Analysis of the Effectiveness of Simplified Slope Stabilization Methods for the Continuous Utilization of Skid Trails

산림작업로의 지속적 활용을 위한 간이 사면안정처리 효과분석

이관희⋅황진성⋅지병윤 ^* 국립산림과학원 산림기술경영연구소

Analysis of the Effectiveness of Simplified Slope Stabilization Methods for the Continuous Utilization of Skid Trails

Kwan-Hee Lee, Jin-Seong Hwang and Byoung-Yun Ji

Forest Technology and Management Research Center, National Institute of Forest Science, Pocheon 11186, Korea

요 약: 본 연구는 산림작업로의 사용이후에 존치시켜 지속적으로 활용하기 위하여 필요한 저비용 구조의 간이 사면안정구

조물을 개발하고, 그 시공효과를 살펴보고자 실시하였다. 국립산림과학원 산림기술경영연구소 관내에 시설된 산림작업로 의 성토사면에 안정구조물을 시공하였다. 성토사면 간이 안정구조물에 대하여 차량의 통행으로 인한 노면 침하량 및 지지 력 분석을 실시하였고, 모든 사면안정구조물에 대해서는 차량통행으로 인한 안정구조물의 변위량을 측정하여 안정성을 판 정하였다. 성토사면 간이 사면안정구조물을 대상으로 한 소운재 차량(총 중량 17톤)을 최대 100회(목재운송량 780 ㎥)까지 통행 후 운송횟수별 노면의 지지력과 침하량을 분석한 결과, 안정처리공법별로 노면의 침하량은 최대 150 mm 이하로 양 호한 것으로 나타났으나, 노면지지력의 효과는 크게 없는 것으로 나타났다. 또한, 안정구조물의 안정성을 평가한 결과, 뿌 리쌓기 공법에서 안정성이 다소 낮았으나, 대체로 모든 구조물의 평균 변위량이 약 20 mm이하로 구조적 안정성에는 큰 문제가 없는 것으로 나타났다. 이와 같이 목재생산 이후에 존치되는 산림작업로를 대상으로 간이한 사면안정구조물을 적 용한다면 효율적 목재생산이 가능할 뿐만 아니라, 부족한 임도를 보완할 수 있는 영구적인 생산기반시설로 활용이 가능할 것으로 사료된다.

Abstract: This study was conducted to develop low-cost, simplified slope stabilization methods for the continuous utilization of skid trails, and to analyze the effect of the developed methods. Slope stabilization methods were created on the fill slopes of skid trails in the Forest Technology and Management Research Center of the National Institute of Forest Science.We measured the settlement and bearing capacity of skid trail surfaces, and the displacement of slope stabilization methods with respect to the number of passes (maximum 100 passes) by a logging truck weighing 17 tons. The constancy of slope stabilization methods was determined by measuring displacement of the stabilization structure with respect to the number of logging truck passes. Results showed that the bearing capacity in most cases was insufficient, but that the settlement of skid trails was less than 150 mm, which was considered reasonable. In addition, the stability of root staking wallswas somewhat low, but the average displacements of all slope stabilization methods were generally around 20 mm or less, indicating no issues regarding structural stability. By applying the simplified stabilization methods to skid trail maintenance following timber harvesting, efficient timber harvesting can be achieved. Additionally, these methods can be utilized as permanent forest management infrastructures and complement insufficient forest road facilities.

Key words: skid trail, slope stabilization, bearing capacity, surface settlement.

1)

* Corresponding author E-mail: [email protected] ORCID

Byoung-yun Ji

https://orcid.org/0000-0001-7645-1981

서 론

우리나라는 치산녹화 및 산림자원화 계획의 성과로 산 림자원량이 지속적으로 증가하고, Ⅴ영급 이상의 산림면 적이 26%를 차지함에 따라 숲가꾸기 작업과 목재생산

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http://e-journal.kfs21.or.kr

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산림작업로의 지속적 활용을 위한 간이 사면안정처리 효과분석 583

대상면적이 확대 될 것으로 예상되고 있다. 이에 산림청 에서는 산림생산기반 확충을 위하여 임도시설 확대방안 (2016-2020)(Korea Forest Service, 2015)을 마련하여 적 극적으로 추진하고 있으나, 경제림의 적정 임도밀도는 26 m/ha(Jung et al., 2004)에 도달하기까지는 장기간의 시간 이 소요될 것이다. 그러므로 현행 부족한 임도시설(임도밀 도 3.4 m/ha)을 보완하기 위한 대안으로서 목재수확을 위 해 일회성으로 시설되는 산림작업로에 대하여 간이한 방 법의 안정구조물을 적용하여 지속적으로 활용하는 것이 필요한 실정이다.

