1. 서 론

고준위방사성폐기물(HLW)의 영구처분을 위한 부지선정 절차는 국민적 안전과 직결되는 매우 중요한 과정이다. 「제2차 고준위 방폐물 관리 기본계획(2021)」에 따르면 부지조사는 부적합지역 배제부터 기본조사, 심층조사를 거쳐 최종 부지확정까지 약 13년의 기간이 소요될 것으로 설정되어 있다. 또한 처분시설 중 지하공간 구조물인 처분터널과 처분공의 설계 및 시공 시, 굴착 대상인 암석과 암반의 공학적 특성을 파악하는 것은 구조물의 안정성(Stability)을 확보하는 데 필수적이다. 특히 일축압축강도(UCS)는 지하공간 설계의 핵심 평가인자로 활용되지만, 암석 재료 특유의 불균질성으로 인해 시험 조건에 따른 측정 결과의 분산도가 크게 나타나는 특징이 있다.

고시 제2027-61호 방사성폐기물폐기시설 품질보증에 따르면 조사에 사용되는 장비의 사용 범위, 정확도 및 정밀도를 제시하여야 하며, 과학적인 조사는 국가공인표준이 있는 경우에는 이에 따라 수행되어야 한다고 명시되어 있다. 그러나 부지선정과 관련한 다수의 지질학적 인자의 경우에 절차서나 방법론이 제시되거나 명확히 확립되지 않았거나, 조사자 또는 평가자의 주관적 판단으로 좌우될 수 있는 요소가 많다. 부지선정과 관련된 역학적 평가인자 중 일부는 국제표준시험법이나 국가공인표준인 KS 시험법이 제정되어 있기도 하다.

본 연구에서는 역학적 평가인자 중 처분시설 구조적 안정성에 중요한 역할을 하는 일축압축강도를 대상으로 평가인자 산정의 신뢰성을 높이기 위해 표준시험법에 따른 품질관리 방안과 실증 사례를 통해, 고준위방사성폐기물 처분 부지조사를 위한 UCS 품질관리 및 검증 절차를 제안하고자 하였다.

2. 연구 배경 및 관련 규정

2.1 지하구조물의 설계 절차

터널과 같은 지하공간구조물을 설계, 시공하기 위해서는 Fig. 1과 같이 부지조사, 실내 및 현장시험을 통한 인자를 획득하고 이를 활용하여 설계 및 시공이 이루어진다. 시공 중 또는 시공 후, 설계에 사용된 입력 인자가 제대로 평가되었는지, 시설물이 안정적으로 유지되는지 파악하기 위하여 계측이 수행된다. 계측 결과는 추가적 부지조사나 보완 설계에 반영된다.

고준위방사성폐기물 심층처분시설도 터널 등 일반적인 지하공간 구조물과 유사한 절차를 갖는다. 다만 타 지하공간 구조물에 비해 초장기간의 운영과 폐쇄 작업, 그리고 시설물의 성능이 저하되었을 때, 사회 및 환경적 영향 등이 크기 때문에 각각 단계에서 엄격한 관리가 이루어져야 한다. 설계를 위한 물성이나 평가인자 획득에 있어 암반의 불균질성이나 이방성, 그리고 단층이나 절리 등 불연속면 등으로 인해 지질 관련 인자 획득에 있어 불확실성이 존재한다.

Fig. 1.

Procedure of construction for underground structures (Feng and Hudson, 2011)

2.2 부지선정 역학적 평가인자

고준위방사성폐기물 부지선정 및 암반 적합성 관련한 조사에 있어 단계별 다양한 인자의 조사와 평가가 요구된다. 역학적 평가인자는 크게 무결암과 암반, 불연속면 등으로 구분할 수 있다(Choi et al., 2020). 이 중 무결암 항목을 정리하면 Table 1과 같다. Table 1에는 흡수율, 비중 등과 같은 비파괴 물성과 일축압축강도 등과 같은 파괴 물성, 그리고 장기 거동과 관련된 크립 상수 등이 포함되어 있다. 무결암 항목 중 일축압축강도는 암석의 역학적 특성을 대표하는 기본적인 인자로 통용되고 있다.

2.3 시험규정 및 한국인정기구

역학적 평가인자와 관련하여 국내외 활용되고 있는 대표적인 시험규정이나 방법으로는 ASTM (American Society for Testing and Materials), ISRM suggested method, KS, 한국암반공학회 표준시험법 등이 있다.

ASTM은 미국재료시험협회에서 발행하는 표준으로, 전 세계 산업계에서 가장 널리 참조되는 표준 중 하나로, 매우 엄격하고 구체적인 표준형식을 갖는다. 시편의 치수, 정밀도, 시험 장비의 사양, 오차 범위 등이 수치적으로 명확하게 규정되어 있다. 이는 상업적 거래나 대규모 토목, 광산 프로젝트에서의 계약적 기준을 제공하기 위해 발전해 온 것으로 알려져 있다. 일축압축강도의 경우 ASTM D7012로 규정되어 있다.

