Conical Slope Stability of Tertiary Basalt Based on the Geological Cross-Sections

지질횡단면을 활용한 원추형 현무암 비탈면 안정성

Abstract

This study investigated a cut-slope surface containing Tertiary faults, representing a conical-shaped slope with strike varying from N44°E to NS, N50°W, and finally N70°E. The slope consists mainly of basalt, with discontinuities in the slope including faults, fault zones, fracture zones, shear joints, and extension joints. The type and scale of failure vary with the strike of the slope and the strikes of discontinuities, with plane and wedge failure predominating. Based on face-mapping data, SMR (slope mass rating), rock physical and mechanical properties, analysis of stereonet projections and geological cross-sections, and critical equilibrium analysis, optimal slope stability determination was found to involve the countermeasure method, the slope gradient relief method, the green soil surface treatment method, and a fall prevention measure. After application of the countermeasure method, both dry and wet slope conditions exceeded allowable safety factors. It is expected that the preparation of geological cross-sections of various representative sections perpendicular to the surface of the slope, and the application of corresponding countermeasure methods, will be reasonable tools for three-dimensional analysis of slope stability. If the strike of the slope varies widely, it is necessary to prepare geological cross-sections, and the section used for critical equilibrium analysis must be established as the basic section.

연구 대상은 신생대 제3기 현무암 지층과 단층 및 파쇄대가 다수 발달하고 있는 절취 암반 비탈면으로서 법면의 주향이 다양하게 변하는 원추형 형상을 나타낸다. 비탈면 내 불연속면은 단층과 단층대 및 파쇄대, 전단절리 및 인장절리가 발달하며, 구간별로 파괴의 유형과 규모는 비탈면 및 불연속면의 배향에 따라 다양하며, 평면파괴와 쐐기파괴가 우세하다. 비탈면 현황도 자료 및 비탈면 암반분류(slope mass rating, SMR), 암석의 물성 및 역학시험, 평사투영법, 지질횡단면도 분석 및 한계평형해석 등을 검토한 결과, 3개의 대표 단면 모두 허용 안전율 미달로 대책공법이 요구되었다. 안전성, 경제성, 시공성 등을 고려한 비탈면 안정성을 위해서는 사면구배완화공법과 함께 녹생토 표면처리 공법 및 낙석방지책 설치를 대책공법의 최적 방안으로 제시하며 적용 후의 비탈면 안전율은 모두 허용안전율 이상이었다. 비탈면 현황도 및 비탈면에 대해 수직인 여러 대표 구간의 지질횡단면도 작성, 대표단면으로 지질횡단면을 이용하여 한계평형 해석 및 대책공법에 대한 제시는 비탈면 3차원 해석과 안정성 검토에 관해 주요한 방법이 될 것으로 생각된다. 원추형 비탈면과 같이 주향이 다양하게 변화하는 경우는 다수의 지질횡단면도 작성이 필요하며, 한계평형해석을 위한 대표 단면은 구간별로 지질횡단면도를 기본도면으로 설정해야 한다.

서론

본 연구지역은 경상북도 포항시 동해면 석리에서 오천읍 광명리에 이르는 우회도로 건설공사 현장으로서(Fig. 1) 비탈면의 안정성 검토에 따른 위험요소가 있을 경우 대책공법을 제시하고 공법 적용 후의 안정성 재검토를 수행하고자 하였다.

Fig. 1. Geological map showing the locarion of the study area (modified from Geological Survey of Korea, 1922).

