깊은 풍화대 사면의 설계 및 시공사례 분석을 통한 합리적인 지하수위 적용방안 연구

깊은 풍화대 사면의 설계 및 시공사례 분석을 통한 합리적인 지하수위 적용방안 연구

최 부 성 (주)한국종합기술

지반부 대리

김 창 현 (주)한국종합기술

지반부 상무

이 종 범 (주)한국종합기술

지반부 상무 이 광 희

(주)한국종합기술 지반부 차장 김 경 태

(주)한국종합기술 지반부 부장 ([email protected])

1. 서론

사면안정성에서 지하수의 영향은 매우 중요한 인자 이며, 대부분 사면붕괴는 지하수 및 침투수에 전단강 도저하 및 활동력증가에 기인된다. 지하수위 적용기 준은 과거에 G.L-3.0m에서 지표면포화조건을 거쳐 최근의 건설교통부[2009]에 따르면 건기시 지하수위 미고려, 우기시에는 지표면에 위치[F.S=1.2]시키거 나, 강우침투를 고려한 해석을 실시하여 결정하는 방 법 [F.S=1.3]의 두 가지 조건 중 지질조건 및 지형적인 특성을 고려 적용하도록 제시되어 있다.

과거에는 지표포화조건으로 기준에 따라 특별한 고 찰 없이 획일적으로 실무에서 적용하였으나, 최근에 는 변경된 기준에 의거 침투해석을 적용하여 지하수위 상승을 고려하는 사례가 늘고 있는 추세이다.

이러한 지하수위 적용을 통한 사면 안정성 예측은 지층 층서 및 층후, 원지반 지하수위에 따라 차이가 있 다. 일반적으로 지표포화조건의 경우, 보강량 증가로 인하여 과대평가될 우려가 크며, 침투해석에 의한 지 하수위 상승을 고려시에는 과소평가로 인하여 불안한 측면이 있다. 따라서 설계단계에서 지표포화조건이 아닌 침투해석에 의한 조건을 적용할 경우에는 충분한 지층 및 지질특성과 원지반 지하수위에 대한 계절적 정보가 확보되어야 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있 을 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 세종시 00진입도로 공사현장 의 절토 비탈면 구간 설계변경 사례을 통하여 보다 합 리적인 지하수위 적용 방향성을 제시하고자 다음과 같 은 사항들에 대하여 분석을 수행하였다.

첫째, 토사층이 깊은 구간의 경우와 토사층 하부에

바로 기반암이 출현하는 경우에 대하여 지하수위 위치 에 따른 안전율 차이를 분석하였다.

둘째, 과업구간에 대한 원지반 지하수위 자료분석과 지하수 유입면적이 충분한지의 지형 및 지리적 입지조 건 분석을 수행하였으며,

섯째, 추가적으로 침투해석에 의한 지하수위 상승높 이를 분석하여 최종 적용 지하수위 조건을 결정하였다.

이상과 같은 3개소의 검토구간에 대한 수위조건에 의한 재평가로 인하여, 기존의 일률적으로 지표포화 조건에서 벗어나 지층특성과 원지반 지하수 분석/침 투해석을 통하여 구간별 차등적용하여 보강물량의 감 소로 예산절감을 이루었다.

2. 사례구간 검토현황

2.1 검토구간 현황

본 사례지역은 세종시의 진입도로구간으로 행정구 역상 충청남도 연기군 동면~청원군 부용면을 연결하 는 확장노선으로 4, 9, 11의 3개 구간에 대하여 검토를 수행하였다.

2.2 시공 중 확인조사 결과에 의한 지층분포 현황

2.2.1 시공 중 확인조사 수행현황

풍화대가 깊은 9, 11구간과 지질이상대 및 붕괴이력 이 있는 4구간을 대상으로 4공의 시추조사를 수행하 였으며, 풍화대가 깊은 9, 11구간의 경우 심도에 따른 연속적인 강도특성 분석에 의한 지층을 분할하기 위하 여 시추공 전단시험 5개소를 수행하였다.

그림 1. 과업노선 및 검토구간 위치

구 분 구 간

(STA.)

연장 (m)

비 탈 면 지층현황

조 사 내 용

원 설계현황

시추공 STA.

