무등산국립공원 입석대 주상절리대에 대한 물리역학적 특성

Physical and Mechanical Properties on Ipseok-dae Columnar Joints of Mt. Mudeung National Park

Abstract

본 연구는 무등산국립공원 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 물리역학적 특성을 살펴보았다. 이를 위하여 무등산응회암에 대한 물리적 및 역학적 성질과 불연속면 특성, 주상절리대 주변의 진동 및 국지 기상 측정, 그리고 주상절리대 자체하중에 의한 지반변형을 살펴보았다. 물리적 성질의 경우 평균 공극률은 0.65%, 평균 비중은 2.69, 평균 밀도는 2.68 g/cm³, 평균 종파속도는 2411 m/s로 나타났다. 역학적 성질의 경우 평균 일축압축강도는 323MPa, 평균 탄성계수는 81 GPa, 그리고 평균 포아송비는 0.25로 나타났다. 절리면 전단시험의 경우 평균 수직강성은 3.15 GPa/m, 평균 전단강성은 0.38 GPa/m, 평균 점착력은 0.50 MPa, 그리고 평균 내부마찰각은 35°로 나타났다. 절리면 거칠기를 측정한 결과 거칠기 상수(JRC) 표준도에 따르면 4~6 범위, JRC 차트에 따르면 1~1.5 범위가 우세하게 나타나 약간 거침 상태를 보였다. 또한 주상절리 표면에 대한 실버슈미트해머 반발경도 Q값을 측정한 결과 평균 57(약 90MPa)로 나타났으며, 이는 원래 일축압축강도의 약 28% 수준이다. 입석대 주상절리대 주변의 진동을 측정한 결과 최대 진동값은 0.57 PPV (mm/s)~2.35 PPV (mm/s) 범위를 보여 주상절리대 주변의 탐방객들에 의해 발생되는 진동은 미약한 것으로 나타났다. 주상절리의 표면 및 부근에서 온도, 습도, 풍속 등 국지기상을 측정한 결과 측정 당일의 날씨 영향을 크게 받은 것으로 나타났다. 입석대 주상절리대 자체하중에 의한 지반변형 상태를 수치해석한 결과, 오른쪽 지반에서 최대 변위는 지반거리가 약 2.5m일 때 최대값을 보이며, 6m까지 급격하게 감소하다가 그 이후부터는 미미하게 증가했다. 중간 지반에서 최대 변위는 지반거리가 0~2 m에서 최대값을 보이며, 3 m에서 급격하게 감소하다가 12m에서 미미하게 증가하는 경향을 나타냈다. 그리고 왼쪽 지반에서 최대 변위는 지반거리가 5~6 m일 때 최대값을 보이며, 6~10 m까지 급격하게 감소하다가 그 이후부터는 미미하게 증가하는 것으로 나타났다.

This study is to evaluate the physical and mechanical properties on the Ipseok-dae columnar joints of Mt. Mudeung National Park. For these purposes, physical and mechanical properties as well as discontinuity property on the Mudeungsan tuff, measurement of vibration and local meteorology around columnar joints, and ground deformation by self-weight of columnar joints were examined. For the physical and mechanical properties, average values were respectively 0.65% for porosity, 2.69 for specific gravity, 2.68 g/cm³ for density, and 2411 m/s for primary velocity, 323 MPa for uniaxial compressive strength, 81 GPa Young's modulus, and 0.25 for Poisson's ratio. For the joint shear test, average values were respectively 3.15 GPa/m for normal stiffness, 0.38 GPa/m for shear stiffness, 0.50 MPa for cohesion, and 35° for internal friction angle. The JRC standard and JRC chart was in the range of 4~6, and 1~1.5, respectively. The rebound value Q of silver schmidt hammer was 57 (≒ 90 MPa). It corresponds 20% of the uniaxial compressive strength of intact rock. The maximum vibration value around the Ipseok=dae columnar joints was in the range of 0.57 PPV (mm/s)~2.35 PPV (mm/s). The local meteorology of surface temperature, air temperature, humidity, and wind on and around columnar joints appeared to have been greatly influenced the weather on the day of measurement. For the numerical analysis of ground deformation due to its self-weight of the Ipseok-dae columnar joints, the maximum displacement of the right ground shows when the ground distance is approximately 2 m, while drastically decreased by 2~4 m, thereafter was insignificant. The maximum displacement of the middle ground shows when the ground distance is approximately 0~2 m, while drastically decreased by 3~10 m, thereafter was insignificant. The maximum displacement of the left ground shows when the ground distance is approximately 5~6 m, while drastically decreased by 6~10 m, thereafter was insignificant.

