1. 서 론

전세계적으로 기후변화가 많이 진행되면서 사면붕괴는 주로 태풍과 극한강우가 동반하는 장마철에 집중된다. 최초에 안전하게 설계된 비탈면 일지라도, 오랜 시간이 경과되면서 지속적이고 극심한 강우로 인해 지표면의 침식과 침투수에 의한 세굴, 인장균열 발생과 토석류에 의한 지반 변형 등은 지반구조물들이 안정성을 유지하기에 어렵게 만들고 있다. 이러한 붕괴 중 자주 발생하고 있는 사면 파괴 유형은 지표면에서부터 물줄기에 따라 발생하는 침식들이 지층사이로 세굴이 되면서 사면 경사와 평행한 얕은 파괴이다(^{Kim et al., 2013a}; ^{Kim et al., 2013b}).

Fig. 1은 강우로 인한 표면 침식이 발생하여 얕은파괴가 진행된 비탈면을 보여주고 있다. 비탈면 보강으로 앵커와 네일공법을 활용하여 많이 적용되고 있지만, 재산과 인명피해 우려가 적은 지역에서는 경제적이고 친환경적인 방법으로 보강을 많이 시도하고 있다. 일반적으로 원지반을 교반하여 토양개량제를 활용한 비탈면 보강을 마친 모습을 Fig. 2에서 보여주고 있다. 시멘트계열의 혼합비에 따라 다양한 공법들이 있으며, 식생의 여부는 공법에 따라 달라지지만, 식생이 가능하면 일반적인 사면으로 식별되고 표층의 전단강도를 크게 향상시키므로 얕은파괴나 대원호 파괴를 유발하는 침식과 세굴 피해를 막을 수 있다(^{MLTMA, 2016}).

장마철 지속적인 강우는 시간이 경과함에 따라 충분한 지표면 침투가 발생한 후, 밀봉(sealing)효과에 의해 강우에 의한 빗물의 대부분은 비탈면 지표면을 따라 흘러내리게 된다. 강우에 의한 사면 붕괴의 주된 원인은 일반적으로 지표면으로 침투된 침윤전선(포화)에 의한 전단강도 감소에 기인한 것으로 여러 연구자들에 의해 보고되고 있다(^{Edil et al., 2006}; ^{Fredlund and Rahardjo, 1993}; ^{Kim et al., 2002}). 이로 인해 이러한 연구들은 지표면에서의 물의 침투와 침식 등 강우에 따른 불포화토의 침투와 거동에 관한 연구는 현장에서 발생하는 상황을 모사하기 위해 진행되고 있다. 이러한 연구에서도 세굴 및 침식에 의한 진행과정은 어렵지만 표층 보강으로 세굴 및 침식에 의한 비탈면 보강 효과는 불포화 지반의 해석으로 많은 연구가 가능하다.

본 연구의 주요한 내용인 표면식생이 가능한 친환경적인 토양 개량재(^{Bhang, 2007}; ^{Kim et al., 2002})는 비탈면 표층 강도를 보강함과 동시에 강우로부터 효과적으로 세굴 및 침식을 억지할 수 있는 사면 보강공법이다. 대부분 사면 보강을 하기 위해서 지반개량제를 사용하여 Flyash나 시멘트 계열을 많이 사용하여 표층을 개량하는 방법으로 토사의 침식이나 표층의 불안정성으로 방지하고 있다. ^Bhang(2007)에 의하면 국외에서는 1970~1980년대에 비탈면의 보강이나 연약지반 개량을 위해서 Flyash를 적용하여 보강한 공법들이 많이 있었으나, 이후 환경오염이 문제가 되면서 사용량이 현저히 감소하였다. 토양개량재의 사용은 표층의 얕은 사면파괴로 인한 토석류 발생을 방지할 수 있으며, 강우로 인한 사면파괴의 기본적인 문제들을 해결할 수 있는 실용적인 사면 보강공법이라 제시할 수 있다(^{Edil et al., 2006}). 본 연구에서는 보강공법의 실효성을 확인하기 위해 강우침식 실내시험을 자체 제작하여 수행하였으며 일축압축시험을 실시하여 전단강도를 적용하여 보강에 대한 공법을 수치해석으로 검증하였다.

