Formation Mechanism of Loessial Soil Surface Collapse and its Threshold Disaster-Inducing Parameters in Xining City

중국 북서부의 건조한 지형에는 흔히 황토라고 알려진 독특한 바람에 날려온 퇴적물이 지표를 이루고 있다. 이 토양은 가볍고 다공질이며 건조할 때는 형태를 잘 유지하여 가파른 절벽을 형성하고 많은 고대 정착지의 기반이 되기도 한다. 그러나 이 토양은 동일하게 위험한 비밀을 간직하고 있다. 바로 물에 매우 민감하다는 점이다. 황토가 젖게 되면 내부 구조를 잃고 자체 무게를 견디지 못해 붕괴하거나 진흙 형태의 슬러리로 분해될 수 있다. 과학자들은 물이 어떻게 이 토양을 침하시키는지 오랫동안 연구해 왔지만, 더 갑작스럽고 격렬한 형태의 실패 현상은 종종 간과되어 왔다. 수년에 걸쳐 기초를 균열시키는 느리고 서서러운 침하와 달리, 이 다른 현상은 지표면이 갑자기 무너져 내려 도로와 차량을 집어삼키는 깊고 거대한 구멍을 만들어낸다. 이러한 급격한 붕괴가 정확히 어떻게 발생하는지, 그리고 어떤 특정 조건이 이를 유발하는지를 이해하는 것은 이 취약한 땅 위에 세워진 도시들을 보호하는 데 필수적이다.

칭하이성 칭닝시에 위치한 이곳에서, 이 위협은 2020년 1월 13일 비극적인 현실이 되었다. 번화한 거리 한복판에 거대한 구멍이 생겨나면서 시내버스가 땅속으로 추락했다. 이 참사로 10명이 사망하고 17명이 부상을 입었다. 참사 이후, 칭하이 환경지질 탐사국의 연구진과 여러 대학교의 연구팀은 단순히 비극을 이해하는 것을 넘어, 그 배후에 있는 정확한 메커니즘을 파악하기 위해 착수했다. 그들은 붕괴가 발생한 특정 지점에 집중했는데, 이곳은 지역 전역에서 발견되는 바람에 날려온 퇴적물의 변종인 황토질 토양으로 구성된 곳이었다. 심층 시추, 세밀한 현장 관찰, 그리고 실험실 실험을 결합함으로써, 연구팀은 지표면이 갈라지기 훨씬 전부터 시작된 일련의 사건들을 재구성하며 지표가 어떻게 실패했는지에 대한 숨겨진 이야기를 밝혀냈다.

조사는 지표 아래에 무엇이 있는지 살펴보는 것으로 시작되었다. 연구진은 약 8미터 너비에 깊이가 11미터를 초과하는 붕괴 구덩이 주변에 4개의 구멍을 뚫었다. 그들이 발견한 것은 지층의 역사였다. 최상층은 도로였고, 그 아래로는 두꺼운 층의 붕괴성 황토질 토양이 이어졌다. 더 깊은 곳에서는 인공적인 공동, 즉 오래된 유지보수실이나 건설 과정에서 남겨진 공간일 가능성이 있는 약 2미터 높이의 인공적인 빈 공간을 발견했다. 결정적으로, 그들은 지표면 아래 단 2미터 지점에 묻혀 있는 파손된 주철 수도관도 발견했다. 관 주변의 토양은 단순히 젖어 있는 상태가 아니라 포화 상태였으며, 수도관 자체에서도 누출 흔적이 보였다. 연구팀은 지표가 단순히 비 때문에 무너진 것이 아니라, 내부로부터 서서히 깎여 나갔다는 사실을 깨달았다.

이 숨겨진 침식 과정은 토양의 두 가지 특정 거동에 의존한다. 첫째, 황토는 붕괴성을 띠는데, 이는 압력을 받은 상태에서 젖게 되면 수축하고 침하함을 의미한다. 둘째, 그리고 이 재난에 있어 더 중요한 점은 토양이 분해되기 쉽다는 것이다. 이는 천연 광물에 의해 결합되어 있던 토양 입자들이 물에 젖었을 때 갑자기 결합력을 잃을 때 발생한다. 연구진은 이 지역의 토양이 물을 만나면 팽창하는 일라이트(illite)와 물에 용해되는 방해석(calcite)이라는 상당량의 광물을 포함하고 있음을 발견했다. 누출된 수도관에서 흘러나온 물이 토양으로 스며들자, 이 광물들이 반응하여 토양 구조를 파괴하고 느슨하게 흐르는 진흙으로 변하게 했다. 이 진흙은 근처의 관과 아래쪽의 인공 공동으로 씻겨 내려가 숨겨진 터널 형태의 빈 공간을 만들어냈다.