서 론

최근 국내외적으로 자연유산을 보호하고 관리하고자 하는 관심이 증가하고 있으며, 이를 교육과 관광자원에 활용하기 위한 다양한 프로젝트가 진행되고 있다. 대표적으로 유네스코가 지원하는 세계자연유산이나 세계지질공원 등재에 따른 지질관광을 들 수 있다. 이는 지질학적 가치를 포함하면서 생태학, 고고학, 역사와 문화를 포함한 지질자원을 활용하여 지역의 지질유산을 보전함은 물론 지역경제를 활성화시키는 것을 목적으로 하기 때문에 그 의미가 크다 할 수 있다(Sohn et al., 2009; Choi et al., 2012; Gwangju city, 2013; Cho et al., 2014; Kang et al., 2014; Kim et al., 2014a; Kim et al., 2014b; Woo, 2014; Noh et al., 2015; Yoon and Kim, 2015). 국내에는 지질학적으로 충분한 가치가 있는 주상절리대가 전국적으로 특정한 지역에 다양한 형태로 분포하고 있다. 이는 지질학적으로 매력이 있을 뿐만 아니라 지형학적으로도 아름다움을 주고 역사와 문화의 이야기를 전달해 줄 수 있으며 경제적 가치가 매우 크다(Noh et al., 2015).

지금까지 국내 주상절리대에 대한 연구는 몇몇 연구자들에 의해 수행된 바 있다(Koh et al., 2005; Hwang and Kim, 2009; Jin and Kim, 2010; Ahn, 2010, 2014a, 2014b; Woo et al., 2013; Ahn et al., 2014). Koh et al. (2005)는 제주도 남부 대포동 해안 일대 지삿개 주상절리를 이루는 현무암에 대한 주상절리의 형태학과 암석기재 및 주성분 암석화학적 특징을 연구하였다. Hwang and Kim (2009)는 주왕산 국립공원의 지형학적 특징과 주왕산 주상절리의 형성원인에 대해 연구하였다. Jin and Kim (2010)은 울산 정자해수욕장과 경주 읍천해안에서 관찰되는 수평 주상절리의 발달특성을 분석하고 형성원인에 대해서 연구하였다. Ahn (2010)은 무등산과 무등산 주변의 지질, 지형, 암석에 대한 분석을 수행하였다. Woo et al. (2013)은 울릉도 국수바위 주상절리의 암석학적, 형태학적 연구를 수행하였다. 국수바위는 조면암, 포놀라이트질 조면암으로 구성되어있고, 주상절리가 노출된 방향에 따라 형태 및 광물학적으로 상이한 특징을 나타낸다고 연구하였다. Ahn et al.(2014)는 무등산국립공원 및 그 주변지질의 형성되는 과정에 대한 연구를 하였고 무등산 지역은 용결응회암층으로 형성되었다고 연구하였다. Ahn (2014a)은 남한에서의 주상절리의 분포와 형태학적, 암석학적 특징을 연구하였다. 특히 무등산주상절리는 대략 5~6각형을 띠는 기둥형태라고 하였고, 용결응회암의 신선한 면에서는 짙은 회색 바탕에 2~3 mm의 장석이 백색으로 관찰된다 하였다. Ahn (2014b)는 주상절리를 연구하기 위해서는 주상절리의 기하학적 형태, 형성과 패턴, 주상절리 단면과 측면의 내부구조 조사와 해석, 판상절리의 특징과 수치해석 등의 연구가 병행되어야 한다고 하였다.