본 연구에서는 무보강 사면과 4가지 토양개량제를 사용한 표층 보강 사면의 침식정도를 실내시험으로 평가하였다. 토양개량제의 재령기간에 따른 강도 증가 분석과 강우실험으로 인한 비탈면 표층의 손실율을 첨가 재료별로 비교하여 토양개량제의 보강효과를 검증하였다. 기존 토양개량제에는 함유되지 않았던 사용이 끝난 한약재를 첨가제로 적용하여 식생을 촉진시키는 거름 역할을 하도록 구성하였다.

2. 토양개량제 특성

2.1 주재료 및 첨가제

강우에 의한 사면 표층의 세굴과 침식을 확인하기 위해서 본 연구에서는 광주광역시 운암동 일대의 화강풍화토를 채취하여 원지반토로 선정하였다. Table 1에 보여준 다양한 첨가제들을 활용하여 배합 비율에 따른 지반의 전단강도를 실내시험으로 확인하고자 하였다. 토양개량제의 전체적인 성분 중에 주된 재료로 사용된 원지반토(insitu soil), 부엽토(leaf mold), 한약재 찌꺼기(used herbal medicine) 그리고 천연섬유재(natural fiber)는 82~84 % 정도로 중량비를 갖고 있으며, 첨가제(additive)로 사용된 결합재(bonding agent), 경화재(hardner), 분말증점제(powder multiplier agent), 고흡수성 폴리머(high absorbent polymer), 보습제(humectant) 등은 7~10 % 정도 함유되어 배합되어 강도 강화하기 위한 비율을 조정하였다.

비탈면을 이루고 있는 원지반토는 극한강우로 발새할 수 있는 세굴 및 침식에 취약하기 때문에 첨가제에 의한 강도증가를 도모하였으며, 오랜 시간동안 자연스러운 경관과 식생이 가능하도록 보습제와 한약찌꺼기로 거름이 될수 있는 첨가제가 함유되어 토양개량제를 구성한다. 시료의 물리적 및 역학적인 특성을 비교하기 위해서 원지반 시료를 포함하여 토양개량제 종류를 4가지로 배합하여 최적의 배합 비율을 찾고자 실내시험을 수행하였다. 수분의 함량을 제외하면 주재료 90 %는 원지반을 의미하며, 4가지 토양개량제 대상은 82 %와 84 %의 주재료 성분을 갖는 시료를 각각 2가지씩 나누어 첨가제를 중량비 8 %와 9 %를 함유하는 시료를 구분하여 분류하였다.

2.2 시료의 물리적·역학적 특성

본 연구에 사용한 시료는 광주광역시 운암동 일대 비탈면에서 채취한 화강풍화토를 대상으로 원지반 시료를 결정하였으며, 원지반 시료의 물리적 실내시험을 통하여 Table 2와 같은 결과 값들을 얻을 수 있었다.

비탈면에서 채취한 시료에 대한 실내실험 결과로서는 균등계수( $C_u$)와 곡률계수( $C_c$)가 각각 12.1과 0.6으로 나타나 통일분류법(USCS)으로 입도분포가 양호하지 못한 사질토 흙(SP)으로 판단된다.

Fig. 3 및 Table 3과 같이 5가지 시료를 사용하여 원형 공시체(∅10×20 cm)를 만들어서 일축압축시험을 통해 토양개량제 함유량에 따른 일축압축강도 증가량을 비교하였다. 원지반 시료를 제외하고는 약간의 시멘트 계열의 첨가제가 함유되기 때문에 3, 7, 28일 양생기간에 맞는 강도 증진을 확인하였다.

원지반(C-90-0-10)에 대한 일축압축강도는 재령 28일에 2.22 MPa 이나 토양개량제에 의한 조성물의 재령 28일 일축압축강도는 대략 6~10 배 큰 강도를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 재령 3일과 7일의 초기 일축압축강도의 발현은 C-84-8-8의 경우가 9.35 MPa로 가장 컸으나, 재령 28일 일축압축강도가 13.29 MPa로 증가량이 다른 배합비의 토양개량제보다는 비교적 작은 결과값을 보였다. 재령 28일 일축압축강도는 C-82-9-9의 경우가 22.12 MPa로 가장 컸으나, 재령 3일 강도가 4.73 MPa로서 초기 강도증가량이 비교적 작았다.

