Field Investigation and Stability Analysis of a Volcanic Rock Slope at the Song-Gok site, Wan-Do

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http://dx.doi.org/10.9720/kseg.2013.2.149

완도 송곡지구 화산암류 비탈면의 현장조사 및 안정성 검토 사례 연구

김홍균*·옥영석·김승현·구호본 한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실

Field Investigation and Stability Analysis of a Volcanic Rock Slope at the Song-Gok site, Wan-Do

Hong-Gyun Kim*, Young-Seok Ok, Seung-Hyun Kim, and Ho-Bon Koo Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology

화산활동은 용암의 분출과 화산재의 퇴적 작용이 복합적으로 발생함에 따라 지질학적으로 매우 복잡한 화산암복합체 를 형성하는 경우가 많다. 화산암류 암석들로 구성된 송곡 지구는 단층을 중심으로 한 여러 불연속면의 조합으로 비탈 면 하단부에서 붕괴가 발생하였다. 붕괴부를 중심으로 한 평사투영 해석 결과 모든 형태의 붕괴 가능성이 인지되었으며, 개별요소법(DEM)을 이용한 불연속면 거동 특성 분석 결과, 전체변위 207 mm, 절리 최대전단 변위 114 mm로 나타났으 며, 소성 영역 발생 구간은 붕괴부의 단층면에서 확인되었다. 화산암류 비탈면은 암종간의 차별 풍화, 암석의 높은 투수 성에 기인한 지하수 영향, 냉각 수축에 의한 체계적 절리 발달로 인해 공학적으로 취약한 특성을 보인다. 화산암류 비탈 면의 안정화 대책 고려시, 상세 지질조사를 통한 구성암석의 지질학적 특성, 불연속면과 이완암블록의 변화량 분포 등의 자료가 활용되어야 할 것이다.

주요어 : 화산암복합체, 화산암류 비탈면, 개별요소법, 불연속면, 안정화

Volcanic activity commonly creates a highly complicated volcanic complex due to the admixture of lava flow and sedimentation of volcanic ash. The Song-Gok site is composed of volcanic rocks that collapsed at the lower part of the slope, in combination with several discontinuities in and around a fault. The results of projection analysis indicated the possibility of plane, wedge, and toppling failure in the failure section. The results of discontinu- ity modeling using the Distinct Element Method (DEM) revealed a total displacement of 207 mm and a joint shear displacement of 114 mm. The yield surface zone was verified at the fault plane of the failure section. In geotechnical terms, volcanic rock slopes are characteristically vulnerable to failure because of differential weathering among the various rock types, the effect of groundwater based on the permeability of the rocks, and the presence of systematic joints generated by the cooling and contraction of lava. When considering the stability of a volcanic rock slope, it is necessary to consider data such as the geological features of the rock, as obtained through detailed geological survey, and variations in discontinuities and rock blocks.

Key words : Volcanic complex, Volcanic rock slope, Distinct Element Method (DEM), Discontinuities, Stability

*Corresponding author: [email protected]

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서 론

우리나라는 산악 지형이 국토의 대부분을 차지하고 있어 도로와 철도 등의 기반시설을 구축하는데 있어서 깎기비탈면(이후 “비탈면”이라 기술함)이 지속적으로 발 생하고 있다. 특히, 최근에는 새로운 관광지의 관심집중 및 행정 또는 주거 중심권의 변화 등으로 도로 이용량 이 급증하는 구간이 다수 발생하여 기존 도로의 확장 공사가 도처에서 진행되고 있는 상황이다. 기존 도로를 확장하는데는 신규 비탈면이 발생할 수도 있으나 대부 분 기존의 비탈면을 재깎기 하는 경우가 흔하다.

MLTM (2011)은 건설공사 중 발생되는 비탈면의 안정 성을 사전에 확보하기 위해 문헌조사, 지형판독, 물리탐 사, 지표지질조사, 각종 시험 등을 통하여 보다 안정적 인 비탈면이 조성될 수 있도록 안내하고 있다. 그러나 비탈면을 신규 굴착하거나 재 굴착하는 경우, 굴착 공사 중 붕괴가 발생하는 경우가 종종 발생한다. 최초 설계 과정에서 물리탐사나 시추조사 등을 통해 암석의 특성 및 주요 불연속면의 방향을 파악하더라도 실제 굴착 중 또는 후에 노출되는 비탈면은 예상치 못한 불안정한 지 질구조를 보여주기도 하고, 시간 경과에 따른 풍화상태 변화, 지하수 누수 지점의 차이 등의 영향으로 부분적인 약대가 형성되기도 한다. 따라서 이러한 비탈면은 시공 중 재조사를 수행하고 상세한 현황도(face map)를 작성 하여 구간별 약대의 특성을 파악한 뒤 안정성을 재평가 하여 보다 안정적인 비탈면이 조성될 수 있도록 하여야 한다.

