암반사면 붕괴 및 안정대책

왜 배우는가: 암반사면 붕괴는 도로·철도 절토와 대규모 굴착에서 인명·재산 피해로 직결되며, 붕괴 형태를 구분하고 그에 맞는 대책을 고르는 능력이 실무와 시험 모두에서 반복해서 요구된다. 평면·쐐기·전도 파괴처럼 불연속면 방향과 사면 방향의 관계로 형태가 갈리므로 기본 개념을 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제115회 3교시 6번, 제98회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

암반사면 붕괴는 암반 내 불연속면의 방향·전단강도와 사면 기하가 맞물려 활동력이 저항력을 넘을 때 발생하는 사면 파괴이다.

핵심 키워드

• 불연속면: 암반 내 절리, 층리, 단층 등 전단강도가 암괴보다 낮은 면
• 평면파괴(Planar failure): 한 개의 불연속면을 따라 미끄러지는 파괴
• 쐐기파괴(Wedge failure): 두 불연속면의 교선을 따라 미끄러지는 파괴
• 전도파괴(Toppling failure): 급경사 암주가 하단 모서리를 축으로 넘어지는 파괴
• 안전율(Factor of Safety): 전단강도와 요구 전단응력의 비, 1.0 미만이면 불안정
• 한계평형해석: 활동 면에서 저항 모멘트와 활동 모멘트를 비교하는 해석법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 암반 사면이 무너지는 까닭은 암석 자체보다 암석 사이의 틈에서 먼저 미끄러지기 때문이다. 틈의 방향과 사면의 방향이 맞으면 틈을 따라 덩어리가 떨어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 암반사면 붕괴(Rock slope failure)는 암반 사면을 구성하는 암괴가 불연속면을 따라 활동하여 사면의 안정 상태가 깨지는 현상이다. 사면안정(Slope stability)은 이 활동에 대한 저항력이 활동력보다 큰 상태를 뜻하며, 그 척도가 안전율이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

불연속면은 암반에서 강도가 가장 약한 면이 되기 쉽다. 전단강도가 암괴 자체보다 현저히 낮아서 사면 파괴를 지배한다. 불연속면의 마찰각과 점착력이 작을수록 파괴 가능성이 커진다.

쐐기파괴는 두 불연속면이 사면과 만나 쐐기형 암괴를 만들 때 생긴다. 두 면의 교선이 사면면과 같은 방향으로 내려가며, 교선의 경사가 사면경사보다 작고 마찰각보다 클 때 활동 조건이 성립한다.

전도파괴는 사면과 거의 평행한 급경사 불연속면이 있을 때 생긴다. 암주가 하단 모서리를 중심으로 넘어지며, 수평 방향 중량 모멘트가 수직 방향 중량 모멘트를 넘으면 전도가 일어난다.

안전율은 한계평형해석의 결과값이다. 전단저항을 요구 전단응력으로 나눈 값으로, 일반 사면에는 안전율 1.5 이상을 기준으로 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

암반 사면은 흙 사면과 달리 불연속면이라는 약한 면이 불규칙하게 분포한다. 흙 사면은 원호 활동면을 가정하는 방법으로 안정을 검토할 수 있으나, 암반에서는 파괴면이 불연속면의 방향에 의해 정해진다. 그래서 불연속면의 방향과 강도를 조사하는 것이 출발점이 된다.

도로와 철도가 산지를 통과하면서 대규모 절토 사면이 늘어났다. 절토는 사면의 응력 상태를 바꾸고, 불연속면을 노출시키며, 풍화를 촉진한다. 그 결과 시공 후 일정 기간이 지나 낙석이나 붕괴가 나타나는 사례가 많다. 이 때문에 굴착 전 지질조사와 절토 설계 단계에서 붕괴 형태를 미리 가려내는 것이 중요해졌다.

또한 암반 사면 붕괴는 강우와 지하수에 민감하다. 불연속면 내 수압이 높아지면 유효응력이 줄어 전단강도가 떨어지고, 그 결과 활동력이 저항력을 넘기 쉬워진다. 따라서 붕괴 원인을 지질적 요인과 수리적 요인으로 나누어 파악하는 체계가 필요하게 되었다.

절토사면 안전율 1.5 이상을 기준으로 안정성을 검토하는 것이 일반적이며, 이 기준을 확보하기 위한 공법 선정의 근거가 된다.

다음 도식은 붕괴 형태를 불연속면 방향 관계로 나눈 체계이다.