ISRM Suggested Methods는 국제암반공학회(International Society of Rock Mechanics)에서 제안하는 시험법으로, 엄격한 ‘표준(Standard)’보다는 ‘권고안(Suggested Method)’의 성격이 강하다. 이는 전 세계 암반공학 연구자들이 공통적으로 사용할 수 있는 가이드라인을 제시할 목적으로 제정되었으며, ASTM에 비해 시편 준비나 시험 조건에 있어 약간의 유연성을 허용한다. 이러한 이유는 다양한 지질학적 환경을 가진 국가들 사이에서 자료 비교 가능성을 높이기 위해 학술적 합의를 바탕으로 만들어졌기 때문이다. 1981년 Yellow book이 발간되었으며, 3개 분야(Description and classification, laboratory testing, field testing and monitoring), 14개 시험법이 제안되었다. 이후 2007년에 description and classification 분야를 강화하여 site characterization으로, field testing and monitoring을 2개의 분야로 분리하여 4개 분야, 총 40개의 시험법이 포함되어 있다. 가장 최근에 발간된 Orange book(2014)은 Blue book(2007)의 확장판 개념으로 5개 분야로 구성되어 있으며, 최신 IT 기술, 동역학, 특수 환경 시험법을 보완한 증보판이다. 일반적인 일축압축강도 시험은 Blue book에 제시된 ‘Suggested Methods for Determining the Uniaxial Compressive Strength and Deformability of Rock Materials’를 사용한다. Fig. 2는 국제암반공학회에서 발간된 시험법의 표지 모습이다.

Fig. 2.

ISRM suggested method books published by ISRM (ISRM, 2026)

KS(Korean Industrial Standards)는 한국산업표준으로 국가기술표준원에서 관리하는 법정 표준으로, 주로 KS E (광산) 또는 KS F (토목) 부문에 암석 시험 관련 규정이 포함되어 있다. 공공 공사나 국가 프로젝트의 법적 근거로 활용된다. 주요 목적은 산업 전반의 표준화와 품질관리이다. 암석의 일축압축강도와 관련한 KS 시험법은 KS E 3033(암석의 일축압축강도 시험방법)이며, 석재의 일축압축강도에 관해서는 KS F 2519가 사용된다.

한국암반공학회 표준시험법은 한국암반공학회에서 국내 지질 특성과 기술 수준을 반영하여 제정하여 보급한 방법으로, ISRM suggestd method를 국내 실정에 맞춰 번역 및 보완한 형태가 많다. 본 학술지인 터널과 지하공간 등 투고 시 국내 연구의 일관성을 위해 사용된다. 일축압축강도와 관련하여 2005년에 제정된 ‘암석의 일축압축강도 표준시헙법’이 활용된다.

국가공인시험기관은 ‘국가표준기본법’ 및 국제표준(ISO/IEC 17025)에 따라 특정 분야에 대한 시험 능력이 공식적으로 인정된 기구를 의미하며, 우리나라는 산업통상자원부 국가기술표준원 산하의 KOLAS (Korea Laboratory Accreditation Scheme, 한국인정기구)가 이 역할을 담당한다. 이를 통해 시험 장비의 교정 상태, 시험 요원의 숙련도, 환경 조건 등을 엄격히 평가하여 시험 결과의 투명성과 재현성을 보장하고 있다. 이는 ILAC-MRA(국제시험기관인정협의회 상호인정협정)을 통해 KOLAS 공인시험기관에서 발행한 성적서는 미국, 유럽, 일본 등 전 세계 주요 국가의 공인 성적서와 동등한 효력을 갖는 장점이 있다. 현재 역학시험인 골재 및 관련제품 분야에 17개의 공인시험기관이 지정되어 있으며, 대다수 KS 규정으로 시험을 수행하는 것으로 알려져 있다.

2.4 평가인자 품질관리

원자력 안전 분야, 특히 고준위방사성폐기물 처분과 같이 장기적인 안전성(Safety)이 요구되는 프로젝트에서 품질보증(Quality Assurance, QA)은 매우 엄격하게 관리되어야 한다. KINS(2020) 등이 원자력안전위원회 고시 제2017-61호 등과 국제표준 ASME NQA-1 등을 바탕으로 제시한 고준위방사성폐기물 관리시설의 설계, 건설 및 운영 시 품질 확보를 위해 반드시 준수해야 하는 18개 항목은 1) 조직, 2) 품질보증 계획, 3) 설계 관리, 4) 구매서류 관리, 5) 지시서, 절차서 및 도면, 6) 문서 관리, 7) 구매 물품 및 서비스의 관리, 8) 품질확인 대상 품목의 식별 및 관리, 9) 특수공정 관리, 10) 검사, 11) 시험 관리, 12) 측정 및 시험 장비의 관리, 13) 취급, 저장 및 운송, 14) 검사, 시험 및 운영상태, 15) 부적합 품목의 관리, 16) 시정조치, 17) 품질보증 기록, 18) 관리 등으로 구성되어 있다.

고준위방사성폐기물 처분은 수십만 년에 걸친 안전성을 입증해야 하는 특수성이 있어, 품질관리는 장기 신뢰성 확보, 부적합 사항의 엄격성, 추적성, 규제 대응 객관성 측면에서 의미가 있다. 장기 신뢰성 확보는 수천 년 뒤에도 처분시설의 안전성을 유지할 것임을 입증하기 위해서는 현재 단계에서의 설계 관리, 기록 관리 등은 미래의 안전성을 확인하는 방법에 해당한다. 부적합 사항의 엄격성은 일반 토목 공사와 달리 처분시설의 작은 결함은 방사성 물질 누출로 직결될 수 있어 부적합 관리와 시정조치 등을 통해 아주 작은 오류도 근본적으로 해결할 수 있어야 한다. 추적성은 처분시설에 사용되는 소소한 내용, 가령 일축압축강도의 시험 시료는 어디에서 획득하고, 누가 어떤 시험 과정을 수행하여, 어디에 보관되고 기록되는 지 등을 추적할 수 있어야 한다. 규제 대응 객관성 측면은 규제기관으로서 시행기관인 한국원자력환경공단을 감사하여 국민적 안심과 법적 정당성을 얻는 과정이라 할 수 있다.

