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문제 정의
- 본 논문에서는 2003월 7월 충남에서 시공 완료 후 여름철 집중강우로 인해 발생한 보강토 옹벽의 붕괴사례를 다루었다. 옹벽의 붕괴 원인을 파악하기 위해 먼저 현장답사를 실시하였으며 뒤채움흙 및 보강재 시료를 채취하여 다양한 물리적, 역학적 시험을 실시하였다.
- 즉, 보강토 옹벽이 강우로 인해 발생했다는 점에 주목하여 붕괴시점 전후로 강우 이력을 조사하고 불포화 흐름을 고려한 침투해석을 실시하여 강우의 침투로 인한 보강토 구간 사면의 간극수압 분포를 결정한 후 이를 고려한 한계평형에 근거한 사면안정해석을 수행하여 붕괴유발인자(triggering 谜tor)를 분석하였다. 본 논문에서는 이러한 검토내용을 종합적으로 분석하여 당 옹벽의 설계 및 시공에서의 문제점 및 강우와 옹벽 붕괴의 개연성을 집중적으로 다루었다 이와 아울러 불포화토 흐름, 전단강도의 기본이론 및 간극수압이 고려된 사면안정해석의 중요성을 언급하였다.
- 부정류 침투해석은 붕괴 전후 당 지역에 발생한 강우와 옹벽 붕괴의 상관성을 분석하는데 필요한 시간에 따른 성토사면내 간극수압 분포를 결정하는데 주 목적을 두었다. 기상청 자료에 의하면 6월에는 약 150皿 7월에는 560mm의 강우가 내린 것으로 분석되었으며 따라서 SEEP/W에서 제공하는 기능을 활용하여 6, 7월 강우에 대한 부정류 침투해석을 수행하였다.
제안 방법
- 6, 7월 강우에 대한 부정류 침투해석에 앞서 강우 이전의 조건을 토대로 정상류 침투해석을 통해 이후 해석에 적용될 초기 간극수압을 구현 하였다. Blake 등(2003) 은 부정류 침투해석의 결과는 초기 조건에 많은 영향을 받으므로 초기 조건 설정의 중요성을 언급한 바 있다.
- 먼저 지오그리드에 대한 인장강도를 평가하기 위해 리브인장강도시험(GRLGG1 1988)을 수행한 결과 약 65kN/m의 극한 인장강도를 보유하는 것으로 나타났다. 뒤채움흙의 공학적 특성을 분석하기 위하여 기본적인 물성시험 및 전단강도 시험을 수행하였으며 그 결과가 표 1에 정리되어 있다. 뒤채움흙에 대한 체 분석결과 뒤채움흙의 #200 통과량은 36%이상으로 많은 세립분을 함유하고 있으며 통일분류법(USCS)상 상당한 소성특성을 가지는 점토질 모래(SC)로 분류되는 것으로 나타났다.
- 안정해석에 적용되는 전단강도 정수의 선정에 있어 뒤채움 흙의 점착력을 무시하도록 규정되어 있는 NCMA 및 FHWA 설계기준에 근거하여 점착력은 무시하고 내부마찰각 # =22。만을 고려하였다. 보강재의 장기설계인 장강도 평가에 필요한 각종 감소계수(reduction factor)는 보강재 제조회사에서 제공한 수치를 적용하였다.
- 본 논문에서는 공장부지 조성을 위한 진입도로 용지확보 차원에서 시공된 보강토 옹벽의 붕괴사례를 다루었다 옹벽의 붕괴는 시공완료 후 장마기간의 집중호우기간 동안 발생하였다 붕괴에 대한 원인규명을 위해 현장 조사 및 실내시험, 안정성 검토 강우 침투를 고려한 사면안정해석 등을 수행하였다. 연구 결과 당초 설계에 있어서 배면토 상부 성토구간에 대한 고려가 누락되었을 뿐만 아니라 성토재가 불량하고 소정의 다짐도를 확보하지 않아 전단강도 확보가 미흡했던 것으로 분석되었다.
- 본 연구에서는 강우의 침투가 고려된 사면안정해석은 상용프로그램인 Geo-Slope International社의 SEEP/W 와 SLOPE/W(GeoStudio 2004)를 연계해서 수행하였다. 즉, 유한요소해석법에 근거한 SEEP/W를 이용하여 불포화 흐름이 고려된 침투해석을 수행해 강우시간에 따른 보강토 및 인접 성토사면내의 간극수압 분포를 결정하고 이를 불포화토의 전단강도이론이 적용된 사면안정해석에 반영하여 시간에 따른 안전율 변화를 고찰하는 방법을 채택하였다.
