Investigation on Weathering Degree and Shear Wave Velocity of Decomposed Granite Layer in Hongsung

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第26卷 第6C 號·2006年 11月 pp. 431~443

홍성 지역 화강 풍화 지층의 풍화도 및 전단파 속도에 관한 고찰

Investigation on Weathering Degree and Shear Wave Velocity of Decomposed Granite Layer in Hongsung

선창국*·김보현**·정충기***

Sun, Chang-Guk

^·

Kim, Bo-Hyun

^·

Chung, Choong-Ki

···

Abstract

As part of a fundamental characterization for subsurface layers in Korea, the weathering degree and shear wave velocity (VS) were evaluated from the X-ray fluorescence analyses and the site investigations containing boring and in-situ seismic tests, respectively, for decomposed granite layer in Hongsung. The subsurface layers at Hongsung were composed of 10 to 40 m thickness of weathered layer in most sites. According to the results of weathering degree analyses in Hongsung, it was exam- ined that three chemical weathering indexes such as MWPI, VR and WIP generally increased with decreasing depth. From the in-situ seismic tests, the VS was determined as the range between 200 and 500 m/s in weathered layer. Based on the VS and N value at borehole seismic testing sites, N-VS correlations were established for weathered layer. Furthermore, the relationships of three representative weathering indexes with the VS and N value indicated that the MWPI, WIP and 100/VR increased linearly as increasing VS and exponentially as increasing N value.

Keywords :

weathering degree, shear wave velocity, weathering index, decomposed granite layer, weathered layer, N value

···

요 지

국내 지층에 대한 근본적 특성 평가의 일환으로

,

^{본 연구에서는 홍성 지역의 화강 풍화 지층을 대상으로}

X-

^{선 형광 분석}

과 시추 및 현장 탄성파 시험을 포함한 지반 조사를 수행하여 각각 풍화도와 전단파 속도

(

V

S)

를 평가하였다

.

홍성 지역은

대부분의 부지에서

10~40m

두께의 풍화 지층이 발달해 있었다

.

홍성 지역에서의 풍화도 분석 결과

,

MWPI

,

VR 그리고

WIP 와 같은 세 종류의 대표적인 화학적 풍화 지수는 심도 감소에 따른 풍화도 증가의 일반적 경향을 보임이 확인되었다

.

대상 지역에 대한 현장 탄성파 시험으로부터 풍화 지층의 전단파 속도는

200~500m/s

^{의 분포 범위로 결정되었다}

.

^시추공

탄성파 시험 수행 부지들에서의 전단파 속도와 N 값을 토대로 풍화 지층에 대한 N

-

V

S

상관관계를 도출하였다

.

또한

,

세 종 류의 대표적 풍화 지수들과 전단파 속도 및 N 값과의 관계로부터 MWPI

,

WIP 및

100/

VR이 전단파 속도의 증가에 따라 선형적으로 증가하고 N 값의 증가에 따라 지수적으로 증가함을 확인하였다

.

핵심용어 : 풍화도

,

전단파 속도

,

풍화 지수

,

화강 풍화 지층

,

풍화 지층

,

N 값

···

1. 서 론

한반도에는 지질학적으로 선캄브리아대에서 신생대에 걸쳐 형성된 다양한 지층들이 고르게 분포하며 , 기반암은 선캄브 리아대의 변성암류 , ^{중생대의 화성암류 그리고 고생대 이후}

의 퇴적암류로 구성되어 있다 . 특히 , 화성암의 대부분은 화

강암 (granite) 이 주류를 이루고 있고 이러한 화강암은 한반도

남쪽의 여러 지역에 고르게 분포하고 있다 (Sun 등 , 2005).

신선한 기반암 상태의 화강암이 외부의 물리 , ^화학 , ^그리고

생물학적 풍화 작용을 받아 깨어지고 변질되어 생성된 풍화 암 (weathered rock) 과 풍화잔류토 (weathered residual soil) 를

화강 풍화 지층 (decomposed granite layer) 이라고 하는데 ,

우리나라 노년기 산지와 구릉 지대의 지표면에서 쉽게 발견 할 수 있을 뿐만 아니라 평야지에서도 매립층이나 퇴적층 하부에서 찾아볼 수 있다 . 이처럼 화강 풍화 지층은 국내 지반 구성 지층의 대표적인 지층들 중의 한 종류라고 할 수 있으며 , ^{이의 공학적 특성을 정량화 하여 지반 및 토목 설}

계에 종합적으로 활용하고자 하는 지반공학 측면의 다양한 연구가 지속적으로 추진되고 있다 (Kim, 2001). 무엇보다도 화강 풍화 지층의 형성 및 발달의 가장 근본적 특성인 풍화 도의 경우 모든 강도 및 변형 특성의 기본적인 지표로 활용 가능함에 따라 , 정량적 지수를 제시하고 공학적 특성과의 상

관성을 도출하기 위한 여러 연구가 진행되어 왔다 (Tugrul 과

Gurpinar, 1997; 이종규와 장서만 , 2003). 화강 풍화토의 다

*정회원·한국지질자원연구원지진연구센터선임연구원

(E-mail : [email protected])

**건설교통부공공주택팀사무관

(E-mail : [email protected])

***정회원·서울대학교지구환경시스템공학부교수

(E-mail : [email protected])

양한 공학적 특성 중에서도 현장 탄성파 시험을 통해 결정

되는 전단파 속도 (shear wave velocity, V

S

) 는 지반 강성을

의미하는 실질적 지표로서 대상 부지의 지층 구조를 파악할 수 있을 뿐만 아니라 , 내진 설계 목적의 지진 응답 특성과 공용 상태의 지반 거동 특성 평가에 직접 활용되는 매우 중 요한 지반 정수이다 . 따라서 화강 풍화 지층에 대한 풍화 정도와 전단파 속도 분포를 파악하는 것은 우리나라 대표 지층의 특성을 이해하는 기본 요소로서 매우 중요하다 .

본 연구에서는 화강 풍화 지층의 풍화도와 전단파 속도에 대한 정량적 평가를 위하여 국내의 대표적 화강 풍화 지층 발달 지역인 홍성 지역을 대상으로 연구를 수행하였다 (Kim,

2001; Sun, 2004). 대상 지역 내 여러 위치에서 지층 구성

과 풍화도 및 전단파 속도 평가를 목적으로 시추 조사 및 현장 탄성파 시험 수행과 더불어 시료를 채취하였으며 , 채취 한 시료에 대하여 실내에서 풍화도 분석 및 공진주 시험을 포함한 다양한 특성 평가 시험을 실시하였다 . 이를 토대로 국내 화강 풍화 지층의 정량적 풍화도와 전단파 속도 분포 특성을 고찰하고 , 아울러 화강 풍화 지층에 대한 표준 관입 시험 N 값과 전단파 속도의 상관관계를 도출하였다 .

2. 홍성 지역의 지반 특성

우리나라는 일반적으로 침식과 풍화가 오랜 동안 지속되어 완만한 경사를 보이는 노년기 지형에 해당되며 , 한반도의 서 쪽 지역에서 이러한 노년기 지형 특성이 두드러진다 ( 이금삼

과 조화룡 , 2000; Sun 등 , 2005). 노년기 지형의 경우 지표

면 부근부터 상당한 시간동안 풍화가 진행되었으므로 기반

암 상부에는 대개 풍화 지층 (weathered layer) 이 분포한다 .

