KR100400992B1 - 역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불안정 상태의 경사면을 현장지반변형특성을 역해석하여 지반의 강도특성을 신속하고 확실하게 판단할 수 있는 방법과 보강재에 의해 유발된 겉보기 점착력 증대 이론인 보강토 이론을 응용 도입하여 불안정 경사면을 안정성 확보가 가능하도록 자연상태로 복구 및 복원시키는 방법으로서, 붕괴 또는 변형된 사면의 적용 한계성에 대한 지하수위 및 특수 조건 등 적용 조건을 검토하고 지반의 변형특성을 고려하여 잔부 방법을 사용하여 역해석 방법으로 토질정수를 결정하는 단계; 지반변형특성을 고려한 현상태의 사면조건을 상기 역해석 방법에 의한 사면안정해석 결과를 분석하고 활동파괴력 및 저항력을 산정하는 단계; 겉보기 점착력 증가이론에 의한 해석방법을 사용하여 네일의 소요보강억지력에 대한 강도증가 특성에 따른 보강구역 단면을 결정하는 단계; 사면에 수평배수공을 설치하여 지하수위 조건을 검토하고 상기 보강구역 단면에 대한 외적안정을 검토하는 단계; 보강재의 인발 및 전단 능력을 검토하여 임계 파괴 단면에 대해서 보강구역 내부에 대한 보강재의 내적 안정을 검토하는 단계; 상기 외적안정조건 및 내적안정조건을 만족하도록 설계단면을 결정하는 단계; 상기 결정된 설계단면에 따라 보강시공하는 단계 및; 경사면의 표면을 인공객토를 피복하는 식생방법으로 처리하는 단계를 포함하여 이루어지며, 이미 조성된 경사면을 보강하여 안정성을 확보함과 더불어 불안정한 경사면을 자연상태로 복원시키거나 조경측면에서 환경친화적인 방법으로 보강할 수 있고, 지반의 변형 및 붕괴상태에 따라 현장여건에 맞도록 외적안정조건을 검토한후 내적안정조건을 검토하여 시공하므로 실제현장에 맞는 시공을 할 수 있으며, 저렴한 비용으로 안전하고 신속한 시공을 할 수 있는 효과가 있다.

Description

역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법{Method of strengthen for slope using reverse analysis}

본 발명은 경사면의 보강방법에 관한 것으로, 특히 불안정 경사면을 추가로 경사면을 완화시키지 않고 현상태대로 역해석 기법을 이용하여 안정성을 유지하도록 복구 및 복원시키는 방법에 관한 것이다.

자연 경사지형을 인위적으로 굴착 또는 절취하여 경사면을 조성하였을 경우,시간이 지남에 따라 안정성이 저하되어 최종적으로 붕괴하거나 또는 변형을 일으키게 되어 인명 또는 재산에 피해를 입히게 할 수 있다. 따라서, 굴착 또는 절취된 경사면에 안정성에 문제가 발생될 경우에는 추가적인 절취 또는 보강이 필요하나 지형의 특성상 추가절취가 불가능한 경우가 있다. 본 발명은 이러한 경우에 이미 조성된 경사면을 보강하여 안정성 확보가 이루어질 수 있도록 하고 자연상태인 환경친화적인 방법으로 복원시키는 방법에 관한 것이다.

경사면을 보강하는 방법으로는 종래부터 사용되어 왔던 소일 네일링(soil nailing) 공법에 의한 보강방법이 있다. 종래의 소일 네일링(soil nailing) 공법에 의한 보강방법은 정역학적 한계 평형 이론을 도입하여 토양 전체에 걸쳐 전면 파괴 표면을 검사하는 제한 균형 분석(limit equilibrium analysis)에 기초를 두고, 1981년 샨(Shen) 등에 의해 제안된 Devis 방법과 Gassler와 Gudenhus에 의해 제안된 보강재의 인장능력(tensile capacity)만을 고려한 방법이 있으며, 1983년 French 방법은 전체적인 안정도(stability)에 대한 전단능력(shear capacity)의 효과와 보강재의 인장능력에 따른 휨강성도(bending stiffness)를 고려한 방법으로 현재까지 활용되고 있다. 상기 소일 네일링 공법은 사전에 실내시험, 현장 원위치 시험 결과를 토대로 하여 지반의 토질정수를 결정한 후 부재의 특성에 맞도록 내적 안정을 검토한 후 외적 안정 조건을 검토하는 방법이다. 여기에서 내적안정조건이란 한계평형상태 조건에서 활동파괴힘에 저항할 수 있는 보강부재에 대한 안정이고, 외적안정조건이란 활동파괴선이 보강부재 외곽에 위치할 경우에 대한 안정이다. 상기 소일 네일링 방법의 표면부는 콘크리트 또는 쇼크리트를 사용한 강성구조로 표면 처리한다. 상기 방법은 현재 수직굴착 토류구조물로 활용되고 있다.

