사면붕괴 원인

왜 배우는가: 사면붕괴는 산사태·절토사면 붕괴 등 현장에서 가장 빈번한 지반재해이며, 원인을 내적·외적으로 나누어 설명하는 능력은 토공 설계와 시공관리의 기본이다. 집중호우형 붕괴, 표준구배 사면 붕괴 등 여러 회차에서 같은 원인 구조가 반복해 출제되므로 한 번 체계를 잡아 두면 세 문항 모두에 응용할 수 있다.

출제 이력: 제129회 1교시 3번, 제95회 3교시 2번, 제91회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사면붕괴는 중력과 흙·암반의 강도 저하 요인이 작용하여 사면을 이루는 흙이나 암석이 아래쪽으로 미끄러지거나 쏟아져 내리는 현상이다. 답안 첫 줄에는 다음과 같이 쓴다.

사면붕괴는 사면을 구성하는 흙·암반의 전단강도가 작용하는 전단응력보다 작아져 활동면을 따라 사면 물질이 이동하는 현상이다.

핵심 키워드

• 전단강도
• 전단응력
• 간극수압
• 안전율
• 내적 원인
• 외적 원인
• 풍화
• 불연속면

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 비탈면의 흙이 자기 무게를 버티는 힘보다 무게가 끌어내리는 힘이 커지면 무너진다. 이 두 힘의 비를 안전율로 나타내며, 안전율이 1.0 아래로 내려가면 붕괴가 일어난다.

정식 정의는 다음과 같다. 사면의 안전율은 활동면을 따라 작용하는 저항력(전단강도)을 활동력(전단응력)으로 나눈 값이다. 이 값이 1보다 작아지는 조건이 되면 사면은 불안정 상태가 된다.

$F_s = \frac{\tau_f}{\tau_d} = \frac{c + (\sigma - u)\tan\phi}{\tau_d}$

여기서 c는 점착력(kPa), \sigma는 활동면의 수직응력(kPa), u는 간극수압(kPa), \phi는 내부마찰각(°), \tau_d는 활동면에 작용하는 전단응력(kPa)이다. 간극수압 u가 커지면 유효응력 (\sigma-u)가 줄어 전단강도가 떨어지므로, 강우가 사면 붕괴의 가장 큰 유발 요인이 되는 이유가 이 식에 있다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 내적 원인: 사면을 이루는 재료 자체의 성질이나 구조에서 생기는 원인으로, 풍화에 따른 강도 저하, 절리·층리·엽리 등 불연속면의 방향과 전단강도, 점토 협재층 같은 약층이 여기에 든다.
• 외적 원인: 사면 외부에서 힘이나 물이 작용해 응력 상태를 바꾸는 원인으로, 강우와 지하수 상승, 지진, 굴착·절토로 인한 하부 지지력 상실, 성토하중 증가 등이 해당한다.
• 간극수압: 흙 입자 사이 물이 갖는 압력으로, 유효응력을 줄이는 방향으로 작용한다.

3. 등장 배경과 필요성

국토 개발로 절토와 성토 사면이 대규모로 늘면서 사면 붕괴가 구조물과 인명 피해로 이어지는 사례가 많아졌다. 사면은 자연 사면과 인공 사면으로 나뉘는데, 인공 사면은 설계 경사보다 가파르게 굴착되거나 배수 처리 없이 조성되는 경우가 많아 위험이 크다.

기후 변화로 집중호우 빈도가 높아지면서 간극수압 상승에 따른 붕괴가 더 자주 나타난다. 같은 사면이라도 건조기에는 안정하다가 장마철에 무너지는 것은 강우로 인해 전단강도가 급격히 떨어지기 때문이다. 이 때문에 현장에서는 붕괴를 사후 복구가 아니라 원인을 나누어 예측하고 예방하는 관점으로 다룬다.

사면붕괴 원인을 내적·외적으로 나누어 이해해야 대책을 선택할 수 있다. 내적 원인에는 재료와 지질 구조 개선 대책이 맞고, 외적 원인에는 배수와 하중 조절 대책이 맞는다. 두 원인이 복합적으로 작용하는 경우가 대부분이므로, 원인 분석 없이 공법부터 고르면 효과가 떨어진다.