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사면 보호보강

공법에 정성을 더하는 기업 greenfox 

흙의 밀도와 수분의 함수 관계

흙의 작은 입자들을 덩어리로 만들려면 물이 필요합니다.  바짝 건조한 흙은 바람이 불면 날아갈 듯 입자간에 부착력이 없습니다.  손으로 잡아서 움켜쥐어도 굳어지지 않고 손가락을  펴면 곧 흩어집니다.  그런데 마른 흙에 조금씩 물을 뿌리면 점차적으로 뭉쳐지기도 하고 모양을 만들수도 있습니다.  그러나 물을 계속 가하면 너무 부드러워져 손가락 사이로 삐져 나오게 됩니다.  다른 금속과 달리 물이 약간 섞이면 점착력이 생겨 뭉쳐지다가 물의 함량이 일정수준을 넘으면 오히려 흩어지게 되는데 이는 흙의 중요한 특징이라 할 수 있습니다. 

흙에 힘을 가하면 단단히 굳어져 강도가 증가하는데, 그 이유는 흙 안의 공기와 물을 뽑아내어 토립자간에 간극이 좁아지기 때문입니다.  그러나 소량의 물을 넣고 압력을 가하면 모관현상 등에 의해 입자 간에 부착력이 발생하게 되고 수분은 토립자와 토립자를 붙이는 푹과 같은 역할을 합니다.  이때 흙은 부분적으로 밀도가 높아지고, 토립자 주위에 수분이 늘면 물은 토립자의 위치 이동을 도와주는 윤활유 역할을 하게 되고 토립자 간의 접근을 용이하게 해줍니다.   이러한 이유로 흙은 수분량이 증가함에 따라 어느시점까지 밀도도 높아지게 됩니다.  하지만 간극이 최대한으로 좁아지고 물이 포화상태가 되면 물의 공간이 커지면서 흙의 밀도는 점점 낮아지게 됩니다. 

 

또 완전히 포화 상태서 흙에 다짐 작업을 계속하면 수압만 높아질 뿐 토립자의 간극은 더이상 좁아지지 않습니다.  이같은 함수비의 차이에 따라 다짐 특성이 달라지게 됩니다. 이런 이유로 어느정도의 함수비가 최고 밀도를 내는지를 알기 위해 다짐시험을 하는 것입니다.  같은 조건의 흙에 함수비만을 변화시키면서 무게 2.5Kg, 낙하높이 30cm의 램머를 반복하여 25회 쳐서 가장 높은 밀도의 함수비를 찾을 수 있습니다. 

 

왼쪽 그림에서와 같은 다짐곡선을 얻을 수 있는데, 이 곡선에서 최대가 되는 정점의 함수비를 '최적함수비', 이때의 건조밀도를 '최대건조밀도'라고 부릅니다.

결국 최적 함수비는 흙이 가장 다짐이 잘되었을 때의 물의 양이고, 이 최적함수비로 다짐된 흙은 역학적으로 가장 안정된 상태라고 할 수 있습니다

 

모래,실트,점토가 혼합된 흙 - 롬(loam)층

[흙의 구분법①]

​롬(loam)층 : 풍화한 화산회나  N차가 3~10 정도의 갈색 점토를 주로 말함

​ 

모래와 실트, 점토가 적당하게 혼합된 흙 또는 퇴적물. 삼각 좌표에 의한 분류에서는 모랫가루 35~50%, 실트 가루 30~50%, 점토 0~20%의 흙이 퇴적하여 생긴 지층입니다.  습기가 있으면 점착성(粘着性)이 커지며, 식물의 성장에 도움이 됩니다.

 

① 소량으로 뭉쳐진 알갱이를 부숴보면 잘 굳어져 있고, 

    처음에는 딱딱한 인상을 받으나 손가락에 힘을 가하면 깨지기 쉬운 느낌으로 힘없이 가볍게 부서집

    니다.

 

② 손으로 잘 주무르면 함수비가 높아지기 때문에(일반적으로 100% 내외), 그런 상태에서 부드러운 점

    토로 되어갑니다.

 

③ 화산회이기 때문에 둥근형의 백색, 황색의 작은 입자의 경암이나 검고 작은 입자의 스코리아, 검은

    색의 반짝이는 빛의 가늘고 

    긴 모양을  하고 있는 각섬석 등을 포함하고 있는 경우가 많습니다.

 

④ 홍적층이나 충적층 점토도 갈색에 동화한 경우는 롬과 혼동하기 쉬우나 이같은 흙은 손으로 반죽해

    도 롬과 같은 연약한 점토

    로는 되어지지 않습니다.