4. 구성요소·원리·절차

암반사면 붕괴는 사면을 이루는 암반 불연속면의 기하와 전단강도가 결정한다. 사면 안정은 활동력(중력에 의한 미끄럼 힘)과 저항력(불연속면 전단강도, 암괴 자중에 의한 마찰)의 비로 판단하며, 이 비를 안전율이라 한다. 안전율이 1.0 미만이면 사면은 불안정하다고 본다.

암반사면 안정은 불연속면의 방향과 마찰각이 사면 경사와 맞물리는 관계로 결정된다.

표의 구성요소는 서로 독립이 아니다. 불연속면의 전단강도는 충전물과 수압에 크게 좌우되므로, 대책은 불연속면 특성과 수리 조건을 함께 다루어야 한다.

암반사면의 붕괴형태는 불연속면 방향에 따라 결정된다. 평면파괴(Planar failure)는 단일 불연속면을 따라 미끄러지는 형태다. 쐐기파괴(Wedge failure)는 두 불연속면의 교선을 따라 미끄러지는 형태다. 전도파괴(Toppling failure)는 급경사 불연속면이 있는 기둥형 암괴가 하단 모서리를 축으로 넘어지는 형태다. 이 세 가지는 방향 의존형이다. 원형파괴(Circular failure)는 풍화된 토사성 암반이나 불연속면이 발달하지 않은 암반에서 나타나는 방향 비의존형이다.

평면파괴의 발생 조건은 다음과 같다. 불연속면의 경사 방향이 사면과 거의 같고(약 20° 이내), 불연속면 경사각이 사면 경사보다 작지만 마찰각보다는 커야 한다. 쐐기파괴는 두 면의 교선이 사면 경사 방향으로 침하하고, 교선의 침하각이 사면 경사보다 작고 마찰각보다 커야 한다. 전도파괴는 급경사 불연속면이 사면과 거의 평행(약 30° 이내)하고 사면 안쪽으로 기울 때 일어난다.

절차는 다음과 같다.

• 현장조사로 불연속면의 방향, 간격, 연속성, 충전물, 지하수 상태를 측정한다.
• 불연속면 방향 자료로 운동학적 해석을 하여 평면·쐐기·전도 파괴 가능성을 판별한다.
• 불연속면 전단강도와 암괴 자중으로 한계평형해석을 하여 안전율을 구한다.
• 안전율이 목표치 미달이면 사면 경사 완화 또는 보강·보호공법을 선정한다.
• 시공 중 계측으로 변위와 지하수위를 확인하고 설계를 보정한다.

한계평형해석의 안전율은 다음 식으로 구한다.

$F_s = \frac{\tau_f}{\tau_d}$

여기서 F_s는 안전율(무차원), \tau_f는 활동면의 전단강도(kPa), \tau_d는 평형에 필요한 전단응력(kPa)이다. 평면파괴에서 불연속면 마찰저항은 \tau_f = c + (W\cos\psi - U - V\sin\psi)\tan\phi 형태로 쓰며, 여기서 W는 암괴 자중, \psi는 활동면 경사, U는 활동면 수압 합력, V는 인장균열 수압, \phi는 마찰각이다.

5. 관련 법령·기준·표준

암반사면 설계와 시공은 건설 분야의 설계기준과 시방서에 따른다. 법령으로는 「건설기술 진흥법」과 「산업안전보건법」이 적용되며, 굴착 사면의 안전 관리는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 굴착 작업 규정을 따른다. 설계 기준은 국토교통부의 KDS(설계기준) 체계, 시공은 KCS(표준시방서) 체계에 속한다. 세부 조항 번호는 확인된 것만 쓴다.

암반 사면 설계에서 자주 쓰는 기준 수치는 다음과 같다.

위 안전율은 일반적인 설계 기준값이다. 적용 기준은 발주처 기준과 설계 조건에 맞춰 결정한다.

안전율 기준은 사면의 중요도와 하중 조건에 따라 달라진다. 영구 사면은 정상 상태 기준을, 시공 중 또는 지진 조건은 일시 기준을 적용한다. 암반 사면의 보강과 보호 설계는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 굴착 안전 규정과 함께 검토한다.

안전율 1.0 미만이면 사면 불안정으로 판단한다.

6. 유형과 비교

암반사면의 붕괴는 암반 불연속면의 방향과 강도가 사면 경사와 어떻게 맞물리는지에 따라 형태가 정해진다. 먼저 불연속면과 사면의 기하 관계를 기준으로 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴, 원호파괴로 나눠 비교한다.