제주도 화산암의 물리 역학적 특성에 대한 비교연구 · 분포에 대한...

제주도 화산암의 물리･역학적 특성에 대한 비교연구 39

ISSN 1229-2427 (Print)ISSN 2288-646X (Online)

http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2014.30.11.39

한국지반공학회논문집 제30권 11호 2014년 11월 pp. 39～ 49JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY

Vol.30, No.11, November 2014 pp. 39 ～ 49

제주도 화산암의 물리･역학적 특성에 대한 비교연구

Comparative Study on Physical and Mechanical Characteristics of Volcanic Rocks in Jeju Island

양 순 보1 Yang, Soon-Bo

Abstract

Volcanic rocks in Jeju island show vesicular structure caused by various environmental factors, and indicate the differences in geological and mechanical characteristics from region to region. Previous studies on the volcanic rocks in Jeju island have been actively conducted on geological and chemical properties in terms of geophysics and geology and on physical and mechanical properties in terms of engineering. But comprehensive comparative analysis on physical and mechanical properties of volcanic rocks in Jeju island is not conducted. In this study, the physical and mechanical properties of volcanic rocks in Jeju island were compared and analyzed comprehensively through the existing research papers and reports about volcanic rocks in Jeju island. As a result, it was found that the relationship between absorption (porosity) and apparent specific gravity is commonly linear and could be represented as two different linear approximations. In addition, it was found that the relationship between P-wave velocity and S-wave velocity and the relationship between absorption (porosity) and uniaxial compressive strength could be classified more clearly, considering two different linear relationships in absorption (porosity) and apparent specific gravity.

요 지

제주도의 화산암은 여러 환경적인 요인으로 인하여 크기와 분포가 다양한 기공이 많은 다공상 구조를 보이고 있으

며, 지질학적 그리고 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타내고 있다. 제주도 화산암에 대한 지질학적/화학적 특성에

대한 연구 및 물리적/역학적 특성에 대한 연구는 많은 연구자에 의해 활발히 이루어져 왔지만, 제주도 화산암의 물리적

및 역학적 특성에 대한 종합적인 비교･분석은 이루어져 있지 않다. 본 연구에서는 제주도 화산암에 대하여 기존에

발표된 연구논문 및 보고서를 통하여, 제주도 화산암에 대한 물리･역학적 특성의 상관관계를 종합적으로 비교･분석하

였다. 그 결과 흡수율 및 공극률과 겉보기 비중과의 관계는 일반적으로 선형의 관계에 있으며, 여러 환경적 요인에

의해 제주도 화산암은 두 개의 서로 다른 선형근사로 대표시킬 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 P파 속도와 S파

속도와의 관계와 흡수율 및 공극률과 건조 상태의 암석에 대한 일축압축강도와의 각각의 관계에 대하여 흡수율 및

공극률과 겉보기 비중과의 두 개의 서로 다른 선형근사 관계를 고려함으로서, P파 속도와 S파 속도와의 관계와 흡수율

및 공극률과 일축압축강도와의 관계를 명확하게 구분할 수 있음을 알 수 있었다.

Keywords : Volcanic Rocks in Jeju Island, Absorption, Porosity, Bulk specific gravity, Elastic wave velocity,

Unconfined compressive strength

1 정회원, 제주대학교 토목공학과 강사 (Member, Lecturer, Dept. of Civil Engrg., Jeju National Univ., Tel: +82-64-754-3453, Fax: +82-64-725-2519, [email protected])

* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2015년 5월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.

Copyright © 2014 by the Korean Geotechnical SocietyThis is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)

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40 한국지반공학회논문집 제30권 제11호

1. 서 론

우리나라의 화산활동은 중생대의 중성 내지 산성 화

산암류의 분출과 신생대의 현무암의 분출로 크게 구분

된다. 중생대의 화산암은 옥천대 및 경상분지 내에 주로

분포하고, 제3기 후기와 제4기의 신생대 화산활동은 제

주도, 울릉도, 철원∼전곡 일대, 포항분지의 구룡포 일

대에서 일어났다(KGS, 2012). 이 중에서 제주도는 약

200만 년 전부터 역사시대까지 발생한 여러 차례의 화

산활동으로 형성된 섬으로(Yoon and Ko, 2011), 제주도

의 화산암은 지역마다 지질학적으로 다양하게 분포하

고 있으며, 그 역학적 특성 또한 지역마다 차이를 나타

내고 있다. 특히 화산이 분출할 때 마그마에 작용하던

압력이 낮아짐에 따라 그 속에 존재하던 가스가 표면으

로 올라오면서 형성된 기공들은 마그마의 점성을 비롯

한 여러 환경요소로 인하여 그 크기와 분포가 다양하게

형성되어 있다.

제주도 화산암에 대한 연구는 지구물리학, 지구지질

학적 관점에서 지질학적 특성 및 화학적 특성에 대한

연구가 활발히 진행되어 제주도의 지질개관과 형성과

정, 암석학적 특징 등이 정립되었다.