- 이용하여 추정할 수 있다. 본 연구에서는 보강토 및 성토사면에 사용된 성토재의 입도분포곡선으로 부터 SWCC를 추정하고 이를 토대로 다시 투수계수곡선을 추정하는 방법을 채택하였다. 즉, SWCC는 Arya와 Paris(1981)가 제안한 방법을 토대로 입도 분포곡선으로부터 정한 후 이를 토대로 다시 Fredlund 등(1994)이 제안한 방법을 토대로 투수계수곡선을 추정하였다 그림 4는 해석에 적용된 뒤채움흙 및 성토재에 대한 SWCC와 투수계수곡선을 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 앞 절에서 제시된 부정류 침투해석 결과를 MMC 파괴 기준이 도입된 SLOPE/W에 접목시켜보다 현실적 인 사면안정해석을 수행하여 강우가 보강토성토 사면에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 표 3은 사면안정해석에 사용된 MMC 전단강도 정수를 보여주고 있다.
- 불포화토 전단강도 개념에 근거한 사면안정해석에 앞서 현재 실무에서 적용하는 포화 전단강도를 이용한 Mohr-Coulomb 파괴기준에 근거한 사면안정해석을 수행하여 옹벽의 사면활동 파괴에 대한 안전율(FSwQ을 검토하였다. 해석 결과 안전율은 FS即尸0.
- 붕괴된 보강토 옹벽의 설계도서를 수집하는데 어려움이 있어 현장조사 결과를 토대로 시공단면을 재구성 하였다. 그림 2는 재구성된 높이 7.
- 표 3은 사면안정해석에 사용된 MMC 전단강도 정수를 보여주고 있다. 여기서 보강토 및 성토구간에 있어 모관흡수력 증가로 인한 전단강도 증가 정도를 나타내는 明의 경우 불포화전단시험을 토대로 결정하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 유사 사례에 대한 문헌(Lu and Likos 2004)조사 결과를 토대로 明 = 15°를 부여하였다. 아울러 보강토 구간에 포설된 보강재는 SLOPWW에서 제공하는 'Geofabric Reinforcement5 모델링 개념을 이용하여 보강재의 인장강도와 인발 저항력을 도입하여 모델링 하였다.
- 옹벽의 붕괴 원인을 파악하기 위해 먼저 현장답사를 실시하였으며 뒤채움흙 및 보강재 시료를 채취하여 다양한 물리적, 역학적 시험을 실시하였다. 이와 아울러 옹벽의 당초설계 단면을 재구성하여 현재 적용되고 있는 NCMA(Collin 1997) 및 FHWA(Elias & Christopher 1997) 설계기준을 토대로 내.
- 이와 아울러 옹벽의 당초설계 단면을 재구성하여 현재 적용되고 있는 NCMA(Collin 1997) 및 FHWA(Elias & Christopher 1997) 설계기준을 토대로 내. 외적 안정성 검토를 수행하여 당초설계의 타당성을 검토하였다. 한편, 보강토 옹벽의 붕괴원인을 찾는데 있어 옹벽의 붕괴를 강우로 인한 장기 침투와 사면안정 측면에서 고찰하여 붕괴 유발인자를 분석하였다.
- 이러한 접근 방법으로부터 얻는 해는 하한흐H(lower bound solution)로서 매우 보수적 인 결과라고 할 수 있으며 이를 토대로 강우가 사면붕괴에 직접적인 영향을 미쳤는지에 대한 정량적인 검토를 수행하는데 있어 한계가 있다. 이러한 맥락에서 본 연구에서는 불포화토와 관련된 문제의 유효응력 해석시토체내의 부의 간극수압, 즉 모관흡수력을 전단강도 평가에 연계시키는 불포화 전단강도 개념을 적용하였다.
- 조사되었다. 이에 근거하여 뒤채움흙의 전단강도 및 투수 시험은 현장 다짐도로 다짐된 시편을 이용하여 시험을 실시하였다. 투수시험결과 포화 투수계수는 약 5.
