A Study on the Stability of the Slope according to the Bedding of the Sedimentary Rocks

퇴적암지대의 층리 경사에 따른 비탈면 안정성 검토

Abstract

A standard slope stability analysis was undertaken for new railway sections, based on the slope of sedimentary rock layers and filling material (sand), to evaluate the stability of the cut-off slope in the section passing through a zone of sedimentary rock. The stability analysis was undertaken during the dry and rainy seasons, accounting for earthquake occurrence, based on slope design criteria. It was found that if the slope of the sedimentary rock formation was <10°, the effect on the safety rate of the cut-off slope was insignificant. Furthermore, a slope relief of 1:1.0 or more should be applied with slopes of 10~20°, and 1:1.2 or more with >20°. This study provides an important reference for evaluation of slope stability when railway and road construction is undertaken in areas of sedimentary rock.

본 연구는 철도 신설노선 구간 중 퇴적암지대 통과구간의 절토 비탈면 안정성 평가를 위해 퇴적암 층리와 충전물질(샌드심)의 경사에 따른 절토 비탈면의 표준경사 안정성 검토를 실시하였다. 안정성 검토는 비탈면 설계 기준에 의해 건기시, 우기시, 지진시로 실시하였다. 그 결과 퇴적암 지층의 경사가 10도 이하일 경우 절토 비탈면 경사에 따른 안전율에 미치는 영향이 미미한 것으로 검토되었다. 또한 10도 초과 20도 미만의 경사에서는 1:1.0 이상, 20도 이상에서는 1:1.2 이상으로 경사완화를 실시하여야 하는 것으로 분석되었다. 본 연구는 추후 철도 및 도로건설이 퇴적암지역에서 이루어질 경우 비탈면 안정성 평가를 위한 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

서론

철도는 국가의 기반시설로 물류 및 교통수단으로 중추적인 역할을 수행하고 있으며, 현재 빠르고 안전하고 쾌적한 철도를 목표로 추가적인 철도의 건설이 지속적으로 추진되고 있다. 이에 따라 산악지대를 통과하는 노선이 증가하는 추세이며, 경제성과 안정성을 고려하여 터널이나 절토 비탈면으로 검토되고 있다. 이들 절토 비탈면 중 일부는 시공 중 또는 관리기간 중에 붕괴되어 사회적, 경제적인 문제를 야기시킨다. 인적, 물적인 피해를 주고 있는 비탈면의 붕괴는 지형, 지질, 식생 및 기후 등 여러 요인이 복합적으로 작용하여 발생한다. 절토 비탈면 검토시 암반의 산출상태에 따라 퇴적암, 화성암, 변성암으로 구분되며, 이런 암반 산출에 따라 구성되는 암석의 종류, 풍화의 민감도, 풍화토의 상태 등이 상이하여 안정해석을 통한 구배가 결정되게 된다. 우리나라 암반비탈면의 높은 분포를 나타내는 퇴적 암반이 비교적 많은 붕괴빈도를 보이고 있으며 이들에 대한 효율적인 안정화 기법 적용에 관한 연구는 부족한 실정이다(KEC, 1996).

퇴적암은 퇴적물이 수저나 육지에 쌓여서 만들어진 암석으로 층상으로 발달되는 평행구조인 층리가 발달하며(Jung, 1994), 이 층리를 통해 풍화가 진행되고, 층리면 내 약한 강도를 가지는 충진물질(점토, 샌드심)이 분포하고 비탈면 방향에 대해 불리하게 작용되는 경우 대규모의 평면파괴가 발생하므로 주의해야 한다. 퇴적암에 발달한 층리의 주향과 경사에 따라 비탈면 안정성 저하를 가져온다는 것은 이미 많은 보고들에서 밝혀졌지만 암반 비탈면의 불연속면의 특성에 큰 요인으로 작용할 것으로 사료되는 충전물질에 대한 연구는 미흡한 상태이고, 특히 충전물질의 두께, 동결 ‧ 융해에 따른 불연속면의 미끄러짐에 대한 연구는 미약한 실정이다(Kim, 2009).