또한 , 지질학적으로 우리나라의 기반암은 남동부 지역 ( 경상

도 및 강원도 남부 ) 에 주로 분포하는 퇴적암을 제외하고는 대부분 화강암이나 화강암질 편마암으로 구성되어 있다 . 특 히 , 화강암은 그림 1 의 지질 연대에 따른 분포에서 확인할 수 있는 바와 같이 한반도 남부의 주요 구성 지체인 경기 육괴 (Gyeonggi Massif), 옥천 습곡대 (Okcheon Belt) 그리고

영남 육괴 (Yeongnam Massif) 에 걸쳐 고르게 분포하며 , 주

로 중생대 쥬라기 (Jurassic period) 에 관입되어 형성되었다

(Chough 등 , 2000). 따라서 한반도 서쪽 지역에 해당되는

노년기 지형이 발달한 지역에서의 기반암은 화강암으로 대 표되며 , 풍화 지층 역시 주로 화강암을 모암으로 발달되었 다 . 특히 , 충청남도와 전라북도 권역은 화강 풍화 지층이 발

달된 대표적 지역으로 알려져 있다 ( 그림 1). 본 연구에서는

이 권역 중에서도 풍화 지층이 두껍게 분포한 지역으로 알 려진 홍성 지역을 연구 대상으로 선정하였다 (Kim, 2001).

홍성 지역의 지리적 위치 및 지질 분포는 그림 1 에서 확인

할 수 있다 . 홍성 지역은 경기 지괴 (Gyeonggi Massif) 내

에 위치하고 있고 쥬라기에 관입된 화강암이 주로 모암을

구성하고 있다 . 또한 , 4km × 4km 대상 지역의 지질도 ( 그림

1 ^{의 좌측 삽입 그림} ) ^{를 확인해 보면} , ^편마암 (gneiss) ^{이 존재}

하는 남동부 일부를 제외하고는 대상 지역 대부분의 지표

지질이 화강암 (granite) 과 충적층 (alluvium) 으로 구성되어 있

다 . 그러므로 홍성 지역에는 기반암 (bedrock) 의 상부로부터

지표 부근까지 모암이 화강암인 풍화암이나 풍화잔류토로 구 성된 풍화 지층이 발달되어 있고 , 일부 하천 부근 지역에 얕은 심도의 충적층이 분포할 것으로 보인다 .

2.1 현장 지반 조사를 통한 홍성 지역의 지층 분포 특성 홍성 지역의 풍화 및 지반 특성을 평가하기 위하여 현장 과 실내에서 다양한 조사 및 시험을 실시하였다 . 조사 위치

그림 1. 국내의 화강암 분포 및 홍성 지역의 지표 지질 분포

는 지질 및 지형 자료를 분석하고 고찰하여 산지 3 개소 , 구 릉 6 개소 그리고 평야 7 개소의 총 16 개소로 결정하였으며 ,

이 중 6 개소에서는 시추 조사 및 표준 관입 시험 (Standard

Penetration Test, SPT) 그리고 시추공 탄성파 시험 (borehole

seismic test) 을 수행하였고 , 표면파를 이용한 탄성파 기법인

SASW(Spectral Analysis of Surface Waves) 시험은 1 개소

( 광경교 ) 를 제외한 15 개소에서 실시하였다 ( 그림 2). 시추공

탄성파 시험 중 다운홀 (downhole) 시험은 6 개소 모두에서

크로스홀 (crosshole) 시험은 그 중 3 개소 ( 청운대 , 홍주중교 ,

홍성군청 ) 에서 실시하였다 . 한편 , 정량적 풍화도 분석 시험은

6 개소의 시추 조사 위치 중 4 개소 ( 청운대 , 광경교 , 소하천 ,

홍성군청 ) 에서 시료를 채취하여 수행하였다 . 대상 지역인 홍 성에서 수행한 지반 조사의 위치 및 위치별 탄성파 시험 내 용은 그림 2 와 같다 .

지층 구분은 풍화잔류토와 풍화암의 경우 병행된 표준 관

입 시험의 N 값 50/15 를 기준으로 결정했으며 , 풍화암과 연

암의 경우 굴진성 및 채취 시료의 육안 판별로 결정하였다 .

SASW 시험 부지에서는 시추공 탄성파 시험으로부터 결정된

지층별 전단파 속도 분포를 토대로 , SASW 시험의 전단파

속도를 이용하여 지층을 구분하였다 (Sun 등 , 2005). 현장 시 험 수행 결과 , 홍성 지역은 비교적 얇은 매립층 및 충적 퇴 적층 하부에 풍화 지층이 두껍게 분포하는 것으로 나타났다 .

한편 각 지층의 전단파 속도를 분석한 결과 , 지층별 전단파

속도의 분포 범위는 매립토 (fill), 퇴적토 (alluvial soil) 및 풍

화잔류토 (weathered residual soil) 와 같은 토사에서는 약

120~410m/s, 풍화암 (weathered rock) 에서는 약 360~540m/s,

연암 이상의 기반암 지층에서는 파쇄가 심한 경우 680m/s

정도에서 비교적 암질 상태가 양호한 경우 1,200m/s 이상까

지 나타났다 .

홍성 지역의 연암 심도는 분지 내의 시가지를 중심으로

15~45m 정도이며 , 일부 부지에서는 45m 이상의 심도에서도

연암이 나타나지 않았다 . 그러므로 홍성 지역은 연암을 포함

한 기반암 상부에 10~40m 두께 또는 그 이상의 풍화 지층

이 분포하고 있는 것으로 판단된다 . 풍화 지층 내의 풍화잔 류토 두께는 위에서 언급한 기준에 따라 분류해 보면

5~30m 정도이다 . 그림 3 은 홍성 지역의 남북 단면 ( 그림 2

참조 ) 의 지층 분포를 수행된 지반 조사 자료를 토대로 전문 가적 관점에서 예측 도시한 것으로서 , 퇴적토에 비해 상대적 으로 두껍게 발달한 풍화잔류토와 풍화암을 확인할 수 있 다 . 홍성 지역에서 발달한 이러한 풍화 지층은 퇴적층 형성 이전의 침식과 더불어 진행된 풍화 뿐만 아니라 퇴적층 형 성 이후 안정적인 풍화 환경으로 인해 발달한 것으로 판단 된다 .

2.2 실내 시험을 통한 홍성 지역의 구성 광물 및 역학 특성

현장에서 채취한 시료를 이용한 X- ^{선 회절} (X-ray

Diffraction, XRD) 분석으로부터 광물 구성 성분을 파악하였

다 . 그 결과 , 홍성 지역은 모암인 화강암의 주구성 광물인 석영 , 운모 및 정장석과 이차 점토 광물인 카올리나이트

(Kaolinite) ^{가 주류를 이루었고} , ^{위치에 따라 세리사이트}

(Sericite) 와 같은 점토 광물도 확인되었다 .