특히, 제주도 화산암의 경우 현무암과 같은 특수한 지

질학적 조건을 가지고 있어서, 이전부터 대규모 토목공

사, 지하수 개발 및 최근의 육상･해상 풍력 타워의 기초

건설에 따른 대상 암반지반에 대한 물리적 및 역학적

특성에 대한 심도 깊은 연구가 요구되고 있는 실정이며,

공사 수행에 있어서 수많은 시행착오를 경험하고 있다.

그리고 현재까지 제주도 화산암에 대한 연구는 물리적

및 역학적 특성에 대해서 몇몇 연구자에 의해 이루어져

왔지만, 종합적인 비교･분석은 이루어져 있지 않다.

본 연구에서는 제주도 화산암에 대하여 기존에 발표

된 연구논문 및 보고서의 종합적인 비교･분석을 통하

여, 제주도 화산암에 대한 물리 및 역학적 특성에 대해

서 논하고자 한다.

2. 제주도 화산암에 대한 기존의 연구 및 보고

이 장에서는 제주도 화산암에 대한 역학적 및 공학적

관점의 기존 연구논문 및 보고서를 연대순으로 간략하

게 설명하고자 한다.

우선, Kim and Choi(1991)는 제주도 북서부 지역의

애월∼고산지구 화산암체의 지질공학적 연구에서 현무

암의 용암체 내에 발달하는 기공상(크기, 모양, 방향성

등)이 암체의 공학적 성질(암석의 강도)을 좌우한다고

하여, 조사지역의 68개 지점에서 시료를 채취하여 각종

물성(단위중량, 공극률, 간극비, 함수율) 및 기공상 및

분포에 대한 정량적인 평가를 위하여 표면 기공율, 기공

모양, 기공 크기, 기공 파괴각 등 다양한 기공상을 측정

하고 일축압축강도시험을 실시하고 있다. 그리고 현무

암의 기공상은 파괴강도의 지배요소가 되어, 암체에 대

한 유효 강도비( ∼)를 도출하였으며, 그 결

과 제주도 북서부 지역의 화산암체는 파괴성이 강하고

지질공학적으로 불안정 영역에 속하는 암체라고 보고

하고 있다.

Kwon et al.(1993)은 암석의 수리 지질학적 특성을 규

명하기 위해 제주도 전역에 분포하는 화산암의 물리적

특성(밀도, 공극률, 탄성파속도, 전기비저항, 투수율)을

측정하고 지역별 물성 측정값의 분포 양상, 암상에 따른

물성의 변화와 물로 포화된 상태의 암석에 대하여 각종

물성 측정값 사이의 상관관계를 고찰하고 있다.

Eum(2002)은 제주도 제주시 조천읍 북촌리, 서귀포

시 중문동, 서귀포시 남원읍 한남리, 서귀포시 표선면

하천리 등 4개 지역 일대의 지중 또는 채석장에서 채취

한 현무암 시료를 유공질 및 무공질 시료로 구분하여,

각 시료에 대해서 비중, 흡수율, 일축압축강도, 압열인

장강도, 휨강도 등을 측정하였다. 그 결과 비중은 유공

질 시료(2.298∼2.528)가 무공질 시료(2.619∼2.823)보

다 약 12%정도 낮게 나타나고, 흡수율은 유공질 시료

(1.4∼2.6%)에 비해 무공질 시료(0.8∼1.5%)가 약 40%

정도 낮게 나타나 공극의 정도에 따라 비중 및 흡수율의

차이가 매우 크다고 나타내고 있다. 그리고 일축압축강

도는 무공질 시료가 유공질 시료보다 2배 정도 크고, 파

괴형태에 있어서 무공질 시료는 중심축 기준 45°로 취

성파괴가 일어나고, 유공질 시료의 경우 중앙부가 파괴

되는 연성파괴와 잔류응력 현상이 나타나며, 인장강도

는 압축강도의 7∼10% 정도이며, 휨강도는 강도 분포

폭이 비교적 크고 인장강도에 대한 비율이 2배 정도로

일반 암석에 비하여 상대적으로 작고, 잔류응력이 급격

히 감소하는 취성파괴 형태를 나타내었다고 보고하고

있다.

Kim(2006), Nam et al.(2008a, b), Nam et al.(2009)은

제주도 현무암에 대한 공학적 특성을 살펴보기 위해, 제

주도 서귀포시 성산읍 삼달리 일대에서 시추를 실시하

여 표선리 현무암, 조면암질 현무암 및 스코리아(Scoria)


Fig. 1. Chemical composition of scoria in total alkali-silica diagram

for volcanic rocks (La bas et al., 1986)

를 채취하였으며, 채취한 암석시료를 대상으로 흡수율

시험, 비중시험, 투수시험, 슈미트해머시험, 탄성파시험,

일축압축시험, 압열인장시험(Brazilian test), 삼축압축시

험 등을 실시하였다. 그 결과 암석의 흡수율은 조면암질

현무암, 표선리 현무암, 스코리아(Scoria) 순으로 높은

결과가 나왔으며, 흡수율이 높을수록 투수계수는 증가

하고, 일축압축강도는 흡수율이 높을수록 감소한다고

보고하고 있으며, 일축압축강도와 압열인장강도는 건

조상태, 습윤상태 및 하중재하속도의 영향을 받는다고

보고하고 있다. 그리고 삼축압축시험 결과를 이용하여

Heok-Brown의 파괴기준과 Mohr-Coulomb의 파괴기준

을 비교하고 있다.

