The Journal of Engineering Geology ISSN:1226-5268(Print) 2287-7169(Online) 지질공학

본 연구는 무등산 국립공원 주상절리대의 장기적 안정성을 평가하기 위하여 무등산 국립공원 기후 조건을 고려한 인공풍화 시험을 실시해 무등산 응회암의 물성 변화를 분석하였다. 이를 위하여 약 20년간의 무등산 국립공원 기후를 조사하였고, 이를 기반으로 동결융해 온도 조건을 -20~30°C로 설정하였다. 인공풍화에 따른 물성 변화는 탄성파 속도를 측정하여 분석하였고, 동결융해 40회 반복마다 측정하였다. 무등산 응회암의 생성기원과 균열 분포 등을 고려하여 탄성파 속도는 시료 축방향의 면과 방사방향을 일정 간격으로 구분하여 생성된 교차점 24곳에 대해 측정하였다. 초기 암석의 축방향 탄성파 속도는 5,187~5,367 m/s, 방사방향 속도의 경우 4,001~5,290 m/s로 나타났다. 동결융해 200회 반복 시험 결과 축방향 탄성파 속도는 MT-1는 5.53%, MT-2는 4.89%, MT-3은 5.36% 감소하였고, 방사방향 탄성파 속도의 경우 MT-1은 20.00%, MT-2는 17.02%, MT-3은 19.84% 감소하였다. 동결융해 반복에 따른 무등산 응회암의 탄성파 속도 감소율은 탄성파 속도가 느릴수록 크게 나타났다. 축방향 속도는 동결융해 120회 반복 이후 풍화의 가속화가 발생하였고, 방사방향의 경우에는 동결융해 시험 시작과 동시에 풍화가 활발히 진행된 것으로 판단된다. 결과를 종합하면 탄성파 속도가 느리면 인공풍화에 의한 탄성파 속도 감소량이 크게 나타나 풍화에 취약한 것으로 사료 된다. 이를 통하여 무등산 응회암과 주상절리는 생성 기원 등으로 인한 이방성이 뚜렷한 것으로 판단되고 무등산 국립공원 주상절리대 현장 조사 및 안정성 평가 시 이를 면밀히 조사해야 할 것으로 판단된다.

광산에 의한 지반침하 발생여부 및 규모를 예측하기 위해 국내의 지반침하 사례를 대상으로 침하평가 방법들을 적용하고 그 결과를 비교 ‧ 분석하였다. 비교적 예측이 쉽고, 정확성이 검증된 연속형(트러프형) 침하는 분석 대상에서 제외하였으며, 불연속형(함몰형) 침하 사례 36건을 대상으로 침하지 위치, 폭, 깊이, 지층분포, 채굴적의 폭, 깊이, 경사, 심도 등의 정보를 획득하여 응력아치-체적팽창법, 한계평형법, 수치해석법, 확률론적 해석법, 한국광해광업공단 개발 해석법을 적용하였다. 평가 결과, 정확도가 약 92%로 응력아치-체적팽창법이 가장 정확도가 높게 나타났으며, 한국광해광업공단 개발 해석법의 경우 회귀모형이 86.1%로 높은 편에 속하나 응력아치-체적팽창법과 한국광해광업공단 개발 해석법은 함몰형 침하의 발생 유무만 평가한다는 단점이 있다. 수치해석법의 경우 침하지의 깊이를 추정할 때 72.3%의 높은 정확도를 보이나 침하지 폭 추정 시에는 55.8%로 다소 낮게 나타난다. 확률론적 분석법과 한계평형법은 50.8~63.7% 범위 내로 대동소이한 결과를 보인다. 각 분석방법에 따라 지반침하 발생 유무, 위치, 폭, 깊이 등을 파악할 수 있으므로 함몰형 침하 평가 시에는 다양한 분석기법을 복수로 적용하여 검토하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

