소일네일과 앵커로 보강된 붕적층 비탈면의 거동에 관한 수치해석 Numerical Analysis on the Behavior of a Colluvium Slope
Reinforced with Soil Nails and Anchors
장 명 환* 김 훈 태* 유 남 재**
Jang, Myoung-Hwan Kim, Hoon-Tae Yoo, Nam-Jae
Abstract
This paper is results of numerical analysis on the behavior of colluvium slope with combinations of soil nails and earth anchors during excavation.
In order to maintain the stability of the colluvium cut, being composed of gravel and boulder and thus local in stability being expected during slope cut, temporary reinforcing method of soil nailing with shotcrete might be used. Subsequent method of cast-in-place facing with earth anchors can be used to maintain cut slope stable permanently. For the cut slope where these methods had been applied, the numerical techniques were applied to their behaviors and investigate the stability of the slope. Limit equilibrium methods were used to confirm to maintain the slope stability during and after excavation and application of those reinforcing methods.
Another numerical technique of FEM was also used to find the stress and strain as well as deformation distribution in reinforcing materials and slope ground during excavation.
키워드 : 절취 하면, 붕척층, 수치 해석, 소일네일, 어스앵커
keywords : cut slope. colluvium, numerical analysis, soil nails, earth anchors
1. 서론1)
오늘날 경제성장과 더불어 인간생활의 편리를 위해 보다 많은 사회기본 구조물의 건설이 요구되 고 있다. 이러한 요구에 충족하기 위한 구조물의 규모가 증가되어 토지의 입체적 공간 활용도와 평 면적 확장이 요구됨에 따라 열악한 환경에서 구조 물 건설이 이루어지고 있다. 특히, 국토개발이 다 양하게 진전됨에 따라 이에 부응한 토지수요를 충
* 강원대학교 대학원 토목공학과 석사과정
** 강원대학교 토목공학과 교수, 공학박사, 교신 저자
족시키기 위하여 산지나 구릉지를 절취하는 사례 가 빈번하게 이루어지고 있다. 이로 인하여 수많은 깎기 비탈면이 생성되었고, 인명과 재산을 재해로 부터 보호하기 위하여 비탈면 안정의 중요성에 대 한 인식이 점점 강조되고 있는 실정이다.
이와 같이 깎기비탈면을 형성하여 구조물이 건 설되는 경우 깎기 비탈면에 대한 적절하지 못한 대응으로 인하여 비탈면 활동이 시작되고 대규모 산사태로 이어지면서 많은 인명과 재산상의 피해 를 주게 되는 것을 종종 볼 수 있다. 따라서, 지반 공학적 입장에서 산사태 재해에 대한 원인을 규명 하고 그 대처 방안을 마련하는 것은 인간생활 측 면에서 매우 중요하다 할 수 있다. 효과적인 산사
태방지를 위해서는 대상지역의 지질학적, 지형학 적, 기상학적 및 지반공학적 특성에 따라 차이가 크므로 각 지역의 특성에 적합한 안정대책공법을 개발할 필요가 있다[1].
최근 빈번하게 발생하는 집중호우시 이들 비탈 면 안정공법은 산사태를 억지시키기에는 한계가 있으므로 억지말뚝, 앵커, 소일네일링, 옹벽 등으로 비탈면의 저항력을 증대시키는 적극적인 공법이 많이 사용되고 있다.
본 연구에서는 붕적층으로 구성된 사면 절토가 요구되는 현장조건에서 소일네일과 어스앵커를 복 합적으로 보강한 경우에 그에 대한 안정성 검토를 수치해석 방법에 의해서 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 한계평형법을 이용한 해석 2.1.1 소일네일 안정해석
소일네일 구조물 설계 및 해석법에서는 극한평 형이론을 바탕으로 파괴메카니즘, 흙/보강재 사이 의 상호작용 및 보강된 네일에서 발생하는 저항력 산정 등에 있어서 서로 다른 가정 및 안전율을 적 용하여 설계하고 있다. 한편, 전체 안전율 산정을 위한 파괴 메카니즘은 내부파괴, 혼합파괴, 외부 파괴 등으로 분류된다[2].
이러한 개념을 토대로 현재에는 독일방법, 데이 비스 방법, 프랑스 방법 등이 주로 사용 되고 있 다.
