흙과 암반의 공학적 분류

▨ 흙과 암반의 공학적 분류

1. 흙의 분류 및 기재방법

∙흙의 분류는 성질이 다른 여러 흙을 간단한 시험을 근거로 몇 가지 부류로 나누어 사전에 그 공학적 성질을

파악할 목적으로 시행함

구    분	설                명
흙의분류	∙흙의 공학적 분류방법(KS F 2324)인 통일분류법(USCS)을 기준으로 분류
기재방법	∙시추주상도의 지층구분은 통일된 기호를 사용 ∙N-치에 의해 상대밀도 및 연경도를 파악하고 채취된 교란시료의 육안관찰 및 실내시험에 근거하여 통일분류법으로 흙을 분류하여 기재
기술내용	∙연경도 및 사질토의 상대밀도와 습윤상태, 색조, N-치 등을 고려하여 기재 ∙함수상태는 건조(Dry), 습윤(Moist), 젖음(Wet) 및 포화상태(Saturated)로 구분 ∙색조는 흑색, 갈색, 홍색, 적색, 황색 등에 담(연한)과 암(진한)의 접두어를 사용하였음

 

가. 흙의 분류기준

1) 육안관찰에 의한 분류법(건교부 표준품셈)

구  분	토립자의 육안적 판별과 일반적인 상태	손으로 쥐었다 놓음		습윤상태에서 손가락으로 끈모양으로 꼴때
		건 조 상 태	습 윤 상 태
모  래 (Sand)	∙개개 입자의 크기가 판별될수 있는 입상임 ∙건조상태에서 흘러 내림	∙덩어리로 되지 않고 흐트러짐	∙덩어리지나 가 볍게 건드리면 흐트러짐	∙끈모양으로    꼬아지지 않음
실트섞인 모래 (Silty Sand)	∙입상이나 실트, 점토가 섞여서 약간 점성이 있음 ∙모래질의 특성이 우세함	∙덩어리지나 가 볍게 건드리면 흐트러짐	∙덩어리지며 조 심스럽게 다루면  부서지지 않음	∙끈모양으로   꼬아지지  않음
모래섞인 실트 (Sandy Silt)	∙적당량 세립사와 소량의 점토를 함유하고 실트입자 50% 이상임 ∙건조되면 덩어리가 쉽게 부서져서 가루가 됨	∙덩어리지며 만 져도 부서지지 않음 ∙부서지면 밀가 루와 같은 감촉	∙덩어리지며 자 유롭게 다루어도  부서지지 않음 ∙물 부으면 서로 엉킴	∙끈모양으로 꼬​    아지지 않으나   작게 끊어지고 부드럽고 약간의  점성이 있음
실  트 (Silt)	∙세립사와 점토함량이 극소량이고 실트입자 함량이 80% 이상 ∙건조되면 덩어리지나 쉽게 부서져 밀가루 감촉의 가루가 됨	∙덩어리지며 자 유롭게 만져도 부서지지 않음	∙덩어리지며 자 유롭게 만져도 부서지지 않으며  물에 젖으면 엉킴	∙완전히 꼬아지 지는 않으나 작게  끊어지는 상태로  꼬아지고 부드 러움
점  토 (Clay)	∙건조되면 아주 딱딱한 덩어리의 상태로 됨 ∙건조상태에서 잘 부서지지 않음	∙덩어리지며 자 유롭게 만져도 부서지지 않음	∙덩어리지며 자 유롭게 만져도 부서지지 않으며  찰흙상태로 됨	∙길고 얇게 꼬 아짐. 점성이 큼

 

2) 통일분류법(KS F 2324, 국도건설공사 설계실무 요령, 2004)

주 요 구 분			기호	대표적인 흙	분   류   기   준
조립토 (Coarse- Grained Soil)   200번체 (0.075mm)에 50% 이 상 남 음	자 갈 (Gravel)   4번체 (4.76mm)에 50% 이 상 남 음	세립분이 약간 또는 거의 없는 자갈	GW	입도분포가 좋은 자갈 또는자갈과 모래의 혼합토, 세립분이 약간 또는 없음	세립분의 함유율에 의한 분 류     200번체 통과율이 5% 이하인 경우 GW, GP, SW, SP       200번체 통과율이 12% 이상인 경우 GM, GC, SM,  SC     200번체 통과율이 5-12%인 경우 2중 문자로 표시	Cu > 4,  Cu = D60/D10   1< Cg < 3    Cg=(D30)2/(D10 × D60)
						GW의 조건이 만족되지 않을때
			GP	입도분포가 나쁜 자갈 또는 자갈과 모래의 혼합토, 세립분이 약간 또는 없음
						Atterberg 한계가 A선 밑 또는 소성지수가 4 이하	소성지수가 4-7이면서 Atterberg한계가 A선 위에  존재 할 때는 2중문자 표시
		세립분을 함유한 자  갈	GM	실트질의 자갈, 자갈‧모래‧실트의 혼합토
						Atterberg 한계가 A선 위 또는 소성지수가 7 이상
			GC	점토질의 자갈, 자갈‧모래‧점토의 혼합토
	모래 (Sand)   4번체 (4.76mm)에 50% 이 상 통 과	세립분이 약간  또는 거의 없는 모래	SW	입도분포가 좋은 모래 또는 자갈질의 모래, 세립분은 약간 또는 없음		Cu > 6 1 < Cg < 3
			SP	입도분포가 불량한 모래 또는 자갈질 모래		SW의 조건이 만족되지   않을때
						Atterberg 한계가 A선 밑에 있거나 소성지수가 5이하	소성지수가 4-7이면서 Atterberg한계가 A선 위에  존재 할 때는 2중문자 표시
		세립 분을 함유한 모  래	SM	실트질의 모래, 모래와 실트의 혼합토
			SC	점토질의 모래, 모래와 점토의 혼합토		Atterberg 한계가 A선 밑에 있거나 소성지수가 7이상
세립토 (Fine- Grained Soil)  200번체 (0.075mm)에 50% 이 상 통 과	액성한계 50% 이하인 실트나  점토		ML	무기질의 실트, 매우 가는 모래, 암분, 소성이 작은 실트질의 세사나 점토질의 세립사	ㆍ소성도(Plasticity Chart)는 세립토에  함유된 세립분과 세립토를 분류하기 위해 사용 ㆍ소성도의 빗금 친 곳은 2중문자로 표기
			CL	소성이 중간치 이하인 유기질점토, 자갈질점토, 모래질점토, 실트질점토
					세립토의 분류를 위한 소성도
			OL	소성이 작은 유기질 실트 및 점토
	액성한계 50% 이상인 실트나 점토		MH	무기질 실트, 운모질 또는 규소의 세사 또는 실트질 흙, 탄성이 큰 실트
			CH	소성이큰 무기질 점토, 탄성이 큰 점토
			OH	탄성이 중간치 이상인 유기질 점토
고유기성 흙			Pt	이탄 및 그 밖의 유기질을 많이 함유한 흙

