대절토 사면붕괴

왜 배우는가: 대절토 사면은 도로·철도 건설에서 가장 자주 붕괴가 발생하는 대상이며, 집중호우와 지질 조건이 겹치면 사면 형태가 달라져 원인 분석과 대책 선정이 함께 요구된다. 기술사 시험에서는 붕괴 형태 예측, 설계·시공 원인 구분, 보강대책 설명이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제109회 3교시 4번, 제96회 2교시 6번, 제94회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

대절토 사면붕괴는 깎기로 노출된 사면의 흙 또는 암반이 중력과 수압의 작용으로 안정 한계를 넘어 활동·붕락·유동하는 현상이다.

• 사면붕괴, 안전율, 전단강도, 전단응력, 간극수압, 불연속면, 지표수 침투, 억지공

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 산을 깎아 만든 비탈이 무너지는 현상이다. 깎기로 흙과 암반의 지지 부분이 사라지면 비탈 자체의 무게가 아래 방향 힘이 되고, 비에 젖은 지반은 버티는 힘이 줄어든다. 두 힘의 차이가 사면붕괴의 원인이 된다.

정식으로는 사면의 안전율을 전단강도와 전단응력의 비로 정의한다.

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

여기서 F_s는 안전율(무차원), \tau_f는 활동면의 전단강도(kPa), \tau는 활동면에 작용하는 전단응력(kPa)이다. 전단응력이 커지거나 전단강도가 작아지면 안전율은 감소한다. 두 변화가 동시에 일어나면 안전율은 크게 떨어지고 붕괴 위험이 커진다.

붕괴 형태는 크게 세 가지로 나눈다. 붕락(Fall)은 연직에 가까운 비탈의 일부가 낙하하는 것으로, 떨어지는 덩어리와 비탈 사이에 전단변위가 거의 없고 낙하 속도가 빠르다. 활동(Slide)은 활동체와 활동면 사이에 전단변형이 집중되어 덩어리가 미끄러지는 것이다. 유동(Flow)은 흙이 물과 섞여 점성 유체처럼 흐르는 것이다.

토사사면과 암반사면은 파괴 기구가 다르다. 토사사면은 원호 활동이 주로 나타나고, 암반사면은 불연속면의 방향과 마찰각에 따라 평면파괴·쐐기파괴·전도파괴가 나타난다. 대절토에서는 이 두 가지가 같은 사면에 함께 나타나기도 한다.

3. 등장 배경과 필요성

국토 개발로 깎기 높이가 커지면서 대절토 사면이 늘었다. 깎기 면은 응력이 풀린 상태라 절리가 벌어지고 풍화가 빠르게 진행된다. 장마철 집중호우는 간극수압을 높여 안전율을 급격히 낮추므로, 강우 후 사면붕괴가 집중되는 것이 현장의 일반적인 양상이다.

집중호우 시 붕괴가 일어나는 이유는 지하수 침투에 있다. 투수성이 큰 흙이 불투수성 지층 위에 있으면 물이 상부에 갇혀 간극수압이 올라간다. 이때 부력이 작용해 저항력이 줄고, 지하수 흐름이 사면을 밀어내는 수리적 힘도 더해진다. 셰일처럼 불투수성 암층 위에 사암이 놓인 구조에서도 수직 절리와 층리면을 따라 수압이 발생해 활동이 촉진된다.

따라서 사면붕괴 대책은 지표수와 지하수 제어, 사면 형상 완화, 억지공과 억제공의 조합을 기본으로 한다. 붕괴 형태와 원인을 먼저 구분해야 적절한 대책을 고를 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

대절토 사면붕괴는 사면을 구성하는 토사층, 풍화암층, 기반암과 그 사이의 지하수, 불연속면이 함께 작용해 일어난다. 사면의 안전율은 전단강도와 전단응력의 비로 정의되며, 전단응력이 커지거나 전단강도가 작아지면 안전율이 감소한다.

사면 붕괴는 전단응력의 증가와 전단강도의 감소가 동시에 일어날 때 급격히 진행된다.