불포화 사면의 표면파괴에 대한 강우 침투 영향성의 실험적 연구

Abstract

최근 지반 공학 연구 분야에서 불포화토에 대한 관심이 급증하고 있다. 이는 실제 공학적인 문제에서 접하게 되는 많은 지반이 불포화 상태로 존재하며 이러한 지반은 고전적인 포화토의 개념과 일치하지 않는 거동특성을 나타내기 때문이다. 자연지반은 지하수위를 기준으로 포화영역과 불포화영역으로 나눌 수 있다. 불포화토는 공기, 물, 흙 입자의 삼상구조로 이루어져 있으며 간극을 채우는 공기와 물의 압력차에 의한 표면장력으로 인해 모세관 현상과 흡착 현상이 일어나게 되고 이로 인해 부 간극수압이 유발된다. 이런 부 간극수압은 불포화토의 역학적 거동을 지배한다. 불포화토의 거동특성은 기상요인에 크게 영향을 받으며, 그 중에서도 지반의 함수비 변화를 유발하는 강우조건에 가장 큰 영향을 받는다. 강우 시, 지반은 강우 침투에 의해 표면지반부터 함수비 변화를 경험하며 함수비 변화는 불포화토의 간극수압 변화를 가져오기 때문에 불포화토의 거동특성이 변하게 된다. 대부분 지반은 표면이 노출되어 있기 때문에 강우에 따라 습윤, 건조과정을 반복하며 이 과정에서 불포화토의 간극수압의 증가로 인해 체적과 강도의 변화가 발생하게 된다. 가장 일반적인 불포화 지반 구조물로는 사면을 들 수 있다. 사면은 도로, 댐 등 여러 지반 구조물에 포함돼있으며 국토의 대부분이 산지인 우리나라의 경우 건설 부지의 부족으로 인해 사면의 이용이 급증하고 있는 상황이다. 이로 인해 최근에도 사면이 종종 파괴가 일어나고 있다. 일반적으로 사면의 파괴는 강우에 의한 지하수위의 상승으로 인해 지반의 전단강도가 감소하여 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 실제 일어나고 있는 사면의 파괴는 강도적인 측면에서의 깊은 파괴 형태가 아니라 사면의 표면에서 일어나는 표면파괴가 일어나고 있으며, 실제 강우로 인한 지하수위의 상승 또한 사면의 표면까지 유발되지는 않는다. 대부분의 사면파괴는 집중강우시나 혹은 강우가 온 직후에 발생한다. 자연 사면의 경우 사면의 표면 파괴는 지하수위의 상승을 동반하지 않으며 표면으로부터의 강우 침투가 주원인으로 알려져 있다. 그렇기 때문에 사면의 안정성 평가를 위해서는 강우에 의한 지반의 수리학적 거동을 파악해야한다. 강우에 의한 침투는 지반 내 함수비의 변화를 가져오며 불포화 지반의 특성인 모관흡수력의 변화를 가져온다. 이러한 변화는 사면의 강도를 감소시키는 주원인이 된다. 본 연구에서는 사면 표면 파괴에 대한 정확한 원인 규명을 위해 국내 풍화토에 대한 침투특성을 실험적으로 파악하고자 일차원 연직침투 실험을 수행하였다. 균질지반에 대해 강우침투에 미치는 간극비의 영향성을 검증하였으며 강우강도가 상부층의 투수계수보다는 작고 하부층의 투수계수보다는 큰 경우의 이층지반에 대해서 발생할 수 있는 폰딩(ponding)효과를 실험적으로 검증하였다.