1. 서 론
2. 실험 장치와 모형 재료
2.1 단층의 거동 특성
2.2 이축 압축 시험장치
2.3 모형 재료와 모형시험체의 모습
3. 주향이동단층의 모형 실험
3.1 주향이동단층 모형시험체의 종류와 제작 방법
3.2 주향이동단층 모형의 실험 결과
4. 역단층의 모형 실험
4.1 역단층 모형시험체의 종류와 제작 방법
4.2 역단층 모형의 실험 결과
5. 토의 및 고찰
5.1 단층의 파괴응력 조건
5.2 수치해석적 검토
6. 결 론
1. 서 론
2016년에 발생한 경주 지진과 2017년에 발생한 포항 지진은 규모 5.0 이상의 지진으로서, 크나큰 피해를 주었으며 이에 따라 지진은 우리나라의 큰 사회적 이슈가 되고 있다. 한국지질자원연구원(KIGAM)은 2018년에 “일반인을 위한 한반도 동남권 지진”이라는 책자를 발간하였는데, 여기서 경주 지진은 약 70° 경사진 단층면에서 주향이동 방향의 단층 운동을 하였고, 포항 지진은 역단층성 주향이동단층의 운동을 하였다고 보고하였다. 특히 이 책자에서는 두 가지 지진의 발생 메커니즘을 분석함으로써, 현재 한반도에서 발생할 수 있는 지진은 두 지괴가 서로 수평 이동하는 주향이동단층 운동성의 지진, 하나의 지괴가 다른 지괴를 타고 오르는 역단층 운동성 지진, 또는 두 가지 단층의 혼합에 의한 지진으로 예상하였다. 따라서 주향이동단층과 역단층의 역학적 거동 특성을 규명하는 것은 현시점에서 매우 중요한 과제로 주목받고 있다.
단층의 거동은 축소모형실험을 통해 구현할 수 있다. 이 실험은 국내외에서 널리 사용되는 암반공학 분야의 실내 실험법 중 하나로서, 현장 암반을 모사하는 모형시험체를 제작한 후 여기에 지압에 해당하는 하중을 가할 때 생기는 변형과 파괴 거동을 조사하는 실증적인 실험법이다. 이축 압축 시험장치를 사용한 축소모형실험은 터널의 변형 거동과 안정성 검토를 위해 국내에서도 활발히 수행된 바 있으며(Jeon et al., 2003; Kim, 2019), 암반 기초와 관련한 축소모형실험도 수행된 바 있다(Kim and Heo, 2016). 한편, 단층 운동은 단층면을 경계로 하는 지압의 변동으로 인해 발생하므로, 단층의 역학적 거동 또한 이축 압축 시험장치를 사용한 모형 실험으로 구현할 수 있다. 해외에서는 단층의 역학적 거동을 실험적으로 알아보기 위한 연구가 활발히 진행된 바 있으나(Dieterich, 1981; McLaskey and Kilgore, 2013; McLaskey et al., 2015; Wang et al., 2019), 이와 관련한 국내의 실험적 연구는 거의 없는 실정이다. 따라서 우리나라의 지진 발생과 관련한 단층의 거동 특성과 임계 파괴 조건을 파악하기 위해서는 실험을 통한 실증적인 연구가 필수적으로 요구된다.
본 연구에서는 단층의 거동 특성을 조사하기 위하여, 서보 제어 기능을 갖춘 이축 압축 시험장치를 제작하고 주향이동단층과 역단층에 대한 모형 실험을 수행하였다. 단층 암반의 모형시험체는 모래, 석고, 시멘트, 물의 혼합물을 사용하여 만들었으며, 500 mm × 500 mm× 80 mm 규격의 육면체이다. 여러 가지 단층 모형시험체에 다양한 하중 조건을 적용하여 가압 파괴실험을 수행하였으며, 하중에 따른 단층의 거동과 파괴하중을 조사하여 단층 파괴의 임계 응력 상태를 알아보았다. 또한, 현장 단층면의 상태를 반영하기 위하여, 표면이 편평한 단층면과 거칠고 맞물린 단층면에 대해 각각 실험하였다. 그리고 역단층의 경우는 단층면의 경사각을 달리하여 실험해 보기도 하였다. 본 연구에서 적용한 실험 기술과 도출된 실험 결과는 단층의 거동 특성을 파악하는 기초 자료로 활용되기를 기대한다.
