Case Study of a Stability Analysis of a Granitoid Slope in the Gansung-Hyunnae area, GangwonDo

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강원도 간성-현내 지역 화강암류 비탈면 안정성 검토 사례 연구

김홍균·김승현*·옥영석·구호본 한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실

Case Study of a Stability Analysis of a Granitoid Slope in the Gansung-Hyunnae area, GangwonDo

Hong-Gyun Kim, Seung-Hyun Kim*, Young-Seok Ok, and Ho-Bon Koo Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology

화강암류 암석은 일반적으로 절리 발달이 미약하고 단층파쇄대가 잘 발달하지 않는 등 공학적으로 양질의 암석에 해 당된다. 그러나 산학지구 붕괴 비탈면을 구성하는 지반은 화강암류로 구성되었음에도 불구하고, 깊은 토사층을 가지며, 불연속면이나 단층 등의 지질구조는 거의 관찰되지 않고, 표층붕괴가 발생한 형태에 해당된다. 본 비탈면의 안정성 고찰 을 위해 3가지 경우(현재 단면, 최초 설계 단면, 수정 설계 단면)에 대한 강우지속시간과 간극수압 변화, 안전율 등에 관 한 해석을 수행하였다. 강우 지속시간이 길어질수록 지하수위는 높이 20 m까지 상승하는 것으로 나타났으며, 최초 설계 단계 단면의 2일 지속강우 기간에는 안전율이 확보되는 것으로 확인되지만, 4일 강우지속기간 동안에는 허용안전율을 만 족하지 못하는 것으로 확인되었다. 수정 설계 단면에서는 4일 강우지속기간에도 안전율이 확보되므로 산학 지구는 1:1.8 경사도로 절취하는 것이 영구적인 안정성을 확보하는 방안이라고 판단된다.

주요어 : 화강암류 암석, 표층붕괴, 강우지속시간, 간극수압, 안전율

Granitoid rocks are generally high-quality rock from a geotechnical perspective, because they rarely contain sys- tematic joints or fragmented fault zones. Although the rock type at the Sanhak site is granite, a collapsed slope has a deep soil layer and shows no residual structures such as discontinuities or faults; surface avalanches from this slope can be observed in several places. To study the stability of this slope, we investigated rainfall duration, vari- ation in pore-water pressure, and the factor of safety considering three cases (current cross-section, initial planning cross-section, revised planning cross-section). With increasing duration of rainfall, the groundwater level rises, up to 20 m in height from ground surface. In the initial planning cross-section, safety was secure for rainfall of 2 days duration, but inadequate for rainfall of 4 days duration. In the revised planning cross-section, however, safety factors were secure for rainfall of 4 days duration. Therefore, to ensure permanent stability at the Sanhak site, a slope degree of 1:1.8 should be maintained during cutting.

Key words : Granitoid rock, Surface avalanches, Duration of rainfall, pore-water pressure, safety factors

서 론

기존 도로를 개선하기 위한 일환으로 신설도로를 개 설하거나, 기존도로를 확장하게 되면 필연적으로 깎기비 탈면이 조성된다. MLTM(2011)은 건설공사 중 발생되는 비탈면의 안정성을 사전에 확보하기 위하여 문헌조사, 지형판독, 지표지질조사, 물리탐사, 각종 시험 등을 통하

여 안정적인 비탈면이 개설될 수 있도록 구체적인 기준 을 제시하고 있다. 그러나 비탈면의 경우, 최초 설계방 향과는 다르게 굴착공사 중에 붕괴가 발생하는 경우가 종종 발생한다. 물리탐사나 시추조사 등을 통하여 굴착 과정 중 노출될 예상 단면을 예측하여 계획하였다고 하 더라도 시공단계에서 노출지반이 상이하게 나타날 수 있 다. 또한 예상치 못한 불안정한 지질구조가 새롭게 발견

*Corresponding author: [email protected]

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되기도 하고, 시간 경과에 따른 풍화상태 변화, 지하수 누수 지점의 차이, 집중호우나 기온의 급격한 변화 등 기상의 영향으로 노출법면이 열악화되어 최초 설계시 계 획대로 비탈면 공사를 진행할 경우 붕괴가 발생되기도 한다. 따라서 시공 중에 이러한 비탈면을 발견하게 되면 시공중 조사를 다시 수행하고 현황도(face map)를 작성 하여 구간별 특성을 파악하고, 비탈면 안정성을 재평가 하여 보다 안정적인 비탈면을 조성하는 것이 필수적이다.

