서 론
산사태로 인한 피해가 지속적으로 증가하는 원인은 전 지구적인 기후변화에 있다고 할 수 있다. 1912년부터 2010년까지 우리나라의 10년 평균기온과 강수량의 변화를 분석해 보면 평균기온은 1.8도 상승하였으며 강수량은 19% 증가하였다(KIGAM, 2017). 이에 대한 통계분석에서 특이한 점은 여름철 평균 강수량은 증가하지만 비가 내리는 일수는 오히려 감소하고 있다는 것이다. 즉, 여름철 강우 특성은 과거에 비해 강우강도가 강해지고 있으며, 이로 인한 집중호우 빈도(일수)도 증가하는 것이다.
이러한 국지성 집중호우의 증가로 인하여 전국적으로 산사태가 빈번하게 발생되고 있으며, 이에 대한 대표적인 사례가 바로 2011년 7월에 발생된 우면산 산사태이다. 우면산 산사태의 경우 인접한 서초, 남현 및 관악관측소 자료를 분석한 결과 산사태의 발생시점인 오전 8시의 경우 시간당 강우량은 62.5~94.0 mm로 나타났다(KGS, 2011). 한편, 최근 10년간(2007~2016) 산사태 피해면적은 총 2,382 ha이고 인명피해는 총 53명, 피해복구비는 4,533억 원에 달하는 것으로 나타났다.
기존 강우 시 산사태 및 사면붕괴의 발생에 대한 연구는 이론적 해석기법, 수치해석적 방법, 모형실험에 의한 방법, 현장 모니터링에 의한 방법 등 다양하게 진행되어 왔다. 최근에는 실제 현장에서 발생된 산사태 및 사면붕괴의 발생 메카니즘을 분석하기 위하여 다양한 종류의 실내 모형실험이 수행되어 왔다. 국내의 경우 극한강우 조건에서 산사태를 유발시켜 산사태 발생 메커니즘을 규명하고(Chae et al., 2006, 2007) 산사태 발생이후 확산범위를 산정(Song et al., 2007)하는 연구가 진행되었다. 또한 반복 강우 시 모형사면의 침투와 배수에 대한 특성을 고찰하기 위한 연구(Lee et al., 2013)가 수행되었으며, 토층 내 세립토(벤토나이트)의 양에 따른 투수특성을 고찰하기 위하여 특정 강우조건에서 모형실험을 수행하였다(Kim et al., 2016). 국외의 경우 모형실험을 통하여 사면붕괴 발생 시 간극수압의 발현되는 현상을 규명한 연구(Iverson et al., 2000)와 대형 산사태 실험장치를 활용하여 산사태 발생 시 지반 내 다양한 변화를 측정 및 분석한 연구(Moriwaki et al., 2004)가 대표적이다. 그리고 사면의 형상에 따른 산사태 발생 메카니즘을 규명한 연구(Chen et al., 2012)와 강우특성에 따른 지표유출과 토층침식에 관한 연구(Ran et al., 2012)도 있다. 한편 모형실험을 통하여 강우 시 다양한 사면조건에서 사면붕괴 발생형태를 분석한 연구(Acharya et al., 2009; Gallage et al., 2012; Lourenco et al., 2015)도 다수 있다.
본 연구에서는 강우에 따른 지반특성 변화와 사면붕괴 형상을 실험적으로 규명하기 위하여 인공강우장치와 모형토조를 이용한 실내모형실험을 수행하고자 한다. 이를 위하여 균질한 토질을 대상으로 모형실험을 수행하며, 강우침투에 의한 지반특성 변화를 조사하기 위하여 체적함수비를 측정하고자 한다. 이를 통하여 측정된 강우 시 지반 내 체적함수비 변화와 사면의 붕괴양상을 연계하여 분석함으로써 강우 시 지반 내 특성변화와 사면붕괴와의 상관관계를 규명하고자 한다.
