1. 서 론
우리나라는 4계절이 뚜렷하여 겨울에는 북서풍이 불어오고, 여름에는 남풍이 불어온다. 겨울의 북서 계절풍은 속도가 빨라 차고 건조하나 여름의 남풍은 겨울보다 속도가 느리며, 무덥고 습하다. 계절성 바람은 산악지형이 많은 우리나라에서 겨울에는 북서풍에 의해 산악지형과 경사면의 북서측 토양을 동결시키고 쌓인 눈이 잘 녹지 않아 토양 속에 남아 있게 되며 여름에 남풍은 남측토양 사면을 건조시키는 역할을 한다.
흙 속의 물이 얼면 동상 현상으로 체적 팽창이 일어나는데 동결할 용적의 최대 9%까지 팽창하고 지하수가 공급되면 지속적으로 팽창하게 된다.
평지와 달리 국토의 70% 이상이 산지인 우리나라에서 환경적인 영향에 의한 산사태 발생 뿐만 아니라 도심지형에서도 도로 건설 시 인위적으로 발생한 도로 비탈면에 옹벽,석축 등 시설물 설치가 이뤄지고 있다. 인구밀집도가 높은 도심에 설치되는 도로시설물 붕괴 시 불특정 다수에게 인명피해를 유발할 수 있어 매년 시설물 관리 예산을 편성하여 지속적인 안전점검과 보수보강을 시행하고 있으며, 붕괴 위험 비탈면의 원인을 사전에 파악하고 제거하기 위한 연구도 지속적으로 요구되고 있다.
국토교통부에서는 2018년 1월 18일 ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법’을 시행했는데 법제처 국가법령정보센터의 당해 법률 개정이유에는 「재난 및 안전관리 기본법」상의 특정관리대상시설을 「시설물의 안전관리에 관한 특별법」 상 제3종시설물로 편입함으로써 국토교통부와 국민안전처로 이원화되어 있는 시설물의 안전관리체계를 국토교통부로 일원화하고, 시설물의 중요도와 안전 취약도 등을 고려하여 안전점검 등의 안전관리체계를 정비하여 성능 중심의 유지관리체계를 도입하는 등 전반적인 시설물의 안전 및 유지관리체계를 강화함으로써 시설물 안전에 대한 국민 불안을 해소하고 공공 안전에 만전을 기하기 위해 개정되었다.
이에 서울시에서도 비법정으로 관리하던 도로비탈면 등을 전수조사하고 재점검 정비하여 재난 발생 위험이 높거나 재난을 예방하기 위해 지속적인 관리가 필요한 시설에 대해 비법정 사면에 대한 안전등급 재분류를 위해 자체 용역을 시행하여 정밀점검 및 보수보강 대상을 선정하였다.
위험비탈면 조사는 서울시 도로사면 실태조사용역에서 급경사지 재해예방에 관한 법률 등 관련 법령과 지침에 의거 도로사면 545개소를 점검 후 대책마련 우선순위 26개소를 선정하였는데 선정 사유는 첫째, 재해위험도 점수 순위 둘째, 시설물 규모 셋째, 피해도 위험 정도 순위로 선정하였다. 대상지는 현재는 위급하진 않지만 장기 방치 시 위험이 가중 될 것으로 예상되어 반영구적인 안전조치가 필요한 시설물이다. 본 용역 결과를 토대로 금번 선정된 26개소 비법정 사면은 안전점검 주기가 없었기 때문에 반기(6개월)에 1회 안전점검 실시토록 내부 방침으로 규정하였다.
Table 1은 정비 우선순위 목록이다. 서울시 ‘도로사면실태조사 용역결과(2021)’를 검토 중 그늘진 도로 비탈면에 위험 사면이 집중 분포하고 있음을 확인하였는데 그 원인과 처리대책 마련은 당초 과업 수행에 포함되지 않아 본 용역의 과업내용으로 추가 검토할 수 없었고 방위는 26개소 특징을 정량화하기 위해 4개 방위로만 구분하였다.
Table 1.