기존의 비탈면 안정성 검토에 관한 연구들은, 절취사면 내 절리, 엽리, 층리 등의 교차 조합에 기인하여 여러 유형의 파괴가 발생할 수 있음을 제시(Cheong and Choi, 2009)하고 있으며, 사면 안정성 해석 시 사면 내 연약층 협재 유무, 습곡, 단층 등과 같은 지질구조에 대한 검토가 필요하며(Koo et al., 2003), 비탈면의 붕괴 발생원인으로 주로 화산암으로 구성되어 있는 노두이거나 소단층, 염기성 암맥, 점토광물의 함유 등이 영향을 끼치며(Kim et al., 2011), 비탈면 안정성에 끼치는 영향으로 퇴적암에서 지질구조가 영향이 있다(Ko et al., 2012)는 등 많은 연구 사례가 있다. 하지만 단층 및 인장절리와 같은 특별한 지질구조요소를 비탈면 안정성 검토에 중요 인자로 다루거나, 비탈면 현황도 자료와 법면에 대해 수직으로 자른 여러 구간의 지질횡단면 자료를 기반으로 안정성 분석 및 결과에 따른 대책공법 제시 등에 대해 연구한 사례는 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 비탈면이 제3기 현무암으로 구성되고, 비탈면의 배향이 다양하게 변함과 더불어 단층대와 파쇄대가 존재하는 파괴 위험 가능성이 큰 비탈면을 대상으로 하였다. 연구를 위해 절취비탈면의 비탈 현황도 및 주변 자연노출 노두 대상 현장조사 자료를 이용하였으며, 비탈면의 지질횡단면도, 평사투영석, 암반의 지질공학적 특성 등의 조사 및 분석, 암석의 물성 및 역학시험, 한계평형 해석을 수행하였다.

지질

비탈면 현황과 법면 지질

연구지역 비탈면의 총 길이는 약 234 m이고, 높이는 최고 약 45.3 m이며(Park and Ihm, 2003), 구배는 1:0.7 상태(약 55도)이다. 또한 비탈면의 법면은 일반적인 직선 형상이 아니라 법면의 주향이 N44°E에서 NS~N50°W로 바뀌고 다시 N70°E로 변하는 원추형 형상을 보인다(Fig. 2). 비탈면은 대부분 신생대 제 3기 현무암류로 구성되며, 일부 응회암이 협재한다. 단층작용과 파쇄작용을 심하게 받아 단층면과 단층대 및 파쇄대가 비슷한 배향으로 발달하고 있으며, 현무암질 용암의 형성과 관련된 체계적인 수축 ‧ 인장절리가 수 십 cm 간격으로 형성되어 있어 단층면과 함께 암반이 이완된 상태이다. 현무암은 암회색 내지 암녹색을 띠며, 구성광물은 사장석, 휘석, 각섬석이 대부분이나 일부 감람석이 보이기도 한다. 특히 Sta. No. 0+060~0+360 구간은 남북방향 연장으로 단층대가 발달하여 수 십 cm 폭의 단층대와 수 m 폭의 파쇄대가 다양한 배향으로 분포하고 있다(Fig. 3).

Fig. 2. Photograph of the studied slope.

Fig. 3. Unfolded geological face-mapping data of the studied slope. The X-Y azis numbers are in meters.

단층면들은 일정한 배향의 중규모 단층들로써 개개 단층면의 틈은 수 cm 이상의 폭으로 발달하고, 그 연장은 수 십 m 이상으로 발달하고 있어 대부분 소단층대로 분류할 수 있다. 절리들은 법면과 약간 교차하는 양상으로 많이 나타나며, 규칙절리인 수축 ‧ 인장절리 및 여러 조의 전단절리와 기타 불규칙적인 절리가 다양하게 나타난다. 특히 비탈면에 발달하고 있는 단층대와 파쇄대의 암반은 심하게 분쇄되어 토사화한 상태여서 상당한 규모의 암반이 원호파괴의 형태로 붕괴될 가능성이 크며, 비탈면의 상부는 얇게 미고결 퇴적층이 분포하고 있다. 또한, 일부 비탈면 내에 응력장의 집중(발파 등)으로 형성된 비체계적인 인공절리들이 다수 발달하고 있다.

구간에 따라 방향이 변화하는 비탈면의 배향과 암반의 지질공학적 특성은 Table 1에 나타내었고, Fig. 2와 Fig. 3은 비탈면의 현황과 지질전개도로 구성 암석, 불연속면 연장, 종류, 배향, 간격 등을 나타내고 있다.