연구지역은 전라남도 완도군 신지면 일대의 해안도로 인 국도 77호선 도로 확장 공사 구간에 해당하며, 대상 비탈면은 기존 비탈면의 재굴착에 의해 조성된 것이다 (Fig. 1). 본 비탈면이 위치하는 국도 77호선은 주변의 명사십리 해수욕장 등 다수의 관광지로 향하는 주요 도 로에 해당한다. 연구대상 비탈면은 행정구역상 완도군 신지면 송곡리에 위치하고 있으므로 기술의 편의상 “송 곡 지구”하고 명명하였다.

송곡 지구는 화산 활동에 기인한 화산암류 암석으로 구성되어 있으며, 3종류 이상의 암종이 하나의 비탈면 에서 관찰되고 있어 화산암복합체(volcanic complex)의 형태를 보인다. 화산활동은 마그마의 분출과 화산물질의 퇴적 및 응집이 주로 동시에 발생하기 때문에 지질학적 으로 다소 복잡한 야외 산상을 보여준다.

우리나라에서의 활발한 화산 활동은 주로 중생대 백 악기에서 신생대 제 3기에 걸쳐 다수 발생한 것으로 알

려져 있으며, 특히 경상분지의 하양층군 일부 및 유천층 군은 주로 화산쇄설물의 퇴적에 의해 형성된 것으로 알 려져 있고, 이를 포함한 백악기 화산암류에 대한 암석학 및 암석화학적 연구, 절대연령 및 퇴적시기 등에 대한 연구가 활발히 진행되었다(Kim et al., 1997; Yun et al., 1997; Kim et al., 1998; Park et al., 2006; Kim et al., 2008; Koh et al., 2009; Cho et al., 2011;

Sung and Kim, 2012). 백악기의 화산활동은 경상분지 지역 외에도 전라남도 해안지역에서 활발히 진행되었던 것으로 보고된 바 있으며, 특히 연구지역과 인접한 고 흥, 여수 지역에서의 화산암류를 통한 화성활동 및 퇴적 시기, 응회암의 역학적 특성 등에 관한 연구가 수행되었 다(Park et al., 2003; Kim et al., 2004). 지질공학적 측면에서 다루게 되는 비탈면은 지질학적인 접근 내용 과는 약간 다른 접근이 요구된다. 즉 비탈면은 구성 암 석의 종류 및 특징에 따라 붕괴 양상이 달라지며, 비탈 면의 전체적인 안정성이 좌우되기도 한다. 동일한 암종 Fig. 1. (A) Location of the study site. (B) Enlarged satellite image of the study site.

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이라도 불연속면의 발달 방향 차이, 풍화정도의 차이, 지 하수 누수의 영향 차이 등으로 암석의 공학적 특성 및 비탈면 안정성이 달라지기도 하나 암석의 성인에 근거 한 고유한 특성은 토목 시공시 반드시 고려되어야 할 중요한 인자에 해당한다. 그러나 지금까지 화산암에 대 한 암석학적 연구, 퇴적학적 연구, 화성활동 등에 대한 연구는 비교적 활발함에도 불구하고, 화산암으로 구성된 비탈면이나 터널 등과 같은 노출지반의 특성을 고려한 지질공학적 연구는 부족한 게 현실이다.

본 연구에서는 송곡 지구에 대한 현장 정밀조사를 통 하여 화산암류 암석으로 구성된 비탈면의 붕괴특성과 약 대를 형성할 수 있는 구간 등을 파악하고 지질학적, 수 리학적 특성을 종합적으로 고려하여 비탈면의 안정성 관 점에서 그 의미를 살펴보고자 한다. 또한 UDEC을 이용 하여 불연속면의 변위량 및 분포 특성을 살펴보았으며, 이를 통해 송곡 지구 원지반 위험성에 대해 고찰하고 장기적인 안정성 확보를 위한 대책에 대해 논의해 보고 자 한다.

연구지역 지질

송곡 지구를 포함하는 신지도 일대는 선캠브리아기에 해당하는 흑운모편마암, 백악기 유천층군에 해당하는 유 문암 및 유문암질 응회암, 후기 백악기 관입암류에 해당 하는 섬록암과 흑운모화강암 등 크게 4종류의 암석이 나타나는 것으로 보고되어 있다(Choi et al., 2002).

Choi et al. (2002)에 의하면, 송곡 지구의 위치는 유천 층군에 속하는 유문암 및 유문암질 응회암 분포지에 해 당하나, 실제 송곡 지구에서 관찰되는 암석은 유문암 및 유문암질 응회암 외에 안산암질암, 산성암맥이 관입되어 총 3종류의 암석이 관찰된다(Fig. 2).