도 1은 종래의 소일 네일링 방법에 따른 경사면보강방법의 개략도이다. 상기 소일 네일링 공법은 적용한계성에 대한 지하 수위 및 특수조건을 검토하는 단계; 현장 원위치 시험, 공내재하 시험 및 실내토질 시험 등에 의해 토질정수를 결정하는 단계; 인발시험(pilot test)에 의한 주변 마찰저항을 산출하여 네일의 부착력을 결정하는 단계; 상기 결정된 토질정수 및 부착력을 기초로 네일의 설치간격 및 각도를 결정하고 네일의 길이를 결정하여 내적 안정 조건을 검토하는 단계; 지반의 가정된 활동면에 대한 반복적인 계산으로 보강 후의 안정성을 계산하는 단계; 상기 결정된 결과에 따라서 설계단면을 계획하고 시공하는 단계 및; 시공된 표면을 강성구조물인 콘크리트 또는 쇼크리트로 처리하는 단계로 이루어진다.

그러나, 상기 소일 네일링 방법에 의한 사면보강방법은 설계 적용된 토질정수(점착력(C), 내부마찰각(), 시공밀도(), 탄성계수(E_s), 한계압력(p_l) 등) 값이 현장의 변형거동과 상이할 경우에 이에 대한 보완대책이 결여되어 있으며, 현장 원위치시험 및 실내토질시험 등에 의해 정해진 토질정수를 대표값으로 정함에 의해 발생되는 문제점을 해결할 수 없다. 또한, 상기 방법은 특정한 위치에서 주어진 보강재 내에서 형성된 최대 인장력과 전단력 값을 구하지 못하고 단지 전체적인 안전율만을 제공한다. 즉, 하기식이 성립한다.

여기에서 V_f는 전단력, T_f는 인장력, R_c는 전단강도,는 가상파괴면의 각도이다. 상기 수학식 1에서 보는 바와 같이,에서=0 일 때에는 인장력만 작용하고,일 때에는 전단력만이 발휘된다.

상기 소일 네일링 공법에 의한 사면보강공법의 기본 해석방법으로는 대표적으로 데이비스(Davis) 방법과 프렌치(French) 방법이 있다. 데이비스 방법은 인장저항만 고려한 것이고, 프렌치 방법은 인장저항과 전단저항을 고려한 것이다.(기술교재 78호 보강토공법 1989. 12. 한국도로공사 참조)

French 방법으로 해석하면, 사면의 상부에서 가상파괴예상선(potential failure surface)이 실제로 세로 방향일 때(), 상부 보강재 내의 인장력은 0이 되어야 하나, 실제는 인장력은 보강재에서 강화되므로 이에 대한 해석상의 문제점이 발생한다.

전술한 바와 같이, 종래부터 사용되어진 소일네일링 공법에 의한 보강방법은 소일네일 보강 후 최종공정으로 네일두부를 콘크리트 또는 쇼크리트로 전면표면처리를 수행하는 방법으로 미관저해 및 유지보수의 어려움과 자연경관의 훼손에 따른 환경친화성에 많은 문제점이 있고, 또한, 해석적 방법이 지반의 강도특성을 여러가지 현장조사, 시료채취(sampling), 실내시험, 현장 위치 시험(PMT) 등을 사전에 수행함으로써 많은 비용과 많은 시간을 들여 실시하고, 이들 결과를 토대로 사면안정 해석 및 보강방법을 해석하는 방법으로, 이러한 조사 및 시험결과를 토대로 한 이론적 강도특성이 실제 현장여건과 일치하지 않은 많은 문제점이 종종 발생하고 있다. 즉, 이론적 해석에 대한 파괴모델이 현장파괴모델과 일치하지 않는 문제점이 있다.

