앞선 글들에서 지반조건에 따른 비탈면의 붕괴유형 및 특성을 알아보았습니다.
비탈면의 안정성을 검토하여 안정성이 확보되지 못한다면 보강공법을 적용해 안정성을 확보해야 하며, 경우에 따라서는 기준안전율을 상회해 안정성을 확보하였더라도 필요에 따라 보강공법을 적용해야 하는 경우가 발생하기도 합니다.
비탈면에 대한 대책공법은 안전율이 감소되지 않게 하는 비탈면 보호공법과 비탈면 안전율이 확보되지 않은 경우에 안
전율을 확보케 하는 비탈면 보강공법으로 구분할 수 있습니다.
비탈면 보호공법은 현재 비탈면의 안정성은 확보되어 있으나 우수의 침투 및 세굴 등에 의해 비탈면 안전율이 감소되는 것을 방지하기 위한 공법이며, 비탈면 보강공법은 안정성이 확보되지 않은 비탈면을 보강하여 안전율을 높이는 공법입니다.
이 가운데 비탈면 보강공법은 비탈면 안정성에 직접적인 영향을 끼치므로 본 글에서는 이에 대하여 기술하고자 하며 각
보강 공법별 자세한 보강 메커니즘은 다음 글에서 상세히 기술토록 하겠습니다.
그림 1. 비탈면 안정공법의 종류
비탈면의 활동형태는 전편에서 설명했듯이, 원호파괴, 블록파괴 (평면, 전도, 쐐기), 복합파괴로 크게 나눌 수 있습니다.
풍화토, 풍화암, 암반 파쇄대에서는 주로 원호파괴가 발생하고, 발파암에서는 주로 블록파괴가 발생합니다.
또한 풍화토와 발파암 경계부에서는 점토 충진물과 유로의 형성으로 인해 블록파괴식의 평면파괴가 발생하기 쉽습니다.
물론 이것은 지층특성에 따른 발생빈도가 높다는 것이지 반드시 이런 형태로 붕괴가 발생한다는 것은 아닙니다.
비탈면의 활동형태는 지형 및 지질, 유로의 형성, 연약대의 분포, 불연속면의 특성등의 영향을 크게 받습니다.
따라서 보강공법 선정시에는 이런점들을 반드시 고려하여야 합니다.
또한 비탈면의 활동 형태는 해석상의 편의성과 모델의 단순화에 의한 경제성을 고려해서 각 지층특성상 원호,블록,복합파괴로 구분한 것이지 실제 비탈면에서 붕괴가 발생할 때는 대부분 이 세가지 형태가 복합적으로 발생한다는 것을 다시 한번 강조드립니다.
그림 2. 비탈면의 활동형태
보강공법은 비탈면의 활동에 대해 인장강도, 휨강도, 전단강도를 발현하는 보강재등을 비탈면에 적용하여 활동에 저항하게 하는 방법입니다. 국내에서 주로 적용되는 보강공법은 Soil nailing, Anchor, 억지말뚝, 마이크로파일, 보강재를 포함한 그라우팅, 옹벽(보강토옹벽), 경사완화 등이 있습니다.
대부분은 활동이 발생해야 억지력을 발휘하는 수동형태의 보강공법이며,
Anchor 공법은 그 반대의 주동형태의 보강공법입니다.
그림 3. 국내에 적용되고 있는 보강공법 (1)
그림 4. 국내에 적용되고 있는 보강공법 (2)
원호파괴는 주로 풍화토, 풍화암, 파쇄가 심한 암반층에서 주로 발생하며 안정해석상 도출된 파괴깊이 보다 깊은 파괴가 발생하거나, 인발저항이 충분치 못할 우려가 있으므로 보강재의 길이를 충분히 길게 적용해야 합니다.
원호파괴는 활동규모에 따라 보강공법을 구분하여 적용하는 것이 보다 경제적입니다.
일반적으로 중,소규모의 활동에는 Soil nailing류의 공법, 그라우팅 공법, 보강토 옹벽등, 경사완화등의 공법을 적용할 수 있으며, 대규모 붕괴가 예상될 때에는 Anchor(+격자블록), 억지말뚝 공법등을 적용할 수 있습니다.
