지구의 지각을 형성하고 있는 암석은 한 종류 이상의 광물이 자연의 힘에 의하여 결합된 집합체로 정의되며, 생성기원에 따라 크게 퇴적암, 화성암, 변성암으로 구분된다. 인간생활권의 주무대인 지각의 최상부층인 지표는 이러한 암석과 그 부산물인 흙으로 구성되어 있으며, 대부분의 건설행위는 이 지표부에서 이루어지고 있다. 따라서 거의 모든 건설공사는 근본적으로 지표구성 물질인 암석과 흙의 영향을 직․간접적으로 받지 않을 수 없다.
건설공사를 위한 지반조사 업무를 명확히 이해하기 위하여서는 우선 지표 구성물질인 암석에 대한 기초적인 이해가 필요하므로 본 장에서는 암석과 암반에 대하여 기초적인 내용을 서술한다.
1. 지각구성 물질
암석으로 구성된 지구의 표면을 지각이라 하는데 지각은 대륙지각(평균두께 35 km)과 해양지각으로 구분된다. 대륙지각은 밀도 2.7 정도의 화강암질 암석(화강암을 의미하는 것이 아니고 화강암과 유사한 성분을 가지는 암석이란 의미임)으로 구성되는데 구성원소는 대체로 O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K 등 8대 원소가 약 98% 이상을 차지하고 있다. 이 중 O(45.20%)와 Si(27.20%)가 2/3이상을 차지하고 있어서 이들이 형성하는 규산염 광물(SiO2 등을 포함)이 지각의 주 구성 광물임을 알 수 있다.
2. 암석의 윤회
퇴적암, 화성암 및 변성암으로 대분되는 암석은 기계적, 화학적으로 풍화되어 세립자로 분리되어 다른 곳으로 이동, 퇴적되므로서 다른 퇴적암이 되기도 하고, 지각운동으로 지하 깊은 곳으로 이동되어 고온․고압을 받거나 화성암체의 관입시 열변성작용을 받아 다른 암석으로 변성되기도 하며, 초변성작용을 받아 화성암이 되기도 한다. 이와 같은 암석의 변천을 암석윤회라한다.
3. 암석의 생성과 분류
1) 퇴적암(Sedimentary Rocks)
퇴적암은 풍화작용에 의하여 분해된 다른 암석이 유수, 바람, 빙하 등에 의하여 이동, 퇴적되어 만들어진 암석이며, 퇴적물의 종류에 따라 쇄설성 퇴적암, 화학적 퇴적암, 유기적 퇴적암 등으로 세분된다. 쇄설성 퇴적암 중 대표적인 수성쇄설암은 유수에 의하여 이동 퇴적되어 형성된 암석으로 구성입자의 크기에 따라 역암, 각력암, 사암, 셰일, 이암 등으로 구분된다. 화학적 퇴적암에는 석회암, 고회암, 암염, 석고, 쳐어트 등이 있고, 유기적 퇴적암에는 석회암(생물의 유해), 백악, 규조토, 석탄, 아스팔트등이 있다. 퇴적암은 성인 및 구성물질에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.
2) 화성암(Igneous Rocks)
지하심부의 마그마가 지하 또는 지표에서 냉각, 고결되어 만들어진 암석을 화성암이라 하는데 크게 분출암과 관입암으로 구분된다. 관입암은 생성위치에 따라서 심성암과 반심성암으로 나뉘고 분출암은 화산암이라 불리기도 한다. 화성암은 구성입자의 크기와 광물성분에 따라서 육안적으로 다음과 같이 분류된다.
3) 변성암(Metamorphic Rocks)
암석이 생성 당시의 조건과 다른 환경인 고온 고압하에 놓이면 광물성분이 변화하게 되는데 이를 변성작용이라 하며, 변성작용으로 만들어진 암석을 변성암이라 한다. 변성암에는 파쇄암, 접촉변성암, 동력변성암이 있다. 이 중 한반도의 기반암인 편마암 및 편암과 일부 지역에서 나타나는 천매암과 슬레이트 등은 동력변성암이고 화강암체의 고온에 의하여 변성된 호온펠스 등은 접촉변성암이다.
편마암과 편암은 편마구조나 편리라는 면구조를 가지는데, 이는 변성작용 당시에 작용한 압력의 방향과 직교되게 발달되며 암석이 공학적으로 강한 이방성을 나타내는 원인이 된다. 이러한 변성암의 구조는 건설공사시 불리하게 작용하는 약선대일 가능성이 많으며, 강도의 이방성으로 인하여 응력집중이나 구조적인 불안전을 초래하기도 한다. 변성암은 생성요인 및 변성정도에 따라 다음과 같이 분류된다.
4. 암석과 암반
건설공사시의 지반이라 함은 흙과 암석뿐만 아니라 절리 등 간극과 이들을 충전한 지하수나 공기등을 포함하는 포괄적인 의미의 지반을 말하며, 암반이라 함은 흙을 제외한 협의의 지반을 의미한다. 따라서, 지반을 대상으로 하는 공사에서는 암석강도가 아무리 높다고 하더라도 불연속면에서의 파괴가 있을 수 있기 때문에 건설공사시의 안전성은 암석자체에 대한 평가가 아니라 전체적인 지반 또는 암반으로서의 평가가 이루어져야 한다.
여기서 암반은 암석의 강도와 불연속면의 특성에 따라 크게 다음과 같이 구분될 수 있다.
○ 불연속면이 적어서 암반거동이 암석특성에 지배받는 암반
○ 암석강도는 크지만 불연속면이 많아서 암반거동이 불연속면의 특성에 지배되는 암반
○ 암석강도가 약하고 불연속면이 많아서 암반거동이 암석과 불연속면의 특성에 동시에 지배되는 암반
여기서 불연속면이 “많다 또는 적다”라는 의미는 구조물의 규모와 비교해서 평가할 때의 상대적인 의미이다. 즉, 직경 1 m의 터널주변 암반에서 절리간격이 0.5 m인 경우 불연속면은 대체로 적은 편에 속하지만 같은 위치에 직경 10 m의 터널이 계획되는 경우라면 불연속면은 상대적으로 많다고 볼 수 있을 것이다.