경사면에 대한 보강 대응책은 인명 및 재산 피해를 최소화시킬 수 있도록 신속 정확성 및 안정성이 요구되는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기의 문제점을 저렴한 비용으로 신속하게 판단할 수 있도록 현장 지반 변형 특성에 따른 역해석 기법을 응용하여 현장파괴모델에 적합한 지반의 강도 특성을 가장 신속하고 쉽게 해석하면서 사면 안정해석을 실시하고 보강방법을 안전하고 신속하게 실시하는 방법이다.

이를 위하여 본 발명은 불안정 상태의 경사면을 현장지반변형특성을 역해석하여 지반의 강도특성을 가장 신속하고 확실하게 판단할 수 있는 방법과 보강재에 의해 유발된 겉보기 점착력 증대 이론인 보강토 이론을 응용 도입하여 불안정 경사면을 안정성 확보가 가능하도록 복구 및 복원시키는 방법으로 자연환경의 훼손 없이 환경친화적인 방법에 관한 사면보강토 방법이다.

즉, 본 발명은 불안정 경사면을 제거하지 않고 자연환경친화적으로 경제적이고 신속하게 보강할 수 있는 방법으로, 불안정 경사면이 시간이 흐름에 따라 안정성이 저하되어 최종적으로 붕괴가 발생되어 인명 및 재산 피해를 발생시키게 되는 것을 방지하기 위해, 이러한 불안정 경사면을 가장 경제적이고 신속하게 보강될 수 있도록 변형된 경사면에 대해 정확하고 신속한 지반강도특성을 역해석 방법으로 규명하고, 경사면 보강방법은 사면에 간극수압의 작용을 억제시키기 위해 사면배수공(수평배수공)을 설치하면서, 이형철근을 보강재로 사용하고 주변을 시멘트, 물 및 고유동화재만으로 구성된 그라우트를 충진하여 불안정 경사면 내부에 존재한 미세 균열 틈새에 그라우트가 침투고결되면서 보강재와 주변토사 및 암석이 일체화되어 보강토체가 형성되도록 하여 겉보기 점착력 증가 이론인 보강토이론을 응용하여 가장 신속하고 안전하게 보강할 수 있는 방법과 상기 경사면의 표면부 처리를 천연단섬유를 함유시킨 인공객토를 피복시켜 경사면에 식생이 가능하도록 하여 국민 정서에 유익하도록 자연환경의 훼손 없이 환경친화적인 방법으로 경사면을 보강하는 방법을 제공하는 것이 목적이다.

도 1은 종래의 소일 네일링 방법에 따른 경사면 보강방법의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 역해석 방법을 이용한 경사면 보강방법의 개략도

도 3은 보강재에 의해 증가된 겉보기 점착력을 도시한 그래프

도 4은 보강재에 의해 구속응력이 증가된 겉보기 점착력을 도시한 그래프

도 5a 및 5b는 보강재에 의해 파괴면상에 작용되는 힘 및 이에 대한 힘의 삼각형을 도시한 도면

도 6은 불안정 사면에 그라우트된 보강재를 계획한 단면도

도 7은 불연속면이 존재한 풍화잔류토층 사면 및 암반사면에 대한 강도특성을 역해석 방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면

도 8a 및 8b는 불포화 절취사면 지반에 대한 강도특성을 역해석 방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면

도 9a, 9b 및 9c는 사면의 붕괴 또는 변형 발생에 따른 강도특성을 역해석 방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면

도 10은 사면이 불안정상태로 불규칙적인 층상 단면인 경우 강도특성을 역해석 방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면

도 11은 각 사면별 임계파괴선의 도면

도 12는 사면이 불안정상태로 불규칙적인 층상 단면을 형성시 각 지층별 임계파괴선의 위치분석 및 이에 대한 안정조건을 분석할 수 있는 단면조건 도면

