불연속면

왜 배우는가: 암반 구조물의 안정성은 불연속면의 방향, 간격, 강도 특성에 의해 좌우되므로 불연속면을 정확히 기재하고 해석에 반영하는 능력은 실무의 기본이다. 시험에서는 불연속면의 종류와 방향이 터널과 사면에 미치는 영향을 묻는 문제가 반복해서 출제되는 주제이다.

출제 이력: 제135회 3교시 3번, 제129회 4교시 5번, 제128회 4교시 3번, 제126회 3교시 2번, 제104회 2교시 1번, 제95회 2교시 2번, 제92회 1교시 1번, 제87회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

불연속면은 암반 내에 존재하는 인장강도가 작거나 전혀 없는 역학적 결함을 총칭하는 말이다.

불연속면은 암반에서 나타나는 모든 연약한 면을 통틀어 이르는 용어이다. 불연속면의 크기는 작은 열극(fissure)에서 큰 단층(fault)까지 다양하며, 암반의 거동은 이러한 불연속면의 발달 특성에 따라 결정된다. 토질과 달리 암반의 거동은 불연속면의 존재와 특성을 먼저 파악해야 설명된다. 따라서 암반 공사의 안정성을 검토할 때 불연속면은 핵심 대상이다. 불연속면의 두 유형은 상대 변위의 유무로 구분되며, 이 차이는 해석과 보강 방법을 나누는 기준이 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 불연속면: 인장강도가 작거나 없는 암반 내 연약면의 총칭
• 절리: 상대 변위가 발생하지 않은 불연속면
• 단층: 파괴가 일어난 두 암괴 사이에 상대 변위가 있는 불연속면
• 열극: 규모가 작은 불연속면
• 태생적 불연속면: 암석 생성 과정의 내적 힘으로 형성된 불연속면
• 후천적 불연속면: 암석 생성 후 지각변동 등 외적 힘으로 형성된 불연속면
• 블록성 암반: 두 개의 주 절리군이 교차하여 암괴를 이루는 암반

2. 개념 풀이

정식 정의로 쓰면, 불연속면은 암반 내에 발달한 면 가운데 인장강도가 작거나 전혀 없어 역학적으로 연약한 면이다. 공학적으로는 이 면의 방향, 강도, 연속성이 암반의 변형과 파괴를 좌우하는 요소로 취급된다. 불연속면은 생성 원인과 상대 변위의 유무에 따라 분류되며, 그 분류가 해석의 출발점이 된다.

원리를 보면 암반의 거동은 불연속면의 방향, 간격, 연속성, 간극, 충전물, 투수성, 강도, 암괴의 크기와 모양에 따라 영향을 받는다. 암반 사면의 강도 저하 요소인 수압, 풍화, 불연속면의 존재 가운데 가장 중요한 것은 불연속면의 존재이다. 불연속면은 종류가 다양하고 정확히 측정하기 어려워 안정 해석에 어려움을 준다.

단층과 절리는 상대 변위의 유무로 구분한다. 절리는 응력에 의해 형성된 균열이지만 면을 따른 상대 변위가 발생하지 않은 것이다. 단층은 같은 응력 원인으로 형성되나 두 암괴 사이에 상대 변위가 생긴 것이다. 단층군과 절리군은 균열을 일으킨 응력의 방향을 나타내는 중요한 요소가 될 수 있다.

단층면은 취성 재료가 압축을 받을 때 힘이 작용한 방향에 대해 경사진 전단면을 따라 파괴가 일어나 형성된다. 이론적으로 최대 전단응력은 최대 주응력 방향에 대해 45° 기울어진 면에서 생기지만, 파괴 순간에 마찰각이 작용하므로 실제 단층면은 최대 주응력 방향에 대해 45° 이하로 기울어진 경우가 일반적이다. 단층면의 방향은 주향과 경사로 표시한다.

경사진 단층의 위쪽에 있는 암반을 상반(hanging wall)이라 하고, 아래쪽에 있는 암반을 하반(foot wall)이라 한다. 단층 양쪽 암반의 변위는 직교하는 세 축을 기준으로 여러 성분으로 나누어 표시한다.

• 낙차: 수직 변위를 말하며, 단층의 규모를 간단히 나타내는 데 사용된다.
• 주향이동: 단층면의 주향 방향으로 측정되는 변위이다.
• 실이동: 단층면을 따라 일어난 총 변위이다.

3. 등장 배경과 필요성

불연속면은 생성 원인에 따라 두 종류로 나뉜다. 태생적 불연속면은 암석 생성 과정의 내적 힘으로 형성되고, 후천적 불연속면은 암석 생성 후 지각변동 같은 외적 힘으로 생긴다. 후천적 불연속면은 역학적인 파괴면이어서 강도가 약한 경우가 많다. 따라서 불연속면의 생성은 암석의 종류와 그 암석이 위치한 지역의 과거 응력과 밀접하게 관계된다.

필요성은 토사층과 비교할 때 분명해진다. 토층 사면은 구성 토질과 조성 상태를 파악하는 것이 중요하지만, 암반 사면은 붕괴에 영향을 미칠 우세한 지질구조와 분포한 많은 불연속면을 평가해야 한다. 암반 해석에 필요한 지반정수도 불연속면의 풍화 상태, 거칠기, 충전물 유무, 불연속면 강도 등에 따라 좌우되어 대표값을 정하기 쉽지 않다.