산림작업로에 대하여 미국(Natural Resources Conser- vation Service, 2003)과 일본(Japan Forestry Agency, 2010) 은 산림작업로(도) 시설 규정 및 지침을 만들어 운용하고 있으나, 우리나라의 경우는 저규격의 임산물 운재로 및 작업로 등 임시적인 도로가 존재하나, 영구적 사용을 전 제로 한 산림작업로의 개념 및 시설 기준이 마련되어 있 지 않은 실정이다. 또한 통상 목재수확만을 위해서 무분 별하게 시설되고 있어 구조개선을 통한 임도화가 어려운 실정이다. 산림작업로의 지속적인 존치 후 구조개선을 통하여 임도화하기 위해서는 우선 임도에 준하는 종단기 울기로 시설하고, 목재수확 이후 존치시켰을 때 집중호 우로 인한 피해에 안정하여야 할 것이다. 실례로 국립산 림과학원(National Institute of Forest Science, 2019)의 연 구에 따르면 산지경사 30° 이상, 성토부 사면길이 2 m 이 상에서 성토부 노면의 전단균열 피해가 발생하는 것으로 보고하고 있어 영구적 작업로로 활용하기 위해서는 간이 한 안정구조물의 적용이 필요하다. 일본의 경우 산림작 업로(도) 시설에 필요한 간이 안정구조물 시공방법 등 개 설지침을 마련하여 운용하고 있다(Japan Forestry Agency, 2016; Arakawa et al., 2013; Hokkaido Prefecture Forestry Department, 2013; Gifu Prefecture Forestry Department, 2011; Miyagi Prefecture Forestry Department, 2011;

Okayama Prefectural Forestry Department, 2009). 목재를

이용한 간이 사면안정구조물은 저렴한 비용으로 간단하 게 시공이 가능한 장점이 있어 널리 사용되어지는 구조 물이다(Sakai, 2017; Transportation Research Board, 2012;

World Bank Office, 2012; U.S. Department of Agriculture, 1992). 그러나 우리나라의 경우 목재생산을 위하여 다량 으로 산림작업로가 시설되고 있으나, 영구적으로 사용하 지 못하고 복구되고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 목재수확을 위하여 시설되는 산 림작업로를 지속적으로 활용할 수 있도록 산림현장에서 취득이 용이한 간이 사면안정처리방법을 개발하고, 그 효과를 구명하여 제시함으로서 산림생산기반시설의 조 기 정착에 기여할 수 있도록 실시되었다.

재료 및 방법

1. 간이 사면안정처리 시험시공지 조성

간이 목재사면안정구조물의 시공효과 및 안정성 분석 을 위하여 산림기술경영연구소 광릉시험림 내에 165 m 의 산림작업로를 시설하였다. 시설지는 사질토로 구성되 어 있으며, 굴삭기(06)를 이용한 토공작업이 용이한 지역 이다. 작업로 사면의 피해발생 위험이 있는 산지경사 30°

이상의 성토사면에 대하여 간이 사면안정구조물 2종(통 나무쌓기 공법, 뿌리쌓기 공법)을 적용하였다(Table 1, Figure 1).

산림작업로 시험시공지의 조성 방법은 현장에서 취득 이 용이한 목재(지장목)를 이용할 수 있는 간이 사면안정

Stabilization methods Construction distance

Log crib wall 11 m

Root staking wall 17 m

Untreatment 8.4 m

Table 1. Construction distance by applied slope stabilization methods.

Figure 1. Construction of slope stabilization methods for continuous utilization of skid trail.

구조물을 적용하였고, 각 부재 간 결속은 철사, 꺽쇠, 와이 어를 사용하였으며, 시공재료는 통나무(평균 직경 0.18 m) 를 사용하였다.