그림 2. 홍성 지역의 지반 조사 위치 및 수행 시험 내력

그림 3. 홍성 지역의 대표적 남북 지층 단면

이와 더불어 흙의 기본 물성치 시험과 강도 정수 결정을 위한 직접 전단 시험을 실시하여 홍성 지역 지반의 대표적 인 역학적 특성을 얻었다 . 시험 결과에 의하면 풍화잔류토는

주로 SW, SP 및 SM 과 같이 모래가 우세한 흙으로 분류되

었고 , 비중은 2.62~2.66, 마찰각은 39~45

^o

, 그리고 점착력은

0.0~0.4kg/cm

²

정도의 범위를 보였다 . 한편 , 2 개소 ( 소하천 ,

홍주중교 ) 에서 각 3 회에 걸쳐서 채취한 풍화잔류토를 현장 상태로 재성형하여 공진주 시험을 수행하고 , 그 결과로부터 전단파 속도를 평가하였다 .

3. 홍성 지역 지반의 풍화도 평가

풍화란 새로운 물리 및 화학적 환경 하에서 안정된 광물 을 생성해 내기 위한 암석과 같은 조립질 광물의 지표 부근

에서의 파쇄와 변화를 의미한다 (Goldich, 1938; 박병기와 이

광찬 , 1999). 풍화는 발생 과정 및 원인에 따라 물리적 , 화

학적 그리고 생물학적 풍화로 나눌 수 있으며 , 공학적 관점 에서는 유기질 표토층과 같은 제한적 상황에서 발생하는 생 물학적 풍화보다는 물리적 풍화와 화학적 풍화를 주요 작용 으로 고려한다 .

3.1 화강암의 풍화 기구

지반공학적 측면에서 관심의 대상이 되어 온 풍화 , 특히 본 연구의 대상이 되는 화강암의 풍화는 주로 물리적 풍화 와 화학적 풍화에 집중되어 왔다 . 물리적 풍화는 화학적 변 화 없이 암석이 부서지는 과정을 의미한다 . 화강암은 마그마 로부터의 응결 및 수축 과정을 통해 생성되며 , ^{융기나 침식}

작용으로 지표면에 노출되면서 응력 이완으로 인해 팽창되 고 균열 및 절리가 발생하게 된다 . 발생한 균열 및 절리는 암반에 침투한 물의 동결 , 내부의 온도 경사 및 결정체의 이방적 열팽창 , ^{건습의 반복 등과 같은 붕괴 촉진 현상이}

발생하면서 더욱 발전하게 되어 물리적 풍화가 진행되고 , 이 들 균열의 경계면에서부터 화학적 풍화가 발생 , 확산된다 .

화학적 풍화는 외부 영향에 의한 화학 작용이 구성 광물 을 이차 점토 광물로 변화시키는 과정을 의미한다 . ^화학적

풍화는 대개 물리적 풍화와 더불어 진행되며 , CO

2

를 포함한 물이 균열이나 간극을 따라 침투하고 사장석이나 흑운모 같 은 광물이 산화 , 환원 , 탄산화 등의 화학 반응에 의하여 규 산의 양이온 용탈 및 수화 작용을 촉진함에 따라 발생된다 .

특히 , 석영이나 정장석보다 사장석 , 흑운모 , 각섬석 등을 많 이 포함하면서 , 물의 공급과 침투가 용이하거나 평탄한 지형 으로 침식이 미약하고 상부에 새로운 퇴적층의 형성으로 장 기 풍화가 가능한 지역에서는 큰 화학적 풍화 작용을 받는 다 . 화강암은 오랜 시간의 용탈 및 분해 작용을 받으면서 입자간의 이완 및 분리가 촉진되고 , 이에 따라 세립화되면서 최종적으로 점토화 되어 간다 . 이로 인해 사장석과 흑운모는 소멸되며 카올리나이트 , 일라이트 (Illite), 깁사이트 (Gypsite),

세리사이트 등의 이차 광물이 생성된다 .

지반 내 흙의 형성에 대한 연구의 일환으로 풍화 과정 및 정도를 정량적으로 파악하기 위한 많은 노력이 있어 왔다

(Kim, 2001). 그 결과로 활용되는 것이 풍화 지수이며 , 광

물 구성의 변화를 이용하는 광물학적 풍화 지수 , X- 선 형광 분석에서 얻은 화학 조성을 이용한 화학적 풍화 지수 , 입자 의 비중 변화 등을 고려하는 물리적 풍화 지수 , ^{미세 균열}

이나 입자 조직의 변화를 이용하는 미세 광물학적 풍화 지 수 등이 대표적인 값들이다 . 그러나 이러한 풍화 지수를 실 제 적용할 경우 , 관찰자에 따라 서로 다른 값이 제시될 수 도 있으므로 사용자의 숙련도를 요하는 경우가 많다 . 따라서 본 연구에서는 보다 객관적으로 풍화 특성을 평가하기 위하 여 정량적 평가가 용이한 화학적 풍화 지수를 토대로 홍성 지역 풍화 지층의 풍화도를 확인하였다 .

화강암이 풍화를 받게 되면 진행 정도에 따라 기존의 화 학 조성이 바뀌게 되는데 , 이러한 풍화 과정은 세 단계로 구분할 수 있다 . 풍화 1 단계에서는 먼저 K

2

O , CaO , Na

2

O ,

MgO , MnO 등의 알칼리 또는 알칼리 토류 금속이 용탈되 고 , 2 ^{단계에서는 SiO}

2

가 서서히 용탈되며 , 3 ^{단계에서는}

Al

2

O

3

, Fe

2

O

3

, TiO

2

가 집적됨과 동시에 강열감량 ( H

2

O ( ± )) 이 급증한다 . 화학 성분인 이러한 산화물들의 변화를 이용하는 기존의 다양한 화학적 풍화 지수를 표 1 에 정리하였다 . 제 시된 풍화 지수의 값은 풍화가 심화되면서 VR , ^CIA , ^CWI

표 1. 화학적 풍화 지수(Tugrul과 Gurpinar, 1997; 박병기와 이광찬, 1999)

제안자 및 기호 화학 성분을 이용한 산정식

Ruxton Ratio,

RR

(Ruxton, 1968)

Weathering Index of Parker,

^WIP

(Parker, 1970) Vogot Ratio,

VR

(Vogot, 1927; Roaldset, 1972)

Modified Weathering Potential Index,

MWPI

(Vogel, 1973) Chemical Index of Alteration,

CIA

(Nesbitt and Young, 1982) Chemical Weathering Index,

CWI

(Sueoka, 1990)

Ignition Loss (

H

2

O

(

±

)),

Li

RR SiO

₂

Al

₂

O

₃

---

=

WIP

²

Na

₂

O

---0.35

MgO

---0.90 2

K

₂

O

---0.25

CaO

---0.70

+ + +

=

VR Al

₂

O

₃+

K

₂

O MgO CaO Na

+ + ₂

O

---

=

MWPI Na

₂

O K

+ ₂

O CaO MgO

+ +

Na

₂

O K

+ ₂

O CaO MgO SiO

+ + + ₂+

Al

₂

O

₃+

Fe

₂

O

₃

--- 100 %× ( )

=

CIA Al

₂

O

₃

Al

₂

O

₃+

CaO Na

+ ₂

O K

+ ₂

O

--- 100 %× ( )

=

CWI Al

₂

O

₃+

Fe

₂

O

₃+

TiO

₂+

H

₂

O

( )±

All Chemical Components

--- 100 %× ( )

=

Li Loss by Ignition

--- 100 %

Mass

× ( )

=

및 Li는 증가하고 , RR , WIP 및 MWPI는 감소한다 . 특히 ,

Li는 화학적 풍화 정도의 판별 뿐만 아니라 화학 성분으로서 의 중요성 때문에 지질학적 측면에서도 크게 활용되고 있으

며 (Kim, 2001), 그 측정의 용이함 때문에 대표적 풍화 지표

로 제시 , 활용되어 왔다 ( 박병기와 이광찬 , 1999). 모암이 같

은 동일 지층의 풍화 조건이면 일반적으로 풍화 정도는 심 도 증가에 따라 감소하게 되므로 , 표 1 의 풍화 지수들의 값 은 심도에 따라 그림 4 에서 도시한 바와 같은 경향을 보일 것이다 . 즉 , 외부 온도의 변화 , 지하수위의 변동 그리고 융 기 , 침식 등의 외부 영향이 심도가 낮을수록 커질 것이고 ,

풍화도도 심도가 낮을수록 심화될 것으로 예측할 수 있다 .