2. 실험 장치와 모형 재료
2.1 단층의 거동 특성
주향이동단층은 단층면을 경계로 하는 전단력이 주로 작용할 때 생성되고, 역단층은 양쪽에서 미는 횡압력이 주로 작용할 때 생성되며, 정단층은 인장력이 주로 작용할 때 생성된다(Fig. 1). 따라서 주향이동단층은 단층면을 경계로 하는 두 지괴가 서로 수평 이동하는 형태를 보이고, 역단층은 하나의 지괴가 다른 지괴를 타고 오르는 형태를 보인다. 이 두 가지 단층의 역학적 거동은 이축 압축 시험장치를 통한 모형 실험으로 구현할 수 있다.
미국 지질조사국의 Dieterich(1981)는 주향이동단층의 역학적 거동을 실험적으로 알아보기 위하여 1.5 × 1.5 × 0.4 m 규격의 육면체 시험체를 수용할 수 있는 대형 이축 압축 시험장치(하중 용량 24 MN)를 제작하였다. 그리고 McLaskey and Kilgore(2013)와 McLaskey et al.(2015)은 이 장치에 화강암 단층 시험체를 설치한 후 가압 실험을 하였다(Fig. 2). 그들은 육면체 화강암을 대각선 방향으로 톱날 절단하고 연마하여 2 m 길이의 모사 단층면을 만들었고, 여기에 이축 압축 하중을 가하면서 모형 단층면 주위의 변형거동과 진동 발생량을 조사하였다. 한편, 이축 압축 시험장치로 가압 실험을 수행하면 주향이동단층뿐 아니라 역단층의 역학적 거동도 모사할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이 두 가지 단층에 대한 모형 실험을 시행함으로써 단층 파괴를 유발하는 응력 상태를 조사하였다.
2.2 이축 압축 시험장치
본 연구에서는 500 mm × 500 mm× 80 mm 규격의 시험체를 수용할 수 있고, 서보 제어 기능을 갖춘 이축 압축 시험장치를 제작하였다. 이는 Fig. 3(a)와 같이 이축 압축기, 제어기, 유압펌프로 구성된다. Fig. 3(b)는 주향이동단층 모형시험체가 설치된 이축 압축기의 모습이고, Fig. 3(c)는 이축 압축기의 제작 도면이다. 이축 압축기의 외부 골조는 200 mm × 200 mm 규격의 H형강이고, 여기에 300 kN 용량의 유압 램 4개를 서로 마주 보게 설치하였다. 이 시험장치는 제어기에 장착된 장치 구동 프로그램을 통해 X 방향 수평 하중과 Y 방향 수평 하중을 자유롭게 조절할 수 있다. 또한, 압력 센서와 LVDT (linear variable differential transformer)를 내장하고 있어, 하중 속도 제어방식과 변위 속도 제어방식을 선택하여 실험할 수도 있다. 그리고 실험 중의 하중과 변위 자료를 실시간 수집하는 기능도 가지고 있다.
