사면안정성에 영향을 미치는 요인(중력과 사면구배, 물과 사면의 수리학적 성질)

사면안정성에 영향을 미치는 요인

자연조건하에서 사면은 상부사면에서 어떤 지점에 공급되는 표토의 양과 그 지점으로부터 하부사면으로 이동하는 양이 평형을 이루도록 하는 어떤 경사도를 항해여 진화한다. 그러한 사면은 평형상태 또는 안정상태에 있다고 말한다. 이러한 사면은 안정하게 보이며 지질작용의 증거들이 별로 나타나지 않을 것이다. 그러나 우리가 지표면 아래의 표토를 조사한다면 우리는 아마도 더 높은 상부사면에 놓여 있는 기반암으로부터 공급된 약간의 암석입자들을 발견하게 될 것이다. 여기에서 우리는 그 입자들이 사면 아래로 이동되었음을 추측할 수 있다. 여러분이 바로 앞에서 배운 것처럼 입자들의 하향이동은 매우 느리거나 매우 빠를 수 있지만 어느 경우에나 그 이동은 중력에 의해 주로 조절된다.

사면안정성에 영향을 주는 요인에는 여러 가지가 있다. 이들 요인들 중에 어떤 하나 또는 조합은 사면안정상태의 조건을 변화시킬 수 있으므로 사면안정성을 감소시키거나 때로는 사면붕괴를 일으킬 수도 있다. 어떤 경우에는 그 요인의 변화가 비교적 갑작스런 유발사건의 형태가 되기도 한다. 그것은 지진과 같은 자연적인 것일 수 있으며 폭발과 같은 인위적인 것일 수도 있다. 다른 경우로 사면은 시간이 흐름에 따라 천천히 변화하기도 한다. 그 원인은 강하고 긴 우기와 같이 자연적이거나 댐의 축조와 같은 인간 활동의 결과 일 수 있다.

사면안정성에 영향을 주는 주요 요인들은 (1) 중력과 사면구배. (2) 물과 사면의 수리학적 성질, (3) 문제가 있는 지각물질의 존재, 그리고 (4) 유발사건의 발생이다.

 

중력과 사면구배

사면위에 놓여있는 암체나 쇄설물을 움직이게 하거나 고정되게 하는 두 가지의 반대되는 힘이 있다. 그 힘은 전단응력(shear stress)과 전단강도(shear strength)이다. 첫째로 전당응력은 물체가 경사면에 평행하게 움직이게 하는 힘이다. 전단응력에 영향을 주는 주요소는 중력에 의한 인력으로서 사면의 구배 또는 가파름과 관련된다. 수평면에서 중력은 표면에 수직방향으로 물체를 끌어당겨 그 장소에 물체를 그대로 놓여 있게 한다(그림6.14). 그러나 경사면에서는 중력은 두 성분의 힘으로 나뉜다. 중력의 수직성분(gp, 그림 6.14)은 경사면에 수직으로 작용하고 물체를 제자리에 있도록 해주는 힘이다. 중력의 접선성분(gt, 그림 6.14)은 경사면을 따라 아래로 작용하여 물체를 경사면 아래로 움직이게 하는 힘으로 작용한다. 경사가 더 급해짐에 따라 접선성분은 수직성분에 비해 상대적으로 증사하여 전단응력은 더 커지게 된다.

그림 6.14 경사면에 놓여있는 암석에 작용하는 중력의 효과. 중력은 수직으로 작용하며 표면에 수직인 gp와 gt의 두 개의 성분으로 분리될 수 있다.

두 번째 힘인 전당강도는 이와 같은 운동에 대한 물체의 내부 저항이라 할 수 있다. 전단강도는 암체나 표토의 고유특성에 의해 지배된다. 이런 특성은 마찰 저항력과 입자 사이의 응집력 그리고 식물뿌리의 구속 작용력 등을 모두 포함한다. 전단강도가 전단응력을 초과하는 한 암석 또는 암석들을 움직이지 않을 것이다 그러나 이 두힘이 평행에 도달하면 운동가능성은 증가하게 된다. 이러한 관계는 안정도(Fs, safety factor)로 알려져 있는 이들의 상대적 비율이다:

안정도(Fs) = 전단강도 / 전단응력

이 안정도가 1보다 작을 때 사면붕괴의 가능성은 아주 높아진다.

전단응력과 경사와의 관계는 경사각이 증가할 때 중력사면이동을 야기시킬 수 있는 조건이 증가하는 경향이 있음을 의미한다. 물론 가파른 경사는 산간지대에 매우 흔히 나타난다. 물론 가파른 경사는 산간지대에 매우 흔히 나타난다. 그러므로 중력사면이동이 특별히 고산지대에서 중요하다고 해서 놀랄 일은 아니다.