도 13은 정방향 시공간격을 45°회전시킨 마름모꼴시공방법으로 계획한 평면도

도 14a 및 14b는 사면배수공인 수평배수공 설치 대표단면에 의한 지하수위 위치도 및 수평배수공의 배치평면도

도 15a 및 15b는 사면표면부에서 용수용출시의 수평배수공 설치계획도 및 배치평면도

도 16은 네일보강시 표면부의 소성변형단면 경계조건 도면

도 17은 네일두부에 주금속지압판, PVC 코팅철망 및 보조금속지압판을 이중너트로 완전결속하여 설치하고, 인공객토를 피복한 완성품의 도면

도 18은 네일두부에 이중너트를 결속시킨 도면

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 변형된 경사면의 적용 한계성에 대한 지하수위, 사면형태, 토질상태 및 암반절리 방향성을 검토하고, 이를 기초로 하여 변형된 지반 특성에 맞도록 잔부(Janbu) 방법을 이용하여 점착력 및 내부 마찰각을 포함한 토질정수를 결정하는 단계; 상기 토질정수를 이용하여 잔부 방법으로 경사면의 안정성을 해석하여 경사면의 활동파괴력 및 저항력을 산정하는 단계; 상기 경사면의 저항력을 증가시키기 위해 보강재를 시공할 보강구역 단면을 계획하는 단계; 지하수위 조건을 검토하여 수평배수공의 위치 및 수량을 결정하여 경사면의 외적 안정성을 검토하는 단계; 보강재의 인발력 및 전단 능력을 고려하여 임계 파괴 단면에 대한 보강구역 내부에 대한 내적 안정성을 확인하는 단계 및; 상기 외적 안정성 및 내적 안정성을 충족하도록 설계도면을 작성하고 보강 시공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 역해석방법을 이용한 경사면 보강방법의 개략도는 도 2와 같다.

본 발명에 따른 역해석방법을 이용한 경사면 시공방법의 기본원리는 다음과 같다.

프랑스의 헨리비달은 해변가에서 모래사이에 솔잎을 넣어 쌓아본 결과 솔잎 없이 모래만 쌓을 때보다 높게 쌓을 수 있고, 더 큰 외력에 견딜수 있음을 알게 되었는데, 이는 모래 속에 보강재를 일정한 간격으로 설치하였을 때 보강재에 접촉하는 부분의 모래는 보강재와 모래 사이의 접촉부에 발생하는 마찰력과 보강재와 직접 접촉하지 않는 모래부분은 내부 응력이 모래 입자 간의 마찰에 의해 전달되는 아칭(arching) 현상으로 응력전이가 보강재로 전달되는 특성으로 결국은 모든 모래들이 보강재에 접촉되었거나, 연결되어 있는 한 덩어리의 구조체를 형성시켜 순수한 모래보다 강도가 훨씬 뛰어난 보강토체(reinforced earth)가 형성되게 하는 원리이다.

보강재에 의해 증가된 강도증가는 다음과 같다.

도 3은 보강재에 의해 증가된 겉보기 점착력을 도시한 그래프로서, 겉보기점착력(비등방성 점착력, anisotrophic cohesion)은 보강재에 의해 유발된 수직응력이 증가함에 의해 증가한다.

은 보강재에 의해 유발된 수직응력의 증가치이고, 보강된 모래의 압축강도가 증가하게 되어 이는 수평으로 보강된 보강재에 의해 겉보기 점착력이 증가한다.

도 4은 보강재에 의해 구속응력이 증가되는 것을 도시한 것이다. 보강재에 의해 구속응력 증가하는데 순수 모래는 수직응력()이 증가하면 수평방향으로 팽창하나 보강된 모래는 수직응력이 증가하면 모래와 보강재의 마찰력으로 수평방향으로 변위를 억제시킨다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 모래와 보강재 사이에 발생하는 마찰력이 측압()에 추가로 구속응력()이 가해져 보강된 모래의 압축강도를 증가시키게 된다.

보강재에 의해 증가된 겉보기 점착력 증가에 의해 보강된 모래에서 쿨롬 이론을 적용한 겉보기 점착력은 다음과 같다.

도 5a 및 5b는 보강재에 의해 파괴면상에 작용하는 힘 및 이에 대한 힘의 삼각형을 도시한 것으로서 이를 참조하면 하기식이 성립된다.

여기에서, A는 보강된 모래의 단면적,는 파괴면의 수평각, F는 파괴면에 의해 잘려진 각 보강재의 인장력의 합이고,는 모래의 내부마찰각이다.

