1) Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Suwon
비탈면 복구사례 분석을 통한 쏘일네일링 공법의 국내외 설계기준 평가
Evaluation of Domestic and Foreign Design Standards for Soil Nailing Method by Analysis of Slope Restoration Case
유 광 호1)･ 김 태 원† Kwang-Ho You ･ Tae-Won Kim
Received: September 17
th, 2019; Revised: October 10
th, 2019; Accepted: October 31
st, 2019
ABSTRACT : Limit state design (LSD) and allowable stress design (ASD) are two main types of soil nailing design methodologies.
In the LSD method, stability is determined by applying individual coefficients to ground strength, working load and etc. The ASD method calculates the safety factor and compares it with the minimum safety factor to determine the stability. The global design trend of soil nailing system is changing from the ASD method to the LSD method. The design method in Korea still adopts the ASD philosophy while others mostly do the limit state design. In this study, four soil nail design methods, ‘FHWA GEC 7’ in U.S. (2015),
‘Clouterre’ in France (1991), ‘Soil nailing - best practice guidance’ in U.K. (2005), ‘Geoguide 7’ in Hongkong (2008), and ‘Design guide for slope in construction work’ in Korea (2016) were applied to the evaluation of the stability and the results were analyzed comparatively in brief. It is revealed that the design method of ‘the overall stability of soil nail walls’ in Korea is the most conservative and next those by FHWA, Clouterre and CIRIA become more conservative in order. However, the difference of results obtained from FHWA and Clouterre is negligible. Also, this study found out that efforts to improve domestic design criterion are needed.
Keywords : Allowable stress design, Limit state design, Soil nail, Design standard, Safety factor, Limit equilbrium analysis
요 지 : 쏘일네일링 설계기법은 한계상태설계와 허용응력설계에 기반한 두가지 형태가 있다. 한계상태설계법은 지반강도와 작용하 중 등에 개별적인 계수를 적용하여 안정성을 판단하며, 허용응력설계법은 안전율을 산출하고 이값을 허용최소안전율과 비교하여 안정성을 판단하는 설계법이다. 쏘일네일링 벽체 설계의 세계적인 추세는 허용응력설계법에서 한계상태설계법으로 변화하고 있다.
대부분의 국가에서 한계상태설계법을 적용하고 있으나 한국 및 일본에서는 아직까지 허용응력설계법을 사용하고 있다. 본 연구에서 는 비탈면의 붕괴가 발생하여 보강이 이루어진 실제 쏘일네일 보강 비탈면에 대해, 미국의 FHWA GEC 7(2015), 프랑스의 Clouterre (1991), 영국의 CIRIA(2005), 홍콩의 Geoguide 7(2008) 및 한국의 건설공사비탈면설계기준(KDS 11 70 15, 2016)을 적용하여 안정성 을 평가하고 그 결과를 상호 비교･분석하였다. 분석 결과, 국내의 건설공사비탈면설계기준에서 제시한 전체 안정성 검토 방법이 가장 보수적이며, FHWA, Clouterre, Geoguide 7 및 CIRIA의 순서로 보수적인 것으로 밝혀졌다. 그러나 그 결과에 있어서 FHWA과 Clouterre 의 차이는 미미한 것으로 분석되었다. 또한, 본 연구를 통해 인발저항력의 극한값 적용, 부분 계수값의 도입 또는 피해규모 를 고려한 최소안전율 차등적용 등 설계기준 개선을 위한 노력이 필요함을 파악하였다.
주요어 : 허용응력설계법, 한계상태설계법, 쏘일네일, 설계기준, 안전율, 한계평형해석 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
20(11): 11～22. (November 2019) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2019.20.11.11
1. 서 론
쏘일네일링 벽체의 설계기법은 프랑스의 국가 프로젝트 인 Clouterre(1991)의 연구결과에서 그 기원을 찾을 수 있 다. Clouterre에는 쏘일네일링 벽체의 거동 및 쏘일네일의 인발 거동에 대한 사항들이 자세히 규명되어 있으며, 부분 안전율을 적용한 한계상태설계법을 쏘일네일링 벽체의 설 계기법으로 채택하고 있다. 이후 미연방도로국에서는 프랑 스 Clouterre의 번역본을 출판하고, 그 설계기법을 미국에
소개하였다. 이후 미연방도로국에서는 Clouterre의 연구성 과 및 설계기법에 대한 추가적인 검증 및 설계기법의 보완 이 이루어졌으며, 이를 토대로 최근에는 자체 설계 기준서 인 GEC 7(FHWA, 2015)을 발표하였다. 그 내용은 크게 기 존의 허용응력설계법을 적용하는 방안과 하중저항계수설계 법을 적용하는 방안으로 구성되며, 하중저항계수설계법의 하중계수 및 강도감소계수는 AASHTO 기준(2014)을 준용 하여 제시하였다. 그러나 전체 안정성 검토 시 사용하는 방 법은 기존 허용응력설계법과 동일하다고 할 수 있다. 그 이
유는 전체 안정성 검토 시는 모든 하중계수를 1.0으로 설정 하고 전체 안전율 결과로 도출되는 안전율에 강도감소계수 를 0.67(=1/1.5)로 적용하여 안정성 여부를 검토하기 때문이 다. 영국에서는 Clouterre(1991)와 FHWA(1998) 내용을 기 초로 CIRIA(Construction Industry Research and Information Association)에서 Soil nailing-best practice guidance(2005)를 발표하였다. CIRIA 설계기준은 Eurocode 7(2004)의 하중계 수, 부분안전율 및 설계절차를 준용하도록 제시하고 있다.
