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사면 보호•보강
공법에 정성을 더하는 기업 greenfox
산사태의 내부요인과 외부요인
무분별한 사면절개와 과도한 하중으로 인한 산사태(California)
사면붕괴는 토질, 단층, 지하수 등 지반의 소인(素因 :근본원인)에 의해 발생하는 경우와 사면절개, 집중호우, 지진 등 외부요인으로 인해 발생하는 경우로 크게 구분할 수 있습니다.
사면붕괴의 내부요인(소인)
1. 물성 : 토질, 암질의 조건을 말합니다. 즉, 원지반의 단단한 정도, 풍화의 내구성, 균열의 다소, 침식의 저항력 등.
2. 구조 : 지질구조를 말합니다. 즉, 지층의 구성과 구조, 절리의 방향, 단층의 위치 등.
3. 물 : 지하수의 영향을 말합니다. 즉 지중 함수량의 다소, 지하수위(수압)의 고저, 수맥이나 용수의 유무 등.
사면붕괴의 외부요인
1. 인위적 요인 : 무리한 절개, 무리한 하중 등 설계상의 문제점. 보호공이나 배수공의 부족이나 미설치.
2. 강수 : 집중호우, 장기간 강우, 해빙기의 융해작용 등을 발합니다. 즉, 집중호우로 다량의 지표수가 흐르는 경우, 강우량의 증가로 지하수위가 상승하는 경우 등.
3. 지진 : 동적인 외력에 의한 활동력 증가.
대나무, 버드나무, 삼나무 숲에는 지하수가 많다
(사진) 사면 붕괴구간 상단부에 대나무 밭이 펼쳐져 있습니다. 지하수 용출에 의한 사면붕괴로 추정할 수 있습니다. 덕유산 설천봉 리테이닝백(식생토낭) 복구 구간.
(사진) 지하수 용출에 의한 녹생토 탈락 구간입니다. 사면 상단부에 대나무 밭이 있는 걸로 보아 다량의 지하수가 있는 것으로 추정됩니다.
대나무 숲의 분포를 보면 수분이 풍부한 산허리나 계곡에 많이 분포해 있으며, 테일러스(애추), 토석류 퇴적 부분 등에 밀집 분포한 경우가 많습니다. 계곡부 집수지형은 별도로 고려하더라도 산허리에 대나무가 분포하는 구간에는 단층 등 육안으로 보이지 않는 지형 이외의 요소에 의해 수분이 많다고 추정할 수 있습니다. 대나무 숲이나 그 아래 사면은 항상 지하수가 많다고 추정해도 좋습니다.
소나무는 지반의 수분이 적은 곳에서 자라지만 삼나무는 수분이 많은 곳에서 자랍니다. 이를 응용하면 절개지에 침엽수를 수목할 경우 불연속면이 사면의 경사방향과 반대로 수직방향일 경우 소나무를 심고, 불연속면이 사면 경사와 평행한 경우 삼나무를 수목하는 것이 좋습니다.
산사태 복구를 할 때 제일 먼저 해야 할 일이 산사태의 원인진단입니다. 물에 의한 것인지, 물에 의한 것이라면 지표수인지, 용출 구간인지를 찾는 것입니다. 세월이 흘러 용출 흔적이나 지표수 유입로의 흔적을 찾기 힘든 경우 그 주변의 식물의 분포와 상태를 참고하면 큰 도움이 될 수 있습니다.
도로 아래 절토 사면은 붕괴 위험이 높다
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도로 아래 절토 사면은 붕괴 위험이 높은데 그 원인으로 노면으로부터 유수 유입이나 교통하중에 의한 진동 등을 추정해 볼 수 있습니다. 절토사면 상부에 측도를 설치하는 경우나 이미 설치한 도로가 근접해 있는 경우 노면의 형상이나 배수상태 등에 주의를 기울여야 합니다. 도로사면 아래 절토사면은 진동을 흡수하지 못하는 콘크리트 구조물로 보호하는 것보다 연성의 리테이닝백(식생토낭)이 유리할 수 있습니다.