풍화토층에 강성이 과도하게 큰 보강재를 사용하여 안정해석을 수행하면 안전율은 기준치를 만족 할지 모르나 실제로는 보강재의 간격이 너무 넓어져 Arching 효과를 기대할 수 없습니다. 따라서 강성이 큰 보강재 보다는 중간 정도의 강성을 가진 보강재를 간격을 좁혀 적용하는 것이 훨씬 효과적인 방법이라 할 수 있습니다.
그림 5. 풍화토 지반의 보강재 적용방법
인장균열면과 활동면 하부에만 수압이 작용하는 암반 비탈면의 블록파괴와는 달리 토사층등에서 발생하는 원호파괴는 지하수위의 변화가 크고 그에따라 활동력의 차이를 보이므로 수평 배수공등 배수공법을 적절히 적용해야 합니다.
특히 그라우팅 공법의 경우는 그라우팅 배면에 수압이 발생될 우려가 있으므로 유의해야합니다.
그림 6. 수평배수공 적용
자갈섞인 붕적층이나, 암반 파쇄대층은 공극이 크고, 보강재의 Arching이 발생되기 어려우므로, 그라우팅 공법을 적용하여 지반의 전단강도를 증대시키는 것이 효과적입니다.
그림 7. 그라우팅 공법 적용
Anchor 와 병행 시공되어 안정성을 확보케 하는 콘크리트 격자블록은 풍화토에 적용시 세굴로 인한 편심하중으로 인해 파괴의 우려가 있으므로 모래질 토질에 적용시는 유의하여야 합니다. 또한 경사완화공법은 자연비탈면의 경사가 하향 일 경우, 절취시 기반암층의 분포심도가 지표에서 깊지 않을 경우에는 유리하나, 점토질이 많은 비탈면, 상부에 구조물이 있는 경우, 경사완화시 무한비탈면이 될 우려가 있는 경우에는 적용성이 떨어지게 됩니다.
보강공법 적용 후 안정성 검토시에는 전체적인 비탈면의 안정성 확보만을 확인하는 경우가 더러 있는데 보강재가 적용된 부분의 이외 구간에서 기준 안전율을 만족하지 못하는 경우도 종종 있으므로 보강 비탈면의 국부적인 안정성도 반드시 검토해야 합니다.
그림 8. 국부적인 안정성 검토
풍화토층과 발파암층의 경계부는 지하수의 통로가 되며, 점토 등 충진물이 협재 되어 있는 경우가 많다. 대부분 경계부 상부에서 평면파괴식으로 주로 붕괴가 발생하나, 원호파괴와 복합적인 붕괴가 발생하는 경우도 있다. 경계부에서 발생하는 비탈면 붕괴는 Soil nailig 을 좁은 간격으로 배치하거나 콘크리트 격자블록으로 지압력을 높인 Anchor 공법의 적용성이 좋으나, 그라우팅 공법의 경우 경계부에 주입이 어려울 경우, 상부 풍화토층의 자중만을 증가 시키게되 활동력을 증가시킬 가능성이 있으므로, 적용시 유의해야 한다.
이런 유형의 블록파괴는 단층대나 연약대가 분포하는 경우에도 비슷한 보강공법이 적용된다. 경계부 주변에는 지하수위 저하와 수압감소를 위해 배수공을 설치하여야 하며, 보강재의 길이를 최소한 기반암 1~2m 깊이까지 다다르도록 충분한 길이를 확보할 필요성이 있다.
그림 9. 블록파괴시 보강공법의 적용
대규모의 붕괴가 발생할 시에는 억지말뚝을 시공하여 안정성을 확보하는데, 전체적인 비탈면의 안정성은 확보 할 수 있으나, 억지말뚝 사이에서 발생하는 소규모의 붕괴에 대해서는 안정성을 확보하지 못할 경우가 발생한다(원호파괴도 동일). 따라서 억지말뚝 사이에는 안정성 검토를 수행하여 필요할 경우 Soil nailing 공법이나, 그라우팅 공법을 적용한다.
그림 10. 블록파괴시 보강공법의 적용
불연속면을 활동면으로 하여 발생하는 블록파괴는 대부분 불연속면의 충진물이 요인이 된다. 불연속면은 점토등이 충진된 상태에서 우수, 지하수가 침투하여 윤활유 역할을 하며 이로인해 비탈면의 붕괴를 유발시킨다. 따라서 보강재는 당연히 파괴면 너머까지 충분히 길게 적용해야 한다. 원호파괴와는 달리 블록파괴는 불연속면의 방향성을 추정하여 파괴규모를 비교적 정확히 예측할 수 있고, 일반적으로 하나의 커다란 암 블록으로 활동한다고 가정하므로 고강도의 보강재를 사용하여 안정성과 경제성을 확보할 수 있다. 그러나 블록파괴가 발생하는 암반의 두께가 얇거나, 풍화도가 심할 경우에는 보강재 적용 이외의 구간에서 활동이 발생할 수 있으며, 반대로 보강간격이 너무 좁을 경우에는 오히려 암반에 균열을 발생시키거나, 지반을 약화 시킬 수 있으므로 보강재 적용시 암반의 특성을 고려한 보강공법의 적용이 반드시 필요하다.
