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문제 정의
- 본 연구 과업은 속실2지구 위험도로개량공사 구간 내 위험절토사면의 위험잠재원인 분석과 더불어 주변의 지반조건에 대한 상세 현장조사를 실시하고, 절토사면의 붕괴 원인 분석, 안정성 해석을 토대로 현장특성, 시공성, 경제성과 친환경성 등 기타 제반 사항을 모두 고려한 적절한 보강대책(안)을 제시하여 붕괴된 절토사면의 영구구조물로서의 안정성을 확보하는 데 목적이 있다.
제안 방법
- 건기시 안정성 평가를 위해 지하수위를 고려하지 않는 조건하에 비선형 해석 및 사면안정해석을 수행하였다(표 2). 해석 결과 사면의 변위는 기반암과 토사층의 지층경계부를 중심으로 토사층에 국한되어 발생하는 경향을 보였다.
- 0+410～0+430)에 대하여는 계곡 하상퇴적물을 정리하고 시멘트로 코팅함으로서 사면 쪽의 지반으로 유수가 침투되지 않도록 조치하도록 하였다. 시멘트 코팅은 현재 설치된 산마루측구까지 연결되도록 시공함으로서 집중호우기시 유수의 올바른 배수가 이루어지도록 조치하여 올바른 절토사면 유지관리가 이루어지도록 조치하였다(그림 23).
- 따라서 현재 상태에서 지하수 용수가 뚜렷한 지점, 불투수층을 포함하고 있어 장기적인 사면 안정 측면에서 추가 붕괴가 우려되는 지점에 대하여는 수평배수공을 집중 타설하여 지하수 배수가 원활히 이루어지도록 조치하였다. 일부 구간에 대하여는 불투수층이 최하단부에 나타나므로 이에 대하여는 의지식 옹벽을 적용하여 하단부의 침식 및 세굴을 방지를 도모하였다. 또한 기존 시설인 산마루측구 및 도수로에 대하여는 애프론을 설치함으로서 배수로 주변으로 유수가 유입되는 것을 최소화하였다.
- 특히 지하수 용수의 주 공급원인 좌측사면 배면부 구간(STA.0+410～0+430)에 대하여는 계곡 하상퇴적물을 정리하고 시멘트로 코팅함으로서 사면 쪽의 지반으로 유수가 침투되지 않도록 조치하도록 하였다. 시멘트 코팅은 현재 설치된 산마루측구까지 연결되도록 시공함으로서 집중호우기시 유수의 올바른 배수가 이루어지도록 조치하여 올바른 절토사면 유지관리가 이루어지도록 조치하였다(그림 23).
대상 데이터
- 연구대상 절토사면인 “횡성군 청일면 속실리 2 지구(이하 속실2지구)”는 홍천국도관리사무소에서 관리하는 “국도 19호선 속실2 지구 위험도로 개량공사”구간에 포함된 절토사면으로, 횡성군 횡성읍과 홍천군 서석면을 잇는 주요도로에 해당된다. 본 공사는 2007년 12월 시작되었으며, 2009년 5월 준공을 목표로 공사가 진행 중에 있다. 새롭게 형성된 절토사면은 암반의 강도 기준을 적용, 절취를 통하여 제1소단 하단부는 1:0.
- 본 구간의 암반/토사 경계부는 용출되는 지하수의 영향에 의한 풍화의 결과로 인하여, STA.0+390～0+420 구간의 암반/토사 경계부 높이인 7 m에 비하여 낮아져 그 높이가 1.5 m에 불과하며, 높이 1.5 m를 중심으로 상단부는 토사 및 암반의 잔석으로 구성되어 있다. 높이 13 m 지점으로부터 나타나는 용출수의 영향으로 사면경사방향으로 수직의 물길이 발달하고 있으며, 상기 상태를 그대로 두고 식생공과 같은 법면 보호공을 실시할 경우, 식생의 자생이 어려울 뿐만 아니라, 우기시에는 용출 범위가 좌우로 확대되어 폭포처럼 용출수가 배출되는 형태로 나타나므로 해빙기와 집중호우기시 지하수의 영향에 의해 표층붕괴로 발전될 가능성도 잠재되어 있으므로 반드시 지하수 배제를 위한 공법 적용이 요구되는 상황이었다.