송곡 지구에서 관찰되는 유문암 및 유문암질 응회암 은 유백색을 띠며 유문암질용암 성분이 우세한 유문암 과 화산물질의 퇴적 특성을 보이는 응회암이 복합적으 로 나타난다. 유문암은 용암의 분출에 의해 형성된 암석 으로 규산염 성분을 다량 포함하고 있으며 높은 점성의 마그마 특성을 보인다. 따라서 유문암에는 대체로 유상 구조(flow structures)가 잘 관찰되며, 송곡 지구에서도 유상구조의 확인이 가능하다. 유문암질 응회암이 우세한 부분은 장경 2~20 mm 크기의 암편이 다량 관찰되며 부 분적으로 용결구조(welded structures)의 특징이 나타난 다. 이는 화산쇄설암에서 관찰되는 전형적인 특징이라 할 수 있다. 용결구조는 마그마에서 비롯된 화산재나 부

석, 암재 등이 고온인 상태로 가소성을 가진 채 퇴적함 으로서 자중에 의한 압축으로 암편은 파쇄되고 서로 용 결함으로서 생성된 구조이다. 이는 특히 유문암질 응회 암에서 잘 관찰되는 특징이다(Kim and Sung, 1996).

송곡 지구에서 관찰되는 암회색 암석은 안산암질암으 로 유문암 및 유문암질 응회암을 관입하고 있다. 관입 양상은 일부 암맥(dyke)의 형태를 보이기도 하나 대체 Fig. 2. (A) Flow structures of rhyolitic welled tuff. (B) Intrusion (a type of sill) of andesitic rock. (C) Intrusion of acidic dyke.

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로 암상(sill)의 형태로 수평 관입한 것으로 관찰된다. 안 산암질암은 보통 분출암으로서 용암의 냉각에 의해 형 성되기도 하나 지형적 특성에 기인하여 천처 관입 양상 을 보이기도 한다. 송곡 지구에서는 화산재 퇴적 층리를 따라 안산암질 마그마가 일부 관입된 기하학적 형태를 보여준다.

송곡 지구의 좌측은 담황색을 보이는 산성암맥이 관 입되어 있다. 야외 산상으로 판단하였을 때, 안산암질암 과 유사한 암상(sill) 관입 형태를 보이고 있으며, 수평으 로 약 50 m의 관입폭을 보인다. 산성암맥 내에는 장석 의 함량이 높게 나타나며, 규장암(felsite)과 흡사한 조직 적 특성을 보여준다.

송곡 지구가 위치한 지역과 같이 과거 화산활동이 활 발히 일어난 곳에서 관찰되는 암석은 일반적으로 여러 종류의 암석이 교호되어 나타나는 복합체(complex)의 형 태를 보이는 경우가 많다(Yun, 1998). 특히, 본 지역과 같이 유문암 및 유문암질 응회암이 산출되는 곳은 점성 이 높은 마그마의 폭발성 화산 활동이 발생함에 따라 암석 분대가 복잡해지는 것이 일반적이다. 이는 마그마 분출 및 화산재의 집적이 동시에 발생함에 따른 결과물 이라고 할 수 있다.

현장조사

송곡 지구는 국도 77호선 확장공사 과정에서 기존의 비탈면을 굴착함으로서 새롭게 조성된 비탈면이다. 비탈 면은 총연장 280 m (STA.0 + 860 ~ 1 + 140), 최대 높이 26 m의 규모를 보이며 북쪽(비탈면 경사 방향 : 005)의 바다를 바라보고 있는 형태이다. 본 비탈면에는 STA.0 + 940 ~ 1 + 020 구간과 STA.1 + 060 ~ 1 + 090 구간의 높 이 15 m 지점에 1개의 소단이 설치되어 있으며, 소단을 중심으로 하단부 경사는 65°, 상단부 경사는 50~55°로 각각 나타난다(Fig. 3 and Table 1). 시공 중인 산마루

배수구 후방으로 조성된 비탈면의 경사는 약 40°로 비 교적 완만하다. 상부자연비탈면의 경사는 시점부에서 거 의 수평으로 관찰되며, 종점부에서는 5~7°로 완만하게 상승하는 지형을 보인다.

본 현장은 2012년 3월 29일과 30일 양일간의 집중 호우로 인해 붕괴가 발생하였으며, 기상청 자료에 의하 면 이 기간 동안의 강우량은 약 97 mm로 기록되었다.

주요 붕괴는 STA.0 + 980 지점을 중심으로 발생하였으 며, 당시 기록된 붕괴 규모는 폭 15 m, 높이 10 m에 달하며 파괴 면적은 약 150 m²로 보고되었다.