연구 지역은 강원도 북동부 고성군 간성읍 상리와 고 성군 현내면 대진리를 잇는 국도 7호선 왕복 4차선 도로 공사구간에 해당되며, 본 도로는 휴전선을 경유하여 북 한의 금강산으로 향하는 주요 간선도로에 해당된다. 본 연구대상 비탈면은 행정구역상 고성군 현내면 산학리에 위치하므로, 기술의 편의상 “산학 지구”라고 명명하였다.

산학 지구를 구성하는 암석은 대보화강암류로 이루어 져 있다. 본 지역의 대보화강암류는 각섬석-흑운모 화강 섬록암, 반상 각섬석-흑운모 화강암, 섬록암, 복운모 화 강암 등으로 나타나며(Cho et al., 1998), 산학 지구는 주로 각섬석-흑운모 화강섬록암으로 이루어져 있다. 일 반적으로 화강암류 암석은 좋은 품질을 가지는 암석, 풍 화에 강한 암석, 절리 발달이 미약하고, 대규모 단층파 쇄대가 잘 발달하지 않는 암석 등으로 알려져 왔으며, 비탈면 안정성 확보가 용이하고 터널을 굴착하거나 교 량을 건설함에 있어서도 매우 유리한 암반으로 평가받 아 왔다. 그러나 산학 지구를 구성하는 화강암류는 오랜 기간 동안 물리적, 화학적, 해양성 풍화에 노출되어 상 당한 두께의 토층심도를 가지고 있어 일반적으로 화강 암류 비탈면에서 나타나는 층상절리(sheeting joint) 발달 에 의한 평면파괴, 화강풍화토의 표층유실 형태의 붕괴 가 아니라, 심도 1 m 이상의 표층붕괴가 발생하였으며, 이러한 현상은 화강암류 비탈면에서는 잘 발견되지 않 는 특이한 사례라고 할 수 있다.

화강암류에 대해서는 주로 암석화학적인 연구, 연대 측정, 자기특성 연구, 화학적 특성 연구 등이 지속적으 로 이루어져 왔으며(Shimazaki and Lee, 1981; Park and Kim, 1982; Jin et al., 1984; Na, 1990; Han et al., 2010; Kim et al., 2012; Cheong and Kim, 2012), 최근에는 화강암류로 구성된 지반의 강도특성, 물성 및 절리 분포 특성, 균열 발생 특성, 파괴 거동, 최신 기술 을 적용한 공학적 분포 규명 등에 대한 연구가 활발히 진행되어 오고 있다(Seol et al., 2001; Lee et al., 2011a; Lee et al., 2011b; Lee et al., 2011c; Choi and Chae, 2012; Yun et al., 2012). 또한 화강암류로

구성된 비탈면 또는 산사태에 대한 붕괴 특성, 화강암류 의 물리적, 화학적 거동 특성에 대해서는 지역 특성을 고려한 현장정밀조사, 각종 시험이나 화강암 풍화산물의 물리·화학적 특성 규명, 풍화 단계 및 깊이에 따른 프 로파일(profile)의 노출 특성 등 다양한 연구가 진행되어 왔다(Adams et al., 1975; Dearman et al., 1978;

Savage, 1986; Kretzschmar et al., 1997; Olowolafe

& Dung, 2000; Chigara, 2001; Lan et al., 2003;

Kim et al., 2005; Négrel, 2006; Shalkowski et al., 2009).

기존의 다양한 연구에도 불구하고 강원도 고성 지역 에 대한 화강암류 연구는 거의 이루어지지 않았다. 강원 도 고성 지역에 대한 연구 논문은 극히 제한적이며, 발 간된 지질도폭(Cho et al., 1998)에서 비교적 자세한 지 역적인 지질 특성이 소개되어 있으나 화강암류보다는 선 캠브리아기 암석, 화산암 등에 제한된 암석화학적인 연 구가 대부분이다(Kim et al., 2004; Kil et al., 2008).