국내(건설공사 비탈면 설계기준, 2011) 및 홍콩의 Geoguide 7(2008)은 아직까지 허용응력설계법을 기본으로 하며, 쏘일 네일링 벽체의 전체안정성 평가에 사용되는 최소안전율은 일반적인 비탈면 안정 검토에 적용되는 값과 동일하다.
본 연구에서는 실제 현장에서 시공 중 파괴가 발생한 쏘 일네일 보강 비탈면을 대상으로 전술한 국내외 주요 설계기 준의 비교･분석을 수행하였다. 각 설계기준들의 비교･분석 은 먼저 파괴가 발생한 비탈면을 대상으로 각 설계기법들을 적용하여 안정성 평가를 수행하였으며, 다음으로 비탈면의 복구를 위해 추가적인 보강대책이 시행된 비탈면에 대한 안 정성 평가를 수행하였다.
2. 다양한 국내외 쏘일네일링 설계법
현재 쏘일네일링 벽체에 대한 주요 국제적인 설계기준은 한계상태설계법(Limit State Design)에 그 기초를 두고 있 다. 한계상태설계법은 각 설계요소별 특성값의 불확실성 정 도와 중요도에 따라서 하중계수와 강도감소계수를 다르게 적용하며, 전체 요소의 해석 시 불활실성을 하나의 안전율 로 고려하는 기존 허용응력설계법(Allowable Stress Design) 에 비해 보다 합리적인 설계기법으로 평가받고 있다. 부분 안전율을 적용하는 Europe의 쏘일네일링 벽체 설계법은 쏘 일네일링 설계법의 초석이 된 Clouterre(1991)에 그 기원을 두고 있다. Clouterre에서는 쏘일네일링 벽체의 안정성을 네 일의 내적안정, 전면벽체의 안정, 쏘일네일링 벽체 시스템 전체의 외적안정 및 전체안정성 등 각각에 대해 검토하도록 규정하였다. 이는 시스템을 이루는 각 요소들의 안정 여부 와 전체 시스템에 대한 안정 여부를 종합적으로 검토하여 보다 확실한 전체 시스템의 안정성을 확보하기위한 방안이 며, 이 설계기법은 현재까지도 주요 설계지침에서 채택되고 있는 기본 개념이다. 영국의 CIRIA, 미국의 GEC 7 및 국내 의 건설공사 비탈면 설계기준 등에 제시된 쏘일네일링 벽체 에 대한 설계법은 기본적으로 모두 프랑스의 Clouterre 설 계법을 근간으로 하고 있다. 쏘일네일의 내적 안정성 검토
는 네일의 인발파괴와 인장파괴에 대한 검토가 이루어지며, 벽체에 대해서는 휨모멘트에 의한 파괴와 punching shear 형태의 파괴에 대한 검토가 이루어진다. 외적 안정성 검토 시는 일반 중력식 옹벽의 경우와 동일하게 지지력, 활동 및 전도에 대해서 검토가 이루어진다. 그리고 마지막으로 사면 안정 검토 시 적용되는 이론을 이용하여 전체안정성 검토를 실시하게 된다. 물론 전체안정성 검토는 각 굴착단계마다 실시하도록 되어 있다.
각 설계지침서에서 제시하고 있는 하중계수 및 저항계수 (또는 부분안전율)를 정리하면 Table 1과 같다. 미국의 FHWA (2015)에서는 전체 안정성 검토 시 모든 하중계수를 1로 간 주하고 허용응력설계법에서 제시된 안전율(1.5)의 역수(1/1.5=
0.67)를 적용하고 있으므로 명확하게는 아직 미국의 FHWA (2015)에서는 완전한 LRFD 설계가 이루어지고 있다고 볼 수 없다. 프랑스의 Clouterre(1991)에서는 작용하중에 대해 서는 활동성분(>1.0)과 저항성분(<1.0)으로 구분한 하중계 수를 적용하고, 강도저감계수는 일반 구조물과 민감한 구조 물에 대해서 각각 다른 계수값을 적용하고 있다. Eurocode 7의 Design approach 1-1은 주로 하중계수를 크게 하고 강 도감소계수를 1로 사용하는 설계법이며, Design approach 1-2은 정량화가 쉬운 사하중의 하중계수는 1로, 불확실성이 큰 활하중은 1보다 크게 사용하고 강도감소계수를 1보다 작은 값으로 사용하는 설계법이다.
3. 비탈면 붕괴 현황 및 원인분석
3.1 비탈면 붕괴 개요 및 현황
국내외 주요 쏘일네일링 벽체 설계기준의 비교･분석을 위해, 실제 쏘일네일링 벽체가 시공된 후 파괴가 발생한 현 장에 대해 각 설계기준에서 제시하는 방법을 이용하여 전체 안정성 검토를 수행하였다. 안정성 검토는 파괴 발생 시 쏘 일네일링 설치 현황을 반영한 원단면과 복구를 위해 추가보 강을 시행한 쏘일네일링 보강단면을 대상으로 시행하였다.