Fig. 4는 재령 기간이 3, 7, 28일로 증가될 때, 원지반(C-90-0-10)시료를 포함하여 4가지의 토양개량재를 혼합한 혼합토의 일축압축강도를 비교하여 보여주고 있다. 초기 일축압축강도는 C-84-8-8이 우수하였으나, 재령 28일 일축압축강도는 토양개량제 혼합토 중 가장 작은 값을 가졌으며, 재령 28일 일축압축강도는 C-82-9-9가 가장 우수하였으나, 초기 일축압축강도는 토양개량제 혼합토 중 가장 작은 값을 갖는 이유는 원지반토 중량이 비교적 작게 혼합되고, 마이크로 시멘트와 경화제가 다소 함량이 많기 때문에 재령기간이 길어질수록 강도 향상이 많이 된 것으로 판단된다.

토양개량제 혼합토가 사용되어야 하는 환경은 비탈면이 조성되어 강우 시에도 증가된 강도로 안정성을 유지해야 하기 때문에 적정 수준의 초기 일축압축강도도 필요하고, 장기적인 토양 표층의 안정성을 유지하기 위해서는 재령 28일 일축압축강도가 우수해야 적정한 것으로 판단된다. 초기 일축압축강도 향상을 위해서는 원지반토와 첨가재의 중량 비율을 높이고, 물의 중량 비율을 낮추는 것이 좋은 것으로 보이며, 경화재의 비율이 다소 클수록 재령 28일 일축압축강도가 커질 것으로 판단되었다.

일축압축강도의 시험 결과의 신뢰성 검증을 위해서 직접전단시험을 수행하여 내부마찰각과 점착력의 전단강도의 크기를 비교하였다. 시험체의 크기는 원형으로 직경 60 mm, 길이 20 mm 몰드를 사용하여, 시험은 KS F 2343에 의거하여 실험 실시하였다.

Fig. 5와 같이 직접전단시험을 위한 공시체 제작과 5가지 시료를 사용하여 점착력과 내부마찰각에 대한 비교분석을 하기 위해 수행되었다. Table 4에서 알 수 있듯이, 원지반(C-90-0-10)과 비교해 실험 사례별 점착력과 내부마찰각이 재령기간이 증가하면서 뚜렷하게 증가하고 있다. C-84-8-8의 재령 7일에서 점착력이 65.43 kPa로 가장 컸지만, 재령 28일에서는 39.59 kPa로 감소되는 경향을 보이고 있다. 한편, C-82-9-9의 재령 7일에서 점착력이 44.13 kPa에 불과하였으나, 재령 28일에서는 54.64 kPa로 증가하면서 첨가재에 따른 경화작용이 다소 차이를 보이고 있었다. 직접전단시험 결과에서 점착력 및 내부마찰각을 고려할 때, C-82-9-9가 원지반에 비해 재령 7일에서 점착력은 78 %, 내부마찰각은 82 % 증가하였으며, 재령 28일에서 점착력은 255 %, 내부마찰각은 35 % 증가하였다. 직접전단시험에서 얻은 강도 증가 개량제와 일축압축시험에서 얻었던 결과에서 강도 증가된 개량제와 많은 유사한 점들이 발견되었다.

Table 4에서 얻은 점착력과 내부마찰각에 대한 강도 증가량은 아래 Figs. 6 and 77에서 알 수 있듯이 비교할 수 있었다. 재령기간 7일과 28일 모두 강도에 대한 증가량을 일정하게 보여준 C-82-9-9 토양개량제에서 적절한 경향을 발견할 수 있었다.

3. 실내모형시험

3.1 강우재현 실험장치

집중적인 호우에 지표면을 보강할 수 있는 재료를 검증하기 위해서 실내 강우재현과 실험장치를 제작하였다. 비탈면 불안정성에 대해서 원지반 사면과 토양개량제로 보강된 사면의 세굴 및 침식의 진행 상태를 실험으로 관찰하기 위해 실내모형실험을 수행한 시험장치는 Fig. 8과 같다. 비탈면 흙의 세굴 및 침식 현상을 관찰 및 연구하기 위해서 자연 강우에 실질적인 현장을 의존해야 하나, 이를 대처할 수 있는 방법으로 실내에 강우재현장치를 사용하여 강우시간과 토양개량제 양생기간에 따른 차이점을 관찰하고 이를 비교·분석하였다.

