강우침투에 따른 도로성토사면의 불포화 특성 변화 계측

강우침투에 따른 도로성토사면의 불포화 특성 변화 계측Measurements of Variation of Unsaturated Soil Properties in CompactedRoad Slope due to Rainfall Infiltration이승래 * ⋅김윤기 ** ⋅최정찬 ** ⋅오진규 ***Lee, Seung Rae⋅Kim, Yun Ki⋅Choi, Jung Chan⋅Oh, Jin Kyu1. 서 론최근 대형 사회기반시설물을 중심으로 유지관리와 방재시스템 구축을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.이는 경제규모가 급성장하면서 각종 대형 사회기반시설물의 건설이 활발히 진행되고, 대형 노후 구조물의 수가급증함에 따라 안전한 구조물의 건설과 함께 노후 구조물의 유지관리 및 보수보강, 구조물 붕괴에 대비한 방재시스템 구축이 큰 당면과제로 대두되고 있기 때문이다. 특히 지반구조물의 경우 동결융해 또는 강우 등 자연환경에 직접 노출되어 있어 자연 환경적 변화에 따라 지반구조물의 안정성이 지속적으로 변하게 된다. 그러므로중요하거나 붕괴가능성이 높은 지반구조물에 대해서는 지속적인 유지관리와 붕괴징후에 따른 방재를 위해 구조물의 주요지점에 각종 계측센서들을 설치하여 계측결과를 모니터링하고 그 결과에 따라 적절한 시기에 예⋅경보할 수 있는 시스템이 운용되어야 한다.대표적인 지반구조물로는 댐구조물을 예로 들 수 있는데 이 경우 댐체 내부에 간극수압계 등 각종 계측센서들이 설치되어 통제실에서 지속적으로 계측 및 관리되고 있다. 또한 사면구조물의 경우에는 주로 경사각이 크고 붕괴위험성이 높은 암반사면을 대상으로 계측이 이루어져 왔으며, 스트레인게이지나 광섬유, 카메라를 이용하는 등 암사면 표면에서 발생하는 상대적인 변위가 주요계측항목이 되었다. 하지만 최근 몇 년간 루사나 매미등 태풍 및 집중호우로 인하여 토사사면이나 복합사면의 붕괴가 빈번하게 발생하였으며 이로 인하여 막대한 경제적⋅사회적 손실을 유발하였다. 이러한 빈번한 사면붕괴사례들은 사면붕괴의 원인을 강우특성과 밀접하게 연관시켰고 이와 관련된 연구가 더욱 활발해지는 계기가 되었다.토사사면의 경우 강우에 따른 침투현상으로 인해 내부의 수분 및 간극수압의 변화가 쉽게 발생하며, 이러한변화는 사면의 안정성에 직접적으로 영향을 끼치게 된다. 따라서 토사사면이나 복합사면에 대한 계측은 사면내부의 수분상태와 간극수압을 측정하는 것이 중요하며, 이러한 계측결과를 활용하여 사면의 안정성 평가 및붕괴가능성을 예측할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 풍화토로 성토된 도로사면에 함수비와 모관흡수력(음의 간극수압)을 측정할 수 있는 계측센서들을 깊이별로 설치하여 강우침투에 따른 변화를 살펴보았으며, 표층식생에 따른 침투특성의 차이를 분석하기 위해 식생이 있는 지역과 없는 지역으로 구분하여 각각 계측하였다.2. 강우 침투에 따른 사면의 안정성 변화강우가 지속되는 동안 사면 지표면을 통해 수분은 사면 내부로 침투한다. 침투된 수분은 중력과 동수두에 의하여 점차 사면 내부로 이동하게 되고 이로 인하여 사면의 지표면은 함수비가 점차 증가하게 된다. 이때 불포화투수특성에 따라 충분한 배수가 되지 않을 경우 사면 내부에 침투된 수분은 지표면 부근에서 누적되면서 침윤선을 형성하게 된다. 형성된 침윤선은 점차 사면 내부로 발달되면서 사면 내부의 모관흡수력을 감소시키거나*정회원⋅한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수⋅공학박사⋅E-mail:srlee@kaist.ac.kr**비 회원⋅한국과학기술원 건설 및 환경공학과 박사과정⋅공학석사⋅Email:Kimyunki@k ais t .ac .k r -발표자, ctc1500@kaist.ac.kr***비회 원⋅한국과학기술원 건설 및 환경공학과 석사과정⋅Email:esterope@kaist.ac.kr- 1160 -