4구간 0+640 ~ 0+860(우측) 220 토사, 풍화암 NCB-1 0+740 현재 붕괴 후 보강구간

9구간 2+940 ~ 3+120(좌측) 180 토사, 풍화암, 연암 NCB-2 3+060 네일링 보강 계획구간

11구간 0+540 ~ 0+700(좌측) 160 토사, 풍화암 NCB-4 0+640 네일링보강 계획구간

0+540 ~ 0+700(우측) 160 토사, 풍화암 NCB-3 0+640 네일링 보강 계획구간

표 1. 검토구간 현황

시 추 조 사

시공 중 확인조사 기조사내용

•검토-4구간 : 1공 [NCB-1] •CH-4

•검토-9구간 : 1공 [NCB-2] •CH-6, CH-9, CB-3

•검토-11구간 : 2공 [NCB-3,4] •CH-11, CH-12

시추공 전단시험 5개소 [N치 분포특성반영] 4개소

그림 2. 시공 중 확인조사 위치

검토-4구간

검토-11구간 그림 3. 검토구간 지층분포현황

검토-9구간 표 2. 시공 중 확인조사 내용

2.2.2 지층분포 현황

확인조사 결과 6구간, 11구간의 경우, 토사층후 및 기반암 출현심도가 깊어졌으며, 4구간의 경우는 인근 자료로 추정하여 계획된 구간으로 금회 확인조사 자료 를 준용하였음.

2.3 사면보강해석을 위한 사전검토사항

2.3.1 풍화대 깊은 토사층 강도정수 재평가

• 검토 9구간의 경우, 토사층후가 13.0m이상으로

심도별 N치는 6/30에서 10/50으로 뚜렷하게 증 가하는 경향을 보이므로 단일토층으로 강도정수 를 적용하는 것보다 토층을 분할하여 강도정수를 산정 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

• 토층분할을 위하여 N치 증가에 따라 점착력 및 내 부마찰각의 추이를 분석한 결과 전반적으로 N치 가 증가함에 따라 점착력과 내부마찰각이 증가하 는 경향을 보이며, 내부마찰각보다는 점착력 증가 폭이 크게 나타났음.

• 또한 N치 40에서 증가추이의 변곡상태를 보이므

NCB-2

N치-점착력 상관관계(NCB-2)

그림 4. 심도별 N치 분포현황

그림 5. N치와 강도정수 상관관계 그래프

NCB-4

N치-내부마찰각 상관관계(NCB-4)

로 본 과업에서는 풍화토의 구분을 N=40을 기준 으로 토층을 분할하여 강도정수를 적용하였다.

2.3.2 지하수위 적용기준 선정

지하수위의 계절적 수위변동을 파악하고자 기존 조 사자료와 시공 중 확인조사자료의 월별 지하수위 변동 을 분석한 결과 다음과 같이 나타났다.

• 4구간의 경우 : 배면의 지하수 유입조건이 충분하 여 계절적으로 우기인 6~9월 중 지하수위가 증가 하는 경향을 보이며

• 9, 11구간의 경우 : 계절적으로 일정한 수위 유지

⇒ 이는 지형적으로 지하수 유입조건이 아닌 형상 임.(특히 11구간의 경우 소규모 구릉지로 추가적 인 지하수 상승요인 없음)

그림 6. 월별 지하수위 분포 그래프

표 4. 구간별 적용지하수위

검토구간 지층분할

기준

점착력 (kPa) 내부마찰각 (Degree)

범위 평균 (적용) 범위 적용 (평균)

검토-9구간 검토-11구간

N≤40 12.15~17.15 14.6 (15.0) 26.38~28.46 27.42 (27) N＞40 15~22.29 18.9 (19.0) 28.12~30.8 29.4 (30) 표 3. 지층분할에 따른 강도정수 산정결과

구 분 구 간

(STA.)

지하수위 (GL, m)

적용지하수위

건기시 우기시

4구간 0+640 ~ 0+860

(우측) 4.5 ~ 8.7 원지하수위 :

4.5m 지표포화

9구간 2+940 ~ 3+120

(좌측) 15.6 ~ 17.1 원지하수위 :

15.6m 침투해석에 의한 지하수위 11구간 상승고려

0+540 ~ 0+700

(좌측) 15 ~ 18.2 원지하수위 : 15.0m 0+540 ~ 0+700

(우측) 15.5 ~ 16.5 원지하수위 : 15.5m

원지반 지하수위

그림7. 검토-9구간 지하수위 상승

최대 지하수위 상승높이

• 지하수위 적용방향은 9,11구간의 경우 원지반 지 하수위가 계절적 변화없이 15m이하의 깊이에서 형성되어 지표포화조건보다는 침투해석에 의하 여 지하수위 상승높이를 고려하는 것이 합리적인 것으로 판단하였으며, 4구간의 경우에는 붕괴이 력이 있는 구간으로 얕은 심도인 토사 및 풍화암 경계에서 지하수위가 형성되어 활동파괴를 촉진 시킬 수 있는 조건이므로 지표포화조건을 적용하 였다.

