[논문]사면안정성 확보를 위한 지하수위 저하공법 적용사례 연구

한중근; 신주옥; 홍기권; 정순국; 이양규; 김병수

문제 정의

본 연구대상 사면은 그림 1과 같이 억지말뚝, 앵커 및 옹벽에 의해 사면이 보강되어 있음에도 불구하고 집중호우 기간에 사면붕괴가 발생하였다. 따라서 본 절에서는 파괴 발생 시 사면에 적용된 보강공법을 동일하게 반영하여 기존 보강사면의 안정해석을 수행하였으며, 그 결과를 토대로 사면파괴 원인도 고찰하였다. 사면안정해석 시 적용된 지반의 강도정수는 실내실험결과를 바탕으로 표 2에서 보는 바와 같이 적용하였으며, 사면의 억지말뚝의 효과를 고려할 수 있는 Slopile ver3.
따라서, 본 연구에서는 강우에 의한 지하수 효과를 검토하기 위해 지하수위 저하공법이 적용된 현장에 대하여 사면안정 해석을 수행하여 지하수위 저하공법이 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 본 연구현장은 사면안정을 위해 억지말뚝 및 앵커공법이 적용되었으나, 강우에 의해 지속적으로 지반변형과 사면붕괴가 발생된 현장으로 사면안정을 위한 가장 적합한 방법으로 지하수위 저하공법이 채택되어 시공된 곳을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 강우에 의해 붕괴가 발생한 보강사면의 대책공법으로서 지하수위 저하공법을 적용한 사례현장에 대하여 사면안정 해석을 수행하였다. 또한 결과 분석을 통하여 지하수위 저하공법이 사면안정에 미치는 영향을 고찰하였다.

제안 방법

연구대상 사면의 붕괴는 강우기간 동안 우수가 붕적토층으로 상당수 유입되어 지하수위가 상승함으로서 간극수압의 증가와 지반의 전단강도 감소가 주원인으로 분석되었으며, 이는 붕괴된 사면과 동일한 조건을 적용한 우기시의 사면안정해석 결과와 일치하는 것을 알 수 있었다. 그리고 보강사면의 안정성은 건기시에는 문제가 없는 것으로 확인되었기 때문에 우기시에 건기시와 유사한 지하수위를 유지하게 되면 사면의 활동은 발생하지 않을 것으로 판단되어, 이에 대한 지하수위 관리대책으로서 집수정을 이용한 지하수위 저하공법을 적용하였다. 적용된 공법의 우수처리능력을 고려한 사면안정해석 결과, 우기시 기준 안전율을 만족하지 못한 붕괴시 보강사면에 비해 매우 큰 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 강우에 의해 붕괴가 발생한 보강사면의 대책공법으로서 지하수위 저하공법을 적용한 사례현장에 대하여 사면안정 해석을 수행하였다. 또한 결과 분석을 통하여 지하수위 저하공법이 사면안정에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 절에서는 집수정을 이용한 지하수위 저하공법이 적용된 연구대상 사면에 대하여 지하수위의 저감효과가 고려된 사면안정 해석을 수행하였다. 지하수위 조건은 집수정의 우수처리능력을 반영하여 붕적층 지반의 최대깊이에서 지표로부터 약 18m를 고려하였으며, 지반조건은 보강사면 안정해석 조건과 동일하게 적용하였다.
따라서, 사면에서 지하수위 영향이 크게 작용할 것이 예상되며, 보강사면의 안정성은 건기시에는 문제가 없었기 때문에 우기시에 건기시와 유사한 지하수위를 유지하게 되면 사면의 활동은 발생하지 않을 것으로 판단되었다. 이를 위해 연구대상 사면의 중간부에 그림 4와 같이 집수정을 설치하고 집수정 주위에 방사형태로 배수공을 설치하여 유입되는 배수거리를 줄임으로서 집중강우 시에도 지하수위 상승을 억제할 수 있도록 하는 지하수위 저하공법을 적용하였다. 적용된 공법은 우기시 지하수 함양량을 전량처리할 수 있도록 설계하여 앞서 언급한 지하수위 관리대책 분석결과와 같이 지하수위를 건기시, 즉 지표로부터 약 18m로 유지할 수 있도록 적용하였다.
이를 위해 연구대상 사면의 중간부에 그림 4와 같이 집수정을 설치하고 집수정 주위에 방사형태로 배수공을 설치하여 유입되는 배수거리를 줄임으로서 집중강우 시에도 지하수위 상승을 억제할 수 있도록 하는 지하수위 저하공법을 적용하였다. 적용된 공법은 우기시 지하수 함양량을 전량처리할 수 있도록 설계하여 앞서 언급한 지하수위 관리대책 분석결과와 같이 지하수위를 건기시, 즉 지표로부터 약 18m로 유지할 수 있도록 적용하였다. 집수정을 이용한 지하수위 저하공법의 시공 모습은 그림 5에서 보는 바와 같다.
본 절에서는 집수정을 이용한 지하수위 저하공법이 적용된 연구대상 사면에 대하여 지하수위의 저감효과가 고려된 사면안정 해석을 수행하였다. 지하수위 조건은 집수정의 우수처리능력을 반영하여 붕적층 지반의 최대깊이에서 지표로부터 약 18m를 고려하였으며, 지반조건은 보강사면 안정해석 조건과 동일하게 적용하였다.