Prioritization table for slope management measures
그 내용은 용역결과 조사대상 545개소 중 비탈면 안정을 위한 대책마련 우선 순위 26개소의 방위를 조사 결과 동측(9개소, 34%), 서측(6개소, 23%), 남측(2개소, 8%), 북측(9개소, 34%)로 나타나 남측 대비 다른 방위에 위험비탈면이 높게 분포하여 자연 기후와 지리적인 영향을 받고 있음을 보여주고 있었다.
Fig. 1은 서울시 ‘도로사면실태조사 용역결과(2021)’에서 우선 정비대상 26개의 방위를 나타낸 그래프이다.
26개소는 당초 545개소의 재해도 평가 결과 A등급(0개소, 점수 1~20), B등급(280개소, 점수 21~40), C-1등급(229개소, 점수 41~50), C-2등급(36개소, 점수 51~60)에서 재해위험도 평가 점수가 가장 높은 C-2등급 36개소의 정밀조사 결과 위험성이 낮은 10개소를 제외한 수량이다.
결과를 볼 때 일조량이 풍부한 남측 비탈면 대비 그늘진 비탈면에 대한 학술적 연구가 필요하게 되었다.
기존 토질의 동결융해 관련 선행 연구에서는 신뢰할 수 있는 평가 결과를 얻기 위해 산지 비탈면의 흙 시료를 채취하여 직접전단 실험으로 토질의 성분별 특성을 분석하고, 수치해석적 방법으로 동결융해 반복횟수에 따른 사면의 안정성의 변화를 검토하였다.
Shin et al.(2015)은 ‘토질의 동결융해 반복에 따른 사면의 안정성에 관한 연구’에서 동결융해 반복에 따른 산지 사면의 안정성 변화를 연구하기 위하여 산지 사면의 표토에 분포하는 통일 분류법 상의 SP와 SM계열의 흙 시료를 채취하여 직접 전단 실험으로 동토 전단강도에 대한 특성을 분석하고, 수치해석적 방법으로 동결융해 반복 작용에 따른 화강 풍화토의 강도 감소 특성과 흙 시료의 동결융해 작용 시의 사면 안정성의 변화를 검토하였다.
그 결과 최대 전단응력은 약 10% 정도 감소하였고, 사면 안정성 해석 결과 비 동결 시료에 비하여 요구 안전율 이하의 경우가 있음을 확인하였다.
Lee et al.(2019)‘a’는 국내 산사태 발생지 446개소 특성분석 결과 N(북사면)이 180개소(40.3%), Lee(2018)‘b’는 산림환경인자를 이용한 산사태위험성 예측 기법의 개발에서 전국 산사태지 사면방위 조사 결과 산사태 발생지 747개소 중 N(북사면)에서 306개소(42%), Jung et al.(2008) 경북지역 산사태 발생지 172개소 방위 조사 결과 북동(38.4%), 북서(32%)로 나타났다.
중국 Wang et al.(2023)은 얼어붙은 렌즈는 녹은 물의 침투를 막는 장벽 역할로 공극 수압 소실을 방해하여 그늘진 경사면에 산사태 발생하기 쉽게 만들었으며, 중국 Guo et al.(2024)은 동결-해빙 산사태는 추운 지역에서 발생하는 특별한 유형의 지질학적 재해라는 점을 지적할 가치가 있고, 겨울에 토양이 얼고 여름에 해동되는 반복적인 현상과 밀접한 관련이 있으며, 동결 해빙 계면에서 수분 재분포 및 해동된 물의 축적을 유도하며, 토양 구조 손상과 기계적 특성의 약화로 결국 산사태로 이어질 수 있다고 하였다. 기존 연구는 현장 흙 시료의 전단강도 실험과 수치해석적 방법, 기존 데이터를 활용하여 주로 산사태 발생 지역에서 발생하는 동결융해에 대한 흙의 전단강도 감소 결과를 도출하였고 산사태 위치를 위성사진 데이터 등을 활용하여 북측 방위에 집중되어 있는 통계자료 제공 수준이었으나 도로 비탈면에서 방위를 고려한 북측방향 대상지의 전단강도 시험 값과 한계평형 해석결과를 비교·검토한 결과로 증명된 바는 없다. 본 연구에서는 위 연구자료와 달리 기 시행한 서울시 ‘도로사면실태조사 용역결과(2021)’에서 시행한 전단강도 시험 결과와 한계 평행해석 결과를 비교·분석하여 동결융해가 빈번한 그늘진 비탈면에서 흙의 전단강도가 감소하는 상관 관계를 도출하고자 하였다.