나무가 같은 방향으로 휘었다면 사면붕괴 흔적지로 추정한다
나무들은 항상 중력과 반대방향으로 성장하려는 성질을 갖고 있습니다. 하지만 경사지에서 토석류나 슬라이딩 등 산사태로 인해 사면의 표층이 이동하거나 눈이 쌓여 나무의 성장이 억제되어 수목이 변형을 일으키게 됩니다. 이처럼 뿌리나 줄기의 휘어진 방향을 보면 그 사면의 붕괴 이력을 추정할 수 있습니다. 한그루의 변형이 아니라 그 주변의 나무가 함께 변형이 왔다면 붕괴의 위험을 대비하는 것이 좋습니다. 눈이 쌓인 구간에는 눈의 하중으로 인해 수간변형이 생겨 사면붕괴의 위험이 있습니다.
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암석의 경도 측정 방법
울릉도 사태감(지명)에서 일어난 암석사태
암석은 크게 3가지로 나눕니다. 지구 내부의 마그마에서 형성된 화성암, 바다나 하천, 호수 등에서 형성된 퇴적암, 이들이 2차적으로 변해서 생긴 변성암 등입니다. 그 중 화성암은 암석 사이에 틈이 존재하지 않아 강도가 매우 높습니다. 화성암은 보통 1㎠ 당 1.5t의 무게를 지탱할 수 있다고 하는데, 이는 콘크리트 10배 이상의 강도입니다. 이같은 암석의 강도는 종류에 따라 다를 뿐 아니라 층리(層理)와 생성원인에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 새로 생성된 암석보다 오래된 암석이 더 치밀하고 단단합니다.
암석의 강도는 암석에 힘을 가했을 때 암석이 파괴된 순간의 힘을 계측하는 각종 시험을 통해 얻어집니다. 하지만 현장에서 암석의 강도를 대강이라도 추정하기 위해 헤머로 암석을 때려 그 소리와 불꽃으로 판정해 보기도 합니다. 또 실전에선 암석 자체의 강도보다 암반 전체의 역학적 성질이 중요합니다. 암반에는 일반적으로 크고 작은 절리와 틈이 있기 마련인데 이러한 절리를 관찰하고 암반의 강도를 예측하는게 중요합니다.
미국 워싱턴 D.C.에 있는 이 암석은 지구상에서 가장 오래된 암석으로 추정
암반의 강도를 측정하기 위해 원위치암반시험이란게 있지만 매우 많은 비용이 들기 때문에 여러번 반복시험하기도 곤란하고, 얻어진 값이 반드시 지반을 대표하는 값이라 확신할 수도 없습니다. 그래서 암편을 파과하지 않고 암반의 탄성파속도를 통해 강도를 구하기도 합니다. 탄성파속도란 암반을 헤머의 타격 혹은 다이나마이트의 폭파 등으로 충격을 주어 얻어지는 진동을 일정위치에서 수신하여 소여시간을 측정하는 방법인데, 탄성파 속도가 빠를수록 단단한 암반으로 판단합니다. 토목에서 암반을 분류할 때는 암석강도 뿐 아니라, 탄성파속도, 절리, 균열간격 등을 검토하여 분류합니다.
이러한 분류를 통해 굴착 시에 브레이커로 파괴할 것인지, 발파를 할 것인지 판단합니다.
주변보다 푸른 곳은 물이 많다
(사진) 산사태 구간 리테이닝백(식생백,식생토낭)으로 복원 3주 후
사면을 복원하고 초화류를 파종하면 같은 구간이라도 유별라게 풀이 빨리 자라고 푸른 곳이 있습니다. 여름철 초록이 만발하던 산도 가을이 오면 갈색으로 변하거나 녹색이 옅어지는게 당연한데 일부 구간만 초록색이 남아있는 경우가 있습니다.
이러한 곳은 지하수위가 지표층에 가까이까지 올라와 있거나 지하수가 침출하고 있다고 추정해 볼 수도 있습니다. 침출은 아니더라도 주변보다 상대적으로 높은 습도를 갖고 있는 것은 분명합니다. 사면을 관리하면서 가장 주목하는 것이 집중호우에 약한 구간을 찾아내는 것입니다. 상대적으로 푸른 구간은 용수의 위험이 있거나 수분함유량이 많아 표층 슬라이딩이 발생할 수 있습니다.
식생을 통해 사면을 안정화시키기도 하지만, 식생을 통해 위험구간 식별하는 등 여러 정보를 얻을 수도 있습니다.
