서 론
단층대는 단층핵과 단층손상대로 구성되며, 단층핵은 일반적으로 단층점토, 단층각력, 모래 성분의 혼합체이다. 단층핵의 수리적 ‧ 역학적 특성은 각력과 점토질 물질 등 구성 성분의 변화에 따라 크게 달라진다(Chester and Logan, 1986; Caine et al., 1996). 단층각력암은 높은 투수성을 보이지만 단층점토는 낮은 투수성을 나타낸다. 이러한 차이는 점토광물의 함량과 조성에 기인한다(Bense et al., 2013; Kaproth et al., 2016). 따라서 단층대의 투수성은 입도, 광물 조성, 파쇄 정도, 단층암의 유형 등에 따라 큰 차이를 보인다(Blenkinsop, 2000).
단층대의 수리적 특성이나 전단강도 특성은 여러 가지 공학적 문제를 일으킨다. 원자력 발전소나 방사성 폐기물 처분시설의 건설 시에는 단층대가 방사성 물질의 확산통로 역할을 할 수 있어서 반드시 단층대의 수리적 특성을 분석해야 한다(Orellana et al., 2019). 역학적 측면에서 단층대는 주변 암반에 비해 상대적으로 낮은 강도를 나타내므로 터널, 사면, 댐 등의 건설 시 주요 위해 인자로 작용한다. 따라서, 단층대가 발달한 지반의 보강방법, 보강영역, 지반개량, 목표강도 등을 결정하기 위해서는 단층대의 투수특성과 강도특성을 파악하는 것이 중요하다(Asadollah et al., 2018).
단층대의 수리적 ‧ 역학적 특성을 파악하기 위하여 현장에서 투수시험, 수압시험, 공내재하시험 등을 수행할 경우, 단층대가 수직으로 발달하지 않은 상황에서는 시추 시 드러나는 단층대 구간이 매우 좁아 현장 시험이 가능한 구간이 제한되는 한계가 있다. 특히 단층핵은 시추 시 슬라임 형태로 회수되는 경우가 많아, 이를 코어시료로 활용하거나 투수시험 대상 구간을 결정하는 데 어려움이 있다. 무수보링을 통해 단층핵의 코어를 회수하더라도, 단층점토의 점착성으로 인해 코어 벽면이 쉽게 손상되어 정형화된 투수시험 시료로 활용할 수 없다. 샘플러를 이용하여 시료를 채취할 때는 단층대 내의 단층각력으로 인해 샘플러 벽면에서 교란이 발생하며, 실내시험을 위한 충분한 양의 점토를 채취하기가 어렵다.
본 연구에서는 분청토를 이용하여 인공 단층핵 시료를 제작하고, 틱소트로피 발현에 따른 수리적 ‧ 역학적 특성 변화를 분석하였다. 실내에서 제작된 인공 단층핵 시료는 교란된 상태이기 때문에, 점토가 교란된 후 일정 시간이 지나면서 원래의 물리 ‧ 역학적 특성을 회복하는 현상인 틱소트로피(Thixotropy)의 발현을 반드시 확인해야 한다. 따라서 인공 단층핵 시료 제작 후 경과 시간을 3일, 7일, 14일, 21일, 28일로 달리하면서 변수위 투수시험 및 직접전단시험을 실시하였다.
시료제작 및 시험방법
인공 단층핵 시료 제작
본 연구에 사용된 시료는 세립질 재료인 점토에 조립질 재료인 단층각력과 단층모래를 조합하여 인공적으로 제작하였다. 점토의 경우 영덕에 분포하는 단층대와 광물 조성이 유사한 분청토를 사용하였다(Yun, 2017; Table 1 and Fig. 1). 단층각력과 단층모래는 국내 단층대에서 채취한 교란 시료를 대상으로 흙의 씻기시험(ASTM D1140-17, 2017)을 수행하여 세립분을 제거한 후, 4번 체를 이용해 각력과 모래를 분리하여 확보하였다(Fig. 2a). 혼합 비율은 국내에 분포하는 주요 단층대에서 채취한 총 109개 단층핵 시료의 입도 조성 분석(Moon et al., 2017)을 바탕으로, 각력 40%, 모래 40%, 점토 20%의 중량비로 결정되었다(Fig. 2b and c). 제작된 시료는 다공판을 이용해 입자 유실을 방지한 상태로 포화시켜 보관하였다(Fig. 2d).
Table 1.
Mineral contents of the fault core and buncheong clay (after Yun, 2017)
| Mineral content (wt.%) | ||||||
| Quartz | Albite | Kaolin | Microcline | Chlorite | Etc. | |
| Fault core | 39.4 | 21.6 | 8.8 | - | 7.5 | 22.7 |
| Buncheong clay | 34.3 | 18.6 | 14.7 | 11.4 | 8.4 | 12.6 |
Fig. 1.
