지진이후 강우의 산사태 발생 영향성 평가를 위한 토양물성값 변화 분석

Evaluating the Influence of Post-Earthquake Rainfall on Landslide Susceptibility through Soil Physical Properties Changes

Abstract

연구목적: 국내에서 지속적으로 지진이 발생하고 있기 때문에 지진 발생 후에 대한 산사태 유발 임계강우량의 하향 조정이 요구되고 있다. 본 연구에서는 토양의 물리적 실험을 통해 지진 발생 이후 산사태 예·경보를 위한 임계강우량 조정의 과학적 근거 확보 및 기초자료를 제공할 목적으로 수행되었다. 연구방법: 절토 사면에서 채취한 교란 및 비교란 시료를 대상으로 직접전단시험을 통한 토양의 전단강도 변화를 분석하고, 건조 및 습윤 조건으로 재성형된 시료의 수침후 포화도에 따른 토양의 강도정수를 분석하였다. 연구결과: 다짐함수비를 변화시키며 직접전단시험을 수행한 결과 교란시료 함수비 및 포화도가 증가할수록 점착력은 50% 이상 감소하였고, 전단저항각은 1~2° 감소하였다. 또한, 링전단시험 중 물을 공급한 결과 전단면에 물이 침투되는 순간부터 전단강도의 값이 서서히 감소되는 것으로 나타났으며, 최대전단강도는 약 65~75%, 잔류전단강도는 약 53~60% 감소하였다. 결론:지진과 이후 강우가 발생하였을 때는 사면붕괴 가능성이 증가하므로 이에 대한 대책이 필요하며, 본 연구의 결과는 지진이 발생한 지역에서 산사태를 유발하는 강우임계값을 하향해야 하는 과학적 근거 및 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Purpose: Considering the rising frequency of earthquakes in Korea, it is crucial to revise the rainfall thresholds for landslide triggering following earthquake events. This study was conducted to provide scientific justification and preliminary data for adjusting rainfall thresholds for landslide early warnings after earthquakes through soil physical experiments. Method: The study analyzed the change in soil shear strength by direct shear tests on disturbed and undisturbed samples collected from cut slopes. Also, The study analyzed the soil strength parameters of remolded soil samples subjected to drying and wetting conditions, focusing on the relationship between the degree of saturation after submergence and the strength parameters. Result: Compaction water content variation in direct shear tests showed that higher water content and saturation in disturbed samples led to a significant decrease in cohesion (over 50%) and a reduction in shear resistance angle (1~2°). Additionally, during the ring shear tests, the shear strength was observed to gradually decrease once water was supplied to the shear plane. The maximum shear strength decreased by approximately 65-75%, while the residual shear strength decreased by approximately 53-60%. Conclusion: Seismic activity amplifies landslide risk during subsequent rainfall, necessitating proactive mitigation strategies in earthquake-prone areas. This research is anticipated to provide scientific justification and preliminary data for reducing the rainfall threshold for landslide initiation in earthquake-susceptible regions.

서론

국내에서 최근 5년간(2018~2022년) 발생한 산사태는 연평균 381.8ha로 매년 산사태로 인한 피해가 지속적으로 발생하고 있어 피해 방지를 위한 대책 마련이 중요해지고 있다. 산사태가 발생하는 원인은 유인(inducing factor, 誘因)과 소인(inherent factor, 素因)으로 구분할 수 있으며, 국내에서 대부분의 유인은 강우이다(Lee et al., 2015; Chae et al., 2016). 그러나 국외의 경우에는 강우 외에도 지진을 유인으로 하는 산사태 발생사례와 피해 방지를 위한 연구가 수행되고 있다(Harp et al., 2011; Guo et al., 2013; Huang et al., 2012; Lee, 2014).

2023년에는 튀르키예에서 모멘트 규모 7.8의 대지진으로 수많은 희생자가 발생하였다. 국내에서도 2023년 4월 23일부터 6월 20일까지 동해시 해역에서 232회의 지진이 발생하였고, 5월 15일에는 국지규모 4.5 지진(기상청 기준)이 발생하였다(KIGAM, 2023). 또한, 2016년 경주지진(M_L 5.8)과 2017년 포항지진(M_L 5.4)으로 많은 피해가 발생하였기 때문에 지진으로 인한 피해 방지와 이에 대한 대비가 중요해졌다.