모형실험장치 및 실험방법
실험장치 구성
강우 시 사면붕괴 발생특성 및 사면 내 지반특성의 변화를 조사하기 위하여 사면모형실험장치를 이용하여 실험을 수행하였다. Fig. 1은 사면모형실험장치의 개략도를 나타낸 것으로 모형토조, 강우재현장치 및 계측장치로 구분할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 모형토조의 한쪽 면은 사면의 붕괴양상을 관찰하기 위하여 투명한 강화유리로 제작되어 있다. 그리고 강우재현장치는 살수장치, 강우조절장치 및 물탱크로 구성되어 있다. 살수장치의 경우 노즐로 구성되어 있으며, 강우조절장치를 통하여 강우강도의 조절이 가능하다. 또한 강우 시 사면 내 지반특성의 변화를 측정하기 위하여 계측장치를 설치하였다. 계측장치는 TDR센서와 데이터 로거, 컴퓨터로 구성되어 있다. TDR센서는 Decagon사의 5TE를 이용하였으며, 강우 시 토층 내 체적함수비를 측정하기 위한 것이다. TDR센서는 지표면으로부터 일정깊이에 2열로 설치하여 시간에 따른 체적함수비의 변화를 측정한다. 또한 데이터 로거는 Campbell Scientific사의 CR1000M를 활용하였다.
실험방법 및 순서
본 연구에서는 사면모형실험장치를 이용하여 균질한 모래질 사면을 대상으로 사면붕괴 형상 및 토층지반의 특성변화를 관찰하고자 한다. 이때 모형사면은 사면붕괴를 유발하기 위하여 사면경사를 가파르게 조성하였으며, 강우강도를 50 mm/hr로 고정하여 실험을 수행하였다. 본 연구에서 수행된 사면모형실험은 다음과 같은 순서로 진행되었다.
① 주문진 표준사를 건조로에 넣고 105°C에서 24시간 건조시킨 후 공기 중에서 24시간 건조하였다.
② 건조된 시료는 3층으로 구분하여 모형토조에 조성되며, 다짐장비와 고무망치를 이용하여 상대밀도 75%로 조절한다. 먼저 주문진 표준사에 대한 최대 및 최소건조단위중량을 산정하고 이를 토대로 상대밀도 75%에 해당되는 단위중량을 계산한다. 모형토조의 크기를 고려하면 상대밀도 75%에 해당되는 건조 시료의 양을 결정할 수 있으며, 다짐장비 및 고무망치를 이용하여 상대밀도 75%의 모형사면을 조성할 수 있다.
③ TDR 센서는 모형토조에 시료를 조성하면서 함께 설치하며, 토조 바닥면으로부터 10 cm 및 25 cm에 위치시킨다.
④ 강우재현장치를 이용하여 50 mm/hr의 강우강도로 살수한다.
⑤ TDR 센서로 부터 강우에 따른 체적함수비의 변화를 실시간으로 측정한다.
⑥ 실시간으로 사면거동을 촬영하고 시간에 따른 사면의 붕괴형상을 분석한다.
⑦ 사면의 붕괴형상과 측정된 체적함수비를 토대로 강우에 따른 강우침투분포와 사면붕괴에 대한 상관관계를 분석한다.
모형사면 및 지반 특성
모형사면 제원
Fig. 2는 사면모형실험장치의 제원과 센서의 위치를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모형사면은 30°의 경사면에 35°의 사면경사를 갖는 것으로 조성되었다. 강우 시 조성된 사면에서 강우침투 영향을 고찰하고 사면붕괴를 유발시키기 위하여 사면경사를 가파르게 조성하였다. 이때 적용된 강우강도는 50 mm/hr이다. 그리고 토층의 깊이는 모형토조의 크기를 고려하여 35 cm로 선정하였다. 한편 TDR센서는 깊이별로 설치하여 시간에 따른 체적함수비를 측정한다. 센서는 모형토조의 바닥면으로부터 10 cm 및 25 cm 위치에 설치하였다. Fig. 3은 모형토조를 이용한 강우침투 실험의 전경을 나타낸 것이다.
모형지반의 공학적 특성
조밀한 모래지반으로 조성된 사면을 구현하기 위하여 주문진 표준사를 상대밀도 75%로 다져서 모형사면을 형성하였다. 먼저 주문진 표준사는 ASTM D 4254-83 및 ASTM D 4254-83 시험기준에 의거하여 최대 및 최소건조단위중량을 산정하였다. 이를 토대로 상대밀도 75%의 주문진 표준사로 형성된 모형사면을 조성할 수 있다.
주문진 표준사의 물리적 특성을 조사하기 위하여 일련의 토질시험을 수행하였다. Table 1은 주문진 표준사의 물리적 특성을 나타낸 것으로 비중은 2.62이며, 유효입경은 0.42 mm, 균등계수와 곡률계수는 각각 1.5 및 1.0, 통일분류법으로 SP에 해당한다. 한편 Fig. 4는 주문진 표준사의 입도분포곡선을 나타낸 것으로 곡선의 경사가 가파른 것을 알 수 있으며, 이를 통하여 입도분포가 균등함을 알 수 있다.