- 한편, 보강토 옹벽의 붕괴원인을 찾는데 있어 옹벽의 붕괴를 강우로 인한 장기 침투와 사면안정 측면에서 고찰하여 붕괴 유발인자를 분석하였다. 즉, 보강토 옹벽이 강우로 인해 발생했다는 점에 주목하여 붕괴시점 전후로 강우 이력을 조사하고 불포화 흐름을 고려한 침투해석을 실시하여 강우의 침투로 인한 보강토 구간 사면의 간극수압 분포를 결정한 후 이를 고려한 한계평형에 근거한 사면안정해석을 수행하여 붕괴유발인자(triggering 谜tor)를 분석하였다. 본 논문에서는 이러한 검토내용을 종합적으로 분석하여 당 옹벽의 설계 및 시공에서의 문제점 및 강우와 옹벽 붕괴의 개연성을 집중적으로 다루었다 이와 아울러 불포화토 흐름, 전단강도의 기본이론 및 간극수압이 고려된 사면안정해석의 중요성을 언급하였다.
- 수행하였다. 즉, 유한요소해석법에 근거한 SEEP/W를 이용하여 불포화 흐름이 고려된 침투해석을 수행해 강우시간에 따른 보강토 및 인접 성토사면내의 간극수압 분포를 결정하고 이를 불포화토의 전단강도이론이 적용된 사면안정해석에 반영하여 시간에 따른 안전율 변화를 고찰하는 방법을 채택하였다.
- Blake 등(2003) 은 부정류 침투해석의 결과는 초기 조건에 많은 영향을 받으므로 초기 조건 설정의 중요성을 언급한 바 있다. 초기 간극수압 분포 구현은 현장토의 불포화 특성과 다짐도를 고려하여 수행하였으며 이때 보강토 및 성토 구간에 최대 40kPa 정도의 모관흡수력이 발생하는 것으로 간주하였다.
- 한편, 보강토 옹벽의 전면벽은 옹벽배면 흙과 동일한 물성치를 적용하였다. 침투해석에서 성토 옹벽 사면의 포화 투수계수는 시험결과에 근거하여 약 5xl0%m/s로 설정하였으며 풍화암/연암으로 이루어진 기초지반의 포화 투수계수는 IxlOecm/s를 적용하였다. 한편, 초기 지하수위는 현장조사 결과에 근거하여 옹벽 수로의 연평균 수위로 간주하였다.
- 한편, 보강토 옹벽의 구성요소의 공학적 특성을 평가하기 위해 뒤채움흙과 보강재를 현장에서 채취하여 다양한 시험을 수행하였다. 먼저 지오그리드에 대한 인장강도를 평가하기 위해 리브인장강도시험(GRLGG1 1988)을 수행한 결과 약 65kN/m의 극한 인장강도를 보유하는 것으로 나타났다.
- 외적 안정성 검토를 수행하여 당초설계의 타당성을 검토하였다. 한편, 보강토 옹벽의 붕괴원인을 찾는데 있어 옹벽의 붕괴를 강우로 인한 장기 침투와 사면안정 측면에서 고찰하여 붕괴 유발인자를 분석하였다. 즉, 보강토 옹벽이 강우로 인해 발생했다는 점에 주목하여 붕괴시점 전후로 강우 이력을 조사하고 불포화 흐름을 고려한 침투해석을 실시하여 강우의 침투로 인한 보강토 구간 사면의 간극수압 분포를 결정한 후 이를 고려한 한계평형에 근거한 사면안정해석을 수행하여 붕괴유발인자(triggering 谜tor)를 분석하였다.
- 경계조건의 설정에 있어서 ED와 FC 경계면에는 지하수위를 고려하여 일정 수두조건을 지정하였으며 하단 경계면에는 'No Flux, 의 경계조건을 설정하였다. 한편, 보강토 옹벽의 전면벽은 옹벽배면 흙과 동일한 물성치를 적용하였다. 침투해석에서 성토 옹벽 사면의 포화 투수계수는 시험결과에 근거하여 약 5xl0%m/s로 설정하였으며 풍화암/연암으로 이루어진 기초지반의 포화 투수계수는 IxlOecm/s를 적용하였다.
대상 데이터
- 있다. 해석 모델링에 있어 지반은 4절점 평면변형요소를 적용하였으며 총 2400 여개의 절점과 2200 여 개의 요소로 이산화 되었다. 경계조건의 설정에 있어서 ED와 FC 경계면에는 지하수위를 고려하여 일정 수두조건을 지정하였으며 하단 경계면에는 'No Flux, 의 경계조건을 설정하였다.
