암반 절취면에 분포하는 면과 선구조를 원격으로 측정하는 단순 장치를 소개한다. 지질구조의 배열은 구조면이나 선분상에 존재하는 3개 이상의 점에 대한 3차원 좌표를 이용하여 계산된다. 좌표들은 두 폐쇄회로 카메라의 영상에서 계산되며, 계산에 활용되는 변수들은 (1) 영상에서의 동일지점에 대한 좌표 (2) 카메라의 초점거리 (3) 두 카메라의 기선거리 이다. 영상측량을 위하여 영상 획득을 위한 장치와 Visual Baisc 언어와 GIS 콤퍼넌트를 이용한 전산 프로그램이 개발되었다. 개발된 방법을 이용한 측정결과 179cm의 거리에서 원격으로 측정된자료가 1cm 이하의 오차를 보이고 있다. 원격측정법을 이용하여 배재대학 교내의 암반 절취면에 분포하는 면구조를 측정한 결과 수작업으로 측정한 면의 배열방향과 허용 오차범위 이내에서 일치하는 결과를 보이고 있다.
본 연구에서는 도심지 분할 발파 시 인공적으로 분리되는 절취면에서의 변형을 확인하기 위해 Visual FEA 유한요소 프로그램으로 발파 단면을 모델링하여 기폭 패턴에 따른 최대주변형률을 분석하고, 절취면에서 시간 영역에 따른 최대주변형률을 비교하였다. 결과적으로, 기폭 패턴에 따라 암반 절취면에서 최대주변형률의 차이를 보였고, 분할 발파에서 기폭 시차가 중요한 변수로 작용하고 있음을 확인하였다.
암반사면의 설계, 사공, 유지보수를 위해서는 암반의 지질구조에 대한 정밀한 조사가 이뤄져야 하나 한정된 노출면에서 행하여지는 조사는 한계가 있으며, 물리탐사 등의 보조 조사 역시 충분한 정보를 획득 하는데는 한계가 있다. 이러한 문제를 보완하기 위한 조사방법으로 입체사진을 이용한 원격조사방법 (Surface Mapper)과 시추공 자료의 투영을 위한 S/W (Fracjection)를 개발하였다. 입체사진을 이용한 원격 조사가법은 사진측량의 원리를 응용하여 암반 절취면에 분포하는 절리, 단층, 엽리 등의 면구조를 3차원으로 측정하고 데이터베이스화 하는 것이며 시추공 자료의 투영기법은 BIPS, Televideo 혹은 DOM 시추 등을 이용하여 시추공내에서 측정된 면구조의 배열을 예상 절취면에 투영하는 기법이다. 이 기법들은 면구조의 3 차원 배열과 절취면의 위치를 실제 3 차원으로 분석할 수 있는 새로운 사면의 조사, 설계, 사공 및 유지관리의 방안을 제시하고 있다.
사면 절취 및 도심지 터파기 등 인공적으로 사면을 형성하는 경우 경제적이고 효율적인 공법으로 화약을 이용한 발파공법이 많이 사용되고 있다. 절취면 보호를 위해 대상 암반에 손상을 주지 않고 암반이 가지고 있는 자연적인 강도를 그대로 유지할 수 있도록 발파하는 것이 중요하며 사회적으로 문제 시 되는 발파공해를 고려하여 발파진동을 저감할 수 있는 공법이 필요하다. 본 연구에서는 평활한 절취면 형성을 위하여 도폭선에 폭약을 등간격으로 배치하고 장약의 방법과 전색의 방법을 달리하여 발파를 진행하였다. 4가지 패턴을 사용하여 총 60공에서 20회 발파를 실시하였으며 발파원으로부터 15~120m 거리에서 발파진동소음측정기를 사용하여 진동속도를 측정하여 310개의 데이터를 획득하였다. 측정된 진동속도 데이터를 분석하여 발파진동을 저감하고 효율적이고 경제적으로 절취면을 보호할 수 있는 방법을 연구해 보았다.
본 연구지역인 충북 보은군 보은읍 일대는 옥천변성대에 속하며, 도로공사구간 중 1:0.:리 구배로 절취한 암반사 면내의 일부구간에서 평면파괴가 발생하였다. 이 구간은 파괴면과 동일한 방향성을 갖는 불연속면에 의해 추가붕괴가 예상되는 등 불안정한 상태이다. 따라서, 본 사면에 대해 SMR, 평사투영법, 한계평형법으로 안전성을 해석하였다. 그러나, 이러한 방법으로 해석할 수 없는 절취에 따른 암반사면의 응력재분배 및 비선형적인 변위거동에 대해서는 UDEC 을 이용하여 수치해석하고, 보강공법을 적용하여 안정성을 해석해 보았다.