2.1.2 Anchor 보강비탈면 안정해석
한계평형법을 이용하여 보강재(Reinforcement) 에 의해 보강된 비탈면의 안정성을 해석할 경우 보강재에 의한 보강력을 수평방향 또는 수직방향 의 힘의 평형방정식 혹은 모멘트 평형방정식에 반 영할 수 있다[3]. Bishop의 간편법은 절편간 수평 방향의 힘은 고려하지 않기 때문에 보강력을 수평 방향 요소에는 고려하지 않고 수직방향의 힘 요소 에 고려하여 모멘트 평형식에 반영하여 안전율을 산출한다[4].
2.2 유한요소법을 이용한 해석
최근 컴퓨터의 이용이 보편화되면서 수치해석 기법이 지반공학에 도입되어 지반의 응력-변형관 계의 탄성, 점탄성 및 소성의 공학적 특성 등을 해 석하는데 이바지하고 있다. 이로 인하여 지금까지 단순히 해석적으로 취급하던 문제들이 실제적으로 해석되어 가고 있으며, 보다 합리적인 설계 및 시 공관리 자료가 얻어지고 있다. 본 연구에 사용된 유한요소 해석법은 연속체 역학에 기초하고 있으 며, 지반을 가상의 유한개의 요소로 분할하고, 각 요소는 절점으로 연결되어 있다고 가정한다. 각 요
소는 크기가 기하학적으로 정의되고 한정되며, 응 력-변형관계는 구성법칙에 따르고 미지수는 Implicit Approach로 풀게 된다. 각 요소의 강성 매트릭스를 조합하여 전체의 매트릭스로 만들고 이를 풀게 됨으로써 해가 얻어진다. 한 요소의 응 력, 변형 및 변위들은 인접요소로 절점을 통하여 영향을 미치며, 불연속면 등은 개별적으로 고려할 수도 있다.
유한요소해석은 연속성이 고려되고 지반과 구조 물 사이의 상호작용이 고려된다는 장점이 있지만 경계조건과 구성모델에 따라 결과의 차이가 크고 사용자의 전문지식이 요구되는 단점이 있다.
본 연구에 사용된 유한요소해석 프로그램은 네 덜란드에서 개발된 Plaxis이다.
3. 비탈면 보강 및 보호공법 3.1 비탈면 보강공법
비탈면 보강공 및 대책공법의 선정에 있어서는 지형, 지질이나 계절조건, 보강공에 기대되는 효과 에 대해 충분히 파악함과 동시에 경제성, 시공성을 고려한 최적공법을 선정하여야 한다.
비탈면 보강공법은 그 목적 및 활용성에 따라 두 가지로 대변할 수 있다. 첫째는 현재 비탈면이 불안정한 것으로 나타나 비탈면의 안정성을 증가 시키는 비탈면 보강공법이고, 둘째는 현재 안정한 것으로 나타났지만 침식이나 풍화작용에 의해 불 안정하게 되는 것을 방지시키는 표면보호공법이다.
본 논문에서는 소일네일링공법과 어스앵커공법 을 사용하였다.
1) 소일네일링공법
소일네일링공법은 NATM과 원리가 유사한 지 반보강공법으로 원지반의 강도를 최대한 이용하면 서 보강재를 추가 설치하여 복합 보강 지반을 형 성, 지반의 전단 및 인장강도를 증가시켜 사면을 안정화 시키는 공법이다.
2) 앵커공법
앵커공법은 두꺼운 붕적층 또는 파쇄가 심한 풍 화잔류토와 풍화암 지역에서 원형파괴활동이 발생 하거나 지층간 경계가 뚜렷하고, 작은 활동현상이 일어난 지역, 개방구간에 단층점토와의 경계면 등 으로 쐐기파괴가 우려되는 지역에 적용된다. 앵커 공법은 고강도인 강재를 천공 구멍내에 삽입하고 그라우트를 주입하여 지반에 정착시키고, 앵커두부 에 인장력을 가하여 구조물과 지반을 일체화하여 안정시키는 공법이다.
