GeoWith 001-115 · 전문지반공학
불포화토의 흡입력과 강우 시 사면강도 저하
안녕하세요, GeoWith입니다. 001-114편에서 즉시침하의 계산을 다뤘는데요, 오늘은 비가 온 뒤 흙의 강도가 달라지는 이유, 불포화토와 흡입력(석션)을 알아보겠습니다. 001-76편에서 불포화토를 짧게 다뤘다면, 오늘은 흡입력을 중심으로 001-56편 사면안정해석과 이어서 살펴봅니다.
비가 스며드는 사면에서는 흙 속 흡입력을 텐시오미터 같은 장비로 계측한다 (AI 활용)
1. 불포화토란? — 흡입력의 개념
🔎 전문가 설명
불포화토는 간극이 물과 공기로 함께 채워진 흙으로, 주로 지하수위 위쪽에 놓인다. 이 영역의 간극수압(uw)은 간극공기압(ua)보다 낮아 대기압 기준으로 음(−)의 값을 가지며, 두 압력의 차 (ua − uw)를 기질흡입력(matric suction)이라 한다. 여기에 용해된 염 때문에 생기는 삼투흡입력을 더한 것이 전체흡입력이다. 강우에 의한 사면 붕괴처럼 흙의 구조와 물 상태에 관련된 문제에서는 기질흡입력이 핵심이며, 흙 입자 사이의 물막이 입자를 서로 당겨 강도를 더해 준다.
💡 초보자를 위한 설명
마른 모래로는 모래성을 쌓을 수 없지만, 물을 적당히 섞으면 단단히 쌓입니다. 입자 사이에 남은 물막이 입자들을 서로 끌어당기기 때문인데, 이 끌어당기는 힘이 흡입력입니다. 물을 너무 많이 부으면 이 힘이 사라져 성이 무너집니다.
2. 흙-수분특성곡선(SWCC) — 물을 얼마나 머금나
🔎 전문가 설명
흙-수분특성곡선(SWCC)은 흡입력과 함수량(체적함수비 또는 포화도)의 관계를 나타낸 곡선이다. 포화된 흙에 흡입력을 점차 가하면 어느 값부터 공기가 간극으로 들어오기 시작하는데, 이 값이 공기함입치(AEV, air-entry value)다. AEV를 넘으면 포화도가 급격히 줄고, 이후 함수량 변화가 매우 작은 잔류 상태에 이른다. 일반적으로 조립토는 AEV가 작고 곡선이 가파르며 세립토는 AEV가 크고 완만하다. 곡선은 배수 경로와 습윤 경로가 달라지는 이력(hysteresis)을 보이며, van Genuchten식이나 Fredlund-Xing식으로 시험 결과를 근사한다.
💡 초보자를 위한 설명
스펀지에 물을 먹인 뒤 서서히 말리는 상황을 떠올려 보세요. 처음에는 물이 거의 안 줄다가 어느 순간부터 빠르게 마르고, 나중에는 아주 오래 말려도 조금밖에 안 줄어듭니다. 이 변화를 그래프로 그린 것이 흙-수분특성곡선이고, 물이 빠지기 시작하는 지점이 공기함입치입니다.
흡입력이 공기함입치를 넘으면 포화도가 급격히 줄어든다 (AI 활용)
3. 불포화토의 전단강도 — 흡입력이 강도를 더한다
🔎 전문가 설명
Fredlund 외(1978)는 불포화토의 전단강도를 τ = c′ + (σ − ua)·tanφ′ + (ua − uw)·tanφb로 나타냈다. (σ − ua)는 순수직응력, (ua − uw)는 기질흡입력이고, φb는 흡입력 증가에 따른 강도 증가율을 나타내는 각이다. 흡입력이 0이면 포화토의 유효응력 식으로 돌아간다. 흡입력이 AEV보다 작으면 tanφb가 tanφ′와 비슷하지만, AEV를 넘으면 강도 증가가 비선형이 되어 φb가 줄고 잔류 상태에서는 흡입력의 기여가 작아진다. 해석 프로그램에는 흡입력 효과를 겉보기 점착력 c = c′ + (ua − uw)·tanφb로 넣기도 한다.
💡 초보자를 위한 설명
비 온 뒤가 아니라 가물 때의 흙이 더 단단한 이유가 이 식에 있습니다. 보통의 강도(c′와 마찰) 위에 '물막이 당기는 힘' 항이 더해지고, 비가 와서 흡입력이 0이 되면 마지막 항이 사라져 강도가 그만큼 떨어집니다.