절취암의 물량산정과 사석의 절취 효율성을 판단하기 위한 목적으로 욕망산 인근지역의 지반조사를 실시하였다. 조사지역은 경상분지 동남부의 지질구조를 지배하는 양산단층대의 말단에 위치하여 안산암질암, 유문암질암 등의 화산암류와 이를 관입하고 있는 화강암으로 구성되어 있으며, 북북동-남남서 방향의 우수향 주향이동단층에 의해 규제되고 있다. 단층들은 분포된 절리의 간격과 빈도수 그리고 절리면 압축강도에 직접적인 영향을 끼치고 있다. 절리빈도는 단층면 인접지역에서 최대치를 나타내고 단층에서 멀어짐에 따라 감소된다. 지질조사를 기초로하여 구조도를 작성하고 이를 활용한 채취물량의 산정 결과 현장의 공사에 필요한 암편의 최소 크기를 고려할 때 채취 물량은 암반(기반암)체적의 61%인 4,018,000m$^3$이며, 표토와 풍화암이 포함된 욕망산 체적의 48%에 해당된다.
본 연구는 절리가 발달한 고속도로 절취 사면들의 안정성을 검토하기 위하여 수행되었다. 물성시험을 바탕으로 한 지질 강도지수(GSI)를 이용하여 절리가 발달한 암반에 대한 최적의 물성을 구하는 과정을 제시하였다. 안정성 검토를 위해 FLAC에 의한 수치해석을 실시하였으며 이 때 사용한 모델은 절리 발달 상태가 균일하게 분포하였으므로 Ubiquitous Joint Model을 선정하였다. 해석은 건기와 우기의 경우로 나누어 실시하였는데 조건에 따라 절리면의 강도를 달리 적용하였다. 본 논문은 굴착 사면에서 쉽게 접할 수 있는 절리암반 환경에서 최적의 물성을 결정하고 이를 이용하여 안정성을 분석할 패 하나의 참고자료로 활용할 수 있을 것이다.
연구대상 사면은 충북 보은군 보은읍 도로공사구간 내의 절취사면으로 절취시공 후 암반사면내의 일부 구간에서 평면파괴로 인한 사면 붕괴가 발생하였다. 이 구간에서는 파괴면과 유사한 방향성을 갖는 불연속면이 암반사면 내에 다수 분포하여 추가 붕괴가 예상되는 불안정한 상태이다. 따라서, 본 사면에 대하여 암반사면의 안정성 해석에 보편적으로 사용되는 SMR, 평사투영법, 한계평형법 및 수치해석 등의 기법을 이용하여 사면의 안정성을 해석하였다. 사면의 안정성평가에 보편적으로 사용되는 한계평형법은 간단한 계산에 의해 사면의 안정성을 평가할 수 있는 장점이 있으나 파괴 활동면을 가정할 수 없는 단일 안전율에 의해 전체 사면의 안정성을 평가하는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 개별절리를 고려하여 사면의 안정성을 평가하는 전단강도 감소기법으로부터 안전율을 계산하였으며, 이를 한계평형해석의 결과와 비교ㆍ분석하였다. 또한 본 사면내에 지하수 영향을 고려하고 보강공법을 적용하여 종합적인 안정성을 검토하였다.
암반사면의 붕괴형태는 원호, 평면, 쐐기 또는 전도파괴로 구분하며, 각각의 붕괴는 역학적인 안정조건을 벗어날 경우 붕괴가 발생하는 것으로 평가한다. 특히, 암반사면 평면파괴는 절리면의 방향성에 대하여 일반적으로 '활동가능성이 있는 면의 주향과 절취사면의 주향의 차이가 약 20$^{\circ}$ 이상일 경우에는 발생하지 않는 것으로 알려져 있고 설계되고 있다. 그러나, 이러한 안정조건을 만족한 경우라도 사면의 붕괴가 빈번히 발생하고 있는 실정이다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 안정된 사면조건에도 불구하고 현장 지형여건상 붕괴가 발생한 사례를 중심으로 국내 암반사면의 평면파괴조건을 제시하였다.
복잡한 지층 및 지질구조 특성을 보이는 대규모 절취사면의 경우 설계 시의 조사 및 시험의 한계성 등으로 인하여 지반특성파악 및 설계정수의 산정이 어려워 시공 중 사면활동이 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 경우 시공 중 절취상태에서 지반특성에 부합된 최적의 조사 및 분석 과정을 통하여 합리적인 대책방안을 강구해야 한다. 본 연구에서는 변성퇴적암류로 구성된 현존 국내 최대 규모의 대절토사면 (연장520 m, 최대절취고 약 122 m, 최대법면길이 약 212 m)을 대상으로, 활동이력분석과 시공 중 지반조사를 통하여 사면의 붕괴원인분석에 관한 시공사례연구를 실시하였다. 원설계 시 대상사면의 경사는 발파암 기준 1:0.7을 적용하여 일부 시공하였으나 절취과정에서 지질요인, 강우 등 안정성을 저해하는 제반 요인에 의하여 다수의 지반활동이 발생하였으며, 계속적인 지반활동으로 인하여 대규모 산사태가 예상되는 매우 위험한 지반상태를 나타내고 있어. 이에 총 3차의 설계변경을 통해 사면의 장기 안정성을 확보하였다. 이러한 사례연구를 통하여, 본 지반조건과 유사한 지질 및 불연속면 특성을 나타내는 암반사면에 대한 안정성 분석, 평가 및 대책방안 수립을 위한 참고 자료가 되기를 기대한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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