이상과 같이 국내 주상절리대에 관한 연구는 주로 암석학적, 지질학적, 형태학적 연구 등에 집중되어 이루어졌다. 주상절리의 장기적인 보존과 안정성을 확보하기 위해서는 주상절리의 지질학적 특성과 함께 주상절리를 구성하는 지질공학적 특성을 살펴보는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 무등산국립공원에 발달해 있는 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 무등산응회암에 대한 물리적 및 역학적 성질을 파악하기 위한 실내시험과 절리면을 파괴와 변형을 이해하기 위한 절리면 전단시험을 실시하였다. 또한 불연속면의 특성을 파악하기 위한 불연속면 조사와 현장시험을 실시하였다. 입석대 주상절리대 주변의 진동과 기온, 온도, 바람 등의 국지기상을 살펴보기 위한 현장조사도 실시하였다. 그리고 입석대 주상절리대 하중에 의한 각 지점에서의 지반변형 평가를 위한 수치해석을 수행하였다.

 

연구배경

국내에는 자연경관적인 측면은 물론 지질학적, 경제적 및 교육적으로 충분한 가치가 있는 주상절리대가 여러 지역에 분포하고 있다(Ahn, 2010). 대표적으로는 현무암에 해당하는 제주도 중문-대포 주상절리대, 조면암~현무암질 울릉도 주상절리대, 현무암 용암류의 한탄강 주상절리대, 그리고 주왕산국립공원과 무등산국립공원 내의 화산쇄설층 내 응회암질 주상절리대를 들 수 있으며, 이 외에도 여러 지역에 소규모로 발달해 있다. 이와 같이 전국적으로 분포하고 있는 주상절리대는 그 형성 시기와 구성된 암종이 다르며, 더군다나 분포하고 있는 위치가 해안, 강, 산 등으로 다양한 자연환경이 놓여있다. 이들 주상절리대는 오랜 기간 다양한 자연환경에 노출되면서 온도, 습도, 바람과 같은 기상의 영향, 봄, 여름, 가을, 겨울의 계절적 영향, 강우나 눈 등의 영향, 식물이나 이끼 등의 영향에 의해 변형되거나 변질되기도 한다. 이러한 변형이 계속적으로 반복되면 주상절리의 표면뿐만 아니라 내부에도 변형이 진행될 수 있다. 주상절리 표면의 변형으로는 박리박락을 들 수 있고, 내부의 변형으로는 크고 작은 균열의 생성을 들 수 있다. 이러한 변형이 가속화되면 결국에는 원래의 안정된 상태를 잃고 파괴에 이르게 된다. 본 연구 대상인 무등산국립공원 내 분포하고 있는 주상절리대는 대부분 해발 1,000 m 높이의 고원에 위치해 있기 때문에 이러한 자연현상의 영향을 받기 쉽다. 따라서 주상절리에 대한 장기적인 보존과 안정성을 확보하기 위해서 는 다양한 관리대책이 세워져야 한다.

국내 주상절리에 대한 연구는 주로 지질학적 조사(Ahn, 2010), 지형학적 조사(Hwang and Kim, 2009; Ahn, 2014a), 위치와 규모의 조사(Jin and Kim, 2010) 등의 주상절리의 생성과 변화에 관한 연구에 국한되어 수행되어져 왔다. 즉, 주로 주상절리의 생성 원인, 형태학적 분석, 암석학적 분석 등으로 이뤄진 반면, 거동과 변형에 따른 안정성에 관한 연구는 수행된바 없었다. 따라서 향후 주상절리대의 장기적인 보존과 안정성을 확보하기 위해서는 주상절리대의 암석학적, 형태학적 연구뿐만 아니라 지질공학적 관점의 연구도 고려되어야 한다.

 

