1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
1.2 연구동향 분석
2. 통계분석을 이용한 전단강도 산정모델
2.1 개요
2.2 전단강도 산정모델
3. 연구지역의 지형 및 지질, 토질 특성
3.1 지형 및 지질 특성
3.2 토질 특성
3.3 지질별 산사태지역의 토질특성
4. 전단강도 산정모델
4.1 화강암 토층의 점착력 산정모델
4.2 화강암 토층의 내부마찰각 산정모델
4.3 편마암 토층의 점착력 산정모델
4.4 편마암 토층의 내부마찰각 산정모델
4.5 지반정수 산정모델의 유효성 검증
5. 결 론
1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
국내에서는 기후변화로 인하여 과거 강우량을 초과하는 강우가 많이 발생하고 있으며, 자연재해로 인한 인적 및 물적 피해가 지속적으로 증가되고 있다. 특히, 2017년 산사태 취약지역 실태조사 결과, 전남은 강원지역 다음으로 산사태 취약지역이 밀집한 것으로 나타났으며, 최근 10년간 지역별 산사태 피해현황 분석결과, 호남권에서 443건의 산사태 피해로 산사태에 대한 위험성이 높아지고 있다(Korea Forest Service, 2018). 지난 30년간 기상관측소에 관측된 강우자료를 확인해보면, 6~9월 평균 강수량은 1986~1996년대에는 710mm, 1997~2005년대에는 814mm로 매년 증가하였다(Lee et al., 2012).
자연사면에서 산사태는 대부분 집중호우로 구성물질의 단위체적당 중량이 증가되고 붕괴면의 저항력이 감소되므로 산사태가 발생하기 때문에 강우에 의한 영향이 가장 크다고 할 수 있다(Hong and Kim, 1990). 또한, 강우 외에 산사태 발생 요인으로는 지형, 지질, 토질, 지진 및 식생 등이 있다(Olivier et al., 1994; Cho, 2006). 지형의 요소 중 사면의 경사는 사면파괴의 형태를 결정짓기 때문에 산사태 발생 요인으로 매우 중요하며, 지진은 암반 내의 일시적인 강도변화 및 토층의 응집력이 약화되어 산사태가 발생할 수 있다. 그리고 암반을 구성하는 지질에 따라 암반의 풍화, 전단작용, 절리작용, 사면물질의 약해짐, 불리한 불연속면(절리, 엽리, 층리, 부정합, 단층)의 방향 및 투수성 등이 산사태 발생에 영향을 줄 수 있으므로 중요하게 고려되어야 한다(Highland and Johnson, 2004). 산사태의 파괴물질은 사면을 구성하고 있는 물질이라는 점에서 파괴 메커니즘을 분석하는데 매우 중요한 요소이다. 자연사면의 산사태는 대부분이 기반암을 피복하고 있는 상부의 표토층에서 발생하기 때문에 이 표토층을 구성하고 있는 매질 즉, 붕적층의 물리적 및 공학적 특성은 산사태 발생과 관련하여 특히 중요한 의미를 갖는다(Sewell and Fletcher, 2000).
본 연구에서는 호남권에서 발생하였던 대규모 산사태 자료를 토대로 하여 산사태와 관련되는 제반 특징들을 파악하였다. 또한, 지질별로 구분하여 산사태와 관련한 토질특성을 정확하게 분석함으로써 산사태의 주요 인자가 되는 지반정수의 특성을 분석하고 그 결과를 활용하여 산사태에 유의한 영향인자로 간주되는 전단강도를 물리적 특성만으로 예측할 수 있는 다중회귀모델을 개발하고 모델의 예측 정확도를 검증하고자 하였다.
1.2 연구동향 분석
산사태는 사면지역의 지형학적, 지질학적 및 지반공학적 특성에 따라서 그 형태, 규모 및 발생빈도 등이 다르게 나타날 수 있다. 국내 산사태는 대부분 붕적토, 충적토 및 잔류토 등의 미고결 층 즉, 강우로 인한 단위중량 증가, 간극수압 상승, 표면 침식 등에 의하여 발생하여 토석류 산사태에 해당한다. 이와 같이 토석류 산사태의 발생위치는 생활권과 떨어져 있고 소규모이나, 산사태 물질은 대부분 모래 입자보다 큰 암편으로 구성되어 있으며, 빠른 속도로 사면하부로 이동하므로 사면하부에 큰 피해를 줄 수 있다(Chae et al., 2005).
자연사면을 구성하는 물질 중 암반의 상부에 위치한 층을 표토층이라 하며, 토층의 특성을 분석하기 위해서는 실내실험이나 현장실험의 토질실험결과가 필요하다. 토층에서 발생되는 산사태는 토층 물질의 토질특성과 직접적으로 관계가 있다. 특히, 우리나라와 같이 집중호우로 인해 발생하는 산사태는 토층의 기본적인 물성들 외에 밀도, 간극, 전단강도와 같은 공학특성과 관련되므로 다양한 시험방법과 그 결과를 적용방법을 이해하는 것은 중요한 사항이다. 또한, 산사태 발생과 지질조건 및 토질특성의 상관성을 분석하기 위해서는 지질 및 토층 분포의 특성을 고려하여 각각의 대표시료에 대한 지반특성을 평가하는 것이 바람직하다.
본 연구와 관련하여 기존에 외국에서 수행되었던 자연사면 산사태의 연구 동향을 살펴보면, Mathewson et al.(1990), Sitar et al.(1992), Brand(1981) 등은 강우로 인한 산사태는 증가된 간극수압과 침투력에 의해 토층의 유효응력과 전단강도가 감소됨으로서 붕괴됨을 보고하였다. Liener et al.(1996)은 수문자료와 토질자료로부터 안전율을 구하고 여기에 지형자료를 중첩 분석함으로써 산사태 위험지수를 평가할 수 있음을 보고한 바 있다. 그리고 Turrini and Visintainer(1998)는 산사태와 관련된 여러 인자들을 이용하여 GIS 중첩방법으로 산사태 예측도를 작성하였다. 또한 인공신경망 기법은 패턴 인식 및 분류에 사용되는 비선형 학습 모델이며 최근 많은 연구자들이 제안하고 있는 방법이다(Ermini et al., 2005; Kanungo et al., 2006).
우리나라에서의 기존 산사태 연구들을 살펴보면, Choi(1986)이 산사태의 유형과 발생요인 및 예지 등에 관한 연구를 수행하였으며, 통계적 방법을 이용한 산사태를 예측하는 연구는 Kim et al.(1998, 2003, 2004)에 의하여 수행되었는데, 이들 연구는 기 발생된 산사태로부터 산사태에 유의한 지질공학적 인자들을 추출하여 상호관계를 통계적으로 분석하여 산사태 발생을 확률론적으로 예측하였다. Lee et al.(2005)은 인공신경망기법을 적용하여 강릉지역에서 발생한 산사태의 취약성분석을 수행하였으며, Park and Lee(2022)는 물리사면 모델을 활용한 정량적 산사태 취약성 분석기법과 Lee et al.(2021)은 로지스틱 회귀와 인공싱경망을 이용한 지역 산사태 취약성 분석을 수행한 바 있다. Yang et al.(2024)은 2019-2021년 300개소를 대상으로 11개 토양 및 지질환경 인자를 분석한 결과, 땅밀림 우려지가 일반산지에 비해 내부마찰각이 낮고, 풍화암은 층후가 얕으며, 지질 이상대가 많은 것으로 확인하였다. Jeong et al.(2024)은 2011년 밀양 토석류를 대상으로 링 전단시험과 유변학적 시험을 수행하여 잔류 전단강도(2-10kPa)와 항복강도(0.3-0.5kPa)를 측정하고, 고체 체적농도 44% 이하에서 토석류가 완전히 유동화됨을 확인하였다.