• 원지반 지하수위가 깊은 9, 11구간에 대하여 50년 빈도 24시간의 강우지속시간을 적용하여 침투해 석을 수행한 결과, 수위상승이 약 4.0~5.0m로 나 타났다.

2.4 강도정수 및 지하수위 분석에 의한 사면안 정성 재평가 결과

• 검토-4구간의 경우, 현재 붕괴되어 앵커+전면옹 벽으로 보강된 구간에 대한 확장 구간으로 지질위 험인자는 동일하게 내포하고 있을 것으로 판단되 며, 바로 배면에 부체도로 및 공장건물이 존재하 므로 구배완화보다는 네일보강방안이 적정한 것 으로 판단된다.

• 검토-9구간의 경우, 침투해석에 의한 지하수위를 적용시 기존 네일간격 1.5m×1.5m에서 1.8m×

1.8m로 조정하여도 안정성이 확보되는 것으로 나 타났으며,

• 검토-11구간의 경우, 원추형의 지형적인 특성상 지하수위의 상승요인이 없으므로 침투해석 지하 수위 적용시 보강이 불필요한 것으로 나타났다.

• 이상과 같이 강도정수 및 지하수위조건 따라 사면 보강 공사비의 큰 폭 절감을 이룰 수 있으나, 설계 적용시 충분한 자료수집 및 분석이 필요할 것으로 판단된다.

3. 사례고찰을 통한 지하수위 적용방향 설정

3.1 지하수위 위치에 따른 사면안전율 경향 분석

원지반 지하수위

그림 8. 검토-11구간 지하수위 상승

최대 지하수위 상승높이

구 분 적용공법

비고

당초 변경

검토-4 경사완화 네일링(3단)

검토-9 네일링

(간격1.5m×1.5m)

네일링 간격조정 (간격1.8m×1.8m)

검토-11 네일링 보강불필요

(배수공 및 표면보호공 유지) 표 5. 검토 구간별 적용공법 현황

사면안정해석시 지하수위에 따른 사면안정에 미치 는 영향을 분석하고자 깊은 토사층 분포조건과 얕은 토사층 분포조건에 대하여 지하수위 분포심도별 안정 성 해석을 수행하였다.

지표포화조건에서 원지반 수위인 기반암 상부까지 하강할수록 안전율은 증가하며, 토사층이 깊을수록 증가율은 크지 않은 것으로 나타났다.

따라서 깊은 토사층의 경우, 지표포화조건시 사면안 전율은 0.8로 기준안전율 (F.S=1.2)에 상당히 못미쳐 보강물량이 많이 필요하나, 지하수위가 약 지표하부 10m에 위치할 시에는 보강이 필요 없는 상반된 결과 를 나타내므로 지하수위의 적용 조건에 따른 보강공사 비 차이는 매우 클 것으로 사료된다.

그러나 상부 토사층후가 얕은 경우에는 지하수위 조 건에 따라 안전율 증가 추이는 크나 일반적으로 7.0m 이내의 층후시에 지표포화조건에서도 기준 안전율 이

상으로 안정성이 확보되는 것으로 나타났다. 지하조건 에 따른 보강량 증감 차이는 미미할 것으로 사료된다.

이상과 같이 기반암이 바로 출현하는 구간보다는 두 꺼운 토사층후를 분포하는 구간에 대하여는 합리적인 지하수위 적용이 중요할 것으로 판단된다.

3.2 집중 강우시 지하수 거동에 따른 안정성 평가기법

3.2.1 상부포화심도를 고려한 얕은파괴 검토 집중호우시 사면에서의 지하수위 거동은 크게 지표 침투에 의한 습윤구간 형성과 원지하수위의 상승현상 이 발생되며, 이 이외의 구간에서는 불포화토 거동을 하게 된다.

• 지표의 강우침투에 의한 포화심도는 Lumb(1987) 의 방법, Pradel&Raad(1993), Mein & Larson 깊은 토사층 조건

그림 10. 토사층후 조건별 지하수 영향 분석 그림 11. 집중호우시 지하수 거동 메카니즘 그림 9. 지층분포조건에 따른 검토단면 현황

얕은 토사층 조건

method 등이 있으며, 토성(투수계수, 공극율, 초 기포화도), 강우지속시간(강도) 등의 인자에 따라 0.5~3.0m 정도의 범위의 포화심도가 산정된다.