연구지역

연구지역인 무등산국립공원은 동경 126°06'-127°01', 북위 35°06'-35°10'에 위치하며, 행정구역상으로 광주광역시와 전라남도 담양군, 화순군에 포함된다(Fig. 1). 무등산국립공원은 지질학적으로 옥천습곡대 서남부에 위치하며(Kim et al., 2002), 북동-남서 방향의 뚜렷한 여러 개의 구조선을 갖는 호남전단대가 발달해있다. 한반도에서는 이들 구조선을 따라 중생대 백악기 초~신생대 제3기초까지 격렬한 화산활동이 있었으며, 이 화산활동에 의해 한반도 남부에는 경상분지와 서남해안 일원, 옥천습곡대에는 영동분지, 순창분지, 능주분지와 같은 소분지가 형성되었다(Gwangju city, 2013). 이들 분지 중 능주분지는 광주광역시를 중심으로 직경 약 40 km 크기의 원형함몰체로서, 함몰대 동쪽에는 안산암과 유문암으로 구성된 무등산화산암체가, 남부-남서부에는 유문암류로 구성된 능주화산암체가 분포한다. 최근까지 무등산국립공원의 주상절리대를 구성하고 있는 암체는 용암류에 의해 형성된 석영안산암이라고 해석되었다(Kim et al, 2002; Ahn, 2010). 하지만, Kim et al. (2002)은 유리질 바탕에 미약한 용결구조를 보이는 부분을 발견하여 일부는 용결응회암일 가능성을 제시하였다. 또한, Gwangju city (2013).에 따르면, 무등산국립공원 주상절리는 다양한 고도에 분포하는 주상절리 암체에서 화산력 크기의 암편과 부석이 관찰되고, 입석대 정상부 주상절리에서 수평방향으로 반복되는 선구조와 신장된 피아메구조가 관찰되어 무등산응회암에 해당됨을 보고하였다. 입석대 주상절리대는 해발 1,017 m에 위치해 있으며, 5~18 m 높이의 돌기둥 30여개가 동서방향으로 120 m 가량 늘어서 있다. 입석대 주상절리대의 모양은 원기둥 형태가 아닌 한 면이 1~2 m 정도인 5~6각 기둥형태로 발달되어 있다(Ahn, 2010; Gwangju city, 2013).

Fig. 1.(a) Geological map of study area (modified after Ahn et al, 2014), and (b) the Ipseok-dae columnar joints.

 

무등산응회암의 물리적 및 역학적 성질

시험편 제작

무등산국립공원 입석대 주상절리대 무등산응회암에 대한 물리적 및 역학적 성질을 살펴보기 위하여 입석대 주변의 너덜에서 신선한 상태의 무등산응회암 시료를 채취하였다. 채취한 시료로부터 한국암반공학회 암석표준시험법(KSRM, 2010)에 근거하여 직경 55 mm, 길이 약 110 mm의 압축시험용 시험편 3개와 가로×세로 ×높이가 각각 100 mm × 100 mm × 50 mm인 절리면 전단시험용 시험편 2개를 제작하였다(Fig. 2).

Fig. 2.Mudeungsan tuff; specimens for (a) uniaxial compression test, and (b) joint roughness shear test.

물리적 성질

채취한 시험편으로부터 공극률(porosity, n), 비중(specific gravity, Gs), 밀도(density, ρ), 그리고 종파속도(primary velocity, Vp)를 측정하였다. 무게는 0.001 g까지 측정 가능한 Precisa Gravimentrics AG사의 Precisa Balances 320XT를 이용하여 초기, 수중, 건조, 포화 상태 무게를 각각 측정하였으며, 종파속도는 Misung C&S Inspection사의 Concrete Non-Destructive Tester를 이용하여 측정하였다(Fig. 3). 3개 시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 1과 같다. 공극률은 0.60%~0.68% 범위로 평균 0.65%, 비중은 2.68~2.71 범위로 평균 2.69, 밀도는 2.66 g/cm3~2.69 g/cm3 범위로 평균 2.68 g/cm3, 그리고 종파속도는 2411 m/s~2443 m/s 범위로 평균 2427 m/s로 나타났다.

Fig. 3.Apparatus for measurement of initial, submerged, dry and saturated weight, and primary velocity; (a) saturation, (b) immersion, (c) drying, (d) velocity.

Table 1.Physical properties of Mudeungsan tuff; Mi: initial weight, Msub: submerged weight Mdry: dry weight, Msat: saturated weight, n: porosity, Gs: specific gravity, ρ: density, Vp: primary velocity.

역학적 성질

일축압축시험으로부터 일축압축강도(uniaxial compressive strength), 탄성계수(Young’s modulus), 포아송비(Poisson’s ratio)를 구하였다. 일축압축시험은 서보제어로서 1 mm/min 변위조절이 가능한 DEAKYOUNG TECH & TESTER MTG사의 DTU-900HC를 사용하였으며, 하중에 따른 축방향 및 횡방향 변형률은 KYOWA사의 UCAM-65B 데이터 로거를 이용하여 획득하였다(Fig. 4). 3개 시험편에 대한 측정 결과를 정리하면 Table 2와 같다. 일축압축강도는 288 MPa~360MPa 범위로 시험편에 따라 차이가 있지만 평균 323MPa를 보였으며, 탄성계수는 78 GPa~84 GPa 범위로 평균 81 GPa, 포아송비는 0.23~0.26 범위로 평균 0.25로 나타났다.

