The Journal of Engineering Geology. March 2019. 23-35
https://doi.org/10.9720/kseg.2019.1.023


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역의 지질조건

  • 시료와 시험

  •   시 료

  •   시 험

  • 결과 및 분석

  •   토질분류

  •   물성특성

  •   간극률과 단위중량

  •   전단강도

  •   투수계수

  • 요약 및 결론

서 론

자연사면에서 암반층 위에 존재하는 토층지반은 대부분 기반암의 풍화현상에 의해 형성된 것으로서 지질조건과 풍화정도에 따라 물성과 공학특성이 달라진다(Hutchinson, 1988). 그리고 토층지반은 기반암 상부의 풍화잔류토, 퇴적물질과 일부 풍화암편으로 이루어져 있으며 암석풍화에 의하여 생성되므로 암석을 구성하고 있는 광물성분에 따라 토질특성이 다르게 나타난다(Kim et al., 1998; Kim et al., 2000). 우리나라의 경우 자연사면의 토층지반에서 발생되는 산사태들은 대부분 여름철 집중호우로 인해 발생되고 있다. 산사태는 활동, 전도, 확산, 흐름 형태로 다양하게 나타나며, 국내 얕은 토양심도(shallow soil depth)를 가진 풍화토지반에서는 강우시 고유동성(high mobility)을 가진 토석류형태(debris flow type)로 발전되는 사례가 빈번하다. 토석류산사태가 발생되면 강우와 토층물질이 뒤섞인 사태물질들이 매우 빠른 속도로 사면하부로 쓸려 내림으로써 하부지역에 위치한 인간생활권역에 큰 피해를 초래한다.

2011년 7월 서울도심에서 발생된 우면산산사태가 대표적인 예라고 할 수 있는데, 집중호우의 영향으로 자연사면의 토층에서 발생된 전형적인 토석류산사태로서 산사면 하부지역에 위치한 도로나 아파트단지까지 사태물질이 덮쳐서 많은 인명과 재산피해가 초래된 바 있다. 이처럼 자연사면의 토층지반에서 발생되는 고유동성을 가진 산사태는 토질특성과 밀접한 상관성을 가지고 있다. 따라서 자연사면에서의 산사태를 이해하기 위해서는 집중호우와 같은 외적 요인과 함께 지질, 지형 및 토질특성과 같은 내적 요소를 파악하는 것이 무엇보다 중요하다.

국내의 산지들은 지질조건별로 화강암, 편마암, 이암 등 다양한 형태의 풍화토가 존재한다. 이들 모암특성에 따라 산사태 발생특성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 화강암과 편마암은 상대적으로 얕은 심도를 가진 산사태가 토석류형태로 발전가능하다고 본다면, 이암은 상대적으로 깊은 심도의 느리게 움직이는 산사태가 확산형태의 특성을 가진다고 할 수 있다. 또한 토심이 깊거나 지형경사가 높을수록 산사태에 취약함을 알 수 있다.

본 연구에서는 지질조건이 동일한 화강암 풍화토 토층지반을 대상으로 산지별로 토질특성을 비교분석하고자 한다. 연구지역은 대부분이 화강암으로 구성되어 있는 서울지역 산지 3개 지역으로 관악산, 수락산 및 북한산의 자연사면 토층지반을 대상으로 하였다. 연구지역을 중심으로 자연사면 토층지반에서 토질시료를 채취한 후 실내에서 다양한 토질시험을 수행하였다. 그리고 실내시험을 통해 얻어진 토질정수(soil properties)들은 산사태 안정성과 확산성 평가를 위한 수치해석에 사용되는 중요한 지반공학인자들이며 이들 간의 상관성을 분석하고자 한다.

연구지역의 지질조건

연구지역은 화강암으로 구성된 서울지역 관악산, 수락산 및 북한산을 대상으로 하였으며, Fig. 1은 연구지역의 지질도이다.

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Fig. 1.

Geological map of the study area (Lee et al., 1999).