없애게 된다. 그리고 오히려 임시지하수위가 지표면 부근에 형성되면서 양의 간극수압이 유발되기도 한다. 이러한 응력상태는 지반의 전단강도를 감소시키는 역할을 하게 된다. 이로 인하여 사면의 지표부분은 약해지고 표층파괴 형태의 파괴형상으로 바뀌면서 안전율이 급격히 감소하는 사면의 불안정성이 야기될 수 있다.3. 현장 계측용 센서의 적용강우로 인한 불포화 사면의 불안정성을 고려할 경우 지반 내부의 모관흡수력과 함수비의 분포가 중요한요소이다. 따라서 사면 내의 각 깊이에서 나타나는 모관흡수력과 함수비의 변화를 지속적이고 자동화된 모니터링 시스템을 통해 직접 계측하고 수집하는 것이 요구된다.지반 내부의 모관흡수력을 측정하기 위하여 텐셔미터 (Soilmoisture Equipment Corporation, SEC)가 사용되었다. 텐셔미터에서는 튜브관 끝에 달린 세라믹디스크를 통하여 외부 지반의 모관흡수력과 튜브관 내부에담긴 물의 압력이 동일해진다. 이러한 압력은 튜브관 상부에 달린 다이얼게이지나 트랜스듀서에 의하여 측정된다. 하지만 -1 기압 이하의 수압이 될 경우 공동현상(cavitation)으로 인하여 이론상 100 kPa 정도의 모관흡수력까지만 측정이 가능하다. 본 계측에서는 지속적이고 자동화된 압력 측정을 위하여 트랜스듀서를 사용하였다.WCR (Water Content Reflectometer, Campbell Scientific Inc.)은 전자기파가 프로브 끝에 달린 지반의수분에 노출된 철봉을 통과하는데 소요되는 시간을 이용하여 체적함수비를 간접적으로 측정하는 장비이다.WCR은 별도의 cable tester를 요구하지 않아 비용이 저렴한 장점이 있지만, 저주파수 대역에서 운용되어 흙의 전기전도도에 민감한 문제점이 있으며 토양특성에 따른 보정방정식이 요구되는 문제점이 있다(CSI,2004).선정된 현장계측센서들은 자동화된 계측을 위하여 현장에 설치된 데이터 로거 (CR10X, CSI)로 연결되며10분마다 측정결과가 자동으로 저장된다. 현장계측이 일반 전기 공급이 어려운 현장에서 이루어지는 것을 고려하여 태양열 판넬로부터 데이터 로거 및 각종 센서에 전기를 공급하였다. 또한 데이터 로거에는 폰 형태의모뎀(CDMA)이 설치되어 있어 매일 한 차례씩 저장된 결과들을 다른 모뎀이 설치된 컴퓨터로 전송한다. 그림 1은 계측에 사용된 센서들과 데이터로거를 보여주고 있다.(a) 텐셔미터 (b) WCR (c ) 데이터로거와 태양열 판넬그림 1. 계측센서들과 데이터로거WCR13 m⃝ ⃟⃝ ⃟텐셔미터10 m그림 2. 계측센서들이 설 치된 현장사면- 1161 -

모관흡수력 (kPa)모관흡수력 (kPa)체적함수비10090807060504030T1 (15cm)T2 (30cm)T3 (45cm)T4 (60cm)201007.28 8.2 8.7 8.12 8.17 8.22 8.27 9.1 9.6 9.11 9.16 9.21 9.26 10.1 10.6 10.11시간 (월일)12010080604020T5 (15cm)T6 (30cm)T7 (45cm)07.28 8.2 8.7 8.12 8.17 8.22 8.27 9.1 9.6 9.11 9.16 9.21 9.26 10.1 10.6 10.11시간 (월일)0.30.250.20.150.10.05(a) 비 식생 지역 깊이별 모관흡수 력의 변화(b) 식생 지역 깊이별 모관흡수력의 변화VWC1 (15cm)VWC2 (30cm)VWC4 (60cm)07.28 8.2 8.7 8.12 8.17 8.22 8.27 9.1 9.6 9.11 9.16 9.21 9.26 10.1 10.610.11시간 (월일)807060504030201008070605040302010080706050403020100시간당 강우강도(mm/hr)시간당 강우강도(mm/hr)시간당 강우강도(mm/hr)체적함수비(c ) 비 식생 지역 깊이별 체적함수 비 의 변화0.450.40.350.30.250.20.15VWC5 (15cm)0.1VWC6 (30cm)0.05VWC8 (60cm)07.28 8.2 8.7 8.12 8.17 8.22 8.27 9.1 9.6 9.11 9.16 9.21 9.26 10.1 10.610.11시간 (월일)(d) 식생 지역 깊이별 체적함수 비 의 변화그림 3. 시간에 따른 모관흡수력과 체적함수비 의 계측 결과80706050403020100시간당 강우강도(mm/hr)4. 계측결과 분석텐셔미터, WCR, 강우계 등의 현장계측 센서들을 공사가 진행 중인 대전-당진간 고속도로 구간의 성토도로사면에 설치하였다. 그림 2와 같이 WCR 센서는 지표로부터 15 cm, 30 cm, 45 cm, 60 cm 깊이에 설치하- 1162 -