사면의 모형(soil slope plate)을 제작하고 인위적으로 강우 조건을 만들어 토양개량제의 배합비에 따른 표면파괴 형태와 세굴 등을 분석하기 위해 실험 장치를 그림과 같이 구성하였고, Fig. 9와 같이 원지반 시료와 첨가재들을 혼합하여 다짐을 통해 흙 사면의 모형 제작하고 인위적으로 강우 조건을 만들어 토양개량제의 배합비에 따른 표면파괴 형태와 세굴 등을 분석하기 위해 실험을 진행한다. 실험체 제작은 사면과 비슷한 조건을 만들기 위해 Fig. 9(d)와 같이 직사각형(가로×세로×높이=40 × 84 × 7 cm)의 사면판을 제작하고, 시험체를 지탱하는 지지대는 앵글 프레임으로 지지한다.

첨가 재료가 달라지는 실험 사례별로 혼합하여 다짐률 90 % 이상으로 4개의 시험체 제작을 하였으며 국토교통부(^{MLTMA, 2016}) 설계기준인 0~6 m 높이의 흙쌓기와 5 m 이상의 땅 깎기 비탈면의 기울기인 1:1.5(수직:수평)를 반영하여 모형실험 비탈면의 기울기는 1:1.5로 설정하였다. 상단의 아크릴 박스는 물을 저정할 수 있는 인공강우기를 제작하여 장마철 또는 게릴라성 호우 등을 감안한 시간당 30 mm가 되도록 강우량을 적용해 세굴 및 침식에 대한 실내시험을 수행하였다.

3.2 강우침식 실험결과

강우에 의한 비탈면 침식 및 세굴 상태를 관찰하기 위해 자체 제작한 강우재현장치와 목재 틀과 토조 등을 이용하여 Figs. 10 and 11에 나타낸 바와 같이 모형실험을 수행하였다. 원지반 시료를 포함한 토양개량제의 종류를 총 5가지의 시료이지만 강우로 인한 세굴 정도를 비교하는 사진들은 가장 크게 차이가 보여지는 원지반 흙 사면의 경우와 제일 손실률이 적은 C-82-9-9의 실험만 시간에 따른 강우시험 결과들을 Figs. 10 and 11에 제시하였다. 원지반(C-90-0-10) 강우시험 결과 강우 시작 즉시 토사가 뚜렷하게 세굴 형태로 토사유실이 발생하였으며, 시간이 지남에 따라서 그 세굴의 정도는 심각하게 나타나 15분 후 빗물이 내부로 침투하여 표면이 슬라이딩이 일어나 파괴가 발생하였다(^{Kim et al., 2013a}).

Fig. 11에서 알 수 있듯이 C-82-9-9의 강우실험결과 원지반(C-90-0-10)과 달리 표면 토사유실이 상당히 줄어 마감 직후 표면의 성상을 그대로 유지하고 있는 상태를 보여주고 있다. 그리고 C-82-8-10의 강우실험결과 원지반(C-90-0-10)에 비해 토사유실이 줄어들었고, 낙차로 인한 세굴유실도 발생하지 않았다. C-84-9-7의 강우실험 결과 낙차로 인한 세굴이 발생하였지만, 원지반에 비해 토사유실이 거의 없었으며, C-84-8-8의 강우실험 결과 원지반(C-90-0-10)과 비교해서 토사유실이 상당히 줄어들었으나, 20분까지는 표면유실이 거의 발생하지 않았지만 30분 이후 빗물의 낙차로 인한 표면에 세굴이 발생하기 시작하였다.

여러 가지 배합 중에서 주재료 배합이 82 %인 2가지 토양개량제(C-82-9-9와 C-82-8-10)보다는 첨가제 성분이 2 % 더 추가된 토양개량제(C-84-9-7과 C-84-8-8)가 약간 침식이 조금더 발생하고 있음을 확인하였다. 첨가제 성분으로는 시멘트 계열인 마이크로 시멘트, 아윈계 시멘트, 반수석고 등 경화제가 함께 함유되어 30 mm 강우로 침식에 대한 저항력이 재령기간에 따라 향상된 것으로 판단된다.