 

나. 토질의 기재방법

    ∙흙의 상태에 대한 기재내용은 연경도, 함수상태, 색조 등으로 다음과 같은 방법에 의하여 시추주상도에 기재하였음

 1) 흙의 기재사항

구    분	기   재   사   항	비   고
주 상 도	∙흙의 분류, 상대밀도, 연경도, 습윤도, 색 등	시추시 채취된 교란시료를 육안관찰 확인후 기재
함수상태	∙건조, 습윤, 젖음, 포화 등으로 표기 ∙현장에서 판단되는 함수비의 정도로부터 평가
색    조	∙흑색, 갈색, 회색, 적색, 황색 등 기본색을 기준 ∙연함과 진함의 명암 및 혼색에 대한 서술용어를 접두어로 사용

  

2) 상대밀도 및 연경도

사질토의 상대밀도			점성토의 연경도
관입저항값(N-치)	상 대 밀 도		관입저항값(N-치)	연  경  도
4  이하 4 ～ 10 10 ～ 30 30 ～ 50 50  이상	매우 느슨(Very Loose) 느    슨(Loose) 보통 조밀(Medium Dense) 조    밀(Dense) 매우 조밀(Very Dense)		2 이하 2 ～ 4 4 ～ 8 8 ～ 15 15 ～ 30 30 이상	매우 연약(Very Soft)  연    약(Soft) 보통 견고(Medium Stiff) 견    고(Stiff) 매우 견고(Very Stiff) 고    결(Hard)
※점성토의 연경도 : Terzaghi와 Peck 제안, 사질토의 상대밀도 : Peck 제안

  

 3) 시료의 함수상태

함  수  비(%)	상          태	비   고
0 ～ 10	건   조(Dry)
10 ～ 30	습   윤(Moist)
30 ～ 70	젖   음(Wet)
70  이상	포   화(Saturated)

 

 4) 시료의 색조

구   분

색

색

1

담

암

2

분홍

홍

황

갈

감람

녹

회

3

분홍

적

황

갈

감람

녹

청

백

회

흑

​  ※시료의 색조는 회색, 갈색, 황색 등의 기본색에 필요에 따라 연한(담), 짙은(암) 등과 같은 접두어를 사용하여 기재

 

2. 암반의 분류 및 기재방법

가. 암반의 분류기준

1) 건설교통부 표준품셈에 의한 분류기준

    ∙조사지역에 분포하는 기반암은 지반조사시 암반분류기준에 의거하여 연암, 경암의 2등급으로 분류하였음

암반분류	지질조사에 의한 분류기준	지   질   특   성
연  암	∙TCR : 20～40%, RQD : <25% ∙Js : 6cm～20cm ∙일축압축강도(건조상태) :   700～1,000kgf/cm2	∙암의 내부를 제외하고 균열을 따라 다소 풍화가 진척되어 있으며, 장석 및 유색광물이 변색됨 (심한 풍화～보통 풍화) ∙햄머로 1～2회 치면 둔탁음을 내고 부서지거나 갈라짐
보통암	∙TCR : 40～70%, RQD : 25～50% ∙Js : 15cm～30cm ∙일축압축강도(건조상태) :   1,000～1,300kgf/cm2	∙절리면을 따라 다소 풍화 진행, 석영을 제외한 장석 및 유색광물 일부 변색됨(보통 풍화～약간 풍화) ∙햄머타격시 탁음을 내고 2～3회에서 갈라지며, 갈라진 면이 날카로움
경  암	∙TCR : >70%, RQD : >50% ∙Js : 20cm～50cm ∙일축압축강도(건조상태) :   1,300～1,600kgf/cm2	∙대체로 신선하며, 절리면을 따라 약간 풍화, 암내부는 대체로 신선함(약간 풍화～신선) ∙햄머타격시 금속음을 내고 잘 부서지지 않으며, 튀는 경향을 보임

 

2) 암석의 일축압축강도에 따른 분류기준(한국기술용역협회)

시대구분	암 종	풍화암	연    암	중 경 암 (보 통 암)	경    암	극 경 암
제 3 기	퇴적암 화성암	각 암석의 풍화암	셰일, 응회암, 사암, 이암, 각력응회암	역암, 집괴암, 현무암 (다공질)	쳐트, 규질아질라이트, 유문암, 반암, 안산암, 조면암, 집괴암, 현무암(조밀)	규질아질라이트, 석영조면암 , 석영안산암
중 생 대	퇴적암 화성암	각 암석의 풍화암	셰일,탄질셰일	사질셰일, 실트스톤, 장석질사암	역암, 경사암, 규질셰일, 화강암, 반암, 규장암, 화강편마암, 쳐트, 혼펠스	석영맥, 쳐트, 혼펠스
고 생 대 및 선캠브리아기	퇴적암 화성암 및 변성암	각 암석의 풍화암	셰일, 실트스톤, 탄질셰일, 석회암, 대리석, 점판암, 천매암, 사문암	슬레이트, 백운암, 흑운모편암, 흑연편암, 녹리석편암, 견운모편암	사암, 역암, 규질셰일, 규질석회암, 섬록암, 섬장암, 반려암, 석영반암, 화강반암, 페그마타이트반암, 화강편마암, 석영편암, 운모 편마암, 각섬편암, 각섬편 마암, 운모편암, 호상편마암,	경사암, 규암, 석영맥
일축압축강도 (kgf/cm²)		125 이하	125～400	400～800	800～1,200	1,200이상 경우에는1,800
적   용		∙상기한 암석의 일축압축강도는 암반분류의 한 요인으로서 암반을 종합 판정할 경우에는 풍화정도, 균열상태, 코아 형성 등의 제 성질을 고려하여 실시한다. 엽리 및 잠재균열이 발달한 일축압축강도는 저하됨