지금까지의 산사태연구는 주로 발생시기의 강우 양상이나 발생지역의 지형조건에 초점이 맞춰져 진행됐다. 반면에 호남권에서 비슷한 시기에 지질조건이 서로 다른 지역에서 집중호우로 인해 발생한 산사태를 대상으로 한 조사 및 시험결과를 통계적으로 분석하여 지형이나 지질 및 토질특성을 산사태와 관련지어 분석한 연구사례는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 지질조건(편마암, 화강암)이 다른 호남권의 2개 지역의 대규모 산사태에 대한 산사태의 주요 인자가 되는 지반정수의 특성을 분석하였고, 통계분석을 통하여 물리적 특성만으로 전단강도의 정략적 관계를 규명하였으며, 현장 적용이 가능한 간편 산정모델을 제시하였다.
2. 통계분석을 이용한 전단강도 산정모델
2.1 개요
산사태를 이해하기 위해서는 지반의 물리화학적 특성뿐만 아니라 전단특성에 대한 지식이 필요하다. 산사태 발생원인은 매우 다양하고 그 유발요인에 따라 지반특성이 다르게 나타난다. 일반적으로 지반의 투수특성은 주로 사면의 사전 안정성 및 붕괴 전후단계에서 나타나는 지반변형을 이해할 목적으로 사용된다. 여기서 포화 및 불포화 지반에 대한 응력변화는 사면의 안전율 산정에 중요한 인자이다. 또한, 전단특성은 사면의 안정성과 토석류 확산성 평가에 중요한 영향인자로 사용되고, 포화된 토층지반의 전단강도는 토석류의 이동거리와 이동속도에 영향을 미치게 된다. 그리고 전단특성은 배수, 압밀 및 전단속도 등의 제어조건에 따라 서로 다른 응력-변형 특성을 가지며, 강도특성은 응력이력, 입자간 상호작용, 결합력, 구조, 비등방성 및 간극률에 의존한다.
본 연구에서는 해당지역의 토층조건을 고려하여 포화상태의 토층시료에 대한 정수위투수시험과 직접전단시험을 수행하였다. 산사태지역의 토질특성에서 주요 토질정수인 투수계수 및 전단강도를 측정하는 시험방법이 기본적인 물성시험들에 비해 복잡할 뿐만 아니라 시험자의 숙련도를 필요로 한다. 그리고 산사태가 발생한 지역에서의 토질특성을 파악하고 파괴메커니즘을 규명하기 위해서는 여러 지점에 대한 투수계수와 전단강도 정수가 필요하기 때문에 시험자료를 얻기 위해서는 많은 시간과 비용이 소모되는 단점이 있다.
또한, 통계적인 기법으로 상관성분석과 회귀분석이 활용되었다. 독립변수와 종속변수 간의 상관성을 분석하는 전통적인 통계방법으로는 상관성분석이 보편적으로 사용되고 있다. 상관성분석은 두 변수 사이의 선형관계가 있고 없음에 대하여 분석하는 것이다. 그리고 상관성분석에서는 두 변수사이의 관계가 있고 없음에 대한 추론이 그 주요 목적다. 그러나 한 변수의 값으로부터 다른 변수의 값을 예측하고자 하는 경우가 흔히 있다. 이러한 경우에는 어떤 수학적 모형을 가정하고 그 자료로부터 모형을 추정하여 예측하거나 또는 통계적 추론을 통하여 상관식을 만들어내는 통계적 분석방법이 곧 회귀분석이다.
(1) 상관성 분석
상관성 분석에서 상관관계에 있다는 것은 변수간의 관계에서 둘 이상의 변수들에 있어 한 변수가 변함에 따라 다른 변수가 어떻게 변하는지 정도를 나타내는 것을 상관관계라 한다. 또한, 한 변수가 변하는 특성에 따라 다른 변수가 어떻게 변하는지 그 변동을 예측하는 방법이 상관성 분석이다.
상상관계수는 변수 간에 관계의 정도와 방향을 하나의 수치로 요약해서 표시해 주는 지수로서 0에서 1사이 절대값으로 표현된다. 이 때 0에 가까울수록 상관관계는 낮아지며, 절대값 1에 가까워질수록 상관관계는 높아지는 것을 의미한다.
상관분석에 있어서 상관계수 R의 절대값이 클수록 두 변수의 관계가 높다고 할 수는 있으나, 계수의 절대값이 작다고 그 가치가 중요하지 않다고 단정할 수는 없다. 따라서 다양한 분석기법을 사용하여 조사 및 해석 결과의 가치에 따라 그 상관관계를 파악해야 한다. 한편, 상관계수 R에 따른 상관관계 정도는 Table 1에서 보는 바와 같다.
Table 1.
Correlation based on correlation coefficient R in correlation analysis (Cohen, 1988)
| Correlation coefficient (R) | Correlation |
| ± 0.9 or more | Very high correlation |
| ± 0.7∼0.9 | High correlation |
| ± 0.4∼0.7 | Moderate correlation |
| ± 0.2∼0.4 | Low correlation |
| less than ± 0.2 | Very low correlation |
또한, 유의확률 p계수는 대립가설(변수 간의 상관관계가 있음)과 귀무가설(변수 간의 상관관계가 없음)을 결정할 때 중요한 지표로 활용된다. 따라서, 유의확률 p의 계수에 따라 p<0.05일 때 대립가설로 판단할 수 있으며, p>0.05일 때 변수 간의 상관관계가 없는 귀무가설이 채택될 수 있다.
이러한 상관관계의 특성은 상관관계에 있다는 것이 인과관계가 성립하지 않을 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 즉, 독립변수(X)와 종속변수(Y)의 관계일 수도 있고, 아닐 수도 있는 것이다. 일반적으로 상관관계는 양의 방향인지 음의 방향인지 하는 관계의 방향이 포함되어 있고, 관계의 정도를 나타내는 상관계수는 확률적인 표현으로 나타난다.
이처럼 상관관계의 계수는 두 변수의 상관성에 대한 예측을 나타내는 것이고 측정치가 아닌 하나의 지수이므로 변수의 관계 비율이나 백분율과는 다르다. 따라서 상관관계 계수끼리의 가감승제는 불가능하고 상관관계의 결정계수는 상관관계 계수를 제곱하여 나오는 값이다.
(2) 회귀분석
상관성 분석을 수행한 후 상관계수를 이용하여 두 변수의 관계는 파악할 수 있으나, 변수와의 정확한 관계는 알기 어렵다. 따라서 둘 이상의 변수가 다른 하나의 변수에 미치는 영향을 파악하고, 독립변수에 따라 종속변수가 어떻게 변화하는지 분석하기 위해 한 변수의 값을 가지고 다른 변수의 값을 예측하는 방법이 바로 회귀분석이다.