2. 비탈면 전단강도 시험결과 분석
서울시 “도로사면실태조사용역(’20.6.24~’21.9.16)”에서 대책마련 대상 26개소 중 풍화암 등 현장 표토 채취가 곤란한 5개소를 제외 후 21개소에서 전단강도 시험 된 결과를 비탈면의 방위별 분포 분석결과 동측 8개소(38%), 서측 5개소(24%), 남측 3개소(14%), 북측 5개소(24%)로 우선정비 수량은 동측에 많이 분포하였으나 전단강도 시험 결과에서는 방위별 분포 수량과 상관 없이 북측에 낮은 수치가 집중되어 있었다.
Fig. 2는 방위별로 나타나는 전단강도 및 마찰각의 특성을 비교하기 위해 분석한 그래프이다.
우선 서울시 도로 비탈면의 정밀안전점검 보수보강 총대상 비탈면 545개소 중 21개소에 대한 전단시험 결과를 방위별로 분류하여 비탈면 분포를 분석하였다.
그 결과 Fig. 2 그래프와 같이 동측(점착력 18.97kpa, 마찰각 29.59deg), 서측(점착력 18.00kpa, 마찰각 32.5deg), 남측(점착력 18.03kpa, 마찰각 32.97deg), 북측(점착력 17.02kpa,마찰각 30.68deg)로 나타났다. 조사대상 중 북측은 비탈면의 종류, 흙의 성분과 관계없이 다른 방위 대비 시험 값이 낮은 상태로 나타났는데 북측 점착력은 다른 방위 대비 최소 5.4% ~ 최대 10.3% 낮게 나타났으며, 방위별 평균 수치 대비 5.5% 낮았고, 마찰각은 2.4% 낮은 상태였다. 동측 대상지 중 마찰각이 제일 낮은 무기질 성분 2개소가 포함되어 있고 마찰각이 제일 높은 암석 비탈면은 남·북에 각 1개소 포함되어 방위별 평균 값 차이가 통계적으로 유의한 수준임을 확인하였다.
Table 2는 시험대상지 21개소의 방위별 마찰각 시험값을 비교하기 위한 자료이다. 그 결과 마찰각이 가장 높은 것은 암석비탈면으로 전체 대상지 2개소가 모두 마찰각이 높은 순위에 분포하였고 마찰각이 제일 낮은 것은 무기질성 토질(CL,ML)로 2개소 모두 마찰각이 낮은 순위로 분포하여 동측에 위험 비탈면이 증가하였다.
Table 2.
Friction angles ranked by orientation
Fig. 3은 방위별 토질 분포를 분석하기 위한 분석 결과 실트질(66%), 점토질(19%), 무기질(10%), 양질모래, 실트(5%)순이며, 남측에는 점토질이 나타나지 않았다.
Fig. 4는 방위별 비탈면에 미치는 일조량의 정량화를 위해 실험치 중 함수비를 분석하였는데 남측 함수비는 다른 방위 대비 최소 1.9배 ~ 최대 2.2배 낮은 상태로 나타났고, 남측은 함수비 측정 대상지 21개소 중 3개소 모두 최하위 순위에 분포하여 남향 대비 다른 방위의 비탈면에 평소 많은 수분을 함유하고 있는 것이 확인되었다.
Fig. 5는 SM(실트질 모래) 시험결과이다. 실험대상 흙의 4개가 종류 중 모든 방위에 분포되어 있고 전체 21개소 중 66%(14개소)를 차지하는 실트질 흙의 점착력과 마찰각을 조사하였는데 북측 점착력은 다른 방위대비 최소 0.1%~최대 8.4% 낮았고 평균 보다 3.9% 낮았다. 마찰각은 1.1% 낮은 상태이며, 남측 함수비는 평균 함수비 대비 27.2% 낮아 북측의 실트질 흙은 다른 방위 대비 점착력이 부족했다.