1) 통나무쌓기 공법

통나무쌓기 공법은 산지경사가 30° 이상인 비교적 급 한 사면에 대하여 성토부의 안정성을 확보하기 위하여 총 11 m를 시공하였다. 시공방법은 하부에 종목(3.6 m, 9개),

횡목(2.4 m, 22개)을 번갈아 쌓아 올린 구조로 부재의 접 합부는 결속을 실시하였다. 본 구조물의 높이는 0.9 m이 고, 시공경사는 60°이다(Figure 2).

2) 뿌리쌓기 공법

뿌리쌓기 공법은 산지경사 30° 이상인 비교적 급한 사면 에 대하여 성토부의 안정성을 확보하기 위하여 총 17 m를 시공하였다. 시공방법은 현장에서 발생한 지장목을 근원 Figure 2. Design drawing of log crib wall.

Figure 3. Design drawing of root staking wall.

산림작업로의 지속적 활용을 위한 간이 사면안정처리 효과분석 585

부에서부터 약 1.2∼1.5 m 높이로 잘라 뿌리부분은 성토 측으로, 그루터기 부분은 노면측으로 약 2∼3개를 쌓은 후 복토하여 시공하였다(Figure 3). 본 구조물의 높이는 0.7 m이고, 시공경사는 45°이다.

3) 무처리구

대조구는 성토사면의 안정구조물을 적용한 구간과 노 면의 침하량 및 지지력 비교를 위하여 산지경사가 30° 이 상인 급경사 구간 8.4 m를 대상으로 토공만을 실시하고 안정구조물은 적용하지 않았다(Figure 4).

2. 조사 및 분석방법

1) 소운재에 따른 성토사면 간이 안정구조물의 시공효과 분석

성토사면의 간이 안정구조물은 차량통행으로 인한 사 면안정뿐만 아니라 노체에 삽입된 통나무는 노면의 지지 력 보강효과가 나타난다. 이러한 시공 효과를 살펴보기 위하여 소운재 차량의 통행으로 인한 노면의 지지력 및

침하량의 변화를 측정하였다(Figure 5).

운송시험은 시공이후 10개월이 경과한 후 실시하였고, 사용한 소운재 차량은 총중량 17톤(공차중량 10톤 + 목재 적재량 7톤)이며, 벌채면적 5 ha의 생산량을 기준으로 최 대 100회(780 ㎥)까지 운송하는 것으로 하였다. 운송차량 통행으로 인한 노면 지지력 및 침하량이 초기에 변화가 심 하게 나타나게 되므로 Table 2에서와 같이 통행횟수 10회 까지는 조사횟수를 많이 하여 측정을 실시하였고, 그 이후 에는 50회, 100회의 통행이 이루어진 후 측정하였다.

측정위치는 횡단위치별로 차륜의 영향을 직접적으로 받는 절토측, 성토측과 노면의 중심부로 구분하여 각 조사 구(통나무쌓기 공법, 뿌리쌓기 공법, 대조구)별로 Figure 6 과 같이 조사 측점에 측량핀을 박아 소운재 차량의 통행(0 회, 2회, 6회, 10회, 50회, 100회)이 이루어진 후 측정하였 다. 노면침하량과 노면지지력의 측정횟수는 각각 270회(3 처리×3측점위치×5반복×6조사횟수)를 실시하였으며, 노면 침하량은 토탈스테이션(CX-101, SOKKIA), 노면지지력은 동적재하시험기(ZFG 2000, Zorn instruments)를 이용하여 Figure 4. Design drawing of untreatment section.

Figure 5. Measurement of settlement and bearing capacity of skid trail surface according to the number of pass of logging truck.

Number of passes 0 2 6 10 50 100

Logging volume (㎥) 0 15.6 46.8 78 390 780

Table 2. Timber transportation volume according to the number of passes of logging truck.

측정하였으며, 식 1을 이용하여 캘리포니아 지지력비 (California Bearing Ratio; CBR)로 환산하였다.