3.2 비탈면 보호공법
비탈면 보호공법은 깎기 또는 쌓기에 의해 조성 된 비탈면을 강우로 인한 침식 및 기후에 의한 풍 화작용 등으로부터 보호하기 위하여 적용되는 공
법으로서 식생에 의한 보호공법이 주류를 이루고 있다. 자연 경사면은 일반적으로 식물로 덮여 있으 며, 식물이 번성한 곳에서는 뿌리가 표토를 단단히 묶고 있으므로 강우에 의한 침식, 동상에 의한 지 반의 붕괴 및 풍화에 의한 열화로부터 경사면을 안정화시키는 효과를 발휘한다. 식생에 의해 비탈 면을 보호하기 위해서는 자연 경사면에서의 이와 같은 효과를 배양할 수 있도록 윤택하고 아름다우 며 쾌적한 환경 조성에 대한 검토가 뒤따라야 한다.
4. 현장 사례연구 4.1 현장개요
본 연구의 대상 비탈면은 강원도 남동부 붕적층 구간 급경사지에 배수지 구조물 부지확보를 위해 1:0.3 이하의 급경사 조건으로 지반굴착이 불가피 한 지형특성을 지니고 있다. 조사결과 상부비탈면 은 경사 1:1.0인 깎기비탈면으로 형성되어 있으며, 붕적층이 8～15m 두께로 비교적 깊게 분포하는 것 으로 나타났다. 붕적층은 대부분 실트질 모래나 점 토질 토사가 주를 이루고 있으며, 토사층에는 수 cm～수십cm 이상의 자갈, 전석, 호박돌이 다양하 게 혼합되어 매우 불량한 입도분포를 보이고 있다.
4.2 시추조사 결과 1)수직시추결과 (1) 붕적층
본 지층은 경사가 급한 산록이나 절벽등의 기초 가 되는 부분에 중력작용으로 무너져 풍화된 물질 들이 퇴적하여 생긴 지층으로 전 시추공에서 나타 나며 지표하 8.0～17.5m의 층후로 분포되어 있다.
구성성분은 점토, 모래자갈, 호박돌, 전석 등으로 구성되어 있다. 표준관입시험에 의한 N치는10～
50/30으로 보통내지 대단히 조밀한 상대밀도를 보 이며, 담갈색, 담회색, 담청색, 연보라색 등의 색조 를 띠고 있다.
(2) 연암층
본 지층은 전 시추공에서 나타나며, 지표하 17.
0～19.2m 내외의 심도에서 확인되었다. 기반암이 부분적으로 풍화되어 절리 및 균열이 나타났으며, 보통 풍화(MW)～신선함(F)의 풍화상태이고, 보통 강함(Moderately)～강함(Strong)의 강도를 나타냈 다. 또한, 굴착작업시 코아회수율(TCR)은 68～98%
이며, 암질표시율(RQD)은 18～72%로 나타났다. 세 편 내지 장, 단주상으로 코아가 회수된다. 이들 지 층은 기반암의 기본조직과 역학적 성질을 잃지 않 은 상태이고 암청색, 암회색의 색조를 띠고 있다.
2)수평시추결과 (1) 붕적층
본 지층은 경사가 급한 산록이나 절벽등의 기초
가 되는 부분에 중력작용으로 무너져 풍화된 물질 들이 퇴적하여 생긴 지층으로 전 시추공에서 나타 나며 지표하 17.0～19.2m의 층후로 분포되어 있다.
구성성분은 대체적으로 점토, 실트질 모래, 모래자 갈, 호박돌, 전석으로 구성되어 있다.
(2) 연암층
본 지층은 전 시추공에서 나타나며, 지표하 8.
0～10.5m 내외의 심도에서 확인되었다. 기반암이 부분적으로 풍화되어 절리 및 균열이 나타났으며, 신선함(F)의 풍화상태이고, 강함(Strong)의 강도를 나타냈다. 또한, 굴착작업시 코아회수율(TCR)은 53～64%이며, 암질표시율(RQD)은 15～31%로 나 타났다, 세편 내지 장, 단주상으로 코아가 회수된 다. 이들 지층은 기반암의 기본조직과 역학적 성질 을 잃지 않은 상태이고 암청색, 암회색의 색조를 띠고 있다.
