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문제 정의
- 계측을 수행하는 주된 목적은 시공 중 또는 시공 완료 후의 사면거동을 측정하여 설계 인자의 불확실성이 제거된 상태에서의 사면 안정성 및 보강효율성을 평가하고 계측 결과에 의거하여 사면 유지관리 대책을 원활하게 수립하는데 있다. 계측 자료를 이용하여 사면 활동에 대한 기존의 이론들을 검증하고 핵심적 거동 요인을 도출할 수 있으며, 자동화 계측 체제를 구축하여 사면 붕괴에 대한 경보시스템을 운영할 경우에 자연재해 방지에 의한 인명적,재산적 피해를 최소화 시킬 수 있다.
- 본 논문에서는 붕괴가 예상되는 위험절토사면에 대해 안정성을 평가하고 붕괴예상구간에 상시계측시스템 설치를 하여 지반의 장기적인 변형을 인지하고 재해에 대한 피해를 예방하기 위한 연구가 수행되었다.
- 본 연구는 붕괴가 예상되는 위험절토사면에 대해 안정성을 평가하고 위험구간에 대해 사전 재해방지차원의 상시계측시스템을 적용하기 위한 설치기준 산정방법에 대해 고찰하였다.
- 절토사면이나 터널 등의 변형거동특성을 파악하기 위해서는 수치해석적 방법이 널리 사용된다. 본 연구에서는 현장조사를 통해 위험구간으로 선정된 112m 지점에 대해 지반활동량을 예측하기 위한 일련의 연속체 수치해석을 수행하였다. 대상절토사면의 위험구간으로 산정된 110 m 지점은 현장조사 결과, 절토사면의 높이가 60 m에 달하며 화강풍화토와 화강기반암으로 구성되어 있다.
- 재해 예방 시스템의 일환으로 최첨단 IT 기술을 절토사면에 접목시킨 상시계측시스템이 개발되었다. 절토사면 상시계측시스템의 목적은 잠재적인 붕괴 징후를 갖거나 장기적인 지반 활동이 예상되는 절토사면에 대하여 지속적으로 변위를 계측함으로서 사전에 차량 이동의 차단, 인명 대피 등을 취하여 인명피해를 최소화 하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 해석단면은 배부름 현상이 분명하고 대규모 지반활동이 예상되는 112m 구간을 설정하였다. 60m 전 높이에 대해 해석에 반영하였으며 강도감소법을 이용한 사면안정해석(Slope Stability Analysis), 비선형정적해석(Nonlinear Static Analysis)을 수행하여 사면의 최소 안정성을 고려한 변형특성을 판단하였다. 해석에 사용한 재료모델은 대표적인 탄소성 재료모델인 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였으며 계단식옹벽의 경우 탄성모델(Elastic) 적용하였다.
- 일반적으로 토사의 경우 연속체 해석이 적용이 용이하나 불연속면을 중심으로 변형이 발생하는 암반구간의 경우 연속체 수치해석의 적용성에 한계가 있는 상황이다. 그러나 최근 불연속면을 고려하여 연속체 해석을 수행하는 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며 본 연구에서는 불연속면을 포함한 암반 자체의 강도를 감소시키는 방법을 이용하여 암반에 대한 강도정수를 산정하였다. 현장조사 시 획득한 자료를 바탕으로 해석에 필요한 지반물성을 경험식 혹은 실내시험을 통해 산출하였으며 강도감소법을 이용한 사면안정해석 및 비선형해석을 통해 허용된 최소안전율을 확보할 시의 지반변형정도를 파악하여 이를 허용최대변위량으로 제안하였다.
- 대상사면의 안정성 검토를 위해 현장조사에서 얻은 불연속면의 자료를 근거로 RMR 값을 산출하였다. 이 때 암석의 일축압축강도 값은 현장에서 얻은 슈미트 해머 타격값을 통해 얻은 값을 사용하였으며, RQD 값은 체적당 절리빈도 (Jv)와 RQD와의 상관관계식을 이용하여 구하였다.
- 본 연구에서 위험절토사면에 적용될 상시계측시스템은 지반의 변위 및 강우량을 측정하는 시스템으로 상시계측시스템이 운용되고 있는 절토사면에 설치된 데이터로거는 각 계측기 센서의 지반 변위와 강우량계를 통한 강우량 정보를 수집하게 된다. 데이터로거에 수집된 정보는 한국건설기술연구원 내 설치된 “절토사면 상시계측시스템 상황실”의 무선모뎀을 통해 전송하게 된다.
- 불연속면의 지반공학적 상태가 가장 불량한 불연속면은 set 1(85/330)이므로 이를 대상으로 RMR 값을 도출하였다. 표 1의 결과를 살펴보면 조사대상 절토사면의 전체적인 암반상태에 대한 RMR 값은 54.