이때에는 얕은 파괴 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

• 특히, 토사와 풍화암의 경계부에서 지하수위가 형 성될 때는 원호활동이 아닌 평면적인 파괴가 발생 될 수 있으므로 다양한 파괴형태에 대한 검토가 필요할 것이다.

• 지표침투시 전단강도가 감소하고, 포화단위중량 에 의한 활동력증가로 인하여 얕은파괴가 발생될 수 있으므로 지표포화조건에서의 얕은 파괴 및 국 부전단파괴의 검토가 필요하며, 불안정시 보강대 책으로 대부분 침식/세굴 등 얕은 파괴로 표면보

호공으로 방지가 가능하며, 지질특성에 따라 씨앗 뿜어 붙이기보다 정착성이 우수한 강화된 보호공 의 적용을 고려하여야 한다.

• 토사와 기반암의 경사가 활동파괴에 유리한 경사 일 경우 무한사면형태의 평면파괴가 예상되는 경 우에는 활동 억지공에 의한 적극적인 보강대책 수 립이 필요할 것이다.

3.2.2 침투해석에 의한 원지반 지하수위상승 예 비분석

토사층후가 깊은 조건과 얕은 조건에 대하여 원지반 지하수위를 풍화암/기반암 상부로 위치시켜 침투해석 에 의한 초기 지하수위 상승정도를 분석하였다.

깊은 토사층후(18m)에서 수위가 약 8.0m 상승하 지표침투 전단강도감소-원호활동

그림 12. 지표 침투에 따른 얕은 파괴 검토결과

기반암경사지-평면활동

깊은 토사층후 분포

그림 13. 토사층후 조건별 지하수위 거동분석 결과

얕은 토사층후 분포

고, 얕은 토사층후(6.0m)의 경우 3.4m로 수위가 상승 하는 것으로 나타났다.

기존 침투해석에서는 강우강도 및 불포화토의 함수 특성곡선 및 모델링의 제한성 등으로 실제적인 강우에 의한 침투 및 지하수위 상승에 대한 정확한 산정은 어 려운 실정이다. 특히, 강우시 주변 및 배면의 지형적 인 요소에 의하여 지하수위 상승 정도가 결정되고, 지 표침투 유입수는 일부분이고 대부분 지표로 유출되므 로 실질적 거동에 대한 모델링은 한계성이 있다. 한국 토지주택공사(LH)에서는 포화도 80%이상을 포화조 건으로 평가하고 전단강도를 1/2로 감소하여 검토하 도록 제시되었다.

따라서 10m 이상의 깊은 토사층후 출현시에는 침 투해석 등 면밀한 지하수위 적용조건에 대한 분석이 필요하고, 얕은 토사층후 분포시에는 지표침투에 의 한 상부 포화심도를 고려하여 지표포화조건으로 안정 성 검토를 수행하는 것이 적정할 것으로 판단된다.

3.3 지형, 지층 및 지하수위 분석을 통한 적용 수위 결정

3.3.1 지하수위 조건 결정시 주요 고려사항 1) 지표포화조건 적용 지층조건

① 층후가 두껍지 않은 토사 및 풍화암 하부에 바로 기반암이 출현하는 경우

- 지표침투 및 지하수위 상승을 고려하면 거의 지 표포화조건과 유사

② 원지반 지하수위가 지표면 하부 5.0m 이내에서 분포하는 경우

- 일반적으로 집중호우시 지하수위 상승고가 약 2~5m으로 지표포화조건과 유사

③ 사면배면부에 지형적으로 충분한 지하수 유입면 적이 형성된 경우

- 지하수위 상승은 모든 파괴의 근본적인 원인으로 지하수위 위치에 상관없이 연약면을 통한 활동파 괴를 유발할 수 있으므로 안정적 설계유도 필요

2) 강우침투해석에 의한 지하수위 상승조건 적용 지 층조건

① 두꺼운 토사층이 형성된 지층조건에서 원지반 지 하수위가 낮은 경우

- 지하수위 최대상승높이를 고려하더라도 지표 포화조건이 과다한 경우

② 사면형성구간이 지형적으로 침투수나 지하수위 상승 요인이 없는 경우

- 지형/지리적으로 배면부에서의 유입면적이 협 소하고 역경사로 된 지형

③ 계절적 지하수위 자료가 충분히 확보된 경우 - 우기시나 집중호우시 측정자료, 년간 관측수위

자료가 확보된 경우

3) 상기 조건 이외에 지질위험요소를 내포한 경우에 는 지반조건과 파괴거동에 대한 불확실성을 고려 지표포화조건의 적용이 요구된다.

