[논문]설계기준에 제시된 사면 표준경사에 대한 해석적 검증

이승현; 김병일

doi:10.5762/kais.2014.15.8.5342

초록
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설계기준에 제시되어 있는 사면 표준경사의 적용한계와 소단폭이 사면의 안정성에 미치는 영향을 살펴보고자 사면안정해석을 수행하고 그 결과를 비교분석해보았다. 해석에서 고려한 기본 성토단면 및 절토단면과 유사한 조건의 단면에 대해서는 설계기준에 제시된 표준경사를 적용하더라도 문제는 없을 것으로 보이며 지하수가 있는 상태에서는 지하수위를 고려한 별도의 사면안정해석을 수행되어야 할 것으로 판단된다. 소단을 두는 경우와 그와 동등한 해석단면적을 갖도록 경사를 완화한 경우에 대한 사면 안전율을 비교해 볼 때 소단을 두는 경우의 안전율이 경사를 완화한 경우보다 크게 계산되었으며 소단폭이 커질수록 안전율의 차이 또한 컸다. 해석에서 고려한 모든 단면에 대하여 기본 검토단면에 대한 사면안전율 증분값은 소단폭에 대체적으로 비례하는 결과를 보였는데 소단폭이 7m인 성토사면과 절토사면의 경우 안전율 증분값은 각각 34.5%와 48% 정도였다.

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Slope stability analyses were conducted to investigate the limitations of application of the standard inclination of slope and the effects of the berm width on the slope stability. The standard slope inclination could be applied to the basic slope sections that were considered for the analyses, wher...

Slope stability analyses were conducted to investigate the limitations of application of the standard inclination of slope and the effects of the berm width on the slope stability. The standard slope inclination could be applied to the basic slope sections that were considered for the analyses, whereas additional slope stability analysis should be performed for the case of considering ground water. A comparison of the factors of safety between the case of installing a berm and the case of letting the grading have an equivalent section area with the case of installing the berm, the factors of safety in the case of installing a berm were greater than those for the case of allowing grading, and the differences between the factors of safety increase with increasing berm width. For all the sections considered in the analyses, the increments of the safety factor were proportional to the width of the berm and those corresponding to the embankment slope and cut slope with a berm width of 7m were 34.5% and 48%, respectively.

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문제 정의

소단은 사면의 안정성을 높이고 비탈면에 흘러내리는 물의 유속을 늦추는 한편 우수의 집수면적을 줄여 침식이 심하게 되는 것을 사전에 방지하기 위하여 설치하도록 되어 있다. 본 연구에서는 국내에서 사면해석 및 설계시 많이 참조되고 있는 도로설계요령과 국토해양부제정 건설공사 비탈면 설계기준에 나타나 있는 표준경사를 적용한 사질토사면에 대하여 사면안정해석을 수행하여 표준경사의 적용한계를 확인하고자 하였다. 또한 높은 사면에 대하여 설치하도록 규정되어 있는 소단의 폭에 따른 안전율을 계산하고 그 결과를 비교해 봄으로써 소단이 사면 안전율을 얼마나 증가시키는지를 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 국내에서 사면해석 및 설계시 많이 참조되고 있는 도로설계요령과 국토해양부제정 건설공사 비탈면 설계기준에 나타나 있는 표준경사를 적용한 사질토사면에 대하여 사면안정해석을 수행하여 표준경사의 적용한계를 확인하고자 하였다. 또한 높은 사면에 대하여 설치하도록 규정되어 있는 소단의 폭에 따른 안전율을 계산하고 그 결과를 비교해 봄으로써 소단이 사면 안전율을 얼마나 증가시키는지를 알아보고자 하였다.
소단폭이 사면의 안전율에 미치는 영향을 알아보기 위해 먼저 성토사면과 절토사면에 대한 기본 검토단면을 결정하고자 하였다. 건설공사비탈면설계기준(2011)에서는 성토높이가 5∼10m 인 경우 표준경사를 흙의 종류에 따라 1:1.
본 연구는 도로설계요령과 건설공사 비탈면 설계기준에 제시되어 있는 표준경사의 적용한계와 소단폭이 사면의 안정성에 미치는 영향을 살펴보고자 사질토로 가정한 검토단면에 대해 사면안정해석을 수행하였는데 해석결과 유도된 결론은 다음과 같다.