- 상시계측시스템을 적용할 위험구간 및 계측위치 선정을 위해 세밀한 현장조사를 수행하였으며 구간별로 사면특성 및 지반활동양상을 조사하였다. 현장조사결과, 112m 지점 1소단 상단부에서 시공시 설치된 계단식옹벽과 하단 부분에 배부름 현상 및 세굴현상이 관찰되었으며 붕괴발생시 상부에 위치한 옹벽의 영향을 미쳐 예기치 못한 대형 붕괴로 이어질 가능성이 클 것으로 판단되어 이 구간을 대표위험구간으로 설정하고 계측시스템을 적용하기로 결정하였다.
- 선정한 대표위험구간에 대해 계측시스템 적용시 경보시스템에 적용될 최대허용변위량을 산출하기 위한 일련의 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 지반의 거동변형특성을 확인할 수 있는 대표적인 방법인 유한요소법에 근거한 수치해석을 사용하였다.
- 세밀한 현장조사를 통해 사면의 특성(현황, 지질특성, 불연속면 특성, 수리특성 등)을 파악하였으며 획득한 자료를 바탕으로 현황도를 작성하고 실내시험 및 암반분류법에 의한 경험식으로부터 수치해석에 사용될 토사 및 암반의 강도정수를 산정하였다.
- 수치해석은 지반의 거동변형특성을 확인할 수 있는 대표적인 방법인 유한요소법에 근거한 수치해석을 사용하였다. 수치해석은 추후 풍화 등에 의한 강도감소효과를 고려하여 강도감소법을 이용한 사면안정해석과 변형특성 파악을 위한 비선형정적해석을 수행하였으며 안정성을 확보하는 최소안전율시의 변형특성을 분석함으로써 사면내 최대허용변위량을 산정하였다.
- 위험절토사면의 안정성을 평가하고 위험구간을 설정하여 상시계측시스템의 계측 위치를 결정하기 위해 세밀한 현장조사를 실시하였다.
- 대상사면의 안정성 검토를 위해 현장조사에서 얻은 불연속면의 자료를 근거로 RMR 값을 산출하였다. 이 때 암석의 일축압축강도 값은 현장에서 얻은 슈미트 해머 타격값을 통해 얻은 값을 사용하였으며, RQD 값은 체적당 절리빈도 (Jv)와 RQD와의 상관관계식을 이용하여 구하였다.
- 지반 활동량 예측을 위해 현장조사 결과 지반의 활동이 예상되는 위험구간에 대해 유한요소법에 근거한 사면안정해석 및 비선형 해석을 수행함으로써 사면의 최소안전율을 확보하는 지반 변위량을 산정하고 이를 상시계측시스템의 경보 기준으로 제안함으로써 본 사면의 상시계측시스템의 허용변위 기준을 제안하였다.
- 해석에 사용한 재료모델은 대표적인 탄소성 재료모델인 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였으며 계단식옹벽의 경우 탄성모델(Elastic) 적용하였다. 해석의 경계조건은 수직면의 경우 변위발생의 허용할 수 있도록 X방향만 구속하였고 바닥면의 경우 하부 기반암의 지지력을 고려하기 위해 X, Y방향을 모두 구속하였다.
- 그러나 최근 불연속면을 고려하여 연속체 해석을 수행하는 방법에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며 본 연구에서는 불연속면을 포함한 암반 자체의 강도를 감소시키는 방법을 이용하여 암반에 대한 강도정수를 산정하였다. 현장조사 시 획득한 자료를 바탕으로 해석에 필요한 지반물성을 경험식 혹은 실내시험을 통해 산출하였으며 강도감소법을 이용한 사면안정해석 및 비선형해석을 통해 허용된 최소안전율을 확보할 시의 지반변형정도를 파악하여 이를 허용최대변위량으로 제안하였다.
- 상시계측시스템을 적용할 위험구간 및 계측위치 선정을 위해 세밀한 현장조사를 수행하였으며 구간별로 사면특성 및 지반활동양상을 조사하였다. 현장조사결과, 112m 지점 1소단 상단부에서 시공시 설치된 계단식옹벽과 하단 부분에 배부름 현상 및 세굴현상이 관찰되었으며 붕괴발생시 상부에 위치한 옹벽의 영향을 미쳐 예기치 못한 대형 붕괴로 이어질 가능성이 클 것으로 판단되어 이 구간을 대표위험구간으로 설정하고 계측시스템을 적용하기로 결정하였다.
대상 데이터
- 대상 절토사면은 총연장 238 m, 최대높이 60 m의 대규모 사면으로 총 5소단이 설치되어 있다. 절토사면의 경사는 평균 약 45°(1:1.