4.3 지표지질조사 결과 1) 지층분포 상태
시추조사와 지표지질조사를 종합하여 지층상태 를 확인한 결과, 지표로부터 붕적층, 연암순으로 지층을 형성하고 있는 것으로 확인되었다. 기반암 은 주로 암록색 사질셰일, 황록색 사질셰일 및 암 록색사암, 회록색사암, 백색사암 및 황회색 사질셰 일로 구성되어 있다.
2) 지하수 유출상태
비탈면내 전체에 걸쳐 지하수 유출상태를 확인 한 결과, 깎기구간내에서 유출흔적은 확인되나 일 시적인 현상에 의한 유출 흔적으로 추정되며, 깎기 구간 하단부에서 지속적인 지하수 유출이 확인되 었다.
시추조사 결과 조사가 진행된 5개의 시추공 모 두 지하수위는 확인되지 않았다.
위 결과를 종합하여 볼 때, 위치에 따라 지층의 단위중량과 투수계수 변화가 심한 붕적층의 특성 상, 비탈면 전체에 걸쳐 일정한 지하수위를 형성하 지 못하고, 상부구간과 지표에서 침투된 물들이 투 수성이 큰 구간으로 유로(流路)를 형성하면서 이른 바 소수층(Hydrophobic Layer)을 형성하고 있는 것으로 추정되며, 지하수가 유출되는 소수층의 수 는 개략적으로 3～4개소 이상 되는 것으로 추정 된다.
4.4 비탈면 보강공법 선정
4.4.1 무보강시 비탈면 안정성 검토 1) 지하수위 결정
지반의 강우에 대한 사면의 안정성 평가를 수행 하기 위해서는 실제 사면현장에서 지하수의 상황 을 꾸준히 관찰하는 것이 가장 바람직하지만, 이러 한 자료를 얻기 어려운 경우에는 이론적인 방법에
의해 지하수의 상항을 예측해야한다. 이때 유한요 소법을 이용하면 대상지반의 함수특성곡선과 투수 계수함수로부터 불포화 지반의 흐름을 비교적 합 리적으로 해석할 수 있다[5]. 투수성이 큰 붕적층 토질특성상 지표에 지하수위가 위치할 가능성이 적은 것으로 판단되어 침투해석을 통해 우기시 지 하수위 위치를 결정하였다.
침투해석은 캐나다 GEO-SLOPE사 SEEP/W프 로그램의 비정상류 해석조건으로 수행하였다[6].
2) 한계평형해석
해석 대상 비탈면은 배수지 부지내 깎기 높이가 최대인 단면을 선정하였으며, 선정된 단면에 대해 건기시와 우기시 조건으로 구분하여 한계평형해석 을 수행하였다. 건기시 조건은 지하수위를 고려하 지 않았으며, 우기시 조건은 침투해석결과를 반영 하여 안정검토를 실시하였다.무보강시 안정해석 결 과 안전율은 건기시 0.78, 우기시 0.42로 나타났다.
허용안전율은 비탈면설계기준에서 건기시 1.5, 우 기시 침투해석을 수행한 경우 1.3을 제시하고 있으 며, 이 기준을 적용하여 장기안정성 확보여부를 검 토한 결과 허용안전율 기준을 모두 만족하지 못하 는 것으로 나타나, 경사완화 또는 비탈면 보강을 통한 비탈면 안정성 확보가 필요하다[7].
비탈면 안정성 확보 방안으로는 시공성과 경제 성에서 경사완화공법이 가장 적합하지만 인접 부 지경계로 침범이 불가한 현장특성을 고려하여 비 탈면 보강공법을 적용하는 것으로 결정하였다.
4.4.2 비탈면 보강공법 선정
배수지 구조물 설치시 부지경계로 인하여 수직 에 가까운 굴착이 필요하나 시추조사 결과 붕적층 이 깊게 분포하며, 상부구간 굴착시 일부구간에서 소규모 붕괴가 발생하였다. 조사결과 깊은 붕적층 두께와 굴착 경사를 고려할 때 안정성 확보를 위 해서는 기대기식 옹벽과 Anchor공이 적합한 것으 로 판단되었으나 영구 보강공법 시공전 굴착시 붕 괴우려가 높다. 따라서, 소일네일과 숏크리트를 통 하여 굴착 중 임시비탈면의 안정성을 확보하고, 기 대기식 옹벽과 영구Anchor를 추가 적용하여 영구 안정성을 확보하는 것이 가장 효율적인 보강방안 으로 판단된다.