2.3 모형 재료와 모형시험체의 모습
본 연구에서는 시험장치의 하중 용량(300 kN) 범위에서 단층면 파괴가 발생할 수 있는 암석 유사물질을 모형 재료로 선정하였다. 몇 번의 시행착오 끝에, 모래, 석고, 시멘트, 물의 혼합물(중량 배합비 100 : 45 : 5 : 33)을 모형 재료로 선정하였는데, 이때 모래는 주문진 규사, 석고는 ㈜삼우의 도자기 형재용 석고, 시멘트는 ㈜유니온의 백시멘트Ⅰ을 사용하였다. 이 재료는 일반 콘크리트와 유사하게 28일 건조 기간이 지난 후에는 거의 일정한 일축압축강도를 보였기 때문에, 본 연구에서는 육면체 모형시험체를 제작하고 28일 이상 경과 후에 모형시험체에 대한 가압 실험을 수행하였다.
Table 1은 모형 재료의 물성값이고, Fig. 4는 물성을 구하기 위한 원주형 시험편과 가압 실험을 위해 제작한 육면체 모형시험체들의 모습을 보여준다. 본 연구에서는 8개의 주향이동단층 모형시험체와 16개의 역단층 모형시험체를 제작하였다. 이 중 몇 가지는 예비 실험용으로 사용하였고, 19개 모형시험체에 대해서는 실제적인 가압 파괴실험을 수행하였다.
3. 주향이동단층의 모형 실험
3.1 주향이동단층 모형시험체의 종류와 제작 방법
주향이동단층 모형은 McLaskey et al.(2015)을 참고하여 육면체의 대각선 방향에 단층면이 존재하도록 모형시험체를 만들었다. Fig. 5는 모형시험체의 제작 과정을 보여준다. 먼저 편평한 분리판을 가진 탈착식 육면체 거푸집을 조립하고, 굳지 않은 모형 재료를 거푸집에 넣은 후, 거푸집과 분리판을 제거함으로써 편평한 단층면을 가진 모형시험체를 제작하였다.
한편, 단층면은 편평할 수도 있지만, 거칠기 또는 요철부가 있어 서로 맞물려 있다는 점을 고려하여 이러한 단층면에 대해서도 실험을 수행하였다. 거칠고 맞물린 단층면을 가진 시험체를 제작할 때는, 표면이 약간 거친 몰탈 주형 물을 몰드로 삼아 거푸집에 미리 넣은 후 굳지 않은 모형 재료를 주입함으로써, 단층면의 거칠기를 복사하는 방법을 적용하였다. Fig. 6은 제작 과정을 보여주며, 이러한 기술을 통해 똑같은 표면 거칠기를 갖는 시험체를 여러 개 제작할 수 있었다. Fig. 7은 편평한 단층면과 거칠고 맞물린 단층면의 모습을 비교한 것으로써, 거친 단층면의 표면 거칠기 정도는 절리면 프로파일 게이지로 측정한 결과, JRC (joint roughness coefficient) 값이 4 정도이었다(Barton and Choubey, 1977).
3.2 주향이동단층 모형의 실험 결과
편평한 단층면을 가진 모형 4개와 거칠고 맞물린 단층면을 가진 모형 3개에 대하여, 일정한 Y 방향 하중(Y-Load) 조건에서 X 방향 하중(X-Load)을 점차 증가시켜 단층면을 파괴하는 실험을 수행하였다. 이때 Fig. 8(a)와 같이 총 8개의 LVDT를 시험체 주위의 강재 가압판에 설치하여 변형을 연속적으로 측정하였다. Fig. 8(b)는 단층면에 작용하는 수직응력과 전단응력을 보여준다.
Fig. 9는 어느 시험체의 시험 전후 모습으로서, 이는 Y 방향 하중을 5 kN으로 일정하게 유지한 조건에서 X 방향 하중이 70.9 kN이 될 때 단층면의 파괴가 발생하였다. 이처럼 모든 주향이동단층 모형은 대각선 방향의 단층면을 따라 변형이 발생하였다.