 

3) 탄성파속도에 따른 암석의 분류(건설교통부 표준품셈)

구      분	A 그  룹	B 그  룹
대표적인 암석명	∙편마암, 사질편암, 녹색편암, 각섬암, 석회암, 사암, 휘록응회암, 역암, 화강암, 섬록암, 감람암, 사문암, 유문암, 셰일, 안산암, 현무암	∙흑색편암, 녹색편암, 휘록응회암, 셰일, 이암, 응회암, 집괴암
함유물 등에 의한 시각판정	∙사질분, 석영분을 다량함유하고 암질이 단단한 것, 결정도가 높은 것	∙사질분, 석영분이 거의 없고, 응회분이  거의 없는 암석천매상의 암석
500～1,000g 햄머의 타격에 의한 판정	∙타격점의 암은 작은 평평한 암편 으로 되어 비산되나, 거의 암분을  남기지 않는 것	∙타격점에 암 자신이 부서지지 않고  분상이 되어 남고 암편이 별로 비상되지 않는 암석

암석의 분  류	그룹	자연상태의 탄성파속도 V(km/sec)	암편의 탄성파 속도 Vp(km/sec)	암편내압강도 (kgf/cm²)	비      고
풍 화 암	A B	0.7～1.2 1.0～1.8	2.0～2.7 2.5～3.0	300～700 100～200	∙내압강도 1. 시    편 : 5cm 입방체 2. 노 건 조 : 24시간 3. 수중침윤 : 2일 4. 내압시험 5. 시험방향(가압 방향) : z축   (결면에 수직, 탄성파속도가 가   장 느린 방향)   ∙암편 탄성파 속도 1. 시   편 : 두께 15～20cm   상하면이 평행선 2. 측정방향 : x축  (탄성파속도가 가장 빠른 방향)   (결면에 평행)
연    암	A B	1.2～1.9 1.8～2.8	2.7～3.9 3.0～4.3	700～1,000 200～500
보 통 암	A B	1.9～2.9 2.8～4.1	3.7～4.7 4.3～5.7	1,000～1,300 500～800
경    암	A B	2.9～4.2 4.1 이상	4.7～5.8 5.7 이상	1,300～1,600 800 이상
극 경 암	A B	4.2 이상	5.8 이상	1,600 이상

 

4) 토공작업성에 의한 분류기준(국도건설공사 설계실무 요령, 2004)

구         분		토   공   작   업
		토   사(도자)	리  핑  암	발  파  암
표준관입시험(N치)		50/10 미만	50/10 이상
불연속면의 발달 빈도	BX 크기	-	TCR=5% 이하이고 RQD=0% 정도	TCR=5～10% 이상 RQD=5% 이상
	NX 크기	-	TCR=25% 이하이고 RQD=0% 정도	TCR=25% 이상이고 RQD=10% 이상
탄성파 속  도	A 그룹	700m/sec 미만	700～1,200m/sec 미만	1,200m/sec 이상
	B 그룹	1,000m/sec 미만	1,000～1,800m/sec  미만	1,800m/sec 이상

 

 

토공작업의 난이도 결정 (Franklin and Broch, 1972)		탄성파속도와 32tonf 불도져 작업범위 (小松製作所)

 

나. 암반의 기재방법

  ∙ 암석시료에 대한 서술내용은 색, 불연속면 간격, 풍화상태, 암석명, 강도 등이다.  암석의 풍화상태, 불연속면 간격(절리나 층리면의 간격) 및 강도는 아래 기준에 따라 기술하였음

1) 색(Color)

   ∙ 암반의 기본색(황색, 갈색, 회색, 청색 또는 녹색)에 담(연한)과 암(진한)의 명암 및 혼색에 대한 서술용어를 사용

2) 불연속면의 상태(Fracturing)에 따른 분류(Core Logging Commitee, 1978)

기 호	용    어	절리간격	Joint 상태
F-5	매우 심한 균열(Highly Fractured)	5cm 이하	Very Close
F-4	심한  균열(Fractured)	5～10cm	Close
F-3	보통  균열(Moderately Fractured)	10～20cm	Moderately Close
F-2	약간  균열(Slightly Fractured)	20～100cm	Wide
F-1	괴        상(Massive)	100cm 이상	Very Wide

​

3) 암석의 풍화상태(Decomposition)에 따른 분류(Core Logging Commitee, 1978)

기 호	용    어	설       명
D-6	잔 류 토 (Residual Soil)	∙완전풍화되고 토립자들의 재구성이 일어나 암석조직이 관찰되지 않는 흙
D-5	완전 풍화 (Completely Weathered)	∙암석전체가 완전풍화를 받아 흙으로 변화되었으나 모암의 원조직과 구조를 지니며 간혹 풍화를 받지 않은 암편을 함유한 상태
D-4	심한  풍화 (Highly Weathered)	∙암석내부까지 풍화가 진행중이며 점토물질이 협재되어 있어 부분적으로 쉽게 부술 수 있는 상태
D-3	보통 풍화 (Moderately Weathered)	∙전 암석 표면에서부터 풍화가 진행중이며 색조는 변하였으나 손으로 부술 수 없는 상태
D-2	약간 풍화 (Slightly Weathered)	∙기반암내 발달된 불연속면을 따라 미약한 풍화작용이 시작되고 있으나 암석 자체에는 아무런 풍화작용이 일어나지 않는 상태
D-1	신    선 (Fresh)	∙풍화작용의 흔적이 없는 상태

