[논문]암반 비탈면의 인장균열 위치 선정에 관한 사례 연구

전병곤; 김지성; 강기천

doi:10.7843/kgs.2021.37.3.5

암반 비탈면의 인장균열 위치 선정에 관한 사례 연구
Case Study on Location of Possible Tension Crack in Rock Slope 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.37 no.3, 2021년, pp.5 - 17

전병곤 ((주)태림기술) , 김지성 (전주비전대학교 지적토목학과) , 강기천 (경상국립대학교 공과대학 토목공학과)

초록
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본 연구는 도로건설공사 중 발생한 암반 비탈면의 인장균열 발생원인 및 대책 방안을 소개하고자 한다. 확장 가능한 인장균열 범위를 조사하기 위하여 전기비저항 탐사를 수행하여 암반의 연약대 분포 여부를 조사한 결과, 인장균열이 발생한 부체도로 하단에 저비저항대가 나타나며 굴착 비탈면 상단 부근에 저비저항대가 분포하는 것으로 확인되었다. 따라서 발생 가능한 인장균열 위치를 굴착 비탈면 상단으로 결정하여 보강 설계를 수행하였고, 보강방안으로 앵커와 억지말뚝 2열이 제안되었고 비탈면 안정해석을 통하여 보강 이후 허용안전율을 만족하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to investigate the causes and countermeasures for the occurrence of tension cracks in the slope of the rock mass of heavy equipment for road construction. Electric resistivity survey was performed to investigate the expandable tensile crack range. As a result of examining the distribution of soft zones in the rock mass, a low specific resistance zone was found at the bottom of the access road where tensile cracks occurred. It was confirmed that a low resistivity zone was distributed near the top of the excavation slope. Therefore, reinforcements was performed by determining the location of the possible tensile crack as the top of the excavation slope. Two rows of reinforced piles and anchors were proposed as a reinforcement method, and the slope stability analysis showed that the allowable safety factor was satisfied after reinforcements.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Geological map of the Gyeongsang Basin with location of study area: A. Cretaceous sinistral strike-slip fault systems in the East Asian continental margin. B. The Gyeongsang Basin divided into three subbasins by WNW-trending growth faults. C. Regional geological map (Lee et al., 2019)
그림 Fig. 2. Descriptions of the studied slope with locations of tension cracks
그림 Fig. 3. Results of site survey
그림 Fig. 4. Estimated section of plane failure along bedding plane with locations of tension cracks
그림 Fig. 5. Results of inverse analysis
표 Table 1. Evaluated shear strengths on bedding planes
그림 Fig. 6. Case of slope failure nearby area
그림 Fig. 7. Geometries of plane slope failure: (a) tension crack in the upper slope; (b) tension crack in the face (Duncan and Christoper, 2005)
그림 Fig. 8. Locations of possible tension cracks
그림 Fig. 9. Safety factors along positions of possible tension cracks
그림 Fig. 10. Results and layout of resistivity survey
그림 Fig. 11. Section results of resistivity survey
그림 Fig. 12. Reinforced section with location of possible tension crack
그림 Fig. 13. Diagram for development of reinforcement
그림 Fig. 14. Analysis results by Soilworks
그림 Fig. 15. Cross-sectional plan for numerical analysis
표 Table 2. Results of limit equilibrium analysis
표 Table 3. Design soil parameters for numerical analysis
표 Table 4. Design parameters of reinforced materials
그림 Fig. 16. Analysis results by MIDAS GTS
표 Table 5. Results of numerical analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 비탈면의 경우 깎기 비탈면의 규모가 크고 인장균열이 발생한 현재 위치에서 상부 면으로 확대 가능한 위치에 따라 보강 공사비 및 안정성에 큰 영향을 끼치게 된다. 따라서 보다 더 세밀한 조사가 요구되어 전기비저항 탐사를 통해 인장균열이 추가로 발생할 수 있는 취약 구간을 검토하였다. Fig.
본 연구에서는 시공 중 평면파괴가 발생한 깎기 비탈면에 대해서 현장 지표지질조사 및 전기비저항탐사를실시하여 인장균열 발생이 가능한 위치를 추정하여 합리적이고 경제적인 보강 설계법을 제시하고자 한다.
이로 인해 깎기 비탈면 시공 중 인장균열이 다수 발생하였다. 인장균열의 발생 가능 위치에 따라 보강 공사비가 현격하게 증가하는 현안을 해결하기 위해서 안정성 및 경제성을 확보할 수 있는 합리적인 발생 가능 인장균열 위치를 결정하기 위한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

Cretaceous sinistral strike-slip fault systems in the East Asian continental margin. B. The Gyeongsang Basin divided into three subbasins by WNW-trending growth faults. C.