본 연구에서는, Kim(2006), Nam et al.(2008a, b)의 스

코리아(Scoria)에 대한 결과는 Fig. 1의 규소에 대한 총

알칼리량에 근거한 화산암의 화학적 분류도(La bas et

al., 1986)에 도시한 결과 현무암류에 속하기 때문에 함

께 고려하고 있다.

Cho et al.(2009)는 한라산 백록담 서측부에 분포하는

한라산조면암에 대하여 풍화단계에 따른 광물조성 변

화와 주원소 성분의 함량변화를 정량적으로 분석하기

위하여 광물암석적 및 화학적 특성분석을 실시하였으

며, 물성 및 강도시험(밀도, 흡수율, 공극률, 탄성파 속

도, 일축압축강도)을 통하여 풍화등급에 따른 한라산조

면암의 지질공학적 특성을 규명하고, 동결-융해시험을

수행하여 풍화진행에 따른 역학적 특성변화 양상을 고

찰하였다.

Moon et al.(2014)은 제주도 현무암의 공극률에 따른

물리적, 역학적 특성 및 강도에 미치는 상관관계를 살펴

보기 위해 제주도의 조천읍 북촌리 일대에서 채취한 휘

석-감람석 현무암(편광현미경에 의한 분석 결과)에 대

하여 비중 및 흡수율시험, 공극률시험, 탄성파속도시험,

일축압축시험, 압열인장시험을 실시하였다. 그 결과, 표

면공극이 큰 암석의 공극률을 결정하는 경우 표면공극

을 무시하는 캘리퍼 방법은 공극률을 과소평가하며, 표

면공극을 제외하고 공극률을 결정하는 부력이용 방법

을 사용하는 것이 합리적이라고 보고하고 있으며, 공극

률과 일축압축강도, 인장강도, 탄성파속도의 상관관계

를 각각 나타내고 있다.

본 연구에서 참고로 한 제주외항 2단계 항만시설 축

조공사 지반조사 보고서, 제주 강정해군기지 지반조사

보고서, 애월항 2단계 개발사업 지반조사 보고서, 화순

항 2단계 개발사업 지반조사 보고서의 제주도 화산암에

대한 KS 및 ASTM 시험규정에 입각한 암석시험 결과를

시추공별로 각각 Table 1∼4에 나타내었다. 그리고 제

주광역경제권 선도산업 육성사업 중간보고서에서는 해

상풍력발전기 설치를 위한 지반설계기술의 개발을 목

적으로 제주도 북동부 구좌읍 김녕리∼행원리 일대에

서 해상시추(BH)와 육상시추(JB)를 실시하고, 제주도

북서부 한림읍 월령리 일대에서의 육상시추(HJB), 제주

도 남동부 표선읍 표선리에서 성산읍 신산리에 이르는

해역에서의 해상시추(SBH)를 통하여 채취된 암석시료

에 대하여 KS 및 ASTM 시험규정에 입각한 다양한 물

성시험 및 강도시험을 수행하였으며, 시추공별 측정결

과의 범위를 Table 5와 6에 각각 나타내었다. Table 2∼6

의 수정일축압축강도는 ASTM D7012-04에서 Eq. (1)과

같이 제시한 종횡비(; : 공시체의 높이, : 공시체

의 직경)를 고려한 건조 상태의 암석시료에 대한 일축압

축강도이다.

′ (1)

여기서, 는 수정된 일축압축강도, ′는 측정된 일축

압축강도를 나타낸다.

그리고 Thuro et al.(2001)은 공시체 높이와 직경의 비

가 1.0에서 3.0 사이의 전형적인 범위 안에서, 종횡비는

파괴 일(destruction work), 탄성계수, 인장강도에 대한

영향이 크지만, 그에 비해 일축압축강도에 대한 영향은

미미하다고 보고하고 있으며, 탄성계수의 측정에 있어

서 코어 시료의 종횡비가 2.0 이상이어야 함을 강조하고


Table 1. Results of rock specimens for 2nd development project of Jeju port, Jeju island (Jeju Special Self-Governmental Province,

2006)

Borehole

No.

Depth

m

%

Elastic wave velocity′

MPa

Poisson’s

ratio

MPa

m/s

m/s

DH-2 8.0~8.4 2.132 4.47 4078 1983 40.9 0.26 2334.0

DH-3 14.0~14.5 2.445 3.59 2939 1380 28.6 0.27 1265.1

DH-7 29.0~29.2 2.45 3.32 1738.8 701.6 40.1 0.24 64037.8

DH-8 19.8~20.0 2.79 0.48 3334.5 1526.9 135.7 0.19 1588.7

DH-9 1.0~1.2 2.77 1.09 2415.3 1027.9 87.3 0.22 1039.5

DH-12 10.0~10.3 2.491 4.20 3745 2227 45.3 0.23 2186.9

DH-13 14.6~15.0 2.728 1.11 3926 3786 106.2 0.22 5638.9

DH-15 23.5~24.0 2.681 2.43 5537 4231 99.4 0.20 11209.1

DH-16 18.8~19.2 2.683 1.10 4065 3880 119.8 0.19 5825.2

: Bulk specific gravity, : Absorption ratio, : P-wave velocity, : S-wave velocity, ′ : Unconfined compressive strength (UCS),

: Elastic modulus.