본 연구에서는 충진물질(점토, 샌드심)이 협재되어 있는 퇴적암 절취 비탈면에 대해 경사각도에 따른 비탈면의 안정성 검토를 실시하고, 퇴적암 층리 경사별 경사완화 구배를 제시하였다.

이론적 배경

고생대 초기 캄브리아기로부터 오르도비스기에 이르기까지 조선 누층군이 형성되었으며, 이는 평남 분지와 옥천 습곡대의 삼척시, 태백시, 영월군, 정선군, 단양군, 문경시 주로에 분포한다. 고생대 후기 석탄기에서 중생대 트라이아스기에 이르기까지 평안 누층군이 형성되었으며, 이는 주로 평남 분지 및 옥천 습곡대 등지에 분포한다. 백악기에 해당되는 경상계 지층은 경상남 ‧ 북도의 경상 분지에 넓게 분포되어 있고, 기타 지방에서는 소면적으로 고립 분포되고 있다. 신생대 제3기층의 분포는 매우 협소하여 전 국토의 약 1.5%에 불과하다. 그 대부분이 동해안의 경성만 ‧ 통천 ‧ 포항 영일만 등에 분산 분포되며, 서해안에는 제주도의 서귀포 지방에 약간 분포되고 있다(KECRI, 2000). 제3기의 분지는 동해안을 따라 분포하고 있으며, 삼척시의 북평 분지, 영덕군의 영해 분지, 포항시~경주시의 포항 분지, 어일 분지, 와읍 분지, 울산광역시의 울산 분지 등이 발달한다. 잘 굳지 않은 사암 ‧ 셰일 ‧ 역암 등으로 구성되어 있고, 용암류 ‧ 암상 등의 동반도 곳에 따라서는 우세하며, 해성층과 육성층이 교호하여 각종 화석이 발견되고, 갈탄이 산출된다(Jung, 1994).

한반도에 분포하는 퇴적암은 전국토의 약 22.6%를 차지하고 있으며, 고생대, 중생대 및 제3기에 각각 형성되었다(Table 1). 각 지질시대별 분포하는 퇴적암의 면적은 Table 1과 같으며, 분포위치는 다음과 같이 기술하였다.

Table 1. Status of the distribution of sedimentary rocks on the Korean

4차 국가 철도망 계획과 퇴적암 분포현황

2021년 국토교통부가 수립한 제4차 국가철도망 구축계획 중 신규사업 노선이 위치하는 구간의 퇴적암 분포현황을 검토하였다(MOLIT, 2021). Fig. 1에서 보이는 것과 같이 강원도 일부지역, 충남북 내륙지역, 경상남북도 동해안 지역, 전라남도 해안주변에서 퇴적암이 분포하며, 기존 노선중 고속철도 2개, 일반및광역철도 8개, 시행중인 노선은 7개가 확인되며, 특히 신규 노선에서는 27개에서 확인되고 있다(Fig. 1).

Fig. 1. New line and sedimentary rock distribution section of the 4th national railway network.

퇴적암의 특성

퇴적암으로 이루어진 암반비탈면은 다른 암종에 비해 대기에 노출시 빠른 시간에 풍화를 받을 수 있다. 특히, 암반에서 발생하는 풍화(weathering)는 암반 내 발달한 불연속면을 따라 발생하며, 암반절리면 상에 분포하는 암석의 풍화정도는 암반의 풍화도를 구별하는데 이용되고 있다. 이를 이용한 화강암의 풍화등급 구분은 비교적 명확하게 제시(Lee and Freitas, 1989)되고 있으나, 세립질로 구성된 퇴적암에서 풍화정도를 구분하는 기준은 다소 미흡하다. 최근, ISRM, 1978에서 제안한 암반의 풍화도 판정기준에 의한 분류는 육안분류로써 다소 주관적인 점에 착안하여 불연속면을 따라 발생한 풍화된 암석에 대해 점하중강도, 슈미트해머 반발치, 흡수율을 이용하여 암반의 풍화도를 정량화하는 연구가 국내연구원에 의해 제시되었다(Lee et al., 2000).