대상 데이터

본 연구대상 사면은 그림 1과 같이 억지말뚝, 앵커 및 옹벽에 의해 사면이 보강되어 있음에도 불구하고 집중호우 기간에 사면붕괴가 발생하였다. 따라서 본 절에서는 파괴 발생 시 사면에 적용된 보강공법을 동일하게 반영하여 기존 보강사면의 안정해석을 수행하였으며, 그 결과를 토대로 사면파괴 원인도 고찰하였다.
본 연구대상 현장은 도로 확장공사 구간으로서, 사면 절취 중 인장균열 및 지반의 변형이 우려되어 억지말뚝공과 앵커공를 병행 시공함으로서 사면의 안정을 유도하였다. 그러나 사면보강 완료 단계에서 강우기간 동안에 그림 1 및 그림 2에서 보는 바와 같이 사면에 인장균열이 진행되어 활동면 외각으로 파괴가 발생하였다.
따라서, 본 연구에서는 강우에 의한 지하수 효과를 검토하기 위해 지하수위 저하공법이 적용된 현장에 대하여 사면안정 해석을 수행하여 지하수위 저하공법이 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 본 연구현장은 사면안정을 위해 억지말뚝 및 앵커공법이 적용되었으나, 강우에 의해 지속적으로 지반변형과 사면붕괴가 발생된 현장으로 사면안정을 위한 가장 적합한 방법으로 지하수위 저하공법이 채택되어 시공된 곳을 대상으로 하였다.