송곡 지구에서 실제로 최초 붕괴가 발생한 부분은 STA.0 + 970 ~ 0 + 980 구간이다(Fig. 3 and Fig. 4A, 4B). 본 구간은 단층 및 수직절리로 규제되는 암괴에서 최초 하부암탈락 형태로 붕괴가 발생하였으며, 이후 깎 기부 내 암반에서 인장 균열이 유발되어 실제 붕괴 발 생 암괴는 하부로 약 1~1.5 m 정도 이동된 상태였다 (Fig. 4B). 실제 붕괴 발생 구간을 포함해서, 붕괴의 영 향으로 위험성이 인지되는 구간은 STA.0 + 968 ~ 1 + 003 구간에 해당한다. 붕괴부 좌측 잔존 이완암은 조사 당시 붕괴가 발생한 것은 아니었으나, STA.1 + 000 지점 중간 부에 인장균열이 발생하여 유수 침투가 용이한 상황이 었으며, 잔존 이완암 하단부에서는 실균열 및 인장균열 이 다수 생성되어 유수 침투 및 붕괴부의 추가 거동에 의한 추가 붕괴가 우려되는 상태이다(Fig. 4C, 4D).

본 비탈면 STA.0 + 860 ~ 0 + 940 구간은 시점부 계곡 부에 인접한 구간으로 대부분 토사로 이루어져 있다.

STA.0 + 860 ~ 0 + 920 구간의 비탈면 경사는 약 32°로 완만하게 조성되어 있으며, 구성 재료는 완전풍화 상태 의 점토질 토사에 해당한다. 본 구간은 물의 영향으로 비탈면 표면이 지속적으로 세굴되고 있는 상태이며, 특 히 STA.0 + 897 ~ 0 + 913 구간 중단부에는 지하수 누수 현상이 관찰되어 수리 조건은 젖음(wet)에 해당된다(Fig.

4E). STA.0 + 905 ~ 935 구간의 하단부에는 암반과 토사

Fig. 3. Facemap of the Song-Gok site.

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Table 1. General information regarding the Song-Gok site.

Length (m) 280 m (STA.0 + 860 ~ 1 + 140)

Height (m) 26 m

Inclination (°) under the berm : 65°

above the berm : 50~55°

Dip direction of Slope 005°

Inclination of Upper Slope 0~7°

Valley at start point

Rock Type volcanic complex

(rhyolite and rhyolitic tuff, andesitic rock and acidic dyke)

Depth of Soil Layer about 0.5 m

Weathering slightly weathered~Moderately weathered

Hydraulic Condition damp and wet

Collapse Pattern Wedge Failure, Complex Failure

Collapse Pattern through Lower Hemisphere Projection analysis Wedge, Plane, and Toppling Failure Major Geological Structures faults, joints, flow structures

Fig. 4. (A) Main failure section (STA.0 + 968 to 1 + 003). (B) Side view of the main failure section. (C) Tension crack generated after failure (STA.1 + 000). (D) Narrow crack generated after failure (marked with arrows). (E) Seepage of groundwater observed from a soil section (STA.0 + 897 to 0 + 913). (F) Fragmented zone along a minor fault (STA.1 + 084 to 1 + 086).

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의 뚜렷한 경계부가 관찰되며, 경계부는 STA.0 + 935 지 점의 수직 방향 단층대에 의해 규제되고 있다. 이 단층 대는 발달 방향 및 파쇄대 폭을 고려하였을 때 암반 거 동에 영향을 줄 가능성은 낮은 것으로 판단되나, 유수 의 지속적 침투로 인해 약대로 발전할 가능성이 존재한 다.

STA.1 + 020 ~ 1 + 140 구간은 암반으로 구성된 부분 으로 전반적으로 강한 암반강도의 유문암 및 유문암질 응회암이 우세하게 나타나며, STA.1 + 020 ~ 1 + 060 구 간의 중하단부를 중심으로 암록색의 안산암질암이 관찰 된다. STA.1 + 060 ~ 1 + 110 구간의 소단 하부로는 산 성암맥이 관입되어 있으며, 경계부가 암산암질암의 그것 에 비해 요철이 큰 형태를 보인다. 유문암질암과 안산암 질과의 경계부, 소규모 단층발달부에는 직경 0.1~0.3 m 내외의 방상형 또는 평판형 암괴가 낙석 형태로 탈락되 고 있으므로 이에 대한 적절한 대책 마련이 필요한 상 태이다. STA.1 + 021 ~ 1 + 023 구간은 안산암질암과 용 결응회암의 암상 경계를 따라 소규모 암탈락이 발생되 었다. STA.1 + 053 ~ 1 + 055 구간 중단부는 실제 붕괴 가 발생된 구간으로 소규모 단층인 75/085 방향의 불연 속면을 따라 평면파괴가 발생되었으며, STA.1 + 060 ~ 1 + 062 구간은 두 개의 불연속면으로 조합되는 소규모 암괴의 쐐기파괴가 발생되었다. STA.1 + 084 ~ 1 + 086 구간은 연장 3 m 이내의 단층파쇄대가 존재하며, 주변 부로 이완이 뚜렷하다(Fig. 4F).