일축압축강도의 평가는 고시 2017-61호 방사성폐기물 폐기시설 품질보증 기준 중 사 항인 ‘부지특성 결정을 위한 과학적인 조사에는 다음 사항이 포함되어야 한다’와 관련 있으며 특히 ‘생산자료의 품질 평가 방안, 조사에 사용되는 장비의 사용법, 정확도 및 정밀도 명시, 과학적인 조사는 국가공인표준이 있는 경우에는 이에 따라 수행되어야 한다’ 등과 직접 관련 있다.

3. 일축압축강도 시험방법 비교 및 분석

3.1 일축압축강도 시험을 위한 시편 준비

종종 실험과 시험을 혼용해서 사용되는 경우가 있는데, 일축압축강도를 평가하는 것은 시험에 해당한다. 시험은 사전적 정의에 따르면 어떤 사물의 성질이나 기능, 성능 따위를 실제로 증험하여 봄 또는 지식수준이나 기술의 숙달한 정도를 일정한 절차에 따라 검열하는 일을 말한다. 시험의 3대 중요 요소로는 일반적으로 시험 장치, 시험방법, 시험자가 포함된다. 본 절에서는 3대 요소 중 앞에서 소개한 여러 시험방법을 중심으로 비교, 검토하였다.

시험방법은 제안된 기관이나 대상, 목적 등에 따라 약간의 차이가 존재하지만 대체로 1) 개요 및 이력, 2) 범위, 3) 장치, 4) 절차, 5) 계산, 6) 보고, 7) 최종 점검, 8) 사사, 9) 참고문헌 등으로 이루어져 있다. 때에 따라서는 시험방법에서 활용하는 참고 규격을 포함하기도 한다.

시험방법에 앞서 시편 준비에 관해 다룬다. 이는 암석이 다른 재료에 비해 불균질성을 많이 내포하고 있어 시험 조건에 따라 측정 결과의 분산이 비교적 크기 때문에, 시험 결과의 신뢰성을 높이기 위해 시험 장비의 정밀성, 시험자의 숙련도 이외 시료의 대표성, 시험 기준, 절차 등 시험 전반에 관한 품질이 충족되어야 한다. 특히 일축압축강도 시험에 있어 시료 채취 및 시편의 준비가 중요하다.

암석과 관련한 실내 시험에서 시편을 위한 시료 채취는 중요하기 때문에 다음과 같은 기준을 토대로 준비하여야 한다. 1) 대표가 될 수 있는 장소에서 채취해야 한다. 2) 규격의 시험편을 제작할 수 있는 분량이어야 한다. 3) 시료의 채취 시 그 암석 본래의 선상이 흩어져서는 안 된다. 4) 시편을 제작할 때까지 시료의 손상이 없어야 한다. 5) 채취 과정이나 발파 등에 의해 손상된 암석의 경우나 시험 과정과 결과에 손상과 관계된 사항이 있으면 이를 명기해야 한다. 채취된 시료를 토대로 일축압축강도를 위한 시료 성형에 관해 여러 시험법에서 제시된 규격을 비교하면 Table 2와 같다. 일반적으로 ASTM의 규격이 타 규격에 비해 엄격하며, KSRM이나 KS 규정은 ASTM과 ISRM 규정을 토대로 국내에 적용이 가능하도록 조정한 부분이 있어 상대적으로 덜 엄격하다고 할 수 있다. KS에서 개정 전에는 시편을 코어, 각주 둘 다 허용하였으나 개정 후 코어만을 시편으로 허용하고 있다.

현재 국내에서 코어획득을 위해 주로 이루어지는 시추는 와이어 라인과 내부 배럴을 이용한 방식을 사용하여 NX 코어가 회수되지 않고 NQ 계열의 코어가 회수되고 있다. 다만, 국제적인 규격의 NQ3의 회수 직경은 약 45.2 mm이나 국내에서 사용하는 NQ3의 회수 직경은 약 50 mm로서 이 둘을 구분하기 위해 NQ3K로 명명하는 경우도 있다. 이러한 명명이나 시편 준비는 향후 검토되어야 할 사항이다.

한국암반공학회에서 규정한 시편 준비 규격에 따르면, 코어면의 편평도 측정은 편평도가 15 μm 이하인 V형 블록에 시편을 놓은 상태에서 감도 25 μm 이상의 다이얼 게이지 또는 변위 변환기를 사용하여 시료를 120 ° 간격으로 회전하면서 측정한 값의 최대 편차를 측정하여 결정한다(Fig. 3(좌)). 가압면의 편평도와 경사도는 감도 25 μm 이상의 다이얼 게이지 또는 변위 변환기를 사용하여, 게이지를 시편의 직경 방향으로 이동하면서 매 3 mm 마다 1회 측정한 후 가압면의 다이얼 게이지 측정값과 직경 사이의 선형 회귀분석을 통해 구한 최대 편차를 적용한다. 경사도는 최적화한 그래프와 코어면 사이의 각도로 정의한다(Fig. 3(우)).

Fig. 3.

Assembly for determining the straightness (left) and flatness and perpendicularity (right) (KSRM, 2005)

3.2 일축압축강도 시험방법

일축압축강도 시험방법은 서보 제어가 되는 강성 시험 장치를 활용하여 이루어지며, 사용되는 평판, 구면좌 등의 규격은 Table 3과 같다.

