1) Principal Researcher, Safety&Disaster Prevention Research Division, Korea Expressway Coporation Research Institute 2) Senior Research Fellow, Safety&Disaster Prevention Research Division, Korea Expressway Coporation Research Institute
도입 30년 시점에서 고속도로 보강토옹벽의 손상사례 분석
Analysis of Damage Cases of Reinforced Earth Retaining Walls for Expressways at the Time of Introduction 30 Years
도 종 남1)･ 김 낙 영2)･ 김 명 일†･ 박 두 희3)
Jongnam Do ･ Nagyoung Kim ･ Myoungil Kim ･ Doohee Park
Received: October 30
th, 2020; Revised: November 5
th, 2020; Accepted: November 23
rd, 2020
ABSTRACT : Reinforced earth retaining walls were developed in France in the 1970s and began to be applied in earnest to Korea in the 1990s. And now, about 1,300 reinforced soil retaining walls support the embankment of highways and bridge connections.
The reinforced earth retaining wall construction technology has evolved day by day, and in recent years the reinforced earth retaining wall itself has been developed and introduced as a demonstration. However, various damages are constantly occurring in the reinforced earth retaining walls constructed throughout the highway. The cause of this was analyzed as minor defects in the design, construction, and maintenance stages. The solution for this is a change in perception of the importance of each individual process, but this does not form overnight. In this study, 30 years have passed since the introduction of the reinforced soil retaining wall on the highway, the damage cases were analyzed and categorized that have occurred in the reinforced soil retaining wall so far, and attempted to present a confrontation. As a result, the damage occurring on the reinforced soil retaining wall was divided into 10 types, and the causes and countermeasures in the design, construction, and maintenance stages for each were derived.
Keywords : Reinforced earth retaining wall, Damage cases, Causes and countermeasures, Maintenance
요 지 : 보강토옹벽은 1970년대 프랑스에서 개발되어 국내에는 1990년대에 본격적으로 적용되기 시작하였다. 그리고, 현재는 1,300여개의 보강토옹벽이 고속도로 성토, 교량 접속부 등을 지탱하고 있다. 보강토옹벽 시공 기술은 나날이 발전하여 최근에는 보강토옹벽 자체를 교대구물화 하는 보강토교대를 개발하고 시범 도입할 정도가 되었다. 하지만, 고속도로 곳곳에 시공된 보강토옹 벽에는 다양한 손상이 꾸준히 발생되고 있다. 이에 대한 원인은 설계, 시공, 유지관리 단계에서의 소소한 결함들로 분석이 되었다.
이에 대한 해결 방안은 개별 공정 하나 하나에 대한 중요성 인지하는 인식 변화이지만, 이는 하루아침에 형성되지 않는다. 본 연구 에서는 고속도로 보강토옹벽 도입 30년을 맞이하여, 지금까지 보강토옹벽에서 발생된 손상 사례를 분석하여 유형화 하고, 이에 대 한 대책을 제시하고자 하였다. 그 결과, 보강토옹벽에 발생하는 손상을 10가지 유형으로 나누었고, 각각에 대한 설계, 시공, 유지관 리 단계에서의 원인과 대책을 도출하였다.