제안 방법

성토사면 해석을 위한 기본 검토단면을 구성하는 흙의 물성은 도로설계요령을 참고하여 결정하였는데 사질토로 가정하여 단위중량, 내부마찰각 그리고 점착력을 각각 19kN/m3, 25° 그리고 15kN/m2로 보았으며 균질한 지반으로 고려하였다.
절토사면 해석을 위해 고려한 기본 검토단면을 구성하는 흙의 물성과 관련해서는 건설공사 비탈면 설계기준 및 도로설계요령에 따르면 자연상태 사질토의 경우 밀실한 정도에 따라 단위중량은 17∼19kN/m3이고 점착력은 0∼30kN/m2이며 내부마찰각은 25°∼30°인데 본 해석에서는 단위중량과 점착력 그리고 내부마찰각을 18kN/m3와 15kN/m2 그리고 27.5°로 보았으며 균질한 지반으로 고려하였다.
5를 취하도록 하고 있다. 본 해석에서는 절토사면을 구성하는 흙을 사질토로 보고 기본 검토단면의 사면높이를 10m로 하였고 사면경사는 1:1.2로 하였다. 절토사면 해석을 위해 고려한 기본 검토단면을 구성하는 흙의 물성과 관련해서는 건설공사 비탈면 설계기준 및 도로설계요령에 따르면 자연상태 사질토의 경우 밀실한 정도에 따라 단위중량은 17∼19kN/m³이고 점착력은 0∼30kN/m^{사면높이가 10m 이상인 절토사면에서는 사면 유지관리를 위한 점검, 배수시설의 설치공간으로 활용하기 위하여 원칙적으로 소단을 설치하도록 하고 있다. 본 연구에서는 사면해석시 성토 및 절토에 대해 고려한 기본 검토단면에 대하여 5m 높이에 소단(berm)을 설치하는 것으로 하였고 소단폭은 1m에서부터 7m까지 1m씩 증가된 7개의 값들을 고려하였다. 또한 소단을 두는 경우와의 비교를 위해 경사를 완화(grading)한 경우도 고려하였는데 성토 및 절토사면해석에서 고려한 해석단면은 각각 Fig.}

대상 데이터

8로 규정하고 있다[9,10]. 이를 참고하여 성토사면에 대하여 해석시 고려할 기본 검토단면의 사면높이는 10m로 하였고 사면경사는 1:1.8로 하였다. 성토사면 해석을 위한 기본 검토단면을 구성하는 흙의 물성은 도로설계요령을 참고하여 결정하였는데 사질토로 가정하여 단위중량, 내부마찰각 그리고 점착력을 각각 19kN/m³, 25° 그리고 15kN/m^{데이터처리

수립된 해석계획에 따라 사면해석을 수행하였는데 해석에 사용된 프로그램은 상용프로그램인 SLOPE/W 이다[11]. 사면해석을 통해 결정되는 안전율 계산방법은 Bishop 간편법을 적용하도록 하였다.}

이론/모형

수립된 해석계획에 따라 사면해석을 수행하였는데 해석에 사용된 프로그램은 상용프로그램인 SLOPE/W 이다[11]. 사면해석을 통해 결정되는 안전율 계산방법은 Bishop 간편법을 적용하도록 하였다. Fig.