Table 1.
Engineering properties of Jumoonjin standard sand
모형지반의 불포화 특성
상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 흙-함수특성곡선(SWCC)과 불포화 계수(curve-fitting parameter)를 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치를 활용하였다(Song et al., 2010). 자동 흙-함수특성곡선 시험장치로 부터 측정된 모관흡수력과 간극수량을 토대로 van Genuchten(1980) 모델을 적용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)과 불포화 계수를 산정하였다. Table 2는 상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 건조 및 습윤과정의 불포화 계수를 나타낸 것이다(Song, 2014). 표에 제시된 상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 불포화 계수를 이용하여 흙-함수특성곡선(SWCC)을 나타내었다. Fig. 5는 상대밀도 75%의 주문진 표준사에 대한 흙-함수특성곡선을 나타낸 것이다(Song, 2014).
Table 2.
Curve fitting parameters of Jumoonjin sand for relative density of 75%
| Condition | (kPa-1) | ||||
| = 75% | Drying | 0.393 | 8.553 | 0.883 | 0.995 |
| Wetting | 0.593 | 5.561 | 0.820 | 0.984 | |
모형실험결과 및 분석
Fig. 6은 상대밀도 75%의 조밀한 주문진 표준사로 조성된 사면에 인공강우를 살수하여 붕괴가 발생되는 양상을 시간대별로 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 강우발생 이후 95분 경과시점에서 사면의 선단부에서부터 붕괴가 시작되었다. 이후 지속적인 강우발생으로 인하여 3차례 사면붕괴가 발생되면서 사면의 활동면이 점차 확장되었으며 강우발생 이후 239분 경과시점에서 사면의 붕괴가 최종 완료되었다. 따라서 조밀한 주문진 표준사로 조성된 인공사면의 경우 사면의 선단부에서부터 붕괴가 시작되며, 이후 사면의 정상부로 확장되는 진행성 사면붕괴(retrogressive failure)가 발생되었다. 또한 사면의 붕괴형상은 원호활동(rotational failure)과 유사한 붕괴형태를 보이는 것으로 나타났다.
Fig. 7은 시간에 따른 사면의 붕괴양상을 도식화한 것으로 각 붕괴 단계에서의 활동면을 중첩하여 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 1차 사면붕괴에서부터 4차 사면붕괴까지의 면적보다 마지막 5차 사면붕괴 시 면적이 더 큰 것으로 나타났으며, 이로 인하여 사면 정상부에서의 침하도 발생됨을 알 수 있다. 즉 최종 사면붕괴시점에서 붕괴면적이 급격하게 증가함을 알 수 있다.
Fig. 8은 50 mm/hr의 강우조건에서 주문진 표준사로 조성된 사면 내 체적함수비의 변화를 나타낸 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 강우 시 사면 내 체적함수비의 변화를 조사하기 위하여 2열의 TDR센서를 설치하였다. 그림에서 보는 바와 같이 강우로 인하여 모형사면은 TDR-1, TDR-2, TDR-3 및 TDR-4의 순서로 포화되는 것으로 나타났다. 강우로 인하여 모형사면의 TDR-1 및 TDR-2 위치에서 먼저 포화가 진행되었으며, 이후 TDR-3 위치에서 포화가 되고 TDR-4위치로 포화가 전이됨을 알 수 있다. 강우 시 사면 내 체적함수비의 변화를 토대로 사면 내 포화구간 및 순서를 예측할 수 있다. 강우의 침투로 인한 간극수는 사면경사를 따라 사면의 선단부를 먼저 포화시키고 이후 지속적인 강우로 인하여 포화의 영역이 사면의 선단부로부터 정상부로 확대됨을 알 수 있다.
한편, Fig. 8에서는 강우 시 시간에 따른 사면 내 체적함수비의 변화와 5차례 사면붕괴가 발생된 시점을 함께 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 1차 붕괴는 TDR-1위치에서 포화가 완료되고 TDR-2 및 TDR-3위치에서 체적함수비가 증가하면서 발생되었다. 강우로 인하여 TDR-2 및 TDR-3위치에서 체적함수비가 지속적으로 증가하면서 2차 붕괴 및 3차 붕괴가 발생되었으며, TDR-3위치에서 포화도달 시점에서 4차 붕괴가 발생되었다. 그리고 TDR-4위치에서도 체적함수비가 증가하면서 5차 붕괴가 발생되었다.