Table 2. Results of rock specimens for development project of kangjung jeju navy base (Jeju Special Self-Governmental Province, 2008)

Borehole

No.

Depth

m

Unit weight

kN/m3

%


MPa

Poisson’s

ratio

MPa

MPa

m/s

m/s

NB-04 3.70 26.252 2.69 1.42 3057.1 1557.4 93.1 0.26 11100 93.7

NB-06 5.50 25.038 2.59 2.56 2588.6 1347.1 54.8 0.28 7435 55.1

NB-08 11.00 28.364 2.91 0.47 3869.5 2269.5 126.6 0.24 14230 127.5

NH-11 10.00 26.161 2.70 1.14 2798.9 1300.9 67.8 0.27 8661 68.2

: Corrected UCS.

Table 3. Results of rock specimens for 2nd development project of Aewol port, Jeju island (Jeju Special Self-Governmental Province,

2011)

Borehole

No.

Depth

m

Unit weight

kN/m3

%


MPa

Poisson’s

ratio

MPa

MPa

m/s

m/s

BH-2 1.1-1.4 21.09 2.300 6.06 3255 1858 30.2 0.31 4050 30.5

BH-10 0.8-1.0 25.07 2.589 1.43 3459 2068 41.3 0.29 6630 41.5

BH-14 1.7-2.0 25.48 2.622 2.81 4406 2648 72.0 0.26 12980 72.4

BH-19 0.6-0.95 24.74 2.553 2.45 3616 2205 48.2 0.27 12170 48.7

BH-22 1.75-2.05 26.83 2.730 1.58 4873 3097 112.4 0.21 16930 112.8

Table 4. Results of rock specimens for 2nd development project of Hwasun port, Jeju island (Seil Engineering, Hyein E&C, and JPM Inc.,

2012)

Borehole

No.

Depth

m

%


MPa

Poisson’s

ratio

MPa

MPa

m/s

m/s

NBH-3 4.5-4.7 2.649 1.89 4125 2126 52.25 0.24 21955 26.4

NBH-6 4.3-4.4 2.630 1.39 4223 2207 70.91 0.23 20110 35.8

NBH-9 2.4-2.6 2.642 1.83 4326 2289 54.65 0.17 21806 55.1

NBH-12 15.8-15.9 2.684 3.57 4025 2107 39.64 0.27 12712 38.7

NBH-17 7.9-8.1 2.487 5.20 3996 2079 54.16 0.23 29148 54.6

NBH-23 3.7-3.85 2.684 1.65 4152 2314 76.95 0.23 23929 77.7


Table 5. Midway report for the Leading Industry of Jeju Economic Region in 2013 (GK Engineering, JPM Inc., and Jeju National Univ., 2013)

Borehole No.

%

%


MPa

Poisson’s ratio

MPa

MPa

m/s

m/s

BH-12.055~2.846

0.85~4.11

2.419~8.446

2978~4974

1514~2667

20.10~155.47

0.14~0.27

11000~55166

20.15~156.85

BH-22.245~2.641

0.96~2.93

2.535~6.578

3028~4646

1567~2474

22.26~87.68

0.13~0.25

10165~49578

22.49~88.22

BH-32.220~2.491

1.75~3.12

4.359~6.926

3025~3147

1524~1602

15.65~27.75

0.23~0.27

7731~15712

15.71~27.92

BH-42.263~2.614

2.88~3.14

7.106~7.528

3914~4258

2030~2212

24.73~62.17

0.19~0.21

25441~33174

24.87~62.69

BH-82.061~2.499

1.57~3.16

3.923~9.625

2889~4114

1501~2658

17.43~52.68

0.17~0.26

3868~23954

17.58~53.18

BH-92.387~2.605

1.64~2.08

3.934~5.418

3261~3796

1736~1996

25.20~41.55

0.19~0.2

13765~16343

25.52~42.00

BH-102.370~2.823

0.73~2.28

2.061~5.513

3226~4867

1704~2786

34.74~70.71

0.15~0.22

10030~23705

35.06~71.18

JB-12.324~2.793

0.93~2.45

2.597~5.694

3457~4636

1802~2401

33.87~97.22

0.14~0.23

23996~55715

34.10~97.58

JB-22.174~2.596

1.65~3.51

4.061~8.522

3198~4496

1639~2369

27.39~67.86

0.23~0.28

8772~45002

27.46~68.64

JB-32.188~2.840

1.08~3.30

3.067~7.220

3147~4536

1588~2445

17.57~110.89

0.21~0.24

10981~38329

17.70~111.61

JB-42.103~2.316

2.51~3.29

5.279~7.596

3074~3326

1588~1693

17.67~38.40

0.22~0.24

9952~34399

17.80~38.64

: Porosity.

Table 6. Midway report for the Leading Industry of Jeju Economic Region in 2014 (GK Engineering, JPM Inc., and Jeju National Univ., 2014)

Borehole No.