따라서 관련 풍화지수 값들도 이러한 심도에 따른 영향을 반영하여 나타나게 될 것이다 .

3.2 홍성 지역 대상 부지의 풍화 지수

홍성 지역 4 곳 ( 청운대 , 광경교 , 소하천 , 홍성군청 ) 에서 채

취한 시료에 대한 X- 선 형광 (X-ray Fluorescence, XRF) 분

석의 결과로 나타난 구성 화학 성분을 심도별로 표 2 에 제 시하였다 . 각각의 대상 지층은 표 2 에 나타낸 바와 같다 .

비교적 다양한 심도에서 X- 선 형광 분석이 실시된 청운대와 소하천 부지의 분석 결과를 토대로 위에서 제시된 풍화 진

행의 세 단계별로 용탈되는 화학 성분 (eluviated oxides) 및

집적되는 화학 성분 (accumulated oxides) 의 깊이에 따른 변

화를 그림 5 에 도시하였다 . 그림 5 의 각 그래프 좌측 하단 에는 심도 감소 ( 대체로 풍화도 증가 ; 그림 4 참조 ) 에 따른 각 단계별 화학 성분의 일반적인 증감 경향을 실제 결과와 의 비교 목적으로 표시하였다 .

깊이에 따른 화학 성분의 일반적인 증감 경향을 고려해 볼 때 , ^{비록 제한적인 심도 자료에 근거하였다 할지라도 풍}

화잔류토 지층만이 분석 대상인 소하천에 비해 연암부터 풍 화암이 대상인 청운대의 X- 선 형광 분석 결과들이 전형적인 심도별 증감 경향을 잘 보여주고 있음을 그림 5 로부터 알 수 있다 . 구릉지에 위치한 청운대 부지는 지표면부터 연암까

지의 심도가 얕고 3.0~19.5m 의 풍화암과 연암 지층을 분석

대상으로 한 반면 , 평지에 위치한 소하천 부지는 상대적으로 오랜 동안의 안정적 풍화 환경 하에 놓여 있었을 것으로 판

단되고 , ^{따라서 풍화도 분석 대상 심도인} 9.0~20.0m ^{의 지층}

그림 4. 심도에 따른 풍화 지수 증감 경향

표 2. 홍성 지역의 X-선 형광 분석 결과 부지명 지층 구분 및

심도

(m) SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 MgO

^{화학 성분}

CaO Na2O K2O MnO P2O5 Li

청운대

풍화암

3.0 70.99 15.57 0.28 2.38 0.47 0.31 1.41 4.29 0.05 0.03 3.95

6.0 70.96 14.95 0.26 2.46 0.44 0.99 2.77 4.05 0.05 0.03 2.36

8.0 69.91 15.60 0.24 2.16 0.39 0.72 2.90 5.18 0.05 0.03 2.05

10.0 73.90 13.47 0.28 2.32 0.53 0.82 2.87 3.98 0.06 0.06 1.64

연암

12.5 72.11 15.01 0.26 2.04 0.50 1.27 3.75 4.09 0.05 0.10 1.25

14.0 72.72 13.72 0.26 2.46 0.54 1.69 3.04 4.14 0.07 0.11 1.26

19.5 73.33 13.70 0.24 1.86 0.43 0.67 3.45 4.62 0.05 0.07 1.02

광경교 풍화암

7.5 71.12 14.50 0.20 2.98 0.30 0.78 2.54 4.82 0.03 0.07 2.20

9.0 68.69 15.26 0.30 3.46 0.47 1.29 3.46 4.07 0.05 0.06 2.03

소하천 풍화 잔류토

9.0 74.00 14.12 0.24 2.11 0.34 0.31 1.12 4.09 0.06 0.03 3.37

12.5 72.97 15.17 0.19 1.77 0.36 0.70 1.93 4.56 0.06 0.05 2.73

13.5 75.65 13.89 0.19 1.60 0.36 0.74 2.08 4.60 0.05 0.05 1.86

15.0 72.10 15.35 0.20 1.78 0.32 0.84 2.45 3.91 0.05 0.02 2.23

16.5 72.76 14.52 0.22 1.95 0.32 0.80 2.60 4.25 0.06 0.02 1.99

18.0 70.40 15.29 0.22 2.21 0.32 0.89 2.54 4.91 0.06 0.02 2.16

20.0 70.50 15.94 0.23 2.13 0.44 1.24 3.26 3.78 0.06 0.05 2.11

홍성 군청

잔류토 풍화

4.5 70.16 15.74 0.23 1.41 0.34 0.84 2.37 5.10 0.02 0.04 2.39

6.0 73.03 13.58 0.23 2.41 0.35 0.60 2.59 4.14 0.02 0.05 2.13

8.0 72.07 14.15 0.21 2.15 0.32 0.76 2.50 4.70 0.02 0.05 1.80

풍화암

10.0 69.21 15.89 0.19 2.14 0.26 1.09 3.36 4.83 0.03 0.04 1.58

은 이미 상당히 풍화가 진행된 풍화잔류토층이다 . 특히 , 소 하천 부지의 SiO

2

와 Al

2

O

3

는 심도별 변화가 일반적인 경향 과는 오히려 반대로 그리고 Fe

2

O

3

는 그 경향이 상당히 불 규칙하게 분석되었으며 , 이와 같은 분석 값은 그에 따른 화 학적 풍화 지수의 결과에도 큰 영향을 미치게 된다 .

각 시험 위치의 심도별 화학 성분 결과 ( ^표 2) ^{를 이용하여}

기존에 제시된 화학적 풍화 지수들 ( 표 1 참조 ) 을 산정한 결 과를 표 3 에 제시하였다 . 더불어 , 청운대와 소하천 부지에서 의 심도별 풍화 지수 분포를 그림 6 에 도시하였다 . 각 그래 프의 우측 하단에 제시된 범례는 풍화 지수별 심도 감소에 따른 일반적인 증감 경향을 나타낸다 .