한편, 각 보강재에 작용된 인장력의 합은 하기식과 같다.

상기 식에서H는 단위폭당 보강재의 수직간격이며, T_s는 각 보강재의 단위폭당 인장력이다.

상기 수학식 2 및 수학식 3에서 하기식과 같은 관계를 얻을 수 있다.

상기 수학식 5에서이 최대일 경우이고,이므로 수직응력은 하기식과 같다. 여기에서,은 수직응력,는 파괴각,는 수동토압계수이며,는 흙의 내부 마찰각이다.

보강된 모래의 파괴시 수직응력은이므로 하기식이 성립한다. 여기에서,는 수평응력이며,은 수직응력의 증가분이다.

따라서, 상기 수학식 6 및 수학식 7로부터 하기식을 얻는다.

은 보강재에 의해 유발된 수직응력의 증가이고, 이를 겉보기 점착력 C'으로 표시하면 하기식과 같다.

겉보기 점착력(C')은 상기 수학식 6 및 9로부터 하기식으로 표시될 수 있다.

(건기연 84-W-1 연구보고서 Geotextile 및 보강토공법에 관한 연구, 1985. 3. 재단법인 한국건설기술 연구원)

상기 수학식 10은 1981년 주란(Juran)의 모형실험결과 겉보기 점착력을 하기식으로 표시할 수 있다.

상기식에서 V₀는 보강재의 전단력이고, A는 보강 단면적이다.

보강재 주위의 주변 마찰저항력인 인장력이 보강재 전단력보다 같거나 크게 작용할 경우 수학식 10 및 11로부터 다음과 같은 관계식을 얻는다.

여기서, 불안정 사면에 그라우트된 보강재를 도 6과 같이 계획한다.

상기 도 6에서는 보강된 사면의 단위연장 m당 길이이고,는 단위연장 m당 보강재의 배치간격,는 단위연장 m당 활동 파괴의 활동력(driving force)이고,는 단위연장 m당 활동파괴면에 대한 저항력(resistance force)이다.

상기식에서 A=이면이므로는 하기식과 같다. 여기서,는 보강재의 시공밀도, 즉, 단위면적당 보강재의 갯수이다.

여기에서이므로(n은 보강재의 개수)

토사에서는 부재의 주변 그라우트의 마찰저항(인장력) 의한 검토가 요구되고, 암반에서는 부재의 전단력 또는 마찰력에 의한 검토가 필요하다.

사면의 안정조건에서

인 경우 안정성 확보를 위해 활동력()에 대한 충분한 안정조건이 이루어지기 위해서는 보강소요억지력이 필요하게 된다.

인 조건이므로

보강소요 억지력(P_n)은 보강부재 전단력으로 계획시로 표시된다.

보강재 소요간격 밀도()는

이 된다.

인발저항에 대한 안정조건이

이므로

설계인장력 P'은

상기 수학식 19 및 20에서,는 보강재의 극한 인발저항력이고,는 그라우트와 주변 지반의 마찰저항력이며, D는 천공구경이고, L은 보강재의 길이이다.

보강재에 대한 응력 제한조건은 다음과 같다.

보강재는 이형철근(SD35 또는 SD40)을 사용한다. 철근의 장기 허용 응력은 전단보강의 경우 2000㎏/㎠이며, 인장 및 압축보강의 경우 2200㎏/㎠(또는 2000㎏/㎠)이다. 보강재의 허용인장응력()은 인발저항력()과 거의 같고, 보강재의 허용 전단 응력() 또한 인발저항력()과 거의 같으며, 활동 파괴억지소요 저항력()은 보강재의 허용 전단보강 응력()보다 작다.

따라서, 증가된 겉보기 점착력과 보강재 시공간격은 다음과 같다.

네일바(nail bar)를 이형철근으로 사용시 여유부식 두께가 약 3~5㎜ 정도 고려된 증가될 겉보기 점착력은 다음과 같다.

SD40:Φ25M/M 이형철근 사용시(t/㎡) (~)

SD40:Φ29M/M 이형철근 사용시(t/㎡) (~)

SD40:Φ32M/M 이형철근 사용시(t/㎡) (~)

시공밀도()는 0.64㎡당 1본 내지 3.0㎡당 1본으로 한다.