관악산지역은 대부분 쥬라기화강암으로서 회백색의 조립질로 구성되어 있으나, 산정상을 중심으로 남동측과 서측의 일부에는 선캠브리아기 흑운모편마암이 분포하고 있다. 이 지역에는 큰 규모의 암반노두가 잘 발달되어 있는데, 이들은 능선부와 계곡부에서도 잘 관찰되고 있다. 산사면에는 집괴상의 전석이 상당히 넓은 범위에 걸쳐 발달하고 있으며, 전석들은 노두분포지 주변 뿐 아니라 2~3부 능선까지 폭넓게 분포하고 있다. 토층은 전반적으로 1 m 이내의 두께로서 비교적 얕은 깊이로 분포되어 있으며, 일부 계곡부에는 계곡붕적층(valley colluvium)이 소규모적으로 분포되어 있다.

수락산지역은 모두 담홍색의 조립질 화강암으로 이루어져 있다. 이 지역은 대부분 거대한 암반노두들이 폭넓게 분포하고 있기 때문에 토층지반으로 이루어진 사면구역은 상대적으로 좁은 편이라 할 수 있다. 토층은 전반적으로 1 m 이내의 두께로서 비교적 얕은 깊이로 분포되어 있으며, 표토층 바로 아래로는 비교적 신선한 암상들로 구성되어 있다.

한편, 북한산지역은 정상을 기준으로 북서방향 일부의 낮은 구릉지대 일부에만 호상편마암이 발달하고 있을 뿐 대부분 회백색의 조립질 화강암이 분포하고 있다. 이 지역도 관악산 및 북한산 지역과 마찬가지로 토층이 1 m 이내의 두께로서 전체적으로 얕은 깊이로 분포되어 있으며, 표토층 바로 아래로는 비교적 신선한 암상들이 위치하고 있다.

Fig. 2에서 보는 바와 같이 화강암이 분포하고 있는 연구지역은 전체적으로 거대한 암반의 형태로 지표에 노출되어 있을 뿐만 아니라 계곡부까지도 노두를 이루고 있거나 큰 전석층들이 쌓여 있기 때문에 전반적으로 토층의 발달은 미약한 편이다.

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Fig. 2.

Typical characteristics of outcrop and valley colluvium in study area: (a) Outcrop, (b) Valley colluvium.

시료와 시험

시 료

연구지역의 자연사면에 분포한 토층지반의 토질특성을 파악하기 위해 관악산, 수락산 및 북한산 지역의 총 44개 지점으로부터 토질시료를 채취하였다. 시료채취는 산지별로 비교적 일정한 간격과 빈도로 채취함으로써 토질특성이 균등하게 평가될 수 있도록 하였다. 채취한 토질시료는 관악산, 수락산 및 북한산 지역이 각각 17개, 13개 및 14개로 구분된다.

토질시료는 표토를 제거한 후 지표로부터 50 cm 깊이의 토층에서 교란시료와 불교란시료로 구분하여 채취하였다. 불교란시료는 스테인리스로 제작된 지름 10 cm, 높이 5 cm 크기의 원통형몰드를 사용하였다. 투수시험용 불교란시료는 지름 10 cm, 높이 15 cm 크기의 원통형몰드를 사용하였으며, 채취한 토질시료는 현장조건이 최대한 유지되도록 밀봉한 상태로 실험실에 운반하였다. Fig. 3은 원통형몰드를 이용하여 불교란시료를 채취하는 모습을 나타낸 것이다.

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Fig. 3.

Sampling of undisturbed soils.

시 험

토질시험은 물성시험으로서 밀도(density), 함수비(moisture content), 액성한계(liquid limit), 소성한계(plastic limit) 및 입도(grain size) 시험을 실시하고, 입도시험 결과로부터 유효입경(effective diameter; D10), 균등계수(uniformity coefficient; Cu) 및 곡률계수(coefficient of gradation; Cg) 등을 산정하여 토층이 지니고 있는 물성을 파악하였다. 그리고 간극비(void ratio), 간극률(porosity), 포화도(degree of saturation), 단위중량(unit weight), 전단강도(shear strength)와 투수계수(coefficient of permeability)에 대한 실내시험을 수행하였다. 시험은 KSF 시험기준에 따라 실시하였다.