청운대 부지 ( 그림 6(a)) 에서는 대부분의 화학적 풍화 지수

가 심도 ( 하부 연암과 상부 풍화암 ) 에 따른 풍화도 변화를 비 교적 잘 반영하고 있으며 , 이는 청운대 부지의 화학 성분들

의 깊이별 변화 경향 ( 그림 5(a)) 이 심도에 따른 보편적 경향

과 대체로 일치하는 결과와 상응한다 . 하부 연암의 화학적 풍화 지수는 심도에 따라 그다지 큰 변화가 없는 것으로 나 타난 반면에 , 그 상부의 풍화암에서는 유동성 화학 성분의

용탈과 TiO

2

의 집적이 많이 발생하여 풍화 지수의 변화가 심하게 나타났다 . ^특히 , ^{풍화도 분석 대상의 가장 상부 심도}

일 뿐만 아니라 풍화잔류토와의 경계 심도인 3.0m 에서는 풍 화가 많이 진행되어 일부 풍화 지수들에서는 삽입 도시된 심도별 분포 경향선과 상당한 차이를 보이기도 하였다 . 이는 연암과 같은 기반암에서는 화학적 풍화보다 물리적 풍화가 지배적이므로 화학적 풍화 지수는 비슷한 값을 보인데 반 해 , 풍화암 또는 풍화잔류토와 같은 풍화 지층에서는 화학적 풍화 작용이 활발하여 심도가 얕아짐에 따라 그 값의 변화 양상이 확연히 나타난 것이다 . 따라서 기반암 조건의 암반에 서 보다 풍화암에서 화학적 풍화도의 변별력이 크고 그 지 수의 유용성도 높은 것으로 판단된다 .

소하천 부지 ( 그림 6(b)) 의 심도별 풍화 지수 분석은 이미

풍화가 상당히 진행된 상태로 간주할 수 있는 풍화잔류토

지층에 대해서만 이루어졌으며 , 일부 풍화 지수의 경우 심도

에 따른 풍화도 변화를 확인하기 어려웠다 . 특히 , 소하천 부

지의 RR은 지표면에 가까워질수록 풍화 정도가 심해지고 지

수가 감소하는 일반적인 경향과는 달리 , 거의 변화가 없거나

그림 5. 홍성 지역 청운대 및 소하천 부지의 심도에 따른 화학 성분 변화

오히려 다소 증가하였다 . 이는 위의 심도별 화학 성분 변화

( 그림 5(b)) 에서 확인된 바와 같이 SiO

2

와 Al

2

O

3

의 깊이에

따른 경향이 보편적 경향 ( ^그림 4 ^참조 ) ^{과는 반대의 분포를}

보이고 있기 때문이다 . RR은 전체 화학 성분들 중 절대 점 유율이 가장 큰 이 두 종류의 화학 성분들간의 비로 정의된 다 ( 표 1 참조 ). CWI도 지표면에 가까워질수록 값의 변화가 거의 없어서 일반적인 풍화 경향과 다르게 나타나는데 , 이는 소하천 부지의 풍화잔류토 지층 내에서의 Fe

2

O

3

가 불규칙하 게 분포할 뿐만 아니라 심도에 따른 TiO

2

의 변화가 매우 미미하기 때문으로 보인다 . 그러나 RR이나 CWI와는 달리 MWPI , VR , CIA 및 WIP는 풍화잔류토의 단일 지층 내에 서도 심도 증가에 따른 풍화도 감소 경향을 대체적으로 잘 나타내고 있다 . 이는 이들 풍화 지수들을 구성하는 성분들 ,

그 중에서도 CaO 및 Na

2

O의 용탈 성분들이 심도 감소에 따른 보편적인 감소 경향과 잘 일치하기 때문이다 . 더불어 강열감량으로 평가하는 Li도 풍화도 및 심도 변화에 따른 경향에 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다 .

그림 6 의 소하천과 청운대 부지의 풍화 지수들을 전체적 으로 살펴보면 , 풍화암 지층에 대해서는 제시된 모든 풍화 지수가 풍화도 변화를 잘 대변하고 있으며 , 풍화잔류토의 경 우 MWPI , VR , CIA , WIP와 Li가 적절한 것으로 나타났다 .

특히 , MWPI , VR 및 WIP의 경우 평가 기준으로서의 적용 가능성이 있음을 알 수 있다 . 홍성 지역 내 4 곳 대상 부지 들의 풍화도 평가 결과를 종합하여 , 연암 , 풍화암 , 풍화잔류 토의 각각에 대한 세 풍화 지수 ( MWPI , VR , WIP ) 값의 범 위 및 평균을 표 4 ^{에 제시하였으며} , ^{심도별 지층 발달에 따}

른 풍화 지수의 증감 경향과 제시된 값의 변화가 일치하고

있음을 알 수 있다 . 비록 , 제한적인 자료로부터 도출된 지층 별 값일 지라도 정량적으로 풍화도가 평가되지 않은 경우 표 4 ^{에 제시된 풍화 지수의 값은 홍성 지역에서의 예비적인}

풍화도 판단의 지표로 활용 가능할 것으로 보인다 .

4. 홍성 지역 지반의 전단파 속도 분포

4.1 깊이별 전단파 속도 분포

홍성 지역 6 개소의 위치에서 크로스홀 및 다운홀 시험과

같은 시추공 탄성파 시험 , SASW 시험 그리고 실내 공진주

시험으로부터 결정한 깊이별 전단파 속도 분포를 표준관입 시험의 N값과 함께 그림 7 에 도시하였다 . 각 시험별 분포와

더불어 Sun 등 (2005) 이 적용한 방법에 따라 시험 결과들을

종합하여 도출한 대표 전단파 속도 (Representative V

S

) 를 제

시하였다 . 시험 방법에 따라 단일 부지의 동일 심도에서도 전단파 속도가 차이를 보이기는 하지만 , 홍성 지역 대상 부 지의 대부분에서 깊이 증가에 따른 전단파 속도의 증가 경 향을 확인할 수 있다 . 즉 , 동일 위치에서 지표면 부근에 분 포하는 상부의 매립토나 퇴적토에 비해 풍화잔류토와 풍화 암으로 구성되는 하부 풍화 지층에서 전단파 속도가 크게 나타나며 , 단일 지층 내에서도 심도가 증가할수록 대체로 전 단파 속도도 커지는 경향을 보인다 . 이는 심도 증가에 따른

간극비의 감소와 구속압의 증가가 그 원인이다 (Seed 와

Idriss, 1970). 특히 , 풍화잔류토층의 경우 깊이에 따른 전단

파 속도의 증가율이 다른 층에 비해 다소 크게 나타나는데 ,

이는 풍화도가 깊이에 따라 감소하기 때문이다 . ^즉 , ^{풍화 지}

층에서 깊이가 증가할수록 풍화도는 감소하면서 간극비가 작 표 3. 홍성 지역의 화학적 풍화 지수

부지명 지층 구분 및 심도

(m) RR WIP VR

^{화학적 풍화 지수}

MWPI CIA CWI Li

청운대

풍화암

3.0 4.56 43.28 9.10 6.78 72.18 22.25 3.95

6.0 4.75 50.16 4.52 8.54 65.67 20.17 2.36

8.0 4.48 59.50 5.18 9.49 63.92 20.20 2.05

10.0 5.49 50.03 4.13 8.38 63.71 17.72 1.64

연암

12.5 4.80 56.52 3.46 9.73 62.23 18.49 1.25

14.0 5.30 53.55 3.39 9.58 60.73 17.70 1.26

19.5 5.35 58.14 4.03 9.35 61.04 16.91 1.02

광경교 풍화암

7.5 4.91 54.49 5.35 8.69 64.07 19.96 2.20

9.0 4.50 54.72 3.71 9.61 63.36 21.23 2.03

소하천 풍화 잔류토

9.0 5.24 39.99 10.31 6.10 71.88 19.88 3.37

12.5 4.81 48.90 6.62 7.74 67.85 19.77 2.73

13.5 5.45 50.14 5.84 7.86 65.20 17.35 1.86

15.0 4.70 46.87 5.33 7.78 68.04 19.70 2.23

16.5 5.01 50.40 5.04 8.21 65.48 18.78 1.99

18.0 4.61 55.41 5.40 8.96 64.71 20.07 2.16

20.0 4.42 51.10 3.99 8.96 65.82 20.46 2.11

홍성 군청

잔류토 풍화

4.5 4.46 55.92 5.88 9.01 65.46 20.04 2.39

6.0 5.38 49.19 5.00 7.95 64.92 18.50 2.13

8.0 5.09 53.29 5.27 8.56 64.01 18.55 1.80

풍화암

10.0 4.36 59.68 4.40 9.85 63.14 20.08 1.58

아지므로 흙 입자를 통과하는 전단파 속도는 빨라지게 된다 .