 

4) 암석의 강도(Strength)에 따른 분류(Core Logging Commitee, 1978)

기 호	용   어	설      명
S-5	매 우 약 함 (Very Weak)	∙손가락 또는 엄지손톱의 압력으로 눌러 으스러지는 정도
S-4	약       함 (Weak)	∙해머로 눌러 으스러지는 정도
S-3	보 통 강 함 (Moderately Strong)	∙1회의 약한 해머 타격으로 쉽게 깨지며 모서리가  으스러지는 정도
S-2	강       함 (Strong)	∙1～2회의 강한 해머 타격으로 깨지거나 모서리가   각이지는 정도
S-1	매 우 강 함 (Very Strong)	∙여러번의 강한 해머 타격으로 패각상의 조각으로  깨지며 각이 날카로운 정도

 

 

3. 암반의 공학적 분류방법

가. 기본방향

1) 목  적

∙교량구간의 암반 분류는 지반 특성이 유사한 구간으로 구분하고 각 경우에 적절한 설계를 수행함으로써, 해석상의 오차를 최소화하고 시공중에 나타나는 지반변화에 대하여 보다 용이하게 대처할 수 있도록 하는 데 목적이 있음

2) 기본방침

∙설계단계에서 시공단계에 이르기까지 일관성 있게 적용될 수 있어야 함.

∙국내 현장 기술자들이 실질적으로 적용할 수 있는 기준 필요

∙RMR 과 Q-System을 병용하고 등급을 세분화하여 신축성 있게 적용 가능하도록 함.

∙시공중 막장관찰결과에 따라 적용 가능하도록 암반 등급별 무지보 자립시간 등을 고려한 지보설치 시기 한계 결정

3) 적용기준

∙국내에서 적용되는 암반분류방법은 지질조건, 시공규모, 시공조건, 구조물 사용목적 및 굴착방법에 따라 건설표준품셈, 도로공사 분류기준, 서울지하철 분류기준 등의 다양한 기준들이 적용되고 있다. 그러나 상기 분류기준은 그 다양성으로 통일된 분류기준을 마련하기 곤란하므로 본 과업에서는 현재 세계적으로 보편화된 터널의 암반분류 체계인 RMR분류법과 Q-System을 기본으로 하여 현장 지반조건을 감안하여 조정 적용

RMR	Q-System
∙Rock Mass Rating ∙5개의 평가 요소로 구분됨 ∙시추조사 및 실내시험 결과로서 평가 가능	∙평가 요소가 매우 세분화되어 있음 ∙지보패턴 제시가 상세하게 구분되어 있음 ∙각 요소 평가는 주로 시공중 막장에서 시행
∙설계단계에서 적용이 용이함	∙시공단계에서 지보패턴의 변경에 적절함

 

나. 암반의 분류기준

∙현재까지 자주 이용되고 있는 암반분류방법은 아래와 같이 9가지가 있으며, 이들 중 RQD, RMR과 Q-System을 이용한 암반의 분류방법이 가장 많이 사용되고 있음

분  류  법	제  안  자	국  명	적   용
암반하중법	Terzaghi(1946)	미  국	강재지보터널
Stand-up Time	Lauffer(1958)	오스트리아	터   널
RQD	Deere(1964)	미   국	Core Logging, 터널
암석의 압축강도	Deere & Miller(1996)	미   국	공   통
RSR	Wickham, et al(1972)	미   국	터   널
Geomechanics  Classification(R.M.R)	Bieniawski(1973)	남아공,미국	터 널, 기 초
Q-System	Barton, et al (1974)	노르웨이	터널, 대규모 공동
강도/암반크기	Franklin(1975)	캐나다	터   널
Basic Geotechnical     Classification	I.S.R.M (1981)	미   국	일 반 공 통

 

1) 암반하중법

∙이완 영역은 터널상단의 Terzaghi의 이완토압을 Deere(1970)가 보완한 것이며 이완영역에 대한 모식도는 다음 그림과 같음

  

-강재아치 지보 터널을 위한 Terzaghi 암반하중분류

암반의 상태	암반하중의 높이 Hp(m)	RQD	적  용
1. 무결함 암반	0	95～100	∙Spalling과 Popping이 있을 때 얇은 라이닝
2. 단단한 층상 혹은 편암상	0～0.5B	90～99	∙주로 Spalling대책으로 간단히 지보, 하중은 장소에 따라 변화할 가능성이 있음
3. 괴상, 보통절리	0～0.25(B+Ht)	85～95
4. 보통파쇄, 약층있음	0.25～0.35(B+Ht)	75～85	∙측압 없음
5. 심한파쇄, 약층있음	0.35～1.10(B+Ht)	30～75	∙측압이 낮거나 전혀 없음
6. 완전파쇄, 화학변화 없음	1.10 + (B+Ht)	3～30	∙적당한 측압, 바닥에서 침투수가 용출할 경우에는 지보하부를 연속 지보로 하던가 원형지보로 함
7. 압출성, 중정도의 깊이	(1.10～2.10)+(B+Ht)	0～3	∙큰 측압, Invert Struts나 필요한  원형지보가 적당
8. 압출성, 깊은심도	(2.10～4.50)(B+Ht)	-
9. 팽창성 암반	(B+Ht)에 관계없이 75m 이상	-	∙원형지보가 필요, 극단의 경우 가축지보를 쓴다.