최근 Jeoung et al. (2011)에 의해 수행된 연구지역 화 강풍화토의 도로토공 재료에 대한 특성 연구 이외에는 고성 지역 화강암에 대한 지질공학적인 고찰은 거의 이 루어지지 않은 상황이다.

본 연구에서는 산학 지구에 대한 현장정밀조사를 통하 여 나타난 구간별 지반공학적, 지질학적, 수리학적 특성 을 통하여 비탈면 안정성 관점에서 그 의미를 살펴보고 자 한다. 또한 SEEP/W를 활용하여 강우 지속시간에 따 른 비탈면 침투 거동을 살펴 보았고, 이를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 안전율을 산출하였다. 상기 정밀 조사 및 안정성 해석을 통하여 산학 지구의 안정화 방안 을 위한 대책공법 결정 과정에 대하여 소개하고자 한다.

정밀현장조사

산학 지구 비탈면 전방에는 30 m 폭의 도로기초 부 지가 조성되어 있으며, 도로 너머에는 금강산휴게소가 위치한다. 산학 지구로부터 동해 방향에는 동해안을 따 라 형성된 석호 중 가장 큰 규모에 해당되는 화진포가 있다. 산학 지구 주변 지형에 대해서 살펴 보면, 향로봉 산맥을 포함한 서측은 주로 선캠브리아기의 변성암류로 구성된 높은 고도의 험준한 산지를 형성하는 반면, 동측 은 풍화에 약한 화강암질암으로 구성되어 있어 고도 400 m 이하의 완만한 산지, 구릉지와 평야가 주로 분포 하며, 산학 지구는 이에 위치한다.

산학 지구 비탈면은 주로 각섬석-흑운모 화강섬록암으

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로 구성되며, 중립질 내지 조립질의 괴상의 암석으로서, 주 구성광물은 석영, 사장석, 알칼리 장석, 흑운모와 각 섬석 등으로 구성된다. 특히 흑운모의 경우 직경 3~4 mm의 반자형 형태로 노출되며 일부분은 녹염석의 형태 로 변질되어 있기도 하다(Kim et al., 2001). 산학 지구 의 화강섬록암 내에는 직경 10~15 cm 내외의 포획암이 존재한다. 이들 포획암은 섬록암에 해당되는 것으로 나 타나는 양상은 “염기성 미립상 포획암(mafic micro- granular enclave)”로 분류 가능하다. 산학 지구는 겉보기 에는 주로 흙으로 구성된 토사비탈면에 해당되는 것처럼 보인다. 그러나 굴착을 하게 되면, 직경 1~2 m 내외의 원형 내지 아원형의 극경암 강도의 핵석(corestone)이 발 견되기도 한다(Fig. 1). 산학 지구에서 굴착된 핵석에서는 마그마혼합(magma mingling)을 지시하는 포획암(enclave) 과 슐리렌(schlieren) 구조가 관찰된다(Figs. 2~3).

산학 지구는 총연장 150 m이며, 3개의 소단이 조성되 어 있다(Figs. 4~5). 산학 지구의 최대 높이는 32 m이며, 첫 번째 소단은 높이 15 m 지점에 위치하고, 소단 폭은 5.5 m로 비교적 넓은 편이다. 두 번째 소단은 높이 20 m 지점에 설치되어 있고, 소단 폭은 약 10.3 m로 매 우 넓은 편이었다. 세 번째 소단은 높이 28 m 지점에 위치하며, 소단 폭은 약 1.1 m이다. 첫 번째 소단 하단 부 경사면은 45~50ô의 경사를 이루고 있으며, 두 번째 소단 하단부 경사면은 38ô의 완만한 경사를, 세 번째 소단 하단부 경사면은 36ô의 경사로 되어 있고, 세 번 째 소단 상단부 법면은 36ô로 완만한 경사를 이루고 있 다. 산학 지구의 상부자연사면 경사는 거의 평탄한 지형 을 이루다가 하향하는 형태로 노출된다. 비탈면의 도로 형태는 직선형의 형태이며, 비탈면 경사방향은 100ô에 해당되어 동해를 직접 바라보는 형태로서 바다로부터 불 어오는 해풍에 직접 맞닿는 방향이다.

산학 지구는 불연속면의 방향을 확인할 수 있는 양질 의 노두가 전혀 발견되지 않으며, 불연속면의 발달 형태 가 남아 있는 잔류구조도 거의 관찰되지 않는다. 원래 제1소단 하단부는 양질의 암석이 나올 것으로 예상되어

Fig. 1. Corestone.