산사태와 같은 산지토사재해 분야에서도 지진을 유인으로 하는 산사태 피해 방지를 위한 연구개발의 필요성이 제기되었다(Lee et al., 2017; Seo et al., 2018; Kang et al., 2020). 과거에는 사면을 대상으로 Newmark(1965) 변위법에 의한 시나리오 기반의 안전율 변화 연구(Jeon et al., 2014; Lee et al., 2014; Lee et al., 2015)가 대부분이었지만, 최근 들어 광역 단위로 지진 발생 전과 후의 산사태 위험성 평가를 통해 지진에 의한 산사태 피해 예방 및 복구에 활용할 수 있는 위험지도 제작 기법에 관한 연구가 수행되었다(Seo et al., 2021).

국외의 경우 실제 지진에 의한 산사태 발생사례를 통해 더욱 다양한 연구들이 수행되었다. 일본, 중국, 대만에서는 지진이 발생했을 때 산사태에 취약한 지형 특성 분석(Harp et al., 2011; Guo et al., 2013), 사면붕괴 특성 구명(Huang et al., 2012), 산사태 위험성 분석 및 위험지도 구축(Lee et al., 2008; Lee, 2014)과 같은 연구들이 수행되었다. 특히, 산사태를 유발하는 유인인 지진과 강우가 복합적으로 영향을 미칠 때 사면안정성에 영향하는 토양 특성과 강우임계값 등 산사태 예·경보를 위한 연구들도 수행되었다(Hong et al., 2007; Ma et al., 2017). 선행연구에서 산사태를 유발하는 강우임계값은 지진 발생 이후 감소하기 때문에 임계값 하향 조정이 필요하다는 연구가 다수 수행되었다(Tomita et al., 1996; Lin et al., 2003; Hotta et al., 2005; Tang et al., 2008; Ou et al., 2010; Ma et al., 2017).

지진 이후에는 지진 이전보다 낮은 강우에도 토양의 교란으로 인해 사면붕괴가 발생할 가능성이 높다고 알려졌지만, 지진 이전 기준 대비 얼마나 낮게 조정할지에 대한 정량적 연구는 많지 않다(Tomita, 1996; Hiramatsu, 2004; Torii, 2007; Shuin, 2012). 실제 일본에서는 과거의 연구와 전문가들의 실험적 지식을 바탕으로 지진 이후 강우임계값 하향 조정률을 20~50%로 설정하도록 하였으나 이 비율이 적정한지에 대한 검증은 수행된 바 없다.

최근 국내에서 지속적으로 지진이 발생하고 있기 때문에 지진 이후 강우의 영향성에 관한 연구도 수행될 필요가 있다. 그러나 국내에서는 지진으로 인한 산사태 발생사례가 전무하기 때문에 지진방재 차원에서 선제적인 실험적 연구가 필요하다. 산사태와 같은 사면붕괴를 해석하는데 필요한 것은 사면붕괴 전·후 과정에 있어 신뢰성 있는 전단강도의 측정이다. 전단강도를 측정하기 위해서는 링전단시험이 필요한데 링전단시험은 산사태 발생 지점의 흙 시료에 무제한 전단변형을 가하여 잔류전단강도를 측정할 목적으로 개발되었다. 또한, 전단변형률 속도에 따른 토질 역학적 전단강도 거동을 설명할 목적으로 사용되고 전단변형률 속도에 따른 전단강도 특성을 분석할 수 있다. 링전단시험을 통한 흙의 파괴 거동을 정량적으로 평가하기 위해 많은 연구가 수행되었으며(Jeong et al., 2013; Park et al., 2013), 특히, Torii et al.(2007)은 지진 발생 이후 강우에 의한 산사태 발생지역에서 지진동이 흙의 강도 특성에 미치는 영향과 산사태 발생 메커니즘을 구명하기 위해 전단시험 및 반복 3축 압축 시험기를 이용한 실험연구를 수행하였다.