철도차량기지 현장의 비탈면 현황은 Fig. 1과 같다. 해당 현 장의 지반은 최상부에 소량의 암편을 함유한 실트질 모래가 깊이 5.0m까지 존재하며, 그 하부에는 풍화암 및 연암층이 발견되었다. Fig. 1에 도시된 바와 같이 차량기지 조성을 위 한 굴착 시 편입용지의 축소를 위해 차량기지 종점부에 패 널식 옹벽을 설치하였으며, 패널식 옹벽의 1단 높이는 6.5m 이고 보강재는 105mm 천공경의 29mm 직경을 가진다. 일 반적인 쏘일네일 공법은 대부분 수평 및 연직방향 1.5m 간 격으로 설치되나 패널식 옹벽의 폭이 2.0m로 제작되어 수
Table 1. Summary of factors recommended by soil nailing wall design codes System
Factor
U.S., FHWA
France, Clouterre
CIRIA & Eurocode 7 (Design approach 1-1)
CIRIA & Eurocode 7 (Design approach 1-2)
Hong Kong, Geoguide 7
KDS 11 70 15 (2018) Load factors
Soil weight 1.0 1.05/0.95
1)1.0 1.0 1.0
Dead surcharge 1.0 1.2 1.35 1.0 1.0 1.0
Live surcharge 1.0 1.33 1.5 1.3 1.0 1.0
Soil parameters
tan
′1.0 0.77 ∼ 0.83
2)1.0 0.8 1.0 1.0
c’ 1.0 0.61 ∼ 0.67
2)1.0 0.8 1.0 1.0
c
u1.0 0.71 ∼ 0.77
2)1.0 0.71 1.0 1.0
Pore water pressures 1.0 1.0 Most unfavorable 1.0 1.0
Soil nail pullout 1.0 1.4 ∼1.5 (tests)
3)1.8 ∼1.9 (charts)
3)1.5 on characteristic multiplied by extra factor of 1.1 to 1.5 (or more for high-plasticity clays)
for testing variability, long-term strength reduction, etc.
1.5 (In weathered granite
and volcanic rocks) 2.0 (In soils other than weathered granite and
volcanic rocks)
3.0
Nail tendon tension 0.95 1.15 1.05 1.5 2.0
Overall stability 0.67 1.125 1.0 1.2 ∼ 1.4 1.5
4)1)
In case of de-stabilizing force, 1.05 shall be applied. In case of stabilizing force, 0.95 shall be applied.
2)
In case of general structures, larger value shall be applied. In case of sensitive structures, smaller value shall be applied.
3)
In case of general structures, smaller value shall be applied. In case of sensitive structures, larger value shall be applied.
4)
Applicable only under dry conditions.
Fig. 1. Plane view of a slope
평 설치간격은 2.0m가 적용되었다. Fig. 1과 같이 패널식 옹 벽은 최대 4단이 설치될 예정이었으나, Fig. 2와 같이 2단 옹벽 설치를 위한 굴착 중 STA. 00～50 구간에 대규모 비 탈면 붕괴가 발생하였다. 파괴는 옹벽 배면에서 회전파괴의 형태로 발생하였으며 이후 비탈면의 배면 상단에서 인장균 열이 발생하였다.
Fig. 2는 비탈면 붕괴 당시의 현장사진이다. 붕괴 당시 시 공현황은 패널식 옹벽의 상부 2단이 시공 완료된 상황이었
으며, 하부의 패널식 옹벽의 시공을 위해 1:0.2의 경사로 6.0m 높이의 터파기 완료 단계에서 발생하였다. 시공 중 현 장에서 시행된 비탈면 계측자료의 분석결과, 파괴 이전에는 별다른 이상 징후가 없었으며 갑작스럽게 비탈면의 붕괴가 발생하였다. 붕괴된 비탈면에 대해 시추조사 2개소, 시추공 영상촬영 1개소, 공내전단시험 4회 및 전기비저항탐사 5개 측선을 시행하여 붕괴부지의 지층특성을 재평가하였다. 추 가 조사 결과 표토층은 매우 얇은 두께로 분포하고 풍화토
(a) Front view of the collapsed retaining wall
(b) Before collapsed (c) After collapsed
Fig. 2. Status of collapsed area
(a) Installation of the inclinometer i4-1 at STA.0+020 (b) Installation of the inclinometer i4-2 at STA.0+040 Fig. 3. Measurement cross sections of ground movement
층은 개략 5.0m 내외인 것으로 파악되었다. 또한 기반암층 은 RQD가 0∼79까지 변화하며, 대부분 절리와 균열이 발달 하고 파쇄가 심한 상태로서 단층면에 점토가 충진되어 있는 개소도 있는 등 지지지반으로서의 상태가 불량한 것으로 파 악되었다. 시공중 비탈면의 거동파악을 위해 STA.0+020 지 점(Fig. 3(a)의 i4-1)과 STA.0+040 지점(Fig. 3(b)의 i4-2)에 지중경사계를 설치하여 수평변위를 계측하였다. 계측결과 i4-1 계측기는 붕괴와 동시에 유실되었으며, i4-2 계측기는 붕괴 이후에도 계측이 수행되었으나 붕괴 시점에 총 40mm 이상 의 급격한 변위 증가가 발생한 것으로 나타났다.