본 연구는 고속고압 동적 압축 기술을 이용하여 연납석 및 연납석-알루미늄 혼합 분말 성형 시편을 제작하고, 그 시편에 대한 재료 특성을 살펴보는데 있다. 알루미늄 분말의 입도는 10~100 µm 내로 매우 균일하게 분포하는 반면, 연납석 분말은 0.1~1 µm, 1~10 µm, 80~100 µm, 200~1,000 µm 등 크게 4가지 입도분포를 보였다. 낙하 시간은 약 0.34~0.4초, 동적하중 약 207 tonf의 고속고압 동적 압축 기술을 이용하여 체적이 약 548 mm²인 연납석 및 연납석-알루미늄 혼합 분말 시편 제작이 가능하였다. 쇼어 경도 측정 결과, 시편 BG100은 평균 43.70, BG90은 평균 33.20, BG85, BG80, BG75, BG70 등은 평균 31.00으로, 알루미늄이 가장 적게 함유된 시편의 쇼어 경도 값이 가장 높게 나타났다. 열중량 분석 결과, 2지점에서 질량 손실이 발생하였으며, 1차 질량 손실은 약 270°C에서 약 1.45% 발생하였고, 2차 질량 손실은 약 600°C에서 BG70과 80은 약 2.53%, BG75, 85, 90은 약 3.43% 질량 손실이 발생함을 보였다. 주사전자현미경 분석 결과, 배합비에 따라 시편의 미세구조는 비슷하게 나타났으며, 시편 모두에서 O, Si, Al 등 3개의 원소가 검출되었다. BG90의 맵분석 결과 산소 중량비는 50.80%, 규소 중량비는 37.36%, 알루미늄 중량비는 11.85%로 분석되었다. BG85의 경우 산소 43.09%, 규소 43.50%, 알루미늄 13.41%, BG80의 경우 산소 44.83%, 규소 40.30%, 알루미늄 14.87%로 나타났다. BG75의 경우 산소 44.71%, 규소 35.49%, 알루미늄 19.80%, BG70은 산소 34.95%, 규소 35.73%, 알루미늄 29.32%로 나타났다.

본 연구는 강원도 홍천군 북방면에 위치한 선캄브리아기 변성암 복합체를 대상으로 심부 시추코어의 절리 분포 특성을 정량적으로 분석하였다. 절리의 분포 심도, 경사각, 그리고 파쇄대 내 파편입자 크기를 측정한 후, 통계학적 기법을 적용하여 절리 간격의 확률분포를 도출하였다. 절리면의 경사각 분석 결과, 아수평절리가 가장 우세하게 나타났으며, 절리면 간격 분석에서는 0.5 m 이하의 간격이 지배적이었으며, 중위수 0.09 m, 제1사분위수 0.04 m, 제3사분위수 0.18 m로 나타나 매우 조밀한 절리 발달 양상을 보였다. 통계학적 분석을 위해 double Weibull, exponential, generalized logistic, gamma, lognormal 등 5가지 확률밀도함수와의 피팅을 수행하였으며, 잔차제곱합(sum of squared errors, SSE) 기준 lognormal 분포(SSE = 2.80)가 가장 적합한 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 홍천 지역 심부 암반의 절리 특성을 정량적으로 규명함으로써, 지하수 유동 모델링, 사면 안정성 평가, 지하 구조물 설계 등 다양한 지질공학적 응용 분야에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 연구에서는 현장 응력 측정 및 지구물리학적 탐사 기법을 병행하여 절리 발달과 현지 응력장의 관계를 규명하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

국내 지질공학 분야를 대표하는 학술지인 “지질공학”은 1991년에 창간되어 현재까지 지속적으로 학술 활동 및 다양한 연구 논문을 발표하고 있다. 지난 수십 년 동안 많은 연구자들이 특정 분야를 주제로 한 문헌 고찰 연구를 수행해 왔으나, 학술지 “지질공학”을 대상으로 수행한 문헌 고찰 연구는 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 텍스트 마이닝 기법 중 하나인 잠재 디리클레 할당(latent Dirichlet allocation, LDA) 모델을 적용하여 연구 주제 분류 및 연구동향을 분석하였으며, 네트워크 분석을 통해 시대별 주제 간의 연관성을 파악하였다. 분석 결과 총 7개의 연구 주제로 분류되었으며, 3가지 연구동향(Classic topic, Emerging topic, Stable topic)으로 나누어 해석하였다. Classic topic에는 “지구물리학”과 “구조지질학”으로 분석되었으며, 초기에는 주요 논의 주제였으나 시간이 지남에 따라 연구 비중이 감소하였다. Emerging topic은 최근 연구가 활발한 “수리지질학”과 “지질재해”로 분석되었으며, ‘Stable topic’은 지속적으로 연구 비중이 유지된 “지반 구조물”, “지반 역학”, “환경지질학”으로 나타났다. 네트워크 분석 결과, 2008년 이전에는 “구조지질학”이 중심 주제였으나, 2008년 이후 “지반 구조물”분야로 중심 주제가 이동하며 연구의 초점이 변화하였다. 본 연구는 학술지 “지질공학”의 연구 흐름과 발전 과정을 이해하고, 향후 연구 방향을 설정하는 데 중요한 자료를 제공하였음에 의의가 있다.