이론/모형
- 당초설계의 타당성을 검토하기 위해 재구성된 시공 단면에 대해 NCMA 및 FHWA 기준을 토대로 안정성 검토를 수행하였다. 안정성 검토에서는 NCMA 및 FHWA 기준에 근거한 설계해석 프로그램인 SRWall(Bathurst 2001) 및 MSEW(Leshchinsky 1999)를 사용하였다.
- 불포화토의 전단강도는 Fredlund 등(1978)이 제안한 수정 Mohr-Coulomb 파괴기준(이하 MMC 파괴기준으로 기술함), 식 (2)에 근거하여 평가할 수 있다.
- 여기서 보강토 및 성토구간에 있어 모관흡수력 증가로 인한 전단강도 증가 정도를 나타내는 明의 경우 불포화전단시험을 토대로 결정하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 유사 사례에 대한 문헌(Lu and Likos 2004)조사 결과를 토대로 明 = 15°를 부여하였다. 아울러 보강토 구간에 포설된 보강재는 SLOPWW에서 제공하는 'Geofabric Reinforcement5 모델링 개념을 이용하여 보강재의 인장강도와 인발 저항력을 도입하여 모델링 하였다.
- 수행하였다. 안정성 검토에서는 NCMA 및 FHWA 기준에 근거한 설계해석 프로그램인 SRWall(Bathurst 2001) 및 MSEW(Leshchinsky 1999)를 사용하였다. 안정해석에 적용되는 전단강도 정수의 선정에 있어 뒤채움 흙의 점착력을 무시하도록 규정되어 있는 NCMA 및 FHWA 설계기준에 근거하여 점착력은 무시하고 내부마찰각 # =22。만을 고려하였다.
- 옹벽의 붕괴 원인을 파악하기 위해 먼저 현장답사를 실시하였으며 뒤채움흙 및 보강재 시료를 채취하여 다양한 물리적, 역학적 시험을 실시하였다. 이와 아울러 옹벽의 당초설계 단면을 재구성하여 현재 적용되고 있는 NCMA(Collin 1997) 및 FHWA(Elias & Christopher 1997) 설계기준을 토대로 내. 외적 안정성 검토를 수행하여 당초설계의 타당성을 검토하였다.
성능/효과
- 뒤채움흙의 공학적 특성을 분석하기 위하여 기본적인 물성시험 및 전단강도 시험을 수행하였으며 그 결과가 표 1에 정리되어 있다. 뒤채움흙에 대한 체 분석결과 뒤채움흙의 #200 통과량은 36%이상으로 많은 세립분을 함유하고 있으며 통일분류법(USCS)상 상당한 소성특성을 가지는 점토질 모래(SC)로 분류되는 것으로 나타났다. 이는 NCMA 및 FHWA 설계기준에서 요구하는 뒤채움흙으로서의 기준에 부합되지 않는 결과로서 뒤채움흙의 부적절함 또한 옹벽 붕괴와 무관하지 않은 것으로 판단되었다.
- MMC 파괴 기준에 근거할 때 모관 흡수력이 증가할수록 흙의 전단강도는 증가하게 되며 이러한 모관흡수력에 의한 전단강도 증가를 겉보기 점착력이라고 정의한다. 따라서 강우 이전의 성토 혹은 자연사면은 대부분 불포화상태에 있으므로 모관흡수력에의한 전단강도 증가로 인해 안정한 상태에 있더라도 강우 시에는 강우강도와 지속시간에 따라 침투로 인한 모관흡수력 감소로 인해 전단강도가 감소하여 경우에 따라 안정성이 감소됨을 알 수 있다.
- 수행하였다. 먼저 지오그리드에 대한 인장강도를 평가하기 위해 리브인장강도시험(GRLGG1 1988)을 수행한 결과 약 65kN/m의 극한 인장강도를 보유하는 것으로 나타났다. 뒤채움흙의 공학적 특성을 분석하기 위하여 기본적인 물성시험 및 전단강도 시험을 수행하였으며 그 결과가 표 1에 정리되어 있다.