Table 3과 Fig. 6은 방위별 비탈면 종류의 안전율을 알기 위해 한계평형해석 결과를 방위별로 분석하였다. 그 결과 북측 토사비탈면은 우기 시 평균 안전율 대비 30% 낮아 다른 방위 대비 안전율이 제일 낮았고, 암석비탈면은 우기 시 평균 안전율 보다 10% 낮았다.
Table 3.
Results of slope limit equilibrium analysis
토사비탈면은 건기 대비 우기 시 안전율이 45% 급격히 낮아졌고 암석비탈면은 우기 시 29% 낮아져 토사비탈면은 암석비탈면에 비해 우기에 취약한 것으로 나타났다.
특히, 북측 토사비탈면은 건기 대비 우기 시 54% 급격히 낮아졌고 암석비탈면은 건기 대비 우기 시 24% 낮아졌다.
Table 4와 Table 5는 방위별 전단시험과 수치와 한계평형 해석결과를 비교·분석하기 위한 자료이다.
Table 4.
Adhesive strenghts and friction angles by orientation
| Orientation | Quantity | Cohesion (kpa) | Friction angle (deg) |
| East | 8 | 18.97 | 29.59 |
| West | 5 | 18.00 | 32.50 |
| South | 3 | 18.03 | 32.97 |
| North | 5 | 17.02 | 30.68 |
| average | 21 | 18.01 | 31.44 |
Table 5.
Results of shear strength and limit equili brium analysis by orientation
| Orientation | Quantity | Soil slope | Rock slope | ||
| NG | OK | NG | OK | ||
| East | 8 | 2 | 6 | 0 | 0 |
| West | 5 | 3 | 2 | 0 | 0 |
| South | 3 | 0 | 2 | 1 | 0 |
| North | 4 | 3 | 0 | 1 | 0 |
| average | 20 | 8 | 10 | 2 | 0 |
Table 4의 북측 점착력이 제일 낮은 상태를 나타내고 Table 5는 Table 4와 같은 시험대상을 한계평형 해석의 결과로 나타난 자료이다. 북측 4개소 모두 NG에 집중되었고(40%) 남측 대비 NG에 있는 수치보다 4배 높았으며, 북측에 OK가 없는 상태이다.
Table 4는 총수량이 21개소이고 Table 5에서 1개소 줄어 20개소로 줄어든 이유는 구로-047 전단시험 결과(북, C15.33, ø29)만 있고 한계평형 해석(NG, OK판정)없어 위 통계에서 제외하였다. 하지만 북측에 위치하고 총 평균 점착력 17.02kpa, 평균 마찰각 30.68deg대비 낮은 수치를 보여 좋지 않은 토질 상태를 보였다.
따라서 방위별 수량과 상관없이 북측 토질 상태가 전체적으로 좋지 않은 결과를 보였다.
Fig. 7은 방위별 비탈면에 대한 방위별 토질 종류별로 안전율을 비교·분석하였다. 한계평형 해석결과 북측 안전율이 다른 방위 대비 건기 시에는 최소 9.1% ~ 최대 82% 낮았고, 우기 시에는 최소 17.1% ~ 69.4% 낮아 북측은 토질의 종류와 상관없이 안전율이 낮은 결과로 나타났다.
Fig. 8은 방위별 비탈면의 전단강도 실내 시험 대상과 한계평형해석 결과가 동일한지 비교·분석하였다. 그 결과 전단실험결과와 같이 한계평형해석 결과에서도 토사비탈면과 암석비탈면 모두 북측이 불안정한 결과로 나타났다. 비탈면은 토사비탈면과 암석비탈면 상관없이 북측이 불안정함을 보여준다(북측 NG 구로-047 한계평형 해석 결과(NG,OK) 없어 제외하였는데 방위는 북측이고 점착력은 15.33kpa, 평균 마찰각 29.00deg으로 수치상 한계평형 해석결과 NG에 준하는 것으로 보인다.).