4.5 보강공법 적용시 안정해석 및 평가 4.5.1 한계평형해석
안정검토는 소일네일공법 적용시 임시보강조건 으로 수행하였고, 영구 Anchor 적용시는 장기안정 검토 조건으로 건기시와 우기시 허용안전율 만족 여부를 한계평형해석 방법으로 검토하였다.
1) 적용 물성치
한계평형해석 및 유한요소해석시 적용된 지반정 수는 설계당시 조사된 지반조사결과와 인접지역
사례, 문헌 값을 비교분석하여, 표 4.1과 표 4.2에 나타낸 바와 같이 적용하였다. 붕적층은 모래자갈 과 전석층이 주를 이루고 있어 점착력을 0.0kN/m2 으로 선정하였다.
유한요소해석시 보강재(소일네일, 앵커)는 3차원 적으로 설치되나 등가벽체로 고려하여 2차원 평면 요소로 모델링하여 해석하였다.
표 4.1 적용 지반정수
구분 단위중량 (kN/m3)
점착력 (kN/m2)
내부마찰각 (°)
변형계수
(kN/m2)포아송비
붕적층 19.0 0.0 35.0 20,000 0.35
연암층 23.0 80.0 40.0 1,000,000 0.27
표 4.2 보강재 물성치 구분 탄성계수
(kN/m3) 단면적
(m2)
수평간격 (m)
Jacking Force (kN/ea)
Soil
Nailing(29) 2.0E+08 0.00066 1.8 -
Anchor
(12.7×4EA) 2.0E+08 0.00052 3.6 400.0
Grouting 2.0E+07 0.00866 3.6 -
2) 해석결과(시공 중 안정성 검토)
한계평형해석법을 이용한 비탈면 안정검토는 Talren Program을 이용하였으며 검토단면에 대한 해석결과는 표 4.3, 표 4.4과 같이 나타났다.
표 4.3 시공중 안정성 검토(한계평형해석)
시공 중 안정성 검토
Fs = 1.3 > 1.1 (O.K)
보강공 총길이(m) 간격(m) 설치단수 Soil Nail, D29mm,
SD40 6.0～8.0 1.8×1.8 9단 표 4.4 시공중 안정성 검토결과(한계평형해석) 보강공 주요제원 총길이(m) 간격(m) 설치단수
Soil nail D29mm,
SD40 6.0～8.0 1.8×1.8 9단 영구Anchor T=400kN 15.0 3.6×3.6 4단
3) 해석결과(시공 완료 후 안정성 검토)
한계평형해석결과 시공중 안정성 확보를 위해 Soil Nailing과 숏크리트를 설치한 경우 안전율은 1.3으로 임시비탈면 안전율 기준 1.1를 만족하는 것 으로 타났으며, 공사완료 후 장기 안정성 확보를 위 해 영구Anchor와 합벽을 시공한 경우 건기시 안전 율은 1.8, 우기시 안전율은 1.31로 기준안전율 1.5와 1.3을 모두 만족하여 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다. 우기시 지하수위는 침투해석 결과를 적 용하였다.
표 4.4 보강공법 적용시 한계평형해석 결과
건기시 우기시
Fs = 1.80 > 1.5 (∴
O.K)
Fs = 1.31 > 1.3 (∴
O.K)
보강공 시공중 공사완료 후
검토 건기시 우기시 결과 검토
안전율 기준 안전율 검토
안전율 기준 안전율 검토
안전율 기준 Soil nail 안전율
+ Anchor영구
1.3 1.1 1.8 1.5 1.31 1.3 O.K
4.5.2 유한요소해석
배수지 구조물 시공은 붕적층의 지층 특성상 급 경사 굴착시 붕괴우려가 있어 임시 비탈면에 숏크 리트와 Soil Nailing 선보강으로 시공중 안정성을 확보한 후 구조물을 시공하며, 구조물 시공 완료 후 장기 안정성 확보를 위해 기대기식 옹벽과 영 구Anchor를 추가 적용하는 것으로 선정되었다.