현장 탄성파 시험과 더불어 소하천과 홍주중교에서 채취한 풍화잔류토 시료를 현장 조건에 맞추어 재성형한 후 공진주

시험을 수행하여 평가된 전단파 속도를 그림 7(b) 와 그림

7(e) 에 도시하였다 . 이로부터 시추공 탄성파 시험과 공진주 시험을 이용하여 결정한 전단파 속도가 유사함을 확인하였 다 . 따라서 현장 탄성파 시험이 수행되지 않은 경우 현장 조건에 맞추어 실내 공진주 시험을 수행함으로써 전단파 속 도를 결정할 수 있을 것으로 판단된다 .

홍성 지역의 주요 발달 지층인 풍화 지층의 전단파 속도 에 대한 분포 범위를 알아 보기 위하여 본 연구 대상 부지 들의 대표 전단파 속도들을 종합하여 풍화 지층에서의 깊이 별 평균 전단파 속도 분포를 그림 8 과 같이 도시하였다 . 그

림 8(a) 에는 전단파 속도의 평균과 더불어 표준편차 (standard

deviation, SD) 의 범위도 제시되어 있으며 , 깊이 증가에 따

라 전단파 속도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다 . ^또한 ,

그림 8(b) 에는 풍화 지층을 구성하는 풍화잔류토층과 풍화암

층을 구분하여 도시하였으며 , 이로부터 풍화잔류토층은

200~400m/s 그리고 풍화암층은 300~500m/s, 또한 전체 풍

화 지층으로 볼 때는 200~500m/s 범위의 전단파 속도를

가지는 것으로 나타났다 . 다만 , 본 연구의 결과는 비교적 적 은 수의 대상 부지에 대한 조사로부터 제시되었으므로 , 더욱 신뢰성 높은 홍성 지역 풍화 지층의 전단파 속도 분포를 얻 기 위해서는 지속적인 조사와 연구가 필요할 것이다 .

4.2 홍성 지역 풍화 지층에서의 전단파 속도와 N 값의 관계

전단파 속도는 지반의 대표적 동적 특성으로서 주로 현장 그림 6. 홍성 지역 청운대 및 소하천 부지의 심도에 따른 풍화 지수 분포

표 4. 대표적 풍화 지수(MWPI, VR , WIP)의 지층별 분포 범위 풍화 지수

구분 지층 구분

대표적인 화학적 풍화 지수

^*

MWPI

( % ) VR ( ) WIP (

)

평균 범위 표준

편차 평균 범위 표준

편차 평균 범위 표준

최대 최소 최대 최소 최대 최소 편차

풍화잔류토

8.11 9.01 6.10 0.87 5.87 10.31 3.99 1.70 50.12 55.92 39.99 4.57

풍화암

8.76 9.85 6.78 1.05 5.20 9.10 3.71 1.81 53.12 59.68 43.28 5.82

연암

9.55 9.73 9.35 0.19 3.63 4.03 3.39 0.35 56.07 58.14 53.55 2.33

*

괄호

()

안의
와 는 연암

,

풍화암

,

풍화잔류토의 지층 발달 순서

(

심도 감소

)

에 따른 풍화 지수의 일반적인 증감 경향을 나타냄

.

탄성파 시험을 통해 깊이별 분포를 결정하게 된다 . 그러나 탄성파 시험은 일반적인 기초 , ^{굴착 등의 지반 구조물 설계}

에 필요한 기존 지반 조사에서는 수행되지 않고 있으며 , 대 형 구조물 설계 또는 지진공학적인 연구가 필요한 경우에만 제한적으로 실시된다 . 반면에 대부분의 지반공학적 부지 조 사를 수행할 경우 시추 조사시 표준 관입 시험을 병행하여

깊이별 N 값을 획득하게 된다 ( 그림 7 참조 ). N 값은 지반 의 역학적 특성 , ^{특히 강성도와 밀접한 관련이 있는 만큼} ,

전단파 속도와도 관련지어 생각할 수 있다 . 따라서 N값과 전단파 속도의 경험적 관계 설정을 통해 기존 지반 조사 자 료로부터 깊이별 전단파 속도의 결정이 가능하다 .

전단파 속도의 합리적 결정 측면에서 본 연구의 현장 탄

그림 7. 홍성 지역 시험 대상 부지들의 심도별 전단파 속도 및 N 값 분포

성파 시험 기법에 대해 살펴 보면 , 일반적으로 크로스홀 , 다

운홀 그리고 SASW 시험의 순서로 신뢰성이 높은 것으로

알려져 있다 (Sun 등 , 2005). 즉 , 비파괴 표면파 시험인

SASW 시험에 비해 시험공을 이용하는 탄성파 시험의 결과

신뢰도가 높으며 , 지표면 발진과 지중 수진의 다운홀 시험에 비해 지중 발진 및 수진의 크로스홀 시험을 통해 획득한 지 반 전단파 속도의 신뢰도가 높다 . 이에 전단파 속도와 N 값 의 상관관계 결정을 위한 홍성 지역 풍화 지층의 전단파 속 도는 크로스홀과 다운홀 시험의 결과만을 활용하였다 . 또한 ,

현장에서 표준 관입 시험 수행시 N 값이 50 이상인 단단한 풍화잔류토와 풍화암 지층 내의 심도에서는 선형 증가 외삽

으로 가정하여 30cm 관입에 상응하는 N 값으로 환산하고

적용 자료로 이용하였다 ( 오석훈과 선창국 , 2004; 선창국 등 ,

2005a). 현장 시추시 일정 심도 증가에 따라 병행되는 표준

관입 시험은 각 시험 간에 정량적으로 통일되지 않은 다른 상황 ( 해머의 종류 , 해머 낙하 방법 , 시추공의 직경 , 지반 상 태 , 롯드 길이 , 작업 능력 차이 , 유효 상재압 등 ) 이 존재하 게 되므로 현장에서 측정된 N 값의 절대적 의미가 달라질

수 있다 ( 오석훈과 선창국 , 2004). 이에 따라 본 연구에서는

현장에서 실측된 N 값과 더불어 보정 N 값 (( N

1

)

60

; 60% 의

해머 에너지 효율 , 시추공 직경 , 시료 채취 방법 , 롯드 길이 그리고 유효 상재압을 고려해 보정된 N 값 ) 을 이용하여 전 단파 속도와의 상관관계를 도출하였으며 , ^그림 9 ^{에 본 연구}

에서 N 값의 지수 함수 (exponential function) 형태로 도출

된 전단판 속도와의 관계를 제시하였다 . 비록 결정계수

(coefficient of determination, R

²

) 로 정량화되는 상관도가 모두 낮게 나타났지만 , ^{보정 전의 현장 실측 N 값을 이용한}

상관관계 ( 그림 9(a)) 가 보정 N 값을 이용한 관계 ( 그림 9(b))

에 비해 유용성이 다소 좋을 것으로 보이며 , 보정 과정 없 이 실측 N 값을 바로 적용할 수 있으므로 현업에 대한 실 무적 활용성 또한 유리할 것으로 보인다 .