일축압축강도 시험이 시작되기 전 초기 상하 평판과 시료의 상하면의 상태를 확인한다. 이후 가압부의 중심선과 시편을 일치하도록 설정한다. 가압이 시작되기 전 가압부와 시편이 맞닿도록 약간의 힘을 가하는 데, ASTM 에서는 약 100 N으로, KSRM과 KS 규격에서는 100 N 또는 파괴 예상 강도의 5% 정도를 가하도록 규정하고 있다. 가압 속도에 따라 암석의 강도가 달라지기 때문에 이들에 관해서도 규정하고 있는데, ASTM에서는 2분에서 10분 사이에서 파괴가 일어나도록 가해야 한다. ISRM은 또는 5∼ 10분 또는 0.5 ∼ 1.0 MPa/sec, KSRM은 5 ∼ 10분, KS 규격은 2∼15분의 가압 시간을 제시하고 있다. 가압 방식에 관해서는 특별히 규정하고 있지 않다. 가압 방식은 변위제어, 하중제어, 변형률 제어 등이 가능하며, 가장 널리 활용되는 방식은 변위제어로, 일정한 변위 속도로 암석이 파괴가 일어날 때까지 하중을 가하는 방식이다. 암석의 탄성계수나 여러 특성에 의해 파괴 시까지의 변형 정도는 다르지만 대략 2,000 μm ∼ 8,000 μm의 축방향 변형률이 일어날 때 파괴가 되는 점을 고려하여 시험 장치의 속도를 설정할 수 있다.

일축압축강도 시험에 사용되는 시료의 개수는 ASTM은 10개 이상을, ISRM은 5개 이상, KSRM과 KS 규격은 5개 이상을 권장하나 현장 여건에 따라 최소 3개 이상까지 허용하고 있다. 상세한 내용을 보면, 원칙은 5개 이상으로 원위치 암반을 대표할 수 있는 장소에서 시료를 채취해야 하며, 5개 이상의 동질한 시험편을 제작할 수 있도록 채취하는 것을 원칙으로 한다. 다만 암반의 균열이 심하거나 상태가 불량하여 시료 채취가 극히 어려운 경우에는 최소 3개 이상의 시험편을 제작할 수 있어야 한다고 규정하고 있다. 국내의 경우, 학위논문 등을 제외하면 대부분 1개 또는 3개를 사용하는 경우가 많아 규격과 현실 사이의 괴리가 존재한다.

일축압축강도 시험에서 획득한 최대 하중과 시료 크기를 측정한 정보로부터 다음과 같이 강도를 계산한다.

σu: 일축압축강도, P: 최대 하중, A: 시료 단면적

일축압축강도 시험 후 결과 보고에는 1) 시험한 시료의 수, 2) 전단, 축방향 균열과 같은 파괴 형태, 3) 시편 각각에 대한 일축압축강도 및 평균(SI 단위) 사항을 반드시 포함해야 한다. 일축압축강도 시험에 일반적으로 동시에 측정하는 탄성계수와 포아송비를 측정할 때는 추가적으로 응력-변형률 관계 곡선, 각 시편에 대한 탄성계수와 포아송비 및 평균, 탄성계수 결정방법과 축방향 응력 수준 등을 보고해야 한다. 이 외에도 1) 암석의 암석학적 설명, 2) 층리, 엽리와같은 시편의 이방성에 대한 하중축의 방향, 3) 시료 채취 위치, 깊이, 방향, 시료 채취의 날짜와 방법, 4) 시료가 채취된 시간과 환경, 5) 시료의 직경과 높이, 6) 시험 시의 함수비와 포화도, 7) 시험 기간과 응력 변화율, 8) 시험일시와 시험기기의 형태, 9) 비중, 공극률, 그리고 투수성에 대한 관찰 사항 및 물리적 자료 등도 표기하면 그 암석의 물성 파악에 도움이 된다. 또한 앞에서 언급한 규정을 따르지 않는 시편을 시험하는 경우, 이 사실을 시험 결과에 나타내야 한다.

4. 일축압축강도 시험 결과 및 검증

4.1 일축압축강도 시험 결과

일축압축강도에 관한 시험 및 검증을 위해 한국지질자원연구원 원주 KSRS 지진센터 부지의 750 m 심부 시추공에서 획득한 시추코어를 활용하여 일축압축강도 시험을 수행하였다. 원주 지역의 심부 시추는 한국지질자원연구원에서 2020년에서 2024년 사이에 지체구조별 암종별 심부 특성 연구의 하나로 수행되었다(KIGAM, 2024). 원주 지역의 지질 특성을 포함한 상세 내용은 본 논문의 범위를 벗어나 서술하지 않았으며, 필요시 해당 보고서를 참고하기 바란다. 시료 채취는 무결암 구간 중 암상이 혼재되어 있지 않으며, 대상 심도를 대표할 수 있는 충분한 시추코어 길이가 확보된 구간을 선정하여 50 m 간격을 두고 채취하였다. 시험은 KSRM과 KS 규격을 따라 수행되었으며, 시추코어 NQ3K로 이루어져 시편은 직경 약 50 mm, 길이 100 mm로 준비하였다. Fig. 4는 일축압축강도 시험에 사용된 시험 장치(MTS 815)와 시편의 모습이다. 시험은 탄성상수를 획득할 수 있도록 축방향 변위계와 횡방향 신장계(Extensometer)를 부착하였다.

Fig. 4.

Loading device and specimen used in the uniaxial compressive test

Fig. 5의 왼쪽 그래프는 50 m 간격에서 3개의 시편에 대해 획득한 일축압축강도 평균값을 제시한 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 모두 100 MPa 이상의 양호한 강도 값을 보였으나, 500 m와 700 m 지점은 상대적으로 낮은 강도 값이 나타났는데, 이는 대상 부지에서 발달한 고각 균열을 통한 지하수 등이 유입되어 암석이 변질되었기 때문으로 판단된다.