주요어 : 보강토옹벽, 손상 사례, 원인 및 대책, 유지관리 Journal of the Korean Geo-Environmental Society 21(12): 29～34. (December 2020) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 (Print) ISSN 2714-1233 (Online) DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2020.21.12.29
1. 서 론
보강토옹벽은 1970년대 프랑스에서 개발되어 국내에는 1990년대에 본격적으로 적용되기 시작하였다. 초기 보강토 옹벽에 관한 연구로는 모형실험으로 신뢰성을 검증하기 시 작하였다(Jin & You, 1986; Yoo, 1989). 이후 보강토옹벽의 지지력, 파괴메카니즘, 보강재의 최대인발저항력 등 설계인 자에 대한 연구 등 시공 및 설계법을 정립하기 위한 이론이 하나씩 정립되기 시작하였다(Yoo & Kim, 1991; Kim et al., 2003). 이후 보강토옹벽 시공 중 발생한 사고사례, 붕괴사례 에 대한 연구가 2000년부터 발표되기 시작하였다(Yoo et al.,
2004; Chae et al., 2004; Han et al., 2005). 그리고, 현재는 1,300여개의 보강토옹벽이 고속도로 성토, 교량 접속부 등 을 지탱하고 있다. 보강토옹벽 시공 기술은 나날이 발전하 여 최근에는 보강토옹벽 자체를 교대구물화 하는 보강토교 대를 개발하고 시범 도입할 정도가 되었다. 하지만, 고속도 로 곳곳에 시공된 보강토옹벽에는 다양한 손상이 꾸준히 발 생되고 있다. 아무런 외적인 영향이 없는데, 보강토옹벽 구 조물에 손상이 발생하는 것은 아니다. 대부분, 지속적인 강 우, 태풍 등의 영향으로 발생되는 경우이다. 하지만, 간혹 서서히 진행되었던 손상이 예상하지 못한 순간에 붕괴까지 이어지는 상황들이 발생한다. 이를 막기 위해서는 일상점검
Fig. 4. Types of reinforced earth retaining wall structures for expressways
시 소소한 전면벽체 균열부터 부분적인 침하 등의 문제를 간과하지 않고 그 원인을 정확히 분석하여 적정한 대책을 시기에 맞게 적용하여야 한다.
대부분의 보강토옹벽의 손상 원인은 설계, 시공, 유지관 리 단계에서의 소소한 결함들로 분석이 되었다. 이에 대한 해결 방안은 개별 공정 하나 하나에 대한 중요성 인지하는 인식 변화이지만, 이는 하루아침에 형성되지 않는다.
본 연구에서는 고속도로 보강토옹벽 도입 30년을 맞이하 여, 지금까지 보강토옹벽에서 발생된 손상 사례를 분석하여 유형화 하고, 이에 대한 대책을 제시하고자 하였다.
2. 보강토옹벽 현황 분석
2.1 보강토옹벽 구조물 현황
고속도로에는 약 22,000개의 구조물이 있다. 그 중 암거 약 1만개소, 교량 9,100개소, 옹벽 1,810개소, 터널 1,000개 소로 수량만 따졌을 때 옹벽이 차지하는 비율은 약 8%를 차지하고 있다(Fig. 1 참고). 건설에 필요한 비용(공사비, 공 기 등)적 측면으로 분석하면 그 가치가 달라지겠지만 옹벽 구조물은 부지 보상비용 절감, 여건적 불리함 극복(교량으 로 지형적 여건 극복을 해야 하지만 비용적 문제로 인하여 대체) 등의 가치가 있다. 따라서, 고속도로를 차지하는 구조 물로써 동등한 위치에 있다고 보아도 될 것이다.
Fig. 1. Current status of highway structures in use (as of October 2020)
옹벽구조물은 Fig. 2에 명시한 바와 같이 도로부와 교량 부 전 부분에 적용되고 있다. 도로부에서는 대부분 성토지 반 조성에 적용되고 있고, 교량부에서는 교대 날개벽, 앞성 토부 등 부속구조물로서의 역할을 수행하고 있다. 대부분 토공 성토부에 적용되고 있을 것이라는 인식이 많지만 의외 로 교량 교대부에도 많이 적용되고 있는 것이 특징이다.
Fig. 2. Location ratio of retaining wall structures on expressway
옹벽구조물을 종류별로 구분하면 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있다. 보강토옹벽 비율은 73%로 대부분을 차지하고 있 고 그 외 철큰콘크리트옹벽 16%, 개비온옹벽 5% 순으로 나 타났다.