Fig. 10은 시험체 주위에 설치한 8개의 LVDT에서 얻어진 변위로서, X, Y 방향의 변위는 점진적으로 변하다가 단층면의 파괴가 발생한 463 sec 시점부터는 급격히 증가하였다. 그런데 같은 강재 가압판에 설치한 한 쌍의 LVDT 변위(예컨대, X1, X2 또는 Y1, Y2 )는 변위량과 변위속도가 매우 다른데, 이는 단층면이 파괴된 후 시험체가 약간 회전하였음을 의미한다. 이는 실험 장치의 특성상 파괴 후 생기는 자연스러운 현상으로 이해되지만, 유압 램의 개수를 증가시키면 어느 정도 개선될 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구에서 다룬 주향이동단층 모형은 2가지 종류로서, 편평한 단층면 모형(SF 그룹)과 거칠고 맞물린 단층면 모형(SR 그룹)이다. Table 2는 주향이동단층 모형시험체의 가압 실험을 통해 얻은 파괴하중과 파괴 시의 단층면 응력을 보여준다. 여기서 구속 하중(Y-Load)이 클수록 단층면 파괴를 일으키는 하중(X-Load)은 크게 나타났고, 거친 단층면 모형(SR 그룹)은 편평한 단층면 모형(SF 그룹)보다 파괴하중이 작게 나타났다. 표면이 거친 단층면의 경우는 시험 전에 서로 맞물렸던 요철부가 마모되면서 전단 파괴되어, 시험 후는 Fig. 11과 같이 단층면의 요철부가 매끈해졌음을 관찰할 수 있었다. 이때 단층면 사이의 파쇄된 부스러기는 마치 단층 충전물처럼 거동하여 전단저항을 감소시킨 것으로 판단되며, 이 현상은 후술하는 역단층의 모형에서도 관찰되었다.
Table 2.
Test results of the strike-slip fault models
4. 역단층의 모형 실험
4.1 역단층 모형시험체의 종류와 제작 방법
단층면의 경사각이 30°와 45°인 역단층 모형시험체를 제작하여 가압 파괴실험을 수행하였고, 주향이동단층과 마찬가지로 단층면이 편평한 경우와 거칠고 맞물린 경우에 대해 실험하였다. 본 연구에서는 실험한 역단층 모형은 4가지 종류이다. 각각의 모형을 편평한 30°역단층(RF30 그룹), 거친 30°역단층(RR30 그룹), 편평한 45°역단층(RF45 그룹), 거친 45°역단층(RR45 그룹)으로 명명하기로 한다.
경사각이 30°이면서 표면이 편평한 역단층 모형(RF30 그룹)을 제작하는 과정은 Fig. 12와 같다. 이때는 먼저 30° 경사진 편평한 분리판을 가진 탈착식 거푸집을 조립하고, 여기에 굳지 않은 모형 재료를 주입한 후, 거푸집과 분리판을 제거하여 시험체를 제작하였다. 한편, 경사각이 45°이면서 표면이 편평한 역단층 모형(RF45 그룹)을 제작할 때는 45° 경사진 편평한 분리판을 가진 탈착식 거푸집을 사용하였으며, 제작 방법은 Fig. 12와 유사하다.
Fig. 13은 경사각이 30°이면서 표면이 거친 역단층 모형(RR30 그룹)을 제작하는 과정을 보여준다. 주향이동단층 모형시험체와 마찬가지로, 이때도 약간의 표면 거칠기를 갖는 몰탈 주형 물을 몰드로 삼아 재사용하면서 단층면의 거칠기를 복사해서 똑같은 거칠기를 갖는 모형시험체들을 여러 개 제작하였다. 그리고 경사각이 45°인 모형(RR45 그룹)도 이와 유사한 방법으로 제작하였다. Fig. 14는 편평한 단층면과 거친 단층면을 가진 역단층 모형시험체의 모습을 비교한 것으로, 거친 단층면의 표면 거칠기 정도는 주향이동단층 모형과 마찬가지로 JRC 값은 4 정도이었다.