4. 계산 예 — 흡입력이 사라지면 안전율은?
🔎 전문가 설명
깊이 2.0m, 경사 30°의 무한사면을 가정한다(단위중량 18kN/m³, c′ = 5kPa, φ′ = 30°, φb = 15°는 예시를 위한 가정값). 활동면의 수직응력은 γ·z·cos²β = 27kPa, 활동 전단응력은 γ·z·sinβ·cosβ = 15.6kPa이다. 기질흡입력이 30kPa이면 전단강도는 5 + 27·tan30° + 30·tan15° = 28.6kPa로 안전율이 약 1.84다. 강우로 흡입력이 0이 되면 강도는 5 + 27·tan30° = 20.6kPa, 안전율은 약 1.32로 강도가 약 28% 줄어든다. 여기서 사면과 나란한 침투로 완전히 포화되어 간극수압이 u = γw·z·cos²β = 14.7kPa가 되면 강도는 5 + (27 − 14.7)·tan30° = 12.1kPa로 안전율이 약 0.78까지 낮아져 붕괴 조건이 된다.
💡 초보자를 위한 설명
숫자로 보면 단계가 선명합니다. ① 마른 상태: 안전율 1.84 ② 비가 스며 흡입력이 사라진 상태: 1.32 ③ 흙이 물에 완전히 잠기고 물이 사면을 따라 흐르는 상태: 0.78. 흙의 무게도, 경사도 그대로인데 물 상태만 바뀌어도 안전율이 1 아래로 내려갈 수 있습니다. 이 값은 가정값이므로 실제 설계에서는 시험으로 얻은 값을 넣어야 합니다.
흡입력이 사라질수록 안전율이 1.84에서 0.78로 낮아진다 (가정값 예시, AI 활용)
5. 흡입력 측정과 시험 — 어떻게 재나
🔎 전문가 설명
흡입력은 텐시오미터(직접 측정), 축변환법(고공기함입 세라믹 디스크로 간극수압을 제어), 여과지법으로 측정한다. 여과지법은 ASTM D5298에 따라 흙과 접촉시킨 여과지로 기질흡입력을, 접촉시키지 않은 여과지로 전체흡입력을 구하며, 측정 범위가 넓고 비용이 낮다는 장점이 있다. 불포화 전단강도 시험은 흡입력을 제어하는 직접전단이나 삼축 장비가 필요하고 시간이 오래 걸려, SWCC로부터 강도를 추정하는 방법(Vanapalli 외 1996, Fredlund 외 1996)이 널리 쓰인다. 다만 추정식은 흙에 따라 편차가 있으므로 중요한 구간은 시험으로 확인한다.
💡 초보자를 위한 설명
흡입력은 눈에 보이지 않아서 따로 재야 합니다. 흙에 필터 종이를 붙여 두고 종이가 빨아들인 물의 양으로 힘을 역산하는 방법이 간단하고, 정밀한 장비로 압력을 직접 제어하는 방법도 있습니다. 시험이 번거로워서 곡선으로 어림잡아 쓰기도 하지만, 중요한 곳은 직접 시험해야 안심할 수 있습니다.
6. 실무 적용 — 강우와 얕은 사면 붕괴
🔎 전문가 설명
강우 시 얕은 사면 붕괴는 침투로 기질흡입력이 줄어들어 생기는 것이 주된 원인이다. 침투 중에도 순수직응력과 전단응력은 거의 변하지 않고 흡입력만 감소하며, 실험에서는 침투 초기에 흡입력이 빠르게 줄어도 변위는 작다가 파괴가 임박하면 변위가 가속됐다(Melinda 외). 국내 화강풍화토 사면은 강우패턴(선행강우, 당일 집중강우), 강우강도, 투수계수에 따라 안전율이 달라진다(한국방재학회 2013). 화강풍화토와 편마암 풍화토 모형실험(강우강도 200mm/hr)에서 불포화 무한사면 안전율이 1 미만이 된 시점과 실제 붕괴 시점의 평균 차이는 각각 1,600초와 5,400초였다(송효성 2019). 설계에서는 흡입력에 의존한 강도를 그대로 믿지 않고, 강우 후 흡입력이 사라지는 경우를 검토하거나 침투해석과 안정해석을 연계해 시간에 따른 변화를 반영한다. 반대로 흡입력 기여를 전혀 반영하지 않으면 실제 거동을 설명하지 못하고 지나치게 보수적일 수 있다(Pham 외 2019). 배수와 표면 보호로 침투를 줄이고 강우량과 함수량 계측을 예경보(001-74편)와 연계한다.