Table 1. Characteristics of rock mass and their discontinuity on the studied slope

영남지역 일대에는 대부분 경상누층군에 해당하는 중생대 백악기 퇴적암류와 이를 관입 ‧ 분출한 화성암류들이 분포하는데(Geological Survey of Korea, 1922), 연구대상 비탈면이 분포하는 경북 포항시 동해안 지역은 전술한 중생대층을 부정합으로 신생대 제 3기 퇴적암류(이암 등)와 화산암류(현무암 등), 제4기 미고결 퇴적암류, 풍화 잔류토 및 충적층으로 구성되어 있다(Fig. 1). 또한 연구지역 일대에는 수많은 제3기 단층과 제4기 활성단층도 존재한다. 연구 비탈면도 제3기 현무암으로 주로 구성된 암반으로써(Fig. 2) 비탈면 내에 규칙절리와 크고 작은 규모의 많은 단층과 단층대 및 파쇄대가 현무암을 관통하여 분포하고 있다(Fig. 3). 따라서 본 연구지역 비탈면의 안정성 검토를 위해서는 제3기 현무암과 단층의 특성 및 불연속면의 이방성을 고려한 안정성 해석과 체계적인 지질횡단면도를 대표단면으로 활용한 한계평형해석이 중요하다.

안정성 해석

불연속면 특성

비탈면에서 발달하고 있는 불연속면의 특성을 파악하기 위해 비탈면 현황도 작성을 하여 불연속면의 다양한 조사 결과를 Table 2에 나타내었으며, 불연속면의 현황 파악을 위해 개략도인 현황조사 기반 지질전개도를 Fig. 3에 정리하였다. 또한 법면에 수직으로 대표적인 구간 3곳의 지질횡단면도를 작성하여 Fig. 4에 각각 Sta. No. 0+100, Sta. No. 0+040, Sta. No. 0+380 구간의 안정성 검토를 위한 기본 단면으로 이용하였다.

Table 2. Data obtained by face-mapping of discontinuities on the studied slope

Fig. 4. Geological cross-section on the cut-slope. F represents fault and J represents joint.

지질횡단면도

비탈면의 법면 상 현황도 자료와(Fig. 3) 비탈면 주변 노출된 암반 노두에서 현황도 자료를 기초로 하여, 가장 취약부나 파괴가 발생한 구간에 중에서 대표 단면 3곳을 선정하였다. 비탈면과 암반 노두에서 측정한 불연속면 특성(Table 2)이 비탈면 법면에 수직으로 횡단한 지질횡단면에 대해 유사하게 분포한다는 가정으로 두고 대표 단면별을 선정하여 지질횡단면도를 작도하였다.

Sta. No. 0+100 구간의 지질횡단면도를 작도하여 분석해 보면 수 m 두께의 파쇄대를 따라 원호파괴가 발생함과 더불어 단층을 따라 평면파괴가 예상되며, 인장절리와 저각의 전단절리가 만나는 소규모 암괴가 쐐기파괴 됨을 인지할 수 있다(Figs. 4a and 5a).

Sta. No. 0+040 구간의 지질횡단면를 작도하여 분석해 보면 비탈면과 경사각이 단층을 따라 유사한 방향으로 발달하고 있어 평면파괴가 발생할 수 있음을 알 수 있으며(Fig. 4b), 실제 법면에서도 부분적으로 평면파괴가 소규모로 발생된 것을 알 수 있다. 그리고 3조의 절리들이 체계적으로 발달하고 있어 단층과 조합하여 일부 쐐기파괴도 발생할 수 있음을 짐작케 한다. 하지만, Fig. 5b에 불연속면의 평사투영 해석상으로는 쐐기파괴만 예상될 뿐 평면파괴는 발생이 어려운 것으로 나타났다.

Fig. 5. Stereographic projections showing the orientations of discontinuities on the studied slope.