Fig. 4.(a) Apparatus for uniaxial compression test, and (b), (c) its results.

Table 2.Uniaxial compressive strength, Young’s modulus, and Poisson’s ratio of Mudeungsan tuff.

절리면 전단시험

암석블록들의 경계면을 따라 발생되는 암반의 파괴와 변형을 이해하기 위해 절리면에 대한 전단시험을 실시하였다. 절리면 전단시험기는 GEOTM & GEO Testing Management사의 GTR01-NO1를 사용하였다. 2개의 시험편에 대해 각 단계별 수직응력과 전단응력, 그리고 변위를 측정한 후, 이들로부터 수직강성(normal stiffness)과 전단강성(shear stiffness), 점착력(cohesion), 기본마찰각(basic friction angle)을 각각 구하였다. 수직응력-변위와 전단응력-변위의 관계로부터 구한 평균 수직강성은 3.15 GPa/m, 평균 전단강성은 0.38 GPa/m, 그리고 평균 점착력과 내부마찰각은 0.50MPa와 35°로 각각 산정되었다(Fig. 5).

Fig. 5.(a) Apparatus for joint roughness shear test and its results; (b), (c) normal stiffness, (d), (e) shear stiffness, (f), (g) cohesion and basic friction angle.

불연속면 특성

암반 내 불연속면의 상태는 암반의 강도와 변형에 많은 영향을 미친다. 입석대 주상절리대 암석블록들에 발달해 있는 수직 및 수평 절리면을 따라 파괴와 변형이 발생될 수 있는 가능성이 크므로 불연속면에 대한 특성을 파악하는 것이 필요하다. 입석대 주상절리대에서 불연속면의 측정이 비교적 양호한 15번 주상절리를 대상으로 절리면 거칠기를 측정하였다. 측정은 프로파일 게이지(profile gage)를 사용하여 작은 규모의 요철(uneveness)과 큰 규모의 만곡(waviness) 유형을 고려하여 가로 2방향, 세로 2방향을 선정하여 실시하였다(Fig. 6). 측정 결과를 절리면 거칠기 상수(joint roughness coefficient, JRC) 표준도(Barton and Chouby, 1977)와 JRC 차트(Barton and Bandis, 1982)에 근거하여 JRC를 산정하였다. 절리면 거칠기는 JRC 표준도에 따르면 4~6 범위, JRC 차트에 따르면 1~1.5 범위가 우세하게 나타났으며, 이는 약간 거침에 해당된다.

Fig. 6.Joint roughness measurement on the Ipseak-dae columnar joints with no. 15 and its results.

불연속면의 표면강도를 살펴보기 위해 주상절리대 표면에 대한 비파괴시험을 실시하였다. 측정은 Proeq사의 L-형 실버슈미트해머(silver schmidt hammer)를 이용하였다(Fig. 7). 입석대 주상절리대 중 안정적으로 측정할 수 있는 8개의 주상절리에 대해 총 10회 타격을 실시하여 최소값과 최대값을 제외한 나머지 반발경도 Q값들의 평균을 취하였다. 측정 결과에 의하면 반발경도 Q값은 51~62 범위로 평균 57로 나타났다. 평균 Q값을 일축압축강도로 환산하여 계산하면 약 90 MPa이 된다. Q값으로부터 환산된 일축압축강도 값은 일축압축시험에 의해 계산된 값과 비교할 때 약 28% 수준에 해당된다. 이렇게 큰 강도 차이를 보이는 것은 입석대 주상절리대가 오랜 기간 동안 자연상태에 노출됨으로 인하여 주상절리 표면의 풍화가 심하게 진행되었기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 7.Silver schmidt hammer test on the surface of Ipseok-dae columnar joints.