4.2 역단층 모형의 실험 결과
경사각이 30°이거나 45°인 역단층 모형들에 대하여, 일정한 Y 방향 하중(Y-Load) 조건에서 X 방향 하중(X-Load)을 점차 증가시켜 단층면을 파괴하는 실험을 수행하였다. Fig. 15는 경사각이 45°이면서 거칠고 맞물린 단층면을 가진 어느 역단층 모형의 실험 장면을 보여준다. 이 모형은 구속 하중(Y-Load)을 20 kN으로 일정하게 유지한 상태에서 X 방향 수평 하중(X-Load)이 61.2 kN이 될 때 파괴되었다. Fig. 15(a)는 파괴 시의 모습이고, Fig. 15(b)는 파괴 후 강재 가압판을 조심스레 제거한 이후의 모습이다. 이 모형의 파괴 형태는 횡압력에 의해 상반이 하반 위로 타고 오르는 전형적인 역단층의 거동 형태를 보였다. 그리고 다른 모든 역단층 모형도 이와 같은 파괴 거동을 보였으므로, 본연구에서는 역단층의 거동을 실험적으로 규명할 수 있었다.
경사각과 단층면 거칠기가 다른 4가지 그룹별로 3개씩, 총 12개 모형시험체에 대하여 가압 파괴실험을 수행하였다. Table 3은 실험을 통해 얻은 파괴하중과 파괴 시의 단층면 응력을 보여준다. 몇 가지 다른 경우도 있지만, 전반적으로는 구속 하중(Y-Load)이 클수록 단층면 파괴를 일으키는 하중(X-Load)은 크게 나타났고, 거칠고 맞물린 단층면 모형은 편평한 단층면 모형보다 파괴하중이 작게 나타났다. 이러한 현상은 앞선 주향이동단층의 경우와 동일하다.
Table 3.
Test results of the reverse fault models
5. 토의 및 고찰
5.1 단층의 파괴응력 조건
주향이동단층 모형의 단층면에 작용하는 수직응력과 전단응력을 Mohr-Coulomb 파괴 조건으로 분석하면 Fig. 16(a)와 같고, 역단층 모형의 경우는 Fig. 16(b)와 같다. 실험 자료의 개수가 주향이동단층은 7개, 역단층은 12개로서 자료 개수가 충분하지는 않지만, 주향이동단층은 역단층보다 점착력과 마찰각이 작아서 전단저항이 작은 것으로 검토되었다.
다음으로, 단층면이 편평한 경우와 거칠고 맞물린 경우를 비교하면 Fig. 17과 같다. 편평한 단층면을 가진 모형은 거친 단층면을 가진 모형에 비해 점착력과 마찰각이 커서 전단저항이 더 큰 것으로 검토되었다. 표면이 거친 단층면 모형은 시험 전에 요철부가 서로 맞물려 있던 상태였는데, 단층면이 전단 파괴되면서 생긴 파쇄 부스러기로 인해 전단저항이 작아진 것으로 판단된다.
실제로 암반의 단층면은 편평할 수도 있고 거칠고 맞물려 있을 수도 있으며, 지압의 상태에 따라 주향이동단층 운동과 역단층 운동이 혼합되어 나타날 수도 있다. 따라서 본 연구에서 수행한 모든 실험 자료를 통합해서 분석하는 것은 의미가 있으며, Fig. 18은 총 19개 모형에서 얻어진 단층면의 파괴 조건을 보여준다. 이는 모형 실험의 특성상 암석 유사물질을 모형 재료로 사용하여 얻어진 것이지만, 단층 운동의 임계 응력 상태를 가늠하게 해주는 자료로 활용될 수 있다고 생각된다.
