3.1.1 건조밀도와 겉보기비중의 관계

겉보기비중과 암석의 공극 특성을 나타내는 파라미터인 흡수율 및 총 공극률의 관계를 살펴보기 전에 제주도 화산암의 겉보기비중과 건조밀도의 관계를 살펴보고자 한다. 본 연구에서 시험한 화산암의 겉보기비중에 대한 건조밀도를 Fig. 3에 도식하였다. 겉보기비중과 건조밀도 사이에는 양(+)의 선형 관계에 있으며, 겉보기비중이 감소함에 따라 건조밀도는 선형적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 또한, 겉보기비중이 감소함에 따라 건조밀도와의 차이가 증가하고 있으며, 이러한 특성은 Fig. 2(a)의 가장 왼쪽 그리고 (d), (f)에 나타낸 암석 시편과 같이 기공이 발달한 화산암에서 두드러지게 나타나고 있다. 이러한 차이는 겉보기비중과 건조밀도 산정 시 암석 시편의 체적을 측정하는 방법의 차이에 따른 것이다. 기공이 발달하지 않은 암석 시편의 경우, 체적을 측정하는데 있어서 부력이용 방법과 캘리퍼스를 이용하는 방법의 차이가 거의 없지만 암석 시편에 기공이 발달한 경우 그 차이는 증가하게 된다. 부력법을 이용하여 기공이 크게 발달한 암석 시편의 체적을 측정할 경우, 크게 발달한 기공은 수분을 보지(retention)할 수 없기 때문에 암석 시편의 표면건조 포화상태 무게는 과소 평가되며, 이에 따라 암석 시편의 체적 또한 상대적으로 작게 평가하게 된다. 그 결과, 겉보기비중은 건조밀도에 비해 상대적으로 크게 평가된다. 한편, 암석 표면의 기공이 매우 발달한 제주도 화산암의 경우 캘리퍼스를 이용하여 암석 시편의 체적을 측정하기 곤란한 경우가 있으며^{(Choi, 1990)}, 이에 유의할 필요가 있다.

Fig. 3. Relationship between Bulk Specific Gravity and Dry Density

3.1.2 흡수율과 겉보기비중의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암과 ^{Kim and Choi(1991)}가 보고한 제주도 북서부에 분포하는 화산암에 대한 흡수율과 겉보기비중의 관계를 Fig. 4에 나타내었다. 그리고 Fig. 1에 나타낸 선형회귀 (1)과 (2)에 해당하는 선형 근사선을 Fig. 4에 함께 도식하였다. 흡수율과 겉보기비중 사이에는 음(-)의 선형 관계에 있으며, 흡수율이 증가함에 따라 겉보기비중은 선형적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 또한, Fig. 1에서 설명한 바와 같이, 본 연구에서 다룬 제주도 화산암 또한 흡수율과 겉보기비중 사이의 관계는 크게 두 개의 선형 근사로 나타낼 수 있으며, 각각의 선형근사에 해당하는 암석은 흡수율의 증가에 따른 겉보기비중의 감소율이 크게 다름을 알 수 있다. 구체적으로, 본 연구에서 다룬 대부분의 화산암은 선형 회귀(1)에 해당하며, 화북동에서 채취한 일부 화산암과 ^{Kim and Choi(1991)}가 보고한 화산암석의 대부분은 선형 회귀 (2)에 해당하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4. Relationship between Absorption and Bulk Specific Gravity

3.1.3 유효 공극률과 총 공극률의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암의 유효 공극률과 총 공극률의 관계를 Fig. 5에 나타내었으며, ^{Kim and Choi(1991)}의 연구결과도 함께 도식하였다. Fig. 4의 흡수율과 겉보기비중의 관계에 있어서 선형 회귀 (1)과 선형 회귀 (2)에 해당하는 각각의 암석은 유효 공극률의 증가에 따른 총 공극률의 증가율이 크게 다르며, 선형 회귀 (1)에 해당하는 암석이 선형 회귀 (2)에 해당하는 암석에 비해 그 증가율이 크다는 것을 알 수 있다.

위의 결과를 통하여, 본 연구에서 다룬 제주도 화산암을 포함하여 Fig. 1에 나타낸 모든 제주도 화산암은 흡수율과 겉보기비중의 관계에 있어서 선형 회귀 (1)과 선형 회귀 (2)에 해당하는 각각의 암석에 따라 열린 기공과 닫힌 기공의 비율이 서로 다르며, 그 비율은 크게 두 종류로 나뉠 수 있으며, 선형 회귀 (1)에 해당하는 암석이 선형 회귀 (2)에 해당하는 암석에 비해 닫힌 기공의 비율이 상대적으로 크다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Relationship between Effective Porosity and Total Porosity

3.1.4 총 공극률과 건조밀도의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암의 건조밀도와 총 공극률의 관계를 Fig. 6에 나타내었다. 제주도 화산암의 총 공극률과 건조밀도는 음(-)의 선형 관계에 있으며, 총 공극률이 증가함에 따라 건조밀도는 선형적으로 감소하고 있다. 또한, 본 연구에서 다룬 화산암 입자의 밀도는 2.789~3.128 g/cm3 범위로 그 차이가 큼에도 불구하고(Appendix Table 1), 건조밀도와 총 공극률의 상관성은 높게 나타나고 있다. 한편, ^{Tuğrul(2004)}은, 퇴적암, 화성암 등의 총 공극률과 건조밀도는 음(-)의 선형 관계에 있음을 보고하고 있으며, 본 연구의 결과와 정합하고 있다.