안정성해석 평사투영을 이용한 안정성 검토

송곡 지구 해석에 사용된 비탈면의 경사 및 경사방향 (dip/dip direction)은 65/005이며, 불연속면의 대푯값은 75/085(set 1, 단층), 80/040(set 2, 인장균열), 65/205 (set 3, 단층), 40/350(set 4, 절리)이다. 불연속면의 대푯 값을 정하는데 있어서 스캔라인, 시추공영상촬영 등의 방법을 통한 별도의 군집해석은 수행하지 않았으며, 불 연속면의 발달 간격이 조밀하고 연장성이 크며, 발달정 도가 체계적인 군집을 육안으로 판별하여 대표적인 4개 의 군집을 정하였다. 하반구투영망해석에 요구되는 지반 강도정수인 내부마찰각 값은 구성암석의 RMR을 통하 여 경험식으로 산정된 37° 값을 사용하였다.

쐐기파괴 안정성 해석 검토에서 set 1 불연속면과 set 4 불연속면의 교점이 쐐기파괴 발생가능영역에 도시되 어 파괴 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 또한 평면파

괴 및 전도파괴 안정성 해석 검토에서는 set 4 불연속면 의 극점(pole)이 평면파괴 발생가능영역에 도시되어 파 괴의 가능성이 있는 것으로 해석되었고, set 3 불연속면 의 극점이 전도파괴 발생가능영역에 도시되어 역시 파 괴의 가능성이 있는 것으로 확인된다(Fig. 5).

set 1 불연속면은 붕괴 발생부의 단층이며, set 4 불 연속면은 붕괴부 상단부에 위치한 비탈면 경사방향으로 발달된 불연속면이다. 즉 이들 두 불연속면이 만나는 부 분을 중심으로 쐐기파괴가 발생된 것으로 해석되어진다.

또한 set 4 불연속면은 평면파괴에 취약한 것으로 해석 되며, set 3 불연속면은 비탈면 경사 방향에 대하여 역 방향으로 발달하는 불연속면으로서 전도파괴의 가능성 이 있는 것으로 인지되었다. 따라서 상기 해석 결과는 현장의 붕괴 특성과도 일치한다. 다만, 이러한 해석 결 과는 붕괴 발생부인 STA.0 + 980 지점 부근에서 뚜렷하 게 나타나는 결과이다. set 4 불연속면은 붕괴부 상단부 에서 발견되는 것이며, 기타구간에서는 거의 나타나지 않는다. 결과적으로 송곡 지구에서 가장 위험한 불연속 면은 set 1 불연속면이라고 할 수 있으며, set 1 불연속 Fig. 5. Stability analysis shown on a lower hemisphere stereographic projection. (A) Wedge failure analysis. (B) Plane and toppling failure analysis.

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면은 대부분 단층과 관련되어 형성된 불연속면이므로 비 록 발달방향은 안정적이라고 할지라도 유수의 침입시 추 가 거동이 우려되므로 set 1 이 우세하게 나타나는 부분 에 대해서는 안정 대책을 검토해야할 필요가 있을 것으 로 사료된다.

개별요소법(DEM)을 이용한 안정성 검토 송곡 지구는 주로 화산암으로 구성된 암반비탈면으로, 초기 응력과 지각 운동에 의해 생성된 다양한 구조적 불연속면들을 포함하고 있으며, 이들 불연속면은 주변 블록에 비하여 낮은 강도 특성과 높은 투수성을 가짐으 로서 역학적, 수리적 거동 특성을 달리한다. 이러한 이 유로 불연속 암반의 역학적 거동특성을 규명하기 위하 여 미끄러짐면을 고려한 유한차분법이나 절리요소나 절 리의 영향이 고려된 요소를 사용하는 유한요소법 등이 사용되어 왔으나, 이들 방법은 연속체 역학의 범주에서 문제를 다루기 때문에 불연속면으로 인한 큰 변위가 예 측되는 상황들에는 적용하기에 다소 어려운 점이 있다 (Song et al., 2005). 불연속체 모델을 이용한 해석법 중 하나인 개별요소법(Distinct Element Method, DEM)은 지반을 연속체로 간주하는 유한요소법, 유한차분법 등의

수치해석법과는 달리 지반을 강성 블록으로 모델링하며 불연속면의 변위가 블록 자체의 변형보다 훨씬 클 경우 효과적으로 적용할 수 있는 방법이다.