국내에서도 지진 발생 후에 대한 임계강우량의 하향 조정이 요구되고 있으며, 지진 이전 기준 대비 얼마만큼 낮게 조정할 것인지에 관한 정량적 연구로써 지진에 의한 토양 교란과 이에 따른 토양의 물성 변화 분석이 필요하다. 본 연구에서는 지진 발생 전·후를 가정한 토양 물성 물리실험을 통해 지진 발생 이후 산사태 예·경보를 위한 임계강우량 조정을 위한 과학적 근거 확보 및 기초자료를 제공할 목적으로 수행되었다. 이를 위해 절토 사면에서 채취한 교란 및 비교란 시료를 대상으로 직접전단시험을 통한 토양의 전단강도 변화를 분석하고, 건조 및 습윤 조건으로 재성형된 시료의 수침후 포화도에 따른 토양의 강도정수를 분석하였다.

포화도를 고려한 전단강도 특성 분석

본 연구에서는 현장에서 교란 및 비교란 시료를 채취하여 비중시험, 아터버그 한계 시험, 입도분석 등 물리실험과 다짐시험 및 직접전단시험(direct shear test), 링전단시험(ring shear test)을 각각 수행하였다. 강우 침투시 불포화토의 강도정수변화를 분석하기 위하여 최적함수비 상태를 기준으로 건조측과 습윤측 함수비의 시료를 단위중량에 맞춰 조성하고 이를 샘플링하여 직접전단시험을 수행하였다.

지진 후 강우로 인한 산사태 발생지역에서 지진동에 의해 토양입자간의 골격구조가 파괴되어 사면 흙의 전단강도가 저하됨에 따라 강우에 의해 산사태가 발생한 것으로 가정하고 실험을 진행하였다. 흙 입자간 골격구조 파괴에 따른 흙의 전단강도 저하를 조사하기 위해 현장에서 채취한 비교란토를 골격구조를 가진 흙, 교란토를 골격구조를 갖지 않은 흙으로 하여 1면 전단시험으로 전단 강도를 산정하고 이를 비교·분석하였다.

기존 연구는 주로 다짐시험 후 각각의 다짐 함수비 상태에서 산정된 포화도를 기준으로 전단강도 정수를 비교하였다. 그러나 본 연구에서는 강우시 일반 성토사면의 강우 침투에 따른 전단정수 변화를 파악하기 위하여 다짐시험 후 최적함수비 상태의 시료를 수침시켜 시간에 따른 시료의 무게를 측정하고 시료의 공극으로 침투한 물의 무게를 측정하여 기존 함수비에 대한 침투한 수분의 함수비를 계산 후 그에 따른 포화도를 산출하였다.

직접전단시험은 포화도 변화에 따른 시료의 최대전단응력과 파괴 상태에 도달한 이후의 잔류전단응력 그리고 전단변위가 지속되는 동안의 체적변화 등 전단 시 발생하는 다양한 전단 특성을 측정하였다. 그리고 최적함수비 시료(비교란시료)를 기준으로 건조측 함수비 5%, 습윤측 함수비 15%와 20%의 시료를 조성하여 동일한 방법으로 각 다짐 함수비상태에서 포화도 변화에 따른 전단변형 특성을 비교·분석하였다.

재료 및 방법

시험에 사용된 시료는 화강풍화토로써 교란 및 비교란 상태로 채취하였으며 채취된 시료에 대하여 기본 물성시험과 다짐시험(KS F 2312)을 수행하였다. 다짐시험의 신뢰성을 위해 자동다짐 시험기를 사용하였으며, 각각의 함수비를 맞춘 상태에서 다짐을 실시하고, 다짐 완료 후 다짐 몰드내에서 내경 60mm, 높이 20mm의 시료를 채취하였다. 컷팅링(cutting ring)에 의해 채취된 시료는 다짐함수비에 대한 포화도를 미리 산정한 후 컷팅링과 함께 수침(submergence, 水浸)시켜 포화도를 조정하였다.

성형된 시료를 수침 시 침투수로 인한 시료의 유실 및 이완을 방지하기 위하여 원형 종이 필터 및 0.42mm체눈크기의 철망을 양쪽면에 부착하고 일정한 압력을 가하여 체적변화를 방지시켰다. 완전 포화상태의 시료를 조성하기 위하여 수침 전 시료의 무게를 측정하고 수침이 진행되는 동안 소요된 시간을 측정하면서 시료의 습윤상태 무게를 측정하였다.