Fig. 3. Schlieren structure.

Fig. 2. Mafic enclave.

Fig. 4. Panorama view of the Sanhak site.

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1:0.7 경사도로 절취할 것을 계획한 상태였다. 그러나 굴 착 과정 중에 양질의 견고한 노두 지반은 거의 노출되 지 못하고, 토사층으로 규제되는 핵석이 지속적으로 나 타나 계획 경사대로 법면을 확보할 경우 추가 붕괴가 우려되는 상황이었다. 구성 토사층은 재동(再動)받지 않 은 원지반의 풍화토층에 해당되며, 일부 계곡부에 인접 한 부분만이 약간의 붕적층의 형태로 나타날 뿐 대부분 원지반 풍화토층으로 분류되어진다.

제1소단 하단부에서는 총 4개의 붕괴 구간이 관찰되 며, 대부분 활동파괴로 분류할 수 있다. 첫 번째 붕괴 구간은 20~38 m 구간으로 붕괴의 형태는 “얕은 활동”

으로 분류가능하고, “비탈면내형 활동파괴” 및 “직선형 활동파괴”에 해당된다(Fig. 6). 붕괴부 내에는 우류침식 구조가 1~1.5 m 간격으로 발달하고 있으며, 가장 많이 침식된 부분은 폭이 15 cm 내외에 달한다. 거의 대부분 의 침식구조는 하단부까지 연장되어 발달된다. 상기 붕 괴부의 우측부 주변으로는 약간의 배부름 현상도 관찰 된다. 두 번째 붕괴 구간은 48~65 m 구간으로서, 붕괴 의 형태는 “중간 깊이 활동”으로 분류가능하고 “비탈면 내형 활동파괴” 및 “원호형 활동파괴”에 해당된다. 두 번째 붕괴부의 상단부는 잔존 지반 내 다수의 우류침식 구조 및 물길 발달로 인하여 추가 이탈될 가능성이 매 우 큰 상태였다. 특히 우측부(58 m 지점) 물길 내에는 직경 약 1 m 크기의 원형 핵석이 발견된다. 65~68 m 구간 하단부에는 V자(字) 형태의 물길이 발달하고 있으 며, 지속적인 유수 침투시 좌측의 붕괴 구간처럼 무너질 가능성이 있었다.

71 m 지점에는 폭 1 m, 깊이 1.5~2.0 m의 깊은 물길 이 제1소단 하단부의 수직방향을 따라 발달하고 있다.

이 부분의 최상단부 소단부에서는 우기시 유수의 집중

유입으로 와류(渦流)가 발생되어 지반을 세굴 시킨 함몰 구조도 함께 발견된다. 최상단부 함몰구조의 깊이는 약 3 m로서 이를 그대로 방치할 경우, 추가적인 주변부 지 반으로의 붕괴 확장이 발생할수 있는 상황이었다(Fig.

7). 세 번째 붕괴 구간은 70~92 m 구간으로서, 산학지구 의 붕괴 활동면 중에서 가장 큰 규모에 해당된다. 붕괴 Fig. 5. Facemap of the Sanhak site.

Fig. 6. 1st Failure part; shallow slide.

Fig. 7. Scour-erosion structure

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의 형태는 “깊은 활동”으로 분류가능하고 “선단형 활동 파괴” 및 “복합형 활동파괴”에 해당된다(Fig. 8). 붕괴산 물의 이동거리는 7~8 m이었으며, 붕괴산물은 붕괴부를 따라 적치되어 있는 상황이었다. 붕괴물의 경사는 약 42^o의 경사를 이루고 있으며, 붕괴산물 내에는 다수의 지표수 흐름 흔적이 존재하고, 지표수의 흐름은 분산 형 태로 나타나고 있다.

92~150 m 구간은 산학지구 상단부에 추가적으로 적 용하여야 할 추가 토공을 위하여 공사차량의 진입로로 활용되고 있었다. 공사 차량 진입로는 호우기시 상단부 로부터 유입되는 유수의 이동 통로에 해당되었으며, 상 부로부터의 유수의 영향으로 깊이 1~2 m의 깊은 골이 파여 있었다. 골은 0.5~0.7 m 간격으로 깊이 파여 있는 상태로, 공사 차량 진입로로서 원활한 사용이 쉽지 않을 것으로 판단되었다(Fig. 9).