절토사면 위에 성토와 성토사면 아래 절토는 불안정성을 초래
절토는 원지반의 수동토압을 감소시켜 불안정해지고, 성토는 주동토압을 증가시켜 불안정성을 촉진합니다. 만약 이 두가지 경우가 중복적으로 이뤄진다면 원지반의 불안정성은 배가됩니다.
절토 사면 위에 성토를 하거나 혹은 성토 사면 기초의 하부를 절취하면 사면의 균형에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 혹시 절토 사면 위에 성토가 부득이한 경우 충분한 소단을 주고 원지반과 성토구간 경계에 산마루측구 등 배수로를 설치하는 것이 바람직합니다.
장마 등 집중호우 직전 절토를 삼가해야 한다
지하수위 개념도
일반적으로 절토를 하면 지하수위가 낮아집니다. 하지만 절토 직후 바로 지하수위가 낮아지는 것이 아니라 다시 수압과 토압이 균형을 이룰 때까지 다소 시간이 걸립니다. 절토로 인해 전면의 토압을 제거해버렸지만 심부의 수압은 아직 예전의 상태를 그대로 유지하여 불균형을 이루게 됩니다.
이처럼 불균형을 이룰 때 비가 많이 내려 지하수압을 높일 경우 지하수는 절토사면으로 용출될 수 있습니다. 이러한 이유로 사면을 박피하듯이 절토(slice cut)하는 중에 붕괴되는 경우도 있습니다. 집중호우 직후 절토시 계측기 등에 의한 변위관측을 실시하고 용수상태를 관측해 가면서 절토해야 합니다.
지하수 용출 흔적
점토 보다 실트가 더 위험하다
실트(Silt)
점토는 일반적으로 자연함수비가 높고, 비나 지하수 등을 통한 수분 흡수도 일정 수준이 지나면 추가적인 흡수가 오히려 잘 일어나지 않는 경향이 있습니다. 이러한 성질 때문에 오히려 배수도 어려워집니다. 모래는 이와 반대로 투수계수가 크고, 비에 의한 수위가 높아져도 배수가 상대적으로 빠릅니다. 실트는 모래나 점토의 안좋은 성질을 다 가지고 있다고 보면 틀림없습니다. 다시말해 흡수는 쉽지만 배수는 어려운게 실트입니다.
통계적으로 보면 실트 성분의 토질에서 붕괴사고가 가장 많이 일어나고 있다고 합니다.
※실트(Silt) : 모래보다는 미세하고 점토보다는 거친 퇴적토라 설명하면 그리 틀린 표현은 아닐 겁니다. 토질 역학, 토양학에서는 입경 0.005∼0.074㎜를 실트로 구분하고 있습니다. 실트가 치밀하게 퇴적해 있는 경우는 물의 모세관 작용이 크고 물의 침투성은 약하지만 건조한 경우에는 단단한 덩어리로 변합니다. 일반적으로 압축성이 크고 마찰 저항이 작아 기초 지반으로서는 부적당합니다. 모래, 실트, 점토의 백분율에 따라 다음과 같은 명칭을 붙이기도 합니다. 실트질 점토, 실트질 롬(loam), 실트질 점토롬
홀로 선 큰 나무는 사면 붕괴를 초래할 수 있다
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초화류 파종이나 식목 등을 통해 사면을 보호하는 것은 환경적 측면 뿐 아니라 방재적 측면에서도 가장 신뢰할만한 공법임에 틀림없습니다. 수년, 수십 년이 지나면 주변 식물의 천이까지 더해져 자연사면과 구별하기 어려워져 자연스러운 경관을 조성하고 침식이나 슬라이딩을 방지하는데 큰 역할을 합니다.
이처럼 식물의 뿌리의 발달이 침식·동상·탈락 등의 방지에 도움을 주지만 사면의 경사가 급하거나 연약지반인 경우 큰 나무들이 오히려 위험요인이 될 수도 있습니다. 나무가 성장하면서 자기 하중이 너무 커지면 전도가능성이 생기고, 줄기나 뿌리의 생장이 절리를 진행시키거나 사면 보호공을 파괴하는 경우가 종종 발생합니다.
주변을 오히려 척박하게 할 수 있는 아카시아나무나 너무 급속하게 자라는 오동나무 등은 사면에 식목할 경우 심기 전에 미래를 예상해 보고 신중을 기할 필요가 있습니다. 무조건 배척할 필요는 없지만 주변에 설치한 보호공에 영향을 미칠지, 사면 또는 암반에 절리를 일으킬 가능성은 없는지 확인할 필요가 있습니다.