사면의 안정성은 토층을 구성하고 있는 흙의 액성한계나 소성한계와 같은 연경도(soil consistency)에 영향을 받는다. 상대적으로 높은 액성한계값을 가진 토층지반은 강우침투에 따른 습윤정도(wetting)가 높아지며 지반지지력이 저하되고 사면의 불안정성을 야기하게 된다. 한편, 토층지반은 함수비가 액성한계에 달하거나 그보다 크게 될 경우에도 연약한 상태에 이르게 되어 더 쉽게 붕괴될 수 있다. 자연사면의 토층에서 간극 및 밀도의 상태는 간극비, 간극률 및 단위중량으로 나타낼 수 있다. 이들은 조성비 즉, 토층을 구성하고 있는 흙입자의 분포양상에 따라 크게 달라지며, 조성비 못지않게 토층이 얼마나 느슨하고 조밀한가 하는 밀도의 양상과도 밀접한 관계를 갖는다(Kim et al., 2005).

Holtz and Gibbs(1956)는 시험을 통하여 토층지반을 여러 등급으로 분류하고 그 대표적인 전단저항각을 제시한 바 있으며, Darcy(1856)는 시험을 통하여 토층을 여러 등급으로 분류하고 그 등급별 대표적 투수계수를 제시한 바 있다. 또한, Das(1998)에 의하면, 토층의 투수성은 유체의 점성, 입도분포, 간극의 크기 및 비율, 광물입자의 거칠기 및 토층의 포화도 등에 영향을 받는다. 그리고 투수계수는 유효입경, 균등계수, 간극비, 간극률 및 단위중량 등과 상관성이 있기 때문에 이들 요소는 투수계수를 개략적으로 산정하기 위한 경험식들에서 주요 인자로 사용되고 있다. Kim et al.(2005)는 토층에서 간극비와 단위중량, 균등계수와 투수계수는 각각 비교적 높은 상관성을 가지는 물성으로서 상호 반비례적 관계를 갖는다고 보고한 바 있다.

여기서는 모두 화강암질 풍화토층으로 구성되어 있으며 지리적으로도 비교적 인접해 위치한 3개 산지지역을 대상으로 하여 토질특성을 분석하였으며, 산지별 토질특성의 차별성을 파악하고 산사태와 관련이 있는 토질인자들 간의 상관성을 비교분석하였다.

결과 및 분석

3개 지역 총 44개 지점에서 채취한 토질시험결과를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Physical and engineering properties of soils collected in the study areas