상관관계와 비슷하나 회귀분석에서는 둘 이상의 변수가 라는 직선의 방정식을 나타내어 더 정확하게 예측을 할 수 있다. 회귀분석은 상관분석과는 다르게 변수 간에 인과관계가 성립되어야 하며 정규분포성, 등간성 및 선형성 등의 조건이 필요하고 잔차 등을 검정해야 하는 복잡한 과정이 필요하다. 회귀분석은 회귀방정식이라 할 수 있는 라는 직선의 방정식을 구하는 것이다.
Fig. 1에서와 같이 두 집단의 분포그림에서 각 분포에서의 직선과 각 개별값들의 편차가 가장 적게 나타나는 가상의 직선들을 그어 보면, 편차는 모두 더하면 0으로 나오기 때문에 각 편차들을 제곱해서 만들어낸 값이 가장 작은 최소자승법이라고 불리는 가장 적합도가 높은 직선이 바로 회귀선이다(Kwon et al., 2004).
회귀분석은 독립변수(X)에 의하여 생기는 종속변수(Y)의 변화에 영향을 주는 값을 분석하고 기울기 B와 Y절편 A의 값을 구하는 것이다. B와 A의 값이 결정되어 회귀방정식을 구하면, 그 이후로는 X의 값만 있으면 바로 Y의 값이 얼마인지 예측할 수 있다. 종속변수와 독립변수의 분포에서 실제 분포된 종속변수의 값이 오차가 적은 직선을 찾아내는 과정을 최소자승법이라고 한다. 그리고 이 최적의 직선을 와 같은 형태로 표현할 수 있는데, 이 최적의 선이 나오는 직선의 방정식을 회귀방정식이라고 하고, 기울기 B를 회귀계수라고 하며, A를 상수라고 한다. 이렇게 직선의 방정식을 구하여 인과관계를 예측하는 것을 회귀분석이라고 한다.
2.2 전단강도 산정모델
본 논문의 연구대상지역인 편마암, 화강암의 전단강도를 산정하기 위한 모델의 개발방법은 연구지역에서 채취한 토질시료에 대한 각종 물성시험 및 분석 자료들을 이용하여 상관성분석을 실시하였다. 그리고 상관성분석으로부터 전단강도와 관련성이 있는 토질인자들을 선별한 후 이들 선별된 인자들과 직접전단시험으로부터 구한 전단강도 즉, 점착력 및 내부마찰각에 대해 회귀분석을 실시하는 일련의 과정을 거쳐 전단강도 산정모델을 개발하였다.
Fig. 2는 전단강도 산정모델 개발을 위한 과정을 보여주는 흐름도이다.
3. 연구지역의 지형 및 지질, 토질 특성
3.1 지형 및 지질 특성
(1) A지역의 지형 및 지질 특성
본 조사지역은 전라남도 곡성군 A지역에 해당하며, 조사지역의 산계를 보면 북측에 작산-검장산-성덕산으로 부체꼴의 산계를 이루어 남측으로 발달하여 이 지역의 남동측에 백아산까지 연결된다. A지역의 지형도는 Fig. 3(a)와 같이 동측비탈면이 서측비탈면 보다 높고 가파른 경사를 이루고 있다. 동측에는 기우산 등이 독립적인 소규모 산계를 형성한다. 비교적 급한 산악지형으로 지형 윤회 과정에서 노년기에 해당한다. 지질 특성은 Fig. 3(b)와 같이 쥬라기의 대보관입암류 화강암류가 기반암으로 분포하고 있으며 이를 제4기 충적층이 부정합으로 피복하고 있다. 쥬라기의 대보관입암류는 암상과 구조에 따라서 엽리상화강암, 반려암, 각섬암, 섬록암 및 화강암류로 구분된다.
(2) B지역의 지형 및 지질 특성
본 조사지역은 전라남도 보성군 B지역에 해당하며, Fig. 4(a)와 같이 북고남저형으로 북서쪽은 산지가 발달하고 남쪽으로는 회천, 득량, 조성, 벌교가 바다와 접해있어 내륙과 해안의 특징을 모두 갖추고 있다. 지형적 조건은 동북쪽에서 남서쪽으로 이어지는 백이산~존제산~방장산~백림산은 해안지방과 내륙지방을 나누고 있으며, 서북쪽으로는 천봉산~계당산~봉화산~벽옥산~제암산이 연결되고 있어 북부지역은 높은 산과 낮은 구릉으로 형성되어 있다. 지질 특성은 Fig. 4(b)와 같이 화성암류, 화산암류, 변성암류, 퇴적암류로 구성되어 있으며 이 중 변성암류가 가장 넓게 분포하고 있다. 산사태 발생지역의 경우 시대미상의 다양한 암상의 편마암과 여러 번의 관입 작용이 있었던 것으로 조사되었다. 조사지역 암반의 풍화상태는 부분적으로 신선한 상태를 나타내는 일부지점을 제외하면 전반적으로 풍화등급 완전풍화 내지 심한풍화 해당되는 것으로 관찰되었다. 풍화로 인해 벌어진 크고 작은 틈이 매우 잘 발달해 있었다.
3.2 토질 특성
우리나라의 자연사면 산사태는 토층을 구성하고 있는 사면 매질 즉, 토석류가 집중호우에 의해 지지력이 약해짐으로써 산사태가 발생하게 되며 산사태로 인한 산사태 물질의 대부분은 토석류이다(Kim et al., 2000). Kim et al.(1998, 2000, 2003, 2004)은 주로 집중호우로 인해 자연사면에서 발생된 토석류 산사태에 관한 연구를 수행하였으며, 기 발생된 산사태를 대상으로 여러 지질공학적 자료들을 조사하여 산사태에 영향을 미치는 인자들을 추출하고, 각 인자들간 상호관계의 통계적 분석을 통해 산사태의 발생 가능성을 확률론적으로 예측하였다. 한편, Kim et al.(2000, 2004)은 강우에 의해 산사태가 발생된 지역의 자연사면 토층을 대상으로 여러 토질시험을 실시하여 지질조건에 따른 토질특성을 평가하고, 산사태발생과 토질인자들의 상관성을 분석하였다.
2개의 연구지역에서 각각 발생한 산사태도 대부분 기반암의 상부에 위치한 토층이 붕괴되어 흐르는 유동성 산사태이다. 이러한 유동성 산사태는 사면의 표층을 구성하고 있는 토층 물질의 특성을 파악하는 것이 중요하다. 지질 조건이 서로 다른 2개 지역을 대상으로 12개의 시료 샘플을 추출하여 현장에서 채취된 토층 시료에 대한 실내시험을 실시하였으며, 그 결과로부터 지질별로 구분하여 산사태와 관련이 있는 여러 토질 특성을 평가하고 각 토질특성간의 상관관계를 분석하였다. 특히, 산사태와 토질특성간의 상관성 분석을 통해 산사태에 유의한 토질 인자 및 영향요소를 파악하고 지질조건에 따른 토질특성의 차별성을 분석하였다.