 

2) RQD(Rock Quality Designation)를 이용한 암반분류

  ∙RQD는 암질의 상태를 나타내는 지표로서 시추공(Borehole)의 길이에 대한 암반의 정량적인 분류방법의 하나인 1963년 Deere에 의해 개발된 방법으로 북미를 비롯한 영어권 국가에서 상당히 폭 넓게 사용됨

  ∙본 분류방법은 시추조사시 회수된 코아에 나타난 절리를 헤아리는 대신, 회수된 코아 중 길이가 10cm 이상되는 부분의 총 연장을 굴진길이(Run)로 나누어서 구한 값, 즉 RQD로서 암반을 분류하는 방법이다.  이 때 RQD를 산출하는 대상구간의 암질은 반드시 "Hard & Sound" 하여야 하며, 코아의 직경이 50mm(NX 구경) 이상이어야 하며 굴진시 Double Core Barrel 이상의 시료채취기를 사용하여야 한다.  따라서 풍화도가 심한풍화(Highly Weathered) 이상인 경우에는 회수된 코아가 봉상이고 그 길이가 10cm를 초과한다 하더라도 RQD를 산정하는데 포함시키지 않는다(이러한 사항은 RQD를 산정하는데 매우 중요한 요소임에도 불구하고 일반적으로 고려되지 않는 경우가 많다)

  ∙RQD는 암반의 분류에 사용되는 외에도 균열의 빈도, 탄성파속도, 전기 전도도와 대비가 잘 이루어지기 때문에 이러한 사항을 추정할 때 사용하기도 하며, Velocity Index, Modulus Ratio, Deformation Ratio  및 정탄성계수, 동탄성계수를 추정할 때 사용되기도 한다(Deere et al, 1969).

 

-RQD에 의한 암반분류 기준(Deere et al, 1969)

RQD(%)	속 도 지 수	암 반 분 류
0～25	0.0～0.2	매우불량(V)
25～50	0.2～0.4	불   량(IV)
50～75	0.4～0.6	보   통(III)
75～90	0.6～0.8	양   호(II)
90～100	0.8～1.0	매우양호(I)

  ∙이 밖에도 RQD를 이용하여 절리면으로 인해 형성된 암괴의 체적(Jv)을 구하기도 하며(Palmstorm, 1975) 단위길이에 발달하고 있는 절리의 빈도(λ)를 추정하는데 사용되기도 함   RQD = 115 - 3.3 ․Jv (Approx.)

   여기서, 단위 체적당 절리의 빈도를(Jv) 사용하여 RQD를 구하는 공식은 터널 보강작업의 기준이 되는 NGI Q-System을 사용할 때 RQD를 구하는 방법으로 사용되기도 함

 

3) RMR 기준에 의한 암반분류

  ① RMR 분류법의 내용

  ∙각 터널구간의 터널단면 암반상태의 등급화(Rock Mass Rating : RMR)를 위하여 암석의 ① 일축압축강도 ② RQD ③ 절리 발달간격(빈도) ④ 불연속면 상태 ⑤ 지하수 조건의 5가지 요소를 조사하고, 각 요소가 터널시공에 미치는 중요도에 따라 평가점수를 할당하고 5가지 요소에 대한 평가점수의 총합계를 절리방향과 터널 굴진방향과의 상관관계에 따른 보정을 하여 RMR값을 산정하여 암반을 5등급으로 분류함

  ∙RMR=(암석강도+RQD+불연속면 간격+불연속면 상태+지하수조건)의 평점-불연속면 방향에 의한 평점에 따라서 각 암반등급별로 터널굴착단면이 지보 없이 자립할 수 있는 시간인 무지보 자립시간(Stand-up Time)과 터널의 최대안정폭을 산정 할 수 있음

  ∙RMR 분류법은 발파에 의한 시공의 보강 지침이므로 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시공할 때에는 발파보다도 보강지보량이 적으므로 RMR값과 RSR값의 상관관계로부터 RSR값으로 환산한 후 보정지수를 구하여 보정된 RSR값을 구하고 또 RMR값으로 환산하는 방법을 적용함

 

- 평가항목 및 평점(Bieniawski, 1973)

분류매개변수		구            분
1	점하중강도 (kgf/cm2)	> 100	40～100	20～40	10～20	<10 미만의 구간은 일축압축시험결과 채택
	일축압축강도 (kgf/cm2)	> 2,500	1,000～2,500	500～1,000	250～500	50～ 250	10～ 50	<10
	평   점	15	12	7	4	2	1	0
2	RQD(%)	90～100	75～90	50～75	25～50	< 25
	평   점	20	17	13	8	3
3	절리의 간격	> 2m	0.6～2m	0.2～0.6m	60～200mm	< 60mm
	평   점	20	15	10	8	5
4	불연속상태	거  침 불연속 밀  착 신  선	약간거침 <1mm불연속면 밀 착 약간풍화	약간거침 <1mm 연화됨 풍화Gouge없음	Slickensided 1～5mm Gouge<5mm Open	Continuous Joint > 5mm Gouge > 5mm Very Open
	평   점	30	25	20	10	0
5	지 하 수 (터널 10m당)	완전건조	건  조 (<10ℓ/min)	습 윤 (10～25ℓ/min)	적은 지하수 (25～125ℓ/min)	심한 지하수 (>125ℓ/min)
	평 점	15	10	7	4	0

 

-절리의 방향성에 의한 평점 보정 기준(Bieniawski, 1973)

절리의 주향과 경사		매우 유리	유 리	양 호	불 리	매우 불리
평    점	터  널	0	-2	-5	-10	-15
	기  초	0	-2	-7	-15	-25
	사  면	0	-5	-25	-50	-60

 

-평점의 합계에 의한 암반 등급 분류(Bieniawski, 1973)

평 점 합 계	100～81	80～61	60～41	40～21	<20
등    급	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
구    분	매우 우수	우 수	양 호	불 량	매우불량

 

- 암반 등급과 평균자립 시간, 암반의 점착력, 암반의 마찰각

분 류 번 호	I	II	III	IV	V
평균자립 시간	15m Span에  10년	8m Span에 6개월	5m Span에 1주일	2.5m Span에 10시간	1m Span에 30분
암반의 점착력	>400 KPa	300-400 KPa	200-300 KPa	100-200 KPa	<100 KPa
암반의 마찰각	> 45°	35°～ 45°	25°～ 35°	15°～ 25°	< 15°

 

- 절리의 방향과 터널 굴진방향과의 상관관계(Wickham et al., 1972)