- 대상사면 30～70m 구간은 사면 조성 당시 붕괴 내지 위험성이 내포된 지역으로써 44～68m 구간 하부로 계단식옹벽에 의한 보강이 이루어진 상태이다. 현장조사 결과, 60～70m 구간의 3소단 상부는 사면 붕괴에 의한 식생 불량 상태가 관찰이 되며, 40～50m 구간과 60～75m 구간 2소단 상부는 단차가 발생되어 지반 활동이 진행되고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 대상사면 98～106m 구간 1소단과 2소단 사이 사면에는 계단식옹벽이 설치되어 있으며, 104～116m 구간 사면 내에도 계단식옹벽이 설치되어 있는 상태이다. 현장조사 결과, 조사시점 현재 계단식옹벽과지반과의 밀실은 잘 이루어진 상태로 파악되고 있으나, 계단식옹벽이 설치된 주변 지반의 풍화 양상이 완전풍화(C.
- 0)의 경사를 보이고 있으며, 전구간에 걸쳐 식생공이 식재되어 있어 육안관찰에 의한 위험 구간파악이 매우 어려운 상태이다. 대상사면은 조성 당시, 구간에 따라 붕괴 내지 위험 구간이 존재하여 총 5개 구간에 계단식옹벽이 시공되어 있으며, 10～22m 구간과 44～68m 구간은 사면 하부에 계단식옹벽이 설치되어 있고, 98～106m 구간, 104～116m 구간, 214～230m 구간의 계단식옹벽은 사면 중간부에 설치되어 있다.
- 데이터로거에 수집된 정보는 한국건설기술연구원 내 설치된 “절토사면 상시계측시스템 상황실”의 무선모뎀을 통해 전송하게 된다.
- 해석단면은 배부름 현상이 분명하고 대규모 지반활동이 예상되는 112m 구간을 설정하였다. 60m 전 높이에 대해 해석에 반영하였으며 강도감소법을 이용한 사면안정해석(Slope Stability Analysis), 비선형정적해석(Nonlinear Static Analysis)을 수행하여 사면의 최소 안정성을 고려한 변형특성을 판단하였다.
이론/모형
- 본 연구는 Bieniawski(1978)와 Serafim & Pereira(1983)에 의해 제안된 경험식인 식 (1)과 (2)를 적용하여 변형계수를 산출하였다.
- 본 연구에서는 유한요소법(FEM)에 근거한 수치해석 상용프로그램인 MIDAS/GTS를 이용하였다.
- 선정한 대표위험구간에 대해 계측시스템 적용시 경보시스템에 적용될 최대허용변위량을 산출하기 위한 일련의 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 지반의 거동변형특성을 확인할 수 있는 대표적인 방법인 유한요소법에 근거한 수치해석을 사용하였다. 수치해석은 추후 풍화 등에 의한 강도감소효과를 고려하여 강도감소법을 이용한 사면안정해석과 변형특성 파악을 위한 비선형정적해석을 수행하였으며 안정성을 확보하는 최소안전율시의 변형특성을 분석함으로써 사면내 최대허용변위량을 산정하였다.
- 암반의 점착력과 내부마찰각은 Bieniawski(1989)와 Trueman(1988)이 제안한 경험식인 식 (3)과 식 (4)를 사용하였다.
- 60m 전 높이에 대해 해석에 반영하였으며 강도감소법을 이용한 사면안정해석(Slope Stability Analysis), 비선형정적해석(Nonlinear Static Analysis)을 수행하여 사면의 최소 안정성을 고려한 변형특성을 판단하였다. 해석에 사용한 재료모델은 대표적인 탄소성 재료모델인 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였으며 계단식옹벽의 경우 탄성모델(Elastic) 적용하였다. 해석의 경계조건은 수직면의 경우 변위발생의 허용할 수 있도록 X방향만 구속하였고 바닥면의 경우 하부 기반암의 지지력을 고려하기 위해 X, Y방향을 모두 구속하였다.
성능/효과
- 계측을 수행하는 주된 목적은 시공 중 또는 시공 완료 후의 사면거동을 측정하여 설계 인자의 불확실성이 제거된 상태에서의 사면 안정성 및 보강효율성을 평가하고 계측 결과에 의거하여 사면 유지관리 대책을 원활하게 수립하는데 있다. 계측 자료를 이용하여 사면 활동에 대한 기존의 이론들을 검증하고 핵심적 거동 요인을 도출할 수 있으며, 자동화 계측 체제를 구축하여 사면 붕괴에 대한 경보시스템을 운영할 경우에 자연재해 방지에 의한 인명적,재산적 피해를 최소화 시킬 수 있다.
- 대상사면 현장조사결과 112m 지점, 2소단 중상부에 시공되어 있는 계단식옹벽의 하부에 배부름현상이 관찰되고 지반활동이 의심되며 붕괴가 발생하였을 경우 규모, 피해 등을 고려할 때 사면내 위험구간으로 판단되며 계측시스템 적용이 우선시 되어야 할 구간으로 판단되었다.