제안 방법

수행하였다. Fig. 15는 수치해석에 대한 모델링 단면을 나타낸 것으로 지반조건은 평면파괴가 발생한 구간의 충전물(실트질 점토)을 포함한 절리면을 모델링하였으며, 예상 평면파괴 각도 및 인장균열 위치는 현장 조사 및 전기비저항 결과를 바탕으로 예상 파괴면을 설정하였다. Table 3은 수치해석에 적용된 지반의 물성치를 나타낸 것으로 기존의 지반은 설계단계에서 산정된 값을 적용하였으며, 예상파괴면의 충전물은 역해 석에서 도출된 전단강도 값을 적용하였다.
13 은 파쇄대의 위치 및 단면 검토 결과를 바탕으로 대상 비탈면 전체에 대한 보강 전개도를 나타내고 있다. 기본적으로 비탈면 중간부의 부채도로 위치에 억지말뚝 2열을 C.T.C=2.0m간격으로 보강하는 것으로 계획하였으며, 파쇄대 위치는 앵커 2~3열(C.T.C=V2.5m×H₂.5m)로보강 계획을 수립하였다. 또한 우기시 지하수의 침투가 우려되는 구간에 대해서 수평배수공을 적용하였다.
5m)로보강 계획을 수립하였다. 또한 우기시 지하수의 침투가 우려되는 구간에 대해서 수평배수공을 적용하였다.
보강방안은 부체도로 하부에 파괴가 발생된 균열을 제거하고 평면파괴가 발생한 파쇄대 구간에 앵커로 보강하는 것으로 계획하였다. 또한 추후 인장균열이 굴착 비탈면 상단까지 확대될 경우의 안정성을 확보하기 위해서 비탈면 중앙부에 위치한 부체도로에 억지말뚝을 2열 보강하는 것으로 계획하였다. Fig.
12(b)는 평면파괴 및 인장균열이 발생한 비탈면의 보강뿐만 아니라 향후에 인장균열이 굴착 비탈면 상단까지 확대되었을 경우에도 안전율을 확보할 수 있는 보강방안을 나타내고 있다. 보강방안은 부체도로 하부에 파괴가 발생된 균열을 제거하고 평면파괴가 발생한 파쇄대 구간에 앵커로 보강하는 것으로 계획하였다. 또한 추후 인장균열이 굴착 비탈면 상단까지 확대될 경우의 안정성을 확보하기 위해서 비탈면 중앙부에 위치한 부체도로에 억지말뚝을 2열 보강하는 것으로 계획하였다.
보강방안을 설정하기 전에 활동력에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되는 발생 가능 인장균열의 위치를 전기비저항 탐사 결과를 바탕으로 결정하였으며, 현재 발생한 파괴 단면 및 향후에 확장 가능한 인장균열 위치에서의 활동력에 저항하기위한 보강방안을 결정하였다. Fig.
검토 결과, 억지말뚝으로 적용된 강관 파일의 최대 휨응력과 전단응력은 각각 151MPa, 20MPa로 허용치에 만족하여 구조안정성이 확보되는 것으로 검토되었다. 시공중 장비하중 등을 고려한 안정성 확보방안은 억지말뚝 시공전 파괴가 발생한 구간에 압성토를 계획하여 더 이상 비탈면의 변위가 없도록 계획하여 안정성을 확보하였다.
현장에서 발생한 파괴 단면 및 추후 확대 가능한 인장균열 위치를 고려하여 보강 계획을 수립하여 안정성 검토를 수행하였다. 한계평형해석은 Soilworks 프로그램을 이용하여 절리면의 다변파괴면 해석을 수행하였다.