일반적으로 퇴적암은 풍화가 진행됨에 따라 점하중강도, 슈미트해머 반발치는 감소하고 흡수율은 증가하는 경향을 나타내며, 퇴적암에서 풍화도에 따른 암반의 구간(zone)을 구분하는데 사용할 수 있다(Lee, 2007). 충전물은 불연속면에서 인접한 암석 벽면을 분리시키는 물질(ISRM, 1978)로 정의되며, 보통 모암보다 강도가 약한 경우가 대부분이다. 전형적인 충전물로는 모래, 점토, Gouge 그리고 압쇄작용에 의해 원암의 광물이 모두 파쇄되어 미립결정의 집합체로 변화된 압쇄암 압쇄각력암 단층각력암 등이 있다(Barton et al., 1974).

샌드심층의 경우 투수계수가 1.6×10^-3~3.6×10^-3 cm/se c로 주변 암석이나 풍화대의 투수계수에 비해서도 약 100~10,000배의 투수성을 가지는 것으로 분석되었다(Choi, 2000). 이는 이 샌드심에 지표수나 지하수가 침투하면 전단강도가 감소하여 비탈면 붕괴의 요인이 될 수 있다는 것을 의미한다(Kang, 2020).

연구방법

본 연구는 퇴적암 층리 내 존재하는 충전물질 층리 각도에 따른 경사완화 구배 설정을 위해 층리 각도별 표준경사를 기본 조건으로 하여 안정성 분석을 실시하였다. 제시된 변수를 바탕으로 각 조건에 대해 MIDAS-SoilWorks 프로그램을 이용하여 한계평형법(limit equilibrium method)으로 각 조건에 따른 비탈면의 안정성을 모사하였다(Rocscience Inc., 2001).

산사태 발생 지역의 경사도를 검토 한 결과 퇴적암지역의 경우는 30~50°사이에서 84%정도 산사태가 발생했다. 대부분의 지역에서 산사태가 발생한 사면의 경사 중 가장 많이 차지하고 있는 경사는 30~50°사이이다. 하지만, 변성암지역과 퇴적암지역의 경우는 30° 이하에서 산사태가 발생하는 곳이 10% 이상을 차지하고 있다. 또한 30~40°사이에 산사태가 발생하는 경우가 화성암지역에 비교해서 많다고 할 수 있다. 이것은 변성암지역과 퇴적암지역에 산사태가 발생하는 사면의 경사가 낮다는 것을 보여준다. 이 자료를 기인해 볼때 우리는 산사태가 발생하는 사면의 경사가 낮다고 해서 산사태가 발생확률이 높다고 단정할 수는 없을 것이다(Kim, 2005).

비탈면 안정검토 현황

비탈면의 층리와 샌드심의 경사에 따른 절토 비탈면의 표준경사 안정성 검토를 위하여 비탈면 높이, 지층별 깊이, 샌드심 두께 등을 Fig. 2에 표시하였으며, 양상파악을 위해 Table 2에 조건을 나타내었다. 비탈면 표준경사 안정성 검토를 위하여 비탈면 높이는 대규모 깎기비탈면(KFSC, 2006) 이하로 설정하였고, 샌드심은 점토지반 내에 약 수 cm에서 수 m 두께의 샌드심이 존재(Kim, 2016)하므로 관련 지반조사 자료를 참고하여 0.5 m로 적용하였다. 비탈면 안정성 분석을 위해 비탈면 내 샌드심이 5~40°의 각도로 존재하는 조건에서 표준경사구배(1:0.5~1:1.5)를 적용하여 비탈면 안정성 분석을 실시하였다(KECRI, 2000).

Fig. 2. Stability analysis schematic diagram (a) sand seam angle 5°, standard slope 1:0.5, (b) seam angle 15°, standard slope 1:1.0.

Table 2. Stability analysis conditions

지반안정성 평가를 위한 전산해석은 지반의 단위중량, 점착력 및 내부마찰각 등 물성치를 설계정수로 활용하며, 지층을 사암, 이암, 셰일, 샌드심, 불연속면으로 구분하여 산정하였다. 또한 설계정수 설정 시 경험식과 문헌자료 결과들을 종합적으로 비교, 분석하여 가장 합리적인 설정계수를 설정하고자 하였다(Table 3).