Sample No. Gsw (%) LLPL USCS n (%) W (g/cm3) C (kPa) Φ, (o) k (cm/sec)
G-01 2.64 17.76 37.59 23.15 SP-SC 57.08 1.135 7.84 34 2.26E-02
G-02 2.64 21.18 36.47 23.12 SP 45.05 1.451 5.21E-03
G-03 2.65 13.98 36.88 123.15 SW-SC 54.13 1.216 1.11E-02
G-04 2.64 18.34 35.46 21.89 SP-SC 63.90 0.955 3.04 33 1.93E-02
G-05 2.66 11.77 32.48 19.87 SW 53.49 1.235 5.15E-03
G-06 2.64 14.43 38.15 23.46 SP-SC 60.16 1.067 4.02 35 1.67E-02
G-07 2.66 8.58 31.48 19.26 SW 49.75 1.336 9.62E-03
G-08 2.67 9.46 33.11 21.47 SP 48.45 1.381 3.24 39 6.31E-03
G-09 2.64 21.09 37.61 23.08 SP-SC 64.79 0.930 3.04 35 3.75E-02
G-10 2.65 3.77 32.25 21.66 SW 47.09 1.406 1.22E-02
G-11 2.65 12.03 37.88 23.17 SW 57.08 1.138 3.53E-02
G-12 2.65 20.33 31.86 19.85 SW 57.81 1.120 6.96 35 3.22E-02
G-13 2.64 13.51 35.79 27.66 SW-SM 63.64 0.962 2.46E-02
G-14 2.65 6.36 36.44 28.12 SW-SM 57.81 1.118 1.04E-02
G-15 2.65 13.46 36.98 28.08 SW-SM 57.45 1.127 1.57 37 1.11E-02
G-16 2.63 20.36 34.75 26.82 SP-SM 58.85 1.082 2.16 34 1.02E-02
G-17 2.63 22.80 33.99 25.93 SP-SM 57.26 1.125 1.20E-02
S-01 2.62 25.12 30.45 18.92 SP-SC 56.14 1.150 5.00 37 1.58E-02
S-02 2.64 24.61 29.78 19.44 SP-SC 59.18 1.077 8.86E-03
S-03 2.65 12.32 31.47 20.58 SP 48.19 1.372 3.24 35 8.22E-03
S-04 2.63 10.10 28.75 19.73 SP 47.92 1.373 8.97E-03
S-05 2.66 11.11 27.93 18.69 SP 46.24 1.428 5.98E-03
S-06 2.65 12.19 28.59 20.11 SW 43.82 1.486 3.04 35 1.72E-02
S-07 2.65 21.06 28.49 18.63 SW-SC 54.55 1.205 8.31E-03
S-08 2.65 22.79 31.64 19.51 SW 49.49 1.335 3.53E-02
S-09 2.67 14.17 31.16 18.52 SW-SC 49.75 1.339 3.24 35 9.69E-03
S-10 2.65 11.77 29.47 18.53 SW-SC 50.74 1.307 1.57 37 9.17E-03
S-11 2.63 9.44 28.09 18.93 SP 48.72 1.352 1.37E-02
S-12 2.66 19.47 29.16 18.45 SP 55.75 1.176 1.96 37 1.76E-02
S-13 2.63 5.69 31.22 19.86 SP-SC 50.74 1.296 9.42E-03
B-01 2.65 11.84 38.13 27.15 SW 51.69 1.283 2.06 39 4.61E-02
B-02 2.64 18.57 37.59 27.44 SW 49.49 1.333 6.37 36 3.74E-02
B-03 2.64 18.28 36.48 25.59 SW 47.09 1.400 2.92E-02
B-04 2.64 19.81 35.15 21.86 SP-SC 50.74 1.302 6.38E-03
B-05 2.64 16.75 34.49 22.57 SW-SC 41.18 1.554 3.43 34 3.96E-03
B-06 2.66 24.71 37.16 25.82 SP-SM 48.98 1.357 4.71 31 3.95E-03
B-07 2.65 20.09 38.11 27.49 SW-SM 54.13 1.215 8.63 35 1.39E-02
B-08 2.65 9.36 37.44 29.53 SW 48.45 1.365 8.45E-03
B-09 2.63 12.36 31.48 21.15 SP 47.37 1.387 7.45E-03
B-10 2.63 14.70 31.82 19.66 SP-SC 46.52 1.407 5.20 35 3.07E-03
B-11 2.63 17.31 32.45 20.75 SW-SC 49.75 1.320 4.02 36 1.55E-02
B-12 2.65 16.81 34.71 22.69 SP 49.49 1.347 5.98 32 1.42E-02
B-13 2.64 20.61 31.95 22.48 SW 44.44 1.466 4.12 31 5.60E-03
B-14 2.65 19.86 37.85 28.11 SW 46.24 1.422 3.43 39 1.09E-02
Gs, Density; w, Natural moisture content; LL, Liquid limit; PL, Plastic limit; USCS, Unified Soil Classification System; n, Porosity; W, Dry unit weight; C, Cohesion; Φ, Internal friction angle; k, Coefficient of permeability.

토질분류

기초적인 물성시험 결과를 바탕으로 통일분류법(United Soil Classification System)의 규정에 의거 흙을 분류하였다. Fig. 4는 이를 산지별로 구분하여 나타낸 결과이다. 관악산지역은 SW-SC, SW 및 SW-SM가 53% 정도이고 SP-SC, SP 및 SP-SM은 47%이다(Fig. 4a). 수락산지역은 38%정도가 SW-SC와 SW로서 입도가 양호한 모래 및 점토질 모래이고 나머지 62% 정도는 SP-SC 및 SP로서 입도가 불량한 점토질 모래로 구성되어 있다(Fig. 4b). 그리고 북한산지역은 58% 정도가 SW-SC와 SW로서 입도가 양호한 모래 및 점토질 모래이고 21% 정도는 SP-SM과 SP로서 입도가 불량한 모래이거나 실트질 모래지반으로 분류되었다(Fig. 4c). 연구대상지역을 종합적으로 판단할 때 토층지반은 SW-SC, SW, SC 및 SP-SC 등으로 전반적으로 점토질 모래지반이 우세하고 일부는 SW-SM 및 SP-SM으로서 실트질 모래지반으로 분류된다.