CBR (%) = 0.0039 × (Evd)²+ 0.4078 × (Evd) - 0.2588 (1)

각 공법별 노면 침하량 및 지지력 측정 결과는 대조구 와 비교를 통하여 시공효과를 분석하였다.

2) 성토사면 간이 안정구조물의 안정성 분석

성토사면 간이 안정구조물의 안정성을 평가하기 위한 안정구조물의 변위량 측정을 위하여 Figure 7과 같이 통 나무쌓기 공법은 각 결속부 및 도출된 지점에, 뿌리쌓기 공법은 성토부로 돌출된 뿌리 중심에 각 안정구조물별로 2 m 간격으로 5개의 고정말뚝을 박아 측점을 설치하였 다. 그 후 안정구조물별 측점에 대해 토탈스테이션을 이 용하여 소운재 차량의 통행 이전과 통행횟수 50회, 100 회가 이루어진 후로 구분하여 총 30회(2구조물×5측점× 3 조사횟수)의 변위량을 측정하여 안정구조물의 안정성 평 가를 실시하였다.

결과 및 고찰

1. 성토사면 간이 안정구조물의 시공효과 분석 1) 노면 침하량 분석

통나무쌓기 공법, 뿌리쌓기 공법에 대한 시공 효과를 살펴보기 위하여 소운재 차량의 운송횟수별 노면의 침하 량 변화를 분석한 결과는 Figure 8, Table 3과 같다. 전체 적으로 노면 침하량은 운송횟수에 따라 노면이 안정화되 지 못한 초기에 변화량이 크게 나타났으나, 통행량이 점차 증가함으로서 일정한 수치로 수렴되는 경향을 보였다.

차륜이 접하지 않은 중앙부와 차륜에 접하는 구간(절 토측, 성토측)으로 구분하여 살펴보면, 운송시 차륜이 접 하지 않는 노면의 중앙부의 경우는 대조구의 경우가 침 하량이 운송횟수 100회에서 최대 25 mm로 가장 크게 나 타났으나, 큰 변화가 없이 안정한 상태를 보이고 있었다.

통나무쌓기 공법 및 뿌리쌓기 공법 적용구간과 대조구 등 모든 구간에서 절토측 차륜부는 뿌리쌓기 공법에서 침 하량은 최대 70.5 mm 이하로 침하량이 발생되었으나, 기 준은 호주 QPWS(Queensland Park and Wildlife Service)의 Figure 6. Measurement position of settlement and bearing capacity of skid trail surface.

Figure 7. Survey point installation for measuring displacement of slope stabilization methods.

산림작업로의 지속적 활용을 위한 간이 사면안정처리 효과분석 587

Location Settlement (㎜)

0 Pass 2 Passes 6 Passes 10 Passes 50 Passes 100 Passes

Log crib wall

Cut slope part 0 -21.5 -28.0 -33.0 -48.5 -52.5

Center 0 7.0 -0.5 -3.0 0.0 2.5

Fill slope part 0 -23.5 -37.5 -41.5 -63.5 -75.5

Root staking wall

Cut slope part 0 -6.0 -23.5 -28.5 -70.5 -65.0

Center 0 -6.0 2.0 -4.0 -5.0 -13.0

Fill slope part 0 -7.0 -54.0 -60.0 -89.0 -114.5

Untreatment

Cut slope part 0 1.5 -14.5 -11.0 -28.0 -24.5

Center 0 5.5 -14.0 -19.0 -20.5 -25.0

Fill slope part 0 -36.5 -73.0 -75.0 -167.0 -161.0

Table 3. The settlement of skid trail according to the number of passes of logging truck by slope stabilization methods.

(a) Log crib wall (b) Root staking wall

(c) Untreatment

Figure 8. The settlement of skid trail according to the number of passes of logging truck by slope stabilization methods.

목재생산 실행 규정(2014)에서 제시한 작업로의 침하량 허용기준인 15 cm 이하로 양호한 상태를 보이고 있었다.

이는 절토측 차륜부는 자연상태의 원지반에 시공된 노면 으로 노체가 비교적 안정화되어 있기 때문으로 사료된다.