비탈면 파괴에 대한 조사결과, RQD값이 매우 불량한 연 암 파쇄대층에서 주된 비탈면 활동이 발생한 것으로 분석된 다. 또한, 패널식 옹벽 하부의 암반균열 현황, 상부 인장균 열 위치 및 비탈면 배면 지반 침하부 형상 등을 종합적으로 고려할 때 Fig. 3의 (a)와 (b)에 도시한 바와 같이 활동면의 각도는 약 38°인 것으로 파악되었다.
붕괴가 발생한 비탈면에서 실시한 조사 및 검토내용을 토대로 붕괴원인을 분석한 결과는 다음과 같다. 본 과업구 간의 연암의 풍화 및 파쇄가 매우 발달하였고, 암반의 주절 리면이 약 30～50°의 경사각으로 절개면과 같은 방향으로
Table 2. Strength parameters of soil and weathered rock
Soil type Boring No. Depth (m) N value Cohesion (kPa) Friction angle (°) Remarks
Soil
NX-1 3.5 50/15 8.37 28.64
NX-2 3.0 15/30 6.74 28.74
NX-2 6.0 25/30 7.43 29.25
Average 7.51 28.88
Weathered rock NX-1 4.5 50/10 13.71 32.77
Table 3. Strength parameters of soft rock
Soil type Unit weight (kN/m
3) Friction angle (°) Cohesion (kPa) Remarks
Soft rock with fractures 24.0 35.0 20.0
Table 4. Comparison between orignal values and modified ones for shear strength Soil type Unit weight
(kN/m
3)
Designed soil parameters Modified soil parameters Soil nail
pullout (kPa) Remarks Friction angle (°) Cohesion (kPa) Friction angle (°) Cohesion (kPa)
Soil 19.0 29.0 7.0 28.9 7.5 83.0 The modified soil
parameters are applied to this study
Weathered rock 20.0 32.0 12.0 33.0 15.0 200.0
Soft rock 24.0 34.0 600.0 35.0 20.0 233.0
집중된 것으로 조사되었다. 또한, 붕괴구간은 계곡부에 위 치하여 파쇄대층으로 비탈면 붕괴에 매우 취약한 지질 및 지형적인 특징이 있는 것으로 분석되었다. 따라서 본 구간 의 붕괴 발생원인은 구조물 시공을 위한 하부 굴착으로 인 해 단층이 발달하고 RQD가 불량한 파쇄대층의 불연속면 이 노출되고 패널식 옹벽 설치를 위한 기계 굴착 및 진동 등의 물리적인 충격과 옹벽 하중이 가중되는 상태에서 붕 괴가 하부까지 확대된 것으로 판단된다. 현재는 압성토에 의해 일시적인 안정을 이룬 상태이나 비탈면의 안정을 위해 서는 전체 비탈면에 대한 보강대책 수립이 필요한 것으로 판단된다.
3.2 추가조사 및 역해석을 통한 현장 지반강도정수 결정
붕괴 비탈면에 대한 정확한 상태평가를 위해 총 2개소의 추가시추조사와 5개 측선의 전기비저항 탐사 및 각종 시험 을 시행하였다. 추가 시추조사 결과 풍화토층의 두께는 개 략 5.0m 내외인 것으로 파악되었다. 또한 기반암층은 대부 분 절리와 균열이 발달하고 대부분 파쇄가 심한 상태인 것 으로 조사되었다. 특히 기반암의 RQD는 0∼79까지 다양하 게 분석되었으며, 단층파쇄대가 발달하고 단층면에 점토가 충진되어 있는 개소도 있는 등 지지 지반으로서의 상태가 불량한 것으로 파악되었다. 또한, 전기비저항탐사 결과는 전반적으로 풍화대 및 연암의 파쇄대 구간이 대략 20.0∼
30.0m 내외로 두껍게 분포하는 것으로 파악되었다. 풍화토 및 풍화암의 강도 특성은 추가 시추조사(NX-1, NX-2) 시
수행된 표준관입시험 성과와 시추공에서 수행된 공내전단 시험 성과 등을 통해 파악하였으며, 그 결과는 Table 2에 기술하였다.
붕괴가 발생한 비탈면의 활동면 전단강도 결정 방법은 역해석(Back Analysis), 토질시험, 경험적인 추정방법 등이 있으나, 역해석에 의한 전단강도 추정방법이 가장 일반적으 로 사용되고 있다. 본 연구에서는 연암 파쇄대의 전단강도 추정을 위해 현장조사 결과를 반영한 파괴면(시･종점위치 및 파괴각도)을 적용한 역해석을 실시하였으며, 역해석 결 과 분석된 전단강도는 Table 3과 같다.
Table 4는 당초 설계에 적용된 강도정수와 보강설계 적 용을 위해 붕괴 발생부지의 추가조사 및 역해석 결과를 토 대로 결정된 지반강도정수의 비교이다. 보강설계 적용을 위 한 흙의 특성값들 중 흙의 단위중량은 당초 설계에 적용된 값과 동일한 값으로 간주하였으며, 내부마찰각과 점착력은 당초 조사자료, 추가 조사자료 및 역해석 결과를 종합적으 로 고려하여 결정하였다.