5.2 수치해석적 검토
본 연구에서 수행한 실험의 타당성을 검증하기 위해 범용 프로그램인 FLAC으로 실험과 똑같은 조건을 부여하여 수치해석을 하였다. Fig. 19는 어느 주향이동단층 모형(Model ID, SF-3)의 수치해석 결과와 실험 결과를 비교한 것으로, 이 모형의 대략적인 실험 결과는 Fig. 9, 10에 보인 바 있다. Fig. 19(a)는 수치해석을 통해 얻은 변형으로서, 시험체는 단층면을 따라 전단 변형하였고 약간 회전하였음을 보여준다. Fig. 19(b)는 실험을 통해 얻은 변형으로서, 이는 실험을 수행할 때 시험체의 직상부에 설치한 DIC 카메라로 촬영해서 획득한 변위 벡터이다. 이 두 가지는 서로 유사하므로 본 모형 실험의 결과는 신뢰성이 있다고 볼 수 있다.
주향이동단층 모형뿐 아니라 역단층 모형에 대해서도 실험과 똑같은 조건을 부여하여 수치해석을 실시하였다. Fig. 20은 경사각 30°와 45°인 역단층 모형의 가압 실험을 수치해석으로 분석해서 얻은 시험체의 변형 양상이다. 이 또한 Fig. 15에 나타낸 실험의 결과와 부합한다. 따라서 본 연구에서 수행한 물리적인 모형 실험의 타당성을 입증할 수 있었다.
6. 결 론
서보 제어 기능을 갖춘 이축 압축 시험장치를 사용하여 주향이동단층과 역단층의 운동을 재현하는 축소모형실험을 수행하였다. 모래, 석고, 시멘트, 물의 혼합물로 모형시험체를 제작하였고, 단층면이 편평한 경우와 거칠고 맞물린 경우를 각각 실험하였으며, 역단층 모형은 단층면의 경사각이 30°와 45°인 경우를 실험하였다. 총 19개의 모형시험체에 대하여 일정한 구속 하중 조건에서 단층면을 가압 파괴하는 실험을 통해, 단층의 거동 특성과 파괴응력 조건을 알아보았다. 본 연구에서 얻어진 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 가압 파괴실험을 수행한 모든 주향이동단층 모형은 시험체의 대각선 방향에 존재하는 단층면을 따라 전단 변형하여 주향이동의 거동을 보였고, 모든 역단층 모형은 상반이 하반 위로 타고 오르는 거동을 보였다. 따라서 물리적인 모형 실험을 통해 두 가지 단층 운동을 실증적으로 규명할 수 있었다.
(2) 거칠고 맞물린 단층면을 가진 모형은 편평한 단층면을 가진 모형보다 파괴하중이 작게 나타났다. 시험 전에 서로 맞물렸던 단층면의 요철부는 하중에 따라 마모되면서 전단 파괴되어, 시험 후는 단층면이 매끈해졌음을 관찰할 수 있었다. 또한 단층면 사이의 파쇄된 부스러기는 단층 충전물처럼 거동하여 전단저항을 감소시켰음을 확인하였다.
(3) 가압 파괴실험을 수행한 모형시험체들은 단층면의 상태와 단층의 종류에 따라 6가지 그룹으로 나뉜다. 이들은 편평한 주향이동단층 모형(SF 그룹), 거친 주향이동단층 모형(SR 그룹), 편평한 30°역단층(RF30 그룹), 거친 30°역단층(RR30 그룹), 편평한 45°역단층(RF45 그룹), 거친 45°역단층(RR45 그룹)이며, 그룹별 파괴응력을 Mohr-Coulomb 파괴 조건으로 분석하여 단층 운동의 임계 응력 상태를 도출하였다.
(4) 본 연구는 모형 실험의 특성상 암석 자체가 아니라 암석 유사물질을 모형 재료로 사용하였고, 실험 자료의 개수도 충분하다고 볼 수는 없다. 그러나 본 연구는 국내 최초로 주향이동단층과 역단층의 운동을 재현하는 실증적인 실험을 수행하였다는 점에서 의의가 있으며, 본 연구에서 수행한 실험 기술과 도출된 실험 결과는 우리나라 단층의 거동 특성과 임계 파괴 조건을 파악하는 기초 자료로 활용되기를 기대한다.