상기 수학식 21과 수학식 22 중에서 보강재 시공간격밀도()에 대한 겉보기 점착력 증가 해석은 두 수학식 중에서 작은 값을 사용한다.

보강부재 내에서 잠재적인 파괴면 양쪽에 수동 측면 네일은 전단력과 휨 모멘트를 유발하게 되나 네일과 파괴면이 직각을 이루는 방향에서의 지반 변위, 즉, 네일이 전단저항과 휨저항을 형성시키는데 필요한 변위는 보강재에서 인장력을 유발시키는데 필요한 지반변위보다 크다. 즉, 일반적인 조건하에서의 지반변위가 미소한 상태일 때 보강재의 휨 강성도는 실질적으로 구조행위에 아무런 영향을 주기 않는다. 따라서, 보강재에 형성된 전단력은 최대 인장력보다 훨씬 작다는 것을 의미하고, 휨 강성도는 실제적으로 파괴면체의 변위 또는 보강재의 인장력 어느 것에도 영향을 미치지 않는다. 강성재질의 경우 잠재적인 파괴면에 대해 수동토압의 분포 균형 때문에 최대인장력과 전단력이 발생되는 지점에서의 휨모멘트는 0이므로 보강부재 내에서의 파괴면은 주변 마찰력의 구속효과로 파괴면의 위치가 보강부재 후방으로 변동되게 된다.

역해석 방법이란 본 발명에서 사용되는 용어로서, 종래의 내적안정조건을 검토한 후에 외적안정조건을 검토하고 안정성을 계산하여 시공단면을 설계하는 방법에 대응하여 본 발명에서와 같이 현장의 지반변형을 검토하고 먼저 외적안정조건을 검토한 후 부재의 내적안정조건을 검토하여 시공단면을 설계하는 방법으로 정의한다.

토질정수를 역해석 방법을 사용하는 이유는 변형이 발생된 불연속면 또는 미끄럼면 내부의 점토 샘플링이 어렵고, 대표시료에 대한 토질시험결과는 사면전체의 대표값으로 사용함으로써 생기는 문제점이 있으며, 풍화가 심한 사면에서는 균일한 상태의 지질 구조적 특성이 존재하지 않으며 변형은 불연속면의 약한 부분에서 발생되므로 사전에 변형부분을 파악하는 것이 불가능하다. 또한, 사면은 시간 흐름에 따라 제반 절리, 불연속면의 이완 및 느슨한 거동과 내부에 충진된 변질된 점성토 물질이 물의 영향에 의해 팽창하여 이완 가속화와 더불어 강도 특성이 현저히 저하되는 특성이 있어 이에 대한 강도저하 특성을 현장조사 및 실내시험, 현장원위치시험에 의해 파악하는 것이 현실적으로 불가능하다는 단점이 있다. 또한, 암석의 강도 특성은 절리특성에 따른 이방성의 영향으로 실내시험결과를 현장강도 특성으로 간주하는 것은 불합리하고 이방성특성에 따른 변형을 일으키는 부분에서 각종 현장원위치시험과 샘플링에 의한 역학적 실내시험에 따른 해석은 현장변형 및 붕괴거동과 잘 부합되지 않는다.

즉, 절취 사면은 오랜 세월 동안 여러 외력을 받아 복잡한 지질 구조적 특성을 나타낸 불연속체이고, 시간의 경과에 따라 사면의 이완 현상 및 절리의 특성이 풍화 진행됨에 따라 강도특성이 저하되는 현상으로 상기 종래의 소일 네일링에 의한 보강방법은 가정조건이 현실과 부합되지 않는 문제점이 존재한다.

역해석 방법에 의한 토질정수의 결정은 잔부방법을 이용하고 지반의 특성에 따라 다음과 같이 결정한다.

예 1: 현저한 절리방향성(불연속면)이 존재한 풍화잔류토층 사면 및 암반 사면에 대한 강도특성 역해석방법

도 7은 불연속면이 존재한 풍화잔류토층 사면 및 암반 사면에 대한 강도특성을 역해석방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면이다.

불연속면 및 절리의 방향성에 대한 평사투영결과 미끄럼발생 가능 경사각을고려한 방법이다.