강수조건을 고려한 비탈면 안정해석 본 연구에서는 유한요소 프로그램인 SEEP/W의 침투

해석결과를 이용하여 SLOPE/W를 활용한 비탈면 안정해 석을 수행하였다. 비탈면 안정해석시, 강수의 영향을 고려 하는 방법에는 ① 수위면을 비탈면 지표면까지 적용시켜 그 수두만큼의 정수압이 작용하는 것으로 보는 방법이 있 고, 다른 방법으로는 ② 지반의 포화 습윤대의 두께를 산 정하고 간극 수압비를 적용시켜 안정해석을 실시하는 방 법이 있다. ①의 경우, 현실적으로 지하수위가 지표면근처 까지 위치해 있거나 또는 아주 오랜 기간 강우 지속시 가 능한 접근이기 때문에 일반적인 경우에서 거의 발생되지 않는 상황이라고 할 수 있다. ②의 경우는 현실적인 상황 에 근접할 수 있는 고려 방법이지만, 습윤대에서는 동일 한 간극수압비를 어느 정도 수준으로 적용할 것인지에 대 하여는 경험적인 인자에 의존할 수 밖에 없다. 본 연구에 서는 강우강도에 의한 지반에서의 침투거동을 먼저 해석 하고 이를 통해 얻어진 간극수압을 적용한 침투해석으로 비탈면에 대한 안정해석을 실시하였다. 침투해석을 통한 비탈면안정해석은 건설공사 비탈면 설계기준(MLTM, 2011)의 기준인 F.S ≥ 1.3를 적용하여 검토하였다.

지반정수 및 경계조건

SEEP/W에서 요소망, 강우강도 및 경계조건은 Fig.

10과 같이 설정하였다. 조사 당시의 단면(A단면), 최초 안정화 계획에 따른 단면(B단면)에 대한 안정성 검토를 수행하였고, 최종적으로 수정된 안정화 계획의 단면(C 단면)에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 토층에서 강우 에 의한 침투해석을 고려하기 위하여 강우강도 조건은 flux(m/sec)로 설정하였다. 강우강도는 본 지역의 강우기 록자료 중, 가장 많은 강우량을 기록한 속초기상청 자료 로부터 취득하여, 최대강우량을 1.0×10⁻⁵m/s로 적용하 였다. 비탈면 안정 검토시 사용한 지반의 물성치는 공내 재하시험, 경험식, 역해석 등을 고려하여 단위중량은 1.9 t/m³, 내부마찰각 30^o, 점착력 2.0 t/m²을 적용하였다.

동일지반에 대한 X-선 회절 분석 결과에 의하면(Jeoung et al, 2011), 본 비탈면을 구성하는 지반은 카올리나이 트를 10~20%를 함유하는 것으로 확인되었으므로, 이에 대한 불포화토 투수계수는 Kim(2010)의 제안값인 5.83×10⁻⁶m/s 를 적용하였다. SEEP/W를 사용하여 시간 경과시 강우가 침투되어 지하수위가 형성되는 양상을 확 인하였으며, 이 결과를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 각각의 경우에 대한 안전율을 산출하였다.

해석결과

일정기간 강우가 지속되면, 시간경과에 따라 Fig. 11 Fig. 8. 3rd Failure part; medium-depth slide.

Fig. 9. Scour structure on the construction road.

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에서 확인할 수 있듯이 침투된 강우는 지반을 따라 아 래로 흐르며, 이는 점점 쌓여서 또 하나의 임시적인 지 하수위가 생성되게 된다. 시간이 경과하면서 법면을 따 라 상부로 지하수위면이 상승하는 것을 확인 할 수 있 으며, 이는 비탈면에서의 안전율을 저하시키는 인자가 된다. 또한 하부에는 점차 강우가 축척되면서 양의 간극 수압 분포가 확대되게 되고, 이로 인하여 비탈면의 전단 강도가 약화되어 비탈면 붕괴를 유발시키게 된다.