본 연구에서는 붕괴부를 중심으로 개별요소법을 이용 한 수치해석을 실시하였다. 수치해석에 사용한 프로그램 은 UDEC이며, 이는 불연속면에 의해 분리된 강체 및 변형 가능한 블록을 표현하는 수식들을 하나의 코드 내 에 표현하기 위하여 개발된 프로그램이다(Cundall, 1971). 송곡지구는 구성암석 내 불연속면의 발달 및 많 은 단층과 암석경계면의 영향으로 불연속면의 발달 방 향이 매우 불량하며, 쉽게 풍화를 받는 지반이며, 하단 부에 발달하고 있는 단층면의 거동에 의한 미끄러짐으 로 붕괴가 발생된 상황이었다. 해석단면은 붕괴가 발생 하였으며, 붕괴원인으로 추정되는 불연속면이 주로 집중 적으로 분포하는 STA.0 + 980 지점의 단면을 설정하였 으며, 해석에 사용한 재료모델은 일련의 불연속면의 강 도, 변형거동을 해석할 수 있는 재료모델인 Barton &

Bandis (1982)의 모델을 사용하였다. 불연속면의 방향 및 특성자료는 Table 2와 같다. 이는 현장측정값을 중심 으로 기존문헌 등을 참고하여 선정하였다(Lee, 1995).

UDEC을 이용한 디자인에서 확률절리망은 Fig. 6과 Table 2. Characteristics of three joint sets observed at the Song-Gok site.

SET Apparent Dip

(respect to the X-axis) JRC JCS (MPa)

Residual friction angle (°) σc

(MPa)

Vertical strength (Kn, MPa/mm)

Shear strength (Ks, MPa/mm)

set1 120 5.24 37.78

26.1 87.60

6.39 0.34

set2 150 5.95 38.48 7.34 0.18

set3 40 5.49 38.89 6.87 0.43

Fig. 6. Joint network design by UDEC at the failure section of the Song-Gok site.

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같이 나타낼 수 있다. STA.0 + 980 지점의 지층단면은 암회색의 안산암질암석과 유백색의 응회암질암석이 교 호하면서 나타난다. 본 비탈면은 유문암질 응회암으로 구성된 상단부(∆H = 6 m)와 안산암질암으로 구성된 하 단부(∆H = 18 m)로 모델링 하였다. 또한 파괴에 직접 관 련한 불연속면을 포함하여 총 3개의 절리군으로 단순화 시켰다.

개별요소법에 의한 해석 결과에서는 중하단부 지반을 중심으로 전체 변위가 207 mm 인 것으로 확인된다(Fig.

7). 또한 최대수평변위 발생량은 미끄러짐이 발생하는 전 단면에서 수평변위 약 120 mm (Fig. 8A), 수직변위(하

향 기준)는 약 180 mm 정도 발생하는 것으로 나타났으 며(Fig. 8B), 절리 최대전단 변위는 이완된 암블록에서 약 114 mm로 슬라이딩면을 따라 집중 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 9A). 그러나 발생한 변위의 절대량은 불 연속체 해석의 특성상 제한된 절리 간격 및 대표적인 방향성을 적용시킨 것으로, 수평·수직 절리에 대한 변 위량은 비탈면 전구간에서는 실제로 상대적 변위 분포 량이 크다고 판단된다. 소성영역 발생 구간도 하단부 단 층면에서 발생함을 볼 수 있으며 하단부 붕괴로 유도된 것으로 확인된다(Fig. 9B). 이는 송곡지구에서 발견되는 붕괴 형상과 동일한 형태에 해당된다.

Fig. 7. Total displacement calculated through DEM analysis using UDEC.

Fig. 8. Results of DEM analysis using UDEC. (A) x-displacement (horizontal displacement). (B) y-displacement (downward vertical displacement).

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결론 및 토의

완도 송곡지구는 도로 확장 공사중 기존 비탈면의 굴 착에 의해 조성되었으며, 깎기후 붕괴가 발생하여 상세 현장조사 및 안정성 해석을 통한 불연속면의 거동 특성 을 파악하였다. 본 비탈면이 위치하는 완도군 송곡리 일 대는 과거 화산 활동이 활발히 일어났던 지역으로 주변 에서 산출되는 암석은 대부분 화산암류 암석이다. 대상 비탈면을 구성하는 암은 유문암 및 유문암질응회암과 안 산암이 주를 이루며 이들 암석의 형성 후 산성암맥이 관입하였다. 유문암은 용암 성분이 우세한 부분과 응회 질이 우세한 부분이 혼재되어 있는 상태이며, 곳곳에 안 산암이 관찰되고 있어 본 지역의 암석은 화산암복합체 의 형태를 보인다.

대상 비탈면은 총연장 280 m (STA.0 + 860 ~ 1 + 140), 최대 높이 26 m의 규모를 보이며, 높이 15 m 지점의 소단을 중심으로 하단부는 65°, 상단부는 50~55°의 경 사를 보인다. 비탈면 내에는 수매의 단층을 비롯한 다양 한 방향의 불연속면들이 관찰된다. 실제 붕괴가 발생된 STA.0 + 970 ~ 0 + 980 구간은 단층 및 수직절리로 규제 되는 암괴에서 최초 하부암탈락이 발생하였으며, 이후 인장균열이 유발되어 실제 붕괴 발생 암괴는 하부로 약 1~1.5 m 정도 이동된 상태이다.