원지반(C-90-0-10)의 경우 실험 전 시료량 34.5 kg에서 실험 종료 후 유실된 시료의 무게를 측정한 결과 26.7 kg으로 강우 시험 이후 77 %의 토사가 유실된 것을 확인하였다. 모형 사례별 모든 토양개량제는 원지반(C-90-0-10)과 비교하여 손실률이 0.40 ~0.94 %로 현저히 적었으며, C-82-9-9가 가장 적은 0.40 %의 손실률을 보여 여러 가지 사례별 비교를 통해 식생과 강우에 대한 침식 저항성이 제일 큰 것으로 판단된다.

Table 5는 수치적으로 강우에 의한 손실률이 전체 중량비로 계산된 %로 평가를 하였다. 원지반(C-90-0-10)을 기준으로 비교할 때 개량을 위한 첨가제를 혼합한 4가지 시료에서 강우에 의한 저항력은 C-82-9-9 조합에 의한 혼합토가 제일 큰 것으로 확인할 수 있다. Fig. 12에서는 비탈면이 강우로 인한 손실률을 그래프로 표현하였다. 첨가제를 혼합한 여러 가지 토양개량제 샘플들은 대부분 비슷한 보강효가를 보이고 있다. 이러한 이유는 원지반토 전체 중량에 비해 첨가제의 중량비의 차이가 크지 않아 거의 유사한 보강효과를 보이고 있어 재령기간이나 첨가제 함유량 약간의 오차를 허용할 정도임을 판단할 수 있다.

Table 6은 최종적으로 토양개량제를 혼합한 재료들을 나열하여 성분들을 제시하고 있다. 재료의 물리적, 역학적인 실험을 하고 재령강도에 의한 강도정수들의 변화를 확인하여 적절한 혼합비를 찾아 제시한 결과 C-82-9-9 혼합비의 토양개량제가 제일 보강효과가 좋다는 결론을 내릴 수 있었다. 특히, 강우재현시험에서 침식에 의한 세굴 효과에서 토사 유출량이 제일 적게 배출되어 비탈면 현장에서도 좋은 효과를 기대할 수 있을거라 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 강우 침투로 인해 일반적으로 발생하는 사면의 얕은파괴를 방지하기 위해서 세굴 및 침식에 취약한 흙을 토양개량제로 보강하는 재료를 찾기 위해 수행하였다. 강우에 의한 비탈면 세굴 및 침식의 진행 상황을 관찰하기 위해 제작한 강우재현장치를 이용하여 모형실험을 진행하였고 아래와 같은 주요 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 초기 일축압축강도는 C-84-8-8이 우수하였으나, 재령 28일 일축압축강도는 토양개량제 조성물 중 가장 작은 값을 가졌으며, 전체적인 시간에 따른 관찰에 대해서는 C-82-9-9가 가장 우수하다고 판단하였다. 초기 일축압축강도는 토양개량제 조성물 중 가장 작은 값을 가졌으나, 토양개량제 조성물이 사용되어야 하는 환경을 고려할 때, 적정 수준의 초기 일축압축강도를 확보하여야 하고, 장기적인 토양 표층의 안정성을 유지가 필요하기 때문이다.

(2) 직접전단시험 결과, 모든 토양개량제는 원지반(C-90-0-10)에 비해 점착력 및 내부마찰각이 뚜렷하게 증가함을 확인할 수 있었으며, C-82-9-9가 원지반에 비해 재령 7일에서 점착력은 78 %, 내부마찰각은 82 % 증가하였으며, 재령 28일에서 점착력은 255 %, 내부마찰각은 35 % 증가하여, 여러 토양개량제 중에 비교적 적합한 것으로 판단된다.

(3) 강우재현 실험결과, 원지반(C-90-0-10)의 경우 실험 전 시료량 34.5 kg에서 실험 종료 후 유실된 시료의 무게를 측정한 결과 26.7 kg으로 강우 실험 이후 77 %의 토사가 유실되었지만, 사례별 모든 토양개량제는 원지반(C-90-0-10)과 비교하여 손실률이 0.40~0.94 %로 현저히 적었으며, C-82-9-9가 가장 적은 0.4 %의 손실률을 보여 강우에 의한 저항력이 가장 크다는 것이 확인되었다.