Fig. 12에서 보듯이, 기존 현 단면 A에서 침투해석 결과시 2일간 강우지속은 지하수위의 상승으로 안전율 이 1.276으로서 불안정을 나타내고 있다. 4일간 강우 지 속시의 경우, 지표면에서는 임시적인 지하수위선이 형성

되고, 하부 쪽에는 축적되어진 강수로 법면부를 따라 거 의 2소단부까지 지하수위가 상승된 상태를 보여준다. 이 로 인하여 지반 전단강도가 저하되며 안전율이 1.141로 더 위험한 비탈면으로 확인된다. 앞서 언급한 지표포화 방법에 의한 해석 결과는 Fig. 12. c에서 보듯이, 안전 율이 0.694로 현저히 떨어지게 된다. 하지만 일반적으로 지하수위는 지반하부에 위치하고 있으며, 지표면까지의 포화가 되기에는 현실적으로 불가능하므로, 이러한 접근 으로 설계를 직접 수행하는 것은 다소 문제점을 내포한 다고 할 수 있다. 즉 지표포화시를 우기시 비탈면 기준 으로 보게 된다면, 많은 양의 보강공법 적용을 통해서만 안정성이 확보될 수 있으므로 과다설계가 불가피하며, Fig. 10. Slope profile and initial water table used in the analysis (Models A?C).

Fig. 11. Contours of pore-water pressure (Model A): a) at the end of 1 day; b) at the end of 2 days; c) at the end of 4 days.

Fig. 12. SLOPE/W computed Factor of Safety (FS) using SEEP/W (Model A): a) FS after 2 days of intense rainfall, b) FS after 4 days of intense rainfall, c) FS at the saturated ground surface.

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이로 인한 방재예산의 급증이 발생할 수 밖에 없다.

Fig. 13은 최초 안정화 계획단계에서 비탈면을 안정화 시키는 방안으로 B단면은 5 m 마다 소단을 적용하고, 총 5개의 소단을 적용하는 것으로 계획되었다. 최초 설 계 내용에 따르면 2소단 하단부는 1:0.7 경사도, 2소단 상단부 지반은 1:1.2~1:1.5 경사도로 절취하는 방안으로 안정화를 시도하고자 하였다. B단면에 대하여 앞선 해 석과 동일방식으로 안정성 검토를 수행한 결과 시간이 경과함에 따라 지표면 근처에서의 임시적인 지하수위가 형성되며, 법면부를 따라 높이 20 m 지점까지 지하수위 가 상승하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14에서는 현 단면 A에서의 안정성해석 결과와 다른 양상을 보인다. 강우지속 2일경과시 B단면에서는 소단을 증설함으로써 사면의 안전율은 1.318로 비탈면 설계기준에 부합하게 된다. 하지만 4일간의 강우 지속 시 하부로 축척되어진 지하수위의 상승 효과로 인하여 최초 계획된 B단면 역시 안전율이 1.270으로서 안전율 이 확보되지 않는 것으로 확인된다.

앞서 언급했듯이, 원래 절취 계획 단면은 2일간의 강 우지속시간을 기준으로 B단면 형태로 계획하였다. 하지

만 Fig. 14에서 보듯이, 2일간 지속시에는 안전율 1.318 으로 안정하였으나, 4일간 지속시에는 안전율이 1.270으 로써 불안정의 결과를 보여주고 있다. 현 조사 단면 A 와 당초 계획된 단면 B는 강우지속에 따른 간극수압 분 포형태는 크게 달라지지 않지만, A단면의 경우 2일간 지속시 기준에는 안전율을 만족하지 못하고, B단면의 경 우는 강우지속 4일 경과시 비탈면 설계기준에 부합되지 않으므로, 장기적인 안정화 관점에서 적절치 못한 상황 이라고 할 수 있다. 따라서 Fig. 15와 같이 비탈면 경 사각을 더 완화시킴으로서 강우지속시간 2일과 4일에서 도 모두 안정화될 수 있는 경우를 찾고자 하였다. 반복 적인 시뮬레이션을 통하여 변경 계획된 C단면(1:1.8 경 사도, 높이 7 m 마다 소단 조성)에 침투해석에 의한 수 압의 분포는 단면 A, B같이 2일 경과시까지는 특별히 지하수위의 변화가 없다가, 강우지속시간 4일 경과시 지 하수위가 법면부를 따라 상승하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 16에서는 앞서 계획된 단면 B와 달리, 강우지속 2일시의 산출안전율은 1.590, 강우지속 4일시에도 1.503 으로 우기시 비탈면 설계기준에 부합함으로서 비교적 적 합한 설계가 계획되었다는 것을 확인할 수 있었다. 조사 Fig. 13. Contours of pore-water pressure (Model B): a) at the end of 1 day, b) at the end of 2 days, c) at the end of 4 days.