발파암에 주로 적용하는 보강공법으로는 Rock bolt, Rock anchor, 억지말뚝 공법등이 있다. Rock bolt 공법은 주로 소규모 블록파괴 발생시 안정성 확보를 위해 적용하며, Rock anchor 는 중규모의 블록파괴에, 억지말뚝은 대규모의 블록파괴에 적용한다.
지금까지 비탈면 활동형태별로 적용 가능한 보강공법과 유의사항들에 대해서 알아보았다. 비탈면의 활동형태를 원호파괴와 경계부파괴 그리고 블록파괴로 나누고 그에따라 적용가능한 보강공법들을 기술하였지만, 실제로는 원호파괴, 블록파괴 모두 활동하려는 비탈면에 대해 보강재를 사용하여 안정성을 확보한다는 기본개념은 동일하다.
보강공법은 비탈면의 안전율을 높이는 방법으로 보강재를 비탈면에 많이 적용 할수록 비탈면의 안정에는 더욱 유리할 것 같지만, 오히려 과도한 천공에 의한 지반의 이완이나 암반의 균열을 초래하여 안정성을 오히려 악화시킬 수도 있다는 점을 간과해서는 안된다. 또한 비탈면의 안정성을 평가하는 가장 중요한 요소인 안전율(Fs)은 지반의 물성치에 따라 그 값 차이가 크므로, 지반특성에 비해 물성치가 과다하다 판단될 때에는 보수적인 보강설계가 이루어져야 할것이다.
참고문헌
- 토목기술자를 위한 암반역학(2004, 정형식)
- 사면공학(2007, 한국암반공학회)
- 흙의 전단강도와 사면안정(2007, J.MICHEL DUNCAN외)
- 현장실무를 위한 지반공학 (2006, 최인걸,박영목)
- 실무자를 위한 토질공학(2006, 김석열외)
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본 글은 [비탈면 안정 설계]의 총 20개의 시리즈 중 14번째 내용입니다.
✅ 1. 국내 비탈면 현황과 안정화 계획 순서
✅ 2. 절취가 완료된 비탈면의 붕괴 요인 및 안정성 검토 시 유의사항
✅ 3. 비탈면의 붕괴 요인 및 파괴 유형
✅ 4. 현장에서 발견할 수 있는 비탈면 붕괴의 징후들
✅ 5. 붕괴 발생 비탈면에 대한 자료수집과 조사내용
✅ 6. 붕괴가 발생한 비탈면에서 반드시 짚고 넘어가야 할 사 항들
✅ 7. 현장시험 및 실내시험의 합리적인 적용 방법
✅ 8. 붕괴지반의 특성에 따른 지반강도정수 추정 방법
✅ 9. 지하수의 영향과 비탈면 붕괴
✅ 10. 붕괴된 비탈면에 대한 안정화 계획
✅ 11. 붕괴된 비탈면의 지반강도추정을 위한 역해석의 방법
✅ 12. 토사 비탈면의 안정성 해석방법 - 한계평형해석법
✅ 13. 암반 비탈면의 안정성 해석방법 - 평사투영해석법, 한계평형해석법
14. 비탈면 활동형태별 보강공법의 선정 (현재 읽고 계신 글)
✅ 15. 비탈면의 활동력을 감소시키는 공법들
✅ 16. 비탈면의 저항력을 증가시키는 공법들 (1)
✅ 17. 비탈면의 저항력을 증가시키는 공법들 (2)
✅ 18. 보강공법이 적용된 비탈면 붕괴에 대한 안정화 대책
✅ 19. 법면 보호공법의 종류 및 비탈면 안정에 끼치는 영향
✅ 20. 비탈면의 중장기적인 안정화를 위한 비탈면 계측의 필요성
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💡연관된 글 → 비탈면 안정 해석과 SoilWorks를 활용한 안정성 검토