1. 서 론

대절토 사면의 보강공법 설계 시 고려되는 지반정수와 실제 현장에서 취득하는 여건이 상이한 한계를 극복하기 위해서는 시공 중 발생하는 절토사면 보강공법의 안정성을 판단하고 사면파괴 징후를 사전 인지하여 긴급 대응하는 것이 매우 중요하다. 또한, 정확한 원인분석을 통한 설계공법을 신속하게 변경하여 절토사면 안정성 향상을 위해 대응한다면 절토사면 보강옹벽 시공 시 사면 안정성 확보 및 현장에 맞는 최적의 공법선정이 가능할 것으로 기대된다.

본 연구에서 지정한 연구대상지의 경우 대절토부 사면으로 총 5단계의 패널식 옹벽 시공이 예정중이나, 현재 2단계 시공완료 시점에서 옹벽 상부의 균열, 옹벽전면의 침하 및 우수 유출등이 확인되었다. 이는 현재 시공중인 연구대상지의 하부지반의 붕적토로 이루어 진 것을 명확이 반영하지 않고, 경제성 위주의 시공관리만 치우져여 있는 것으로 판단되어, 기존 안정성검토의 재 검토를 통하여, 해당 연구대상지역의 시설물의 문제점을 확인하고, 안정적이고 경제적인 유지관리를 위한 보강공법 제시 등과 같은 해결방안을 제안하고자 하였다.

비탈면의 붕괴는 강우에 밀접한 연관이 있으며, 비탈면 붕괴와 강우의 상관성에 대한 연구도 일부 수행되었다. Lim(2010)은 비탈면 붕괴시 강우가 지하수위까지 도달하는 시간과의 관계 분석을 통해 당일 강우량 및 7일 누적강우량보다 3일 누적강우량에 영향을 많이 받는 것으로 파악하였다. Han(2011) 등은 보강된 비탈면에서 발생되는 비탈면 파괴 역시 강우가 주원인이며, 집중강우에 따른 비탈면 파괴 발생 영향을 분석하였으며, Mun et al.(2012) 등은 진주인근지역에 대한 비탈면에 대하여 강우와의 상관성을 분석하였다.

Lee et al.(2017) 등은 비탈면의 파괴시간을 강우조건 변화에 따라 분석하여 강우강도가 비탈면 파괴에 미치는 밀접한 관계에 대한 연구를 수행하였다. Kim et al.(2017)은 고속도로 비탈면 붕괴 사례 연구를 통해 집중호우에 의한 풍화의 원인으로 당일강우량과 7일 누적강우량보다 3일 누적 강우량에 의한 영향이 크다고 연구하였다. 또한 Kim(2017)은 고속도로 비탈면 붕괴에 일 강우량이 가장 많은 영향을 주는 것을 밝히고 비탈 면 활동과 낙석을 제어하기 위해 복합적인 보수보강 공법이 적용된 것을 확인한 바 있다.

Park(2018)은 프리캐스트 조인트 방법이 적용된 부벽식 옹벽의 구조적 안전성을 수치해석적 방법으로 분석하기 위하여 옹벽 높이를 해석 변수로 설정하고 옹벽높이 7.6m, 8.5m, 10m에 대하여 배면 토압이 발생하는 설계하중에 대하여 옹벽의 구조적 안전성에 대하여 분석하였다. 그 결과로 옹벽 콘크리트에 발생되는 최대 주응력은 23.3∼43.2MPa 크기의 응력이 앵커의 정착주변에서 국부적으로 발생한다는 것을 밝혔다. Han et al.(2017)은 모형시험을 통한 정착길이별 앵커의 인발저항력 평가를 통하여 정착길이에 따른 극한 인발력의 변화 추이를 정량적으로 비교 검증하였다.

이와 같이 많은 연구자들이 패널식 옹벽의 안전성, 시공성 등을 개선시키기 위하여 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서는 패널식 옹벽의 시공시 현장여건 고려에 대한 문제점을 파악하고 시공단계 중 발생할 수 있는 문제점을 보완하고자 기존 안정성 검토결과를 새롭게 재검증하고자 하였다.

2. 사례현장에 적용된 절토부옹벽 공법 개요

2.1 패널식 옹벽

네일 또는 앵커 이용하여 원지반 및 전면 PC panel 뒤채움부 공간의 강도 증대시켜 보강재와 PC Panel이 지반과의 밀착 이루어 옹벽을 설치한다. 본 연구대상지의 경우 Top Down 시공방식이며 현장조립설치로 공기 빠르고 지반 일체화에 따른 구조안정성 및 보강재에 의한 지반보강효과 증대된다. Fig. 1은 연구대상지에 시공계획된 패널식 옹벽의 단면도를 나타낸 것이다.