 

물

물은 지표면 근처 암석과 표토 속에 거의 항상 존재하고 있으며, 고형의 암석과 표토 모두의 중력사면이동에 다양하고 중요한 역할을 한다. 고화되지 않은 퇴적물은 해빈에 모래성을 세워본 사람은 다 알다시피 퇴적물이 건조되었는지 또는 젖은 상태인지에 따라 다르게 작용한다. 마른 모래는 불안정하고 형체화하기가 어렵거나 불가능하다. 물을 부으면 마른모래로 원추모양의 둔덕을 쌓을 수 있을 것이다. 안식각(angle of repose)이라 불리는 원추 측면의 경사도는 주로 입자의 크기와 각진 정도와 같은 물질의 특성에 의해 결정된다. 예를 들어 모래는 약 32°에서 34°의 경사를 갖고 쌓일 것이다(그림6.15). 약간의 물이 첨가되면 모래는 전단강도를 얻게 되어 안식각이 커져서 수직벽으로 형체화 될 수 있다. 물과 모래 입자는 노출된 표면을 가능한 가장 작은 면적으로 축소되도록 하는 유체의 특성인 표면장력(surface tension)에 의해 서로 끌어 댕긴다. 이 힘은 젖은 모래를 점착성 물체로서 함께 묶어 두려는 경향이 있다. 그러나 너무 많은 물의 첨가는 모래를 물로 포화 시키는 결과를 가져와 입자의 공간을 물로 채워지고 모래입자는 서로 접촉이 느신 해진다. 이 혼합물은 모래성의 주인이 오후 내 내 정성들인 작품을 밀물이 쓸어갈 때 실망의 눈길로 바라보는 것처럼 쉽게 흘러내려 슬러리로 변한다.

그림 6.15 고화되지 않은 물질의 인식각. A. 젖은 모래는 가파르게 쌓일 수 있으나, B. 마른 모래는 항상 32°에서 34°의 경사로 윈추형의 형태로 보인다. 만약 모래를 더 부으면 모래는 사면 아래로 굴러 떨어진다. C. 자갈과 같은 더 조립질 입자는 보다 가파른 인식각을 가진다. 수분 함량과 입자의 모난 정도 또한 물질의 인식각에 영향을 줄 수 있다.

세립질 실트와 점토처럼 수분이 있거나 약하게 교결된 세립질 입자 퇴적물은 거의 수직벽을 만들 수 있을 정도로점착성이 있다, 그러나 실트나 점토가 물로 포화되고 내부유압이 증가하면 세립질 입자로 된 퇴적물은 불안정하게 되고 물로 포화된 모래성처럼 흘러내리기 시작할 것이다.

규모가 큰 암밤의 이동은 암석공간에서의 수압이 기인하는 것으로 여겨진다. 수평면을 따라 분리되어 있는 두 암반 사이의 공간이 물로 채워지고 압력을 받게 되면 부력효과가 나타나게 된다. 바꾸어 말하면 수압이 상부의 암반을 지탱 할 수 있을 정도로 충분히 높을 수 있으며, 그 때에는 접촉면을 따라서 마찰력이 감소하게 된다. 그 결과는 갑작스런 붕괴로 나타날 수 있다. 이와 유사한 상황은 극히 위험한 강한 폭풍우에서 만들어 질 수 있다. 물이 달리고 있는 차바퀴 밑에서 압력을 받았을 때 그 유압의 증가는 도로에서 바퀴를 뜨게 만드는 원인이 될 수 있으며 이러한 상태는 수막현상으로 알려져 있다.

이 원리는 간단한 실험을 통해 증명될 수 있다. 빈 음료수 깡통을 젖은 유리면 위에 제일 위쪽에 놓는다(그림6.16 A). 유리판을 천천히 기울이면 깡통은 어떤 특징의 각에 이르기까지는 미끄러지지 않을 것이다. 이 실험에서 사용된 특정의 물질에 대해서는 대략 17°에 근접한 각도가 미끄러지기 시작하는 각이 된다. 다음에는 깡통의 바닥에 작은 구명을 뚫은 후, 유리판에 올려놓고 위쪽의 구명으로 약간의 물을 천천히 붓는다(그림 6.16 B). 깡통은 바닥의 상태변화로 훨씬 더 작은 각도에서 미끄러지기 시작할 것이다. 이와 유사한 방법으로 큰 암체 기저의 높은 수압은 암체의 사면이동을 촉진시킬 수 있는 것이다.

그림 6.16 물이 경사면에 놓여진 물체의 하부면에 작용하는 마찰을 감소시키는 것을 보여주는 실험. A. 젖은 유리판 위에 놓여진 빈 음료수 깡통은 각이 약 17°에 도달할 때 표면 아래로 미끄러지기 시작할 것이다. B.만약 작은 구명을 깡통 밑에 뚫고 구멍을 통해 물을 넣으면 깡통은 훨씬 더 낮은 각도에서 사면 아래로 미끄러지기 시작할 것이다. 유사한 방법으로 큰 암체 밑의 높은 수압은 암체의 사면이동을 증진시킬 것이다.

이러한 실험은 물이 전단강도를 감소시켜 암석이나 퇴적물의 운동을 촉진하고 중력의 작용 하에 사면을 따라 흘러내리도록 한다는 것을 보여준다. 여기에서 물의 역할은 입자간의 자연응집력을 감소시키거나 유압을 증가시켜 암괴의 기저에 마찰력을 감소시키는 것이다. 이렇듯 물은 경사면의 기저부를 깎거나 퇴적물의 화학적 성분을 변화시키는 것과는 다른 방법으로 사면을 불안정하게 할 수도 있는 것이다.

 

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