대상 데이터

, 2000). 본 연구 대상의 암반 비탈면은 점토 충전물이 협재된 층리면에 우수가 유입되며 점토 충전물의 유동으로 10° 미만의 낮은 각도를 가진 층리면에서 평면파괴가 발생하였다. 또한 수직절리의 강도가 취약한 부체도로 상단까지 인장균열이 발생한 것으로 추정된다.
본 연구의 대상 깎기 비탈면은 상부대동계의 칠곡 층에 해당하는 사암과 셰일 및 이암이 호층을 이루는 퇴적암으로 구성되어 있다. 특히 퇴적암 중에서도 이 암과 셰일 같은 쇄설성 퇴적암은 미세한 층리구조도 같이 발달되어 있어 풍화의 정도가 크게 나타나는 것으로 알려져 있다(Lee and Kim, 2004, 1998; Kim et al.

데이터처리

비탈면 중앙부에 설치된 억지말뚝에 대한 구조 안정성 검토를 MIDAS GTS 프로그램을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. Fig.
5는 현장에서 발생한 인장균열 위치 및 층리면의 경사를 이용하여 역해석을 수행한 결과를나타낸다. 역해 석에 사용된 프로그램은 MIDAS Soilworks의 암반 모듈을 이용한 다변파괴 조건에서 해석을 수행하였다. Table 1은 당초 깎기 비탈면 설계에 사용된 절리면의 전단 강도 값과 파괴단면을 추정하여 역해석을 수행한 결과를 나타내었다.
수행하였다. 한계평형해석은 Soilworks 프로그램을 이용하여 절리면의 다변파괴면 해석을 수행하였다. 우기시 및 지진시 지하수위 조건은 국가설계기준 KDS 11 70 05(MLIT, 2016)을 반영하여 우기시는 인장균열의 1/2심도까지 적용하고 지진시는 평상시 수위 조건을 적용하였다.

이론/모형

한계평형해석은 Soilworks 프로그램을 이용하여 절리면의 다변파괴면 해석을 수행하였다. 우기시 및 지진시 지하수위 조건은 국가설계기준 KDS 11 70 05(MLIT, 2016)을 반영하여 우기시는 인장균열의 1/2심도까지 적용하고 지진시는 평상시 수위 조건을 적용하였다. Fig.
Table 3은 수치해석에 적용된 지반의 물성치를 나타낸 것으로 기존의 지반은 설계단계에서 산정된 값을 적용하였으며, 예상파괴면의 충전물은 역해 석에서 도출된 전단강도 값을 적용하였다. 해석에 적용된 구성모델은 지반에 대해서 Mohr-Coulomb모델의 평면변형률 조건을 적용하였으며, 보강재인 억지말뚝은 탄성 모델의 보요소로 Rock anchor는 탄성모델의 트러스 요소를 적용하여 해석 수행하였다. 보강재의 제원 및 물성치는 Table 4와 같다.