수침 후 완전 포화된 시료는 상온에서 자연 배수시키면서 10분 간격으로 시료의 습윤 상태의 무게를 측정하였다. 단계별 시료의 포화도 변화는 다짐 후의 초기조건으로부터 완전 포화가 되도록 한 다음 자연 배수를 이용하여 포화도가 85%, 75%, 65% 등 포화도를 약 10~15%씩 감소시켜 시료 상태를 조성하였다(Table 1).

Table 1. Experimental condition

*U.D.S.: Undisturbed Soil

본 시험에서 사용한 직접전단시험기는 Fig. 1과 같으며, 사용된 시험장치는 자동시험장치로 KS F 2343을 준수하여 설계되어 시료 제작부터 시험방법까지 KS F 2343을 준수하였다. 전단상자 내부 공간은 내경 60mm, 높이 20mm이며, 전단속도는 0.5mm/min로 변형률 제어 방법으로 전단을 수행하였다. 전단력은 100kg 용량의 로드셀을 사용하였으며 수직변위와 수평변위의 경우에는 각각 전단 박스의 수직･수평 방향으로 25mm의 디지털 변위계를 설치하여 측정하였다.

Fig. 1. Direct shear test

예비시험을 통하여 얻어진 결과를 토대로 하여 최대전단력(peak shear force)과 잔류전단력(residual shear force)이 만족하게 구해질 때까지 시험을 수행하였다. 수평변위는 전단력이 일정하게 되거나 수평변위가 13mm 정도까지 측정하게 규정하고 있는데 본 연구에서는 전단력이 일정하게 되는 8mm를 최대 변위로 결정하고, 수평변위가 8mm 발생될 때까지 전단을 수행하여 응력-변위 값을 측정하였다.

실험 결과 및 고찰

시료의 물리적 특성

체분석, 비중계분석, 물성시험 결과 75㎛체 통과율은 시료 A 24.7%, 시료 B 22.1%, 시료 C 18.1%로써 약 20% 내외의 굵은 실트에 해당하는 세립분을 함유하고 있었다. 통일분류법(USCS; Unified Soil Classification System)에 의한 분류에 의하면 시료 모두 SM으로 국내의 전형적인 화강풍화토로 나타났다(Table 2).

Table 2. Physical properties of experimental soil

직접전단시험 결과

시료의 포화도 변화에 따른 전단강도 특성을 파악하기 위하여 최적함수비의 건조측과 습윤측으로 나누어 직접전단시험을 실시하였다. 전단강도 정수의 결정은 다짐 시 최대건조 단위중량인 최적함수비 상태를 기준으로 최적함수비와 건조측 함수비 5%, 습윤측 함수비 15%와 20%의 조건에서 시험을 실시하였다.

이에 대한 수직응력 및 전단응력-수평변위 곡선을 작성하여 최대전단응력의 강도가 얻어진 결과를 바탕으로 Mohr-Coulomb의 파괴 규준에 따른 전단강도 정수를 산정하였다. 또한 잔류전단응력에 대해서도 최대전단력에 도달한 이후 전단력이 일정해질 때까지 충분히 변위를 진행시켜 결과를 얻었다.

다짐함수비에 따른 수직응력과 전단응력의 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 시료 A의 점착력은 비교란 시료(U.D.S., 함수비 11%)의 직접전단시험에서 30.2kPa(0.31kg/cm²)로 가장 크게 나타났으며, 습윤측 함수비 20%에서는 11.9kPa(0.12kg/cm²)로써 비교란 시료보다 60% 이상 감소하여 가장 작게 나타났다. 전단저항각은 비교란 시료에서 44.0°로 가장 큰 값을 보였으며, 함수비 변화에 따라 1~2°의 작은 차이로 나타났다.

Fig. 2. Analysis of direct shear test result

시료 B, C의 점착력은 비교란 시료(함수비 12.5%, 11%)에서 최대값으로 나타났다. 또한, 최적함수비 조건보다 습윤측 함수비 20%에서의 점착력은 50% 이상 감소하였으나, 최적함수비를 기준으로 습윤측 함수비와 건조측 함수비의 전단저항각 차이는 시료 A와 같이 1~2°로 작은 차이로 나타났다.

