1. 암반의 기질공학적 접근법
암반에 대한 지질공학적 접근으로는 불연속면의 분포와 특성에 재한 자료 외에도 암석의 공학적 특성이 포함됩니다.
암석의 공학적 특성은 구성광물의물리적 성직과 광물입자들 사이의 결합상태에 따라 크게 좌우됩니다. 따라서 암석의 공학적 접근에 포함할 사항들로는 암석명(lithology), 광물조성, 색깔, 암석조직, 풍화나 변질의 정도, 기타 암석학적 특징 등을 들 수 있습니다.
이 외에도 비중, 공극률, 경도, 투수계수, 탄성파 속도, 그리고 강도와 탄성계수 등의 공학적 특성들이 포함되어야 합니다. 특히 셰일과 같은 점토질 암석의 경우에는 팽창 특성이나 slakeduradlity 등이 유용한 자료로 사용됩니다.
암석의 투수계수는 일반적으로 무시할 수 있을 정도로 작지만, 불연속면들을 통해 급격히 증가할 수 있으며, 불연속면의 틈새나 층진 물질에 따라 영향을 받습니다.
암반의탄성파 속도는 암석의 광물조성이나 비중, 공극률, 탄성계수, 그리고 파쇄대의 분포에 따라 좌우됩니다. 신선한 화성암의 탄성파의 속도는 5,000m/sec 이상이며 변성암의 경우에는 3,500m/s 이상의 값을 나타냅니다. 퇴적압은 암종에 따라 큰 차이를 보이는데, 대략1,500~4,500m/s까지의 범위를 나타냅니다. 압밀이나 고결작용이 덜 진행된 표토즟의 경우는 이보다 훨씬 낮은 탄성파 속도를 나타냅니다.
2. 암반의 분류
무결암의 강도, 굴착방향에 대한 불연속면의 방향이나 간격, 또는 불연속면의 전단강도등은 터널이나 지하공동의 굴착과관련된 암반의 안정성에 영향을 미치는 요소들입니다. 암반분류(rockmass claddficaton)는 암반을 정량적인 기준에 따라 분류함으로써 암반의 공학적 특성을 예측하고, 시공방법이나 보강작업의 범위 등을 결정하기 위한 것입니다.
현재 널리 적용되는 암반 분류법으로는 Bieniawski에 따른 BMR 분류법, Barton등이 제시한 Q-system을 들 수 있습니다.
암반분류의 목적은 암반의 지질공학적 변수들을 고려하여 공학적 특성을 에측하기 위한 것으로써, 주로 터널이나 지하 공간의 굴착과 관련되어 이루어집니다. 분류 결과에 따라 지보(support)없이 굴착 작업을 진행할 수 있는 기간의 예측이나, 지보(굴 따위를 팔 때 무너져 내리지 아니하도록 받들어 버팀. 또는 그런 구조물)의 방법과 범위의 선정이 가능합니다.
암반분류의 개념을 처음으로 도입한 사람은 Terzaghi(1946)로서 풍화정도와 불연속면의 간격, 충진 물질의 종류에 중점을 두어 암반을 분류하였습니다. 그러나 암석의 물성이 고려되지 않았으므로 물성이 전혀 다른 암반이 같은 등급으로 분류될 수도 있는 단점이 있습니다. 이후에 제시된 대부분의 암반 분류법은 이를 확장시킨 것으로, Wickham(1972) 등, Bieniawski(1973~4, 1976) 그리고 Barton(1975) 등은 암석의 물성과 불연속면의 특성에 중점을두어 분류하였습니다.
1) RSR(rock structure rating) 분류
Wickham(1972) 등은 터널의 굴착에 필요한 지반의 보강과 관련하여 암반 구조의 영향에 중점을 둔 RSR 분류법을 제시하였습니다. RSR 분류법에서는 지질학적인 요인들과 연관된 세 개이 변수들이 지반의 보강에 미치는 상대적인 영향들을 평가합니다.
"변수 1"은 암석의 종류 및 지질구조에 대한 등급이며, "변수 2"는 절리의 방향과 터널의 굴진방향 사이의 관계와 절리면의 간격에 대한 등급을 나타냅니다. "변수 3"은 지하수의흐름과 불연속면의 상태, 즉 풍화의 정도나 불연속면 틈새의 영향을 고려합니다. RSR 분류법에 의한 암반 등급은 각 변수들의 점수를 합한 값이며, 암반의 종류에 따라 25~100 사이의 값을 갖습니다. 등급이 "77점 이상"인 경우에는 별도의 보강작업을 생략할 수 있습니다.
2) RMR(rock mass rating, 또는 geomechanics classfication) 분류법
RMR분류법을 1972년 Bieniawski에 따라 제시된 이후 여러 차례의 수정과 보완 과정을 거치면서 현재응 터널이나 지하 공간, 암잔 사면 및 암반 기조의 설계에 널리 적용되고 있는 암반 분류법입니다. 이분류법에서는 암석의 일축압축강도와 암질지수(RQD), 불연속면의 특성 및 지하수의 영향을 정량적으로 평가한 후, 각 항목의 점수들을 합산하여 암반의 등급을 결정하고 이들의 평균피를 전체 암반의 등급으로 사용합니다.
암석의 일축압축강도는 연암(weakrock)이나 또는 불연속면의 간격이 큰 경암의 경우에는 암반의 공학적 특성을 결정하는 요인으로 작용합니다. 암석의 일축압축강도는 실내 시험에 의하여 구하는 것이 보통이나, 현장에서의 점하중재하시험으로 대체할 수도 있습니다. 암질지수는 1m 구간의 시추 코어에서 길이가 10cm 이상인 코어들의 길이의 합을 백분율로 나타낸 것입니다.
불연속면의 특성은 불연속면의 간격과 상태에 따른 점수로 나타납니다. 불연속면의 상태는 틈새가 좁고충빈 물질이 없으며 표면 거칠기가 큰 불연속면일수록 전당강도가 큽니다. 반면에 틈새가 넓고 연속성이 큰 불연속면의 경우는 지하수 및 지표수의 흐름에 따라 전단강도가 크게 저하됩니다.
3) Q-System(rock mass quality)
Q-System은 1975년 Barton 등이 제시했으며 암질지수와 절리군의 특성 및 응력 저감계수 등을 평가하는 정량적인 분류체계로서 터널 지보 설계가 가능한 공학적 분류 시스템입니다.
RQD, 불연속면군(joint Set)수, 불연속면 거칠기, 불연속면 변화 정도, 지하수에 의한 감소계수, 응력감소계수 등을 반영하여 암반을 분류하는 방법입니다.