3.2.1 물리적 시험결과
Fig. 5(a)는 2개 지역의 토층시료에 대한 입도시험결과를 지역별로 구분하여 시험결과들 중에서 대표적 시료의 입도분포곡선을 나타낸 것이다. A지역의 화강암 지역은 입도분포 곡선이 대체로 완만한 기울기를 보이고 입자 크기별 혼합비율이 양호하며, 균등계수가 6.67~9.09의 범위이고 곡률계수는 1~3의 범위로서 대부분 입도조성이 양호한 토층으로 평가되었다. B지역의 편마암 지역은 입도분포곡선이 대체로 완만한 기울기를 보이고 조립자와 세립자가 적당히 혼합되어 있으며, 균등계수가 9.40~17.2의 범위이고 곡률계수는 1~3의 범위로서 대부분 양입도의 조건을 충족함으로써 입도조성이 양호한 토층으로 평가되었다.
A지역 및 B지역 모두 모래크기 입자들의 구성비가 높고 실트나 점토크기의 세립들은 함유 비율이 10% 내외로서 비교적 낮은 편이다. 입도별 평균 함유 비율을 지질별로 구분하여 살펴보면, A지역은 화강암 지역으로 자갈 함유량은 평균 5.6%이고, 모래 함유량은 평균 85.5%, 세립자의 함유량은 평균 8.8%인 것으로 분석되었다. B지역은 편마암 지역으로 자갈 함유량은 평균 15.1%이고, 모래 함유량은 평균 71.2%, 세립자의 함유비율은 13.8%인 것으로 분석되었다. 화강암 토층은 편마암 토층에 비해 모래의 비율이 높았으며, 편마암 토층은 자갈 및 세립분 함유량이 화강암 토층 보다 높게 나타났다.
이러한 양상은 토층지반의 조성상태 및 풍화현상과 연관되는 지질특성에 기인한 결과로 볼 수 있다. 즉, 풍화에 강한 화강암지역은 모래크기 입자의 함유비율이 상대적으로 더 높은 반면에 풍화에 약한 편마암지역은 세립자의 함유비율이 더 높은 결과가 나타났다.
액성한계와 소성한계 등 연경도 시험을 실시하여 토층의 연경도를 고찰하였다. 2개 지역의 토층시료에 대한 액소성한계를 Fig. 5(b)와 같이 나타내었다.
화강암 토층의 액성한계와 소성한계 평균은 25.3, 15.4%의 범위이고, 편마암 토층의 액성한계와 소성한계 평균은 25.9, 14.2%로 거의 유사한 경향성을 보였다.
이와 같이 액성한계와 소성한계로서 각 지질별로 연경도를 비교한 결과, 평균치에 있어 액성한계는 거의 동일한 결과를 보였으며, 소성한계는 화강암 토층이 높은 것으로 나타났다. 각 시료별 자연함수비를 액성한계에 대비하였을 때 편마암 및 화강암지역은 모든 토층시료의 자연함수비가 액성한계에 비해 더 낮게 나타나 강우에 의한 포화로 인해 토층의 지지력이 약해져 산사태가 발생할 가능성이 있음을 확인하였다.
2개 지역 토층시료의 간극률 및 단위중량 시험결과를 지질별로 구분하여 Fig. 5(c)과 같이 나타내었다. 화강암 토층의 간극비는 평균 0.78이고 간극률은 평균 43.7%인 것으로 나타났다. 그리고 습윤단위중량과 포화단위중량의 평균은 1.56t/m3 및 1.92t/m3이고, 건조단위중량은 평균 1.49t/m3인 것으로 나타났다. 편마암 토층의 간극비는 평균 1.07이고 간극률은 평균 51.7%인 것으로 나타났다. 그리고 습윤단위중량과 포화단위중량의 평균은 1.36t/m3 및 1.80t/m3이고 건조단위중량은 평균 1.29t/m3인 것으로 나타났다.
간극률은 편마암이 화강암 보다 큰 것으로 나타났으며, 건조단위중량은 간극률과는 반대로 화강암이 가장 크고 편마암이 작은 것으로 나타났다. 편마암은 간극률은 크고 건조단위중량은 상대적으로 작은 특징을 보였는데, 이는 모암의 광물조성 및 풍화양상에 따른 결과로 해석된다. 한편, 일반적으로 간극률이 크면 단위중량은 작고 간극률이 작으면 단위중량은 크게 나타나는 반비례적인 관계를 보이는 것으로 알려져 있는데, 본 연구를 통해서도 동일한 경향성을 보이는 것으로 나타났다.
3.2.2 역학적 시험결과
Darcy는 토층을 여러 등급으로 분류하였으며, 대표적으로 투수계수를 제시하였다. Braza(1998)에 따르면 토층의 투수성은 입도분포, 간극의 크기, 입자의 거칠기, 유체의 점성, 토층의 포화도 등 다양한 요인에 영향을 받으며 점성토에서 입자의 크기 등 구조는 투수계수와 매우 중요하게 관계가 있다고 하였다.
Kim et al.(2000)은 대부분의 유동성 산사태들은 집중호우가 사면을 구성하고 있는 토층을 일차적으로 포화시킨 후 배수가 원활하지 못하여 단위중량을 증가시키는 요인으로 작용하고, 이차적으로는 전단강도가 저하되어 상대적으로 중력의 영향이 크게 작용함으로써 산사태 물질이 급격히 흘러내리는 양상을 나타낸다고 보고하였다. 이와 같이 산사태의 특성을 감안할 때, 자연사면이라도 투수계수가 크고 작음에 따라 산사태의 발생 가능성이 다를 수 있다.
Fig. 6(a)는 투수시험으로부터 구한 2개 지역 토층시료의 투수계수를 평균치로 기준하여 나타낸 것이다. 화강암 토층의 투수계수는 평균 6.49×10-3cm/sec이고, 편마암 토층의 투수계수는 평균 1.37×10-4cm/sec인 것으로 나타났다. 이들은 모두 Darcy에 의하면 조립이나 중립질 모래 정도의 투수계수에 해당하는 것으로서 투수성이 보통~빠른 편의 지반으로 평가되었다.
이처럼 2개 지역의 투수시험 결과, 화강암 토층이 가장 큰 투수성 지반이고 다음으로 편마암 토층의 투수성이 작은 것으로 분석되었는데, 이는 주로 토층 물질의 입도특성에 좌우되는 것으로서 토층지반의 상대밀도를 나타내는 간극이나 단위중량 등과도 상관성이 있으며 궁극적으로는 지질조건과 관련된다고 볼 수 있다. 즉, Braza(1998)가 모래질과 세립토가 주를 이루는 편마암지역에 비해 대부분 자갈이 섞인 모래질의 화강암지역은 입도가 더 조립이어서 물의 통로가 되는 간극이 더 큰 것을 확인하였다. 한편, 산사태는 기반암과 그 상부토층과의 경계부에서 발생하므로 투수성이 양호하면 토층이 더 쉽게 포화될 수 있어 하중이 증가될 뿐만 아니라 유입수가 더 빠르게 사면 경계부에 침투됨으로 사면파괴요인으로 작용할 수 있다.