붕괴를 직접 유발시킨 단층면과 그 밖에 체계적으로 관찰되는 주요 불연속면을 대상으로 평사투영 해석을 실 시한 결과, 쐐기파괴와 평면 및 전도파괴 모두 발생할 가능성이 인지되었다. 특히, 주요 단층과 관련된 불연속

면인 set 1은 평면파괴 유발 절리인 set 4와 교차하여 쐐기파괴를 일으킬 가능성이 크며, 단층면으로 유수 침 투 가능성이 높으므로 거동이 우려되는 불연속면이다.

본 연구에서는 붕괴가 발생한 STA.0 + 980 지점을 대 표단면으로 하여 개별요소법(DEM)을 이용한 수치해석 을 실시하였다. 대표단면은 현장 상황을 최대한 간소화 하여 설정하였으며 상단부에 하나의 지질경계면을 두었 다. 사용된 불연속면은 붕괴부 내에서 주로 관찰되는 3 개의 set를 이용하였다. 불연속면의 거동 특성 해석 결 과, 중하단부 암반을 중심으로 전체 변위가 207 mm인 것으로 확인되었으며, 절리 최대전단 변위는 이완된 암 블록에서 약 114 mm로 활동면을 따라 집중 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 소성영역 발생 구간은 하단부 단 층면에서 확인된다.

화산암류 암석으로 구성된 비탈면은 암석의 특성상 불연속면을 통한 풍화 진행 정도가 심하며, 대체로 지하 수의 영향에 취약한 것으로 나타난다. 송곡지구도 이와 같은 현장 상황을 보여주며 붕괴가 발생한 사례이다. 우 리나라에는 백악기 말을 기점으로 대규모 화산활동이 발 생하였으며 경상분지 일대와 전라남도 해안가를 중심으 로 화산암류 지반이 넓게 노출된다. 국내의 일반국도변 에는 총 29,757개의 비탈면이 보고되어 있는데 이중 유 문암, 안산암, 응회암, 현무암 등의 화산암류 암석으로 구성된 비탈면은 전체 개소수 대비 10.8% 비율인 총 3,201개소로 확인된다(KICT, 2012).

화산암류로 구성된 비탈면에서의 풍화도와 지하수 영 향 특성을 알아보기 위해, 국도변 전체 비탈면에서의 풍 화도, 지하수 상태와 화산암류 비탈면에서의 그것들을 Fig. 9. Results of DEM analysis using UDEC. (A) Joint shear displacement. (B) Yield surface zone formed at the fault section.

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비교 분석하였다. 전체 비탈면에서의 풍화도 등급은 총 6개의 등급 중에서 심한풍화(H.W.) ~ 풍화잔류토(R.S.)에 해당하는 것들이 전체의 69.2%로 나타나 우리나의 국 도변 비탈면은 대체로 풍화도가 높은 편에 속한다. 이와 비교하여 화산암류 비탈면에서의 풍화도는 심한풍화 ~ 풍화잔류토 등급에 해당하는 비율이 약 72%로 나타나 전체 비탈면에서의 비율보다 약간 높은 것으로 분석된 다. 특히 완전풍화(C.W.) 등급의 비탈면은 화산암류 비 탈면에서 전체 대비 약 4% 높게 나타나는 것으로 확인 된다(Table 3).

전체 비탈면에서의 지하수 상태는 약 95% 이상이 건 조(dry) 또는 습함(damp) 상태를 보이며, 젖음(wet) ~ 흐 름(flowing)의 지하수 상태를 보이는 비탈면은 전체의 4.97%에 해당하는 1,480개소로 확인된다. 이와 비교하 여 화산암류 비탈면에서의 지하수 상태는 젖음 ~ 흐름 상태가 6.62%로 나타나 전체 비탈면 대비 소폭 상승된 비율을 보여준다(Table 4).

지역에 따라 지형적 여건, 법면의 노출 면적 등이 다 르며, 조사 당시 계절 및 강우 상태 등도 다르기 때문 에 각 비탈면에 대한 정확한 풍화도와 지하수 상태를 육안 관찰하는 것은 어느 정도 한계가 따른다고 볼 수 있다. 그러나 상기 분석 결과와 같이 타 암종에 비해 화산암류로 구성된 비탈면에서 풍화 등급이 불량한 상 태가 더 많은 것으로 확인 되었으며, 법면 내 지하수 용출 빈도가 높은 것으로 나타난다. 이는 화산암류의 암 석의 야외 노출 산상, 광물 조성, 단열 특성 등과 관련 이 있는 것으로 사료된다.