Sta. No. 0+380 구간의 지질횡단면를 작도하여 분석해 보면 일부 육안으로 관찰되지만 도면에 표기하기는 미비한 역경사인 고각의 절리를 따라 전도파괴가 발생할 수 있음을 알 수 있고(Fig. 4c), 수많은 단층을 따라 평면파괴가 발생하거나 일부 파쇄대 분포 부분에서는 원호파괴 발생 가능성이 높음을 알 수 있다.

암석시험

암석 종류와 불연속면 특성을 반영한 비탈면 내에서 채취한 암석 3점에 대한 물성 시험과 역학성 시험을 실시하였다. 시험항목은 비중, 함수비, 흡수율, 습윤 단위체적중량 등의 물리적 시험과 일축압축시험 및 단층면 직접전단시험 등을 수행하였으며, 그 결과에 대해서는 Table 3에 요약 하였다.

Table 3. Physical and mechanical properties of rock samples from the studied slope

Slope Mass Rating과 강도정수 추정

암반을 등급별 분류에 대해서는 다양한 방법이 제시되고 있으나 비탈면의 경우는 비탈면 암반분류(slope mass rating, SMR)가 유용하다. 비탈면 법면과 주변 노출된 암반의 노두 현황도 작성, 암석 물성시험의 결과를 분석하여 비탈면의 구간별 SMR 분류한 값을 Table 4에 상세히 수록하였다. 구간별로 SMR 등급이 모두 매우 불량한 암반 등급으로 나타났다(Table 4).

Table 4. Slope mass rating results for the studied slope

암반 비탈면의 안정성 해석 시 점착력(c)을 고려하면 실대비 상당히 보수적으로 계산되기 때문에 거의 일정한 25 kPa의 값을 적용하고, 𝜙값은 현장에서 불연속면 상태, 간격, 풍화도 등에 따라 강도 정수가 상이하므로 현장 암반 상태 및 점하중강도시험에서 얻어진 일축압축강도와 불연속면 대상 직접전단시험 등을 고려하여 해석하였다. 따라서 비탈면 안정해석을 위해 암반의 암질지수(rock quality designation, RQD) 평가값(SMR 및 비탈면 현황도 결과값으로 산정), 문헌자료(Kim, 2002) 흡수율, 일축압축시험 등의 실내시험 결과에 기초하여 내부마찰각 𝜙는 28~32°의 범위로 산정 하였다. Table 5에서는 비탈면의 안정성 검토를 위해 적용한 강도정수를 나타내었다.

Table 5. Input parameters for the studied slope

안정성 검토

평사투영해석

비탈면의 안정성 검토를 위하여 3개의 대표 단면에서 주 불연속면의 특성과 파괴 양상에 대해 분석하고, 불연속면의 입체 투영망 분석을 실시하여, 사면의 예상 파괴방향을 추정하였다. 단층, 파쇄대, 전단절리 및 인장절리에 대한 입체 투영도(등면적하반구투영법)를 해석하고, 그 결과를 Fig. 5에 나타냈다. 파괴암체의 크기는 조사 지점의 비탈면에서 절리간격의 X-Y-Z축 방향으로 측정된 간격을 곱하여 보정하면 암체 크기가 산출되며 평균적으로 0.002~0.01 m³ 정도이나 Sta. No. 0+100 단면의 경우에 1~2 m³로 상대적으로 크다. 파괴암체의 하중은 평균 약 40 kN/m를 나타낸다. 파괴암체의 미끄러짐 방향을 살펴보면 Sta. No. 0+100 단면은 단층면과 파쇄대를 따른 평면파괴와 원호파괴가 남동 방향의 50° (Fig. 5a), Sta. No. 0+040 단면의 경우는 전단절리와 단층면을 따른 쐐기파괴가 북동 방향의 50° (Fig. 5b), Sta. No. 0+380 단면은 단층대와 인장절리를 따른 쐐기파괴와 전도파괴가 북북서 50° 및 중력의 방향으로 예상된다(Fig. 5c).