사면이 한계 평형상태 조건으로, 즉, 사면경사각(stable condition)상부의 불안정상태 사면(overburden)은 시간이 흐름에 따라 최종 변형 또는 붕괴되는 조건으로이고,일 때 C 값을 역으로 산출하여 결정한다.

실제 파괴가 발생된 사면을 역해석할 경우 잔류강도(φ_r)는 일반적으로 φ보다 5~10° 정도 작게 차이가 나나 점착력을 고려할 경우 실제보다 상당히 안전측으로 해석되기 때문에 고려치 않고, φ만을 고려하거나 φ~φ_r사이의 중앙 값을 사용하여 이들 중 피드백에 따른 파괴 모델이 현장과 일치되는 점착력 값을 역으로 산출하여 적용한다.

예 2. 불포화토사 절취사면 지반에 대한 강도특성 역해석 방법

도 8a 및 8b는 불포화 절취사면 지반에 대한 강도특성을 역해석방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면이다.

일반적인 모래의 전단강도 특성은 다짐상태에서는 겉보기 점착력을 유발시켜 점착력(C) 증가 효과로 강도증가를 이룰 수 있으나 교란 및 흐트러짐 상태에서는 겉보기 점착력이 상실되고, 최종 흙의 마찰저항인 내부마찰각만 존재하여 잔류내부마찰각은 안식각으로 변화된다. 따라서, 흙의 변형은 내부마찰각(φ)의 저하효과보다 점착력(C)의 상실에 따른 강도 저하 문제가 발생한다. 이에 대한 기본 개념은 다음과 같다.

링 샘플링 시료에 대한 직접 전단시험 또는 링 직접 전단시험에서 φ값(첨두강도 또는 첨두강도와 잔류강도의 평균값)을 사용 결정하고, 한계평형조건이 F_s≒1.0인 상태에서 φ=const이고, 이 때 C값을 역으로 산출한다. 즉, φ=const, F_s≒1.0인 상태에서 현장파괴모델에 적합하도록 잔부방법에 의해 역으로 점착력 값을 산출한다.

현재 경험적 이론에 의한 전단강도 특성은 Terzaghi는 부분전단이 일어난 경우 극한 강도정수 C', φ'는 일반전단 C₀, φ₀에 대해서 감소하여 적용하는 방법으로,로 하나 이는 지중에 수직응력 작용시에 수평응력의 구속상태에서의 조건인 바, 사면은 응력개방에 의해 수평응력구속상태를 확보치 못한다. 따라서, 작용응력 변화에 따른 흙의 기본성질인 내부마찰각의 변화는 매우 미소하나, 점착력의 변화는 다짐상태, 풍화진행에 따른 이완상태 등의 조건변화에 매우 큰 폭의 변화를 나타냄으로 최종 단계에서는 흙의 안식각과 흙의 내부마찰각이 평형을 이루는 가정 조건으로값은 첨두 강도에서 잔류강도의 범위 내에서 유지한 상태에서 점착력 값을 현장사면 조건(확정변동, 준확정변동, 잠재변동 상태고려)에 따라 잔부 방법을 이용하여 피드백 하여 역으로 산출하여 결정한다.

예 3: 사면이 붕괴 또는 변형 발생에 따른 강도특성 역해석방법

도 9a, 9b, 9c는 사면의 붕괴 또는 변형 발생에 따른 강도특성을 역해석방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면이다.

현장변형 모델에 의해 상부변형 지점과 하부변형 지점을 연결한 파괴예상선을 고려하여 활동진행상태인 확정 변동 시에는 F_s=0.85~0.9, 활동에 의해 변형되었으나 현재 활동은 정지된 준확정변동 시에는 F_s=0.9~0.95(다만 추가외력 및 강우 시에 추가변형 발생조건), 초기 변형만이 발생된 잠재변동시 F_s=1.0~1.05의 기준안전율을 고려하여 잔부방법에 의하여 도 9c에 의해 상기 Φ_r값에 의한 점착력 값을 역으로 산출하여 결정한다.