자연사면의 산사태가 대부분 기반암의 상부에 위치한 토층이 붕괴되어 발생하는 것이므로 본 연구에서는 토층만을 대상으로 하여 전단특성을 파악하였다. Fig. 6(b)는 직접전단시험에 의한 2개 지역 토층시료의 전단강도를 점착력과 내부마찰각으로 구분하여 표현한 것이다. 화강암 토층의 점착력 및 내부마찰각은 평균 8.4t/m2 및 31.2° 인 것으로 나타났는데, 이는 중간정도의 사질지반에 해당하는 값이다. 편마암 토층의 점착력 및 내부마찰각은 평균 13.5kN/m2 및 28.5° 인 것으로 나타났다. 이는 다짐도 느슨한 사질지반에 해당함을 알 수 있다. 이처럼 2개 지역 토층시료에 대한 전단시험 결과, 화강암 토층이 점착력은 낮으나 내부마찰각이 크게 나타난 지반이라 할 수 있으며, 편마암 토층은 점착력이 높고 내부마찰각이 낮게 나타난 지반이라 할 수 있다.
전단강도가 토층사면의 안정성과 밀접하게 관련되어 있음을 상기할 때, 이처럼 지질별로 서로 다른 전단강도 특성으로 인해 산사태가 발생할 조건 및 양상 또한 다르다고 볼 수 있을 것이다. 그리고 자연사면의 토층에서 산사태와 전단강도 즉, 점착력 및 내부마찰각은 서로 상관성이 있으며, 전단강도가 산사태발생에 유의한 영향인자로 간주된다.
3.3 지질별 산사태지역의 토질특성
집중호우로 인해 산사태가 밀집되어 발생한 지역을 대상으로 지질조건이 서로 다른 편마암, 화강암으로 구분하여 토질특성을 살펴본 결과, 지질별로 상이한 토질 특성이 관찰되었다. 물리적 성질로서 2개 지역의 토층은 입도분포곡선이 대체로 완만한 기울기와 입도분포가 양호하여 균등계수와 곡률계수가 양입도의 조건을 충족함으로써 입도조성이 양호한 토층으로 평가되었다. 비중은 화강암 토층이 편마암 토층 보다 작게 나타났으며, 자연함수비는 화강암 토층이 더 크게 나타났다.
본 연구에서 시험을 통해 나타난 각 지질별 토층의 함수비, 액성한계, 소성한계 비중 등은 Table 2와 같다. 액성한계 및 소성한계는 거의 유사한 경향성을 보였으며, 간극률은 편마암 토층이 화강암 토층에 비해 더 크고, 간극비도 편마암 토층에서 크게 나타났다. 건조단위중량은 화강암 토층이 편마암 토층에 비해 더 큰 것으로 나타났다. 시험을 통해 나타난 각 지질별 산사태 발생여부에 따른 토층의 지질별 점착력과 내부마찰각 전단특성은 지질조건에 따라 다소의 차이는 있으나 특징적으로 구분되지는 않는 것으로 분석되었다.
Table 2.
Geotechnical parameters of the study area
4. 전단강도 산정모델
4.1 화강암 토층의 점착력 산정모델
(1) 상관분석
점착력에 유의한 토질물성을 선별하기 위해 총 14개 항목의 토질물성에 대해 Pearson 상관성분석법으로 서로 간의 상관관계를 분석하였다. 그리고 Table 3에서 보는 바와 같이 화강암 토층의 점착력에 대해 각 토질물성과의 상관행렬 그래프를 작성하고 그 결과로부터 Pearson 상관계수 및 유의도를 얻었다.
Table 3.
Correlation coefficients and significance between cohesion and soil properties of granitic soil layer
화강암 토층지반에서 점착력에 대해 유의수준이 높은 토질물성으로는 세립토 함유율 및 균등계수인 것으로 분석되었다. 따라서 화강암 토층지반에서 점착력에 대해 유의수준이 가장 높은 2개 토질인자 즉, 세립토 함유율 및 균등계수를 회귀분석에 적용할 독립변수로 선정하였다.
(2) 회귀분석
앞의 상관성 분석으로부터 화강암 토층지반의 점착력 산정모델을 만들기 위해 점착력에 대해 가장 상위의 상관관계로서 유의한 토질물성에 해당하는 세립토 함유율 및 균등계수를 이용하여 직접전단시험에 의한 점착력과의 다중회귀분석을 실시한 결과 Table 4와 같다.
Table 4.
Results of cohesion model analysis by regression analysis for granitic soil layer
| Model | Unstandardized coefficient | Standardized coefficient | t | p-value | |
| B | Std. error | B | |||
| Constant | -1.533 | 1.978 | -.775 | .458 | |
| Fines content | .924 | .133 | .879 | 6.947 | <.001 |
| Cu | .275 | .297 | .117 | .925 | .379 |
회귀분석 결과에 의하면, 모델의 정확도를 나타내는 척도인 분산분석의 유의확률 P<0.001로서 매우 우수하고, 설명력을 나타내는 수정된 R제곱이 약 88.0%로서 회귀모형이 적합하다는 것을 알 수 있다.
따라서 최종적으로 화강암지역 토층지반의 점착력 산정모델은 모델계수 결과의 비표준화계수에 의해 식 (1)과 같이 정리될 수 있다.
여기서, Fines : 세립토함유율(%), Cu : 균등계수, c : 점착력(t/m2) 이다.
화강암 토층지반에서는 이 점착력 산정모델을 적용할 경우 직접전단시험을 수행하지 않고도 물성시험에 의한 세립토함유율 및 균등계수만으로 개략적인 점착력을 구할 수 있을 것이다. Lee et al.(2009)은 전단강도 중 점착력 산정을 위하여 충남 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 점착력은 간극비, 건조단위중량, 소성지수에 따라 식 (2)와 같이 나타내었다.
여기서, e : 간극비, : 건조단위중량(t/m3), PI : 소성지수(%) 이다.
Hwang(2014)은 전단강도 중 점착력 산정을 위하여 강원도 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 화강암 토층의 점착력은 세립토함유율 및 포화도에 따라 식 (3)과 같이 나타내었다.
여기서, S : 포화도(%) 이다.
선행연구와 비교·분석한 결과, 지역의 특성에 따라 점착력의 상관성은 차이가 나타났으나, 강원도 지역의 화강암 토층의 점착력은 세립토함유율이 동일한 상관관계 인자로 나타났으며, 충남 지역 토층의 점착력에서도 소성지수가 세립토함유율과 관계가 있으므로 세립토함유율에 따른 점착력의 상관성은 신뢰성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 강원도 지역의 동일한 화강암 토층의 산정모델 점착력과 비교해 보면 세립토함유율이 유의확률이 매우 높아 유사성을 갖는 결과를 나타내어 화강암 토층의 점착력은 세립토함유율에 따라 점착력이 크게 영향을 받음을 확인할 수 있었다.
4.2 화강암 토층의 내부마찰각 산정모델
(1) 상관성 분석
내부마찰각에 유의한 토질물성을 선별하기 위해 총 14개 항목의 토질물성에 대해 Pearson 상관성분석법으로 서로 간의 상관관계를 분석하였다. 그리고 Table 5와 같이 화강암 토층의 내부마찰각에 대해 각 토질물성과의 상관행렬 그래프를 작성하고 그 결과로부터 Pearson 상관계수 및 유의도를 얻었다.
Table 5.