Figs. 3~5에서와 같이 비탈면 전구간은 불안정한 상태를 나타내고 있으며 특히, Sta. No. 0+050~060 구간은 단층을 따라 파괴, Sta. No. 0+360~400 구간은 단층대를 따라 붕괴, Sta. No. 0+670~110 구간은 파쇄대와 단층을 따라 파괴 등으로 불안정한 상태로 비탈면 전체적인 안정성을 증대시킬 수 있는 대책 공법이 요구된다고 볼 수 있다.

한계평형해석

비탈면 안정성 해석을 위해 전술한 바와 같이 3개의 지질횡단면도 작성 단면을 대표 단면으로 하여 건기와 우기에 대한 안전율을 구하기 위해 Table 4와 Table 5에서 도출한 강도정수를 입력 값을 활용하여 구하였다. 비탈면의 안정성 검토를 위하여 사용한 소프트웨어는 TALREN을 주로 사용하였으며 암반의 평면 파괴에 대해서는 ROCKPLANE 프로그램, 암반의 쐐기파괴에 대해서 SWEDGE 프로그램을 이용하여 추가적으로 검토하였다. 암반 비탈면의 지반 안정성에 주된 영향 요인은 불연속면 전단강도으로 단층면을 포함하고 있는 시료를 대상으로 단층면 직접전단 시험과 각종 물성시험을 수행하였다. 도출된 결과로 각 대표 단면별 원지반에 건기와 우기로 나누어 안전율 해석을 수행하였으며, 그 결과에 대해 대표적으로 Sta. No. 0+040과 Sta. No. 0+380에 대한 해석 그림을 Fig. 6a와 Fig. 6b에 나타내었다. Table 6에서는 건기는 대부분 허용 안전율을 만족하였기에 우기 시 비탈면 원지반의 대표 단면에 대한 안전율을 정리하였다. 원지반 비탈면 분석 결과, 건기 및 우기 모두 허용 안전율(건기 Fs > 1.5, 우기 Fs > 1.2; MOLIT, 2020)에 미달한 것으로 이는 대책공법의 제시가 필요하다.

Fig. 6. Safety factor (Fs) at Sta. No. 0+040 and Sta. No. 0+380 on the studied slope in the rainy season.

Table 6. Safety factor (Fs) for each section on the studied slope

대책 공법

지질횡단면도와 평사투영 해석결과의 분석에 따라 대표 단면별 파괴양상은 상부에 소규모 암괴(1~2 m³)가 붕락하거나, 인장절리면을 따른 전도파괴가 중력방향으로 예상되며, 일부 절리면과 단층면을 따른 쐐기파괴 및 평면파괴, 단층대와 파쇄대를 따른 원호파괴도 예상된다. 이 결과는 현장여건을 고려한다면, 안전과 시공이 확실하며 경제적인 비탈면 구배완화공법을 적용함이 가장 합리적이라고 판단되어 비탈면 전 구간에 걸쳐 구배를 1:1.2 이하로 절취하는 대책공법을 제시하였다(Fig. 7). 더불어 설계규정에 맞도록 직고 10 m, 폭 1 m 소단을 설치하고, 추가로 비탈면 법면에 낙석 방지망 설치나 녹생토를 t = 10 cm 설치하며 낙석방지울타리를 설치하도록 제안한다. Table 7에는 설정한 강도정수를 이용하여 비탈면의 구배를 완화한 후의 안정성 검토 결과를 나타내었다.

Fig. 7. Safety factor (Fs) determined at Sta. No. 0+100 and Sta. No. 0+040 in the rainy season after relief of the gradient on the srudy slope.

Table 7. Safety factor (Fs) by section after relief of the gradient on the studied slope.