그러나 성토측 차륜부는 소운재 차량의 운송횟수가 증 가할수록 통나무쌓기 공법은 최대 75.5 mm, 뿌리쌓기 공 법은 최대 115.5 mm, 대조구 167.0 mm까지 침하량의 차

이를 보이고 있었다. 통나무쌓기 공법과 뿌리쌓기 공법 은 성토부 내부에 삽입된 통나무의 효과로 침하량이 적 게 나타난 것으로 사료되며, 특히 통나무 부재간 결속을 실시한 통나무쌓기 공법에서 그 시공효과가 큰 것으로 나타났다. 그러나 안정구조물의 적용이 없었던 대조구는 일부 성토부에서는 균열(Figure 9)이 발생되어 있었고, 침하량 또한 150 mm 이상으로 QPWS의 작업로의 침하

Figure 9. The shear cracking on untreated fill slope of skid trail.

량 허용기준을 초과하는 것으로 나타나 산림작업로의 지 속적 활용을 위해서는 30° 이상의 급경사 구간에 있어 사 면안정구조물의 적용이 필요할 것으로 판단된다.

2) 노면 지지력 분석

통나무쌓기 공법, 뿌리쌓기 공법에 대한 시공 효과를 살펴보기 위하여 차량의 운송횟수별 노면 지지력 변화를

분석한 결과는 Figure 10, Table 4와 같다. 전체적 노면 지 지력은 초기 2회 운송까지 떨어지고 있으나, 그 이후 운송 횟수가 증가함에 따라 큰 변화는 보이고 있지 않았다.

노면의 중앙부와 절토측, 성토측의 차륜부로 구분하여 살펴보면, 운송 시 차륜과 접하지 않은 노면의 중앙부의 경우는 초기 2회 운송 시 감소폭이 큰 것으로 나타났다.

특히, 통나무쌓기 공법에서 CBR이 4%로 감소폭이 상대 적으로 큰 이유는 Figure 8의 (a)에서와 같이 2회 목재운 송시 절·성토측 차륜부에서 차량통행으로 인한 측압으로 중앙부 노면이 융기되어 노면지지력 유실로 나타난 것으 로 사료된다. 통나무쌓기 공법 및 뿌리쌓기 공법 적용구 간과 대조구 등 모든 구간에서 절토측 차륜이 접하는 곳 은 각 시험구마다 큰 차이는 보이고 있지 않았으나, 상대 적으로 큰 것으로 나타났으며, 100회 운송이후 3.4∼

4.6%로 수렴하는 것으로 나타났다. 또한 성토측 차륜이 접하는 곳은 100회 운송 후 통나무쌓기 공법에서 CBR 3.4%로 뿌리쌓기 공법과 대조구에 비하여 양호한 값으로 나타났으나, 그 차이는 미미한 수준이었다.

(a) Log crib wall (b) Root staking wall

(c) Untreatment

Figure 10. The bearing capacity of skid trail according to the number of passes of logging truck by slope stabilization methods.

산림작업로의 지속적 활용을 위한 간이 사면안정처리 효과분석 589

Location Bearing capacity (CBR, %)

0 Pass 2 Passes 6 Passes 10 Passes 50 Passes 100 Passes

Log crib wall

Cut slope part 5.7 4.1 4.5 4.1 3.1 3.5

Center 10.0 6.0 4.0 4.8 4.3 4.3

Fill slope part 3.7 3.9 3.9 5.2 3.3 3.4

Root staking wall

Cut slope part 4.4 3.1 3.2 3.3 3.1 3.4

Center 4.7 3.0 2.9 3.0 2.4 2.6

Fill slope part 2.8 3.2 3.1 2.4 2.3 2.6

Untreatment

Cut slope part 3.4 4.8 5.2 5.0 4.7 4.6

Center 3.9 3.0 2.5 2.6 2.5 2.4

Fill slope part 2.4 2.4 2.9 2.5 1.7 2.2

Table 4. The bearing capacity of skid trail according to the number of passes of logging truck by slope stabilization methods.

Stabilization methods Displacement (㎜)

0 Pass 50 Passes 100 Passes

Log crib wall 0 -4.2 -5.5

Root staking wall 0 -25.8 -20.2

Table 5. Analysis on displacement by slope stabilization methods of skid trail.

Figure 11. Displacement graph by slope stabilization methods of skid trail.