앞서 설명한 바와 같이 화산암류는 주로 복합체 형태 의 노두(outcrop)로 나타나기 때문에 암상별 차별 풍화 현상이 두드러진다. 특히 규산염 성분이 풍부한 산성질 암석과 고철질 성분의 중성 내지 염기성 암석이 경계를 이루며 공존할 경우, 상대적으로 풍화에 취약한 중성 내 지 염기성 암석이 쉽게 풍화되어 암상 경계부를 따라 변질 및 암탈락 현상이 쉽게 발생할 수 있다. 이는 송 Table 3. Comparison of all slopes and volcanic slopes in terms of weathering grade (KICT, 2012).

1) all slopes

Weathering F. S.W. M.W. H.W. C.W. R.S. Total

16 421 8,727 12,146 6,216 2,231 29,757

Percentage (%) 0.05 1.41 29.33 40.82 20.89 7.50 100.00

69.20 %

2) volcanic slopes

Weathering F. S.W. M.W. H.W. C.W. R.S. Total

4 89 801 1,280 808 219 3,201

Percentage (%) 0.12 2.78 25.02 39.99 25.24 6.84 100.00

72.07 %

Table 4. Comparison of all slopes and volcanic slopes in terms of groundwater condition (KICT, 2012).

1) all slopes Groundwater

condition

Dry Damp Wet Dripping Flowing Total

13,019 15,258 1,126 220 134 29,757

Percentage (%) 43.75 51.28 3.78 0.74 0.45 100.00

4.97 %

2) volcanic slopes Groundwater

condition

Dry Damp Wet Dripping Flowing Total

1,458 1,531 165 36 11 3,201

Percentage (%) 45.55 47.83 5.15 1.12 0.34 100.00

6.62 %

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곡 지구 비탈면의 중요 특성에 해당하기도 한다. 화산암 류 중 특히 응회암질암은 장석류와 석영분이 많지 않은 반면, 기질과 암편에 약 50% 이상의 점토광물을 함유하 고 있어 자연 환경 노출시 쉽게 수분을 흡수하는 특성 을 갖는다(Suh et al., 1994). 이는 노출된 비탈면에서 풍화를 촉진시키는 원동력이 되며, 젖음(wet) 상태의 비 탈면이 다수 관찰되는 것과 관련이 있을 것으로 사료된 다. 또한 화산암류는 암석 중 공극이 형성되어 있는 경 우가 많아 투수계수가 높은 편이며, 화산 활동 이후 냉 각시 수축에 의해 주상 및 판상 절리가 발달하는 경우 가 많다(Yoon, 1992). 이는 화산쇄설암에서 관찰되는 층 리와 더불어 암석 내 이방성(anisotropy)을 가지게 하는 요인으로 작용할 수 있으며, 이러한 단열 발달은 암석의 투수성을 높일 수 있다. 상기 특징들은 화산암류 비탈면 을 열악화 시킬 수 있는 주요 요인에 해당하며, 기존 붕괴부의 추가 붕괴 및 향후 붕괴 잠재성이 있는 구간 에 대한 안정화 대책을 강구함에 있어서 반드시 고려해 야할 특성들인 것으로 판단된다.

송곡 지구의 비탈면은 다양한 암석이 혼재된 화산암 복합체에서 특정 암체 내 단층이 발달하는 부분을 따라 파괴가 발생된 형태이다. 또한 계곡부에 인접한 부분은 시간 경과에 따라 빠르게 풍화가 진행되어 지하수의 조 건이 젖음에 해당되는 부분이 발견되므로 안정적인 비 탈면을 확보하기 위해서는 이러한 암석학적 특성을 고 려한 설계가 필요하다. 평사투영법이나 개별요소법을 이 용한 안정성 해석 결과는 송곡지구라는 특정 구간을 대 상으로 수행한 것이기 때문에 화산암류 지반의 전체를 대표한다고는 할 수 없을 것이다. 그러나 이러한 접근을 통하여 불연속면의 위험성을 평가하고, 이들 불연속면과 이완암블록의 변화량과 분포를 확인하는 방법은 화산암 류 암반의 평가에 있어 필요한 접근 방법이라고 판단되 며, 이를 통해 비탈면의 전반적인 특성을 고려한 안정화 방안이 제시되었다. 단층을 따라 미끄러짐이 발생한 구 간과 현장정밀조사를 통해 위험성이 잠재되어 있다고 판 단된 구간에 대해서는 계단식옹벽을 적용하여 지반의 추 가붕괴를 예방하고 지지력을 확보할 수 있도록 조치하 였다. 또한 계단식옹벽 설치 외 구간에 대해서는 소규모 로 발생가능한 낙석의 하단부 유도를 위하여 낙석방지 망을 적용하기로 결정하였다.

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원고접수일 : 2013년 5월 13일(1차) 수정본채택 : 2013년 6월 12일(1차) 2013년 6월 24일(2차) 게재확정일 : 2013년16월 24일(1차)

김홍균

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