Pretension을 가하지 않는 Soil Nailing보강과 Pretension을 가하여 안정성을 확보하는 영구 Anchor공법은 저항개념의 차이로 병행하여 사용할 경우 지반거동이 불명확하며, 변형을 고려하지 못 하는 한계평형해석의 단점을 보완하기 위해 유한 요소해석을 수행하였다.
본 연구에 사용된 유한요소해석 프로그램 Plaxis 는 네덜란드 Plaxis사에서 개발하였으며, 유한요소 법(Finite Element Method)으로 탄소성론을 이용 한 변형과 안정해석 등을 할 수 있고, 연약지반의 압밀거동뿐만 아니라 과압밀 점토 그리고 사질토 및 암반지반에도 적용이 가능한 다양한 구성모델 을 가지고 있는 프로그램이다. 유한요소해석시 지 반은 Mohr-Coulomb, 보강재(Soil Nailing, Anchor)와 기대기식 옹벽은 Linear Elastic 모델을 적용하였다.
한계평형해석 검토단면을 기준으로 수치해석을 수행하기 위하여 본 해석에서 사용된 대표적인 유 한요소 격자망을 그림 4.1에 나타내었다. 그림에서 와 같이 모형지반과 Soil Nailing, 영구Anchor, 기
대기식 옹벽을 모델링하였다. 또한 변위 경계조건 은 격자망 좌우측에 대하여 수평변위를 구속하였 고, 바닥면은 연직변위를 구속하였다. Soil Nailing 과 영구Anchor는 node-to-node anchor 요소로 모 델링하였으며, Anchor의 정착장은 Geogrid, 숏크리 트와 기대기식옹벽은 Plate 요소로 모델링하였다.
지하수위 조건은 침투해석 수행결과를 고려하여 우기시 조건으로 입력하였다.
해석과정은 그림 4.2에서와 같이 시공조건에 따 라 초기 지반조건 생성(응력조건 유지) → 단계별 굴착 후 숏크리트와 네일 설치→ 최종굴착 → 기 대기식 옹벽 설치 → 앵커 설치 후 Pretension으로 단계별 해석을 수행하였다.
그림 4.1 지층구조 및 보강재 요소망 생성
(a) 초기단계 (b) 굴착
(c) 숏크리트와 네일설치
(d) 기대기식 옹벽과 앵커 설치 그림 4.2 해석단계
1)숏크리트와 네일 설치시
본 조건은 배수지 구조물 설치를 위한 임시비탈 면 시공조건으로 단계별 굴착 후 숏크리트와 네일 링 설치시 해석결과를 정리하여 그림 4.3에 나타내 었다.
임시비탈면 안정을 위한 네일링 설치간격은 1.8m×1.8m, 굴착은 네일링 설치위치 하부 0.9m까 지 단계별로 굴착 후 시공하며 총 9단 설치하는 것으로 계획하였다.
굴착 단계별 변위해석결과를 그림 4.4에 나타내 었으며, 상부 네일링(4단) 설치시 최대 수평변위는 5.6mm 하부(5단) 단 설치시 최대 수평변위는 59.9 mm 발생하였다. 하부단 설치시 변위가 크게 증가 한 것은 상부단 보다 하부단 굴착시 큰 구속응력 이 제거되었으며, 하단 굴착시 간극수압이 벽체에 크게 작용하여 발생된 것으로 판단된다.
숏크리트와 네일 설치 후 강도감소법을 수행한 결과 그림 4.5과 같이 붕적층과 연암층 경계부에서 전단변형률이 크게 증가하였으며, 발생안전율은 1.24로 한계평형해석시 안전율 1.3과 유사한 결과 를 보여주고 있다.
(a) 전체변위 벡터 (b) 전응력 분포도
(c) 전단변형률 분포도 (d) 간극수압 분포도 그림 4.3 숏크리트와 네일설치시 해석결과
그림 4.4 굴착단계별 최대 수평변위
그림 4.5 강도감소법 적용시 전단변형률 2) 기대기식 옹벽과 영구 Anchor 설치시
구조물 설치 후 장기 안정성 확보를 위해 기대 기식 옹벽을 설치하고 영구 Anchor(3.6m×3.6m, 4 단)를 설치하는 것으로 계획하였다. 기대기식 옹벽 과 영구Anchor 설치 후 해석결과는 그림 4.6과 같 다.