Fig. 1.

Cross-Sectional view of Panel-type Retaining wall

3. 지반조사 및 설계단면검토

3.1 개요

본 연구 대상지역은 전라남도 여수시 ○○동 인근의 대절토부 옹벽 시공현장으로 총 5단계의 패널식 옹벽 시공이 예정중이며, 현재 2단계 시공 완료 후 3단계 시공이 예정중이다. 3단옹벽 시공중 2단옹벽 벽체에서 누수 및 상부 인장균일이 발생하여 그에 다른 원인을 분석하고자 하였다. 본 연구에서는 옹벽피해의 원인중 하나로 붕적토층 분포에 따른 영향을 관점으로 보고 있다.

Fig. 2(a)는 옹벽 전면부의 불투수성 지반을 나타낸 것이고, Fig. 2(b)는 옹벽 상단 붕적토층을 나타낸 것이다.

Fig. 2.

Causes of damage caused by a colluvial soil

3.2 지층조건 및 설계지반정수

Fig. 3(a)는 연구대상지역의 지반조사 위치도를 나타낸 것이고 Fig. 3(b)~(d)는 시공 전 현장 전경을 나타낸 것이다.

Fig. 4와 Table 1은 지반조사 위치와 지반의 심도에 따른 지층분포를 나타낸 것이다. 전체적으로 붕적층이 분포하고 있으며, 옹벽이 시공되는 상부 1, 2단 위치에는 10.0~15.0m의 붕적층이 분포하고 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3.

Ground investigation location map and site view

Fig. 4.

The tendency of stratospheric distribution

3.3 입력물성값 및 설계단면 검토

Table 2는 절토사면부 안정성 검토에 사용된 설게지반 정수를 나타낸 것이다. 입력 물성값은 실내실험과 경험식을 통해 도출하였으며, 각 지층 심도별 지반물성값을 적용하여 사용하였다. 당초 지반의 사면안정성 검토는 지반해석프로그램인 Tarlen을 적용하여 해석을 수행하였으며, 각 단면별 우기시 및 지지신에 대한 안정성 검토를 수행하였다.

4. 현장시공 및 안정성 검토 결과

4.1 옹벽 1, 2단 시공 후 현장현황

Fig. 5는 본 연구대상지역의 사면안정성 검토 결과를 나타낸 것이다. 기존 실시설계 및 옹벽 1, 2단 시공에서 옹벽시공시 사면의 안정성검토는 모두 기준안전율을 상회하는 것으로 확인되었다. 하지만 1, 2단 옹벽 시공 이후, 검토단면 3구간의 옹벽 상단에서 우수 유출 및 옹벽 전면의 침하가 확인되었으며, Fig. 6과 같이 옹벽 전면부에서 우수 유출로 인한 습윤상태가 확인되었다. 이에 본 연구에서는 기존 우기시 안정성 검토에서 반영된 지하수위선을 옹벽 및 사면의 최상부까지 위치시켜 안정성검토를 재수행하여, 그에 따른 지반의 거동을 확인하고자 하였다. Table 3은 각 단면별 우기시와 지진시의 사면안정성 검토 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 5.

Slope stability analysis results for each section during wet condition and seismic condition

Fig. 6.

Condition of Damage after retaining wall construction

4.2 지하수위 상승에 따른 안정성 검토 결과

기존 실시설계 단계에서는 Fig. 7(a)와 같이 Tarlen을 이용한 단면 검토를 수행하였으며, 기준안전율을 상회하는 결과(Fs=1.31)를 확인하였다. 하지만 시공 후 해당구간에서의 우수 유출 및 침하 등과 같은 문제가 발생하였으며, 이에 대한 재검토를 수행하고자 하였다. Fig. 7(b)는 Geostudio사의 Slope-W를 이용한 기존 설계단면의 검토를 수행한 것이고, 동일한 안전율이 도출되는 것을 확인하였다.

Fig. 7.

Stability assessment results according to review criteria

이후, Slope-W를 통하여 지하수위 조건을 지표면까지 상승시켜 안전율을 재검토 하였으며, 그 결과 Fig. 7(c)와 같이 기준안전율(Fs=1.3)을 만족하지 못하는 1.12로 확인되었다.