이 침식은 한꺼번에 일어나지 않았다. 연구진은 재난으로 이어진 명확한 사건의 순서를 추적했다. 이는 관과 도랑 주변의 느슨한 되메우기 흙에서 물과 토양이 상호작용하면서 시작되었다. 관에서 물이 새어 나오면서 토양을 연화시켰고, 이로 인해 토양이 수직으로 붕괴하며 미세한 균열을 형성했다. 시간이 흐르면서 이 균열은 커졌고, 토양은 분해되어 아래쪽의 빈 공간으로 씻겨 내려가기 시작했다. 이는 도로 아래 숨겨진 공동, 즉 빈 공간을 만들어냈다. 토양이 더 많이 씻겨 내려감에 따라 공동은 확장되었고, 그 위의 토양 층은 더 얇고 약해졌다. 최종적인 트리거는 도시 자체의 무게였다. 공동 위의 도로는 주요 통행로로서, 주차된 차량의 정적 하중과 이동하는 교통량의 동적 진동을 지속적으로 견디고 있었다. 버스가 약해진 지붕 위를 지나갈 때, 토양은 더 이상 하중을 지탱할 수 없었고 지표면은 즉각적으로 무너져 내렸다.

토양이 정확히 언제 위험해지는지를 결정하기 위해, 연구팀은 실험실에서 일련의 실험을 수행했다. 그들은 현장에서 채취한 토양 샘본을 가지고 다양한 함수율에서 물에 어떻게 반응하는지 테스트했다. 그들은 토양이 결합력을 잃고 분해되기 시작하는 특정 임계점, 즉 문턱값을 찾고자 했다. 그들은 매우 건조한 상태부터 꽤 젖은 상태까지 다양한 양의 물을 포함한 샘플을 준비하여, 물에 노출되었을 때 얼마나 빨리 분해되는지 확인했다. 결과는 정밀했다. 그들은 토양의 함수율이 특정 수준 미만일 때 물에 노출되면 급격히 분해된다는 것을 발견했다. 구체적으로, 그들은 지표 붕괴 재난의 잠재적 함수율 임계값이 27%로 설정되어 있음을 확립했다. 물 조건에 노출되는 동안 함수율이 이 임계값 아래로 떨어지면, 황토질 토양은 급격한 분해를 일으켜 숨겨진 빈 공간을 만들고, 그에 따른 팽창 또는 완전한 붕괴를 초래할 수 있다. 이 27%라는 수치는 이러한 유형의 토양에 대한 결정적인 경고 신호가 되었다.

연구는 칭닝의 붕괴가 자연의 무작위적인 작용이 아니라 예측 가능한 일련의 실패 과정의 결과라고 결론짓는다. 누수되는 수도관, 황토의 특정 광물 구성, 그리고 숨겨진 공동의 존재가 재난을 위한 완벽한 조건을 만들었다. 버스의 진동과 무게는 이미 손상된 구조를 무너뜨린 마지막 밀기였을 뿐이다. 연구진은 도시가 이러한 붕괴에 대해 단순히 구멍을 콘크리트로 채우는 방식으로 대응해 왔으나, 이는 원인이 아닌 증상만을 치료하는 것이라고 강조한다. 숨겨진 침식과 이를 유발하는 특정 함수율 임계치를 이해하지 못한다면, 지표는 여전히 취약한 상태로 남게 된다. 이 27%의 함수율 한계를 식별하고 침식의 순서를 파악함으로써, 연구팀은 이러한 지역을 모니터링할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 만약 관과 도로 주변의 토양 함수율을 측정하여 이 임계값 아래로 유지하거나, 숨겨진 빈 공간이 너무 커지기 전에 감지할 수 있다면, 미래의 붕는 사고를 예방하여 생명과 기반 시설을 대지의 갑작스럽고 조용한 굶주림으로부터 구할 수 있을 것이다.