Table 6은 전단강도 시험한 대상 20개소에 대한 한계평형 해석 결과를 비교·분석하였다. 방위별 비탈면의 북측 4개소는 비탈면 종류와 상관없이 모두 NG였고 OK에는 없었다. 암석비탈면은 방위와 상관없이 모두 NG에 집중되었으며, 모든 방위에 OK가 없고 북측의 비탈면에 NG가 집중되고 있었다.
Table 6.
Limit equilibrium analysis results by soil composition and orientation
| Orientation | Quantity | Soil slope | Rock slope | ||
| NG | OK | NG | OK | ||
| East | 8 | 2 | 6 | 0 | 0 |
| West | 5 | 3 | 2 | 0 | 0 |
| South | 3 | 0 | 2 | 1 | 0 |
| North | 4 | 3 | 0 | 1 | 0 |
| - | 20 | 8 | 10 | 2 | 0 |
Table 7은 흙의 방위별 및 토질 성분별 전단강도 시험치 20개소의 한계평형 해석 결과와 일치 여부를 판단하기 위해 분석하였는데 북측 4개소는 모두 NG에(기준 1.2 > 안전율 수치) 분포(100%)하여 북측 토질이 안좋다는 결과를 알 수 있었다.
Table 7.
Limit equilibrium analysis results by soil composition and orientation
다른 방위 중 동측 8개 중 NG 2개(25%), OK는 6개(75%), 서측은 5개 중 NG 2개(40%), OK는 3개(60%), 남측은 3개 중 NG 1개(33%), OK는 2개(67%)로 나타났고 동서남측 NO 평균은 33%로 북측(4개소 중 4개 NG)이 현저히 낮은 상태를 보였다.
Fig. 9는 실트질 모래의 전단시험 결과와 한계평형 해석 결과의 연관성을 분석하였다.
그 결과 실트질 모래 6개소 중 남측에 NG가 0개소이나 Fig. 10 OK에는 2개소 모두 분포했고 동측 점착력이 평균 점착력보다 16% 낮고, 마찰각 북측은 4.5% 낮았다. 동측에 암석비탈면 전체 2개소 중 2개소가 집중되어 마찰각이 높은 결과가 나타났다.
Fig. 10은 실트질 모래 8개소에 대한 전단시험결과에 대한 한계평형해석 결과를 비교·분석한 자료이다. 방위별 점착력에는 별다른 차이나 특이점이 없으나 그래프는 북측을 제외한 방위에 모두 분포되어 있고 북측에 OK가 0개인 상태로 나타나 다른 방위대비 토질 전단강도가 좋지 않은 것이 그래프로 나타났다.
함수비는 남측의 평균 함수율 대비 31% 낮았다.
Fig. 9는 실트질모래와 토사비탈면 NG 남측에는 시험 대상지가 0개이고, 반대로 Fig. 10에는 OK 실트질 모래와 토사비탈면 북측은 0개인 상태로 나타났다. 이처럼 실트질 모래와 토사비탈면은 공통되게 북측의 토질이 좋지 않음을 보여주고 있다.
Fig. 11은 남측과 북측 방위별로 암석 비탈면의 전단시험 결과를 분석하기 위한 자료이다. 북측 점착력이 남측보다 2.4% 낮고 마찰각은 0.3% 낮은 상태로 나타나 암석비탈면은 방위에 대해 남측과 북측에 별다른 특징이 나타나지 않았지만 함수비는 북측이 남측보다 2.6배 높았다. 암석비탈면은 2개소로 모두 NG에 분포하고 있어 OK에는 존재하지 않았다.
Fig. 12는 토사비탈면의 점착력과 한계평형 해석을 분석하기 위한 자료이다. 방위별 점착력은 차이가 크게 없으나 남측에 NG가 0개인 상태이다.
Fig. 13은 토사비탈면의 한계평형해석 결과를 비교한 결과이다. 점착력은 방위별로 비슷하나 북측에는 OK가 0개로 다른 방위대비 토질 조건이 나쁜 것으로 나타났고, Fig. 12는 NG가 남측이 0인데 비해 Fig. 13은 북측이 OK가 0개로 나타나 특이한 대비를 이루었고 다른 방위들은 수치상 미세한 차이를 보이고 있었다.