💡 초보자를 위한 설명
사면이 무너지는 순간만 보면 갑작스럽지만, 그전부터 비가 스며들면서 흙을 붙잡던 힘이 서서히 사라지고 있었던 것입니다. 그래서 '비가 온 직후의 사면'과 '선행강우가 쌓인 사면'을 구분해서 보고, 흙이 마른 상태의 강도만 믿고 설계하지 않는 것이 중요합니다.
📌 핵심정리
- 불포화토에서는 기질흡입력(ua − uw)이 입자 사이의 물막을 통해 전단강도를 더하며, Fredlund 식 τ = c′ + (σ − ua)tanφ′ + (ua − uw)tanφb로 나타낸다.
- 강우가 스며 흡입력이 사라지면 강도와 안전율이 떨어져 얕은 사면 붕괴가 일어나므로, 시험(SWCC, 여과지법)으로 흡입력을 확인하고 침투해석과 안정해석을 연계해 평가한다.
📚 참고 기준·자료
· Fredlund, D.G., Morgenstern, N.R., Widger, R.A., The shear strength of unsaturated soils, Canadian Geotechnical Journal 15(3), 313-321, 1978
· Fredlund, D.G., Rahardjo, H., Soil Mechanics for Unsaturated Soils, John Wiley and Sons, 1993
· ASTM D5298, Standard Test Method for Measurement of Soil Potential (Suction) Using Filter Paper, D5298
· Rahardjo, H., Ong, T.H., Rezaur, R.B., Leong, E.C., Factors controlling instability of homogeneous soil slopes under rainfall, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133(12), 1532-1543, 2007
· Melinda, F., Rahardjo, H., Han, K.K., Leong, E.C., Shear strength of compacted soil under infiltration condition
· Pham, K., Kim, D., Lee, I.-M., Choi, H., Hydraulic-Mechanical Properties of Unsaturated Granite-Weathered Residual Soil in Korea, Vadose Zone Journal, 2019
· 강우패턴을 고려한 화강풍화토 사면의 침투 및 안정성 분석, 한국방재학회 논문집 13(5), 83-92, 2013
· 송효성, 불포화 무한사면의 안정해석을 활용한 산사태 모형실험에 관한 연구, 대한지질공학회지 29(4), 541-552, 2019
참고 기준 확인: 2026-10
지금까지 불포화토와 흡입력을 살펴봤습니다. 001-76편(유효응력 원리의 응용), 001-56편(사면안정해석)과 함께 보시면, 비 온 뒤 얕은 사면이 무너지는 이유를 강도식으로 설명할 수 있습니다.
❓ 자주 묻는 질문
Q1. 불포화토란 무엇인가요?
A1. 간극이 물과 공기로 함께 채워진 흙으로 주로 지하수위 위쪽에 있으며, 간극수압이 대기압보다 낮은 음의 값이라 입자 사이에 흡입력이 작용합니다.
Q2. 기질흡입력과 전체흡입력은 어떻게 다른가요?
A2. 기질흡입력은 간극공기압과 간극수압의 차이고, 전체흡입력은 여기에 염분에 의한 삼투흡입력을 더한 값입니다. 사면 안정 문제에서는 주로 기질흡입력을 사용합니다.
Q3. 공기함입치(AEV)는 무엇인가요?
A3. 포화된 흙에 흡입력을 가할 때 공기가 간극으로 들어오기 시작하는 흡입력의 값으로, 이를 넘으면 포화도가 크게 줄고 강도 증가율도 달라집니다.
Q4. 비가 오면 왜 사면이 무너지나요?
A4. 빗물이 스며들면서 기질흡입력이 줄어 전단강도가 떨어지기 때문입니다. 이때 흙의 무게와 경사는 거의 그대로여서 안전율이 낮아져 얕은 붕괴가 일어날 수 있습니다.
이 글이 도움이 되셨다면 구독으로 응원해주세요! 다음 회차에서 만나요 🙌
본 콘텐츠는 AI의 도움을 받아 직접 기획하고 작성되었습니다.
최종 검토: 2026-10-30