1. 석재와 골재
1) 석재
석재는 건설공사나 건축공사 시 재료로 사용되는 암석을 의미합니다. 석재는 일정한 강도가 요구되며, 미세균열이나 파괴면이 적게 포함되어야 하므로 이에 대한 시험규격을 국가별로 정해 두고 사용하고 있습니다.
한국에서는 KS 규격에 따라 석재의 품질시험을 정해 두고 있습니다.
규격 석재(dimension stone)는 건축물에 사용되거나 내외장용 미관을 위해 사용되는 것을 포함합니다. 이에 비해 방호용 석재는 바다나 호수 등에서 파도의 영행을 줄이기 위한 것으로 잡석을 사용합니다.
이러한 방파제용 잡석은 파도의 힘을 견디기 위해 무게가 우선적으로 중요하며, 대개 1~10톤 정도가 사용되나 파도가 심한 지역의 경우 20톤짜리 잡석이 사용되기도 합니다. 파도의 힘에 대항하여 잡석끼리 서로 얽힐 수 있도록 하기 위해서는 잡석의 모양도 중요한 경우다 있습니다.
2) 골재
골재는 건설공사 시 사용되는 자갈, 모래 등을 의미하는 것으로 석재와 마찬가지로 시험규격를 국가별로 정해 두고 사용하고 있습니다.
콘크리트의 사용이 늘어나면서 알칼리 골재 반응의 문제가 보고되고 있습니다(콘크리트 부피의 75% 정도를 골재가 차지). 알칼리 골재 반응은 콘크리트 속의 Na2O, K2O에 따라 K+, Na+이 수분이 있는 상태에서 암석 속의 반응성 실리카아 결합하여 알카리 규산염 겔 등을 생성합니다.
겔은 주변의 물을 흡수하여 팽창하기 때문에 결국 균열을 만들게 되고 콘크리트의 품질을 떨어뜨리게 됩니다. 예를 들어 저알카리 시멘트(Na2O, K2O 0.6% 이하)를 사용하지 않는 한, 단백석(opal) 0.25%(질량비)이상, 옥수(chalcedony) 5%(질량비) 이상이면 반응이 일어날 수 있습니다. 보다 정확하게는 골재의 반응시험을 통해 알칼리 골재반응에 대한 품질을 결정하게 됩니다.
3) 석조 문화재 보존
석재가 사용되는 건축물 중 과거부터 보존되어 온 석조 문화재는 현재의 공학적 안정성, 장기적인 풍화 내구성 들을 고려하여 보존대책을 강구할 필요가 있습니다. 화학적 풍화로인한 변색, 지반진동(발파진동, 지하철 진동 등)으로 인한 구조적 불안정성, 절리발달로 인한 사면 불안정성, 식물에 따른 영향등 다양한 문제들이 존재하고 있습니다.
국내의 경우 사계절이 뚜렷하기 때문에 12~3월에 걸쳐 동결-융해 작용에 따른 암석의 박리되고 이탈하는 물리적 풍화 현상이 발생합니다. 수분의 경우 암석의 외부 공극을 통해 내부로 침투하고, 지표면과 접촉된 암석은 암석의 내부 공극을 통해 침투합니다. 풍화가 진행된 암석의 강도 향상을 위해서는 경화처리뿐만 아니라, 강도가 향상된 암석의 수분에 대한 영향을 극소화 시키기 위해 방수처리를 같이 수행해야 하는 경우도 있습니다.
2. 산사태와 지반침하
1) 산사태
산사태는 지구 표면에 있는 암석, 흙 등의 물질 덩어리들이 중력을 통해 움직이는 것을 가리키는 것으로 강에서와 같은 물의 흐름에 따라 덩어리가 운반되는 하성작용과는 구분됩니다. 산사태는 자연적으로 발생하기도 하고 건설공사나 자원개발과 같이 발생하는 경우도 있는데 재산피해, 인명피해를 가져올 때가 있습니다.
① 산사태의 분류
기하학적인 형태에 따른 분류는 붕락 되는 사면의 모양에 따라 나누는 방법입니다.