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Fig. 4.

Unified Soil Classification System: (a) Gwanaksan, (b) Suraksan and (c) Bukhansan.

물성특성

밀도는 흙입자에 포함된 광물들의 종류와 함수비에 직접적으로 기인되는 고유 물성이다. 함수비는 강수와 지하수 영향에 의한 토층의 수분상태를 나타낸 것으로 시료채취 시기와도 상관되는 물성이다. Fig. 5는 밀도와 함수비 시험결과를 나타낸 것으로, 그림에서와 같이 밀도는 전체적으로는 2.62~2.67 g/cm3의 범위이고 평균 2.65 g/cm3인데, 산지별로 특별히 대비되지 않는 것으로 분석되었다(Fig. 5a). 자연함수비는 3.77~25.12%의 범위로 큰 폭을 가지고 있는 것으로 나타났다. 산지별로는 북한산지역의 토층이 평균 17.2%로서 가장 높고 수락산지역은 15.4%이며, 관악산지역이 14.7%로서 가장 낮은 결과를 나타내었다(Fig. 5b). 평균값은 대략 16%에 해당한다.

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Fig. 5.

Moisture content and density of sampled soils: (a) density and (b) natural moisture content. Note: G=Gwanaksan, S=Suraksan, and B=Bukhansan.

산사태 관점에서 본다면, 낮은 함수비 조건을 가진 불포화토 지반에서 강우로 인한 지반포화 과정을 거치면서 습윤-건조 이력(wetting-drying hysteresis)으로 인한 지반의 상태변화와 함께 산사태를 유발하는 전단면 형성에 어떻게 영향을 미치는지 확인하는 것이 중요할 것이다. 다만, 자연함수비는 시료를 채취한 시점의 포화도를 나타낸 것으로 시료채취 시점에 연동되기 때문에 절대치로서의 비교에 큰 의미가 있는 물성은 아니다.

점토광물에 관한 정보는 X-ray 회절분석법을 통하거나 소성도(plasticity chart)를 통하여 대략적인 점토광물을 판단할 수 있다. 소성도는 액성한계와 소성지수 관계식으로 도시되고 점성토에 포함된 우세한 점토광물을 개략적으로 판단할 수도 있다(Casagrande, 1948; Mitchell, 1976). Fig. 6a는 연구지역 토질시료의 액소성한계시험법에서 얻어진 결과를 바탕으로 소성도에 도시하였다. 시험결과는 산지별 모든 시료가 활성점토인 몬모릴로나이트(montmorillonite) 영역에는 속하지 않는 것으로 나타났으며, 비활성점토인 카올리나이트(kaolinite) 또는 비교적 활성도가 낮은 일라이트(illites)의 경계영역에서 점시되는 것으로 나타났다. 따라서 연구지역 자연사면에서 얻어진 토층시료는 대체적으로 활성도가 낮은 지반으로 평가할 수 있다. 그리고 Fig. 6b는 액성한계를 지역별로 구분하여 나타낸 것으로, 그림에서와 같이 전체적으로는 평균 33%이고, 관악산지역과 북한산지역은 평균 35.3% 및 34.2%로서 비교적 유사한 경향성을 보인 반면, 수락산지역은 30.4%로서 다소 낮은 결과치를 나타내었다.

입도분포는 다른 지역과 비교하여 퇴적물이 쌓인 과정이나 역사를 추정할 수 있으며, 흙의 조직에 의한 물성을 파악하는데 이용되는 매우 중요한 토질특성이다. 토질시료는 자갈, 모래, 실트 및 점토 크기 입자들로 구성되고 입도분포곡선, 유효입경, 균등계수와 곡률계수 등 기본적인 토질인자를 결정한다.

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Fig. 6.

Plasticity chart and soil consistency: (a) plasticity chart and (b) liquid limits.