- 0+430 지점)의 소규모 사면이다. 본 사면은 STA.0+390 지점의 계곡부를 중심으로 좌측사면과 우측사면으로 나누어지며, 좌측사면이 우측사면에 비해 높게 형성되어 있다. 높이 약 10 m 지점에 소단이 하나 설치되어 있으며, 소단 폭은 약 1～1.
- 연구대상 절토사면인 “횡성군 청일면 속실리 2 지구(이하 속실2지구)”는 홍천국도관리사무소에서 관리하는 “국도 19호선 속실2 지구 위험도로 개량공사”구간에 포함된 절토사면으로, 횡성군 횡성읍과 홍천군 서석면을 잇는 주요도로에 해당된다.
- 연구지역은 한반도의 척추산맥인 태맥산맥에서 갈려나간 차령산맥의 중심부에 위치하며, 매우 험준한 산세를 이루고 있다. 대체로 북쪽에서 남쪽으로 갈수록 완만해지며 지질분포와 밀접한 관계를 갖는다.
- 조사대상 절토사면이 위치한 지역은 선캠브리아기의 편암 및 편마암류, 백악기의 퇴적암층 안산암 및 안산암류와 퇴적암층 그리고 백악기의 조립질 내지 중립질 흑운모 화강암류 등으로 구성되어 있다(원종관, 지정만, 정지곤, 이문원, 김원사, 1989). 선캠브리아기의 변성암류는 속실2지구 주변으로는 그 분포 폭이 비교적 좁으며, 인접 도폭지역인 풍암, 창촌, 창동 도폭 지역에서 비약적으로 넓어진다.
- 해석 단면은 안정성 측면에서 가장 불리한 구간, 즉 잔류구조가 가장 낮게 분포하는 구간인 STA.0+425 지점의 단면을 설정하였다. 해석에 사용한 재료모델은 지반의 대표적 탄소성 재료모델인 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였으며 지반정수는 마사토의 경우 현장조사 시 비교란 시료를 체취하여 실내실험을 통해 산정하였으며 기반암의 경우 RMR에 근거한 경험식을 이용하여 산정하였다.
데이터처리
- 사면의 역방향 잔류구조에 의한 거동양상을 파악하고 안정성을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소 상용수치해석프로그램인 MIDAS/GTS를 이용하여 수행하였으며 지반의 비선형 재료특성을 고려한 비선형 정적해석(Nonlinear Static Analysis)과 수치해석에서 주로 사용되는 안전율 산정방법인 강도감소법(Strength Reduction Method)을 이용한 사면안정해석(Slope Stablity Analysis)를 수행하였다.
이론/모형
- 사면의 역방향 잔류구조에 의한 거동양상을 파악하고 안정성을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 유한요소 상용수치해석프로그램인 MIDAS/GTS를 이용하여 수행하였으며 지반의 비선형 재료특성을 고려한 비선형 정적해석(Nonlinear Static Analysis)과 수치해석에서 주로 사용되는 안전율 산정방법인 강도감소법(Strength Reduction Method)을 이용한 사면안정해석(Slope Stablity Analysis)를 수행하였다.
- 0+425 지점의 단면을 설정하였다. 해석에 사용한 재료모델은 지반의 대표적 탄소성 재료모델인 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였으며 지반정수는 마사토의 경우 현장조사 시 비교란 시료를 체취하여 실내실험을 통해 산정하였으며 기반암의 경우 RMR에 근거한 경험식을 이용하여 산정하였다. 해석에 이용한 해석단면과 물성은 표 1과 같다.