(a) 전체변위 벡터 (b) 전응력 분포도
(c) 전단변형률 분포도 (d) 간극수압 분포도 그림 4.6 숏크리트와 네일설치시 해석결과
기대기식 옹벽과 영구 Anchor 설치 후 최대 수 평변위는 0.34mm 증가하였으며, 변위가 작게 발생 한 것은 숏크리트와 네일링 설치 후 추가적인 하 중 증가가 없었으며 앵커 설치 후 pretension을 가 하여 변위 발생이 감소된 것으로 판단된다.
굴착 단계별 변위해석결과를 그림 4.7에 나타내 었으며, 기대기식 옹벽과 영구 Anchor 설치 후 강 도감소법을 수행한 결과 연암층 에서 전단변형률 이 크게 증가하였으며, 발생안전율은 1.35로 한계 평형해석시 안전율 1.31 보다 크게 나타났으며, 강 도감소법 적용시 파괴면이 전단강도가 큰 연암층 에서 형성되어 한계평형해석보다 안전율이 크게 나타난 것으로 판단된다.
본 사례와 같이 저항원리가 다른 보강공법 적용 시 사용이 용이한 한계평형해석과 응력-변형특성 을 고려할 수 있는 강도감소법을 비교분석하여 안 정성을 복합적으로 판단하는 것이 필요하다.
그림 4.7 굴착단계별 최대 수평변위
그림 4.8 강도감소법 적용시 파괴형상 5. 결론
본 연구는 붕적층 비탈면에 소일네일과 Anchor 로 시공한 경우 굴착시 비탈면의 거동에 관한 수 치해석 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 불규칙한 투수계수, 소수층(Hydrophobic Layer) 형성 등의 지층 특성을 지닌 붕적층 특성 을 고려하여 해당지역의 강우강도와 지속시간별 침투해석을 수행하여 우기시 적정의 지하수위를 결정하였다.
2) 공사중과 공사완료 후 비탈면의 안정성 확보
를 위하여 굴착 중 숏크리트와 소일네일공법으로 임시안정성을 확보하고, 장기적으로 기대기옹벽+
영구앵커 공법의 적용이 적정한 것으로 확인되었 다.
3) Pretension을 가하지 않는 소일네일보강과 Pretension을 가하여 안정성을 확보하는 영구 Anchor공법은 저항개념의 차이로 병행하여 사용할 경우 지반거동이 불명확하므로, 한계평형해석과 유 한요소해석을 병행하여 수행할 필요가 있음을 확 인하였다.
4) 현장조건에 대한 수치해석 결과, 무보강사면 은 기준 안전율을 만족하지 못하였으나 Soil Nailing+영구앵커의 혼합공법 적용으로 소정의 안 전율을 확보하는 것으로 나타났다.
5) 저항개념이 상이한 Soil Nailing공법과 영구앵 커공법을 혼합 적용함에 따른 복잡한 비탈면거동 을 정확히 파악하기 위하여 현장계측을 통한 검증 을 통한 추가적인 연구가 요구된다.
참 고 문 헌
[1] 홍원표 외, “강우로 기인되는 우리나라 사면 활동의 예측”, 대한토질공학회지, 제6권, 제2 호, pp.55-63, 1990.
[2] Elias, V. and Juran, I., “Manual of Practice for Soil Nailing”, Federal Highway Administration, Report FHWA/RD-89/198, 1989.
[3] Duncan, J. M,. and Wright, S. G., Soil Strength and Slope Stability, John Wiley &
Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
[4] Bishop, “The Use of Pore Pressure Coefficient in Practice”, Geotechnique, Vol.
5, pp.7-17, 1955.
[5] 조성은, 이승래, “불포화 토사사면의 얕은파 괴 해석에 대한 비교 연구”, 한국지반공학회 논문집, 제17권, 4호, pp.135-143, 2001.
[6] 조성은, 이승래, “강우특성을 고려한 사면의 표면파괴에 대한 안정성 평가”, 한국지반공학 회 논문집, 제16권, 5호, pp.107-116, 2000.
[7] 한국시설안전공단, 건설공사 비탈면 설계기 준, 2011.