Fig. 7은 입도분석을 통하여 자갈, 모래, 실트 및 점토 등 토층의 입자크기별 함유량을 조립질(모래∼자갈)과 세립질(실트∼점토)로 구분하여 산지별로 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 조립질은 88∼98%의 범위로서 평균 95%의 함유비율을 가지며, 세립질은 2∼12%의 범위로서 평균 5.3%의 함유비율을 가짐으로써 대부분 자갈이나 모래인 조립자들의 구성비가 높고 실트나 점토인 세립자들의 함유비율은 낮은 것으로 나타났다. 산지별로는 두드러진 특징이 관찰되지는 않으나, 평균치로 기준하였을 때 북한산과 수락산은 조립질 함유비율이 95.6%와 95.2%로서 관악산의 93.7%에 비해 조립질이 우세하며, 상대적으로 관악산지역은 다른 두 지역에 비해 세립질의 함유비율이 더 높은 것으로 분석되었다.

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Fig. 7.

Grain sizes: (a) coarse-grained soils and (b) fine-grained soils.

간극률과 단위중량

Fig. 8은 간극률 및 건조단위중량 시험결과 평균치를 산지별로 구분하여 나타낸 것이다. 간극률은 간극의 체적에 대한 흙 전체적의 비를 백분율한 것으로 정의된다(n = Vv/V×100). 흙입자들의 구조와 배열상태에 기인되는 간극률은 평균치를 기준으로 하였을 때 관악산지역의 토층이 56.10%로서 가장 크고, 수락산지역과 북한산지역의 50.86%와 48.25%의 순으로 작게 나타났다(Fig. 8a). 지역별 최대 차이는 7.9%로 나타났다. 이에 반해 단위중량은 간극률과는 반대적으로 평균치를 기준하였을 때 관악산지역의 토층이 1.164 g/cm3로서 가장 작고, 수락산지역과 북한산지역이 각각 1.300 g/cm3 및 1.368 g/cm3의 순으로 크게 나타남으로써 동일한 지질조건인 토층지반인 경우 간극률과 단위중량은 서로 반비례적인 관계임을 알 수 있다(Fig. 8b). 그리고 동일한 지질조건인 토층지반에서 간극률은 크고 단위중량이 작으면 느슨한 지반상태이고, 간극률은 작고 단위중량이 크면 조밀한 지반상태를 의미한다. 이러한 기준으로 볼 때 관악산지역의 토층지반이 가장 느슨한 상태의 토층지반이고, 북한산지역이 가장 조밀한 토층지반으로 분류할 수 있다. 이와 같은 결과는 습윤단위중량 및 포화단위중량에서도 거의 유사한 경향성을 보인다.

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Fig. 8.

Porosity and dry unit weight: (a) porosity and (b) dry unit weight.

Kim (2001)은 습윤단위중량, 포화단위중량 및 건조단위중량은 상호간 매우 밀접한 관련성이 있는 물성으로 정비례적 관계에 있으며, 이들 단위중량은 간극률과 상호 반비례적 관계에 있음을 보고하였다. Fig. 9는 산지별 토질시료에 대한 시험결과 간극률과 건조단위중량의 상관관계로 나타낸 것이다. 3개 산지에서 얻어진 간극률은 건조단위중량과 서로 반비례적인 관계에 있으며, 관계식은 n=-37.5×γd+99.7이다.

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Fig. 9.

Relationship between porosity and dry unit weight.

전단강도

직접전단시험법에 의한 전단시험결과 점착력(cohesion)은 1.57~8.63 kPa의 범위로서 평균은 4.1 kPa이고, 내부마찰각은 31~39°의 범위로서 평균 35°로 나타났다. 이는 Holtz and Gibbs (1956)에 의하면 대체로 다짐도가 중간정도인 모래질지반에 해당한다. 특히, 실트와 점토를 함유한 혼합토이지만 점착력은 대체적으로 적은 편에 속한다.

