실내 시험을 이용한 단층 주변 암석의 풍화에 따른 지질공학적 특성 분석

Abstract

단층 파쇄대의 암석들은 외부의 힘에 의해 파쇄되고, 이차적으로 풍화 작용 및 변질에 의해 강도가 저하된다. 풍화에 의한 광물의 변질은 점토 광물을 생성하고, 암반의 안정성 저하에 큰 역할을 한다. 점토 광물은 모암에 포함된 광물의 종류 및 주변 환경의 조건에 따라 풍화에 의해 생성되는 종류가 달라지고, 암석의 강도에 미치는 영향 또한 달라지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 각기 다른 16개 지역의 단층 주변에서 시료를 채취하여 암석에 포함된 점토 광물의 종류 및 생성 원인을 유추하고 암석의 강도 변화에 영향을 미치는 풍화 양상을 파악하고자 하였다.

시료는 중국 산서성 양문관 주변의 단층 5개 지역, 강원도 삼척 가곡광산내 단층 5개 지역, 경주, 청송(포항), 삼척, 울진, 외산 도로변 암석 노두의 단층 6개 지역에서 채취하였다. 중국 산서성 양문관 주변의 암석은 시생대에 생성되어 오랜시간에 걸쳐 이미 풍화가 많이 진행된 상태이다. 이에 반해 삼척 가곡광산내 암석은 채굴이 시작된지 100년이 채 되지 않아 상대적으로 풍화가 많이 진행되지 않았고, 경주, 청송(포항), 삼척, 울진, 외산의 암석은 외부에 노출되었으나 도로 건설 후 50년이 채 되지 않아 풍화 정도가 심하지 않다.

각 단층에서 단층면에 위치한 암석, 단층 파쇄대에서 떨어진 비교적 신선한 암석, 단층면 사이에 충전된 단층점토를 채취하고 실내 시험을 수행하여 각 시료별 물성 및 구성 광물의 종류와 양을 측정하였다. 단층면 시료와 비교적 신선한 암석의 시료는 점하중 시험 및 슬레이크 내구성 지수 시험을 통해 풍화 정도에 따른 강도 변화를 확인하였다. X선 회절 분석 및 편광 현미경 분석을 수행하여 각 시료별 구성 광물의 종류 및 질량비를 파악하였다. 슬레이크 내구성 시험 후 드럼을 통과한 침전물을 수집하고 X선 회절 분석을 수행하여 시료가 포함하고 있는 점토 광물에 의한 슬레이킹 현상의 양상을 분석하였다. 실내 시험 결과, 단층면의 암석 시료가 비교적 신선한 암석 시료에 비해 풍화가 많이 진행되었고, 풍화 산물인 점토 광물을 상대적으로 많이 포함한 것으로 나타났다. 그에 따라 단층면 시료의 점하중 강도 및 슬레이크 내구성 지수는 비교적 신선한 암석 시료에 비해 낮은 값을 보였다. 단층점토에는 단층면에서 유출되어 충전된 광물입자와 점토 광물이 충전되었다. 점토 광물은 주로 염기성 광물이 변질된 녹니석과 장석이 변질된 몬모릴로나이트가 발견되었다. 팽창성 점토인 몬모릴로나이트가 시료에 포함되어 있을 경우 낮은 슬레이크 내구성 지수를 보였다. 녹니석은 염기성 광물의 풍화에 의해 생성되기도 하지만, 열수변질 및 변성작용에 의해 생성된 경우 암석의 강도 변화에는 큰 영향을 미치지는 않았다. 단층면에 물이 흐르는 경우 슬레이킹 현상이 활발히 일어나 녹니석, 방해석 등이 유출되고, 광물 입자간의 결합력이 떨어져 강도가 저하된다.

국내 단층 파쇄대에서 채취한 시료는 중국에서 채취한 시료에 비해 상대적으로 지질 연대가 늦고, 노두에 드러난 기간이 오래되지 않은 시료로 풍화 정도가 심하지 않다. 따라서 암석의 풍화로 인해 생성된 점토 광물이 많지 않고, 단층 생성시 압력에 의해 암석이 파쇄된 물리적 풍화가 화학적 풍화에 비해 우세하다. 생성된 점토는 팽창성 점토가 아닌 변질에 의한 녹니석이 풍부하고, 팽창성 점토인 몬모릴로나이트는 많지 않아, 슬레이킹 현상으로 인한 암석 입자 탈락이 활발하지 않았다.

본 연구에서 얻은 결과는 추후 건설활동시 발견될 단층 주변의 기반암의 종류와 풍화 정도에 따라 적절한 보강 공법을 택하는데 참고자료가 될 것으로 기대한다.

A fault is a geological discontinuity in the earths crust resulting from the displacement of one side with respect to the other through force. Fault zone shows weak physical properties with crushed rocks. Not only crushed rocks but also clay minerals, particularly derived from the weathering of bedrock or existing inner rocks, are created, which is a major issue for underground construction when combined with water. Depending on the bedrock type, different group of clay minerals are generated, such as kaolinite-group, smectite-group, and chlorite-group, etc.. Among clay mineral groups, because smectite-group has potential to be expanded by combining with water, investigations of clay minerals inside rocks are essential to improve stability during construction. To estimate contents and type of clay minerals accurately, accrording to rock type, weathering process of bedrocks should be understood.

In this study, 16 faults were selected for laboratory test. Three types of samples were collected from a fault gouge located between fault planes, from the fault planes, and from relatively fresh rocks located 1 ∼ 2m away from the fault planes. Point load test and slake durability test were carried out to measure physical properties and to estimate the durability of rock against the slaking phenomenon, which is commonly observed in rocks with clay due to repeat drying and wetting. Then, X-ray diffraction analysis and thin section analysis were examined to classify the clay minerals in collected samples. The materials passing from the drum, precipitated after slake durability test, was gained and analyzed by using x-ray diffraction analysis to infer the tendency of slaking phenomenon.

As a result, samples from fault plane weathered more than relatively fresh rock sampls, so that fault plane samples showed lower values of point load index (PDI) and slake durability index (SDI) and contained more clay minerals due to weathering. Chlorite and montmorillonite were mainly contained, and montmorillonite, expandable clay, caused lower value of SDI. Because some chlorite was produced by hydrothermal alteration and metamorphosis, it had no effect on slake durability. If water flows on the fault planes, rock strength showed lower value due to slaking phenomenon. Chemical weathering, alteration as a result of weathering, in Samples from falut zone in Korea, was slightly occurred, and physical weathering is predominant.

As fault is discovered while construction, the results of this study can be useful to choose an appropriate reinforce method.