4. 각종 기준을 적용한 붕괴비탈면 및 보강비탈면의 안정성 검토
4.1 보강공법 선정 및 분석에 적용된 특성값 Fig. 4는 붕괴비탈면에 적용된 보강대책이다. 비탈면 경 사를 1:1.0으로 조정하였으며, 비탈면에 길이 12.0m의 Soil Nail을 시공하고, 최하단에는 패널 4개로 구성된 1단 옹벽
(a) Collapsed slope (b) Reinforced slope Fig. 5. Analysis sections
Table 5. Summary of properties of soil nail system
Member Description Value
Soil nail
Diameter Borehole Diameter
Pullout Resistance
28mm 130 mm
depend on soil condition (in Table 4)
Wall facing
Type Thickness Concrete grade, f
cuShotcrete 100 mm 19 N/mm
2Reinforcement
Type Grade, f
yDimensions
Welded wire mesh 490 N/mm
24.8 mm Ø bars @ 100 mm intervals each way
Bearing plate
Type Steel grade, f
yDimensions
Steel plate 275 N/mm
2200 × 200 mm with 12 mm thickness Fig. 4. Plan for slope reinforcement
으로 보강하였다.
보강방안을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Fig. 4의 보강 비탈면에 도시된 바와 같이 먼저 비탈면의 붕괴부를 제거하면서 상부 구간은 길이 12m의 Soil Nail을 2.0m 간격 으로 설치하여 보강을 시행하였으며, 하단의 연암구간에 설 치되는 패널식 옹벽 상부의 소단은 폭 6.0m를 확보하여 안 정성을 증진하였다. 또한, 비탈면 최하단 연암부에는 패널 4개(각 패널 높이 1.5m)로 구성된 1단 옹벽을 적용하고, 길
이 10m의 강관형 Nail을 연직 1.5m, 수평 2.0m 간격으로 설치하였다.
본 연구에서는 2장에 소개한 국내외 주요 쏘일네일링 벽 체 설계기준의 비교･분석을 위해, 실제 쏘일네일링 시공 중 붕괴가 발생한 현장을 대상으로 각 설계기준에서 제시하는 방법을 이용하여 전체 안정성 검토를 수행하였다. 해석 Case 는 Fig. 5에 도시된 바와 같이 붕괴발생 단계인 Fig. 5(a)와 보강계획 적용단계인 Fig. 5(b)의 2가지 Case에 대해 수행 하였으며, 각 설계기준별 하중계수 및 강도감소계수는 Table 1에 제시된 값을 적용하였다.
해석에 적용된 지반의 강도정수는 Table 4의 값들을 적 용하였다. 쏘일네일 시스템 구성 재료들의 특성값은 Table 5와 같으며, 네일의 수평, 연직 설치간격과 설치길이는 Fig.
5에 표기하였다. 두 가지 해석 Case 모두 비탈면의 하단부 에는 강관 Nail 보강된 패널식옹벽이 적용되었으며, 패널 식옹벽에 적용된 강관 Nail의 제원 및 특성값은 Table 6과 같다.
Table 6. Summary of properties of steel pipe nail components
Factor Steel pipe nail Remarks
Reinforcement Steel Pipe, KDS 3566,
60.5 mm, t=4.0 mm
Borehole diameter 105 mm
Design force (per each steel pipe)
T
a= 0.5 × f
y× A = 0.5 × 4,290 × 7.100 = 15.2tf here, f
y: Design tensile strength (=4,290 kgf/cm
2)
A : cross section area of steel pipe (=7.100 cm
2)
4.2 쏘일네일 비탈면의 안정성 검토 및 결과 비교 방법
본 연구에서는 해외설계기준과 국내기준의 비교를 위해, 붕괴발생 비탈면과 보강 비탈면에 대해 각 기준에서 제시하 는 설계절차에 따라 Table 1에 제시된 하중 계수 및 강도감 소계수를 적용하여 안정성을 검토한 후 상호 비교를 수행하 였다. 각국의 설계기준 비교를 위한 분석방법은 김태원과 유광호(2019)의 선행연구 결과와 동일한 방법으로 비교를 수행하였으며, 이를 간단히 정리하면 다음과 같다.
Clouterre에서는 일반 구조물과 민감한 구조물에 대해서 다른 부분안전율을 적용하므로 본 연구에서는 일반 구조물 에 대한 검토 방법을 Clouterre의 방법 1, 민감한 구조물에 대한 검토 방법을 Clouterre의 방법 2로 지칭하였다. 또한, CIRIA에서는 Design approach 1-1과 1-2의 두 가지 방법을 사용할 것을 규정하고 있어 이를 각각 ‘CIRIA 방법 1’ 및
‘CIRIA 방법 2’로 명명하였다. FHWA에서는 일반적인 사 면안정 검토방법을 이용한 방법과 앞서 언급한 하단 쏘일네 일의 길이를 임의적으로 줄여서 해석하는 두 가지 방법을 이용하여 검토를 하였으며, 본 연구에서는 이를 각각 ‘FHWA 방법 1’ 및 ‘FHWA 방법 2’로 지칭하였다. 홍콩의 경우는 네일로 보강된 비탈면이 파괴될 경우, 예상되는 피해규모에 따라 최소안전율을 1.0, 1.2 및 1.4로 세분되나 대부분의 설 치지역이 1.4∼1.2에 해당할 것으로 예측된다. 따라서, 본 연구에서는 최소안전율 1.2(Geoguide 7 방법 1)인 경우와 1.4(Geoguide 7 방법 2)인 경우로 구분하여 분석을 수행하 였다. 안정성 검토는 TALREN 97(1997) 프로그램을 사용 하였으며, 사면안정 검토는 Bishop의 간편법(1955)을 적용 하였다.