터널에서의 암반 주향과 경사의 영향				터널축과 평행되는 경사각 주향		경사각 0～20° 주향이 불규칙
굴진방향으로 경사		굴진반대 방향으로 경사
경사각  45～90°	경사각  20～45°	경사각  45～90°	경사각  20～45°	경사각  45～90°	경사각  20～45°
매우 유리	유  리	양  호	불  리	매우 불리	양  호	양  호

 

 

- 불연속면의 세부 평점표

항     목	평              점
불연속면의  길      이	< 1m	1～3m	3～10m	10～20m	>20m
	6	4	2	1	0
간      격	밀착	<0.1mm	0.1～1.0mm	1.0～5.0mm	>5.0mm
	6	5	4	1	0
거 친 정 도	매우 거칠음	거칠음	약간 거칠음	평평함	매끄러운 경면
	6	5	3	1	0
Gouge (절리충진물)	없음	단단함 <5mm	단단함 >5mm	연함 <5mm	연함 >5mm
	6	4	2	2	0
풍 화 정 도	신선한 암반	약간 풍화됨	보통정도 풍화	심하게 풍화됨	토사상태
	6	5	3	1	0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

불연속면 간격 평점도표	터널폭에 따른 RMR과 무지보 자립시간의 관계도표

 

4) Q-System(Rock Mass Quality-System : NGI 기준)에 의한 암반분류

① Q-system의 특성    

∙NGI(Norwegian Geotechnical Institute)의 Barton(1974, 1993)에 의해서 제시된 방법으로 스칸디나비아 지역에서 200여 개의 기 시공된 터널의 보강실적을 통계 처리하여 암반상태와  보강과의 관계를 분석하였는데, 이로써 암반상태를 정량적인 수치(Q값)로서 판단하고 이에 상응하는 보강방법과 보강량을 결정하는 방법으로 현재 세계적으로 널리 쓰이고 있음

∙암반의 전단강도에 보다 주안점을 둔 암반분류이고, 현장 응력을 고려하고 있음

∙절리의 방향성은 고려하지 않음 : Barton(1974)은 터널공사시 암반의 전단강도나 변형은 Jn, Jr, Ja 등의 요소와 관계가 있고, 터널방향과 절리방향과의 관계는 영향이 작다고 판단하여 이를 암반분류의 요소로 고려 하지 않음

∙대단면 터널에 보다 적합하고, 또한 유동성이거나 팽창성 암반 등과 같은 매우 취약한 지층에도 적합한 암반분류방법임

∙세밀한 암반분류에 따라 보다 구체적이고 체계적인 보강방안이 제시되는 장점이 있음

∙다음과 같은 단점으로 인하여 일반적으로 Q 분류는 RMR 분류보다는 제한적으로 사용되는 경향이 있음

    -조사될 6가지 요소들은 암석의 노출이 양호한 경우 또는 터널굴착 중 막장관찰 등 직접적인 암반의 조사가 선행되어야 하므로 설계 단계에서 시추조사 결과 만으로 6가지 요소를 신뢰성 있게 판단하기 곤란함

    -Q값 산정을 위한 6가지 요소의 평가를 위해서는 많은 지식과 경험에 의한 정밀성과 숙련성이 요구되며, 6가지의 요소를 곱하거나 나누어 산출되므로 개인차에 따라 분석결과의 오차가 달라지는 경향이 있음

 

② Q-System의 내용

∙Q값은 터널공사에 영향을 미치는 암반 특성을 6가지 요소로서 대표하여, 각 요소를 몇 등급으로 나누어서 수치화하고 이에 할당된 값을 서로 곱하거나 나누어 구한다. 여기에서 고려되는 6가지 요소는 RQD(%), 절리군의 수(Jn), 절리면의 거칠기 계수(Jr), 절리면의 풍화․변질계수(Ja),  지하수의 유입상태에 따른 저감계수(Jw), 응력저감계수(SRF : Stress Reduction Factor)이며 이 요소들에 해당되는 값들을 서로 곱하거나 나누어서 종합적으로 Q값을 산출한다.  6요소들은 각각 2가지 요소를 서로 결합하여 암괴의 크기, 암괴내의 전단력, 활성응력(Active Stress)의 3가지 항목으로 나뉘어짐

 

∙여기서, RQD/Jn = 암반의 지질구조를 나타내는 것으로서 암괴크기를 나타냄

                   (Jn은 우세한 절리군만 고려)

                     Jr/Ja   =  암괴사이의 절리면 전단강도 특성을 의미

                        (현장관찰이나 Tilt Test 또는 Profile  Gauge를 사용하여 추정)

            Jw/SRF = 암반의 응력상태를 나타내는 활성응력(Active Stress)을 의미

                        (일반적으로 깊이에 따라서 추정)

   ∙6가지 요소에 할당된 평가점수는 다음의 표에 정리되어 있는데, Q 값은 0.001～1,000 범위로서 극히 불량(Exceptionally Poor)～극히 우수(Exceptionally Good)의 9 등급으로 암반이 분류됨

 ③ Q-System에 이용되는 매개변수

∙여기에서 RQD/Jn는 암반의 지질구조를 나타내는 것으로서 암괴크기를 나타내는데, Jn 은 우세한 절리군만 고려한다. Jr/Ja는 암괴사이의 절리면 전단강도 특성을 의미하는데, 현장관찰이나 Tilt Test 또는 Profile Gauge를 사용하여 추정한다. Jw/SRF는 암반의 응력상태를 나타내는 활성응력(Active Stress)을 의미하는데, 일반적으로 토피고에 따라서 추정함

∙Q 값에 의한 지보방법은 터널의 유효크기(De)에 따라서 결정됨

  

∙여기서, ESR(굴착 지보율)은 시행착오(Trial and Error)에 의해서 계산되는 것인데 터널의 사용 목적에 따른 안정성에 관계되는 수치로서 안전율(Fs)의 역수개념임

- 터널 사용목적에 따른 ESR 수치(Borton et al., 1974)