- 본 연구에서 수행한 현장조사 및 실내시험, 안정성 검토, 그리고 침투가 고려된 사면안정해석 결과를 종합적으로 검토한 결과 당 옹벽의 붕괴는 아래와 같은 다양한 원인이 복합적으로 작용했던 것으로 유추되었다.
- 부정류 침투해석을 종합할 때 당 구간에서의 6, 7월 강우는 강우강도가 크고 지속기간이 길었던 관계로 보강토 및 성토사면 구간의 모관흡수력을 감소시킴과 동시에 지하수위를 상승시키기에 충분했던 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 다음절에서 논의될 사면안정 관점에서 매우 중요한 의미를 갖는다고 하겠다.
- 등을 수행하였다. 연구 결과 당초 설계에 있어서 배면토 상부 성토구간에 대한 고려가 누락되었을 뿐만 아니라 성토재가 불량하고 소정의 다짐도를 확보하지 않아 전단강도 확보가 미흡했던 것으로 분석되었다. 한편, 당 옹벽이 성토 사면부에 인접하여 시공되는 관계로 사면안정해석 이 필수적이 었음에도 불구하고 이를 수행하지 않아 사면 불안정성을 사전에 파악하지 못했던 것으로 분석되었다 결국 집중강우는 단지 이러한 설계/시공상의 문제점을 표출시키는 역할을 하였던 것으로 판단된다.
- 5 정도로 나타났다. 이러한 결과를 종합할 때 당초 설계는 매우 부적절했던 것으로 나타났으며 이에 대한 원인으로는 성토사면을 무시한 것과 설계시 가정한 뒤채움흙의 전단 특성과 실제 사용한 뒤채움흙의 전단특성이 상이함에 따른 것으로 판단된다.
- 년 7월 말 경에 발생하였다. 장마기간 동안의 강수량 및 강우강도를 기상청 자료를 토대로 조사한 결과 6, 7월 두 달간 사고현장에 내린 강우량은 약 700mm, 최대 강우 강도는 39mni/hr 정도로 기록되었다. 이러한 강수량은 우리나라 평균강수량이 약 1200-1500mm 정도인 것을 감안할 때 평균을 웃도는 수치라고 할 수 있다.
- 이에 근거하여 뒤채움흙의 전단강도 및 투수 시험은 현장 다짐도로 다짐된 시편을 이용하여 시험을 실시하였다. 투수시험결과 포화 투수계수는 약 5.0xK尸cm/s로 나타났으며 500x500mm 대형직접전단시험 및 압밀비 배수(CU) 전단시험을 수행한 결과 포화 유효 전단 강도정수는 내부마찰각 ©'=22° 점착력 c'=13fcRi로 조사되었다.
- 0에 가까운 것으로 나타났는데 이는 앞서 언급한 바와 같이 보강토체 배면 상부 성토사면을 고려하지 않았기 때문으로 판단된다. 한편, 내적 안정성의 경우 NCMA 및 FHWA 설계기준에 따라 차이는 있으나 옹벽 중간 이하에 포설된 보강재들의 파단에 대한 안전율은 1.0이하로 평가되었으며 특히 최하단부 보강재의 파단 안전율은 0.5 정도로 나타났다. 이러한 결과를 종합할 때 당초 설계는 매우 부적절했던 것으로 나타났으며 이에 대한 원인으로는 성토사면을 무시한 것과 설계시 가정한 뒤채움흙의 전단 특성과 실제 사용한 뒤채움흙의 전단특성이 상이함에 따른 것으로 판단된다.
- 한편, 시공당시 현장 뒤채움흙의 전단강도 및 투수 특성을 파악하기 위해 현장 다짐시험을 수행하였는데 조사결과 다수의 자갈이 포함되어 있는 것으로 나타났으며 다짐도 역시 불량하여 85~90% 정도로 조사되었다. 이에 근거하여 뒤채움흙의 전단강도 및 투수 시험은 현장 다짐도로 다짐된 시편을 이용하여 시험을 실시하였다.
후속연구
- 94정도로 나타났다. 이러한 안전율은 지하수에 대한 영향을 전혀 고려하지 않은 결과로서 당초 설계시 사면안정해석을 수행하였다면 설계단면의 부적절함이 대두 되었을 것으로 판단된다. 이러한 결과는 성토사면을 포함하는 보강토 옹벽의 설계시 사면안정해석 수행의 중요성을 지적한다고 할 수 있다.
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