 
리테이닝백(식생토낭) 억지말뚝 타설 위치는 수동영역이 좋다

산사태 억지말뚝은 말뚝이 받는 전단력과 휨모멘트에 대한 2가지 설계법이 있습니다.  일반적으로 휨모멘트에 대한 설계법이 공사비가 많이 드는 편입니다.  전단말뚝으로 설계가 가능한 것은 "말뚝 전면의 산사태 토괴의 반력을 기대할 수 있는 경우"에 한하며, 전단말뚝의 설계위치를 결정하기 위해선 아래 설명을 참조합니다.

 

 

1.  말뚝의 최상단 위치 결정

 

오른쪽 그림의 각 분할편의 활동력 Ti , 저항력 Ri 로

하고 산사태의 운동블록의 최하단 또는 최상단보다

∑Ti 와   ∑Ri를 비교하고

 

∑Ri  >  ∑Ti (압축부)와

​∑Ri  <  ∑Ti (인장부)의

 

경계보다 아래쪽으로, 즉 수동영역이 충분한 배면토압

을 기대할 수 있는 위치에 선정할 필요가 있습니다.

 

 

2.  말뚝의 최하단 위치 결정

 

오른쪽 그림에 있어서 말뚝 설치 후의 원래 활동면(AB)에 대해 안전율을 Fs₁, 말뚝설치 후의 가정되는 활동면(AXY)에 대한 안전율을 Fs₂ 로 하면

Fs₂≥ Fs₁

이 되는 위치에 말뚝을 설치합니다.

 

억지말뚝의 실폐사례는 다음 4가지로 분류할 수

있습니다.

 

①  억지말뚝의 절토 하측(수동)으로 과도하게 밀림

②  ①항과 역으로 상측(주동)으로 과도하게 밀림

③  말뚝의 삽입 깊이 부족

④  말뚝 두부의 연결 부족

 
산마루나 임도에서 크랙을 발견했다면

본론부터 말해 대형 산사태의 전조현상을 보았다고 생각해도 좋습니다.  크랙은 사면이 이미 활동을 시작한 상징일수도 있고, 대형 산사태의 유발의 원인일 수도 있습니다.  어떤 이유에서 발생했건 산마루나 임도에서 크랙을 발견했다면 즉시 조치를 취해야 대형사고를 막을 수 있습니다.

 

산사태에는 여러 유형이 있지만 우수와 함께 산의 전면을 초토화시키는 토석류를 제외하곤 원호활동에 의한 슬라이딩이 가장 큰 산사태라 할 수 있습니다.  크랙은 산사태 중에서도 활동이나 토풀 등 대형 산사태를 유발하게 되고, 그 진행은 꼭 일어난다고 봐야 합니다.  해빙기에 크랙에 채워진 물이 얼었다 녹았다를 반복하면서 크랙의 공간을 넓히거나, 여름 집중호우로 순식간에 무너지기도 합니다.

 

크랙의 진행상황을 측정하는 방법으로는 몇가지 쉬운 방법이 있는데 다음에 소개하기로 하고, 우선은 크랙을 매우는 조치를 취해야 합니다.  암밤에 크랙이 생긴 경우는 콘크리트를 이용하고, 토사인 경우는 토사로 매우고 유실되지 않도록 매트를 포설하거나 토낭으로 덮어주고 잔디나 반관목 등 뿌리를 깊이 내리는 식물의 씨앗을 파종하여 빠르게 식생이 진행되도록 해 주는게 좋습니다.  산사태는 빠르게 대처할수록 위험도 줄어들 뿐 아니라 비용 면에서도 유리합니다.  또 크랙의 진행이 위험수위를 넘었을 경우는 강제탈락시키는 것도 하나의 대처방법일 수 있습니다.

​오른쪽 그림에서와 같이 크랙의 초기는 오픈크랙으로 시작하지만 차츰 단차가 생기면서 결국에는 붕괴하게 됩니다.

 
풍화되면 원지반 밀도가 낮아진다 

절토한 시간이 경과되면 사면표층의 흙이나 암반은 당초에 비해 밀도가 크게 낮아집니다.  이는 응력개방에 의한 흡수팽창 때문이기도 하지만 침투수, 지하수 등에 의한 용탈, 세립 부분의 유실이 주요한 원인입니다.

 

절토 후 10년이 경과된 한 사례를 예를 들어 풍화 정도를 보면 다음과 같습니다.

풍화가 일어나기 전 건조밀도는 2.2ton/㎥이지만 풍화 후 평균 건조밀도는 1.4ton/㎥까지 떨어져 그 두께는 3.5m에 달합니다.

사면의 면적 10m x 10m = 100㎡ 당 토사가 유실된 양은 다음과 같습니다.