굴 착 의 종 류	ESR	비    고
A. 일시적으로 유지되는 터널  B. 영구적인 터널, 지하수  C. 지하저장소, 소형터널  D. 지하발전소, 지하터널, 방공호  E. 지하핵발전소, 지하정류장, 지하경기장	2.0∼5.0 1.6∼2.0 1.2∼1.3 0.8∼1.1 0.5∼0.8

 

∙Q 분류결과 무지보 최대 스판

      최대스판(무지보) = 2×ESR×Q0.4

∙천장부 영구지보압력(Proof)

      Proof(절리군 3개 이상), Proof (절리군 3개 미만)

∙록볼트의 길이(L)

 

      여기서, B=터널폭 

 

 - Q분류 평가지수(NGI 평가지수)

구     분						적용값	비     고
1. 암반의 암질지수						RQD
			(1) 매우 불량			0～25	1. RQD가 10이하인경우에는 10을 적용  2. RQD의 표기값은 5의 간격으로 표기
			(2) 불량			25～50
			(3) 보통			50～75
			(4) 양호			75～90
			(5) 매우 양호			90～100
2. 절리군의 수						Jn
				(1) 괴상, 절리가  없음		0.5～1.0	1. 터널교차부 : 3.0×Jn  2. 터널 갱구부 : 2.0×Jn
				(2) 하나의 절리군		2
				(3) 하나의 절리군과 부분적인 절리		3
				(4) 두 개의 절리군		4
				(5) 두 개의 절리군과 부분적인 절리		6
				(6) 세 개의 절리군		9
				(7) 세 개의 절리군과 부분적인 절리		12
				(8) 네 개 이상의 절리군과 불규칙적인 절리,    절리가 심하게 발달, 각설탕 구조		15
				(9) 토사와 같이 파쇄된 암석		20
3. 절리의 거칠기 계수						Jr
		A. 절리면의 접촉과 10cm 이내의 전단으로 절리면 양쪽이 접촉					1.절리군의 평균간격이    3m 보다 큰 경우에는    1.0을 더 한다.  2. 방향성이 뚜렷한 평면상  slickenside를 갖는 절리는 Jr=0.5를 사용할 수 있음
					(1) 불연속적인 절리	4
					(2) 거칠거나, 불규칙, 파상 절리	3
					(3) 부드럽고, 파상 절리	2
					(4) 매끄럽고, 파상 절리	1.5
					(5) 거칠거나 불규칙, 평면적 절리	1.5
					(6) 부드럽고, 평면적 절리	1.0
					(7) 매끄럽고, 평면적	0.5
	B. 전단시 단면이 접촉되지 않음					1.0
					(8) 절리의 벽면이 접촉할 수 없을 정도로 점토광물이 충전	1.0
					(9) 절리의 벽면이 접촉할수 없을 정도의 모래, 자갈, 파쇄대가 두껍게 존재	1.0

 

 

구     분			적용값	비     고
4. 절리의 풍화∙변질계수			Ja
	A. 절리면간의 접촉(충전물이 없고, 피복만 된 경우)
		(1) 변질이 없고 완전히 밀착, 단단한 불투수 충진물	0.75
		(2) 변질되지 않은 절리벽면, 표면에 얼룩	1.0  (25°～35°)
		(3) 약간 변질된 절리벽면, 연화되지 않은 광물의 피복, 사질 입자, 점토성이 없는 풍화암	2.0 (25°～30°)
		(4) 실트질 혹은 사질 점토의 피복, 연화되지 않은 작은 점토의 파편	3.0 (20°～25°)
		(5) 연화되었거나 마찰력을 갖는 점토성 광물의 피복(고령토, 운모, 형석, 활석 석고 등), 소량의 팽창성 점토(연속적인 피복, 1～2mm 이하의 두께	4.0 (8°～16°)
	B. 10cm이내의 전단으로 절리면 양쪽이 접촉
		(6) 사질 입자, 무점토성 풍화암 등	4.0 (25°～30°)
		(7) 심하게 과압밀화된 불연화성 점토광물의 충진(연속적이거나 5mm 미만의 두께)	6.0 (16°～24°)
		(8) 보통 또는 약간 과압밀화된 불연화성 점토광물의 충전(연속적이거나 5mm 미만의 두께)	8.0 (12°～16°)
		(9) 팽창성 점토 충진(충진 두께 5mm미만)	8～12 (6°～12°)
	C. 전단시에도 절리면의 접촉이 없음
		(10) 풍화 또는 파쇄된 암석의 대상 분포 및 구역	6.0, 8.0 또는 8.0～12.0 (6°～24°)
		(11) 실트나 사질점토가 대상으로 분포, 작은      점토 파편(불연성)	5.0
		(12) 두껍고 연속적인 점토의 대상 분포나 구역	10.0, 13.0 또는 13.0～20.0 (6°～24°)

 

구     분		적용값		비     고
5. 지하수에 의한 저감 계수		Jw	수압 (kgf/m2)
	(1) 건조 혹은 소량의 용수(국부적 5ℓ/분 미만)	1.0	< 1.0	1. (3)～(6)까지는 부정확한 추정값임. 배수시설설치시 Jw값 이 증가   2. 결빙에 따른 영향은 고려하지 않음
	(2) 보통 정도의 용수와 수압, 때때로는 절리내 충전물이 유출	0.66	1.0～2.5
	(3) 충전물이 없는 절리를 갖는 견고한 암석에서의 대량의 용수와 높은 수압	0.5	2.5～10
	(4) 대규모 용수와 압력, 상당량의 절리내 충전   물이 유출	0.33	2.5～10
	(5) 발파시 극히 많은 용수와 높은 수압이 작용하나 시간의 경과와 함께 감소	0.2～0.1	> 10
	(6) 시간의 경과와 관계없이 계속적인 극히 많은 양과 높은 수압의 용수	0.1～0.05	>10.0

