1.개요
안녕하세요. Yun입니다. 암반을 분류하는 과정을 공학적인 분석과 설계를 위해서는 필수적인 과적입니다. 모두 단단해보이는 암반이라 할지라도 풍화도에 따라서 작업의 효율을 천차만별로 달라질 것이기 때문입니다.
오늘은 다양한 암반 분류법에 대해서 소개하고 각 분류법을 비교해보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 가장 널리 사용되는 대표적인 암반분류법은 RMR 분류법과 Q-system, GSI 분류법 입니다.
2.RMR(Rock Mass Rating) 분류법
RMR 분류법은 비아니아프스키(Bieniawski)가 제안한 방법입니다. RMR 분류를 통해서 얻을 수 있는 정보는 대략 다음과 같습니다. 1.암반공동의 무지보 유지시간(터널 지보 설계), 2.현장 암반의 점착력, 내부마찰각, 변형계수 등 전단강도의 추정값 입니다.
RMR은 현장의 시추조사 결과에서 구할 수 있는 6가지 항목의 점수를 합산하여 암반등급을 산정합니다. 매우 직관적이고 널리 사용됩니다.
평가항목
1.암석의 일축압축강도(UCS) : 암반 자체의 강도
2.RQD(Rock Quality Designation) : 암반의 균열정도(암질지수)
3.불연속면 간격(Discontinuity Spacing) : 불연속면의 촘촘함
4.불연속면 상태(Discontinuity Condition) : 불연속면 거칠기, 풍화 정도, 충전물 상태
5.지하수 상태(Groundwater Condition) : 지하수 유출 정도
6.굴착 방향과 불연속면 방향의 관계성(Orientation of Discontinuities)
각 항목에 대한 점수를 매겨 합산하여 최종적인 RMR 값을 산정합니다. 해당 값에 따라서 아래와 같이 암반을 1~5등급으로 분류합니다.
RMR 값에 따른 암반 등급 및 상태
1등급(81~100점) : 매우 양호(Very Good)
2등급(61~80점) : 양호(Good)
3등급(41~60점) : 보통(Fair)
4등급(21~40점) : 불량(Poor)
5등급(0~20점) : 매우 불량(Very Poor)
3.Q-System(NGI Q-System, 암반 품질 지수)
Q-System은 Barton, Lien, Lunde(NGI, 노르웨이 지반공학 연구소)가 제안한 방법으로, 특히 터널 지보 설계에 특화되어 있습니다. 6개 항목을 3개의 비율로 조합하여 곱셈으로 계산합니다.
각 인자의 의미
RQD(Rock Quality Designation) : 암반의 균열정도(암질지수)
Jn(Joint Set Number) : 불연속면 군수
Jr(Joint Roughness Number) : 불연속면 거칠기 계수
Ja(Joint Alteration Number) : 불연속면 변질도(충전물 상태)
Jw(Joint Water Reduction Factor) : 불연속면에 존재하는 지하수에 대한 저감계수
SRF(Stress Reduction Factor) : 응력 감소 계수(초기응력, 팽창성 암반 등 고려)
Q-System은 RMR 분류법보다 터널 굴착 시의 응력 상태를(SRF 인자를 통해서) 구체적으로 고려합니다. Q 값에 따라서 암반을 9개 등급으로 분류하며 값이 클수록 암반의 상태가 우수하다는 것을 나타냅니다.
Q 값에 따른 암반의 등급 및 상태
1등급(400점 이상) : 극히 우수(Exceptionally Good)
2등급(100~400점) : 매우 우수(Extremely Good)
3등급(40~100점) : 우수(Very Good)
4등급(10~40점) : 양호(Good)
5등급(4~10점) : 보통(Fair)
6등급(1~4점) : 불량(Poor)
7등급(0.1~1점) : 매우 불량(Very Poor)
8등급(0.01~0.1점) : 극히 불량(Extremely Poor)
9등급(0.001~0.01점) : 거의 붕괴(Exceptionally Poor)
4.GSI 분류법(Geological Strength Index)
GSI 분류법은 Hoek과 Brown이 제안한 방법으로 RMR이나 Q-System을 적용하기 어려운 매우 불량한 암반(심한 파쇄대, 이암 등)에 적합한 분류법입니다.
평가 항목
1.암반의 구조(Rock Mass Structure) : 암반이 덩어리인지, 파쇄 혹은 층리가 있는지 등
2.불연속면의 표면 상태(Surface Condition) : 절리면의 풍화 및 거칠기 상태
평가(분류) 방법
현장 지질 조사를 바탕으로 GSI분류 차트에서 해당하는 값을 시각적으로 찾아 평가합니다.
GSI 값은 주로 Hoek-Brown 파괴 기준식의 입력 인자들 mb, s, a 값을 계산하는데 사용됩니다. Hoek-Brown 파괴 기준식은 경험적으로 만들어진 암반의 파괴 기준 식입니다.
보조지표 RQD(Rock Quality Designation)
RMR, Q-System 평가의 핵심 변수인 RQD도 초기에는 암반 분류법으로 사용되었습니다. 디어(Deere)가 제안하였고, 시추 코어에서 회수된 암석 중 10cm 이상의 코어 조각들의 합이 전체 시추 길이에 대하여 차지하는 비율을 나타냅니다.
RQD 값이 높을수록 암반의 균열이 적고 품질이 양호함을 의미합니다. 다만, 10cm 이하로 부서진 암반은 RQD 값이 0%로 산정되어 매우 불량한 상태로 일괄 구분되기 때문에 세밀한 구부은 어렵습니다.(반드시 시추코어 박스도 확인해볼 필요가 있습니다.)
5.주요 암반 분류법 비교
RMR 분류법은 6개의 항목에 대행 점수를 합산하여 평가하는 방식으로 경험적이며, 범용성이 높습니다.
Q-System은 6개 항목의 비율 곱셈으로 값을 산정하여 평가하는 방식이며, 주로 터널의 지보 설계에 특화되어 있고 응력상태를 고려합니다.
위의 두 분류법은 다음 식으로 상호 변환이 가능하기도 합니다.
GSI는 2가지의 항목을 평가하여 시각적으로 값을 평가하는 방식이며, 주로 Hoek-Brown의 파괴기준 식에 입력인자를 산정하는 데 사용됩니다. 또한, RQD의 단점(10cm미만의 코어 평가)을 보완하기 위해 개발되었습니다.
RQD는 초기 암반편가 방법으로 유효 시추 코어(10cm이상)의 전체 길이에 대한 비율로 평가하며, 현재는 RMR, Q-System의 핵심 입력 인자로 사용됩니다.
마무리하며
이러한 암반분류법들은 현장조사를 통해서 얻은 정성적인 자료(시추결과)를 정량적인 수치(등급 및 강도추정)로 변환하여, 설계자가 암반의 상태를 객관적으로 판단할 수 있도록 돕습니다.
암반 분류법에대한 기본적인 내용들을 잘 숙지하시고 실무에 임하시면 보다 적절한 설계를 수행할 수 있을 것입니다.