 

△W = (2.2 ton/㎥-1.45 ton/㎥) x 3.5 m x 100 ㎡ =280 t

 

밀도 저하의 원인은 팽창에 의한 것도 있지만 280 t 대부분의 토사가 절토 후에 약 10년 간 용탈, 유실된 것입니다.

 

절개지나 도로지반 사면의 풍화를 멈추게 하는게 사면안정에 아주 중요한 요소이며, 그를 위해서는 식생토낭, 식생매트 등으로 사면을 덮고 식생을 유도하여 더이상 풍화가 진행되지 않도록 조치하는게 중요합니다. 

[아래 사진은 덕유산 절개사면 녹생토 탈락으로 풍화가 급속하게 진행되는 사면과 그 복구현장]

녹생토 탈락 후 노출된 사면의 풍화가 급속도로 진행되고 있습니다 

풍화가 급속도로 진행되고 있는 왼쪽 사진 구간을 리테이닝백(식생백,식생토낭)으로 복구한 모습 

공기중에 노출된 암반이 산화하여 검붉게 변화하고, 절리가 가속되고 낙석이 발생하고 있습니다

왼쪽사진의 풍화가 진행되는 암반구간을 리테이닝백(식생백,식생토낭)으로 복구하는 장

 
​산사태 대비 안전율은 1.2 이상이어야 한다 

산사태 대비 또는 복구를 위한 시공의 경우, 사면안정에 필요한 안전율을 계획안전율이라 합니다.  이 계획안전율을 어디에 맞추느냐에 따라 공사비는 천차만별일 수 있습니다.  옆의 그래프는 각 현장에서 계획안전율을 어느정도로 설정하고 있는가를 활동력(sliding)에 대응하여 표로 나타낸 것입니다. 

 

일반적으로 도로사면 법면공이나 사면안정공에서는 안전율을 1.05~1.2로 적용하는게 권장 사항입니다.  그래프에서와 같이 계획안전율이 1.2 이하로 설계된 것은 이후 변형이 나타남을 알 수 있습니다.  사면의 중요도에 따라 다르지만 산사태 대책의 계획안전율을 1.2 이상으로 하면 이후의 변상은 적게 발생하게 됩니다.

 
원색의 사면은 산사태 우려가 있다 

흙의 색은 광물의 구성성분, 화학조성, 산화도 등으로 결정되고, 장기적 안정성을 암시하기도 합니다. 청회색, 녹색, 검정색, 붉은색, 주황색 등 원색에 가까운 색의 흙은 일반적으로 붕괴 우려가 있습니다.

 

1. 녹색

제 3기 이암, 사문암, 변후안산암, 휘록응회암, 열수 변질 점토 등은 모두 몸모릴로나이트나 녹니암 등을 포함하는 팽창성 암 인 경우가 많습니다.

 

2, 검정색

흑연 등을 포함하는 단층파쇄대에 많고, 산사태를 일으키는 경우가 많습니다.

 

3. 붉은색, 주황색, 황색

강산성토, 온천여토 등에 많고 팽창성을 보이는 경우가 많습니다.  콘크리트 열화, 이어 메쉬의 부식, 식생의 퇴화 등 사면에 불리한 점이 많습니다.

 

하지만 색에 의한 판단이 완벽한 구분법은 아닙니다.  색은 같지만 성질이 완연하게 다른 경우도 있으므로 위의 설명은 일반적인 상식 정도로 기억하는게 좋습니다.  예를 들어 청회색의 사문암의 경우 단단해서 골재로 사용하는 경우도 있지만 부스러지는 경질암인 경우도 있습니다.

 
개구리,지렁이,민달팽이 등이 관찰되는 사면은 주의해야 한다

산사태 복구 현장 리테이닝백(식생백,식생토낭) 위에서 잠시 쉬고 있는 개구리와 민달팽이 

지렁이, 민달팽이, 개구리 뿐만 아니라 이들의 포식자 뱀 등이 자주 출몰하는 지역은 지반이 습하다고 볼 수 있습니다.  주변식물을 관찰하면 습지식물 또는 수분을 많이 필요로 하는 식물들이 서식할 가능성이 높습니다.  지난 포스트에서 삼나무, 대나무 밭 아래는 지하수가 발달했을 가능성이 아주 높다고 소개한 바 있습니다. 

 

호습식성 식물을 보고도 지반의 수분상태를 알 수 있지만, 연체동물이나 환영동물, 양서류, 파충류 등의 생태를 보면서 지반의 수분 상태를 예측할 수도 있습니다.  민물게가 하천이나 호수를 벗어나 사면에 나타나거나 지렁이, 개구리 등을 쉽게 볼 수 있는 사면은 용수 가능성이 높으므로 점검시 해당 구간의 특징을 유심히 살피고, 당장의 복구 구간이 아니더라도 예방책이 필요한가 검토해야 합니다.