연구 대상은 신생대 제3기 현무암 지층과 단층 및 파쇄대가 다수 발달하고 있는 절취 암반 비탈면으로서 법면의 주향이 다양하게 변하는 원추형 형상을 나타낸다. 비탈면 내 불연속면은 단층과 단층대 및 파쇄대, 전단절리 및 인장절리가 발달하며, 구간별로 파괴의 유형과 규모는 비탈면 및 불연속면의 배향에 따라 다양하며, 평면파괴와 쐐기파괴가 우세하다. 비탈면 현황도 자료 및 비탈면 암반분류(slope mass rating, SMR), 암석의 물성 및 역학시험, 평사투영법, 지질횡단면도 분석 및 한계평형해석 등을 검토한 결과, 3개의 대표 단면 모두 허용 안전율 미달로 대책공법이 요구되었다. 안전성, 경제성, 시공성 등을 고려한 비탈면 안정성을 위해서는 사면구배완화공법과 함께 녹생토 표면처리 공법 및 낙석방지책 설치를 대책공법의 최적 방안으로 제시하며 적용 후의 비탈면 안전율은 모두 허용안전율 이상이었다. 비탈면 현황도 및 비탈면에 대해 수직인 여러 대표 구간의 지질횡단면도 작성, 대표단면으로 지질횡단면을 이용하여 한계평형 해석 및 대책공법에 대한 제시는 비탈면 3차원 해석과 안정성 검토에 관해 주요한 방법이 될 것으로 생각된다. 원추형 비탈면과 같이 주향이 다양하게 변화하는 경우는 다수의 지질횡단면도 작성이 필요하며, 한계평형해석을 위한 대표 단면은 구간별로 지질횡단면도를 기본도면으로 설정해야 한다.

토사재해의 발생인자는 지형, 지질, 토질, 산림 등과 같은 내적 인자와 강우, 지진 등과 같은 외적 인자로 구분해 볼 수 있다. 특히, 기후변화 영향으로 인한 강우사상 변화, 생활권 확장에 따른 지형 변화 등은 직간접적으로 토사재해 발생 위험성을 증가시키는 주요 요인으로 볼 수 있다. 본 연구에서는 내적 인자는 기존의 공간정보 자료를 활용하고, 외적 인자인 강우사상 변화를 기후변화 시나리오 SSP5-8.5인 극한조건을 적용하여 강우재현빈도별 강우지속시간에 따른 강우강도를 분석하고, 산지사면 내 강우 침투해석 조건을 적용하여 토사재해 위험도를 분석하였다. 분석 결과, 강우재현빈도(10년)에 대한 강우지속시간(1, 6, 12, 18, 24시간)이 길어질수록 강우강도는 감소하는 것으로 나타났으나, 강우재현빈도별(10, 20, 50, 100년)에 대한 강우지속시간 1시간의 강우강도는 점진적으로 증가하였다. 이를 적용한 침투해석 분석 결과에서는 강우지속시간이 길어질수록 기준안전율 1.3 이상의 면적비율이 감소하면서 토사재해 위험도가 커지는 것을 알 수 있다.

본 논문은 오염 수리지질학 분야에서 다공성 매질 내 용질 이동 메커니즘을 분석하기 위한 비파괴적 방법 중 하나인 이미지 분석법을 검토하였다. 일반적으로 사용되는 이미지 분석법으로는 X-ray를 활용한 X-ray 영상법, UV 또는 가시광선을 활용한 광 투과 시각화 및 광 반사 시각화가 있다. 이러한 이미지 분석법은 용질 농도 분포, 유체 흐름 역학 및 다상 시스템에 대한 정밀한 고해상도 데이터를 제공하며, 실험 구성을 변경하지 않고 지속적인 모니터링을 진행함으로써 용질 이동 메커니즘에 보다 정확한 통찰력을 제공할 수 있다. 본 논문에서는 각 이미지 분석법의 개요, 적용, 장점 및 한계점을 나타내었다. 또한, 이러한 방법들이 용질의 이동을 이해하고 예측하는 데 어떠한 기여를 하고 있는지, 그리고 이러한 방법들이 적용된 연구 사례들에 대해서 논의하고자 한다. 이를 통해 이미지 분석법이 지하수 오염과 같은 환경 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 종합적인 이해를 제공하고자 한다.