전단강도(Shear Strength)란? - 사면 파괴의 원인
전단강도의 개념과 중요성
전단강도(Shear Strength)는 흙이 전단응력(Shear Stress)에 저항하는 능력을 의미하며, 지반 안정성과 구조물 안전성을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 흙은 하중을 받을 때 내부 응력이 증가하며, 특정 한계를 넘어서면 전단파괴가 발생할 수 있다. 전단강도가 충분하지 않으면 사면 파괴(Slope Failure), 기초 지반 침하, 옹벽의 붕괴 등과 같은 문제가 발생할 수 있다.
전단강도는 크게 두 가지 요소로 구성된다:
점착력(Cohesion, c): 흙 입자 간의 결합력으로, 주로 점토에서 강하게 나타난다.
내부 마찰각(Internal Friction Angle, φ): 흙 입자 간의 마찰력으로, 모래나 자갈에서 주요한 역할을 한다.
전단강도는 모어-쿨롱(Mohr-Coulomb) 이론을 통해 다음과 같은 수식으로 표현된다:
τ = c +σ’tanϕ
여기서,
τ : 전단강도(Shear Strength)
c : 점착력(Cohesion)
σ’ : 유효응력(Effective Stress)
ϕ : 내부 마찰각(Internal Friction Angle)
이 식을 통해 전단강도는 유효응력(σ')이 크면 클수록 증가하며, 점착력과 내부 마찰각의 영향을 받는 것을 알 수 있다. 즉, 이론적으로 지반을 안정시키기 위해서는 유효응력, 점착력, 그리고 내부 마찰각의 변화를 통해 전단강도를 높이는 것이 중요하다.
사면 파괴(Slope Failure)의 원인
사면 파괴는 전단강도가 부족하여 흙이 미끄러지면서 발생하는 현상으로, 자연 재해나 인공 구조물 붕괴의 주요 원인이 된다. 사면 파괴가 발생하는 주요 원인은 다음과 같다:
<지하수 상승 및 간극수압 증가>
강우, 홍수, 지하수위 상승으로 인해 토양 내 간극수압(Pore Water Pressure)이 증가하면 유효응력이 감소하여 전단강도가 낮아진다.
지하수 배수가 원활하지 않은 경우, 물이 지반 내부에 축적되어 사면이 불안정해진다.
<토양 성질 및 구조적 문제>
점토는 수분을 포함하면 팽창하고 건조하면 수축하는 특성이 있어 장기적으로 균열이 발생할 수 있다.
느슨한 사질토(Sandy Soil)는 다짐이 부족하면 쉽게 붕괴될 수 있다.
지층이 경사져 있는 경우, 중력에 의해 쉽게 미끄러질 가능성이 크다.
<외부 하중 증가>
도로, 건물, 댐 등 구조물이 사면 상부에 건설되면 추가 하중이 작용하여 전단응력이 증가한다.
지진과 같은 지반 진동이 발생하면 전단강도가 감소하여 액상화(Liquefaction) 현상과 함께 붕괴가 일어날 수 있다.
<배수 불량 및 침식>
비나 강물이 지반을 지속적으로 침식하면 사면이 약해지고 붕괴 위험이 커진다.
배수 시스템이 적절하지 않으면 지하수가 쌓이며, 유효응력이 감소하여 붕괴를 유발할 수 있다.
전단강도와 사면 안정성 확보 방법
사면 파괴를 방지하기 위해서는 흙의 전단강도를 증가시키고, 지반 안정성을 유지하는 방법이 필요하다. 이를 위해 다음과 같은 공학적 기법이 활용된다:
<배수 시스템 개선>
사면 내부의 물을 효과적으로 배출하기 위해 배수로(Drainage System)를 설치한다.
프렌치 드레인(French Drain), 암거 배수관 등을 활용하여 지하수위를 낮춘다.
차수벽(Seepage Control Wall)과 같은 시설을 활용하여 지반 내 수분 이동을 조절한다.
<지반 보강 및 개량>
사면의 점착력을 높이기 위해 파일(Pile) 공법 또는 지오그리드(Geogrid) 보강을 적용한다.
시멘트 혼합 공법을 사용하여 지반을 경화시키고 강도를 증가시킨다.
다짐(Compaction)을 통해 사질토의 밀도를 높여 붕괴 위험을 줄인다.
<옹벽 및 구조물 설치>
흙막이 벽(Retaining Wall)이나 옹벽을 설치하여 추가적인 하중을 견디도록 설계한다.
경사면에 테라스 형식의 계단을 만들면 흙이 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.
<식생 이용 및 표면 보호>
나무와 풀을 심어 뿌리가 토양을 잡아주는 역할을 하도록 한다.
코코넛 매트(Coconut Fiber Mat) 등으로 토양을 덮어 빗물 침식을 방지한다.
인공 잔디나 콘크리트 블록을 활용하여 지반 표면을 보호한다.
실무에서의 전단강도 평가 및 활용
전단강도를 측정하고 사면 붕괴 위험을 예측하는 것은 건설 및 토목공학에서 필수적인 과정이다. 일반적으로 다음과 같은 실험과 분석 기법이 활용된다:
<전단 시험(Shear Test) 수행>
직접 전단 시험(Direct Shear Test)
삼축 압축 시험(Triaxial Compression Test)
베인 전단 시험(Vane Shear Test) 등이 대표적인 방법이다.
<사면 안정 해석 및 모델링>
수치 해석 기법을 활용하여 사면 안정성을 평가하고, 붕괴 가능성을 예측한다.
대표적인 분석 기법으로는 슬라이드 방법(Slope Stability Analysis), 한계 평형 해석(Limit Equilibrium Analysis, LEA) 등이 있다.
<위험 관리 및 안전 대책 수립>
지속적인 사면 변형 모니터링을 통해 사면 붕괴 조짐을 감지한다.
위험 지역에서는 조기 경보 시스템을 도입하여 사전 대피를 가능하게 한다.
전단강도는 지반 안정성과 구조물의 안전을 결정하는 중요한 요소로, 이를 제대로 이해하고 활용하면 사면 파괴와 같은 사고를 예방할 수 있다. 사면 파괴는 자연적인 요인뿐만 아니라 인간의 개발 활동에 의해서도 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위한 배수, 보강, 옹벽 설치 등의 다양한 기술이 활용된다.
토목 및 건설 공학에서 전단강도 개념을 적용하여 적절한 설계를 수행하면, 보다 안전하고 지속 가능한 인프라를 구축할 수 있다.