풍화 지표에 노출되면서부터 모든 암석은 풍화작용의 영향을 받는다. 이들 암석에서 분리된 흙이나 암편들은 이동이 간편하여 지표면에 여러 곳을 덮고 있기도 하며 구성하고 있는 암석 위에 그대로 놓여 있기도 하다. 이들 암반에서 분리된 것들을 풍화물이라 하며, 이들 풍화물들로 구성되어 있는 지반은 대개 암반에 비해 매우 연약하다. 암반구조물을 설계시나 시공시, 지반에 이들 풍화물, 즉 암반에서 분리된 흙이나 암편들이 쌓여 있을 때 이 지반은 구조물의 기초로서는 연약하여 이 부분을 걷어 내거나 혹은 지반을 보강하는 과정을 반드시 거쳐야 한다. 특히 풍화작용의 영향으로 인해 경암이 연암으로, 연암이 풍화암으로, 풍화암이 풍화토 등으로 변화되면서 조직은 느슨해지고, 강도는 약해지는 과정을 겪게 된다. 또한 암석의 종류에 따른 풍화특성이 매우 다양하기 때문에 현장에서 시추 등의 방법으로 암반의 상태를 파악할 때 세심한 주의가 필요하다.

풍화특성 암반의 풍화 단면은 대체로 심도가 깊을수록 신선해지는 점이적인 풍화 양상을 지형과 유사한 형태로 보이지만 층리, 절리, 단층 등의 불연속면을 통해 유동하는 지하수에 의해 이러한 주요 불연속면 주변에서 불규칙한 풍화 단면을 보인다. 국내의 화강암 지반에서 일반적으로 관찰되는 풍화 단면은 점이적인(gradual) 풍화단면으로서 지표면 상부에서 하부로 갈수록 풍화 정도가 암반선이 뚜렷하게 발달하는 경우이지만 간혹 핵석(corestone) 풍화 단면이 관찰된다. 퇴적암의 경우 단단한 암석 사이에 연약한 층이 불규칙하게 또는 호층으로 협제하는 경우가 있어 이에 대한 주의가 필요하다.

1. 풍화 암반의 지질 특성

암석의 풍화작용 지표의 암석이 자연적인 요인과 인위적인 행위에 의하여 그 자리에서 부서지는 현상으로서 풍화작용에는 기계적 풍화작용과 화학적 풍화작용이 있다. 대부분의 경우 두 풍화작용은 동시에 진행되며, 암석의 종류 및 자연 조건에 따라 상대적인 중요도가 달라진다. 암석의 풍화는 기계적 풍화에 의해 암반 내의 불연속면의 상태 및 빈도를 악화시키고 암편의 크기를 작게 하며, 화학적 풍화는 절리망에 의해 유동하는 지하수의 영향을 크게 받는다.

기계적 풍화 팽창과 수축, 결빙과 용해, 하중의 제거, 식물 뿌리의 성장 등이 중요 요인으로서 팽창과 수축은 비열이 서로 다른 광물 입자로 구성된 암석이 일교차는 온도의 변화에 의하여 팽창과 수축을 반복하여 풍화작용을 일으키며, 절리면에 침투한 지하수나 간극수가 동결과 융해를 반복하여 암편은 탈락시킨다. 또한 심성암 등에서 큰 압력 하에 있었던 암석들이 지반의 융기 및 침식에 의해 지표에 노출될 때 하중의 제거에 의하여 팽창하며, 판상 절리나, 박리를 발달시켜 암편이나, 암괴로 분리된다.

화학적 풍화 열대지방의 습윤한 기후에서 활발하게 일어나며, 지표의 낮은 온도와 압력에 노출되고, 물과 접하게 되면 보다 안정한 광물로 화학적 변화를 일으킨다. 따라서 지표 부근의 상온, 상압 하에서 형성된 쇄설성 퇴적암에서는 화학적 풍화작용이 별로 발생하지 않으며, 화성암과 변성암의 광물들 줄에서는 장석과 철-마그네슘 계열의 광물이 가장 쉽게 화학적 풍화작용을 받고 상대적으로 석영은 저항력이 강하다. 화학적 풍화작용은 가수 분해, 산화작용, 탄산염화 작용, 환원 작용, 증발 작용 등에 의해 진행되며, 특히 탄산염 광물(방해석 등)은 지하수 중의 탄산에 의해 비교적 쉽게 용해, 풍화된다. 또한 장석은 풍화되어 고령토를 형성한다.

심성암의 경우 광물입자가 크고 장석 등이 많이 포함되어 이 암석이 풍화될 경우 일반적으로 사질토의 토층이 형성된다. 그러나 절리들이 규칙적으로 잘 발달하기 때문에 절리를 따른 풍화로 인해 핵석으로 나타나는 경우도 종종 발생한다. 토층과 암반의 경계가 뚜렷하게 나타나는 경우가 일반적이어서 풍화암을 파악하는 건 비교적 용이하지만, 단층 등이 발달한 경우에는 불규칙한 풍화단면을 형성하기도 한다.