Fig. 3. Types of retaining wall structures for expressways
2.2 보강토옹벽의 구조
보강토옹벽은 기초부, 전면벽체, 보강재, 그리고 뒤채움 부로 구성되어 있다(Fig. 4 참고). 보강토옹벽 도입 초기에
는 보강토체 자체의 안정성만을 중요시 하였지만 최근에는 표층수 및 지중수의 신속한 처리를 위한 내외부 배수시설 및 배수층, 물유입방지를 위한 차수층까지 중요한 구조 요 소중 하나가 되었다. 유지관리 단계에 접어든 보강토옹벽 구조물 손상의 대부분이 배수불량에 의한 것이다. 따라서, 이를 방지하기 위해서는 설계단계부터 이와 같은 부분이 검 토되어져야한다. 본 논문에서는 이와 같은 사항에 대한 집 중적인 분석을 실시하였다.
3. 현장조사를 통한 보강토옹벽 손상유형 분석
3.1 현장조사 개요
고속도로 보강토옹벽의 손상유형 및 손상발생 경향을 조 사하기 위해 공용중인 옹벽 중 지역별로 276개소를 선정하 여 정기점검수준의 현장조사를 1차적으로 수행하였다(Fig.
5 참고). 그리고, 그 중 상대적으로 손상이 심각한 29개소를 선정하여 2차조사를 실시하였다. 2차조사는 정밀안전진단 수준으로 실시하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018).
Fig. 5. Checklist for regular inspection of retaining walls of expressways (Korea Expressway Corporation, 2017)
3.2 보강토옹벽 손상 유형 분석
1차 현장조사결과 조사된 공용중인 고속도로 보강토옹벽 의 손상유형 및 손상발생 경향을 나타내면 Fig. 6과 같이 나 타낼 수 있다. 전면벽체의 손상 및 이격이 약 32%로 가장 큰 비율을 차지하고, 이어서 전면벽체의 누수 및 백태 28%, 배수시설의 손상 14%의 순서로 나타났다. 여기서, 전면벽 체의 누수 및 백태도 배수시설의 문제에 의한 손상임을 감 안하면 배수 관련 문제가 약 42%를 차지하며, 따라서 전면
벽체의 손상과 배수 관련 문제가 74%로 대부분의 손상을 차지하는 것으로 나타났다. 그러나, 1차 조사 결과에 의한 손상발생 경향은 상태등급과 관계없이 구분한 것인데, 보강 토옹벽의 손상은 옹벽의 상태에 따라 다르게 나타날 수 있 으므로 상태등급별 손상유형에 대한 분석도 필요한 것으로 판단된다. 이에 상태등급에 따른 손상유형의 분석은 정밀점 검수준의 2차 현장조사에서 분석하였다.
Fig. 6. Analysis of damage occurrence trend of reinforced earth retaining wall in common (First survey, 276 locations selected)
1차 현장조사 대상 276개소 중에서 상대적으로 손상이 심각한 29개소에 대해 정밀점검수준의 2차 현장조사를 수 행하였다. 현장조사는 정밀 외관조사를 수행하여 외관조사 망도를 작성하고, 상태등급에 따른 손상유형 및 손상발생 경향 등을 1차 보다 심도있게 분석하였다. 2차 현장조사결 과 도출된 상태평가결과를 Fig. 7에 나타내었다. 보강토옹 벽의 특성상 D, E등급 판정을 받은 시설물이 드문 실정을 감안할 때, D등급과 E등급도 전체의 약 20% 정도 분포하는 것으로 평가되어 상태등급에 따른 손상유형 및 손상발생 경 향을 파악하는데는 무리가 없을 것으로 판단되었다.
Fig. 7. Results of analysis of condition grade distribution of reinforced earth retaining walls subject to the 2nd field survey
Fig. 8은 B등급 및 C등급의 손상발생 경향을 나타낸 것 으로서, 전면벽체의 손상 및 이격은 43%로 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 배수시설 손상(26%), 전면벽체 누수･열 화(17%), 부등침하(9%), 뒤채움재 유실(4%)의 순서로 나타
났다. 또한, 전면벽체의 손상 및 배수 문제가 86%로 대부분 의 손상을 차지하여 B, C등급의 손상유형은 대체로 Fig. 6 의 전체 등급 손상유형과 유사한 것으로 나타났으나, 전면 벽체 및 배수문제의 차지비율은 12% 더 높게 나타났다. 이 렇게 전면벽체 및 배수문제의 차지비율이 높아진 것은 A등 급이 다수 포함된 전체 등급과 비교하여 손상유형은 유사하 지만 전면벽체 및 배수문제의 손상정도가 악화되어 B, C등 급으로 등급이 낮아진 것에 기인하는 것으로 추정된다.