그림 9 에서 확인할 수 있는 바와 같이 , 홍성 지역 풍화 지층에서의 전단파 속도와 N 값의 상관관계는 현장 실측 N 값이나 보정 N 값의 모든 경우에서 기존 해외 상관관계들

(Imai 와 Yoshimura, 1970; Ohsaki 와 Iwasaki, 1973; Ohta

와 Goto, 1978; Imai 와 Tonouchi, 1982) 뿐만 아니라 국내

상관관계들 ( 선창국 등 , 2005a; 2005b) 과도 차이를 보였으며 ,

특히 N 값의 지수 (exponent; 대수 - 대수 관계의 기울기 ) 가

작게 나타났다 . ^그림 9 ^{에 제시된 본 연구 및 기존 연구의}

전단파 속도와 N 값의 상관관계들은 표 5 에 종합 정리하였 다 . 비록 , 국내외의 기존 상관관계들이 풍화 지층 조건만을 대상으로 제안된 관계도 아니고 본 연구의 대상 자료 수가 적고 제한적이며 상관도가 낮을 지라도 , 본 연구의 홍성 지 역 화강 풍화 지층에 대한 상관관계식의 지수 ( 약 0.2) 는 기

존 관계식의 지수 ( 약 0.3~0.4) 에 비해 매우 작게 도출되었

고 , N 값이 1 일 때의 홍성 지역의 절편 ( 약 120) 은 기존의

절편 ( 약 65~97) 에 비해 다소 크게 결정되었다 . 이는 기존

관계식들의 대상인 여러 지층들과 비교해 볼 때 홍성 지역 풍화 지층에서의 전단파 속도가 얕은 심도와 같이 N 값이 작은 경우 일반적인 지층에 비해 상대적으로 크게 그리고 심도가 깊어서 N 값이 큰 경우 상대적으로 작게 나타남을 의미한다 . 그러므로 홍성 지역 화강 풍화 지층의 전단파 속 도는 심도 증가에 따라 확연하게 증가하기 보다는 약

200~500 m/s 의 범위에서 점진적으로 증가하는 지역적 고유

특성을 갖는 것으로 판단된다 .

그림 8. 홍성 지역 풍화 지층의 평균 전단파 속도 분포

그림 9. 홍성 지역 풍화 지층에서의 전단파 속도와 N 값의 상관

관계

5. 홍성 지역 풍화 지층에서의 풍화도와 전단파 속 도 및 N 값의 관계

연구 대상인 홍성 지역의 풍화 지층에서 전단파 속도에 대한 풍화도의 영향을 알아보기 위하여 , 풍화도 평가 목적으 로 선정된 4 곳 부지들 ( 청운대 , 광경교 , 소하천 , 홍성군청 ) 에 서의 현장 탄성파 시험으로부터 결정된 대표 전단파 속도를 화학적 풍화 지수들과 비교하였다 . 다양한 풍화 지수들 중 위에서 풍화도의 합리적 지표로 파악된 MWPI , VR , WIP와 전단파 속도의 관계를 그림 10 에 제시하였다 . 그림 10 의 관 계 그래프들에서 심도가 깊어질수록 감소되는 VR은 100/ VR 의 형태로 변환시켜 풍화도 관련 좌표 값이 전단파 속도와 비례하도록 도시하였다 . 비록 , 층 경계인 청운대 3.0m 심도

와 소하천 9.0m 심도에서 분석 대상 자료가 일반적인 상관

관계에서 벗어나 있고 결정계수 (R

²

) 값도 100/ VR이 가장 높

은 0.17 을 보일 정도로 상관성이 매우 낮지만 , MWPI , WIP

그리고 100/ VR의 증가에 따라 부지의 대표 전단파 속도도

대체적으로 선형 증가함을 확인할 수 있었다 . 그림 10 의 상 관관계식들은 층 경계의 불규칙한 자료들을 제외하고 구한 것이다 . 제시된 관계식들은 제한된 홍성 지역 내의 지극히 소규모 자료에 근거하여 도출한 것이므로 , 화강암의 기반암 및 풍화 지층에 대한 전단파 속도와 화학적 풍화 지수의 정 량적 관계라고 보기는 어려우며 , 보다 충분한 대상 확보 및 분석 수행을 통한 지속적 보완이 필요할 것으로 판단된다 .

홍성 지역의 화강 풍화 지층에 대한 전단파 속도와의 관 계 분석에서 이미 지수 함수 형태로 상관관계식이 도출된 N 값을 세 종류의 대표적 풍화 지수들 ( MWPI , VR , WIP ) 과 정량적으로 비교하였다 . N 값은 오랫동안의 실무적 지반 조 사를 통해 매우 광범위한 자료 축적이 진행되어 왔으므로 N 값을 활용하여 화강 풍화 지층 부지의 깊이별 풍화도를 예 측할 수 있게 되면 , 기존의 보편적 지반 조사 자료를 이용 한 국내 여러 지역에서의 경험적 풍화도 분석이 가능할 수 있다 . ^그림 11 ^{은 대표적인 화학적 풍화 지수들과 N 값의}

관계 분석을 위하여 MWPI , WIP 및 100/ VR과 N 값의 관

계를 도시한 것으로서 , 풍화 지수와 전단파 속도의 관계 ( 그

림 10 참조 ) 처럼 청운대 3.0m 및 소하천 9.0m 심도 자료

는 일반적인 경향에서 어긋나 있음에 따라 전체 회귀 분석 의 대상 자료에서 제외시켰다 . 그림 11 의 풍화 지수와 N

값의 관계에서 결정계수 ( 약 0.17~0.50) 토대의 상관도는 풍

화 지수와 전단파 속도의 관계 ( 그림 10) 에 비해서는 높게 나타났다 . ^{홍성 지역 풍화 지층에 대해 분석된 풍화 지수와}

전단판 속도의 상관관계 ( 그림 10) 그리고 풍화 지수와 N 값

의 상관관계 ( 그림 11) 를 표 6 에 전체적으로 정리하여 제시하 였다 . 미소 변형률 수준의 변형 특성인 전단파 속도는 동적 관입을 통해 획득되는 N 값과는 달리 지반 변형 특성에 직 표 5. 홍성 지역 풍화 지층 및 기존의 전단파 속도와 N 값의

상관관계

제안자 상관관계

홍성 지역 풍화 지층에서의

현장 실측

N

값 활용

VS=122.33N^0.185(R²=0.342)

홍성 지역 풍화 지층에서의

보정

N

값

((N1)60)

활용

VS=120.20(N1)600.196(R²=0.325)