화강암의 풍화 장석과 운모는 대부분 카올리나이트나 다양한 점토광물로 변질되고 석영은 가수분해에 대한 저항력이 강해서 모래알 크기의 원형대로 남아 소위 마사토라 불리는 토사로 변한다. 이 과정에서 화강암은 풍화작용을 받으면 지표의 경사와 거의 평행하게 풍화작용이 발생함에 따라 생성되는 박리구조(exfoliation)가 발생한다. 또한 절리나 단층을 따라 풍화면이 지하로 가면서 매우 불규칙하게 발달한다.

핵석(core stone) 수평·수직 절리가 뚜렷한 암석이 땅 속에서 화학적 풍화를 받을 때 지하수와 접하는 부분이 더 빨리 풍화하게 되는데 이때 풍화작용의 영향을 가장 많이 받는 부분은 절리로 분리된 블록의 모서리이다. 풍화작용이 가속화됨에 따라 블록들은 둥근 모양의 암석 덩어리로 변하고 주변부는 암석의 형체를 유지하고 있으나 푸석푸석하여 약한 충격에 의해서도 잘 파이는 풍화층이 된다. 이러한 형식의 풍화작용이 구상풍화이다. 암석이 풍화작용을 받으면 뾰족한 모서리부터 부드럽게 깎이고 결국은 둥근 모양의 암석이 남게 된다. 이처럼 둥글게 변한 암괴를 핵석(core stone)이라고 한다. 핵석은 구상풍화의 전형적인 형태이며, 풍화작용이 더욱 진행되어 암석이 핵석화될 경우 풍화층은 마치 양파껍질 같은 형상을 띠게 된다. 핵석 풍화단면은 절리를 따라서 암석이 심하게 변질된 것으로 지표 탄성파탐사로 암반선 추정이 부정확하다. 핵석풍화인 경우 암반 풍화등급의 적용은 토층과 암석의 구성 비율, 즉 핵석의 체적 비율에 따라 적용된다.

사암이나 셰일 등 쇄설성 퇴적암에서는 모암의 입자의 크기에 따라서 토층의 입도가 결정된다. 만약 역암이나 사암지반에서의 잔류토는 역질 또는 사질토이고 셰일이나 이암인 경우의 지반에서는 실트 이하의 세립질이 토층을 이루게 된다. 일반적으로 상부지층의 풍화가 발달해 있다.

퇴적지층의 차별풍화 풍화에 대한 암석의 저항성이 달라 풍화 정도가 다른 것을 차별풍화라 한다. 풍화에 대한 저항성은 광물의 조성과 이들의 배열상태, 절리의 밀도 등에 따라 다르게 나타나는데, 특히 퇴적지층의 경우 퇴적암의 특성에 따라 풍화 정도가 달라 매우 뚜렷한 차별풍화구조를 보여주는 경우가 많다. 사암과 셰일, 또는 셰일과 실트스톤의 호층대에서는 층리를 따라 차별풍화가 발생하여 약선대가 발달하므로 가장 유의하여야 한다.

이암/셰일의 풍화 이암과 셰일의 경우는 매우 작은 입자들로 형성된 암석이어서 공기에 노출되기 전에는 높은 강도를 가지지만 이 암석들을 절취한 후 대기 중에 노출시켜두면 아주 빠른 속도로 풍화현상이 발생한다. 즉 굴착 당시 경암의 강도를 가졌더라도, 이 암석들을 절취한 상태로 몇 개월만 방치해도 풍화암 정도의 강도를 가질 정도로 풍화가 아주 빠르게 진행되는 특징을 갖는다.
석회암의 풍화 CaCo₃가 주성분인 방해석으로 구성되어 기계적 풍화보다 화학적 풍화가 우세하게 작용한다. 석회암지역에서는 풍화의 양상이 매우 불규칙하여 신선한 암반이 발달하다가도 갑자기 석회암의 풍화토인 붉은 점토를 가지는 공동들이 지하 깊은 곳에서 발달하기도 한다. 절리에 의한 지하수 유동으로 경암 내부에 풍화암, 풍화토 및 공동까지 존재할 수 있다.

풍화등급과 분류

풍화암과 풍화등급 풍화등급에 의하면 약한 풍화에서 심한 풍화까지를 풍화암이라 할 수 있다. 그러나 이러한 분류는 공학적 관점에서 보면 너무 광범하므로 일정한 지수를 이요한 정의가 요구된다. 이는 공학적 암반분류의 개념과 같은 것으로서 건설표준품셈의 암분류와 Lee(1993)의 화강암분류 시에는 암석의 일축압축강도로 분류하고 있다. 즉 건설표준품셈에서는 암을 다섯 등급으로 분류하면서 풍화암, 연암, 보통암, 경암 및 극경암으로 분류하고 있는데, 여기서 풍화암은 ‘암질이 부식되고 균열이 1-10cm 정도로서 굴착에는 약간의 화약을 사용해야 할 암질로서 일부는 곡괭이를 사용할 수 있는 정도의 암질’로 일축압축강도는 300-700kg/cm² 범위로 제시하고 있다. 또한 Lee(1993)의 화강암분류에서는 심한풍화(HW)의 일축압축강도는 360-540kg/cm²이다. 따라서 풍화암의 범위는 풍화등급 중 심한풍화(HW)’에 해당될 것으로 판단된다.