- 차별풍화 및 관입암맥이 협재된 경우 - 호층을 이루는 층리가 발달한 퇴적암지대 - 지질 구조적으로 광역변성, 동력변성, 열변성

등의 지각변동을 경험한 지반

3.3.2 지하수위 조건 결정 방법(FLOW CHART) 상기와 같은 지하수위 결정시 고려사항에 의거 다음 과 같은 순서에 의하여 지하수위를 결정하도록 한다.

4. 결론 및 제언

지하수위 조건에 대한 설계기준변경 [2009, 국토해 양부]은 지표포화/침투해석조건에 대하여 설계자가 판단하여 적용토록 제시된 바 합리적인 수위 적용방안 및 보강방안에 대하여 시공 중 설계변경사례분석에 의 거하여 아래와 같이 제시하였다.

첫째, 지하수위 조건의 선정은 지형 및 지질/층서 및 층후/계절적 지하수 정보 분석과 지역별 예비 침투해

석에 의한 지하수위 상승을 종합적으로 분석하여 결정 되어야 한다

• 지표포화조건의 경우는 근본적으로 토사층후 및 기반암 출현심도가 얕고, 사면배면의 지하수의 유 입 및 지하수위가 상승할 수 있는 충분한 면적이 확보된 지형/지질인 경우와 원지반 지하수위가 높은 경우에 적용되어야 한다.

우리나라의 대부분의 경우 암반이 바로 출현되므 로 지표포화조건에 해당될 것이다.

• 침투해석에 의한 지하수위 상승조건 고려가 필요 한 사면은, 토사층후가 깊고 원지하수위가 낮으 며, 지형적으로 지하수위 상승이나 유입이 크지

않은 경우에 해당된다.

둘째, 안정해석방법은 크게 얕은 파괴와 전반활동 파괴에 대하여 검토를 수행하며, 얕은 파괴의 경우 지 표포화조건에서 원호활동 및 평면활동파괴를 지층형 성특성에 부합되게 검토 되어야 한다.

셋째, 사면 보강방안은 얕은 파괴의 경우는 대부분 세굴/침식이므로 표면보호공으로 방지가 가능하나, 기반암 경사에 의한 무한평면파괴형상을 보이는 경우 에는 억지공에 의한 적극적인 보강이 필요하다. 전반 활동에 대하여 불안정한 사면의 경우에는 적극적인 보 강대책이 필요하며, 보강 불필요 사면에 대하여도 배 수공은 설계시 물량을 계획하여 시공 중 지하수 및 침 그림 14. 지하수위 조건을 고려한 안정해석 FLOW CHART

투수 유출 등을 고려하여 적정위치에 보강토록 하여야 한다.

최근 VE(Value Engineering)와 예산절감차원으로 사면분야에서도 공사비절감을 위하여 최적화 설계를 유도하나, 사면의 경우 공용 후 시간의 경과에 따라 활 동안전율은 감소되고, 붕괴발생시 막대한 복구비용이 소요되므로 원칙적으로는, 보수적인 설계방향이 적정 할 것으로 사료된다.

따라서 설계사례 고찰과 같이 침투해석이 필요한 것 으로 제시된 조건 이외의 구간에 대하여는 지표포화조 건을 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

특히, 침투해석에 의한 수위결정에 의한 검토가 필 요한 구간에서도, 토사층 사이 암맥이 존재하거나, 토 사/풍화대가 교호되어 출현하는 구간 등 지질이상대 의 경우, 물의 침투에 의한 파괴거동은 설계와 상이할

수 있으므로 지표포화 등 안전측 설계를 유도하여 한 다.

또한 합리적인 지하수위 결정을 위하여는 원지반에 대한 계절별 측정수위 자료가 중요하므로, 설계당시 지하수위 관측공을 유지하여 시공단계까지 주기적으 로 수위측정이 가능하도록 설계시 조사업체가 시공 중 확인조사까지 수행할 수 있도록 하는 제도적 개선이 필요할 것이다.

1. 00도로 확장공사 지반조사보고서, 2013.09 2. 한국지반공학시리즈 “사면안정”, 2010.04 3. 건설공사비탈면설계기준(국토해양부, 2011)

바로잡습니다

Vol.29, No.12, 2013년 12월호 기술기사에 “GIS기법을 활용한 산사태 및 토석류 평가사례” 내용 중 산사태 및 토석류 위험도 분석은 강릉원주대학교 토목공학과 이승우 교수님 연구팀 모델을 이용하여 공동으로 수행하였습니다.