Fig. 10은 전단시험결과에 의한 점착력과 내부마찰각의 평균치를 산지별로 구분하여 나타낸 것이다. Fig. 10a에서 보는 바와 같이 점착력은 북한산지역의 토층이 4.80 kPa로서 가장 크고 관악산지역과 수락산지역의 토층이 각각 3.98 kPa 및 3.01 kPa 순으로 작게 나타났다. 평균값은 대략 4 kPa로 나타났다. 한편, Fig. 10b에서 보는 바와 같이 내부마찰각은 점착력과는 다르게 북한산지역의 토층이 34.8°로 가장 작고 관악산지역과 수락산지역의 토층이 각각 35.3° 및 36.0° 순으로 나타났다. 다만, 산지별 토층지반의 내부마찰각 평균값은 대략 35°로 점착력에 비해 그 차이가 극히 미미한 것으로 나타났다.

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Fig. 10.

Mechanical properties of granite soils: (a) cohesion and (b) internal friction angle.

투수계수

변수위투수시험법에 의한 투수시험결과 투수계수는 3.1×10-3~4.6×10-2 cm/sec의 범위이고 평균 1.49×10-2 cm/sec인 것으로 나타났다. 이는 Darcy (1856)에 의하면 대부분 세립질 모래~점토질 실트에서 얻어진 투수계수에 해당하며, 연구지역 토층지반의 투수성은 보통에서 빠른 정도의 지반조건에 해당한다. 산사태 관점에서 비추어 볼 때, 조립토를 다량 함유하고 점토비중이 작은 지반에서는 높은 강우강도 조건에서 투수계수가 클 수밖에 없다. 특히 빠른 강우침투는 얕은 토심(soil thickness)을 전부 또는 일부를 포화시킴과 동시에 토층지반에 형성된 유선망을 통하여 쉽게 토층과 암반의 경계부(산사태발생면)까지 도달할 수 있을 것이다. 이런 이유로 조립토 위주의 자연사면 토층사면은 강우에 취약하고 사면을 불안정하게 만드는 전제조건으로 작용될 수 있다.

Fig. 11은 투수시험결과에 의한 투수계수 평균치를 산지별로 구분하여 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 투수계수는 평균치를 기준으로 할 경우 관악산지역이 1.656×10-2 cm/sec로서 가장 크고 북한산지역 및 수락산지역이 각각 1.472×10-2 cm/sec 및 1.294×10-2 cm/sec 순으로 작게 나타났다. 지역별로 얻어진 값들 간의 차이가 크지 않기 때문에 투수계수 자체만을 가지고 사면의 안정성을 판단하기는 힘들다. 투수계수와 강우에 따른 지반투수성의 관점으로 본다면, 집중호우가 발생될 경우 동일한 지질조건에서 토층심도가 얕게 분포되어 있는 토층사면은 빠른 침투에 의하여 불안정성이 증가할 수 있다. 그리고 투수계수 특성만을 고려한다면, 관악산지역의 토층지반은 북한산지역과 수락산지역에 비해 집중호우 발생시 상대적으로 산사태 발생가능성이 더 높은 것으로 예측할 수 있다. 하지만, 하나의 토질인자만으로 사면의 안정성을 판단할 수 없으며 다른 지반공학정수들과 함께 연동하여 살펴보아야 할 것이다.

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Fig. 11.

Mechanical properties of granite soils: permeability.

토층지반의 주요 물성특성인 유효입경, 균등계수, 간극비, 간극률 및 단위중량 등은 투수계수를 경험적으로 결정할 수 있는 주요 인자로 간주된다(Hazen, 1930; Amer and Awad, 1974; Samarasinghe et al., 1982). 또한 Kim et al. (2005)는 투수계수는 균등계수와 비교적 높은 상관성을 가지는 물성으로 반비례관계를 갖는다고 보고한 바 있다. 그리고 본 연구를 통해서도 투수계수를 균등계수와 유효입경의 함수로 정의하여 분석하였다.

Fig. 12는 연구지역 토층시료의 시험결과에서 투수계수를 균등계수와 유효입경의 함수로 나타낸 것이다. 투수계수는 균등계수와 반비례적인 관계에 있으며 균등계수가 크면 투수계수가 작고 균등계수가 작으면 투수계수가 크게 나타났으며(Fig. 12a), 투수계수는 유효입경과 지수함수 형태로 나타낼 수 있다(Fig. 12b). 유효입경이 대략 0.5 mm 미만에 집중되어 있기는 하지만 유효입경이 클수록 투수계수도 커지는 비례적인 관계인 것은 분명해 보인다. 특히, 투수계수와 균등계수 관계식은 산지별로 다소 차이를 보이는 반면, 투수계수와 유효입경 관계식은 산지별로 거의 유사한 경향성을 보였다.