성능/효과

(1) 깎기 비탈면 시공 중 비탈면 하단에 점토가 충전된 파쇄대가 출현하였으며 이로 인해 절리면 사이의 충전된 점토에 우수의 유입으로 평면파괴가 발생하였다. 평면파괴 발생과 함께 노출 비탈면으로 인장균열이 점진적으로 발생하여 비탈면 중앙부(높이 약 20m)에 위치한 부체도로 상단까지 확대되었다.
(2) 파괴 원인 및 현장조사 결과, 절리면 사이에 약 47∼ 68mm의 두께운 점토 충전물이 확인되었으며, 역해 석 결과 설계시 적용된 절리면 전단강도 보다 현격하게 저하된 전단강도 값이 도출되었다.
(3) 발생 가능한 인장균열 위치를 검토하기 위해서 현장에서 발생한 인장 균열 위치를 기준으로 비탈면 배면으로 확대 시 안전율 변화를 검토한 결과, 굴착 비탈면 상단까지 확대시 안전율의 감소가 현저하게 발생하며, 이 후에는 안전율의 감소가 다소 줄어드는 경향을 나타내었다.
(4) 전기 비저항 탐사를 수행하여 암반의 취약 구간을 검토한 결과, 인장 균열이 발생한 부체도로 하단에 저비저항대가 나타나며 굴착 비탈면 상단부근에 저비저항대가 분포하는 것으로 확인되었다. 따라서 발생 가능한 인장균열 위치를 굴착 비탈면 상단으로 결정하여 보강 설계를 수행하였고, 적용된 절리면 전단강도, 층리 파괴면 및 인장균열 위치에 대해서 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다.
11에 인장균열 발생 위치의 RE-C₃∼C₅의 탐사 결과를 단면으로 표기하였다. Fig. 11의 탐사 결과를 분석한 결과, 현재 인장균열이 발생한부체도로 하부지반에 저비저항대의 연약층이 분포하는 것으로 확인되었고 지표지질조사에서 확인된 점토가 충전된 층리면이 평면파괴를 유발하면서 부체도로 하부의 연약한 암반이 수직절리를 중심으로 전단파괴가 발생된 것으로 판단된다. 또한 굴착면 상단부 부근에서 비교적 비저항대가 작은 연약층이 분포하였다.
16과 Table 5에 표기하였다. 검토 결과, 억지말뚝으로 적용된 강관 파일의 최대 휨응력과 전단응력은 각각 151MPa, 20MPa로 허용치에 만족하여 구조안정성이 확보되는 것으로 검토되었다. 시공중 장비하중 등을 고려한 안정성 확보방안은 억지말뚝 시공전 파괴가 발생한 구간에 압성토를 계획하여 더 이상 비탈면의 변위가 없도록 계획하여 안정성을 확보하였다.
14는 한계평형해석에 대한 모식도를 나타내며 검토 결과는 Table 2와 같다. 계획된 보강 계획은 건기, 우기, 지진시의 허용 안전율을 만족하는 것으로 검토 되었다.
따라서 발생 가능한 인장균열 위치를 굴착 비탈면 상단으로 결정하여 보강 설계를 수행하였고, 적용된 절리면 전단강도, 층리 파괴면 및 인장균열 위치에 대해서 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다.
또한 굴착면 상단부 부근에서 비교적 비저항대가 작은 연약층이 분포하였다. 따라서 전기비저항 탐사 결과로 부터 인장균열의 잠재적인 불안정성은 추후에 굴착면 상단까지 확대될 가능성이 있는 것으로 판단된다.
설계단계에서는 시추코아에 대한 절리면 전단시험 값 중 잔류전단강도의 최소치를 설계에 적용하였다(Korea Expressway Corporation, 2017). 역해석 결과 내부마찰각이 7°로 평가되었고 설계치(25.8°)와의 차이는 설계단계에서 조사의 한계로 인해 절리면 사이의 충전물을 파악하기 어려운 환경이었으며, 이는 절리면 전단 강도 적용시 절리면 사이의 충전물을 고려하지 못한 차이라고 파악되어 진다. 연구 지역의 셰일 및 이 암은 암질의 특성상 풍화의 진행 속도가 빠르므로 비탈면 깎기 시 타 지역에 비하여 비탈면 붕락의 빈도가 높으며, 암반 절리의 빈도도 높은 특성을 보이는 것으로 알려져 있다(You, 2002; Park, 2002).
것이 확인되었다. 인장균열의 규모는 최대 연장 31.0m, 폭 1.0m, 깊이 3.0m로 확인되었다(Fig. 3).
평면파괴의 원인이 된 비탈면 하단부의 파쇄대 구간은 점토 충전물이 47∼68mm의 두께로 충전되어 있었으며, 층리면의 경사는 10° 이하의 저각으로 분포하고 있는 것이 확인되었다. 인장균열의 규모는 최대 연장 31.
9에 나타내었다. 해석 결과, 굴착 비탈면 상단까지(30m지점) 안전율의 감소가 현저하게 발생하며, 굴착 비탈면 상단부 이후에는 안 전율의 감소가 줄어드는 경향을 나타내고 있다.
현장 조사 결과, 비탈면 하단부에 분포하는 층리면의 경사는 약 10° 이하로 추정되며 점토 충전물이 47∼68mm 로 두껍게 충전된 상태로 우기 시 우수의 유입으로 충전물의 유동과 함께 층리 경사 10° 이하에서 평면파괴가발생된 것으로 추정되었다. 평면파괴시 인장균열은 취약한 수직절리를 따라 발생하였으며, 굴착 비탈면 상단까지 확대되지 않고 중간부의 부체도로 상단까지 발생하였다(Fig.

후속연구

본 연구 대상 비탈면에 발생된 인장균열 위치는 비탈면의 중간부분 높이에 해당하는 부체도로 상단까지 확대된 상태이며, 추후 외력 또는 우수의 유입으로 점토로 충전된 층리면의 유동이 재발생 될 경우 인장균열은 상부 굴착면으로 확대될 잠재적인 위험성을 가지고 있다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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