%

%


MPa

Poisson’s ratio

MPa

MPa

m/s

m/s

HJB-12.098~2.68

2.38~9.37

6.378~19.756

2634~4081

1778~2491

26.7~126.1

0.12~0.397

7532~23192

27.24~128.31

HJB-22.117~2.446

5.658~11.216

13.839~24.518

3495~3760

2182~2252

28.3~73.8

0.166~0.284

10739~24045

28.83~75.2

HJB-32.256~2.636

2.22~9.105

5.008~20.869

3175~4426

2063~2560

37.2~97.3

0.198~0.309

12687~21362

37.93~99.19

HJB-41.926~2.469

1.926~9.023

15.147~24.485

3214~4414

1966~2502

27.6~87.9

0.146~0.413

10835~23525

28.14~89.5

SBH-12.459~2.788

1.299~4.865

3.622~11.963

3826~5375

2108~3324

72.1~240.1

0.247~0.28

20612~47051

74.12~246.25

SBH-22.388~2.679

1.177~5.685

3.153~13.576

3266~4308

1786~2816

46.7~202

0.236~0.302

21767~38773

48.05~206.74

SBH-32.54~2.807

1.345~4.278

3.775~10.866

3843~5869

2038~3602

70.8~109.5

0.253~0.345

19349~61167

72.55~112.16

SBH-42.48~2.786

1.032~3.642

2.875~9.600

3522~5172

1952~3340

55.7~284.4

0.16~0.31

21243~52913

57.06~291.14

SBH-52.315~2.506

3.437~4.657

8.613~10.795

3316~3808

1934~2039

45.7~110

0.222~0.305

15033~22965

46.82~112.75

SBH-62.344~2.514

4.075~5.32

10.245~12.470

3604~4442

1959~2249

56.7~107

0.22~0.319

19583~37477

58.08~109.59

SBH-72.221~2.543

2.311~5.847

5.877~14.056

3158~4809

1765~2888

53.9~94

0.217~0.32

11341~37149

54.95~96.46

SBH-82.191~2.574

1.57~7.492

4.041~16.415

3017~3631

1681~1986

28.2~142.2

0.209~0.326

10831~32072

28.93~145.61

SBH-92.379~2.711

1.412~6.057

3.828~14.410

2432~3454

1393~1907

52.3~112.3

0.226~0.333

14449~21032

53.68~115.39

SBH-102.119~2.646

2.753~7.538

7.282~17.126

2593~3595

1559~1979

40.4~110.5

0.248~0.338

15182~27420

41.43~113.31


Fig. 2. Relationship between absorption and porosity Fig. 3. Bulk specific gravity in relation to absorption and porosity

있다. 또한 ASTM D7012-04에서도 코어 시료의 종횡비

가 2.0과 2.5 사이에 있어야 함을 강조하고 있다. 그러나

기존의 제주도 화산암에 대한 연구논문 및 보고서를 분

석한 결과 위와 같은 종횡비가 지켜진 경우는 거의 찾아

볼 수 없었으며, 본 연구에서는 종횡비의 영향이 미미한

일축압축강도와 물성값과의 비교 및 분석에 한정한다.

그리고 제주외항의 경우 일축압축시험을 수행한 공시

체의 크기에 대한 정보가 없는 관계로 측정된 일축압축

강도를 그대로 사용하였다.

3. 제주도 화산암에 대한 연구 및 보고 결과에 대

한 비교, 분석 및 고찰

3.1 흡수율과 공극률의 관계

Fig. 2는 흡수율과 공극률의 관계 및 선형근사 관계식

을 각각 나타내고 있다. Moon et al.(2014)에 의하면, 공

극률의 산정에 있어서 제주도 화산암과 같이 표면에 불

규칙한 기공이 분포하고 있는 경우 캘리퍼 방법보다 부

력을 이용한 방법이 타당하다고 보고하고 있기 때문에

여기에서는 부력을 이용한 공극률, 즉 유효 공극률로 환

산하여 그 관계를 나타내었다. Fig. 2에서 알 수 있듯이,

흡수율과 공극률은 선형 관계에 있음을 알 수 있으며,

흡수율과 공극률이 증가함에 따라 그 차이가 다소 커지

고 있음을 알 수 있다. 한편, Cho et al.(2009)는 한라산

조면암에 대한 연구에서 공극률은 암석입자 자체의 내

부구조와 암석 내에 존재하는 불연속면의 분포 특성 및

입자결합상태를 간접적으로 반영하는 공학적 풍화지수

로서 신뢰도가 높고, 흡수율은 광물 입자간의 공극, 광

물의 벽개면, 광물 내의 미세균열 등에 의해 흡수되는

모든 수분의 함량을 측정하여 산정되며, 암석의 공학적

성질과 밀접한 관계가 있음을 캘리퍼 방법에 의한 것으

로 추정되는 공극률을 이용하여 흡수율과의 선형 상관

관계를 나타내고 있다.