 

입석대 주상절리대 현장조사

입석대 주상절리대 주변 진동 영향

지상 구조물은 지표에서 전달되는 진동에 의한 영향을 받을 수 있다. 입석대 주상절리대는 무등산 정상으로 가는 대표적인 탐방로로서 탐방객들의 통행량이 매우 높은 편이다. 따라서 입석대 주상절리대 주변의 탐방로를 따라 탐방객들에 의해 발생되는 진동을 측정하여 그 영향을 평가하였다. 측정은 입석대 주상절리대 주변 두 지점을 설정하여 진동소음 측정기인 Blastmate III를 사용하여 2015년 6월~10월까지 5회에 걸쳐 수행되었다(Fig. 8). 측정 결과 최대 진동값은 0.57 PPV (mm/s)~2.35 PPV (mm/s) 범위를 보여 두 지점 모두 탐방객들에 의해 발생되는 진동은 미약한 것으로 나타났다.

Fig. 8.Measurement of vibration around the Ipseok-dae columnar joints.

국지기상 측정

입석대 주상절리대는 약 1017 m의 높은 고도에 위치해 있으므로 계절적 영향에 의한 기온 및 습도 변화가 심하고 자연상태에 오랜 기간 동안 노출되어 있어 암석 표면뿐만 아니라 내부에도 변질과 변형이 빠르게 진행되고 있음이 관찰되었다. 따라서 입석대 주상절리대의 국지기상의 변화를 조사하기 위하여 측정 가능한 주상절리 15개를 선정하여 표면온도, 주변온도, 습도, 그리고 풍속을 측정하였다. 입석대 주상절리대 표면온도는 Testo 830-T4 온도측정기, 주변의 온도, 습도, 풍속은 Lutro LM-8000 디지털 측정기를 사용하여 측정하였다(Fig. 9a). 표면온도는 15개 주상절리 모두에서 측정되었다. 대체적으로 날씨가 화창했던 5, 6월보다 날씨가 흐린 7, 8, 9월의 표면온도가 높게 나타났다(Fig. 9b). 이러한 사실은 주상절리 표면온도가 주상절리 위치에 따라 다르게 나타남을 의미한다. 대기온도, 습도, 풍속은 측정 가능한 주상절리 1, 4, 7, 11, 14번 부근에서 측정하였다. 대기온도는 5, 6월 보다 7, 8, 9, 10월이 더 낮게 나타난 반면(Fig. 9c), 습도는 5, 6월보다 7, 8, 9월이 더 높게 나타났다(Fig. 9d). 이는 7, 8, 9월의 날씨가 흐리거나 비가 온 영향일 것으로 판단된다. 풍속은 날씨, 측정 시간, 주상절리 위치 등 여러 요인에 따라 다르게 나타났다(Fig. 9e). 결론적으로 입석대 주상절리대는 다른 지역의 주상절리대와 다르게 고지대에 분포해 있으며, 계절적 영향과 날씨의 변화에 큰 영향을 받고 있기 때문에 시간이 경과함에 따라 암석 표면의 변질과 변형에 의한 풍화상태가 진전될 것으로 사료된다.

Fig. 9.Results of the local meteorology; (a) columnar joints, (b) surface temperature, (c) air temperature, (d) humidity, and (e) wind velocity.

 

입석대 주상절리대 자체하중에 의한 지반변형 평가

입석대 주상절리대의 자체하중에 의한 주변 지반변형에 대한 평가를 수행하기 위해 수치해석을 실시하였다. 수치해석을 위해 사용된 프로그램은 Midas사의 SoilWorks로 유한요소법에 기초한 2차원 지반해석 프로그램이다. 지반해석을 위한 기하형상은 Fig. 10a와 같이 입석대 주상절리대 3 지점을 설정하여 모델링하였다. Case-1은 입석대 주상절리대 우측 지점으로 풍화토 높이 2.5 m, 기반암 높이 7.5 m, 지반거리 9 m의 지반상태를 나타낸다(Fig. 10b). Case-2는 입석대 주상절리대 중간 지점으로 풍화토 높이 7 m, 기반암 높이 3 m, 지반거리 19 m의 지반상태를 나타낸다(Fig. 10c). Case-3은 입석대 주상절리대 왼쪽 지점으로 풍화토 높이 5m, 기반암 높이 5 m, 지반거리는 16.5 m의 지반상태를 나타낸다(Fig. 10d). 재료의 입력 물성 값은 실내시험 및 현장 조사로부터 얻은 자료를 사용하였다. 경계조건은 지반하부에 대해 X와 Z 방향의 변위, 주상절리 하부에 있는 지반의 옆면만 X 방향 변위를 구속해주었다. 하중조건은 각각의 경우에 해당하는 주상절리 블록의 하중을 선하중으로 적용하였으며, 거리에 따른 지반변위를 해석하였다.