각 기준별로 수행된 안정성 검토결과는 김태원과 유광호 (2019)의 선행연구 결과와 같이 도출된 안정성의 정량적 비 교를 위해 미국의 FHWA(2015)의 CDR(Capacity to Demand Ratio) 개념을 도입한 일종의 안정비를 적용하여 비교･분석 하였으며, 이를 식으로 표시하면 Eq. (1)과 같다.
≧
(1)여기서,
는 검토결과로 얻어지는 안전율이고,
는 검토결과로 요구되는 최소 안전율이다.
Eq. (1)은 각 설계기준에서 요구하는 안전율에 대한 실제 비탈면에 대해 산출된 안전율의 비로서 1.0보다 크면 안전 하고, 1.0 보다 작으면 추가적인 보강이 필요함을 의미한다.
임의의 설계기준에 기초하여 안정성 검토를 실시하고 이를 통하여 얻어진 CDR 값이 다른 설계기준에 따라서 얻어진 CDR 값보다 작다는 것은 동일한 조건에 대해 안전율을 작 게 평가한다는 즉, 다른 설계법에 비하여 보수적이라는 것 을 의미한다.
4.3 붕괴비탈면 안정성 평가결과의 비교
Table 7은 차량기지현장에서 발생한 붕괴비탈면(Fig. 5(a)) 을 대상으로 수행된 설계기준별 해석 결과이다. 본 분석은 실제 붕괴가 발생한 비탈면을 대상으로 검토가 수행되었으 므로 산출되는 비탈면의 안전율은 소요안전율 이하이어야 하며, 이론적으로는 파괴하중과 저항력의 비로 표현되는 안 전율이 1.0 이하인 것이 논리적으로 타당할 것이다. 분석결과 영국의 CIRIA 방법 1을 제외한 모든 기준들에서 소요안전율 을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. Table 7(c)의 CIRIA 방법 1의 분석결과 산출되는 안전율이 1.02이며, Table 7(d) 의 CIRIA 방법 2의 분석결과 산출되는 안전율이 0.81로 분 석이 되었다. 두 방법의 차이를 간단하게 설명하면 CIRIA 방법 1은 외부에서 작용하는 상재하중에 대해 하중증가계 수를 적용하고, CIRIA 방법 2는 흙의 전단강도에 강도저감 소계수를 적용하여 추가적인 안정성을 확보하도록 유도하 는 방법이다. 본 보강비탈면의 경우 외부에서 작용하는 상 재하중이 존재하지 않아 CIRIA 방법 1과 CIRIA 방법 2의 차이가 비교적 크며, CIRIA 방법 1은 1.0보다 소요안전율 을 만족하는 것으로 분석되었다. 그러나 CIRIA 방법은 방 법 1과 방법 2를 모두 만족하여야 하므로 결과적으로 소요 안전율 기준을 만족하지 못하는 것으로 평가되었다.
붕괴비탈면 분석결과의 특이사항으로 Table 7(e)와 (f)의 FHWA 방법 1과 FHWA 방법 2 모두 산출되는 안전율은 1.15로서 같은 값을 보였다. 이는 FHWA 방법의 경우 하단
Table 7. Results of overall stability of the collapsed slope
(a) Method 1 of Clouterre (1991) (b) Method 2 of Clouterre (1991)
= 0.81 (
=1.125)
= 0.74 (
=1.125)
(c) Method 1 of CIRIA (2005) (d) Method 2 of CIRIA (2005)
= 1.02 (
=1.0)
= 0.81 (
=1.0)
(e) Method 1 of FHWA (2015) (f) Method 2 of FHWA (2015)
= 1.15 (1/
= 0.67)
= 1.15 (1/
= 0.67)
(g) Method of Geoguide 7 (2008) (h) KDS 11 70 15 (2018)
= 1.04 (
= 1.2, 1.4)
= 0.97 (
= 1.5)
Table 8. Summary of CDRs for the collapsed slope analysis results
CDR Method 1 Method 2 Remarks
Clouterre 0.72(= 0.81/1.125) 0.66(= 0.74/1.125)
Domestic standard is not classified by importance, situation or etc.
CIRIA 1.02 0.81
FHWA 0.75(= 1.15×0.65) 0.75(= 1.15×0.65)
Geoguide 7 0.87(= 1.04/1.2) 0.74(= 1.04/1.4)
KDS 11 70 15 (2018) 0.65(= 0.97/1.5)
Table 9. Results of overall stability of the reinforced slope
(a) Method 1 of Clouterre (1991) (b) Method 2 of Clouterre (1991)
= 1.25 (
=1.125)
= 1.154 (
=1.125)
(c) Method 1 of CIRIA (2005) (d) Method 2 of CIRIA (2005)
= 1.54 (
=1.0)
= 1.23 (
=1.0)
에 설치되는 네일들을 모두 배제하는 형상으로 파괴면이 형 성되므로, 본 Case의 경우에는 하단에 설치되는 네일에 의 해 발생하는 저항력 성분이 극히 미미하게 반영되기 때문에 두 방법간의 차이가 드러나지 않는 것으로 분석된다. 미국 의 FHWA 방법에 의한 쏘일네일링 시스템의 안정성은 산 출되는 안전율의 역수인 안정수(1/
)가 0.67 이하일 때 안정한 것으로 평가한다. 본 분석의 경우 Table 7(e)와 (f) 모두 안정수는 0.870으로 0.67보다 크므로 추가적인 보강이 필요한 것으로 분석되었다.각 해석 방법별로 얻어지는 CDR 값을 정리하면 Table 8과 같다. Table 8에 제시한 값을 살펴보면, 한국의 건설공 사비탈면설계기준이 가장 보수적이며, 프랑스의 Clouterre,
미국의 FHWA, 홍콩의 Geoguide 7 그리고 영국의 CIRIA 순으로 보수적인 것으로 밝혀졌다. 그러나 FHWA의 방법을 이용하여 도출된 CDR과 Clouterre의 방법을 이용하여 도출 된 CDR 및 Geoguide 7의 방법을 이용하여 도출된 CDR의 차는 크지 않은 것을 알 수 있다.