였으며, 텐셔미터의 경우 15 cm, 30 cm, 45 cm 깊이에서 측정하였다. 또한 추후 비식생지역에 60 cm 깊이로텐셔미터를 추가적으로 설치하였다. 측정 위치는 2개의 소단이 있는 도로 경사면 중 상부 소단에서 1 m 아래 부분이며, 표층 식생에 따른 침투특성 비교를 위하여 식생이 있는 지역과 없는 지역으로 구분하였다.그림 3은 2005년 7월 28일부터 10월 15일까지 계측된 시간당 강우량, 모관흡수력 분포와 함수비의 분포를보여준다. 그림 3(a), (b)는 모관흡수력의 변화를 보여주고 있으며 그림 3(c), (d)는 사면 내부 함수비의 변화를 보여주는 계측결과이다. 계측 기간 중 발생한 일일최대강우량은 9월 17일에 148 mm이며, 최대시간당 강우량은 동일한 날에 68 mm/hr로 계측되었다. 계측된 결과를 살펴보면 강우 발생 후 모관흡수력은 급격히 감소하고 함수비는 증가하는 경향을 보여준다. 계측된 모관흡수력의 분포 결과를 살펴보면 강우가 없는 기간에최대 100 kPa에 육박하는 모관흡수력값이 측정되었으나 그 이상의 값은 공동현상으로 인하여 측정되지 못하였다. 또한 사면 내부에 높은 모관흡수력이 분포되어 있더라도 강우 직후 급격히 소멸되는 현상도 살펴볼 수있다(8월 27일∼9월 10일). 지표층에 가까운 곳일수록 강우에 따라 모관흡수력의 변화의 폭이 더 크게 나타났다. 또한 식생지역과 비식생지역에서 나타난 체적함수비의 분포를 살펴보면 전체적으로 식생지역에서 더높은 함수비값을 보여준다. 이것은 식생지역의 경우 표층에 분포된 식물로 인하여 지표를 통한 증발량이 작아지고 식물 주변에 일정한 수분이 항상 유지되기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 강우 시에는 지표 내부로수분이 침투되기 보다는 식물의 잎 등에 의해 유출되는 양이 많아지므로 지반 내부 함수비의 상승이 크지않은 것으로 나타났다.5 . 결론우기 시 자주 발생하는 사면 파괴의 원인은 강우침투로 인하여 발생하는 사면 내부의 모관흡수력 및 함수비의 변화 때문이다. 본 연구에서는 이러한 사면의 불안정성을 판단하기 위하여 침투에 따른 사면 내부의 변화를계측하고자 하였으며, 도로 성토사면에 현장용 계측센서들을 설치하여 지속적으로 계측을 수행하였다. 계측 결과 지표면에 가까울수록 모관흡수력과 함수비의 변화가 뚜렷하게 나타나고 있으며, 식생지역의 함수비는 비식생지역보다 높게 나타나지만 강우에 따른 변화폭이 상대적으로 작았다. 또한 비우기시 사면 표층에서는 모관흡수력이 100 kPa 이하로 높게 나타났으며, 강우 직후 급격히 감소하였다. 본 연구에서 얻어진 이러한 계측결과및 계측 시스템은 추후 강우에 따른 실시간적인 사면의 불안정성을 검토하여 사면 구조물의 유지관리시스템과붕괴위험성을 경보하기 위한 경보시스템을 구축하는데 중요한 역할을 수행하게 될 것이다.감사의글본 연구는 한국과학재단(KOSEF)의 지원 하에 Smart Infra-Structure Technology Center (ERC)와 2005년도 특정기초연구사업에 의하여 지원받았으며, 이에 대한 감사를 드립니다.참고문헌1 Fredlund, D. G., Morgenstern, N. R. and Wider, R. A. (1978) The Shear strength of unsaturated soils,Canadian Geotechnical Journal, Vol. 15, pp.313-321.2 Fredlund, D. G. and Rahardjo, H., (1994) Soil Mechanics for Unsaturated Soils, John Wiley & Sons Inc..3 Li, A. G., Yue, Z. Q., Tham, L. G., Lee, C. F. and Lwa, K. T. (2005) Filed-monitored variations of soilmoisture and matric suction in a saprolite slope, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 42, pp. 13-26.4 Lim, T. T., Rahardjo, H., Chang, M. F. and Fredlund, D. G. (1996) Effect of rainfall on matric suctions ina residual soil slope, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 33, pp. 618-628.5 Ng, C. W. W., Zhan, L. T., Bao, C. G., Fredlund, D. G. and Gong, B. W. (2003) Performance of anunsaturated expansive soil slope subjected to artificial rainfall infiltration, Geotechnique, Vol. 53, No. 2, pp.143-157.- 1163 -