Fig. 8. Tendency of damage to condition grade B and C grade reinforced earth retaining wall
한편, Fig. 9는 D등급 및 E등급의 손상발생 경향을 나타 낸 것으로서, 전면벽체 손상･이격(16%), 부등침하(16%), 배 부름(14%), 전도(14%)와 같은 내적 불안정성으로 발생하는 손상이 대부분을 차지(60%)하며, 활동파괴(8%), 배수시설 손 상(8%), 기초부 세굴(8%), 전면벽체 누수･열화(8%), 보강재 파단 및 벽체붕괴(5%). 뒤채움재 유실(3%)과 같은 외적 불 안정성 및 배수 관련 문제로 발생하는 손상이 나머지를 차 지(40%)하는 것으로 나타났다.
Fig. 9. Damage incidence tendency of condition grade D and E grade reinforced soil retaining wall
이상과 같이, B, C등급에서는 전면벽체 손상 및 배수로 인한 손상이 대부분을 차지하지만, D, E등급에서는 B, C등 급의 전면벽체 손상 및 배수문제가 악화되어 내적 불안정성 을 초래하여 전면보강이 필요한 경우가 발생하는 것으로 나 타났다. 따라서, C등급 이상의 상대적으로 양호한 보강토옹 벽에서 발생하는 손상들에 대하여 적절하게 보수하는 예방
적 유지관리로 손상의 악화를 예방하는 것이 필요함을 알 수 있다.
4. 보강토옹벽 손상 원인 및 대책 분석
4.1 손상유형별 원인 분석
현행 정밀안전진단세부지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2018)에서는 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 보 강토옹벽에 발생하는 손상을 전면벽체, 기초, 배수시설 및 사면의 4개 그룹에 대해 총 12개의 손상지표로 제시하고 있 다. 그러나, 고속도로 보강토옹벽과 국내외 보강토옹벽에서 발생한 다양한 손상 사례를 분석한 결과, 보강토옹벽의 주 요 손상유형은 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 전면벽체, 기초, 배수시설 및 사면의 4개 그룹에 대해 총 10개의 손상유형으 로 나타낼 수 있다.
Fig. 10. Schematic diagram of the damage index of the reinforced earth retaining wall
FIg. 11. Damage types of reinforced earth retaining walls through case analysis
고속도로 보강토옹벽에 발생된 손상은 대부분 상부 및 내부 배수체계 불량, 부적절한 뒷채움재 및 보강재 사용, 뒷 채움 다짐 부족, 유지관리 미흡에 기인한다. 세부적인 손상 유형별 원인 및 해결방안을 정리하면 Fig. 12와 같이 나타 낼 수 있다.
Fig. 12. Analysis of causes and solutions for each type of damage
(a) Drainage facility for reinforced earth retaining wall
(b) Drainage facility for reinforced earthl retaining wall in flooded area
(c) Drainage and waterproofing plan for reinforced soil retaining wall
Fig. 13. Drainage facility structure details (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)
4.2 주요 손상에 대한 대책 분석
손상 원인의 대부분을 차지하는 문제는 배수문제, 부적 절한 뒤채움재료 사용, 유지관리 시 배수관련 사항 미흡으 로 도출할 수 있다.
배수문제로 인한 손상은 보강토옹벽 국가기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013) 개정 전, 배수 시설 구조 세목 미비로 인한 배수시설 누락 또는 오용에 의
한 것이다. 그리고, 배수시설 누락 시 벽체손상, 배부름, 전 도, 세굴 등의 문제가 발생된다. 따라서, Fig. 13과 같이 배 수관련 설계기준을 준수하고 합리적인 배수설계를 수행하 여야 한다.