Fig. 14. SLOPE/W computed Factor of Safety (FS) using SEEP/W (Model B): a) FS after 2 days of intense rainfall, b) FS after 4 days of intense rainfall, c) FS at the saturated ground surface.

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당시의 단면(A단면), 최초 안정화 계획에 따른 단면(B 단면), 수정된 안정화 계획의 단면(C단면)의 비탈면 검 토결과를 Table 1로 종합적으로 나타내었다. 해석결과를 종합해 보면, 강우지속기간을 2일로 설계시에는 최초 계 획하였던 B단면에서도 안정성을 확보할 수 있는 것으로 확인되나, 강우지속시간을 늘일 경우 불안정한 결과를 발생시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.

토의 및 결론

일반적으로 화강암류는 강한 암반강도를 가지는 암석,

단층이나 습곡이 잘 발달되지 않는 암석으로 알려져 있 어 각종 토목공사 구간에서 양질의 강도를 가지는 암반 으로 평가되어 왔다. 따라서 도로를 새롭게 설계할 때, 화강암 분포지역을 관통하는 계획을 수립하는 경우가 많 다. 그러나 본 연구에서 다룬 강원도 고성-간성 지역의 화강암류는 기존에 보고되어 왔던 화강암류와는 달리 깊 은 풍화토층을 가진 불안정한 지반으로 평가된다. 본 지 역에 나타나는 화강암류 풍화토 토사 지반에 대한 Jeoung et al. (2011)의 공학적 연구에 의하면, 국내외 다른 지역의 화강풍화토와는 달리 노상토지지력비시험 (CBR, California Bearing Ratio)의 결과값이 10 이상 Fig. 15. Contours of pore-water pressure (Model C): a) at the end of 1 day, b) at the end of 2 days, c) at the end of 4 days.

Fig. 16. SLOPE/W computed Factor of Safety using SEEP/W (Model C): a) FS after 2 days of intense rainfall, b) FS after 4 days of intense rainfall, c) FS at the saturated ground surface.

Table 1. Comparison of computed factors of safety.

NO.

Transient position of the water table over time Steady position of the water table F.S after 2 day of intense rainfall F.S after 4 day of intense rainfall F.S at the saturated ground surface

FS > 1.3 Result FS > 1.3 Result FS > 1.3 Result

A 1.276 < 1.3(F.S) Unstable 1.141 < 1.3(F.S) Unstable 0.694 < 1.3(F.S) Unstable B 1.318 > 1.3(F.S) Stable 1.270 < 1.3(F.S) Unstable 0.707 < 1.3(F.S) Unstable C 1.590 > 1.3(F.S) Stable 1.503 > 1.3(F.S) Stable 0.954 < 1.3(F.S) Unstable

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을 만족하지 못하여 현지토를 직접사용하는 것은 도로 토공재료로서 적합하지 못함을 제시한 바 있다. 또한 X- 선 회절분석 결과에 의하면 점토광물의 함량이 대부분 20%를 상회하고 있어 쉽게 비탈면 불안정성을 유발할 수 있고, 토사가 쉽게 유실되는 지반으로 언급하였다.