성능/효과

건조상태에 있는 기본 성토단면에 대해 계산된 안전율과 소단설치사면 및 경사완화사면에 대한 안전율 모두 건조상태일 때의 기준안전율인 1.5보다 큼을 알 수 있다. 이로부터 본 해석에서 고려한 조건에 대해서는 설계기준에 따른 사면경사를 적용하더라도 문제가 없을 것으로 판단된다.
소단폭이 7m인 경우 소단을 두는 경우와 경사를 완화한 경우의 사면안전율 증가량은 기본 검토단면의 경우에 비해 각각 35%와 22% 증가했음을 알 수 있다. 또한 소단폭이 증가함에 따라 소단을 두는 경우의 안전율과 경사를 완화한 경우의 안전율 사이의 차이도 커짐을 알 수 있다. 지하수가 존재하는 경우 사면안전율의 변화양상을 살펴보기 위해 Fig.
7을 통해 알 수 있듯이 절토사면에 대한 해석결과 또한 성토사면에 대한 해석결과와 유사한 결과를 보여준다. 즉, 건조 절토사면의 안전율 증분값은 소단폭에 따라 거의 선형적으로 증가하는데 소단폭이 7m인 경우 안전율 증분값은 소단을 설치한 경우와 경사를 완화한 경우 각각에 대하여 46%와 29% 증가함을 알 수 있다. 지하수가 지표면에 위치하는 경우의 기본 절토사면에 대하여 구한 안전율은 0.
1) 해석에서 고려한 건조상태의 기본 성토단면 및 기본 절토단면과 유사한 조건의 단면에 대해서는 설계기준에 제시된 표준경사를 적용하더라도 문제는 없을 것으로 보인다.
2) 지하수가 있는 상태에서는 기본 성토단면과 기본 절토단면의 해석결과 얻어진 안전율이 기준 안전율인 1.3보다 작아 표준경사만 고려함은 충분치 않으며 지하수위를 고려한 별도의 사면안정해석을 수행되어야 할 것으로 판단된다.
3) 전체 높이 10m인 균질사면에 대하여 5m 높이에 소단을 두는 경우와 그와 동등한 토량을 갖도록 경사를 완화한 경우에 대하여 소단폭에 따른 사면 안전율을 비교해 볼 때 본 연구에서 고려한 모든 경우에 대하여 소단을 두는 경우의 안전율이 경사를 완화한 경우보다 크게 계산되었는데 소단폭이 커질수록 안전율 차이 또한 크게 나타났다.
4) 전체 높이 10m인 균질사면에 대하여 5m 높이에 소단을 두는 경우 기본 검토단면에 대한 사면안전율 증분값은 소단폭에 대체적으로 비례하는 결과를 보였는데 소단폭이 7m인 경우 건조상태일 때의 성토사면과 절토사면에 대한 안전율 증분값은 각각 35%와 46%였으며 지하수위가 지표면에 존재하는 경우의 성토사면과 절토사면에 대한 안전율 증분값은 각각 34%와 50%였다.