- 본 연구사면은 기반암이 양호한 암상의 화강암으로 구성되어있으나 1소단 상부지역은 심한 풍화작용으로 인해 풍화잔류토에 해당하는 토사층으로 구성되어 있으며, 상대적으로 약한 변형특성을 갖는 토사층에서 단차발생, 배부름 현상 등의 지반활동이 집중되는 특징을 보였다.
- 수치해석결과, 상부토사가 중력방향의 자중과 사면의 경사형상에 의해 수직, 수평방향으로 변위가 발생하나 시공된 계산식옹벽의 자중 및 압성효과와 하부암반의 높은 지지효과로 인하여 실제 현장에서 관찰된 현상과 같이 하부 암 경계부분과 계단식옹벽 하단 사이방향으로 변위가 집중 발생하였다. 안전성을 확보하는 최소안전율을 갖을때 발생변위값을 살펴보면, 최대 수평변위값은 계단식옹벽 하단부분에서 약 31.
- 수치해석결과, 상부토사가 중력방향의 자중과 사면의 경사형상에 의해 수직, 수평방향으로 변위가 발생하나 시공된 계산식옹벽의 자중 및 압성효과와 하부암반의 높은 지지효과로 인하여 실제 현장에서 관찰된 현상과 같이 하부 암 경계부분과 계단식옹벽 하단 사이방향으로 변위가 집중 발생하였다. 안전성을 확보하는 최소안전율을 갖을때 발생변위값을 살펴보면, 최대 수평변위값은 계단식옹벽 하단부분에서 약 31.23mm, 최대 수직변위값은 약 30.18mm에 해당하며, 이를 합산한 최대 변위벡터는 43.42mm 정도로 산출되었다.
- 안정성해석 결과 1소단을 이루고 있는 하부암반의 경우 높은 강도에 의해 거의 변위가 발생하지 않으나 풍화가 많이 진행된 상부 토사구간(1소단 이상)은 변위가 상대적으로 다량 발생하는 것으로 나타났다. 특히 2소단에 설치된 계단식옹벽 하부구간은 하부암지반과 옹벽 사이구간으로 발생한 변위가 집중될 수 있는 구간으로 지속적인 계측을 통해 변위점검이 필요할 것으로 판단되며 안정성해석 결과 발생한 최대 변위량인 44mm를 변위허용 상한치로 산정하고 이를 초과할 경우 실시간으로 경고를 발생할 수 있는 상시계측시스템이 요구된다.
- 불연속면의 지반공학적 상태가 가장 불량한 불연속면은 set 1(85/330)이므로 이를 대상으로 RMR 값을 도출하였다. 표 1의 결과를 살펴보면 조사대상 절토사면의 전체적인 암반상태에 대한 RMR 값은 54.2점으로 Ⅲ등급인 양호(fair)한 암반으로 분류되었다.
- 대상사면 30～70m 구간은 사면 조성 당시 붕괴 내지 위험성이 내포된 지역으로써 44～68m 구간 하부로 계단식옹벽에 의한 보강이 이루어진 상태이다. 현장조사 결과, 60～70m 구간의 3소단 상부는 사면 붕괴에 의한 식생 불량 상태가 관찰이 되며, 40～50m 구간과 60～75m 구간 2소단 상부는 단차가 발생되어 지반 활동이 진행되고 있는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- ) 등급을 보이고 있어 향후 세굴 진행이 이루어질 가능성이 존재하며, 이와 같은 세굴 등에 의해 계단식옹벽 기초부의 지반이 약화되면 콘크리트 구조물의 기초부에 영향을 미쳐 예기치 못한 대형 붕괴로 이어질 가능성이 존재할 가능성도 존재한다. 또한, 112 m 부근의 1소단과 2소단 사이 지반이 볼록하게 부풀어진 단면 형상(bulging)을 보이고 있어 이 일대 지반의 거동 특성을 장기적으로 파악할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 안정성해석 결과 1소단을 이루고 있는 하부암반의 경우 높은 강도에 의해 거의 변위가 발생하지 않으나 풍화가 많이 진행된 상부 토사구간(1소단 이상)은 변위가 상대적으로 다량 발생하는 것으로 나타났다. 특히 2소단에 설치된 계단식옹벽 하부구간은 하부암지반과 옹벽 사이구간으로 발생한 변위가 집중될 수 있는 구간으로 지속적인 계측을 통해 변위점검이 필요할 것으로 판단되며 안정성해석 결과 발생한 최대 변위량인 44mm를 변위허용 상한치로 산정하고 이를 초과할 경우 실시간으로 경고를 발생할 수 있는 상시계측시스템이 요구된다.
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