Correlation coefficients and significance between internal friction angle and soil properties of granitic soil layer
Table 5와 같이 화강암 토층지반에서 에 대해 유의수준이 높은 토질물성으로는 간극비, 간극률, 습윤단위중량, 포화단위중량, 건조단위중량으로 분석되었다. 그러나 5개의 인자 중 포화단위중량 및 습윤단위중량은 시료를 채취한 시점의 토층상태나 계절 및 일기 등에 큰 영향을 받으며, 간극률은 간극비와 상관성이 매우 높아 비례관계식으로 얻을 수 있으므로 중복적용을 피하기 위해 이들을 제외하였다. 따라서 화강암 토층지반에서 내부마찰각에 대해 유의수준이 가장 높은 2개 토질인자 즉, 간극비 및 건조단위중량을 회귀분석에 적용할 독립변수로 선정하였다.
(2) 회귀분석
앞의 상관성 분석으로부터 화강암 토층지반의 내부마찰각 산정모델을 만들기 위해 내부마찰각에 대해 가장 상위의 상관관계로서 유의한 토질물성에 해당하는 간극비 및 건조단위중량을 이용하여 직접전단시험에 의한 내부마찰각과의 다중회귀분석을 실시한 결과는 Table 6과 같다.
Table 6.
Results of internal friction angle model analysis by regression analysis for granitic soil layer
| Model | Unstandardized coefficient | Standardized coefficient | t | p-value | |
| B | Std. error | B | |||
| Constant | -53.241 | 24.397 | -2.182 | .057 | |
| e | 23.269 | 9.228 | 1.643 | 2.522 | .033 |
| rd | 44.611 | 11.645 | 2.495 | 3.831 | .004 |
회귀분석 결과에 의하면, 모델의 정확도를 나타내는 척도인 분산분석의 유의확률 P<0.001로서 매우 우수하고, 설명력을 나타내는 수정된 R제곱이 약 84.0%로서 회귀모형이 적합하다는 것을 알 수 있다.
따라서 최종적으로 화강암지역 토층지반의 내부마찰각 산정모델은 모델계수 결과의 비표준화계수에 의해 식 (4)와 같이 정리될 수 있다.
여기서, : 간극비, : 건조단위중량(t/m3), : 내부마찰각(°) 이다.
화강암 토층지반에서는 이 내부마찰각 산정모델을 적용할 경우 직접전단시험을 수행하지 않고도 물성시험에 의한 간극비 및 건조단위중량만으로 개략적인 내부마찰각을 구할 수 있을 것이다.
Lee et al.(2009)은 전단강도 중 내부마찰각 산정을 위하여 충남 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 내부마찰각은 간극비, 건조단위중량에 따라 식 (5)와 같이 나타내었다.
Hwang(2014)은 전단강도 중 내부마찰각 산정을 위하여 강원도 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 화강암 토층의 내부마찰각은 세립토함유율 및 포화도에 따라 식 (6)과 같이 나타내었다.
선행연구와 비교·분석한 결과, 내부마찰각은 지역의 특성에 상관없이 간극비와 건조단위중량에 가장 큰 상관관계를 나타내는 것으로 나타나 내부마찰각의 상관성은 간극비와 건조단위중량에 영향을 받으며 신뢰성이 있는 것으로 확인되었다.
4.3 편마암 토층의 점착력 산정모델
(1) 상관성 분석
점착력에 유의한 토질물성을 선별하기 위해 총 14개 항목의 토질물성에 대해 Pearson 상관성분석법으로 서로 간의 상관관계를 분석하였다. 그리고 Table 7에서 보는 바와 같이 편마암 토층의 점착력에 대해 각 토질물성과의 상관행렬 그래프를 작성하고 그 결과로부터 Pearson 상관계수 및 유의도를 얻었다.
Table 7.
Correlation coefficients and significance between cohesion and soil properties of gneiss soil layer
Table 7에서 보는 바와 같이 편마암 토층지반에서 점착력에 대해 유의수준이 높은 토질물성으로는 세립토 함유율 및 균등계수인 것으로 분석되었다. 따라서 편마암 토층지반에서 점착력에 대해 유의수준이 가장 높은 2개 토질인자 즉, 세립토 함유율 및 균등계수를 회귀분석에 적용할 독립변수로 선정하였다.
(2) 회귀분석
앞의 상관성 분석으로부터 편마암 토층지반의 점착력 산정모델을 만들기 위해 점착력에 대해 가장 상위의 상관관계로서 유의한 토질물성에 해당하는 세립토 함유율 및 균등계수를 이용하여 직접전단시험에 의한 점착력과의 다중회귀분석을 실시한 결과는 Table 8과 같다.
Table 8.
Results of cohesion model analysis by regression analysis for gneiss soil layer
| Model | Unstandardized coefficient | Standardized coefficient | t | p-value | |
| B | Std. error | B | |||
| Constant | -4.980 | 2.515 | -1.981 | .079 | |
| Fines content | .551 | .149 | .519 | 3.696 | .005 |
| Cu | .957 | .244 | .552 | 3.927 | .003 |
회귀분석 결과에 의하면, 모델의 정확도를 나타내는 척도인 분산분석의 유의확률 P<0.001로서 매우 우수하고, 설명력을 나타내는 수정된 R제곱이 약 84.1%로서 회귀모형이 적합하다는 것을 알 수 있다.
따라서 최종적으로 편마암지역 토층지반의 점착력 산정모델은 모델계수 결과의 비표준화계수에 의해 식 (7)과 같이 정리될 수 있다.
여기서, Fines : 세립토함유율(%), Cu : 균등계수, c : 점착력(t/m2) 이다.
편마암 토층지반에서는 이 점착력 산정모델을 적용할 경우 직접전단시험을 수행하지 않고도 물성시험에 의한 세립토함유율 및 균등계수만으로 개략적인 점착력을 구할 수 있을 것이다.
Lee et al.(2009)은 식 (2)와 같이 전단강도 중 점착력 산정을 위하여 충남 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였고 점착력은 간극비, 건조단위중량, 소성지수에 따라 점착력과 상관관계가 있음을 확인하였다.
Hwang(2014)은 전단강도 중 점착력 산정을 위하여 강원도 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 편마암 토층의 점착력은 세립토함유율 및 균등계수에 따라 식 (8)과 같이 나타내었다.
선행연구와 비교·분석한 결과, 지역의 특성에 따라 점착력의 상관성은 차이가 나타났으나, 강원도 지역의 편마암 토층의 점착력은 세립토함유율 및 균등계수가 동일한 상관관계 인자로 나타났으며, 충남 지역 토층의 점착력에서도 소성지수가 세립토함유율과 관계가 있으므로 세립토함유율에 따른 점착력의 상관성은 신뢰성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 강원도 지역의 동일한 편마암 토층의 산정모델 점착력과 비교해 보면 세립토함유율 및 균등계수가 유사성을 갖는 결과를 나타내어 화강암 토층의 점착력은 세립토함유율 및 균등계수에 따라 점착력이 크게 영향을 받음을 확인할 수 있었다.
4.4 편마암 토층의 내부마찰각 산정모델
(1) 상관성 분석
내부마찰각에 유의한 토질물성을 선별하기 위해 총 14개 항목의 토질물성에 대해 Pearson 상관성분석법으로 서로 간의 상관관계를 분석하였다. 그리고 Table 9와 같이 편마암 토층의 내부마찰각에 대해 각 토질물성과의 상관행렬 그래프를 작성하고 그 결과로부터 Pearson 상관계수 및 유의도를 얻었다.
Table 9.
