57. 암반 내의 초기지압 (initial ground pressure in bed rock)

 토질역학에서 Terzaghi, Rankine 의 토압론은 예부터 토목기술자에게 알려져 있어 호안, 옹벽 등의 설계에 이용되었고 또한 이들의 이론은 상당히 큰 터널굴착이나 갱도굴착을 위한 지보공설계에도 이용되어 왔는데 이 고전적인 토압의 개념은 토피압에 비례하는 정수압적인 응력상태를 균질, 등방으로 간주하여 유도된 것이다.

여기서 암반의 초기지압은 기본적으로 전술한 개념과 같은 것이지만 최근 지하구조물의 대형화에 따른 암반 내 지하 몇 백 m 심도에 큰 공동을 굴착하는 공사가 출현되어 종래의 토압이론과는 약간 다른 견해로 취급하게 되었다.

암반굴착을 안정하게 하기 위해서는 지형과 지질연대적인 지각변동, 암반의 비균질성 등 단순한 토피압 이외의 요인도 고려한 지압의 크기와 방향을 가능한 한 정확히 구하여야 한다.

또한 최근에 화제는 지각변형의 해제가 지진발생의 근원이라고 하는 생각에서 지진 예측수단으로서 과거에 누적된 지각변형을 측지학적으로 측정하는 것을 중요시 하고 있다.

이러한 지구물리학적 규모로서의 지각변형과 여기서 말하는 암반 내의 초기지압을 비교하는 것도 지질공학상 흥미를 끄는 과제이다. 암반 내의 3차원적인 지압측정방법은 여러 가지가 있는데 실적이 많은 방법을 중심으로 새로운 방법을 포함하여 소개하면 다음과 같다.

  가. 오버코어링(overcoring)법

 이 방법은 측정법 중에서 가장 신뢰성이 높은 방법으로서 그 실적이 많으며, 응력해제방법을 원리로 하는 것인데 측정장소에 착공한 작은 지름(φ40∼80mm)의 보링공 안에 변위게이지를 설치하고 그 주위의 암체에 큰 지름(φ100∼200mm)의 보링(overcoring이라 한다.)을 하여 응력을 해제하고 응력해제시의 변위와 암석 코어의 탄성계수, 포아슨비를 이용하여 그 암체에 작용하는 응력(지압)을 구하는 방법이다.

이 방법은 오버코어링 전후 암체의 변형 및 변위변화를 측정하는 게이지의 설치위치와 종류에 따라서 공저변위법, 공경변화법 등으로 분류된다. 공저변위　은 지름이 작은 보링공 바닥을 평평하게 연마하고 8∼16소자 게이지를 설치, 그 바닥의 변화를 측정하는 방법이다.

최근에는 이 방법의 공축방향 응력감도를 개선하기 위하여 구상공저변위법과 원추공저변위법 등이 고안되어 사용되고 있다.

한편 공경변화법은 작은 지름의 보링공 안에 변위계를 설치하고 보링공의 지름변화를 측정하는 것인데 이 방법으로 3차원 응력을 구하려면 방향이 다른 3개의 보링공이 있어야 한다.

이를 개선한 것이 매설법으로서 이 방법은 지름방향의 4성분 변위계와 보링공축과 45°경사진 방향의 4성분 변위계를 조합하여 8성분 게이지를 보링공 안에시멘트그라우팅을 하여 오버코어링 전후 각 방향의 변위변화를 측정하는 것이다.

이 매설법은 지하 발전소 등의 중요 구조물에서 실적이 많으며, 그 측정결과는 설계의 합리화에 반영되고 있다.

  나. 하이드로 푸랙취링(hydrofracturing)법

 이 방법은 응력해제법과는 달리 보링공(φ60∼160mm)안의 패커(packer) 사이에 수압을 작용시켜서 공벽의 공축방향에 균열이 생기게 해서 지압을 측정하는 방법인데 최대응력방향은 발생한 균열방향과 일치한다.

이 방법은 오버보링이 필요하지 않으므로 지하심부의 지압측정에 적합하며, 암반의 탄성계수 등의 물성치도 필요없는 장점이 있다. 그러나 공벽면에 발생한 균열이 공축방향 이외에 생기게 되면 암반의 잠재균열 및 투수성에 영향을 주기 쉽다.

최근에는 고무슬리브를 개재시켜 수압(유압)을 작용시키는 슬리브푸랙취링법도 이용되고 있다.

  다. 어카우틱 이미션(acoustic emission:AE)법

 이 방법은 압석공시체의 실내시험에 의하여 암석이 받은 지압을 구하는 방법으로서 실내 압축시험시 AE(재하에 따른 미소파괴음)를 mrwjd하여 가이져효과(재료가 과거에 받은 최대응력 이하에서는 AE 발생빈도가 적다)에 의하여 암석채취지점의 지압을 추정하는데 이 효과의 기억연한 등의 과제가 남아있다.

AE 방법과 달리 암석공시체의 반복재하시험시 변위를 정밀하게 측정하여 선행 응력 전후의 변위 차이로부터 선행압력을 구하는 변형율변화법도 이용되고 있다.

AE법, 변형율변화법 모두 암석공시체를 이용하기 때문에 최근에는 이들의 측정에 1개의 공시체를 동시에 사용하여 측정치의 신뢰성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다.

  라. 지압측정치와 그 이용

 각 지점의 지압측정결과는 그림 57-1과 같이 연직응력과 피복심도가 거의 비례하여 증가하는 경향을 나타내지만 수평응력이 연직응력보다 큰(측압비가 1.0이상)지점이 상당히 있으므로 지하구조물 설계시는 암반의 강도 특성과 함께 이를 충분히 고려해야 한다.

지하 양수발전소를 수용하는 대규모 암반공동(폭 20∼30m, 높이 40∼50m, 깊이 100∼200m)을 굴착할 때는 설계시에 몇 십 m ∼ 몇 백 m 범위 안의 지압분포가 필요한데 이들의 분포를 모두 측정하자면 경비가 많이 들어 비경제적이다.

그래서 일반적으로는 먼저 지형을 나타내는 FEM 해석 모델에 의하여 암반의 자중을 계산하고 지하구조물 주변의 지압을 산출한 다음에 지압측정 위치의 산출결과와 측정치를 비교하여 각 응력성분에 대한 비율(측정치/산출치)을 구하고 다른 위치의 산출결과에 맞추어 새로운 지압분포도를 작성하여 이 지압분포도를 토대로 지하구조물의 설계를 하고 있다.