Fig. 9는 주문진 표준사로 조성된 사면 내 모관흡수력의 변화를 나타낸 것이다. 사면 내 모관흡수력은 모형실험에서 측정된 체적함수비와 상대밀도 75%의 주문진 표준사를 이용하여 측정된 흙-함수특성곡선(SWCC)을 활용하여 산정할 수 있다. 즉, 주문진 표준사의 흙-함수특성곡선(SWCC)을 산정하기 위하여 활용된 van Genuchten 모델의 체적함수비와 모관흡수력의 상관관계로 부터 모관흡수력을 계산할 수 있다. 그림에서 보는 바와 같이 사면 내 모관흡수력은 시간이 지남에 따라 강우의 침투로 인하여 감소됨을 알 수 있다. 그리고 모관흡수력의 경우 TDR-1 위치에서 TDR-3 위치까지 모두 흙-함수특성곡선(SWCC)에서 공기함입치(AEV)에 도달한 이후에 1차 붕괴가 시작되었으며 4차 붕괴이후에는 TDR-4 위치에서의 모관흡수력도 감소되기 시작하였다. 그리고 TDR-4 위치에서 모관흡수력이 공기함입치(AEV)에 가까워지면서 최종 붕괴가 발생되는 것으로 나타났다.
모형실험결과를 종합하여 분석한 결과 모형사면의 경우 강우의 침투로 인하여 사면의 선단부를 먼저 포화시키고 이후 포화의 영역이 사면의 선단부로부터 정상부로 확대되는 것으로 나타났다. Fig. 10은 모형실험에서 사면의 붕괴형상과 사면 내 체적함수비의 측정결과를 고려하여 사면 내에서의 포화 진행순서를 도식화 한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 사면 내 강우침투로 인하여 지표에서 지중으로, 선단부에서 정상부로 포화가 진행됨을 알 수 있다. 한편, 사면 내 모관흡수력이 흙-함수특성곡선(SWCC)에서 산정된 공기함입치(AEV)에 이르게 되면 사면붕괴가 발생됨을 알 수 있다.
결 론
본 연구에서는 강우에 따른 사면 내 지반특성 변화와 사면붕괴 형상을 실험적으로 규명하기 위하여 인공강우장치와 모형토조를 이용한 실내모형실험을 수행하였다. 이를 위하여 균질한 토질을 대상으로 모형실험을 수행하였으며, 계측장치를 이용하여 강우침투에 의한 사면 내 포화양상을 조사하였다. 이를 토대로 강우 시 사면의 붕괴형상과 사면 내 지반특성 변화를 연계하여 분석하였으며, 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 사면모형실험장치는 모형토조, 강우재현장치 및 계측장치로 구성되어 있으며, 모형사면은 30°의 경사면에 35°의 사면경사로 조성하였고 강우강도는 50 mm/hr를 적용하였다. 토층의 깊이는 모형토조의 크기를 고려하여 35 cm로 선정하고 TDR센서는 깊이별로 설치하여 시간에 따른 지반특성 변화를 고찰하였다.
(2) 강우 시 모형사면은 강우침투로 인하여 지표에서 지중으로, 선단부에서 정상부로 포화가 진행됨을 알 수 있다. 즉, 강우의 침투로 인하여 사면의 선단부가 먼저 포화되고 이후 지속적인 강우로 인하여 포화의 영역이 사면의 선단부로부터 정상부로 확대됨을 알 수 있다.
(3) 모형사면의 붕괴는 사면의 선단부에서부터 붕괴가 시작되어 이후 사면의 정상부로 확장되는 진행성 사면붕괴(retrogressive failure)가 발생되었으며, 최종 사면붕괴시점에서 붕괴면적이 급격하게 증가하였다. 또한 활동면은 원호활동(rotational failure)의 형태로 발생되었다.
(4) 사면 내 모관흡수력이 흙-함수특성곡선(SWCC)에서 산정된 공기함입치(AEV)에 이르게 되면 사면붕괴가 시작되는 것으로 나타났으며, 본 결과는 산사태 모니터링의 관리기준치로 활용될 수 있다.