Fig. 14는 전단강도 시험 결과 29개소 중 16개소의 한계평형해석 결과(NG)와 비교·분석한 결과이다.
북측의 안전율은 다른 방위 대비 건기 시에는 최소 14.7% 낮고 최대 20.3% 낮았다. 우기에는 -5.4(동측) 낮았고, 최대 62.2% 낮아 건기는 평균 대비 25% 낮았다. 우기 평균 대비 14.6% 낮아 다른 방위대비 북측 비탈면은 안전율이 현저히 낮은 결과를 보였고 남측에는 토사비탈면이 0개로 나타났다.
Fig. 15는 방위별 비탈면 안전율 시험 결과 29개소 중 13개소를 한계평형해석 결과(OK)와 비교·분석한 결과이다. OK가 북측에 해당하는 시험 대상지는 0개로 나타났다.
Fig. 16은 Fig. 15 안전율 그래프에서 비탈면의 원호 파괴 한계평형 해석 결과를 나타낸 대표 그림이다.
3. 결 론
본 연구에서는 동결융해가 빈번한 비탈면의 안전성 변화연구를 위해 “서울시 도로사면 실태조사 용역 결과(2021)”의 전단시험 결과 21개소와 한계평형 해석 결과 29개소를 기준으로 고찰하였다. 이를 위해 시험 대상지를 방위별 재분류, 방위별 전단강도 및 마찰각, 방위별 비탈면 안전율 등의 수치와 한계평형해석 결과를 비교 평가하여 인자들과의 상관 관계를 분석하였다.
연구의 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 현행의 동결융해가 빈번한 비탈면 안정성 변화 평가 결과의 신뢰성을 검증하고자 기존 시행된 비탈면 전단시험 결과와 한계평형해석 결과의 평가 데이터를 수집하고 이를 기반으로 상관 관계를 분석하였다.
그 결과 전단강도가 낮게 나온 수치값과 한계평형해석 결과(NG)가 일치하였고 다른 방위대비 북측 비탈면이 모두 불안정한 것으로 연구 결과가 도출되어 비탈면의 불안전성을 분석하기 위한 한계평형 해석은 유효한 것으로 분석되었다. 토질성분과 관계없이 전단시험과 한계평형해석 결과는 북측 비탈면의 안전성이 최저인 결과가 도출되고 있었는데 이는 비탈면 총수량 545개소 중에서 수집 된 표본 수량으로 기존에 종료 된 위험 비탈면 조사 용역 결과로써 변동성이 없는 것을 감안하면 현행의 비탈면 유지관리 방식에서 동결융해가 많은 북측 비탈면과 남측 비탈면을 동일한 조건으로 보고 설계 및 시공, 유지관리하는 것은 안전관리상 오류가 있음을 시사한다.
(2) 비탈면 전단강도 시험은 3월 말~4월 초 결과이다. 시험 시기를 계절별, 시간별로 세분화될 경우 시험 결과는 더욱 뚜렷하게 나타날 것으로 보이므로 토질의 전단강도, 비탈면의 토질성분, 계절별 자연 조건에 따라 전단시험의 결과는 변동될 수 있다.
본 연구는 기존 도로비탈면 설계와 유지관리, 안전성 평가에서 다루지 않은 방위별 동결융해가 빈번한 비탈면을 연구하기 위해 현장 전단시험 결과와 한계평형해석 결과를 비교·분석하여 방위별 도로비탈면의 위험성에 대한 설계와 유지관리 방안을 도출할 수 있도록 초석을 다졌다.
향후 연구에서는 상기와 같은 결론들을 종합해 볼 때 도로비탈면의 동결융해 영향 범위는 북측 도로비탈면의 방위를 고려하여 산정되어야 한다.
이에 본 연구결과에 의한 한계평형 해석 모델을 활용하여 검토가 가능할 것으로 판단되며, 추후 토질의 성분과 계절 및 시간에 따라 변화되는 변수들에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