Fig. 5.

Uniaxial Compressive Strength (UCS) with depth and Appearance of specimens used in the test (top: 400 m depth, bottom: 500 m depth)

4.2 일축압축강도 검증

일축압축강도 결과를 고준위방사성폐기물 부지선정을 위한 평가인자나 부지모델 등에 사용하기 위해서는 검증 또는 규제의 관점에서 충분성과 적합성이 요구된다. 충분성과 적합성을 충족하기 위해서는 대표성, 추적성, 불확실성의 관리 등이 가능해야 한다. 그러나 일축압축시험은 파괴시험으로서 동일 시료를 활용한 재시험이 불가하므로 ‘동일 시료 재현성’보다는 ‘동일 절차 재현성과 추적성’을 평가해야 할 것으로 판단된다. 즉, Fig. 6과 같은 방법으로 품질보증이 이루질 것으로 여겨진다.

Fig. 6.

Quality procedures expected to be required for the uniaxial compressive strength test

추적성은 정해진 시험 절차를 따라 이루어지며 관련 문서가 보관되어 있는지 등 근거를 토대로 관리가 될 수 있을 것이다. 일축압축강도의 경우 대표성과 불확실성이 일부 중첩될 수 있다. 이는 일축압축강도의 전체 불확실성이 자연적 암반의 변동성과 계측 및 시스템 오차 등으로 구성된다고 볼 때, 자연적 암반의 변동성에서 평가나 해석 도메인이 대표성 여부와 연관되기 때문이다. 일축압축강도에서 불확실성은 암반 고유의 불균질성, 심도별 암상 변화, 미세 균열의 분포 등이 자연적 암반 변동성과 장비 교정 상태, 센서 한계, 절차적 편차 등의 계측 및 시스템 오차가 있다. 자연적 암반 변동성은 도메인 기반의 표본 추출을 세분화하거나 통계적 산포도 명시, 표본 시료의 비교 시험 등을 통해 해결할 수 있을 것으로 판단된다. 계측 및 시스템 오차는 표준화된 방법을 준수하면서 교정 기록, 장비나 측정의 불확도 등을 통해 해결될 것으로 판단된다.

4.2.1 자연적 암반 변동성 검증 - 비교 시험

본 연구에서는 자연적 암반 변동성을 비교 검증하기 위해 비교 시험을 수행하였다. 비교 시험은 본 연구에서 일축압축강도 시험을 위해 채취했던 구간과 근접하고, 암상이 유사하다고 판단된 구간에서 채취된 시료를 사용하였다. 비교 시험은 300 m 이하의 일부 구간에 대해 수행되었다. 시료 성형 및 일축압축시험 등은 비교 시험이 수행된 OO대학교에서 직접 진행하였다. 시험 장치는 MTS 장비로 동일 제조사의 신형 장비이며, 사용된 시험방법은 동일하나 재하속도 등은 규정을 준수하였다. Fig. 7은 3개 시편의 평균값을 비교하여 제시한 것으로, 비교 시험 결과 값은 대체로 유사하나 본 시험에 비해 작게 나타나고 있다. 시료 내 연약면이 존재하였다고 서술된 600 m 심도(74.4 %)의 결과를 제외하면 비교 시험 결과의 비율은 본 시험 대비 86.6 ∼ 94.7%의 범위를 갖는다. 또한 시험 결과 중 시료 내 연약면에서 파괴가 발생했다고 보고한 지점 당 한 개의 시료를 각각 제외하면 88.4% 값이 96.1%(450 m)으로, 86.6%값이 97.9%(550 m)까지 증가하고, 전체 범위는 88.9 ∼ 97.9%에 해당하였다. 비교 시험에서 차이는 자연적 암반 변동성 이외에도 대상 시료가 본 시험에 비해 상대적으로 좋지 않았다는 점, 시험 장비 구입 후 검, 교정이 수행되지 않은 점, 시험 속도의 차이 등을 원인으로 생각해 볼 수 있다. 규제 관점에서 비교 시험의 변동 정도의 허용 범위를 어떻게 허용하느냐에 따라 다르겠지만 암석의 불균질성을 고려할 때 10∼20%의 차이는 허용 가능할 범위가 될 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Results of the uniaxial compressive strength comparison (Black: This test, Red: Comparative test – averages at 450 m and 550 m exclude specimens containing weak planes)

4.2.2 계측 및 시스템 오차 검증 – 불확도

일축압축강도 결과값의 신뢰성을 확보하기 위해 사용된 장비, 사용된 시험법, 수행한 시험자에 대한 검증 또는 평가 등을 포함한 계측 및 시스템 오차 검증이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 국가공인시험기관(KOLAS)에서 사용되는 불확도 산정 방식을 적용하였다.

일축압축강도 시험에서 사용된 장비는 시편의 치수 확인을 위한 버니어캘리퍼스(내·외측 측정용 캘리퍼스)와 하중 재하를 위한 압축시험장치(MTS 815)가 있다. 본 시험은 2020년 시추가 수행된 후, 2021년에 시험이 수행되었다. 시험에 사용된 장비는 매년 교정을 실시하고 있으며, Fig. 8은 일축압축시험에 활용된 시험 장치의 교정 내역의 예이다.

Fig. 8.

Calibration certificate for the vernier caliper used in the uniaxial compressive test (top) and calibration certificate for the MTS 815 (bottom)

검·교정된 시험 장치와 표준시험법에 따라 획득한 시험 결과 분석에서 불확도를 추정할 수 있으며, 일축압축강도에 관한 불확도 추정은 다음과 같은 과정으로 추정하였다. 해당 암석은 변질로 인해 강도가 가장 낮게 산정된 500 m 심도의 시편에 관한 것이다.