Correlation coefficients and significance between internal friction angle and soil properties of gneiss soil layer
Table 9와 같이 편마암 토층지반에서 에 대해 유의수준이 높은 토질물성으로는 간극비, 간극률, 습윤단위중량, 포화단위중량, 건조단위중량으로 분석되었다. 그러나 5개의 인자 중 포화단위중량 및 습윤단위중량은 시료를 채취한 시점의 토층상태나 계절 및 일기 등에 큰 영향을 받으며, 비중은 12개 시료 결과가 거의 유사하고, 간극률은 간극비와 상관성이 매우 높아 비례관계식으로 얻을 수 있으므로 중복적용을 피하기 위해 이들을 제외하였다. 따라서 편마암 토층지반에서 내부마찰각에 대해 유의수준이 가장 높은 2개 토질인자 즉, 간극비 및 건조단위중량을 회귀분석에 적용할 독립변수로 선정하였다.
(2) 회귀분석
앞의 상관성 분석으로부터 편마암 토층지반의 내부마찰각 산정모델을 만들기 위해 내부마찰각에 대해 가장 상위의 상관관계로서 유의한 토질물성에 해당하는 간극비 및 건조단위중량을 이용하여 직접전단시험에 의한 내부마찰각과의 다중회귀분석을 실시한 결과는 Table 10과 같다.
Table 10.
Results of internal friction angle model analysis by regression analysis for gneiss soil layer
| Model | Unstandardized coefficient | Standardized coefficient | t | p-value | |
| B | Std. error | B | |||
| Constant | -10.980 | 43.482 | -.253 | .806 | |
| e | -5.589 | 14.665 | -.187 | -.381 | .712 |
| rd | 35.364 | 21.672 | .800 | 1.632 | .137 |
회귀분석 결과에 의하면, 모델의 정확도를 나타내는 척도인 분산분석의 유의확률 P<0.001로서 매우 우수하고, 설명력을 나타내는 수정된 R제곱이 약 96.6%로서 회귀모형이 적합하다는 것을 알 수 있다.
따라서 최종적으로 편마암지역 토층지반의 내부마찰각 산정모델은 모델계수 결과의 비표준화계수에 의해 식 (9)와 같이 정리될 수 있다.
여기서, : 간극비, : 건조단위중량(t/m3) 이다.
편마암 토층지반에서는 이 내부마찰각 산정모델을 적용할 경우 직접전단시험을 수행하지 않고도 물성시험에 의한 간극비 및 건조단위중량만으로 개략적인 내부마찰각을 구할 수 있을 것이다.
Lee et al.(2009)은 식 (5)와 같이 전단강도 중 내부마찰각 산정을 위하여 충남 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였고 내부마찰각은 간극비, 건조단위중량에 따라 점착력과 상관관계가 있음을 확인하였다.
Hwang(2014)은 전단강도 중 내부마찰각 산정을 위하여 강원도 지역의 토질특성과 전단강도에 대한 상관성을 분석하였다. 분석한 결과, 편마암 토층의 내부마찰각은 간극비 및 건조단위중량에 따라 식 (10)과 같이 나타내었다.
선행연구와 비교·분석한 결과, 내부마찰각은 지역의 특성, 토층의 특성에 상관없이 간극비와 건조단위중량에 가장 큰 상관관계를 나타내는 것으로 나타나 내부마찰각의 상관성은 간극비와 건조단위중량에 영향을 받으며 신뢰성이 있는 것으로 확인되었다.
4.5 지반정수 산정모델의 유효성 검증
본 연구에서는 통계적인 기법으로 상관성 분석과 회귀분석이 활용되었다. 독립변수와 종속변수 간의 상관성을 분석하는 전통적인 통계방법으로는 상관성 분석이 보편적으로 사용되고 있다. 상관성 분석은 두 변수 사이의 선형관계가 있고 없음에 대하여 분석하는 것이다. 그리고 상관성 분석에서는 두 변수 사이의 관계를 분석하는데 목적이 있으며, 변수들 사이에 구체적으로 어떠한 함수적인 관계가 있는가를 파악하고자 하는 것은 아니다. 그러나 한 변수의 값이 변할 경우 다른 변수의 값을 예측하고자 하는 경우가 흔히 있다. 이러한 경우에는 어떤 수학적 모형을 가정하고 그 자료로부터 모형을 추정하여 예측하거나 통계적 추론을 통하여 상관식을 만들어내는 통계적 분석방법이 곧 회귀분석이다(Kim et al., 2000).
일련의 토질정수 산정모델의 유효성 검증을 위해 산사태 발생지역으로부터 채취한 각각의 토질시료에 대해 직접 시험을 실시한 투수계수, 점착력 및 내부마찰각 결과치와 본 연구에서 개발한 모델을 적용하여 산정된 이들 토질정수 결과치를 상호 비교하여 점착력과 내부마찰각의 유효성을 검증하였다.
(1) 화강암 토층의 점착력 산정모델 검증
화강암 토층의 산사태 발생지역인 A지역의 토층지반을 대상으로 하여 개발한 점착력 산정모델의 유효성을 검증하고자 하였다. Lab test의 점착력은 산사태가 발생한 지역에서 시료를 채취하여 직접전단시험을 수행한 결과값이며, Model의 점착력은 Lab test에 사용된 시료의 세립분함유율과 균등계수를 구하여 개발된 점착력 산정모델 식 (1)에 대입하여 나타난 점착력으로 두가지 점착력을 비교하여 개발된 점착력의 산정모델을 검증하였다.
Fig. 7은 모델개발을 위해 산사태가 발생한 화강암 토층으로부터 채취한 토질시료에 대해 직접전단시험에 의한 점착력과 개발된 점착력 산정모델식에 의해 결정된 점착력을 비교한 것이다. 전체적으로 두 가지 방법으로 구한 개별 시료의 점착력이 거의 유사한 경향성을 보임으로써 상관성이 높음을 알 수 있다. 즉, 모델개발을 위해 직접시험에 의한 점착력이 큰 토질시료는 개발된 모델에 의해 산정된 점착력도 크게 나타나고, 직접시험에 의한 점착력이 작은 토질시료는 모델에 의해 산정된 점착력 또한 작게 나타나는 일관성을 보였다. 또한, 기존 선행연구 분석 결과 Lee et al.(2009)의 식과는 맞지 않는 것으로 나타났으나, Hwang(2014)의 결과와 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다.
유효성을 검증한 결과 대체적으로 높은 상관성을 가지는 것으로 나타남으로써 연구지역과 같은 화강암 지역의 토층지반에서 점착력을 산정하기 위해 본 점착력 산정모델을 적용할 수 있는 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 제안한 모델을 활용할 경우 직접 전단시험을 수행하지 않고 일부 토질물성만으로도 해당 토층지반에서의 전단강도를 개략적으로 추정하거나 어느 정도 예측이 가능할 것으로 판단된다.
(2) 화강암 토층의 내부마찰각 산정모델 검증
화강암 지역의 산사태발생지역 토층지반을 대상으로 하여 개발한 내부마찰각 산정모델의 유효성을 검증하기 위하여 총 12개 시료에 대한 시험결과가 활용되었다. 이들 시료는 “모델개발을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각” 4개 및 “모델검증을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각” 4개로 구분된다. 이들 각각의 시료에 대해 직접시험에 의한 내부마찰각과 모델을 적용하여 산정된 내부마찰각을 비교한 결과이다.