부적절한 뒤채움재료 사용은 양질의 뒤채움재료 수급이 어려울 경우 현장유용토 사용 시에 발생될 수 있다. 이 때, 현장유용토가 세립분 함유량이 높은 경우 보강재와 뒤채움 재와의 마찰저항이 감소되고, 투수성 저하로 수압이 작용되 며, 전단강도가 감소되고 동경융해에 취약하게 된다. 그리 고, 시공중 다짐도 확보가 어려우며 공용중 장기변형 발생 가능성이 높아진다. 반면, 현장유용토 입경이 19~102mm인 경우 다짐 시 보강재의 손상이 우려될 수 있다. 이를 방지하 기 위해서는 현장유용토 사용 시 Table 1의 뒤채움재료 기 준을 준수하고, 입경이 19~102mm인 경우 보강재 시공손상 평가를 필히 실시하여야 한다.
Table 1. Standards of materials for backfilling of reinforced earth retaining walls (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)
Sieve scale size (mm) (sieve number)
Passed weight percentage (%)
102 100
0.425 (No. 40) 0 ~ 60
0.075 (No. 200) 0 ~ 15
* Exception: Even if the No.200 pass rate is more than 15%, it can be used if the 0.015 mm pass rate is 10% or less, or the 0.015 mm pass rate is 10-20%, the shear resistance angle is 25° or more, and the plasticity index (
) is 6 or less.
배수관련 유지관리 미흡 시 발생되는 손상은 주로 보강 토옹벽 상세 유지관리 기준 부재로 배수에 대한 중요성에 대한 인지 부족이 주요 원인이다. 따라서, 배수로 정비, 보 수 등 배수 관련 유지관리 소홀로 인하여 다양한 손상이 발 생된다. 이와 같은 손상을 그대로 방치하면 기초부 세굴, 배 부름, 전도, 벽체열화 등으로 다양한 손상이 발생할 수 있 다. 따라서, 배수로 정비와 관련된 기준을 수립하고 교육 등 을 통하여 배부시설 관리에 대한 중요성을 인지해야할 필요 가 있다. 또한, 주기적인 점검 및 즉각적인 보수를 통한 예 방적 유지관리 실현이 필요하다.
5. 결 론
본 연구에서는 고속도로 보강토옹벽 도입 30년을 맞이하 여, 지금까지 보강토옹벽에서 발생된 손상 사례를 분석하여 유형화 하고, 이에 대한 대책을 제시하고자 하였으며 그 결 과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 고속도로 보강토옹벽의 손상유형 분석을 위하여 2차례 에 걸친 조사 결과, 상태등급 B, C에서는 전면벽체 손상 및 배수로 인한 손상이 대부분을 차지하지만, 등급 D, E에서는 등급 B, C에서의 전면벽체 손상 및 배수문제 가 악화되어 나타나는 손상이 발생되었다.
(2) 고속도로 보강토옹벽과 국내외 보강토옹벽에서 발생한 다양한 손상 사례를 분석한 결과, 보강토옹벽의 주요 손 상유형은 전면벽체, 기초, 배수시설 및 사면의 4개 그룹 에 대해 총 10개의 손상유형으로 나타낼 수 있다. 이러 한 손상은 대부분 상부 및 내부 배수체계 불량, 부적절 한 뒷채움재 및 보강재 사용, 뒤채움 다짐 부족, 유지관 리 미흡에 기인하는 것으로 나타났다.
(3) 보강토옹벽의 성능저하 요인을 결함, 손상 및 열화로 구 분하여 분석한 결과 대부분 설계 및 시공단계에서 내재 된 결함(약 67%)이 주요 원인인 것으로 나타났다. 따라 서, 설계 및 시공 기준을 철저히 준수하여 결함에 의한 성능저하 요인을 최소화하고, 체계적인 유지관리 이행 을 통한 공용중 건전성 확보가 필요한 것으로 나타났다.
(4) 보강토옹벽의 주요 손상 원인은 배수와 관련된 문제이 며 이에 대한 기본적인 대책을 분석하여 제시하였다.
References