위 결과를 통하여 열린 기공과 닫힌 기공의 비율이 크게 다른 제주도 화산암의 물리적 특성을 적절하게 평가하기 위해서는 총 공극률을 이용하는 것이 타당함을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Relationship between Total Porosity and Dry Density

3.1.5 총 공극률과 겉보기비중의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암에 대한 총 공극률과 겉보기비중의 관계를 Fig. 7에 나타내었으며, 이와 함께 Kim and Choi (1991)의 연구결과를 도식하였다. Figs. 3 and 6에 나타낸 결과로부터 유추할 수 있듯이, 제주도 화산암의 총 공극률과 겉보기비중의 관계는 하나의 음(-)의 선형 관계로 나타낼 수 있으며, 총 공극률이 증가함에 따라 겉보기비중은 선형적으로 감소하고 있다. 구체적으로, 총 공극률과 겉보기비중의 관계에 있어서, 본 연구의 결과에 비해 ^{Kim and Choi(1991)}의 결과가 상대적으로 흩어져 있기 때문에 총 공극률과 건조밀도 사이의 결정계수(Fig. 6)에 비해 작은 결정계수를 보이고 있지만, 높은 상관관계를 보이고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7. Relationship between Total Porosity and Bulk Specific Gravity

3.2.1 겉보기 비중과 일축압축강도의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암의 겉보기비중과 일축압축강도의 관계를 Fig. 8에 나타내었으며, 이와 함께 ^{Kim and Choi(1991)}의 연구결과를 도식하였다. 겉보기비중과 일축압축강도 사이에는 멱함수의 상관관계에 있으며, 겉보기비중이 증가함에 따라 일축압축강도는 급격히 증가하고 있음을 알 수 있다. 그리고 Fig. 4에 나타낸 흡수율과 겉보기비중의 관계에 있어서 선형 회귀 (1)과 선형 회귀 (2)에 해당하는 각각의 암석은 겉보기비중의 증가에 따른 일축압축강도의 증가율이 크게 다름을 알 수 있다.

Fig. 8. Relationship between Bulk Specific Gravity and Uniaxial Compressive Strength

3.2.2 흡수율과 일축압축강도의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암의 흡수율과 일축압축강도의 관계를 ^{Kim and Choi(1991)}의 연구결과와 함께 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9. Relationship between Absorption and Uniaxial Compressive Strength

^Yang(2014)에 의하면, 제주도 화산암의 흡수율과 유효 공극률은 상관관계가 높은 양(+)의 선형 관계에 있으며, 제주도 화산암의 일축압축강도는 유효 공극률에 비해 흡수율과 그 상관성이 높다고 보고하고 있다. 본 연구에서는 이를 준용하여 흡수율과 일축압축강도의 관계만을 나타내었다. Fig. 9를 통하여 알 수 있듯이, 흡수율과 일축압축강도 사이에는 전체적으로 멱함수의 상관관계에 있으며, 그 결정계수가 매우 높음을 알 수 있다. 구체적으로, 흡수율이 약 3 % 이상인 구간에서는 흡수율이 증가함에 따라 일축압축강도는 서서히 감소하고, 흡수율이 약 3 % 미만인 구간에서는 흡수율이 증가함에 따라 일축압축강도가 급격하게 감소함을 알 수 있다. 앞 절에서 설명한 바와 같이 흡수율과 일축압축강도의 관계 또한 흡수율과 겉보기비중의 관계에 있어서 선형 회귀 (1)과 선형 회귀 (2)에 해당하는 각각의 암석은 흡수율의 증가에 따른 일축압축강도의 감소율이 다르며, 그 거동이 구분됨을 알 수 있다.

3.2.3 총 공극률과 일축압축강도의 관계

본 연구에서 다룬 제주도 화산암의 총 공극률과 일축압축강도의 관계를 ^{Kim and Choi(1991)}의 연구결과와 함께 Fig. 10에 도식하였다. Fig. 10을 통하여 알 수 있듯이, 총 공극률과 일축압축강도는 멱함수의 상관관계에 있으며, Fig. 9에 나타낸 흡수율과 일축압축강도의 관계에 비해 낮은 결정계수를 보이고 있지만, 그 상관관계는 매우 높다는 것을 알 수 있다. 그리고, Figs. 8 and 9의 결과와 달리, 총 공극률과 일축압축강도의 관계는, 흡수율과 겉보기비중 사이의 두 개의 선형 관계와 상관없이 하나의 상관관계를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 흡수율과 겉보기비중에서 고려하지 못하였던 닫힌 기공의 영향을 총 공극률에서는 반영하고 있기 때문으로 판단되며, 총 공극률의 증가에 따라 단면의 유효압축면적이 감소하기 때문에 일축압축강도가 감소하는 것으로 판단된다.

위의 결과를 통하여, 제주도 화산암과 같이 열린 기공과 닫힌 기공의 비율이 크게 다른 암석의 역학적 특성을 적절하게 평가하기 위해서는 총 공극률을 이용하여 그 관계를 살펴보는 것이 타당함을 알 수 있다. 그리고 총 공극률을 산정하지 못할 시, 겉보기비중(또는 건조밀도)와 흡수율(또는 유효 공극률) 사이의 관계를 살펴본 후, 각각의 상관관계에 해당하는 암석을 구분하여, 해당 암석의 역학적 특성을 평가하는 것이 바람직하다고 사료된다.

Fig. 10. Relationship between Total Porosity and Uniaxial Com- pressive Strength