Table 3. Analysis of ground constants

사암, 이암, 셰일, 샌드심의 단위중량, 점착력 및 내부마찰각의 경우 도로설계요령(KEC, 1996), 서울시지반조사편람(Seoul Metropolitan City, 2006), 암반사면공학(Hoek and Bray, 2003) 등 문헌값과 Bieniawski(1989), Trueman(1988), Kim(1993), Tsuchiya(1984) 등 경험식으로 산정된 결과에 근거하여 설계정수를 산정하였다. 불연속면의 경우 단위중량은 이암의 단위중량을 적용하였고 점착력 및 내부마찰각은 Barton et al.(1974)에 의해 제시된 경험식과 기존 실내시험 결과에 근거하여 설계정수를 산정하였다.

결과 및 고찰

안정성 검토결과 우기시 안전율은 건기시 안전율의 약 70%의 기준치 안전율을 보였다. 이는 우기시 지표에 지하수위를 적용하여 검토를 실시한 결과로 사료된다. 지진시는 지진계수 적용 후 건기시와 동일한 지하수위를 적용하여 기준치 대비 건기시와 유사한 결과를 보였다(Fig. 3).

Fig. 3. Stability analysis results (a) dry season (b) rainy season (c) an earthquake event.

비탈면 경사별 검토결과, 샌드심 5°와 10°일 때 기울기 1:0.5에서 1:1.5까지 모든 구간에서 기준치 이상으로 나타났다.

샌드심 15°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 우기시 1.1688, 표준기울기 1:0.7 인 경우 우기시 1.1953로 기준치 이하로 분석되었고, 표준기울기 1:1.0 부터 1:1.5에서는 모든 경우에서 기준치 이상으로 나타났다.

샌드심 20°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 우기시 0.9279, 표준기울기 1:0.7 인 경우 우기시 0.9429로 기준치 이하로 분석되었고, 표준기울기 1:1.0 부터 1:1.5에서는 모든 경우에서 기준치 이상으로 나타났다.

샌드심 25°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 건기시 1.3010, 우기시 0.7420, 지진시 1.1090, 표준기울기 1:0.7 인 경우 건기시 1.4364, 우기시 0.7710, 표준기울기 1:1.0 인 경우 우기시 1.1539로 기준치 이하로 분석되었고, 표준기울기 1:1.2에서는 모든 경우에서 기준치를 초과하는 것으로 분석되었다. 표준기울기 1:1.5에서는 파괴면의 영역이 감소하여 해석이 불가하였다.

샌드심 30°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 건기시 1.0675, 우기시 0.5907, 지진시 0.9224, 표준기울기 1:0.7 인 경우 건기시 1.2184, 우기시 0.6421, 지진시 1.0348, 표준기울기 1:1.0 인 경우 우기시 1.1420로 기준치 이하로 분석되었고, 표준 기울기 1:1.2에서는 모든 경우에서 기준치를 초과하는 것으로 분석되었다. 이 경우에도 표준기울기 1:1.5에서는 파괴면의 영역이 감소하여 해석이 불가하였다.

샌드심 35°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 건기시 0.9027, 우기시 0.4738, 지진시 0.7868, 표준기울기 1:0.7 인 경우 건기시 1.0662, 우기시 0.5483, 지진시 0.9157, 표준기울기 1:1.0에서는 해석영역이 감소하여 모든 경우에서 기준치를 초과하는 것으로 분석되었다. 표준기울기 1:1.2와 1:1.5에서는 파괴면의 영역이 감소하여 해석이 불가하였다.

샌드심 40°일 때 표준기울기 1:0.5 인 경우 건기시 0.7847, 우기시 0.3788, 지진시 0.6877, 표준기울기 1:0.7 인 경우 건기시 0.9811, 우기시 0.4960, 지진시 0.8506으로 기준치 이하로 분석되었으며, 표준기울기 1:1.0에서 1:1.5에서는 파괴면의 영역이 감소하여 해석이 불가하였다(Tables 4 and 5).