3.2 흡수율, 공극률의 변화에 따른 겉보기 비중의 변화

위에서 흡수율과 공극률은 선형의 관계에 있음을 확

인할 수 있었음으로 흡수율 및 공극률과 겉보기 비중과

의 각각의 관계를 비교하기 위해 Fig. 3(a), (b)에 그 관

계 및 선형근사 관계식을 각각 나타내었다. 전체적으로

흡수율과 공극률이 증가함에 따라 겉보기 비중은 약 3.0

을 시작으로 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있으며,

제주도 화산암의 경우 두 개의 서로 다른 선형근사로

흡수율 및 공극률과 겉보기 비중과의 각각의 관계를 대


Fig. 4. Relationship between P-wave velocity and S-wave velocity

표시킬 수 있음을 알 수 있다. 그리고 공극률보다는 흡

수율과 겉보기 비중과의 선형관계가 높음을 알 수 있다.

대체적으로 Kim and Choi(1991)의 제주 북서부에 분포

하는 암석, Cho et al.(2009)의 한라산 백록담 서측부에

분포하는 한라산 조면암, 제주 남동부(표선리∼신산리)

해상, 제주 북서부 월령리 및 애월항의 암석에 대한 결

과 값과 그 밖의 제주 북동부 및 남부에 분포하는 암석

에 대한 결과 값이 서로 다른 경향을 나타내고 있음을

알 수 있다. 한편 제주항의 암석에 대한 결과는 선형근

사 (1)과 (2) 양쪽에 해당하고 있다. 이는 마그마의 특성,

분출방식, 분출물의 종류, 암종별로 차별화된 풍화특성,

광물조성 등 여러 환경 요인에 의한 것으로 판단되며,

또한 선형근사 (2)에 해당하는 암석들은 선형근사 (1)에

해당하는 암석들에 비해 흡수율 및 공극률이 크고, 물성

값이 많이 분산되어 있음을 알 수 있다. 그리고 흡수율

이 약 1.0∼5.0%, 공극률이 약 2.0∼10.0% 구간에서 선

형근사 (2)에 해당하는 암석이 선형근사 (1)에 해당하는

암석에 비해 비중이 크게 나타나고 있으며, 이 결과가

뒤에 설명하는 일축압축강도의 증가로 나타나고 있다.

한편, Kim and Choi(1991)는 간극비와 습윤단위중량과

의 비교를 통하여 선형관계에 있음을, Cho et al.(2009)

은 공극률과 포화밀도와 건조밀도를 각각 비교하여 선

형관계에 있음을 보고하고 있으며, 선형근사 (2)에 해당

하는 암석에 대하여 연구를 하였음을 알 수 있다. 그리

고 Eum(2002)과 Moon et al.(2014)은 선형근사 (1)에 해

당하는 암석에 대하여 연구를 하였으며, Kim(2006)과

Nam et al. (2008a, b)의 연구에서 표선리 현무암의 결과

는 선형근사 (1), 조면암질 현무암과 스코리아에 대한

결과는 선형근사 (2)에 해당하고 있어서인지 물성 특성

에 따른 상관관계를 나타내고 있지 않다.

3.3 P파 속도와 S파 속도의 관계

암석의 탄성파 속도는 암석의 조직, 공극률, 이방성,

공극 내 함유물질의 종류, 공극의 모양, 암석의 밀도 등

에 따라 상이하게 변하며, 일반적으로 P파 속도와 S파

속도는 선형적인 관계에 있다(Castagna et al., 1985). Fig.

4(a)는 건조 상태의 암석 시료에 대한 P파 속도와 S파

속도의 관계 및 선형근사 관계를 나타내고 있으며, 기존

의 연구 및 보고서에서 다룬 각각의 제주도 화산암에

대한 P파 속도와 S파 속도는 대체적으로 선형의 관계에

있음을 알 수 있다. 그리고 Fig. 4(b)는 위에서 설명한

제주도 화산암은 흡수율 및 공극률과 겉보기 비중과의

각각의 관계가 두 개의 서로 다른 선형근사로 대표시킬

수 있다는 판단 하에, 각각의 선형근사에 해당하는 암석

을 구별하여, 각각의 P파 속도와 S파 속도의 관계, 선형

근사 관계식 및 결정계수를 나타낸 것이다. 두 개의 서

로 다른 선형근사에 해당하는 암석의 P파 속도에 대한

S파 속도의 기울기는 서로 다르며, 선형 근사 (2)에 해

당하는 암석은 선형근사 (1)에 해당하는 암석에 비해 P

파 속도에 대한 S파 속도의 기울기가 크다는 것을 알

수 있다. 또한 선형근사 (2)에 해당하는 암석은 선형근

사 (1)에 해당하는 암석에 비해 S파 속도가 크게 나타나

고 있음을 알 수 있다. 이는 P파 속도가 약 4500m/s 이하

에서는 선형근사 (2)에 해당하는 암석이 선형근사 (1)에

해당하는 암석에 비해 공극이 발달하고 있지만, 공극 이

외의 입자(암석시료의 고체 성분)는 어느 정도 고결화

되어 있다고 판단되며, P파 속도가 약 4500m/s 이상에

서는 높은 비중의 영향에 의한 것으로 판단된다. 한편,

제주항의 경우 P파 속도에 대한 S파 속도의 기울기가


Fig. 5. Unconfined compressive strength in relation to absorption Fig. 6. Unconfined compressive strength in relation to porosity

확연히 다른 결과를 보이고 있으며, 이는 위에서 언급한

바와 같이 선형근사 (1)과 (2) 양쪽에 해당하는 암석이

출현하고 있음을 알 수 있다.