Fig. 8은 모델개발을 위해 산사태가 발생한 화강암 토층으로부터 채취한 토질시료에 대해 직접시험에 의한 내부마찰각과 모델에 의해 산정된 내부마찰각을 비교한 것이다. 전체적으로 두 가지 방법으로 구한 개별 시료의 내부마찰각이 거의 유사한 경향성을 보임으로써 상관성이 높음을 알 수 있다. 즉, 모델개발을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각이 큰 토질시료는 개발된 모델에 의해 산정된 내부마찰각도 크게 나타나고, 직접시험에 의한 내부마찰각이 작은 토질시료는 모델에 의해 산정된 내부마찰각 또한 작게 나타나는 일관성을 보였다. 또한, 기존 선행연구 분석 결과 Lee et al.(2008)의 결과와 유사한 경향을 나타내었으며, Hwang(2014)의 결과와는 유사한 경향을 나타내나 편차가 있는 것을 확인하였다.
유효성을 검증한 결과 대체적으로 높은 상관성을 가지는 것으로 나타남으로써 연구지역과 같은 화강암 지역의 토층지반에서 내부마찰각을 산정하기 위해 본 내부마찰각 산정모델을 적용할 수 있는 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 제안한 모델을 활용할 경우 직접 전단시험을 수행하지 않고 일부 토질물성만으로도 해당 토층지반에서의 전단강도를 개략적으로 추정하거나 어느 정도 예측이 가능할 것이다.
(3) 편마암 토층의 점착력 산정모델
편마암 지역의 산사태발생지역 토층지반을 대상으로 하여 개발한 점착력 산정모델의 유효성을 검증하기 위하여 총 12개 시료에 대한 시험결과가 활용되었다. 이들 시료는 “모델개발을 위해 직접시험에 의한 점착력” 4개 및 “모델검증을 위해 직접시험에 의한 점착력” 4개로 구분된다. 이들 각각의 시료에 대해 직접시험에 의한 점착력과 모델을 적용하여 산정된 점착력을 비교한 결과이다.
Fig. 9는 모델개발을 위해 산사태가 발생한 편마암 토층으로부터 채취한 토질시료에 대해 직접시험에 의한 내부마찰각과 모델에 의해 산정된 내부마찰각을 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 전체적으로 두 가지 방법으로 구한 개별 시료의 점착력이 거의 유사한 경향성을 보임으로써 상관성이 높음을 알 수 있다. 즉, 모델개발을 위해 직접시험에 의한 점착력이 큰 토질시료는 개발된 모델에 의해 산정된 점착력도 크게 나타나고, 직접시험에 의한 점착력이 작은 토질시료는 모델에 의해 산정된 점착력 또한 작게 나타나는 일관성을 보였다. 또한, 기존 선행연구 분석 결과 Lee et al.(2008)의 식과는 맞지 않는 것으로 나타났으나, Hwang(2014)의 결과와 유사한 경향을 나타냄을 확인하였다.
유효성을 검증한 결과 대체적으로 높은 상관성을 가지는 것으로 나타남으로써 연구지역과 같은 편마암 지역의 토층지반에서 점착력을 산정하기 위해 본 점착력 산정모델을 적용할 수 있는 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 제안한 모델을 활용할 경우 직접 전단시험을 수행하지 않고 일부 토질물성만으로도 해당 토층지반에서의 전단강도를 개략적으로 추정하거나 어느 정도 예측이 가능할 것이다.
(4) 편마암 토층의 내부마찰각 산정모델
편마암 지역의 산사태발생지역 토층지반을 대상으로 하여 개발한 내부마찰각 산정모델의 유효성을 검증하기 위하여 총 4개 시료에 대한 시험결과가 활용되었다. 이들 시료는 “모델개발을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각” 4개 및 “모델검증을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각” 4개로 구분된다. 이들 각각의 시료에 대해 직접시험에 의한 내부마찰각과 모델을 적용하여 산정된 내부마찰각을 비교한 결과이다.
Fig. 10은 모델검증을 위해 산사태가 발생한 인근 편마암 토층으로부터 채취한 토질시료에 대해 직접시험에 의한 내부마찰각과 모델에 의해 산정된 내부마찰각을 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 전체적으로 두 가지 방법으로 구한 개별 시료의 내부마찰각이 거의 유사한 경향성을 보임으로써 상관성이 높음을 알 수 있다. 즉, 모델개발을 위해 직접시험에 의한 내부마찰각이 큰 토질시료는 개발된 모델에 의해 산정된 내부마찰각도 크게 나타나고, 직접시험에 의한 내부마찰각이 작은 토질시료는 모델에 의해 산정된 내부마찰각 또한 작게 나타나는 일관성을 보였다. 또한, 기존 선행연구 분석 결과 Lee et al.(2008)의 결과와는 편차가 확인되었으며, Hwang(2014)의 결과와는 유사한 경향을 나타내었다.
유효성을 검증한 결과 대체적으로 높은 상관성을 가지는 것으로 나타남으로써 연구지역과 같은 편마암 지역의 토층지반에서 내부마찰각을 산정하기 위해 본 내부마찰각 산정모델을 적용할 수 있는 것으로 판단된다. 그리고 본 연구에서 제안한 모델을 활용할 경우 직접 전단시험을 수행하지 않고 일부 토질물성만으로도 해당 토층지반에서의 전단강도를 개략적으로 추정하거나 어느 정도 예측이 가능할 것이다.
5. 결 론
(1) 산사태는 토층의 지반물성과 관계되며 산사태 발생지역은 대체로 큰 간극률과 작은 흙의 단위중량 특성을 갖는데, 화강암 토층은 편마암 토층에 비해 간극률이 작고 흙의 단위중량이 크게 나타나 편마암 토층이 산사태에 더 취약한 것으로 분석되었다. 또한, 화강암 토층은 점착력이 낮으나 내부마찰각은 큰 편으로 분석되었으며, 편마암 토층은 점착력이 높고 내부마찰각이 낮게 나타났다. 다짐도는 화강암 토층이 편마암 토층에 비해 조밀한 지반으로 분석되었다.
(2) 통계기법으로 지반정수와의 상관성을 분석한 결과 전단강도 중 점착력은 세립토 함유율과 균등계수와 유의한 상관성을 가지며, 내부마찰각은 간극비, 간극률, 습윤단위중량, 포화단위중량, 건조단위중량과 유의한 상관성을 가지는 것으로 분석되었다.
(3) 화강암, 편마암 토층으로 구분하여 지반정수와 유의한 상관성을 가지는 물성자료만으로 산사태지역에서 중요하게 고려되는 전단강도를 쉽고 간편하게 산정할 수 있는 모델 즉, 점착력 산정모델 및 내부마찰각 산정모델을 개발하였다. 그러나 한정된 조건의 통계분석으로 호남권 산사태 자료의 기초자료로 활용될 수 있으며, 추후 호남권 내 산사태 자료를 추가하여 수정 및 보안함으로 모델의 신뢰도와 정확도를 향상시켜야 할 것으로 판단된다.
(4) 국내의 산사태 취약성도 작성을 위해 산사태 유발인자로서의 고려되지 않았던 지반정수와 지층의 조건을 데이터베이스화한다면 산사태 예·경보에 도움이 될 것이며, 사면의 피해 예상지역 선정을 위한 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