실제 강우 침투 시 불포화 상태에서 완전히 포화될 경우의 전단강도 특성을 파악하기 위해 건조밀도가 가장 큰 최적함수비 상태의 시료를 일정 시간 수침시킨 후 기존 함수비 상태의 포화도에서 완전히 포화되었을 경우 단계별 포화도 상태로 전단시켜 포화도별 강도정수를 산정하였다.

Fig. 3은 포화도에 따른 점착력 변화를 분석한 것으로 직접전단시험 결과 시료 A, B, C 모두 포화 상태에 가까워질수록 점착력은 선형적으로 감소하였다. 또한, 포화에 이르는 과정에서의 점착력 감소비율은 다짐함수비 조건에 따라 다르게 나타났으며 이는 기울기로 추정할 수 있다.

Fig. 3. Variation of cohesion with degree of saturation

다짐함수비 15%, 20%의 습윤측 다짐 시 건조측에 비해 이러한 감소 현상은 더욱 크게 나타나고 있어 포화도 증가에 따른 점착력의 감소 효과가 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이러한 양상은 앞서 분석되었던 다짐함수비 변화에 따른 점착력의 거동 양상과 유사한 결과이다. 연구 결과로 미루어 볼 때 각각 일정한 다짐에너지에 의한 건조밀도를 갖는 조건에서도 침투한 물에 의해 포화도가 증가할 경우 점착력이 크게 감소하였음을 알 수 있다.

습윤측 조건에서 다짐 시 함수비가 완전 포화 상태에 근접하였으며 이미 점착력의 크기는 최적함수비 상태의 점착력의 약 50% 내외의 값을 나타낸다. 그렇지만 완전히 포화되었을 경우 감소율이 습윤측 함수비의 점착력을 기준으로 40~60% 수준으로 크게 감소하는 경향을 보이기 때문에 침투한 물에 의해 증가된 포화도는 점착력의 크기를 현저히 저하시킨다고 판단된다.

최적함수비 상태에서의 포화도에 따른 점착력 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 불포화로부터 완전포화에 이르는 과정에서 점착력은 포화도와 선형적인 관계를 보이고 있으며, 모든 종류의 시험 시료에서 유사한 변화 양상으로 나타났다.

Fig. 4. Relationship between degree of saturation and cohesion of undisturbed soil samples

포화도에 따른 전단저항각 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 포화도 증가에 따른 전단저항각은 감소하는 경향을 보이고 있으나 감소폭이 세 가지 시료 모두1~2°로 작게 나타났다. 이는 다짐시 함수비 증가로 인한 전단저항각 변화와 유사한 양상으로 시료 조성 시 동일한 다짐으로 입도구성과 분포가 비교적 일정한 상태이므로 침투한 물에 의한 전단저항각의 변화는 미소(微小)하므로 실제 강우 시 포화도 증가에 대한 전단저항각의 영향은 비교적 적은 것으로 판단된다. 따라서, 포화도 증가에 따른 강도정수의 변화는 전단저항각 보다는 점착력에서 비교적 두드러지는 것으로 나타났으며, 이는 Torii et al.(2007)이 수행한 지진 이후 강우에 의한 산사태 발생에 관한 실험적 연구 결과에서도 전단강도 저하는 내부마찰각 보다는 점착력 저하에 기인한다는 것과 동일하게 나타났다. 실제 강우 침투 시 전단저항각의 저하보다 점착력 저하가 지반의 전단강도 감소에 큰 역할을 하는 것으로 판단된다.