성능/효과

보강사면의 안정해석 결과, 표 3에서 보는 바와 같이 건기시에는 기준안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 우기시에는 전체 활동파괴 및 부분 활동파괴의 가능성이 존재하는 것으로 확인되었다. 즉, 본 연구대상 현장에서 발생한 사면파괴는 3.
그리고 강우에 의한 원인으로서, 본 현장은 사면붕괴가 발생하기 전 약 1달 동안의 누적 강우량이 533mm를 기록하였다. 이와 같이 지속적인 강우로 인하여 불안정한 상태의 사면이 붕괴가 발생한 것으로서, 강우기간 동안 우수가 붕적토층으로 상당수 유입되어 지하수위 상승에 의한 간극수압의 증가와 지반의 전단강도 감소로 인하여 사면붕괴를 가속화 시킨 것으로 분석되었다.
따라서 본 연구에서 적용된 집수정을 이용한 지하수위 저하공법은 집중강우 시에도 지하수의 상승을 억제함으로 사면의 안정성 확보에 매우 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
2절에서 언급한 바와 같이 본 현장의 경우는 강우에 따른 지하수위 상승이 가장 큰 영향을 미친 것으로 판단되며 사면붕괴원인의 주위 지반환경조사 결과와 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 현장은 보강사면의 안정성 확보를 위하여 다른 일반적인 사면안정 대책공법들보다도 강우에 의한 지하수위 상승을 억제시킬 수 있는 대책공법이 적절할 것으로 판단되었다.
집수정을 이용한 지하수의 저하공법의 우수처리능력을 고려한 보강사면의 안정해석 결과, 표 6에서 보는 바와 같이 전체 및 부분 활동에 대한 안정성은 모두 기준 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 집수정 설치 전 우기시의 보강사면 안정해석결과가 기준 안전율을 만족하지 못한 것으로 미루어 볼 때, 이는 집수정이 지반내 침투하는 우수의 처리능력에 의해 사면의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한 지하수위 저하공법의 설계·시공사례가 많지 않지만, 집중강우에 따른 지하수위 변화가 큰 사면지반에 집수정에 의한 지하수의 조절공법으로서의 현장 적용성을 확인할 수 있었다.
따라서, 사면에서 지하수위 영향이 크게 작용할 것이 예상되며, 보강사면의 안정성은 건기시에는 문제가 없었기 때문에 우기시에 건기시와 유사한 지하수위를 유지하게 되면 사면의 활동은 발생하지 않을 것으로 판단되었다. 이를 위해 연구대상 사면의 중간부에 그림 4와 같이 집수정을 설치하고 집수정 주위에 방사형태로 배수공을 설치하여 유입되는 배수거리를 줄임으로서 집중강우 시에도 지하수위 상승을 억제할 수 있도록 하는 지하수위 저하공법을 적용하였다.
한편, 연구대상 지역의 지층은 퇴적암 지대로 사암, 셰일 및 석탄층으로 이루어져 있어 층리면과 지층 경계면의 절리가 발달하였다. 또한 중생대 지각운동으로 인한 심한 습곡과 단층 활동으로 인한 지층의 교란과 파쇄가 매우 발달되어 있음을 확인할 수 있었다.
또한 지하수위 저하공법의 설계·시공사례가 많지 않지만, 집중강우에 따른 지하수위 변화가 큰 사면지반에 집수정에 의한 지하수의 조절공법으로서의 현장 적용성을 확인할 수 있었다.
먼저, 지형 및 지질학적 원인으로서 본 현장은 3.1절에서 언급한 바와 같이 심한 습곡과 단층활동으로 인한 지층의 교란 및 파쇄가 매우 발달되어 있을 뿐만 아니라 지층 경계면에 절리가 발달되어 있음을 확인하였다. 이와 같은 불안정한 사면의 절개로 인하여 사면활동이 촉진되었을 것으로 판단되며, 이는 사면보강 후에도 지속적인 영향을 미친 것으로 확인되었다.
보강사면의 안정해석 결과, 표 3에서 보는 바와 같이 건기시에는 기준안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 우기시에는 전체 활동파괴 및 부분 활동파괴의 가능성이 존재하는 것으로 확인되었다.