Fig. 10.Geometry for ground analysis on the Ipseok-dae columnar joints.

입석대 주상절리대 하부의 지반변형에 대한 수치해석 결과를 나타내면 Fig. 11과 같다. Case-1의 경우 지반변위는 지반거리가 약 2.5 m일 때 최대값을 보이고, 3m에서 급격하게 감소하다가 6 m에서 미미하게 증가하는 경향을 나타냈다(Fig. 11a). Case-2의 경우 지반변위는 지반거리가 0~2 m에서 최대값을 보이고 3 m에서 급격하게 감소하다가 12 m 이후부터는 미미하게 증가하는 경향을 나타냈다(Fig. 11b). Case-3의 경우 지반변위는 지반거리가 5~6 m일 때 최대값을 보이고, 6~10 m까지 급격하게 감소하다가 그 이후부터는 미미하게 증가하였다(Fig. 11c). 모든 경우에 있어서 지표면으로부터 가까운 심도에서의 수직변위가 크게 나타나므로 향후 이에 대한 주기적인 모니터링이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 11.Results ground deformation and displacement according to distance obtained by numerical analysis.

 

결 론

본 연구는 무등산국립공원 주상절리대 중 입석대 주상절리대를 대상으로 물리역학적 특성을 파악하기 위해 수행되었다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

입석대 주상절리대 무등산응회암의 물리적 성질의 경우 평균 공극률은 0.65%, 평균 비중은 2.69, 평균 밀도는 2.68 g/cm3, 평균 종파속도는 2411 m/s로 나타났다. 역학적 성질의 경우 평균 일축압추강도는 323 MPa, 평균 탄성계수는 81 GPa, 그리고 평균 포아송비는 0.25로 나타났다. 절리면 전단시험의 경우 평균 수직강성은 3.15 GPa/m, 평균 전단강성은 0.38 GPa/m, 평균 점착력은 0.50 MPa, 그리고 평균 내부마찰각은 35°로 나타났다. 절리면 거칠기를 측정한 결과 거칠기 상수(JRC) 표준도에 따르면 4~6 범위, JRC 차트에 따르면 1~1.5 범위가 우세하여 약간 거침 상태에 해당되는 것으로 나타났다. 또한 주상절리 표면에 대한 실버슈미트해머 반발경도 Q값을 측정한 결과 평균 57(약 90 MPa)로 나타났으며, 이는 원래 일축압축강도의 약 28% 수준이다.

입석대 주상절리대 주변의 현장조사에서 진동을 측정한 결과 최대 진동값은 0.57 PPV (mm/s)~2.35 PPV (mm/s) 범위를 보여 주상절리대 주변의 탐방객들에 의해 발생되는 진동은 미약한 것으로 나타났다. 주상절리의 표면 및 부근에서 온도, 습도, 풍속 등 국지기상을 측정한 결과 측정 당일의 날씨 영향을 크게 받은 것으로 나타났다.

입석대 주상절리대의 자체하중에 의한 주변 지반변형 상태를 3지점에 대해 수치해석을 수행하였다. 주상절리대 오른쪽 지반에서 나타나는 최대 변위는 지반거리가 약 2.5 m일 때 최대값을 보이며, 3 m에서 급격하게 감소하다가 6 m 부근에서부터 미미하게 증가하는 경향을 보였다. 중간지점 지반의 경우 최대 변위는 지반거리가 0~2 m에서 최대값을 보이며, 3 m에서 급격하게 감소하다가 12 m 이후부터는 미미하게 증가하는 경향을 나타냈다. 왼쪽 지반의 경우 최대 변위는 지반거리가 5~6 m일 때 최대값을 보이며, 6~10 m까지 급격하게 감소하다가 그 이후부터는 미미하게 증가함을 보였다.