일축압축강도 산정의 수학적 모델링은 식 (1)을 따른다.

• 불확도 요인

• 하중(P)에 대한 불확도

(1) 압축강도 시험기의 교정불확도(B Type)

(2) 하중에 대한 반복측정이 없으므로 A Type 불확도는 존재하지 않는다.

• 시료의 직경(D) 측정에 대한 불확도

(1) Vernier Calipers의 교정불확도(B Type)

(2) 시료의 직경 반복측정에 대한 불확도(A Type)

• 불확도 계산

• 하중(P) 측정에 대한 불확도

(1) 압축강도 시험기의 교정불확도(B Type)

- 측정된 하중: 201,468 N

- 압축강도 시험기의 0∼294.2 kN 범위의 교정 성적서로부터 상대측정 불확도와 이로부터 표준불확도를 계산

- 상대 측정불확도 U(압축강도 시험기) = 0.28 % (신뢰수준 약 95%, k = 2)

- 표준불확도 u(압축강도 시험기) = 0.28 ÷ 2 = 0.14 %, 자유도: ∞

- 표준불확도 u(p) = 280 N

• 시료의 직경 D에 대한 불확도

(1) Vernier Calipers의 교정불확도(B Type)

152+0.0052×l02μm(l0는 mm) 0.01mm (l0 = 50.64 mm) (약 95 % 신뢰수준에서 k = 2)

- 표준불확도 u(V.C.) = 0.01 ÷ 2 = 0.005 mm 자유도: ∞

(2) 치수 반복측정에 대한 불확도(A Type)

- 시료의 직경 D의 A Type 불확도 u(D) = 0.01 mm

(3) 시료의 직경 D의 합성 표준불확도 및 자유도

uD=∑i=1n(Ci·ui)2=C(v·c)2u(v·c)2+C(D)2u(D)2=12×0.0052+12×0.012=0.01mm

νD=uD4CD4×uD4νD+Cv·c4×uv·c4νv·c=0.01414×0.0142+14×0.0054∞=2

• 불확도 요인들에 대한 감도계수 산출

- 일축압축강도를 구하기 위한 계산식: σu=PA=4PπD2 [MPa]

P: 파괴하중(P = 201,468 N)

D: 시료의 직경의 평균값(D = 50.64 mm)

- 하중 P의 감도계수: CP=∂σc∂P=4πD2=4π×50.642=0.0004965mm-2

- 시료 직경 D의 감도계수: CD=∂σc∂D=-8PπD3=-8×201468π×50.643=-3.951N/mm-3

• 일축압축강도에 대한 합성표준불확도 산출

하중 P의 표준불확도: 280 N

시료 직경 D의 표준불확도: 0.01 mm

$$\begin{gathered} u=∑i=1n(Ci·ui)2=(CPuP)2+(CDuD)2 \\ =(0.0004419×360)2+(-4.292×0.01)2 \\ =0.2N/mm2 \end{gathered}$$

• 유효자유도 계산

νeff=u4CP4uP4νP+CD4uD4νD=0.240.00049654×2804∞+(-3.951)4×0.0142=100

vp: 파괴하중 P의 자유도(∞)

vD: 시료 직경 D의 자유도(2)

• 확장불확도

유효자유도 νeff의 값이 100으로 10보다 크므로, T 분포표에 의해 신뢰수준 약 95 %에서 k 값은 2를 적용하면,U = k × u = 2 × 0.2 = 0.4 N/mm² = 0.4 MPa이다.

• 불확도 기여도

하중 불확도 기여도: up×Cp=280×0.0004965=0.14

직경 불확도 기여도: uD×CD=0.01×(-3.951)=-0.04

• 결과 보고

파괴하중 P = 201,468 N, 시료 직경 D = 50.64 mm일 때, 일축압축강도를 구하면,

σu=PA=4PπD2=4×201,468π×50.64×50.64=100.3N/mm2=100.3MPa

암석의 강도는 재료의 불균질성을 고려하여 MPa로 표현하기 때문에, 500 m 심도 시편의 일축압축강도는 100 MPa이며, 확장불확도는 1 MPa로서, 일축압축강도와 함께 확장불확도를 표현하면, (100 ± 1) MPa (단, 신뢰수준 약 95 %, k = 2)이다. 즉, 계측 및 시스템 오차에 의해 발생할 수 있는 불확도는 1 MPa로 강도값 대비 1% 정도 수준임을 알 수 있다.

5. 국외 일축압축강도 검증 사례 및 논의

5.1 스웨덴 SKB의 역학 인자 검증 사례

암반역학적 물성인자의 검증 방법에 관해 스웨덴 SKB에서 수행한 사례를 검토하였다. SKB 부지조사 프로그램에서 시험용 시료 선정에 대한 전반적인 전략은 다음의 기준을 기반으로 설정하였다.