Results of XRD analysis of the (a) fault core and (b) buncheong clay. Mineral abbreviations are as follows: albite (Ab), chlorite (Ch), dolomite (Do), kaolinite (Ka), microcline (Mc), orthoclase (Oc), and quartz (Qz) (after Yun, 2017).
실내 투수시험
분청토를 이용한 인공 단층핵 시료의 변수위 투수시험을 수행하기 위해 독일 UMS 社의 Ksat 장비를 이용하였다(Fig. 3). Ksat 장비는 지름 80 mm, 높이 50 mm의 시료를 대상으로 정수위 및 변수위 투수시험을 실시하여 5 × 10-2 ~ 1 × 10-7 cm/sec 범위의 수리전도도를 측정할 수 있다. 인공 단층핵 시료는 점토의 함량이 높아 저투수성을 보이므로, 투수계수가 1.0 × 10-3 cm/s 이하인 시료에 적합한 변수위 투수시험법을 적용하였다(ASTM D5856-15, 2015).
직접전단시험
실내 투수시험 이후 인공 단층핵 시료의 역학적 특성을 파악하기 위해 직접전단시험을 수행하였다(Fig. 4). 직접전단시험은 투수시험 직후의 시료를 전단상자(지름 80 mm, 높이 50 mm)에 옮겨 시험을 진행하였다. 직접전단시험은 ASTM D3080-98(1998) 기준을 준용하여 수행되었으며, 시험은 포화 배수 조건 하에서 실시되었다. 전단속도는 시료 직경의 0.5~2.0 %/min으로 설정하였고, 수직응력은 54 kPa, 108 kPa, 162 kPa, 세 단계로 적용하였다.
시험 결과
실내 변수위 투수시험
Fig. 5는 틱소트로피 발현에 따른 인공 단층핵 시료의 수리전도도 변화를 도시한 결과 그래프이다. 수리전도도는 3일차와 7일차 시료의 경우 2.98 × 10-3 ~ 5.97 × 10-6 cm/sec과 4.54 × 10-4 ~ 2.31 × 10-6 cm/sec로 비교적 투수성이 크고 편차도 큰 것으로 나타났다. 그러나 14일 이후에는 수리전도도가 급격히 감소하여 14일차 시료의 경우 1.60 × 10-6 ~ 2.09 × 10-7 cm/sec, 21일차 3.75 × 10-6 ~ 5.74 × 10-7 cm/sec, 28일차 1.27 × 10-6 ~ 5.09 × 10-7 cm/sec로 수렴하는 경향을 보인다. 이는 시료제작 후 시간경과에 따라 틱소트로피가 발현되어 점토입자가 재배열되면서 안정되었기 때문으로 판단된다.
직접전단시험
직접전단시험 결과를 내부마찰각의 변화로 살펴보면 3일 경과 시료의 경우 23°, 7일차 24°, 14일차 36°, 21일차 42°, 28일차 38°로 나타났다(Fig. 6). 시간이 경과함에 따라 내부마찰각이 증가하였으며, 14일 이후에 점차 수렴하는 경향을 보인다. 내부마찰각의 증가 또한 틱소트로피의 발현이 주된 원인으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 분청토를 이용하여 인공 단층핵 시료를 제작하고, 이를 대상으로 실내 투수시험 및 직접전단시험을 수행하여 틱소트로피 발현에 따른 수리전도도와 내부마찰각의 변화를 분석하였다. 인공 단층핵 시료는 단층각력 40%, 단층모래 40%, 분청토 20%의 비율로 제작되었다. 제작된 시료는 제작 후 시간 경과(3일, 7일, 14일, 21일, 28일)를 달리하면서 실내 투수시험과 직접전단시험에 이용되었다. 실내 변수위 투수시험 결과, 시료 제작 후 3일에서 7일까지는 수리전도도가 2.98 × 10-3 ~ 2.31 × 10-6 cm/sec로 편차가 컸으나, 14일 이후 점차 수렴하여 28일차에는 1.27 × 10-6 ~ 5.09 × 10-7 cm/sec의 분포를 보였다. 직접전단시험 결과, 시료 제작 후 시간이 경과함에 따라 내부마찰각이 3일차 23°에서 28일차 38°로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 수리전도도와 내부마찰각의 변화는 시간이 경과함에 따라 점토의 입자가 재배열되면서 구조적으로 안정되는 현상인 틱소트로피의 발현에 기인한 것으로 분석된다.