성능/효과
- 해석 결과 사면의 변위는 기반암과 토사층의 지층경계부를 중심으로 토사층에 국한되어 발생하는 경향을 보였다. 건기시 최대수평변위 발생량은 1소단 상부 지점에서 약 3.13 mm(좌향 기준), 최대수직변위(하향 기준)는 상부자연사면에서 약 16.68 mm 정도 발생하는 것으로 나타났다. 이는 토사층의 수평 변형이 역방향 잔류구조에 의해 억제되고 있음을 의미하며, 강도감소법에 의한 사면안정해석 결과 최대전단변형율, 즉 파괴활동면이 지층의 경계부를 중심으로 토사층에 형성되는 경향을 봤을 때 잔류구조에 의한 지지력 증가 효과로 인해 안정성이 충분히 확보되는 것으로 판단된다.
- 일부 구간에 대하여는 불투수층이 최하단부에 나타나므로 이에 대하여는 의지식 옹벽을 적용하여 하단부의 침식 및 세굴을 방지를 도모하였다. 또한 기존 시설인 산마루측구 및 도수로에 대하여는 애프론을 설치함으로서 배수로 주변으로 유수가 유입되는 것을 최소화하였다.
- 이는 토사층의 수평 변형이 역방향 잔류구조에 의해 억제되고 있음을 의미하며, 강도감소법에 의한 사면안정해석 결과 최대전단변형율, 즉 파괴활동면이 지층의 경계부를 중심으로 토사층에 형성되는 경향을 봤을 때 잔류구조에 의한 지지력 증가 효과로 인해 안정성이 충분히 확보되는 것으로 판단된다. 사면안정해석 결과 산출 안전율은 2.11로 건기시 기준 안전율이 1.5이상을 만족하므로 안정한 것으로 평가되며, 변위량은 매우 미소한 값에 해당되어 건기시 사면의 전반적인 안정성은 충분하다고 판단된다.
- 사면안정해석 결과 우기시 파괴활동면을 나타내는 최대전단변형률은 건기시와 마찬가지로 경계부를 중심으로 토사층에서 형성되었으나 건기시에 비해 파괴 곡률이 더 큰, 즉, 활동 깊이가 더 깊은 원호형태의 파괴형태를 가지는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 깊은 원호파괴에도 불구하고, 산출 안전율은 1.
- 속실2 지구 절토사면에 대한 안정해석 결과, 허용안전율을 만족하고 있으며, 변위량도 매우 미약하여 추가적인 대형 붕괴 가능성이 낮다고 판단된다. 그러나 풍화법면 노출에 의한 지반 침식이 지속적으로 발생할 가능성이 높으며, 지하수에 의한 급속한 지반 열화가 우려되므로 이를 고려한 현장 여건에 맞는 대책공법이 요구된다.
- 홍천강 유역의 수계는 대부분 북쪽으로 흐르며, 홍천강 유역은 속실2지구 및 그 북쪽으로 제한적으로 발달한다. 속실2지구의 주변 지형 특징을 종합하여 볼 때, 이 지역의 지형윤회는 만장년기에 속하며, 속실2지구의 남쪽인 횡성읍 일대는 만장년기에서 노년기로 진입하는 단계에 해당된다(그림 1과 그림 2).
- 건기시 안정성 평가를 위해 지하수위를 고려하지 않는 조건하에 비선형 해석 및 사면안정해석을 수행하였다(표 2). 해석 결과 사면의 변위는 기반암과 토사층의 지층경계부를 중심으로 토사층에 국한되어 발생하는 경향을 보였다. 건기시 최대수평변위 발생량은 1소단 상부 지점에서 약 3.
후속연구
- 2 경사도로 확보한 후 식생공을 적용하기로 계획되어 있었다. 그러나, 절취면 확보 후 식생공을 적용하기 이전에 본 사면의 일부 구간에서 다량의 용출수가 발견되었고, 용출수에 대한 처리 없이 식생공을 진행할 경우, 사면의 추가 침식 및 추가 붕괴 가능성이 높다고 판단하여 이에 대한 검토가 필요하게 되었다.
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