Fig. 5. Variation of shear resistance angle as a degree of saturation

지진발생 이후 변화된 지반에서 산사태 임계강우량 추정에 관한 Shuin et al.(2012) 연구에서 토양점착력은 개념적 매개변수로 활용되었으며, 산사태를 유발하는 토양함수지수가 50% 감소하면 토양점착력은 19% 감소하였다. 또한, Torii et al.(2007)은 토양의 물리적 실험을 통해 1995년 지진에 의한 토양점착력 감소율이 약 20%라고 분석하였다. 이러한 연구 결과는 본 연구에서 진행한 실험과 함께 지진발생 이후 토양 강도의 교란에 따른 산사태 유발 강우임계값 조정의 과학적 근거 및 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

링전단시험에 의한 전단 특성

산사태는 붕괴 전과 붕괴 후 거동으로 나눈다. 아주 느리게 움직이는 땅밀림형 산사태는 진행성 거동과 관련된 붕괴전 거동에 해당하며, 이때 지반변형에 따른 지반의 전단강도는 땅밀림형 산사태 예측과 조기경보 시스템에 있어 중요한 자료로 활용할 수 있다. 특히, Park et al.(2019)에 의하면 국내에서도 2017년 포항 지진으로 인하여 주변 지역에서 땅밀림 현상이 관찰되었기 때문에 국내에서 활용성은 더욱 증가할 것으로 판단된다. 또한, 파괴시점은 산사태 안정성 여부를 결정하거나 지반의 최대저항력을 산정하기 위한 것으로 사방댐과 같은 사방사업의 설계 및 배치에 중요하게 반영될 수 있다.

이러한 경우의 전단강도 측정을 위해 필요한 시험장치가 링전단시험 장치이다. 링전단 시험장치는 토양 시료에 무제한 전단변형을 가하여 잔류전단강도를 측정할 목적으로 개발되었다. 또한, 전단변형률 속도에 따른 토질역학적 전단강도 거동을 설명할 목적으로 사용되었고 전단변형률 속도에 따른 전단강도 특성 연구가 수행되었다.

그러나 국내의 토양 특성에 맞는 링전단시험의 전단변형률 속도에 대한 기준이 미비한 실정이며, 본 연구에서는 전단변형률 속도를 변화시켜 링전단시험에 의한 전단강도를 측정하고 지진과 함께 산사태와 땅밀림에 직접적으로 영향을 미치는 강우에 관련된 결과를 얻기 위해 링전단시험 도중 물을 공급해 주어 전단강도 변화를 분석하였다.

재료 및 방법

링전단 시험장치는 전단상자, 수직하중 제어장치, 수직 변위계, 토크 측정 장치, 간극수압 측정 장치로 구성된다. 전단 상자 내에 시험하고자 하는 시료를 위치시키고, 세 개의 피스톤을 통해 상부로 수직응력을 제어하고, 시험하고자 하는 배수조건을 결정한 다음 지정된 전단속도에 따라 전단 상자 상부에 위치한 두 개의 토크 측정 장치를 통해 토크를 측정한다.

링전단상자 상부에 위치한 세 개의 밸브를 통해 물의 유입이 가능하고 상자의 하부에 위치한 간극수압 게이지를 통해 전단 시 발생하는 전단면에서의 간극수압을 측정한다. 전단상자는 외경 200mm, 내경 120mm, 높이 64mm의 크기로 시험대상 재료를 점토에서 큰 자갈까지 다양한 입자 크기에 대한 실험이 가능하다(Fig. 6). 본 연구에서의 시험은 함수비를 0, 5, 10, 15, 30%로 변화시켜 가며 포화, 압밀, 배수, 전단의 순서로 진행하였다.

Fig. 6. Preparation for ring shear test

실험 결과 및 고찰

전단변형속도에 따른 최대전단강도는 1mm/sec일 때 최대전단강도 183.0kPa, 잔류전단강도 90.1kPa, 50mm/sec일 때 최대전단강도 190.0kPa, 잔류전단강도 117.5kPa, 100mm/sec일 때 최대 전단강도와 잔류전단강도가 52.30kPa로 나타나 전단변형속도가 50mm/sec일 때 가장 높은 전단강도 값을 나타냈으며, 100mm/sec에서 급격한 감소를 보였다(Fig. 7). 이를 바탕으로 링전단시험의 전단변형속도는 50mm/sec로 설정하여 시험을 수행하였다.

Fig. 7. Variation of shear strength with shear velocity

Fig. 8은 함수비 변화에 따른 전단강도를 나타내고 있으며, 실험결과 최대전단강도는 함수비 0%에서 199kPa로 가장 크고 함수비가 커질수록 전단강도는 감소하였으며, 잔류전단강도는 함수비가 0%일 때 119kPa로 가장 크고 최대전단강도와 동일하게 함수비가 커질수록 작아지는 것으로 나타났다.