∙ 대상 시료의 대표성을 확보하기 위해 부지 지질학자들과 협의

∙ 가능한 한 서로 가까운 위치에서, 동일한 깊이에서 다수의 시료를 일괄 채취

∙ 하중 방향에 따라 연약면이 존재할 것으로 추정되는 시료 배제. 예로, 엽리가 심하게 기울어진 방향(코어 축에 대해 예각)으로 존재하는 편암류에 대한 일축압축시험은 제외

기본 부지조사(Initial site investigations) 단계에서는 대상 부지의 공간적 특성을 최초로 파악하기 위해 약 300 m, 500 m 및 700 m 깊이에서 시료를 채취하는 데 중점을 두었으나, 상세 부지조사(Complete site investigations) 단계에서는 암반 및 균열 영역을 구분한 코드 FFM01 및 FFM06 영역 내 400 ∼ 500 m 깊이에서 역학적 특성을 시험하는 데 주력하였다. FFM06 내 변질 화강암 및 이차 암석들에 대해서도 이후 단계에서 시험을 수행하였다. 이 경우에는 특정 깊이보다는 실제 위치가 시료 선정에 있어 더 중요한 기준으로 설정하였다. 초기 시료 선정 기준에 비해, 시료 수는 점진적으로 줄어들었고, 이는 조사 결과 대상 부지 내 암반 특성이 비교적 균질함을 나타냈기 때문으로 보고하고 있다.

일축압축시험의 경우, 일반적으로 한 시험에서 5개의 시료를 포함하였고, 간접인장강도 시험은 표준에 따라 10개 시료를 대상으로 했으며, 삼축압축시험은 각 구속응력 수준마다 인접 위치에서 2개 이상의 시료를 시험하였다. 서로 다른 시험 항목(예: 역학 시험, 열물성 시험)에 사용되는 시료는 인접한 위치(10 m 이내의 코어박스 2개 내)에서 함께 선정하였다.

Table 4는 최종 사용자와 함께 현장 부지모사 모델(SDM)에 활용되는 실내 시험에서 획득한 물성을 나열한 것으로, 역학시험 결과 중 특히 다른 결과들과 큰 차이를 보이는 자료에 대해서는 상세하게 검토하였다. 이는 시험에 사용된 암석 시료의 체적이 작아 국지적 이질성이 시험 결과에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이었다. 또한 결정질 암석의 소규모 시료에 대해 미세한 이질성이 강도 인자에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에, 변형대 내 암반에 대한 암반역학 시험은 제한적으로 수행하였다.

스웨덴의 고준위방사성폐기물 부지특성과 관련하여 암석에 대한 실내 시험의 대부분은 스웨덴 국립시험연구소(SP)에서 수행했고, P파 속도 시험은 노르웨이 지반공학연구소(NGI)에서 수행하였다. 시험에 사용된 방법론, 기준 및 수행 절차는 다음의 SKB 시험방법 지침(SKB MD)에 따라 이루어졌으며, 일축압축시험은 SKB MD 190.001e, 버전 4.0(2006-10-31)을 사용하였다.

측정 품질에 대한 정보 확보 차원에서 실험실 간 비교 시험을 수행하였다. 이는 서로 다른 장비, 시험자, 환경 조건 등에서 반복측정을 통해 재현성을 추정하기 위한 목적이라고 보고하였다. 비교 시험은 일반적으로 주관 실험실이 동일한 시편을 여러 실험실에 보내고, 각 실험실이 독립적으로 측정한 결과를 회신받는 방식으로 수행되었다. 그러나 역학적 특성에 대한 비교 시험을 이 방식으로 진행할 수 없어, 인근 시료를 핀란드 헬싱키 공과대학교(HUT)에 보내어 일축압축시험, 삼축압축시험, 간접인장시험을 수행하게 하였다.

암반 구역별 실내 시험의 수량과 유형은 Table 5에 제시하였다. 수행된 암반시험 프로그램은 총 97건의 일축압축시험, 94건의 삼축압축시험, 205건의 인장시험으로 구성되었다. 이 중 압축시험은 FFM01에서 63건, FFM03에서 21건, FFM06에서 5건 수행하였다. 주요 조사는 대상 부지 내 FFM01 및 FFM06 단열 구역의 400 ~ 500 m 깊이를 중심으로 수행하였다. 시험 결과는 대부분 균열이나 변질이 없는 신선한 암석 시료에 대해 도출하였으나, RFM018 암반 구역 내 KFM04A 시추공에서 채취한 4개의 시료는 변형대(ZFMNW1200)에서 채취했고, RFM029에서는 ‘가능성 있는 변형대’에서 4개의 시료를 채취하였다. 전체적으로는 결함 없는 시료를 시험한 결과가 중심을 이루고 있다. Table 6은 암반 구역 중 RFM029에서 수행되었던 일축압축강도의 평균값 등의 통계적 수치 사례를 제시하였다.

스웨덴 SKB는 암종과 심도에 따른 일축압축강도 등의 분포를 Fig. 9와 같이 도시하여 이들의 분포 특성과 불확실성을 가시적으로 판단할 수 있도록 하였다. 암반의 역학적 특성 추정 시 발생할 수 있는 불확실성은, 특성을 추정하는 방법론 자체의 불확실성뿐만 아니라 입력자료의 공간적 변동성으로부터도 기인할 수 있다. 무결암의 특성 추정 방법에서 발생할 수 있는 주요 불확실성 요인은 다음과 같이 판단하였다.

∙ 시료 채취 전략

∙ 시험 장비 및 시험방법

∙ 측정의 불확실성

∙ 시료 크기의 영향

이 중, 스웨덴 SKB는 평균값의 불확실성은 중심극한정리(Central Limit Theorem)에 따라 95% 신뢰구간(∆conf_mean)으로 정량화하였다.

여기서, σ는 신뢰구간(ΔP)의 모집단 표준편차를 의미하며, n은 표본의 개수를 나타낸다.

Fig. 9.

Uniaxial compressive strength by depth, classified according to rock type (SKB, 2007)

실제 적용에서는 일축압축강도에 대해 두 개의 신뢰구간을 산정했으며, 하나는 최댓값에 대한 것이고 다른 하나는 최솟값에 대한 것이다(P는 일축압축강도 값을 의미, 이는 각각 최댓값, 최솟값, 평균값으로 주어진 일축압축강도에 해당)

Table 7은 위 과정을 통해 산출한 일축압축강도의 불확실성 정도를 제시한 것이다.