연구대상 사면의 붕괴는 강우기간 동안 우수가 붕적토층으로 상당수 유입되어 지하수위가 상승함으로서 간극수압의 증가와 지반의 전단강도 감소가 주원인으로 분석되었으며, 이는 붕괴된 사면과 동일한 조건을 적용한 우기시의 사면안정해석 결과와 일치하는 것을 알 수 있었다. 그리고 보강사면의 안정성은 건기시에는 문제가 없는 것으로 확인되었기 때문에 우기시에 건기시와 유사한 지하수위를 유지하게 되면 사면의 활동은 발생하지 않을 것으로 판단되어, 이에 대한 지하수위 관리대책으로서 집수정을 이용한 지하수위 저하공법을 적용하였다.
연구대상 사면의 지하수위 계측결과를 이용하여 지하수위 관리대책을 분석한 결과, 표 4에서 보는 바와 같이 최저 지하수위는 건기시에 지표로부터 18.05m로 나타났으며, 최고지하수위는 우기시에 지표로부터 7m로 확인되었다. 즉, 건기시와 우기시의 지하수위 변화는 최대 약 11m의 차이를 보였다.
그리고 보강사면의 안정성은 건기시에는 문제가 없는 것으로 확인되었기 때문에 우기시에 건기시와 유사한 지하수위를 유지하게 되면 사면의 활동은 발생하지 않을 것으로 판단되어, 이에 대한 지하수위 관리대책으로서 집수정을 이용한 지하수위 저하공법을 적용하였다. 적용된 공법의 우수처리능력을 고려한 사면안정해석 결과, 우기시 기준 안전율을 만족하지 못한 붕괴시 보강사면에 비해 매우 큰 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
05m로 나타났으며, 최고지하수위는 우기시에 지표로부터 7m로 확인되었다. 즉, 건기시와 우기시의 지하수위 변화는 최대 약 11m의 차이를 보였다.
그러나 우기시에는 전체 활동파괴 및 부분 활동파괴의 가능성이 존재하는 것으로 확인되었다. 즉, 본 연구대상 현장에서 발생한 사면파괴는 3.2절에서 언급한 바와 같이 본 현장의 경우는 강우에 따른 지하수위 상승이 가장 큰 영향을 미친 것으로 판단되며 사면붕괴원인의 주위 지반환경조사 결과와 일치하는 것을 알 수 있다. 따라서 본 현장은 보강사면의 안정성 확보를 위하여 다른 일반적인 사면안정 대책공법들보다도 강우에 의한 지하수위 상승을 억제시킬 수 있는 대책공법이 적절할 것으로 판단되었다.
집수정을 이용한 지하수의 저하공법의 우수처리능력을 고려한 보강사면의 안정해석 결과, 표 6에서 보는 바와 같이 전체 및 부분 활동에 대한 안정성은 모두 기준 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 집수정 설치 전 우기시의 보강사면 안정해석결과가 기준 안전율을 만족하지 못한 것으로 미루어 볼 때, 이는 집수정이 지반내 침투하는 우수의 처리능력에 의해 사면의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지하수 배수공법 중 사면 내 지하수위 저하를 위해 가장 많이 적용되는 수평배수공법은?	지하수 배수공법 중 사면 내 지하수위 저하를 위해 가장 많이 적용되는 수평배수공법에는 주로 PVC 원형배수공과 다발관이 사용되고 있다. 원형배수공은 PVC 원형공간이 있어 천공심도 확인이 용이하고, 강우 시 지하수만 배수하여 배수기능이 양호(180° 유공관 기능)한 편이다.
	파괴 발생 시 사면에 적용된 보강공법을 동일하게 반영하여 기존 보강사면의 안정해석을 수행한 이유는?	본 연구대상 사면은 그림 1과 같이 억지말뚝, 앵커 및 옹벽에 의해 사면이 보강되어 있음에도 불구하고 집중호우 기간에 사면붕괴가 발생하였다. 따라서 본 절에서는 파괴 발생 시 사면에 적용된 보강공법을 동일하게 반영하여 기존 보강사면의 안정해석을 수행하였으며, 그 결과를 토대로 사면파괴 원인도 고찰하였다.
	각종 교통시설, 수리시설 등의 토목 구조물 및 아파트, 주택과 같은 건축 구조물의 시공이 산지에서도 많이 이루어지고 있는 이유는?	최근 급속한 산업화로 인해 각종 교통시설, 수리시설 등의 토목 구조물 및 아파트, 주택과 같은 건축 구조물의 시공이 산지에서도 많이 이루어지고 있다. 이에 따라 안정한 상태의 자연사면은 구조물의 시공으로 인해 불안정한 상태가 되면서 사면보강이 이루어짐에도 불구하고 종종 보강된 지반의 변형이 발생하는 경우가 있다.

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