벌채한 사면을 5년 이상 방치하면 붕괴를 부른다
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수목을 벌채한 사면이나 산불 또는 개발 중단으로 방치된 사면은 붕괴 위험이 높습니다.
벌채 직후는 안정되어 보이지만 5년 정도 경과하면 남아있는 뿌리는 썩어들어가 지반 토사에 공극이 생기고, 식물을 통한 수분 흡수가 안되어 슬라이딩 위험에 놓이게 됩니다. 사면에 수목을 벌채했다는 건 설치해놓은 락볼트나 쏘일네일링을 뽑아버린거와 같습니다. 시간이 경과하면서 새로운 수목으로 대체해 주지 못한 사면은 붕괴 위험에 노출되게 됩니다.
사면의 슬라이딩 현상과 안전율
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자연사면이건 성토사면이건 붕괴현장을 관찰하면 일정한 면에서 파괴가 일어나는 것을 알 수 있습니다. 상부에 있는 흙이 미끄러지듯이 파괴되므로 '미끄러짐' 또는 슬라이딩이라 표현합니다. 사면의 안정을 검토하기 위해서는 여러가지 미끄러짐 면을 가정하여 그때의 안전율(Fs)을 구합니다. 안전율은 미끄러짐 면에서의 흙의 저항력이 미끄러짐면보다 위에 있기 때문에 붕괴하려는 토괴의 중량에 대해 충분히 견딜 수 있는지를 검토한 것입니다.
안전율이 1보다 작으면 사면은 미끄러져 붕괴됩니다. 안전율 1에서도 균형을 유지하지만 여러 가정에 따른 오차와 토질정수의 실험 오차를 생각하면 안전율 1의 사면은 불안한 사면입니다. 일반적으로 성토사면의 안전기준은 Fs=1.0~1.2에서 안전에 의문이 들고, 1.3~1.4 정도면 안전하다 평가합니다. 또 1.5 정도 이상이면 Earth dam(흙댐)의 경우에도 안전하다고 평가합니다. Earth dam의 안전율은 담수 중에 급강하므로 1.5의 안전율을 지켜야 합니다. 위험하다고 판정될 때에는 사면경사를 완만하게 하거나 재료의 강도를 높이는 등의 조치가 필요합니다.
자연사면의 경우 붕괴의 주요원인은 강우 등에 의한 토괴의 중량 증가입니다. 토괴의 중량이 증가하면 슬라이딩 붕괴 위험이 증가합니다. 미끄러짐으로부터 저항하려는 흙은 간극 내에 강우가 흘러들어 간극수압이 상승하고 강도가 저하됩니다. 마침내 미끄러지려는 힘이 늘어나 미끄러짐에 저항하려는 마찰력이 감소하면 사면의 안전율은 따라 저하됩니다. 강우 뿐 아니라 사면의 상부에 하중이 가해지거나 사면의 하부가 잘리거나 하면 안전율이 저하합니다.
경사면의 안정식 중 가장 널리 이용되고 있는 것이 '스웨덴식 해법'인데, 분할법 또는 스웨덴식 슬라이스법이라고도 합니다. 이 개념은 미끄러지는 경계면을 원호라 가정하고 토괴 ABC를 수직으로 가늘고 긴 띠 모양의 절편으로 나누어 각 절편의 중량 W의 슬라이드면에 있어서의 평형을 생각합니다. 각 절편과 인접 절편의 사이에서 작용하는 힘은 전체의 평형을 고려할 때 상쇄되는 것으로 보고 무시합니다. φ는 전단 저항각이라 하고, C는 점착력, W를 면에 수직한 힘 N과 슬라이드면 방향의 힘 T로 나누면 미끄러짐에 대한 저항력의 모멘트는 각 절편에 있어서의 그것들의 합이며, ΣR(CΔS＋Ntanφ)＝R(CS＋ tanφΣN) 로 됩니다.
슬라이드를 일으키는 힘의 모멘트는 각 절편의 T에 모멘트의 팔 R를 곱한 것이며, RΣT로 됩니다. 따라서 S＝Rθ 이며, 안전율 Fs는 위 그림으로 해석합니다.