주향과 경사를 사용하여 표기하거나, 경사방향(dip dir ection)과 경사각(dip angle)으로 나타냅니다. 경사 방향이란 진경사의 방향으로 0~360°까지의 각으로 나타냅니다. 불연속면의 주향은 경사방향으로부터 90° 회전한 방향이 됩니다.
지표면에 노출되지 않은 불연속면들의 방향은 시추 자료들을 해석하여 파악할 수 있습니다. 일반적으로 암반에는 여러 방향으로 발달한 불연속면들이 존재하므로 현장에서 측정된 자료들을 통계 처리하여 불연속면들의 평균적인 경사방향과 경사각을 구합니다.
암반사면의 경우, 사면의 방향성과 암반 내 불연속면들의 방향성에 따라 사면의 안정성을 파악할 수 있으며 파괴의 형태에 대한 예측이 가능합니다. 불연속면의 주향은 추영도의 중심과 각 극적을 연결한 직선에 수직인 방향이며, 경사는 투영도의 중심을 지나 90° 떨어진 위치의 각으로 나타납니다.
토질사면(soil slope)의 경우와 유사한 원호파괴(circular failure)가 일어날 가능성이 높습니다.
투영도에 나타난 불연속면들은 대략 사면의 주향과 나란한 방향으로 발달하고 있는 두 종류의 불연속면들의 분포를 나타내며 쐐기 파괴(wedge failure)의 가능성이 높습니다. 사면과 경사방향이 다르며 거의 수직으로 발달된 불연속면들의 분포는 전도파괴(toppling failure)가 예상됩니다.
2) 불연속면의 간격
불연속면의 간격(spacing)은 인접한 불연속면 사이의 거리를 의미합니다.
불연속면의 간격이 클수록 암반의 연속성이 증가하며, 암반의 역학적 특성은 암반을 구성하는 무결암의 특성에 유사합니다. 그러나 불연속면의 간격이 좁아지면 암반의 특성은 불연속면의 역학적 특성에 따라 결정됩니다.
불연속면의 간격은 암반사면에 노출된 경우에는 직접 측정할 수 있으나, 암반 내에 존재하는 불연속면들의 간격은 여러 가지 지구물리학적 탐사 방법에 의하여 대략적인 빈도(frequency)를 파악합니다. 불연속면의 간격은 정성적으로 기재하거나 일정한 구간 내에 포함된 불연속면의 수로 나타내는 방법이 있습니다.
3) 불연속면의 연속성
불연속면의 연속성(persistence)은 불연속면의 넓이나 크기를 의미합니다. 암반 내의 불연속면의 크기를 직접 측정하기는 어려운 일이므로 일반적으로 노두나 사면에서 관찰된 길이로 나타냅니다. 불연속면의 연속성은 특히 암반사면의 파괴가 일어날 당시 파괴의 범위를 결정짓는 중요한 요소가 됩니다.