토의

이제까지 비탈면 안정성 관련 국내 연구들은 통상적인 조사법 개선, 분석 모델링에 대한 제시, 지역 사례연구 등으로 비탈면 내 암석 및 불연속면의 위치 및 발달 정도에 대해 다양하게 나타남에도 불구하고 비탈면 하나에 대해 통상 사면의 높이가 가장 높은 부분을 대표 단면으로 설정하여 한계평형 해석과 안정성 검토를 제시해 왔다. 비탈면 내 대표적 단면 하나에 대해 지질횡단면도로 제시 및 안정성을 검토한 사례(Jang et al., 2016; Ihm and Park, 2017), 비탈면 내 불연속면의 종류를 분류하여 붕괴 원인분석과 그 대책에 관한 연구(Park et al., 2017), 3차원 한계평형법을 이용하여 산사태 안정성을 해석한 연구(Seo et al., 2008), 이종 지질을 고려한 3차원 사면안정해석 연구(Seo et al., 2011) 등이 있다.

따라서 비탈면의 불균질성과 불연속면에 대한 이방성을 고려하기 위한 방법으로 지질횡단면도의 작성을 체계적으로 수행되어야 한다. 특히, 안정성 검토 방법을 위해 비탈면 법면의 현황도와 주변 노출 암반의 현황도 자료를 주로 이용하며, 비탈면 법면의 현황도 자료를 기초로 하여 층리의 주향이 변화함에 따라 다양한 지질이 분포하며, 불연속면 종류, 배향 및 지질공학적 특성이 구간별로 다양하게 나타나는 것에 대해서도 안정성 검토에 반영할 수 있도록 비탈면 법면에 수직인 복수의 단면을 대표로 선정하여 지질횡단면도를 작성하고 분석할 필요가 있다. 또한, 평사투영 해석으로는 파괴 유무와 양상이 파악되지만, 각 대표 단면을 더욱 면밀하게 지질횡단면도로 제시하고 하나의 비탈면에서도 촘촘한 간격으로 많은 지질횡단면도에 대해 한계평형해석의 기본 도면으로 활용한다면 더욱 정확한 비탈면의 3차원적 안정성 검토가 수행될 것으로 판단된다.

결론

본 연구는 신생대 제3기 현무암 지층과 단층 및 파쇄대가 다수 발달하고 있는 절취 암반비탈면으로써 법면의 주향이 N44°E에서 NS~N50°W로 바뀌고 다시 N70°E로 변하는 원추형 형상을 나타낸다. 비탈면 내 불연속면은 단층과 단층대 및 파쇄대, 전단절리 및 인장절리가 발달한다. 구간별 파괴 규모와 유형은 비탈면의 배향과 불연속면의 배향에 따라 다양하나 평면파괴 및 쐐기파괴가 우세하고, 파괴암체의 크기는 0.002~2 m³이다. 파괴암체의 하중은 평균적으로 약 4 kN/m으로 계산된다. 평사투영해석 결과, 파괴암체의 붕괴방향은 단층 및 단층대를 따른 평면파괴가 남동 방향, 단층과 전단절리를 따른 쐐기파괴가 북동방향의 50°로 추정되며, 파쇄대를 따른 원호파괴 및 일부 인장절리에 의해 전도파괴가 중력방향으로 예상된다. 비탈면 대상 현황도 자료 및 비탈면 SMR, 암석 물성시험 및 역학시험, 평사투영, 구간별 지질횡단면도 분석 및 한계평형해석을 통하여, 3개의 대표 단면 모두 허용안전율이 크게 미달하여 대책공법이 필요하였다. 따라서 안전성, 경제성 및 현장 특성 등을 고려하여 비탈면 안정성에 최적의 대책공법은 사면구배완화공법과 더불어 녹생토 표면처리공법 + 낙석방지울타리 설치를 제시하였다. 대책공법 적용 후 비탈면의 안전율은 모두 허용안전율을 상회 하였으며, 비탈면 현황도 자료와 비탈면 법면에 수직인 지질횡단면도, 지질횡단면도를 대표 단면으로 이용하여 검토한 한계평형해석 및 대책공법 제시는 비탈면 3차원 해석 및 안정성 검토의 주요한 수단이 될 것으로 예상한다. 특히, 비탈면의 주향이 다양하게 변화하는 경우는 지질횡단면도의 작성이 필요하며, 한계평형해석에 활용한 대표 단면은 구간별 지질횡단면도으로 기본 도면 설정의 필요성이 요구된다.