후속연구

5보다 큼을 알 수 있다. 따라서 본 해석에서 고려한 조건에 대해 설계기준에 나타나 있는 표준경사를 적용하여도 건조 절토사면의 안정성은 대체적으로 확보될 것으로 판단된다. Fig.
지하수가 있는 경우의 기본 절토단면에 대한 안전율과 Table 5에 나타나 있는 안전율을 통해 볼 때 지하수가 있는 절토사면의 경우 본 연구에 언급된 설계기준에 의한 표준경사를 적용하는 데는 무리가 따르며 지하수위를 고려한 해석이 별도로 수행되어야 할 것으로 판단된다. Fig.
5) 본 연구는 한정된 사면의 제원과 흙의 물성을 바탕으로 수행되었으나 연구를 통해 얻은 결과는 설계시 표준경사를 적용함에 있어 그 적용한계를 가늠할 수 있는 자료로 의미가 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사면안정해석 방법 중 한계평형해석법이란 무엇인가?	사면안정해석 방법을 대별하면 한계평형해석법(Limit equilibrium analysis)과 수치해석법(Numerical analysis)으로 나눌 수 있다. 한계평형해석법은 수치해석법에서 가능한 지반변형문제를 다룰 수 없는 단점이 있으나 해석방법이 비교적 간단하고 과거부터 현재까지 적용사례가 많아 신뢰성이 확보된 방법이라 할 수 있다. 한계평형해석법 중에서도 활동토체를 다수의 절편으로 나누어 해석을 수행하는 절편법(Method of slice)이 가장 많이 이용되고 있으며 절편법의 장점으로는 복잡한 사면형상을 고려할 수 있고 다양한 지반조건을 고려할 수 있으며 사면 경계에 작용하는 외적하중(external boundary load)를 고려할 수 있다는데 있다.
	안전율 증가법 중에서 안정성을 담보하는 가장 확실한 공법은 무엇인가?	사면안정공법은 크게 안전율 유지법과 안전율 증가법으로 나눌 수 있는데 안전율 유지법에는 배수공, 블록공, 식생공 그리고 표층안정공 등이 있으며 안전율 증가법에는 절토공, 압성토공, 억지말뚝공, 앵커공, 옹벽공 그리고 고압분사주입공 등이 있다. 안전율 증가법 중에서 안정성을 담보하는 가장 확실한 공법은 특별한 지반조건을 제외하고는 경사완화법이라 할 수 있다. 여기서 특별한 지반조건이란 황토(loess)로 구성된 완만한 사면의 경우 강수에 노출되는 면적이 커서 흙입자 사이의 결합력이 강수에 의해 저하되어 사면안정에 불리하게 되는 조건을 말한다[1].
	사면안정공법이란 무엇인가?	사면안정공법은 크게 안전율 유지법과 안전율 증가법으로 나눌 수 있는데 안전율 유지법에는 배수공, 블록공, 식생공 그리고 표층안정공 등이 있으며 안전율 증가법에는 절토공, 압성토공, 억지말뚝공, 앵커공, 옹벽공 그리고 고압분사주입공 등이 있다. 안전율 증가법 중에서 안정성을 담보하는 가장 확실한 공법은 특별한 지반조건을 제외하고는 경사완화법이라 할 수 있다.

참고문헌 (11)

Lee W. A., Thomas S. L., Sunil Sharma, Glenn M. B. (2002) Slope stability and stabilization methods, John Wiley & Sons, Inc., pp. 38.
Whitman, R. V. and Bailey, W. A. (1967) "Use of computers for slope stability analysis", ASCE Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, 93 (SM4).
Duncan, J. M. and Wright, S. G. (1980) "The accuracy of equilibrium methods of slope stability analysis", Proceedings of the International Symposium on Landslides, New Delhi, Vol. 1, pp. 247-254. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0013-7952(80)90003-4
Spencer, E. (1967) "A method of analysis of the stability of embankment assuming parallel inter-slice forces", Geotechnique, Vol. 17, pp. 11-26. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/geot.1967.17.1.11

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Morgenstern, N. R., and V. E. Price (1965) "The analysis of the stability of general slip surfaces", Geotechnique, Vol. 15, No. 1, pp. 77-93. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/geot.1965.15.1.79

상세보기
Sarma, S. K. (1973) "Stability analysis of embankments and slopes", Geotechnique, Vol. 23, No. 3, pp. 423-433. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/geot.1973.23.3.423

상세보기
Fellenius, W. (1936) "Calculation of stability of earth dams", Transactions, 2nd Congress Large Dams, Vol. 4, 445pp. Washington, D.C.
Bishop, A. W. (1995) "The use of the slip circle in the stability analysis of slopes" Geotechnique, Vol. 10, No. 1, pp. 129-150. DOI: http://dx.doi.org/10.1680/geot.1955.5.1.7
Korea Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2011) Design Criteria of Slopes for Construction
Korea Expressway Corporation (2001) Road Design Method
GEO-SLOPE (2002) SLOPE/W Manual, GEO-SLOPE International, Canada

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