구     분			적용값			비     고
6. 응력에 의한 저감 계수			SRF			1. 전단대가 공동과 교차하지 않고 영향만 준다면 SRF는 25～50% 감소 적용
	A. 굴착시 터널과 교차할 경우 암반을 이완시킬 수 있는 정도의 연약대
		(1) 점토나 화학적으로 풍화된 암석을 포함하는 연약대의 빈도가 잦은 경우, 이완이 심한 주변 암반(임의 심도)	10
		(2) 점토나 화학적으로 풍화된 암석을 포함하는 연약대의 빈도가 한번인 경우, 이완이 심한 주변 암반(굴착 심도 50m 이하)	5.0
		(3) 점토나 화학적으로 풍화된 암석을 포함하는 연약대의 빈도가 한번인 경우, 이완이 심한 주변 암반(굴착 심도 50m이상)	2.5
		(4) 견고한 암반에서의 전단대의 빈도가 잦은 경우(무점토), 이완된 주변암석(임의의 심도)	7.5
		(5) 견고한 암반에서의 전단대가 하나인 경우      (무점토), 채굴심도 50m 이하)	5.0
		(6) 견고한 암반에서의 전단대가 하나인 경우      (무점토), (채굴심도 50m 이상)	2.5
		(7) 느슨한 절리, 절 리가 심한 경우(임의 심도)	5.0
	B. 견고한 암에서의 응력문제		σc/σ1	σt/σ1	SRF	2. 심한 이방성을 보이는 응력장의 경우(측정시) :   5≤σ1/σ2≤10경우   σc는 0.80σc,   σt는 0.80σst 사용   여기서   σc :일축압축강도,   σt :인장강도   σ1, σ3 :주응력
		(8) 낮은 응력, 지표 부근 접한 경우	>200	>13	2.5
		(9) 중간 응력	200～ 10	13～ 0.66	1.0
		(10) 높은 응력, 매우 견고한 구조     (일반적으로 안정성에 양호, 벽면 안정성은  불량)	10～5	0.66～ 0.33	0.5～2
		(11) 완만한 암반파열(괴상 암반)	5～2.5	0.33～ 0.16	5～10
		(12) 심한 암반파열(괴상 암반)	< 2.5	< 0.16	10～20

 

구     분			적용값	비     고
6. 응력에 의한 저감 계수			SRF
	C. 압착성 암반 : 높은 반압의 영향으로 소성변형 발생
		(13) 완만한 압착 반압	5～10
		(14) 심한 압착 반압	10～20
	D. 팽창암반 : 수압에 의한 화학적 팽창
		(15) 완만한 팽창 반압	5～10
		(16) 심한 팽창 반압	10～15

 

상기표 이용에 관한 기술

  1. 시추조사의 RQD를 이용하여 가능한 경우 단위구체당 RQD를 측정할 수 있으며, 단위 m당 절리수를 가산한다. 암괴의 절리 충진물이 느슨한 경우의 RQD = 115-3.3Jv, 여기서 Jv = m3당 총 절리수(단, Jv<4.5일 경우에는 RQD = 100)

  2. 절리군의 수를 나타내는 지수 Jn은 절리가 육안으로 식별 가능하고, 평행하게 발달되어 있는 경우 헤아린 숫자를 그대로 쓰나 육안 식별이 곤란한 경우에는 코아의 수효를 감안하여 적용

  3. 전단강도를 나타내는 지수 Jr과  Ja는 기 조사한 절리 또는 점성토가 충진된 절리와 관계되나 암구조가 안정되어 있는 경우는 Jr/Ja는 최소값을 쓰고, 불안정하고 불연속면이 심한 경우 Jr/Ja는 큰 값을 적용

  4. 암괴내에 점토를 함유하고 있는 경우  SRF는 암면이 이완되는 상태에 따라 해당값을  사용하고, 이 때 암의 응력은 암반강도에 크게 주요치 않으나, 절리군의 수가 적고 충진점토 등이 없는 조밀구조 암반의 경우 암반의 안정성은 응력/강도의 비에 따라 달라짐

  5. σc와 σt(압축, 인장강도)는 지하구조물이 물에 잠기는 경우에는 포화상태에서 시험함  또한 노출되어 풍화, 부식된 상태에서 측정하는 것이 더 합리적인 결과를 얻음

 

5) RMR과 Q-System의 상관관계

   ∙터널설계에 있어서 경험적 설계가 널리 활용되고 있는 암질의 특성은 수치화한 정량적 분류방법인 RMR과 Q-System은 분류기준 요소간의 차이로 정확한 상관관계를 정립하기 어려우나, 일축압축강도, 절리방향, 응력저감요소를 제외하여 비교한 결과 높은 상관관계(R2=0.91)가 있는 것으로 보고되었으며, 두 분류방법을 비교, 검토함으로써 공통적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

분류방법	분류기준 요소	배점방법 및 평가요소	RMR과 Q-System과의 상관관계
RMR	① 일축압축강도(15)  ② RQD(20)  ③ 불연속면 간격(20)  ④ 불연속면의 상태(30)  ⑤ 지하수 상태(15)  ⑥ 불연속면의 방향(-12)	①+②+③+④+⑤+⑥   ( ) : 최대배점 ∙절리의 간격 및 상태, 방향등 3요소를 경험적 판단으로 평가	∙Bieniawski,1976   RMR= 9.0‧LnQ +44(R2=0.77) ∙Ruthledge,1978   RMR= 13.5‧LogQ + 43(R2=0.85) ∙Moreno, 1980   RMR= 5.4‧LnQ + 55.2(R2=0.55) ∙Cameron-Clarke, 1981   RMR= 5‧LnQ + 60.8  ∙Budavari, 1981   RMR= 10.5‧LnQ + 41.8(R2=0.66 ) ∙R.K.Goel,1995   RMR= 8‧LnQ + 30(R2=0.92)
Q-System	① 암질지수(RQD)  ② 절리군의 수(Jn)  ③ 절리의 거칠기 계수(Jr)  ④ 절리의  풍화․변질계수(Ja)  ⑤ 지하수에 의한 저감 계수(Jw)  ⑥ 응력 저감계수(SRF)	∙터널 시공시 육안으로 식별될 수 있는 요소로 판단