Table 4. Stability analysis results

Table 5. Stability analysis of soil type and permeability

분석결과 건기시와 지진시에는 1:1.0 이상의 경사완화에서 안정한 것으로 확인되나, 집중호우 등에 따른 우기시에는 1:1.2 이상의 경사완화가 필요한 것으로 확인된다. 비탈면 경사가 1:1.0 이하 구배 중 지형적 조건이나 용지경계 등으로 경사완화가 어려운 경우에는 비탈면에 대한 보강대책이 추가로 계획되어져야 한다. 본 연구는 퇴적암 비탈면 층리 경사별 충전물질에 대해 안정성 평가를 실시한 결과이므로 구성 암반에 대한 풍화 정도를 고려한 추가 검토가 필요할 것으로 사료되며, 각 현장별 해당하는 지진계수를 적용한 결과도 필요할 것으로 사료된다. 그러나 기존 연구에서는 본 연구와 같은 퇴적암 층리경사별 비탈면 경사구배를 제시한 바가 없어 추후 퇴적암 구간 철도건설시 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

결론

본 연구는 충진물질(점토, 샌드심)이 협재되어 있는 퇴적암 절취 비탈면에 대해 경사각도에 따른 비탈면의 안정성 검토를 실시하였다. 절토 비탈면 검토시 암반의 산출상태에 따라 퇴적암, 화성암, 변성암으로 구분되며, 이런 암반 산출에 따라 구성되는 암석의 종류, 풍화의 민감도, 풍화토의 상태 등이 상이하여 안정해석을 통한 구배가 결정되게 된다.

우리나라 암반비탈면의 높은 분포를 나타내는 퇴적 암반이 비교적 많은 붕괴빈도를 보이고 있으며 이들에 대한 효율적인 안정화 기법 적용에 관한 연구는 부족한 실정이다. 또한 제4차 국가철도망 구축계획 중 신규사업 노선이 위치하는 구간의 퇴적암 분포현황을 검토한 결과 강원도 일부지역, 충남북 내륙지역, 경상남북도 동해안 지역, 전라남도 해안주변에서 퇴적암이 분포하며, 신규 노선이 27구간 확인되고 있다.

안정성 검토는 대규모 깎기비탈면 이하로 설정하였고, 샌드심은 점토지반 내에 약 수 cm에서 수 m 두께의 샌드심이 존재하므로 관련 지반조사 자료를 참고하여 0.5 m로 적용하였다.

비탈면 안정성 분석을 위해 비탈면 내 샌드심이 5~40°의 각도로 존재하는 조건에서 표준경사구배(1:0.5~1:1.5)를 적용하여 비탈면 안정성 분석을 실시하였다. 또한 제시된 변수를 바탕으로 각 조건에 대해 MIDAS-SoilWorks 프로그램을 이용하여 한계평형법(limit equilibrium method)으로 각 조건에 따른 비탈면의 안정성을 모사하였다.

분석결과 우기시 안전율은 건기시 안전율의 약 70%의 기준치 안전율을 보였다. 이는 우기시 지표에 지하수위를 적용하여 검토를 실시한 결과로 사료된다. 지진시는 지진계수 적용 후 건기시와 동일한 지하수위를 적용하여 기준치 대비 건기시와 유사한 결과를 보였다. 건기시와 지진시에는 1:1.0 이상의 경사완화에서 안정한 것으로 확인되나, 집중호우 등에 따른 우기시에는 1:1.2 이상의 경사완화가 필요한 것으로 확인된다. 비탈면 경사가 1:1.0 이하 구배 중 지형적 조건이나 용지 경계 등으로 경사완화가 어려운 경우에는 비탈면에 대한 보강대책이 추가로 계획되어져야 한다. 본 연구는 퇴적암 비탈면 층리 경사별 충전물질에 대해 안정성 평가를 실시한 결과이며, 구성 암반에 대한 풍화 정도를 고려한 추가 검토가 필요할 것으로 사료되며, 각 현장별 해당하는 지진계수를 적용한 결과도 필요할 것으로 사료된다. 또한 절토 비탈면의 높이가 20 m 이하로 설정하여 검토를 실시하였으며, 30 m 이상의 대절토 비탈면에서는 퇴적암의 경사 각도와 충전물질 이외에 지층의 두께, 풍화 정도 등을 고려하여 추가 검토가 필요할 것으로 사료된다. 그러나 기존 연구에서는 본 연구와 같은 퇴적암 층리경사별 비탈면 경사구배를 제시한 바가 없어 추후 퇴적암 구간 철도건설시 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.