Table 4는 기존 설계와 재검토 및 지하수위 상승에 따른 옹벽의 안정성 검토 결과를 표로 나타낸 것이다. 기존 설계의 지하수위 조건에 따른 비탈면 옹벽의 안정설결과는 기준안전율을 확보는 경향을 보였으나, 지하수위를 지표면까지 상승시켜 해석검토를 수행한 결과, 기준안전율을 확보하는 못하는 것으로 확인되었다.

본 연구대상지역에 설치된 절토부 옹벽구간의 비탈면 지층조건은 매립층(자갈섞인 실트질 모래) 및 붕적층(전석 및 모래섞인 점토)로 구성되어 있으며, 풍화정도는 심한 풍화가 완료된 잔류토의 형태를 보인다. 점토성분을 함량이 높은 지층인 것으로 확인되므로, 지하수위 조건을 보수적으로 적용하여 검토를 수행해야 할것으로 판단된다.

따라서, 기초 전면부 지반의 붕적층 분포심도가 깊고, 지하수 유출로 인한 시공 및 완공 후에 지속적으로 지반이 연약화 될 가능성이 높은 상태이므로, 기초하부의 붕적토층의 보강하기 위해 소형 시공장 비를 이용한 마이크로파일을 적용하여 지반의 강성을 향상시킬 수 있고 작업자의 안전과 옹벽 자체의 안정성 향상에 도움을 줄 수 있는 공법 적용이 필요할 것으로 사료된다. 추가적으로 배면부 지하수로 인하여 우기시 옹벽에 전이되는 수압의 상승, 표면수에 의한 침식, 흙의 포화로 인한 활동 토층의 단위중량 증가를 경감시킬 수 있는 수평배수공을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

또한 본 연구대상지역의 경우, 불투수층지반 위에 붕적층이 분포하고 있기 때문에 지하수 및 지하수위에 의한 영향이 옹벽 전면부 우수유출로 나타난 것으로 사료된다. 이에 대한 부분은 지중경사계 빛 지하수위계 등의 계측기 매설과, 해당지역에 대한 강우량을 비교 분석하여 재검토해야할 것으로 사료된다.

5. 결 론

본 연구에서는 현재 시공중인 연구대상지의 옹벽에 대하여 발생된 문제점을 보완하고자 기존 안정성 검토 결과를 재검증하여 공학적인 문제점에 대한 해결방안을 제시하고자 하였다. 총 5단계의 옹벽 시공단계 중 2단계 시공완료 시점에서 옹벽 전면 및 상부에서 우수 유출, 균열 및 침하가 발생 되었으며, 이에 따른 문제점 분석과 해결방안을 제안하였다.

본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

1.시공 전 옹벽의 안정성 검토 수행결과, 절토부 1∼4구간에서 모두 건기시, 우기시, 지진시 안전율이 기준안전율을 상회하는 것으로 확인되었다. 하지만, 시공 1, 2단계 옹벽 시공 완료후, 발생된 옹벽 상부의 균열 및 침하와 옹벽 전면의 우수 유출에 대한 문제점이 확인되었다. 기존 설계단계에서의 절토 3구간의 안전율은 1.31로 기준안전율 1.3을 상회하는 결과를 보였으나, 이는 붕적층에 대한 명확한 검토가 이루어지지 않은 것으로 판단된어 지하수위 조건을 보수적으로 반영하여옹벽 최상부에 지하수위선을 위치시켜 사면에 대한 안정성검토를 수행하였다. 그 결과, 검토안전율이 1.12로 기준안전율을 상회하지 못한 것으로 확인되었다.

2.해당 연구대상지역의 경우, 불투수층지반 위에 붕적층이 분포하고 있기 때문에 지하수 및 지하수위에 의한 영향이 옹벽 전면부 우수유출로 나타난 것으로 확인되며, 이는 붕적층 지반에 대한 구조물 시공시 지하수위 조건에 대한 영향을 명확히 고려해야 한다는 것을 말하며, 시공이 완료되더라도 차수 및 기초에 대한 보강방안을 제시하여야 한다.

3.붕적토층는 입자가 매우 큰 흙으로서 투수성이 크며 물과 접하면 쉽게 붕괴되는 특성상 강우에 의한 침투가 용이하고, 흙의 전단강도를 쉽게 잃어버리는 특성을 가지고 있어, 붕적층 기초에 대한 보강 및 초기 지하수위를 감소시킬수 있는 공법이 필요하다. 이에 기존 1, 2단 시공된 옹벽은 그라우팅을 이용한 마이크로 파일을 적용하고, 시공예정 중인 3, 4, 5단 옹벽의 경우 수평배수공을 설치하여 지하수 배제를 통한 안전율 확보가 시급한 것으로 판된된다.