풍화암 특징 여러 풍화등급 분류기준(Dearman, 1974; IAEG, 1979; ISRM, 1981, Lee & de Freitas, 1989)에서 ‘심한풍화’ 등급의 특징들을 정리해 보면, 광물들의 화학적 풍화는 흑운모의 경우 갈색을 띠면서 일부 광물이 떨어져 나가고, 사장석의 경우는 어두운 노란색을, 정장석의 경우는 흰색에서 노란색을 띠게 된다. 슈미트해머의 반발 계수는 10-25 정도, 해머로 타격했을 때 반발이 없이 아주 무거운 소리가 나며, 쉽게 부스러지며 칼로도 잘려나갈 수 있을 정도의 상태를 가진다. 미세단열은 2-5mm 정도의 간격으로 발달하고 있다. 암반물성에 의한 암반의 풍화분류에서도 ‘심한풍화’를 ‘풍화암’으로 간주하고 있으며, 일축압축강도의 경우는 30-70Mpa, 슈미트해머의 반발계수는 10-34, Qa(흡수율)는 9.25-1.65%, 지질해머로 타격했을 때 쉽게 부스러지고 가끔은 맨손으로도 부스러지는 상태로 정의하고 있다.

2. 풍화 암반의 공학적 특성

Slaking 건조 및 포화의 반복작용으로 인해 암석이 부서지는 현상을 말한다. 암석조각이 건조하면 암석조각의 바깥쪽 간극에 공기가 스며들고, 높은 흡입압이 발생하며, 이 암석이 물로 포화되면 물이 모세관 현상에 의해 스며듦에 따라 간극에 갇힌 공기는 압축되면서 암석 내부입자의 배열에 응력을 유발시킨다. 건조 및 포화가 반복되면서 슬레이킹 현상으로 암석은 결국 잘게 부스러진다.

Slake Durability Index 암석이 환경변화에 의해 건조·습윤상태를 반복하게 되면 급격하게 고결력을 잃어 조직이 파괴되는 풍화민감도를 파악하기 위한 시험으로 셰일 등과 같이 풍화에 민감한 암석에 적용된다. 시험방법은 먼저 10여 개의 암석덩어리(40~60g)를 Test Drum 속에 넣고 수조 속에 수침시켜 모터를 이용하여 200rpm 정도의 속도로 회전시킨 후, 그 후 시료가 들어 있는 Test Drum을 꺼내 건조로에 넣고 건조시킨 뒤 잔류한 시료의 중량을 측정하여 풍화 내구성지수(Slake Durability Index)를 계산하는데, 일반적으로 두 번째 Cycle 후의 지수(Id₂)를 내구성지수로 사용한다.

이질암의 다양한 형태의 풍화거동을 나타내기 위하여 새로운 지수인 disintergration index(D_r)를 도입하였다(Erguler 등, 2009).

D_r = A_C /A_T
A_C = 슬레이킹 후 입도분포곡선에서의 면적
A_T = 입도(1~25mm)를 포함하는 총 면적

즉 D_r이 1이면 완전한 내구성, 0이면 내구성이 전혀 없는 상태를 의미한다.

2. 풍화 암반의 공학적 특성

사면 열화(Deterioration)

터널 시공 터널갱구와 비탈면의 안정성을 확보하기 위하여 토류벽 가시설(H-PILE+토류판+그라운드 앵커)을 설치하였고, 가시설 상부는 S=1:1.5 이상으로 절토 비탈면을 조성하였다. 굴착은 브레이커에 의한 기계굴착으로 0.8~1.2m 사이에서 굴진장을 탄력적으로 적용하였고 상, 하 반단면 분할굴착하였다. 터널의 보강은 Lattics Girder, 숏크리트, 록볼트를 기본보강재로 사용하였으나 굴진면의 암반상태, 지형에 의한 상부 토피고, 계측 변화 추이에 따라 필요 부위에 가인버트를 시공하였다.

문제와 대책 매우 불량한 지반으로 평가된 풍화토구간에 일부 지하수의 과다유입(출수)으로 변위가 지속적으로 발생하였다. 이에 출수구간에 여러 개의 수발공을 시공하여 지속적으로 배수를 실시하고 터널 주변에 강관다단 그라우팅으로 지반을 보강하였다.

1. 응용지질 암반공학, 김영근, 2013

2. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학, 한국지반공학회 암반역학위원회, 2009

3. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학 II, 한국지반공학회 암반역학위원회, 2011

4. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학 III, 한국지반공학회 암반지질위원회, 2012