5.2 시사점 및 논의

SKB가 수행한 암반역학 물성 산정과 검증은 부지조사에 활용될 수 있도록 암반역학 물성을 산정함과 동시에 불확실성을 파악하는 것이 주요 목적이었다. 일반적으로 암반역학 물성 산정은 파괴시험이기 때문에, 시료 채취에 있어 시험 심도에서 가능한 많은 양의 시료를 채취하였고, 다른 기관의 비교 시험에 활용하였다. 스웨덴 SKB는 시료 채취에 있어 전체 부지를 암반 구역으로 나뉘고 이에 따른 시료를 채취하는 전략을 사용하였다. 변형대에서 시료 채취는 전체 물성의 대표성에 영향을 주지 않을 정도로 제한하였으며, 변형대에 대해 구분하여 시험을 수행하였다.

물성 산정에 활용된 시험방법은 자체적으로 설정한 SKB 시험방법을 활용하였으며, 이 시험방법은 ISRM suggested method나 ASTM의 방법을 활용하여 작성되었다고 알려져 있다. 결과보고서는 사용된 시험 장비 사양과 측정 분해능에 대해 결과를 제시하고 있으며, 심도와 암상(암종)에 따른 변동성과 함께 측정의 불확실성을 고려하여, 통계적 기법에 의한 신뢰구간을 제시하였다.

SKB에서 적용한 방법은 큰 틀에서 자연적 암반 변동성과 계측 및 시스템 오차에 관해 다루고 있으나, 세부적으로 수행한 것은 암종과 암상, 구역에 따른 시료 채취 방법과 채취된 시료의 비교 시험, 통계적 방법을 활용한 불확실성 평가 등이 있다. 적용한 시험방법은 자체 시험법을 활용하고 있다.

본 연구에서 적용한 방법은 자연적 암반 변동성을 확인하기 위해 시료 채취 방법과 비교 시험을, 계측 및 시스템 오차에 관해서는 시험 장치와 시험방법의 불확도를 평가하였다. 비교 시험은 일부 통계적 불확실성을 내포하고 있음을 알 수 있다. 사용된 시험방법은 국가공인표준인 KS 규격을 활용하였다. 본 연구에서 수행한 일축압축강도 산정은 전체적으로 다루어야 할 불확실성을 고려하고 있다고 볼 수 있다.

국내 고준위방사성폐기물 부지선정과 처분시설 안정성 평가를 위해서 관련 평가인자를 획득하여야 하는데, 일부는 국제 표준 또는 국가공인표준이 제정되어 있으나 많은 부분이 획득 절차나 방법에 관해 제정되어 있지 않다. 획득 절차가 존재하지 않기 때문에 획득된 평가인자의 검증 방안에 대해서도 제정되지 않은 현실이어서 이에 관한 해결이 부지선정 사업 시작 전에 해결되어야 할 과제로 여겨진다.

기존의 전통적인 접근 방식에서 암석의 일축압축강도가 특정 값 이상인지 여부 검토에 중점을 두었다면, 고준위방사성폐기물처분과 관련한 규제 관점에서는 획득한 일축압축강도가 전체 부지를 대표하는지 여부와 장기 거동 모델링에 적합한지 여부가 주요 관점이 될 수 있다. 획득 자료의 양과 기준에 있어 통계적 평균값 확보도 중요하지만 자료를 추가해도 안전성에 관한 결론이 바뀌지 않는 자료 획득량의 한계점 도달 여부 등 전체적으로 처분시설의 장기 안전기능을 설명하는 증거 기반이 될 수 있어야 할 것이다.

6. 맺음말

고준위방사성폐기물(HLW)의 영구처분을 위한 부지선정과 처분시설의 안정성 확보 등을 위해서는 다양한 평가인자의 획득과 이를 활용한 종합안전입증 등이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 평가인자 중 역학적 평가인자에서 기본적이면서 대표적인 일축압축강도에 관해 국내에서 수행된 심부 시추와 시추공으로부터 회수된 코어를 활용한 일축압축강도 획득과 검증에 관해 알아보았다.

일축압축강도 산정과 관련한 시험에 있어 시험 장치, 시험방법, 시험자는 시험의 3대 중요 요소이며, 암반 등으로 구성된 부지는 자연적 암반 변동성과 계측 및 시스템 오차 등을 포함하여 총 불확실성을 산정하여야 한다. 이에 시험 장치에 관련하여 국가공인시험기관에서 수행한 검·교정 방법을 적용하였으며, 시험방법에 관해 ASTM, ISRM suggested method 등 국제 규격과 한국암반공학회 표준시험법, KS 규격 등의 국내 규격 등을 검토하였다. 자연적 암반 변동성을 평가하기 위해 암상이 동일한 유사 심도에서 획득한 시료에 관해 타 기관에서 비교 시험을 실시하였으며, 계측 및 시스템 오차 불확실성을 평가하기 위해 50 m 간격으로 회수된 화강암 시료에 관한 결과로부터 측정 신뢰도와 불확도 정량화하였다. 스웨덴 SKB에서 수행한 일축압축강도 획득과 검증 방법에 관한 사례를 소개하고, 수행되었던 결과와 간략하게 비교, 검토하였다. 이러한 과정은 가까운 시기에 시작될 고준위방사성폐기물 부지선정 사업에 있어 부지조사를 위한 평가인자의 품질관리 및 검증 절차 등의 방법이나 방향 설정 등에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.