Fig. 8. Variation of shear strength with water content

또한, 함수비가 30%일 때는 최대 전단강도가 관찰되지 않고 점점 낮아져서 잔류전단강도에 도달하는 것을 알 수 있었다. 따라서 함수비가 증가할수록 최대 및 잔류전단강도는 선형적으로 감소한다고 할 수 있다.

전단 중 강우가 토양에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 전단시험 도중 물을 공급하였다. 물이 공급되는 시점은 잔류전단강도가 나타나는 시점인 1,000sec부터 물 공급을 시작하였다. Fig. 9에서와 같이 전단시험 중 물을 공급하면 최대전단강도는 65.7~74.8% 감소하였으며, 잔류전단강도는 53.5~60% 감소하였다. 이는 전단 이후 물을 공급하고 나서 잔류전단강도가 더욱 감소한다는 실험적 결과로써 지진과 같은 외력이 지반에 가해지고 이어지는 강우로 인해 지반의 사면붕괴 확률이 증가할 수 있다는 실험적 근거라고 판단된다. 또한, 토양이 교란됨에 따라 토양입자의 골격구조가 파괴되어 입자 사이의 점착력이 저하되고 이로 인해 전단강도가 감소한다는 Torii et al.(2007)의 실험연구와도 유사하였다.

Fig. 9. Comparison of shear strength before and after water supply during shear test

이러한 결과는 Tomita(1996), Hiramatsu(2004), Shuin(2012), Nomura et al.(2014)의 선행연구와 함께 지진의 지진동에 의한 토양입자간의 골격구조가 파괴되어 전단강도가 저하되기 때문에 산사태 및 땅밀림에 취약하다고 할 수 있다. 또한 지진 이후 후속되는 강우에 의해서 더욱 전단강도가 저하되기 때문에 이에 대한 대비도 필요한 것으로 판단된다.

결론

2016년 경주지진과 2017년 포항지진 이후 지진 방재에 대한 사회적 요구가 증가했으며, 특히 2023년에는 동해시 해역에서 230회 이상의 지진이 발생하여 지진 방재가 더욱 중요해졌다. 지진은 지진동으로 인해 산사태와 같은 산지토사재해를 유발하고 지진 이후에는 지진 이전보다 낮은 강우에도 토양의 교란으로 인해 사면붕괴가 발생할 가능성이 높기 때문에 이에 대한 대비를 위한 기초연구가 필요하다. 본 연구에서는 지진 발생 이후 강우에 의한 산사태 발생 특성을 구명하기 위해 직접전단시험 및 링전단시험을 각각 수행하였으며, 시험 결과 및 활용 방안은 다음과 같다.

다짐함수비를 변화시키며 직접전단시험을 수행한 결과 외부 응력이 작용하지 않은 비교란 시료의 전단강도가 가장 크게 나타났으며, 최적함수비를 기준으로 건조측(5%)과 습윤측(15, 20%)에서 강도가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 교란시료 함수비 및 포화도가 증가할수록 점착력은 50% 이상 감소하였고, 전단저항각의 변화는 1~2° 정도로 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 포화도 증가에 따른 강도정수의 변화는 전단저항각 보다는 점착력에서 뚜렷이 나타났으며, 실제 강우침투 시 전단저항각의 저하보다 점착력 저하가 지반의 전단강도 감소에 큰 역할을 하는 것으로 판단된다.

링전단시험 중 물을 공급한 결과 전단면에 물이 침투되는 순간부터 전단강도의 값이 서서히 감소되는 것으로 나타났으며, 최대전단강도는 약 65~75%, 잔류전단강도는 약 53~60% 감소하는 것을 알 수 있었다. 따라서 지진으로 인한 지진동 작용 후(교란) 강우발생 시 전단강도 감소율은 최대 60%로 추정할 수 있다. 따라서 지진 자체로 교란이 발생하고 이후 강우가 내릴때는 산사태와 같은 사면붕괴의 가능성이 매우 증가하므로 이에 대한 대책이 필요하며, 본 연구의 실험 결과는 지진이 발생한 지역에서 산사태를 유발하는 강우임계값을 하향해야 하는 과학적 근거 및 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.