 
사면안정에는 풍부한 경험자의 눈이 필요

괴산군 산막이옛길에서 전문가와 관계자들이 붕괴원인과 복구방법을 논의하는 장면

자연사면이나 절토사면의 안정은 연약지반상 성토의 안정성 검토와는 달리, 토질역학이 적용되지 않는 경우가 많습니다.

 

1.  일반적으로 원지반이나 구룽지는 평야와 달리 지질구조가 복잡하므로, 안정계산을 위한 단순화가 어렵고, 사면 슬라이딩의 위치를 예측하기가 어렵습니다.

 

2. 원지반의 토질 특성상 분산 정도가 크고, 토질정수의 설정이 어렵습니다.

 

3. 절토사면의 경우 절토 후의 시간 흐름에 따른 강도가 변화하는 경우가 많으므로  이를 사전에 예측하기가 어렵습니다.

 

이러한 이유로 절토사면의 경우, 현장 기술자의 경험적 판단이 매우 큰 영향을 미치기도 합니다. 사면의 불안정성을 예측하기 위해선 이론 뿐 아니라 풍부한 현장경험이 필요합니다.

 
자연사면은 급경사, 절토사면은 완경사일수록 붕괴 가능성이 높다

완경사의 절토사면 붕괴 사례 

급경사라 하여 무조건 붕괴 위험이 큰 것은 아닙니다.  오히려 붕괴빈도가 높은 사면의 경사도는 40°~50° 입니다.  일반적으로 급경사일수록 붕괴 발생빈도가 높지만 급경사지를 절토한 경우에 비해 완경사지역을 절토한 경우가 오히려 붕괴 빈도수가 높다는 것을 알 수 있습니다.  완경사면은 일반적으로 노년기나 유년기의 지형으로 풍화층이나 미고결층이 두껍게 존재하고 있는 경우가 많기 때문입니다.  이러한 이유로 완경사면이라 하더라도 지표면에 잔디 등 초화류의 식생을 해줘 풍화를 막아주고, 맹암거,측구 등을 이용하여 지하수나 지표수를 안전하게 유도해주는 조치가 필요합니다. 

 

붕괴 발생률 = 붕괴사면의 경사별 빈도(%) / 자연사면의 경사별 빈도(%)

 
낙석사고는 초봄에 가장 많이 발생한다

암석 중에 낙석 사고가 자주 일어나는 암석은 화산활동에서 만들어진 부석(浮石), 경사면에 불안정한 상태로 정지하고 있는 전석(轉石), 유수나 빙하와 함께 흐르다 멈춰 선 표석(漂石) 등이 있습니다.  여름철 집중호우에도 낙석사고가 자주 일어나지만, 예상 외로 2~4월 해빙기에 낙석사고가 더 많이 발생합니다. 

 

이유는 동절기 암석의 균열부위에 들어가 있던 물이 얼면서 균열을 더욱 확장시키고 해빙기에 그 얼음이 물이 되어 빠져나오면서 암석을 탈락시키기 때문입니다.  24시간 중 오전 10시에서 12시 사이에 가장 많이 발생하는 이유도 마찬가지로 얼음 상태에서 융해가 시작되는 시간때이기 때문입니다.

 

여름 집중호우 시에는 사람의 접근이 거의 없어 낙석으로 인한 인명 피해가 많지 않지만 해빙기인 봄에 사면 아래서 작업하는 분들이나 등산객에게  낙석 사고로 인한 피해가 많습니다.  이 기간 동안 낙석에 대한 주의를 해야하며, 관리처는 점검을 강화해야 합니다.

 
대규모 붕괴는 지질구조, 소규모 붕괴는 토질과 관계있다

대규모 붕괴의 해외사례와 소규모 붕괴의 경기도 양평 사례 

사면 붕괴의 원인은 다음 세가지로 구분합니다.

 

1. 물성(토질, 암질)

2. 지질구조(지층구성, 단층 등)

3. 물(지하수, 지표수)

 

위 세가지 붕괴 원인 중 물은 공통인자일 수 있지만, 1, 2는 붕괴의 규모를 결정하게 됩니다.  소규모 붕괴는 매트릭스(기질)나 흙의 고결도, 암의 균열 정도, 지하수 등에 좌우되는 경우가 대부분이지만, 대규모 붕괴는 기반과 경계면에 의해 그 형태가 결정됩니다.  즉, 대규모 붕괴일수록 대부분 지질구조(활동면의 경사와 깊이)에 좌우됩니다.