신설 작업로의 지지력 변화연구(Sawaguchi et al., 2011) 에서 27개월이 경과한 시점에서의 CBR 값이 노견부 4.0%, 차륜부 7.8%, 중앙부 5.6%로 수렴하는 것으로 보 고하고 있어 토사 노면의 경우 지지력은 크게 증가하지 않은 것으로 본 연구결과와 커다란 차이는 보이고 있지 않았다.

이상과 같이 노면지지력에 있어서는 성토사면 안정구 조물의 영향이 크지 않은 것으로 보여지며, 보다 나은 노 면의 지지력을 얻기 위해서는 충분한 노면의 다짐과 시

공 시 채취 가능한 암석을 노면에 깔아 사용하는 것이 효 과적일 것으로 사료된다.

2. 성토사면 간이 안정구조물의 변위량 분석

성토사면 간이 안정구조물의 안정성 분석을 위하여 각 구조물의 운송횟수에 따른 변위량을 측정한 결과는 Figlure 11, Table 5와 같다. 안정구조물의 변위량 분석 결과 통나 무쌓기 공법에서 구조물의 변위량이 작게 나타났다. 이는 부재간 결속작업이 수행된 일체형 구조물은 안정성을 증

가시키는데 중요한 요소임을 알 수 있다. 그러나 가장 큰 변위량을 나타낸 뿌리쌓기 공법은 뿌리를 성토부에 결속 없이 그대로 쌓아 시공한 것으로 부재간 결속이 되어 있 지 못하고, 운송차량의 통행하중에 의한 침하량도 커 구 조물의 변위량이 20 mm 이상으로 상대적 값이 크게 발 생한 것으로 사료된다. 그러나 국립산림과학원에서 개발 한 목재안정구조물(National Institute of Forest Science, 2011)의 안정기준 변위량 20 mm 이하를 기준으로 보았 을 때 양호한 수준으로 나타나, 산림작업로의 지속적 활 용을 위한 간이 안정구조물로 사용에는 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.

결 론

본 연구는 산림작업로의 지속적 활용을 위하여 급경사 구간의 사면안정 및 균열발생을 방지하기 위한 성토사면 의 간이 안정처리방법을 개발하고, 그 효과를 구명하였 다. 국립산림과학원 산림기술경영연구소 관내에 시설된 산림작업로의 성토사면을 대상으로 간이 안정구조물을 적용하였다. 간이 안정구조물에 대하여 차량의 통행으로 인한 노면의 침하량 및 지지력 변화를 분석하였고, 성토 사면의 간이 안정구조물에 대해서는 차량통행으로 인한 변위량을 측정하여 안정성을 판정하였다.

소운재 차량(총중량 17톤)을 최대 100회(목재운송량 780 ㎥)까지 통행 후 운송횟수별 노면의 침하량과 지지 력을 분석한 결과, 성토측 차륜부는 차량운송횟수가 증 가할수록 통나무쌓기 공법은 최대 75.5 mm, 뿌리쌓기 공 법은 최대 115.5 mm로 침하량은 양호한 수준으로 나타 났다. 그리고 노면지지력은 최대 100회 운송이후 3.4%∼

4.6%로 수렴하였고, 성토사면의 안정구조물의 지지력 개 선 효과는 크게 없는 것으로 나타났다.

또한 간이 안정구조물의 운송횟수에 따른 변위량을 측 정한 결과, 통나무쌓기 공법에서 구조물의 변위량이 작 게 나타났다. 이는 부재간 결속이 잘된 일체형 구조물은 안정성을 증가시킨 것으로 사료되며, 안정기준 변위량 20 mm 이하를 기준으로 보았을 때 대체로 양호한 수준 으로 나타났다.

이와 같이 목재생산을 위해 다량으로 시설되고 있는 산림작업로에 간이한 방법의 사면안정구조물을 적용하 여 성토부의 균열을 방지하고, 노체의 안정을 도모한다 면 영구적 이용이 가능하여 부족한 임도 시설을 보완할

수 있는 생산기반시설로 활용성이 클 것으로 사료된다.

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Manuscript Received : September 11, 2019

First Revision : October 22, 2019

Accepted : October 28, 2019