4.4 보강비탈면 안정성 평가결과의 비교
Table 9는 붕괴비탈면의 복구를 위해 결정된 Fig. 5의 (b) 에 도시된 보강비탈면을 대상으로 수행된 설계기준별 해석 결과이다. 본 분석은 붕괴의 복구를 위한 목적으로 보강이 적용된 비탈면을 대상으로 검토가 수행되었으므로 산출되 는 비탈면의 안전율은 소요안전율 이상을 확보하여야 한다.
Table 9. Results of overall stability of the reinforced slope (continued)
(e) Method 1 of FHWA (2015) (f) Method 2 of FHWA (2015)
= 1.58 (1/
= 0.67)
= 1.58 (1/
= 0.67)
(g) Method of Geoguide 7 (2008) (h) KDS 11 70 15 (2018)
= 1.56 (
= 1.2, 1.4)
= 1.52 (
= 1.5)
Table 10. Summary of CDRs for reinforced slope analysis results
CDR Method 1 Method 2 Remarks
Clouterre 1.11(= 1.25/1.125) 1.02(= 1.15/1.125)
Domestic standard is not classified by importance, situation or etc.
CIRIA 1.54 1.23
FHWA 1.03(= 1.58×0.65) 1.03(= 1.58×0.65)
Geoguide 7 1.30(= 1.56/1.2) 1.11(= 1.56/1.4)
KDS 11 70 15 (2018) 1.01(= 1.52/1.5)
분석결과 모든 경우들에서 소요안전율을 만족하는 것으 로 분석되었다. 보강비탈면 분석결과의 특이사항으로 Table 9(e)와 (f)의 FHWA 방법 1과 FHWA 방법 2 모두 산출되는 안전율은 1.58로서 같은 값을 보였다. 이는 본 보강비탈면 의 경우 파괴원호가 비교적 커서 대부분위 경우에 하단에 설치되는 네일들을 모두 배제하는 형상을 보였다. 이에 따 라 하단 쏘일네일의 길이를 임의적으로 줄여서 해석하는 FHWA 방법 2의 하단 설치 네일의 저항력이 극히 미미하 게 반영되기 때문에 FHWA 방법 1과 2간의 차이가 드러나 지 않는 것으로 분석된다. 미국의 FHWA 방법에 의한 쏘일 네일링 시스템의 안정성은 산출되는 안전율의 역수인 안정 수(1/
)가 0.67 이하일 때 안정한 것으로 평가한다. 본분석의 경우 Table 9(e)와 (f) 모두 안정수는 0.633으로 0.67 보다 작으므로 추가적인 보강이 불필요하고 비탈면은 안정 한 것으로 분석되었다.
각 해석 방법별로 얻어지는 CDR 값을 정리하면 Table 10 과 같다. 해당 한계상태에 대하여 임의의 설계기준에 기초 하여 안정성 검토를 실시하고 이를 통하여 얻어진 CDR 값 이 다른 설계기준에 따라서 얻어진 CDR 값보다 작다는 것 은 결국 해당 설계법이 다른 설계법에 비하여 보수적이라는 것을 의미한다. Table 10에 제시한 값을 살펴보면, 보강 설 계가 이루어진 후 모든 CDR이 1.0보다 큰 것을 알 수 있으 며 따라서 보강 설계는 본 연구에서 검토된 모든 설계기준 을 만족시키고 있다는 것을 의미한다. Table 10에 제시한
(a) Analysis results of the collapsed slope (b) Analysis results of the reinforced slope Fig. 6. Comparison of CDRs
값을 살펴보면, 한국의 건설공사비탈면설계기준(2011)이 가장 보수적이며, 미국의 FHWA(2015), 프랑스의 Clouterre (1991), 홍콩의 GEOGUIDE 7(2008), 영국의 CIRIA(2005) 의 순으로 보수적인 것으로 밝혀졌다. 그러나 FHWA(2015) 의 방법을 이용하여 도출된 CDR과 Clouterre(1991)의 방법 을 이용하여 도출된 CDR 및 한국의 건설공사비탈면설계기 준(2011)의 방법을 이용하여 도출된 CDR은 큰 차이가 없 는 것을 알 수 있다.
