암반 불연속면

왜 배우는가: 암반 불연속면은 암반의 강도·변형과 사면·터널·기초의 안정성을 지배하는 요소이므로 실무 설계와 시공 판단의 출발점이다. 시험에서는 정의, 종류, 토목공사 영향을 묻는 문항으로 여러 회차에 반복 출제되었다.

출제 이력: 제130회 1교시 11번, 제125회 3교시 3번, 제115회 1교시 8번, 제102회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

불연속면은 암반 내에 존재하는 인장강도가 작거나 전혀 없는 연약면의 총칭으로, 암반의 강도·변형·이방성을 지배한다.

핵심 키워드

• 불연속면(Discontinuity): 암반 내 인장강도가 작거나 없는 연약면
• 절리(Joint): 암석 내 파단면으로 분리 변위가 거의 없는 면
• 층리(Bedding plane): 퇴적암에서 서로 다른 퇴적층을 구분하는 면
• 편리·엽리(Foliation): 변성암에서 광물이 정렬된 면
• 단층(Fault)·파쇄대(Fracture zone): 큰 규모의 변위와 파쇄를 수반하는 면
• 주향·경사(Strike·Dip): 불연속면의 기하 방향을 나타내는 값
• 간극·충전물(Aperture·Infilling): 면 사이의 벌어짐과 채워진 물질

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 암반 속에 있는 약한 틈과 면이다. 흙과 달리 암반은 이런 틈이 무수히 발달해 있어서, 암반 전체의 거동이 틈의 방향과 상태에 따라 결정된다.

정식으로는 암반에 존재하는 모든 연약면을 총괄해 부르는 말이다. 1960년대 후반부터 Fookes와 Parrish 등이 이 용어를 쓰기 시작했다. 크기는 작은 열극(fissure)에서 큰 단층(fault)까지 다양하다. 대부분의 불연속면은 분리면이며 인장강도가 매우 작거나 없다. 그래서 불연속면에서는 응력이 거의 전달되지 않고, 전단저항은 마찰과 점착에 의존한다.

불연속면은 암석이 구조적으로 끊어진 경계면이다. 불연속면이 있으면 암반은 연속체가 아니라 블록의 집합으로 거동한다.

주향과 경사는 불연속면의 공간 방향을 나타낸다. 주향은 수평면과 면이 만나는 선의 방위이고, 경사는 그 면이 수평면과 이루는 각이다. 두 값으로 면의 3차원 자세가 정해진다.

절리는 응력 이완, 냉각 수축, 침식 등으로 생기는 면이다. 전단 변위가 없거나 작아서 대개 인장 파괴면이다. 반대로 단층은 큰 상대 변위가 있는 면이고, 주변에 파쇄된 물질을 동반하는 파쇄대가 발달한다.

암반의 거동은 불연속면의 방향, 간격, 연속성, 거칠기, 간극, 충전물, 투수성, 암괴의 크기와 모양에 따라 달라진다. 이 요소들이 암반 공학에서 불연속면을 기술하는 기본 항목이다.

3. 등장 배경과 필요성

암반은 토질과 달리 구조적 결함이 크기와 방향에 따라 달라진다. 흙은 입자 집합으로 보고 연속체로 해석하지만, 암반은 불연속면이 강도를 좌우하므로 연속체 가정만으로는 안정성을 판단할 수 없다. 그래서 불연속면을 별도로 조사하고 기술하는 체계가 필요해졌다.

사면 붕괴, 터널 붕락, 기초의 활동 사고는 대부분 특정 방향의 불연속면이 원인이었다. 따라서 설계 단계에서 불연속면의 방향과 특성을 파악하지 않으면 사고를 예측하기 어렵다. 이 때문에 불연속면의 기재 항목을 표준화하는 작업이 이루어졌다.

Piteau(1970, 1973)는 설계에 가장 큰 영향을 주는 불연속면의 성질로 방향성, 크기, 빈도, 표면의 기하학적 성질, 생성 기원, 충전물을 꼽았다. ISRM은 1975년 이런 요소들의 기재 사항을 제안하였다. 이 기재 체계는 지금도 암반 조사와 분류의 기초가 된다.

또한 불연속면은 시공 중 변위와 누수의 통로가 된다. 터널 굴착 시 불연속면을 따라 블록이 이완되고, 용수가 집중되어 지반 강도를 떨어뜨린다. 그러므로 공사 초기에 불연속면을 파악해 지보 설계에 반영하는 것이 필요하다.