선창국 등

(2005a) ^VS=65.55N^0.40

선창국 등

(2005b) ^VS=93N^0.325 Imai

와

Tonouchi (1982) ^VS=97N^0.314 Ohta

와

Goto (1978) ^VS=85N^0.348 Ohsaki

와

Iwasaki (1972) ^VS=82N^0.39 Imai

와

Yoshimura (1970) ^VS=76N^0.33

그림 10. 홍성 지역 풍화 지층에서의 풍화 지수와 전단파 속도의

관계

접 연관된 정량적 지표로 고려해 볼 수 있으나 , 본 연구에 서는 그러한 정량적 특성의 고려 여부에 관계 없이 풍화도 에 대한 상관관계에 있어서 N 값이 전단파 속도에 비해 상 관도가 다소 높게 나타났다 . 이러한 경향은 제한적 자료에 근거한 지반 변형 특성의 부분적 고찰 및 분석으로는 규명 될 수 없을 것으로 보이며 , 보다 광범위한 자료를 이용한 광물학적 분석 , ^{지반 강도 특성 분석 등의 다각적 연구를}

통해 체계적으로 그 원인 분석이 이루어 져야 할 것으로 판 단된다 .

풍화 지수는 위의 N 값에 따른 전단파 속도의 관계 ( 지수 함수 ; 그림 9 참조 ) 와 전단파 속도에 따른 풍화 지수의 관 계 ( 선형 함수 ; 그림 10 참조 ) 의 두 관계로부터 예상할 수 있는 바와 같이 N 값의 지수 함수 형태로 증가하는 경향을 보였다 . 특히 , VR과 N 값의 관계의 경우 전단파 속도와 N 값의 상관도 (R

²

= 0.33~0.34) 보다도 그 상관도 (R

²

= 0.50) 가 높게 결정되었다 . 풍화 지수와 N 값의 관계를 전체적으로 살펴볼 때 , 아직은 대상 부지가 제한적이고 분석 자료의 개 수도 적지만 홍성 지역 화강 풍화 지층에서의 화학적 풍화 지수들과 N 값의 상관관계를 예비적으로 도출할 수 있었다 .

그러므로 보다 다양한 지역의 화강 풍화 지층에서의 풍화도 분석 자료 확보 및 N 값과의 관계 분석이 이루어 질 경우 N 값을 이용한 풍화도의 경험적 평가가 가능할 것으로 판단 된다 . 특히 , 홍성 지역에서는 여러 화학적 풍화 지수들 중에 서도 깊이별 분포 , 전단파 속도나 N 값과의 상관도에 근거 해 볼 때 , VR이 공학적 활용성이 높고 대표적인 화학적 풍 화 지수로 제시될 수 있을 것으로 보인다 .

6. 요약 및 결론

화강 풍화 지층이 두껍게 발달한 홍성 지역의 지반을 대 상으로 풍화도와 대표적 동적 특성인 전단파 속도를 종합적 으로 평가하기 위하여 현장과 실내에서 다양한 조사 및 분 석을 수행하였고 , 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1. 홍성 대상 지역 내의 16 개소 부지들에서 수행된 시추 및 현장 탄성파 시험과 같은 지반 조사로부터 시가지를 중심 으로 한 평야 및 구릉지에서 기반암인 화강암의 오랫 동 안의 풍화 작용으로 형성된 풍화잔류토와 풍화암의 풍화

지층이 최대 40m 정도의 두께로 발달해 있었다 .

2. ^{지반 조사 부지 중} 4 ^개소 ( ^청운대 , ^광경교 , ^소하천 , ^홍성군

청 ) 의 부지들을 대상으로 심도별 X- 선 형광 분석을 실시 하여 화학적 풍화 지수를 결정하였고 , 청운대와 소하천 부 지의 심도별 풍화 지수 분포로부터 홍성 지역 화강 풍화 지층에서 심도 증가에 따른 풍화도의 감소 경향을 소하천 부지의 RR 및 CWI를 제외한 대부분의 풍화 지수에서 확 인하였다 . 풍화 지수들의 전체적인 경향 분석 결과를 토대 로 홍성 지역 화강 풍화 지층에서의 깊이별 풍화도 판별 을 위한 합리적인 화학적 풍화 지수로서 MWPI , VR 및 WIP를 대표적으로 제시하였다 .

그림 11. 홍성 지역 풍화 지층에서의 풍화 지수와 N 값의 관계

표 6. 홍성 지역 풍화 지층에서의 풍화 지수와 전단파 속도 및 N 값의 상관관계

지반 특성 풍화 지수 상관관계

R²

전단파 속도

MWPI MWPI=0.004VS+7.510 0.165 VR 100/VR=0.018VS+14.611 0.172 WIP WIP=0.015VS+48.320 0.112

현장 실측 N 값

MWPI MWPI=6.080N^0.081 0.260 VR 100/VR=7.731N^0.216 0.499 WIP WIP=42.683N^0.049 0.168

3. 시추공 탄성파 시험이 수행된 6 개소의 부지들 ( 청운대 , 소 하천 , 홍성군청 , 광경교 , 홍주중교 , 택지 ) 에서 결정한 홍성 지역 풍화 지층의 전단파 속도는 깊이 증가에 따라 전반 적으로 증가하였고 , 실내 공진주 시험으로부터 구한 전단 파 속도와도 대체적으로 유사하게 나타났다 . 풍화 지층을 구성하는 풍화잔류토층과 풍화암층은 각각 200~400m/s 와

300~500m/s 의 전단파 속도 분포 범위를 보였다 .

4. 홍성 지역 화강 풍화 지층에서의 시추공 탄성파 시험으로 부터 획득한 전단파 속도와 현장 실측 N 값 및 보정 N 값 (( N

1

)

60

) 과의 상관관계들을 지수함수 형태로 도출하였으

며 , 홍성 지역 화강 풍화 지층의 전단파 속도가 200~500

m/s 정도의 전단판 속도 범위에서 심도 증가에 따라 점진

적으로 증가하는 지역적 특성을 보임에 따라 두 경우 모 두 기존 국내외 상관관계에 비해 지수함수의 절편은 다소 크고 지수는 매우 작게 결정되었다 .

5. 대표적 풍화 지수들 ( MWPI , VR (100/ VR ), WIP ) 과 전단 파 속도 및 N 값 간의 관계성을 분석해 본 결과 , 일부 심도 자료의 경우 경향에서 상당히 벗어 났고 상관도는 낮게 결정되었지만 전단파 속도와의 개략적인 선형 증가 관계를 확인할 수 있었으며 , 비교적 양호한 상관도를 보인 N 값과의 관계에서는 지수 함수 형태의 증가 경향을 보임 에 따라 N 값을 이용한 풍화도의 경험적 평가 가능성을 확인하였다 . 특히 , VR은 홍성 지역 화강 풍화 지층에서의 대표적 풍화 지수로서 공학적으로 활용성이 높을 것으로 판단된다 .

감사의 글

본 연구는 한국지질자원연구원 기본 사업인 ‘ 지진통합관측 망 운영 및 신속경보시스템 개발 연구 ( 부산 - 경남 지역 )’ 과제 의 지원과 서울대학교 공학연구소의 연구 협조로 수행되었 으며 , 이에 깊이 감사드립니다 .

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(

접수일

: 2006.7.20/

심사일

: 2006.8.22/

심사완료일

: 2006.8.22)