3.4 흡수율 및 공극률과 일축압축강도와의 관계

흡수율 및 공극률과 건조 상태의 암석시료에 대한 일

축압축강도의 관계 및 비선형 최소제곱곡선 피팅법에

의한 근사곡선을 Fig. 5, 6에 각각 나타내었다. Fig. 5(a)

와 Fig. 6(a)에서 알 수 있듯이, 흡수율과 공극률이 감소

함에 따라 일축압축강도는 지수적으로 증가하고 있으

며, 일축압축강도의 편차 또한 크게 증가하고 있다. 또

한 근사곡선의 결정계수도 매우 작음을 알 수 있다. 앞

에서 설명을 했듯이 제주도 화산암은 흡수율 및 공극률

과 겉보기 비중과의 각각의 관계가 두 개의 서로 다른

선형근사로 대표시킬 수 있다는 판단 하에, 흡수율과 일

축압축강도, 공극률과 일축압축강도와의 각각의 관계를

두 개의 서로 다른 선형근사에 해당하는 암석을 구별하

여 Fig. 5(b)와 Fig. 6(b)에 각각 나타내었다. Fig. 5(b)와

Fig. 6(b)에서 알 수 있듯이, 흡수율 및 공극률과 일축압

축강도의 관계는 서로 다른 선형근사에 해당하는 암석

에 따라 확연히 구분되며, 근사곡선의 결정계수 또한 크

게 증가하고 있음을 알 수 있다. 그리고 공극률보다는

흡수율과 일축압축강도와의 관계가 결정계수가 높고,

이러한 결과를 통하여 흡수율과 겉보기 비중과의 관계

를 구분함으로서, 흡수율을 이용하여 제주도 화산암의

일축압축강도를 대략적으로 추정할 수 있을 것이라 판

단된다.

3.5 선형근사에 따른 지역적 암석분포

Fig. 7은 위에서 설명한 각각의 서로 다른 선형근사에

해당하는 암석의 채취지역을 지도상에 나타낸 것이다.

Eum(2002)의 경우, 암석의 채취지역을 구체적으로 나


Fig. 7. Sampling area of rocks corresponding to each of linear

approximations

Fig. 8. Major mineral composition; (a) Plagioclase, (b) Pyroxene,

and (c) Olivine

타내고 있지 않기 때문에, 그 지역의 관공서가 위치하는

지점을 나타내었다. Fig. 7에서 알 수 있듯이, 두 개의

서로 다른 선형근사 (1)과 (2) 양쪽에 해당하는 암석이

출현하는 제주도 북측의 제주항을 기준으로 한라산 서

측부를 포함하여 제주도 북서부에서 제주 남서부에 위

치하고 있는 화순항까지 선형근사 (2)에 해당하는 암석,

제주도 북동부 육･해상과 제주도 남부는 선형근사 (1)

에 해당하는 암석이 분포하고 있음을 알 수 있다. 한편,

제주도 남동부의 경우 선형근사 (1)과 (2) 양쪽에 해당

하는 암석이 출현하고 있음을 알 수 있다.

3.6 비교･분석결과에 대한 고찰

위에서 제주도 화산암의 경우 흡수율 및 공극률과 겉

보기 비중과의 관계에 있어서, 두개의 서로 다른 선형근

사로 대표시킬 수 있음을 나타내었으며, 이러한 결과를

P파 속도와 S파 속도와의 관계 그리고 흡수율 및 공극

률과 일축압축강도와의 관계에 적용하여 그 차이를 구

분할 수 있음을 나타내었다. 이러한 결과는 위에서 언급

을 했듯이, 마그마의 특성, 분출방식, 분출물의 종류, 암

종별로 차별화된 풍화특성, 광물조성 등 여러 환경 요인

에 의한 것으로 판단되며, 여기에서는 자료가 부족한 관

계로 선형근사 (1)에 해당하는 Moon et al.(2014)의 제주

도 북동부 북촌리의 암석, 제주도 북동부(김녕리~행원

리) 육상 및 해상의 암석, 그리고 선형근사 (2)에 해당하

는 제주도 남동부 해상에서 채취한 암석에 대해서 여러

환경 요인 중의 하나로 여겨지는 광물조성을 통하여 그

원인을 간접적으로 언급하고자 한다.

제주도 북동부 육･해상 및 남동부 해상에서 채취한

암석은 주요 구성광물이 사장적, 휘석, 감람석인 현무암

으로서, 박편현미경분석과 X선-회절분석에 의한 각각

의 주요 구성광물에 따른 지역적 분포를 Fig. 8에 각각

나타내었다. Fig. 8에서 알 수 있듯이, 제주도 북동부

육･해상에서 채취한 암석의 경우 주요 구성광물이 차지

하는 비율은 유의한 차이가 없음을 알 수 있으며(t 검정

분석: 사장석; p > 0.05, 휘석; p > 0.20, 감락석; p > 0.05),

제주도 남동부 해상에서 채취한 암석과 제주도 북동부


의 암석을 t 검정분석을 통하여 비교하면 사장석 p >

0.05, 휘석 p > 0.15, 감락석 p < 0.01로서, 사장석과 휘석

의 경우 유의한 차이가 없지만, 감락석의 경우 유의한

차이가 있음을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 알 수

있는 것은 제주도 남동부 해상에서 채취한 암석은 제주

도 북동부의 암석에 비해 비중이 큰 감람석을 많이 포함

하고 있음을 알 수 있으며, 이러한 사실을 통하여 위에서

언급한 흡수율이 약 1.0∼5.0%, 공극률이 약 2.0∼10.0%

구간에서 선형근사 (2)에 해당하는 암석이 선형근사 (1)