산학 지구는 이러한 특이한 특성들이 그대로 반영된 비탈면이라고 할 수 있다. 산학 지구는 당초 계획에 따 라 굴착을 진행하던 중, 최초 예상하였던 양질의 암선이 발견되지 않고 굴착 최하단부까지 토사가 그대로 노출 된 형태에 해당된다. 토사 지반 내 강한 암반강도의 대 형 핵석이 발견되기도 하지만, 이는 어떤 구간에 집중되 어서 나타나는 것이 아니라, 기질지지(matrix-supported) 형태로 산출되므로 산학 지구는 토사비탈면과 같은 거 동이 우세하다는 것이 확인되었다. 산학 지구의 붕괴 형 태는 표층붕괴이며, 경사면을 따라 침투하는 지표수와 소단부로 침투하는 유수에 의한 영향을 뚜렷이 받는 형 태였다. 산학 지구에서는 총 4개의 붕괴 구간에 나타나 며, 붕괴 구간은 단층이나 파쇄대 등의 영향은 거의 없 는 형태였고 강우시 순간적으로 형성되는 유수의 집중 지점을 따라 붕괴가 발생된 형태에 해당된다. 따라서 이 에 대하여 정확한 물길을 찾는 것은 현실적으로 어려운 상황이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 정밀조사, 현황 도 작성, 붕괴 발생 특성을 고려한 전면적인 재검토를 수행함으로서 최적의 안정화된 비탈면을 설계하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 최초 계획된 산학 지구의 단면은 높이 5 m 마다 소단을 설치하고, 노출될 지반의 강도를 고려하여 2소단 하단부는 1:0.7로, 2소단 상단부 지반은 1:1.2~1:1.5 경사도로 절취하는 것으로 계획되었 으나, 굴착 결과 대부분 토사로 구성됨에 따라 상기 경 사도에 따른 절취는 비탈면 유지관리 측면에서 적절치 못하다고 판단하여 현장조사 결과와 안정성 해석 등을 바탕으로 1:1.8의 경사도로 절취하는 계획을 새롭게 수 립하게 되었다.

MLTM (2011)의 “건설공사비탈면설계기준”에는 토층 및 풍화암으로 구성된 비탈면에 대한 안정해석에서는 지 하수위를 결정하여 해석하는 방법 또는 강우의 침투를 고려한 방법을 사용할 것을 제안하고 있다. 산학 지구의 최정상부에서 수행한 시추 조사 결과에 의하면 본 비탈 면의 지하수위는 하부 28.4 m에 위치하는 것으로 확인 한 바 있다. 이 결과는 건기시에 수행한 시추조사로서 이 결과를 적용하였을 때, 우기시의 비탈면 안전율을 검 토하는 것은 현실적이지 못한 것으로 판단하였다. 따라 서 본 연구에서는 강우침투를 고려한 해석 접근을 하였

고, 조사 당시의 노출단면, 최초 계획 단면, 수정된 계획 단면 세 가지 경우에 대하여 SEEP/W와 SLOPE/W를 이용하여 안정성을 해석하였다. 각각의 경우에 대하여 2 일간 지속강우, 4일간 지속강우시에 대한 침투해석 결 과, 4일간 강우 지속시에는 지표면에서는 임시적인 지 하수위선이 형성되고, 하부 쪽에는 축적되어진 강수로 법면부를 따라 거의 높이 20 m까지 지하수위가 상승된 상태를 보여준다. 이 결과를 바탕으로 산출한 안전율에 서는 수정 계획 단면에서만이 허용안전율 기준을 만족 하는 것으로 확인된다.

MLTM (2011)의 “건설공사비탈면설계기준”에는 해당 지역의 강우강도, 강우지속시간 등을 고려하여 안정해석 을 실시해야한다고만 명시해 놓았을 뿐, 강우지속강도 시간을 어떻게 설정해야 하는지에 대해서는 명확하게 제 시되고 있지 않다. 따라서 설계자의 의도에 따라 해석결 과가 상이할 수 있음을 보여준다. 지하수위를 지표포화 로 가정하고 해석을 수행할 경우 실제 예상되는 지하수 위보다 과대하게 반영이 된다. 이는 과대설계로 진행되 어 경제성을 저하시킬 수 있고, 현실적이지 못한 설계에 따른 과다한 예산 소요 문제가 발생할 수 있다. 이렇듯 토사비탈면에서 침투해석을 실시하지 않고, 강우시 임의 의 지하수위를 반영하는 것은 설계자의 의도에 따라 과 대 설계 또는 과소 설계가 되는 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 강우시 지하수위에 대한 침투 해석을 연동함으로서 안정해석방법과 입력변수에 대한 불확실성을 줄일 수 있을 것이며, 강우지속시간 등을 고 려한 지속적인 연구 결과의 축적을 통해, 비탈면 안정화 방안을 선택함에 있어 최적의 경제성을 갖춘 공법 선정 이 가능할 것으로 판단된다.

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원고접수일 : 2012년 9월 10일 수정본채택 : 2012년 9월 24일 게재확정일 : 2012년 9월 25일

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