암반사면 파괴형태

왜 배우는가: 암반사면은 토사사면과 달리 불연속면의 방향·경사·마찰각 관계로 파괴형태가 결정되므로, 붕괴 유형을 구분하지 못하면 보강 대책과 안정해석이 잘못된다. 평면파괴·쐐기파괴·전도파괴는 기술사 시험에서 반복 출제되는 기본 유형이다.

출제 이력: 제116회 2교시 1번, 제110회 1교시 2번, 제99회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

암반사면 파괴형태는 암반 내 불연속면의 방향과 경사, 마찰각의 상대 관계에 따라 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴, 낙석, 원호파괴 등으로 나뉘는 사면 붕괴의 유형이다.

핵심 키워드: 암반사면, 불연속면, 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴, 낙석, 원호파괴, 운동학적 해석

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 암반사면은 바위가 층이나 틈을 따라 미끄러지거나 쓰러지며 무너지는 사면이다. 흙사면처럼 한 덩어리로 밀리는 것이 아니라, 틈(불연속면)의 위치가 붕괴 모양을 정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 암반사면 파괴형태는 사면면이 두 개 이상의 자유면을 이루는 기하 조건에서, 불연속면의 방향과 간격, 그리고 전단저항 특성에 의해 결정되는 파괴 메커니즘의 분류이다. 암반 사면에서는 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴, 낙석이 주로 나타나며, 이들은 주로 불연속면의 방향과 사면면의 관계로 지배된다. 원호파괴는 풍화가 심한 흙이나 극히 약한 암반, 심하게 절리가 발달한 암반에서 나타난다.

평면파괴(Planar failure)는 하나의 불연속면을 따라 블록이 미끄러지는 파괴다. 불연속면의 경사가 사면경사보다 완만하고, 마찰각보다는 급해야 발생한다.

쐐기파괴(Wedge failure)는 주향이 다른 두 불연속면이 만나 생긴 쐐기형 블록이 두 면을 따라 교선 방향으로 미끄러지는 파괴다. 두 면의 교선이 사면 방향과 가깝게 기울어져야 한다.

전도파괴(Toppling failure)는 사면면과 거의 평행하게 급경사로 발달한 얇은 암주가 하단 모서리를 축으로 회전하며 넘어지는 파괴다. 구동 모멘트가 저항 모멘트를 넘으면 발생한다.

운동학적 해석(Kinematic analysis)은 불연속면의 방향 자료를 입체투영으로 옮겨 파괴가 가능한 방향을 먼저 걸러내는 방법이다. 이후 한계평형 해석으로 안전율을 계산한다.

3. 등장 배경과 필요성

암반은 흙과 달리 불연속면이 많아 강도가 방향에 따라 달라진다. 흙사면처럼 임의의 원호면을 가정하면 실제 붕괴 형태를 설명하지 못한다. 그래서 1960~1970년대에 불연속면의 방향 조건과 마찰각을 이용한 파괴 조건식과 입체투영 기법이 정리되었다. 이 방법이 현재 암반사면 안정 평가의 출발점이다.

사면 굴착이 늘고 도로·철도의 절토 높이가 커지면서 암반사면의 붕괴 사고가 잦아졌다. 파괴형태를 미리 구분하면 조사 항목(방향, 간격, 연속성, 충전물)을 정하고 보강공법(록볼트, 앵커, 배수, 낙석방지망)을 선택하는 근거가 된다. 따라서 시험에서는 파괴형태의 정의, 조건, 해석법, 대책을 연결해서 묻는다.

파괴형태의 성립 조건은 기하 관계이므로, 사면의 경사각과 불연속면의 경사각, 그리고 마찰각 세 값의 대소 비교가 가장 중요하다. 예를 들어 평면파괴는 불연속면 경사가 사면경사보다 작아야 하고(사면경사보다 완만, 노출 조건 Daylight), 불연속면 경사가 마찰각보다 커야 한다(마찰각보다 급경사). 방향 조건은 사면면과 활동면의 주향이 거의 평행해야 한다. 쐐기파괴는 두 면 교선의 침하각이 사면경사보다 작고 마찰각보다 커야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

암반사면 파괴는 사면면(slope face)과 불연속면의 기하 관계로 결정된다. 파괴형태별로 구성요소와 작용하는 힘이 다르므로 먼저 구성요소를 구분하고 원리를 본다.

사면 파괴는 자유면이 두 개 이상 생길 때 일어난다. 사면면이 그 조건을 만든다. 파괴형태는 불연속면이 사면면과 이루는 방향 관계로 정해진다. 평면파괴는 단일 불연속면이, 쐐기파괴는 두 불연속면의 교선이, 전도파괴는 급경사 불연속면이 지배한다. 원호파괴는 토사나 심하게 파쇄된 암반에서 불연속면과 무관하게 일어난다.

파괴형태는 불연속면의 방향과 사면면의 방향 관계가 결정한다

평면파괴(Planar failure)의 원리는 다음과 같다. 불연속면의 경사각이 사면경사보다 완만해야 활동면이 사면 앞으로 드러난다(Daylight 조건). 또 경사각이 마찰각보다 커야 활동이 일어난다. 두 조건을 모두 만족하면 활동력이 저항력을 넘는다.

$F_s = \frac{c\,A + (W\cos\psi_p - U - V\sin\psi_p)\tan\phi}{W\sin\psi_p + V\cos\psi_p}$

여기서 F_s는 안전율, c는 활동면 점착력(kPa), A는 활동면 면적(m²), W는 블록 중량(kN/m), \psi_p는 활동면 경사각(°), U는 활동면 수압 합력(kN/m), V는 인장균열의 수압(kN/m), \phi는 활동면 마찰각(°)이다.

쐐기파괴(Wedge failure)의 원리는 다음과 같다. 두 불연속면의 교선(line of intersection)이 사면면과 같은 방향으로 내려가야 한다. 교선의 침하각(plunge)은 사면경사보다 작아야 하고 마찰각보다 커야 한다. 해석은 두 활동면에 작용하는 힘을 교선 방향으로 합산한다.

전도파괴(Toppling failure)의 원리는 다음과 같다. 급경사 불연속면에 의해 생긴 긴 암주가 가장 낮은 모서리를 축으로 회전한다. 전도 모멘트(수평 중량 성분과 뒤쪽 블록의 구동력)가 저항 모멘트(수직 중량 성분과 앞쪽 블록의 저항력)를 넘으면 전도가 일어난다.

원호파괴의 원리는 다음과 같다. 토사나 극심하게 파쇄된 암반은 연속체로 보고 최소 저항면을 따라 원호 또는 비원호 활동면이 생긴다. 해석에는 Bishop 법 등 한계평형법을 쓴다.

절차는 다음과 같다.

• 사면면과 불연속면의 방향(주향·경사)을 측정하고 평사투영으로 정리한다.
• 평면·쐐기·전도 조건에 해당하는지 운동학적으로 판정한다.
• 해당 파괴형태에 한계평형식을 적용해 안전율을 구한다.
• 불연속면 강도(점착력·마찰각)를 시험 또는 경험식으로 정하고 수압을 반영한다.
• 안전율이 기준치에 미달하면 경사 완화, 앵커·록볼트 등 보강 대책을 검토한다.

도식으로 파괴 판정 흐름을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

암반사면 파괴형태 해석에 직접 적용되는 법령 조항은 없다. 「산업안전보건기준에 관한 규칙」은 굴착 사면의 안전 관리를 규정하고, 「건설기술 진흥법」에 따른 설계기준과 시방서가 해석 방법을 정한다. 아래 표의 값은 파괴 판정에 널리 쓰이는 기준이다.