4.5 안정수 비교를 통한 국내설계기준 평가 및 제언 Fig. 6은 붕괴 비탈면과 보강 비탈면의 안정성 평가결과 도출된 CDR값(안정수)들을 비교한 그래프이다. Fig. 6(a)는 붕괴상태에 대한 분석결과이다. 기준별로 2가지 방법으로 총 8종류의 분석을 수행한 해외기준들에 의해 도출된 안정 수의 전체평균값은 0.79이나, 국내기준의 안정수는 0.65로 서 그 차이는 0.14로 분석되었다. 이를 통해 해외기준 평균 에 비해 국내기준이 약 18% 가량 보수적인 결론을 도출함 을 확인할 수 있다. 또한, Fig. 6(b)는 보강 비탈면에 대한 분석결과로서, 해외기준들에 의해 도출된 안정수의 전체평 균값은 1.17이나, 국내기준의 안정수는 1.01로서 그 차이는 0.16으로 분석되었다. 본 분석의 경우에도 국내기준이 약 13% 가량 보수적인 결론을 도출하였다. 결론적으로 Fig. 6 을 통해 국내설계기준이 해외설계기준에 비해 약 13∼18%
가량 보강재의 보강력을 상대적으로 과소평가한다는 것을 확인하였다. 국내 기준이 가장 보수적이라는 사실은 본 연 구뿐만이 아니라 김태원과 유광호(2019)의 선행 연구결과 에서도 분석된 바 있다. 이 결과를 국내에서는 아직도 허용 응력설계법을 기반으로 한 설계가 이루어지고 있기 때문만 이라고 설명할 수는 없다. 홍콩의 Geoguide 7(2008)은 허용 응력설계법을 채택하고 있으며, 미국의 FHWA 방법은 LRFD 설계법을 따르는듯하나 실제로는 국내의 허용응력설계법에 서 적용하는 최소 안전율 1.5와 동일한 값의 역수를 안정수
로 적용한다. 따라서, 전적으로 국내기준이 허용응력설계법 을 채용하므로 가장 보수적인 결과를 보인다라고 단정할 수 는 없다. 실제로 안정해석 시 네일의 인발력을 FHWA에서 는 극한값을 적용하나, 국내 기준은 허용값을 적용하고, 네일 의 인발력에 적용되는 안전율도 3.0으로 허용값을 적용하는 다른 기준들의 안전율이 1.4∼2.0인 측면을 고려해도 150∼
215% 범위의 가장 큰 값을 적용하는 것으로 파악되었다.
이와 같이 국내기준에는 보강재의 능력을 작게 평가하는 다 양한 측면들이 존재하는 것으로 파악되었다. 따라서, 본 연 구에 의해 분석된 각 설계기준들의 순서들에 절대적인 의미 를 부여할 수 는 없지만, 국내기준이 가장 보수적이라는 측 면은 개선이 필요한 것으로 사료된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 실제 현장의 비탈면 복구사례를 통해 붕 괴가 발생한 비탈면의 안정성 검토방법을 소개하였으며, 국 내외 쏘일네일링 벽체에 대한 주요 설계기준을 적용하여 붕 괴발생 상태와 붕괴상태 복구를 위한 보강비탈면에 대한 안 정성 검토 및 검토결과의 비교・분석을 수행하였다. 본 연 구를 통해 얻은 결론을 간략하게 요약하면 다음과 같다.
(1) 붕괴가 발생한 비탈면과 보강이 적용된 비탈면에 대해 주요설계기준의 절차에 따라 전체 안성성 검토를 수행 하였으며, 수행결과 붕괴 발생 비탈면에 대해서는 모든 설계기준들이 안정성을 미확보하고 있는 것으로, 보강 적용 비탈면에 대해서는 안정성을 확보하고 있는 것으 로 평가하였다.
(2) 전체 안정성 검토 결과, 한국의 건설공사비탈면설계기준 (2011)이 가장 보수적이며, 그 다음으로는 미국의 FHWA (2015), Clouterre(1991) 및 홍콩의 Geoguide 7(2008)은
상호 유사하고, CIRIA(2005)가 붕괴 및 보강 비탈면 모 두에서 가장 큰 안정수(CDR)를 도출하여 재료의 강도 를 가장 크게 활용하는 설계법으로 파악되었다.
(3) 한국의 건설공사비탈면설계기준은 쏘일네일의 보강력 을 보수적으로 평가하는 다양한 요인이 존재하는 것으 로 파악되었다. 따라서, 본 연구에 의해 분석된 각 설계 기준들의 보수성의 순서에 절대적인 의미를 부여할 수 는 없지만, 국내기준이 가장 보수적이라는 측면은 개선 이 필요한 것으로 사료된다.
(4) 추가적으로 많은 사례에 대한 검증을 통해 보다 일반적 이고 명확한 결과 도출이 가능할 것으로 사료되며, 이 를 통해 보다 합리적인 설계기준 수립을 위한 기초자료 제공이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 기본적인 쏘일네일벽체의 설계법에 대해 서는 국가별로 큰 차이가 없으나, 각종 계수값의 적용이나 안 정성 평가기준 등의 차이에 의해 국내 기준이 가장 보수적인 것으로 파악되었다. 따라서, 미국의 FHWA의 쏘일네일 인발 저항력을 극한값으로 이용하는 방안, CIRIA 및 Clouterre와 같이 각종 계수값을 적용하는 한계상태설계법의 적극적인 도입 및 Geoguide 7과 같이 파괴 시 초래되는 피해 정도를 고려하여 최소안전율을 별개로 적용시키는 방법 등 외국사 례들을 고려하여 쏘일네일링 벽체 설계 시 보수성을 개선하 는 방안의 연구가 필요한 것으로 분석되었다.
References