에 해당하는 암석에 비해 비중이 크게 나타나고 있음을

설명할 수 있다. 그러나 감람석은 불안정한 광물로서 풍

화에 약하기 때문에 선형근사 (1)에 해당하는 암석에 비

해 선형근사 (2)에 해당하는 암석은 결과분포가 많이 흩

어져 있을 가능성이 있으며, 풍화에 의해 흡수율 및 공

극률이 크게 증가할 수 있다는 것을 설명할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 제주도 화산암에 대한 종합적인 물리

및 역학적 특성을 파악하기 위하여 기존의 연구논문 및

보고서를 비교･분석하였다. 암종에 대한 자료가 부족한

관계로 암종에 따른 분석은 이루어지지 않았지만, 제주

도 화산암은 암종에 관계없이 흡수율 및 공극률과 겉보

기 비중과의 각각의 관계에 있어서 두 개의 서로 다른

선형근사로 대표시킬 수 있음을 알 수 있었으며, 제주도

화산암의 이러한 관계를 고려함으로서 P파 속도와 S파

속도와의 관계, 흡수율 및 공극률과 일축압축강도와의

각각의 관계를 명확히 구분 지을 수 있음을 알 수 있었

다. 그리고 얻어진 결과를 종합하면 다음과 같다.

(1) 흡수율과 공극률의 증가에 따라 겉보기 비중은 약

3.0을 시작으로 선형적으로 감소하고 있음을 알 수

있었다. 그리고 마그마의 특성, 분출방식, 분출물의

종류, 암종별로 차별화된 풍화특성, 광물조성 등으

로 생각되는 여러 환경요인에 의해 감소하는 경향

이 다름을 알 수 있었으며, 제주도 화산암의 경우

흡수율 및 공극률과 겉보기 비중과의 각각의 관계

는 두 개의 서로 다른 선형근사로 대표시킬 수 있음

을 알 수 있었다. 또한 공극률보다는 흡수율과 겉보

기 비중과의 선형관계가 높음을 알 수 있었다.

(2) 제주도 화산암의 경우 P파 속도와 S파 속도의 관계

대체적으로 선형의 관계에 있었으며, 서로 다른 선

형근사에 해당하는 암석의 P파 속도에 대한 S파 속

도의 기울기는 서로 다르며, 선형 근사 (2)에 해당하

는 암석은 선형근사 (1)에 해당하는 암석에 비해 P

파 속도에 대한 S파 속도의 기울기가 크다는 것을

알 수 있었다.

(3) 건조 상태의 암석에 대한 일축압축강도는 흡수율

및 공극률이 감소함에 따라 지수적으로 증가하고

있으며, 그 편차 또한 크게 증가하고 있음을 알 수

있었다. 그리고 제주도 화산암의 두 개의 서로 다른

흡수율 및 공극률과 겉보기 비중의 선형 관계를 고

려함으로서, 흡수율 및 공극률과 일축압축강도와의

관계를 명확하게 구분할 수 있음을 알 수 있었다.

또한 공극률보다는 흡수율과 일축압축강도와의 관

계가 결정계수가 높고, 이러한 결과를 통하여 흡수

율과 겉보기 비중과의 관계를 구분함으로서, 흡수

율을 이용하여 제주도 화산암의 일축압축강도를 대

략적으로 추정할 수 있을 것이라 판단된다.

(4) 제주도 화산암의 물리･역학적 특성에 있어서 두 개

의 서로 다른 선형근사에 해당하는 암석의 채취지

역을 구별하여 지도상에 나타냄으로서, 지역적 분

포특성을 알 수 있었다.

(5) 박편현미경분석과 X선-회절분석에 의한 주요 구성

광물에 따른 지역적 분포의 비교를 통하여, 위에서

언급한 비교･분석결과에 대한 원인을 간접적으로

설명할 수 있음을 알 수 있었으며, 추후 지중 암반에

대한 암종 및 암상에 따른 심도 깊은 연구가 필요하

다고 여겨진다.

감사의 글

본 연구는 2014년도 산업통상자원부, 한국산업기술

진흥원, (재)제주지역사업평가원의 지원으로 수행된 광

역경제권 선도산업 육성사업(R0001299)의 연구결과이

며, 자료를 제공해 주신 제주대학교 토목공학과 김남형

교수님, 박상렬 교수님, 풍력특성화협동과정 박사과정

인 문경태군과 GK 엔지니어링(주), JPM Inc. 관계자 분

들께 감사를 드립니다.

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Received : July 2nd, 2014Revised : November 15th, 2014Accepted : November 18th, 2014

제주도 화산암의 물리 역학적 특성에 대한 비교연구 · 분포에 대한...

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