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Fig. 12.

Permeability-uniformity coefficient-effective size relationships: (a) uniformity coefficients and permeability and (b) effective size and permeability.

요약 및 결론

본 연구에서는 화강암 풍화토로 이루어진 서울주변 주요 산지의 자연사면 토층지반을 대상으로 토질시료를 채취하여 실내에서 토질시험을 수행하였다. 그리고 시험결과를 토대로 토층지반의 토질특성을 파악하였으며, 각 산지별로 산사태와 같은 사면안정성에 영향을 미치는 주요 인자를 중심으로 물리・역학적 특성 간 상관성을 분석하였다.

(1) 연구지역의 토층지반은 SW-SC, SW, SC 및 SP-SC 등으로 전반적으로는 점토질 모래지반이 우세하고 일부는 SW-SM 및 SP-SM으로서 실트질 모래지반으로 분류되었으며, 활성도가 비교적 낮은 것으로 나타났다. 모래와 자갈의 함유비율은 대략 95%이며, 실트와 점토의 함유비율은 대략 5%로 나타났다. 따라서 연구지역 자연사면에서의 산사태는 모래를 다량 함유한 토층지반의 공학적 거동으로 예상되며, 이를 바탕으로 산사태 안정성해석과 토석류 확산모델을 선정해야 할 것으로 판단된다.

(2) 밀도는 2.62~2.67 g/cm3의 범위로서 산지별로 특별히 대비되지는 않는다. 자연함수비는 평균 16%이며, 북한산지역의 토층이 평균 17.2%로서 가장 높고 수락산지역은 15.4%, 관악산지역이 14.7%로서 가장 낮은 것으로 나타났다. 반면, 건조단위중량은 관악산지역의 토층이 1.164 g/cm3로서 가장 작고 수락산지역과 북한산지역이 각각 1.300 g/cm3 및 1.368 g/cm3의 순으로 크게 나타났다.

(3) 간극률과 건조단위중량은 반비례관계에 있다. 간극률은 관악산>수락산>북한산 지역 순으로 나타났으며, 건조단위중량은 이와 반대적으로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 관악산지역이 수락산지역과 북한산지역에 비해 상대적으로 느슨한 지반조건을 가진 토층이 분포하고 있는 것으로 평가할 수 있다.

(4) 점착력은 평균 4.1 kPa로 나타났는데, 이는 토층의 다짐도가 중간정도인 모래질지반에 해당하며, 내부마찰각은 평균 35°로서 산지별로 큰 차이가 없었다. 점착력의 경우 북한산지역의 토층이 가장 크고 관악산지역 및 수락산지역의 순으로 작은 반면, 내부마찰각은 북한산지역이 가장 작고 관악산지역 및 수락산지역의 순으로 큰 결과를 보였다.

(5) 투수계수는 3.07×10-3~4.61×10-2 cm/sec 범위로서 세립질 모래~점토질실트 정도의 투수계수에 해당하며, 보통~빠른 정도의 토층지반인 것으로 평가되었다. 지역별로는 관악산지역이 가장 크고 북한산지역 및 수락산지역의 순으로 작게 나타났다.

(6) 투수계수와 균등계수는 상호 반비례적인 관계이고, 투수계수와 유효입경은 비례적 관계로 나타났다. 다만, 균등계수에 대하여 산지별 투수계수 결과값이 상이한 반면, 유효입경은 산지별 그 차이가 작은 것으로 분석되었다. 특히, 투수계수와 유효입경 간 상관관계식을 도출함으로써 현장실무자가 입도분포 정보를 바탕으로 투수계수를 추정하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 “기후변화 적응 산사태 조기경보기술 및 지질환경재해 리스크 제어기술 개발(19-3413)” 과제의 일환으로 수행되었습니다.

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