암석으로 이루어진 사면에서는 주로 층상 절리면을 따라 이루어지는 평면파괴(plane failure), 두 개의 절리면이 만나 이루어지는 쐐기형 파괴(wedge failure) 등이 있습니다.
이들은 암반사면에만 국한된 것은 아니며, 단단한 덩어리가 죈 흙 사면에서도 유사한 형태가 나타납니다.
수분함량에 따라서 특히 흙의 공학적 거동이 변하므로 수분함량을 기준으로 산사태를 분류할 수 있습니다. 수분함량이 높은 경우 흙은 부유 상태로 하나의 덩어리고 흘러내리며, 수분함량이 낮을수록 미끄러짐 운동의 형태로 발생됩니다.
공극수압에 따른 분류는 흙의 배수조건을 기준으로 합니다. 기초공사 때의 경우처럼 비 배수 상태 조건에서 투수율이 낮은 점토에 대한 채굴 작업을 할 때 단기적인 산사태가 발생되고, 부분적 배수가 행해진 곳을 약간 더 시간을 두고 산사태가 발생됩니다. 완전배수 상태에서 상대적으로 장기화된 산사태가 발생합니다.
흙 사면의 경우 흙의 강도 특성과 관련하여 2가지로 구분합니다. '최초 산사태'는 과거에 단 한 번도 전단작용을 받지 않은 흙이 최대 강도치에 이르는 전단응력을 받을 때 일어납니다. '재활동 산사태'는 이전에 산사태가 일어난 면이나 과거의 지각활동과 더불어 생긴 면이 잔류 강도치에 이르는 전단응력을 받을 때 일어납니다.
② 산사태의 진행과정
자연 산사태는 산이나 언덕에서 경사를 이루는 면이 존재하고 이 면이 불안정한 상태가 되어 발생하는 경우를 가리킵니다. 우리나라의 경우 여름철 집중호우로 자연 산사태가 발생하는 경우가 빈번합니다. 또한 절취면에서의 산사태는 아파트, 빌딩 등의 건축부지 확보나 도로 주변부 절개 시 인공 절취사면이 불안정하게 형성되어 발생하기도 합니다.
암석이나 흙은 무너지지 않은 상태로 자립할 수 있는 경사각을 가집니다. 점토로 이루어진 흙 사면은 경사각이 10°이상이면 불안정해집니다. 강도가 절리면의 발달이 적은 암반의 경우 보통 높이 100m 정도의 수직사면으로 존재하기도 합니다. 암반 내에 절리면, 층리면, 단층면 등의 불연속면이 존재할 경우 사면은 더 불안정해질 수 있습니다.
심하게 파쇄된 암반이나 좁은 간격의 층리가 발달한 경우 20~40° 정도까니만 사면을 안정하게 유지할 수 있습니다. 만약 절리면에 점토가 층전되어 있으면 안정한 경사각은 20 이하로 줄어듭니다. 즉, 산사태는 지질학적인 요소에 따라 안정성이 크게 좌우되는 것을 알 수 있습니다.
불안정한 상태에 있는 사면은 몇몇 요인들로 인해 산사태가 일어납니다. 가장 대표적인 단일 촉발 요인으로는 지표면 아래로 흐르고 있는 지하수를 들 수 있습니다. 강우나 눈이 녹은 물로 인해 사면 하부의 지하수면이 상승하거나 수압자체가 상승할 경우 수분흡수로 인한 흙이나 암석의 자중 증가, 유효응력의 감소로 인한 전단력 감소, 암반 절리면의 수압과 흙의 공극압의 변화 들에 영향을 끼치면서 사면의 불안정을 야기합니다.
지하수가 촉발 원인을 제공하는 산사태 지역의 경우 배수를 조절하면 효과적으로 사면을 안정시킬 수 있습니다. 암석이나 흙 속으로 물이 침투할 경우 장지적으로는 풍화작용을 활발하게 만들어 불안정한 요인이 되기도 합니다.