	암반사면	풍화암사면	붕적토사면	점질토사면	비고
운동정지상태의 Fs	1.1	1.05~1.1	1.03~1.05	1.0~1.03	잠재변동 Fs
미끄럼운동 진행 중의 Fs	0.99	0.95~0.99	0.93~0.95	0.9~0.93	준확정변동 Fs

사면의 붕괴변형 원인은 암반일 경우 절리 및 불연속면의 방향이 사면방향과 유사할 경우 침투수압, 풍화진행과 응력개방에 따른 이완현상으로 내부 마찰각의 저하원인보다 점착력의 저하에 따른 강도 저하가 문제가 되고, 토사일 경우에도 풍화진행, 응력 개방, 침투수압(통상 동절기 시에 동상 피해)의 영향에 따른 이완현상이 내부 마찰각의 저하보다 점착력의 저하가 강도저하가 발생되는 주원인이다. 따라서, 암반사면인 경우 예 1에 의한 방법으로 변형된 단면을 연결한 강도특성을 역해석하여 구하고 토사 사면인 경우 앞장의 예 2에 의한 방법을 고려하거나, 변형구간에 대한 샘플링이 가능할 경우 도 9b 및 9c와 같은 시험방법을 고려하여 점착력은 고려치 않고, 내부마찰각만을 고려하여 현장변형단면 모델과 일치할 수 있도록 강도특성인 점착력 값은 잔부방법에 의해 역해석하여 역으로 산출하여 구한다.

예 4: 사면이 불안정 상태로 한계평형상태인 불규칙적인 층상 단면 형성시강도특성 역해석 방법

도 10은 사면이 불안정 상태로 불규칙적인 층상 단면인 경우 강도특성을 역해석방법으로 분석할 수 있는 단면조건 도면이다.

① 사면이 한계평형상태로 가정시 I층 사면 강도특성 역해석

예 2 및 예 3에 의한 방법으로 0.9〈F_s〈1.05에 의해 주어진 조건하에서 강도특성 역해석방법 이용한다. 즉, I층 사면 하단부에 임계 파괴선이 통과하고, I층사면 상부에서는 실시예 2 및 실시예 3에 의한 방법을 사용하여 강도특성인 Φ값을 결정한 후 0.9〈F_s〈1.05에 의해 주어진 조건하에서 잔부방법을 이용하여 강도특성인 C값을 역으로 산출하여 결정한다.

② 사면이 한계평형상태로 가정시 II층 사면 강도특성 역해석

예 1에 의한 방법으로 0.9〈F_s〈1.05에 의해 주어진 조건하에서 강도특성 역해석한다. 여기서 I층사면에 대한 강도특성은 상기 ①에서의 강도특성를 사용한다.

즉, II층사면 하단부에 임계파괴선이 통과하고 실시예 1에 의한 방법을 사용하여 강도특성인 Φ값을 결정한 후에 의해 주어진 조건하에서 II층 사면 상부층인 I층 사면의 강도특성을 ①항에 의해 구해진 강도특성을 사용하고, 잔부방법을 이용하여 II층사면의 강도특성인 점착력 값(C)을 역으로 산출하여 결정한다.

토질정수를 결정한 후에, 현 상태의 사면안정해석결과를 분석한다. 사면의안정성 검토 방법은 비숍(Bishop), 스펜서(spencer), 잔부(Janbu) 방법으로 구분할 수 있으나, 절취사면에 대한 보강대책시 동일한 임계 활동면에 대한 (한계평형조건) 활동력 및 저항력 크기가 동일한 안전율 조건에서 상대적으로 잔부 방법이 크게 계산되므로 보강에 필요한 소요 억지력이 크게 계산되어지고, 파괴원의 위치를 분석하는 대신 지반조건을 고려한 파괴면을 가정하여 해석하고, 암괴에 작용하는 힘의 체계는 하나의 단위암괴에 대하여 가정하여 이를 경험적 관계나 토압론에 준해 해석시 암괴간 작용하는 힘으로 고려할 수 없는 문제를 잔부방법은 암괴가 다수일 때 적용할 수 있는 기법이므로 잔부방법을 사용한다. 잔부방법이 안정성확보 측면에서 합리적이다. 따라서, 사면안정성 검토 방법수행은 STATE 5M 전산 해석 프로그램 중 잔부방법을 사용한다.

현장사면의 조건에 대한 역해석 결과 토질정수가 결정되면 사면에 대한 외적 안정성 검토를 수행한다.

임계파괴선에 대한 보강 존 영역계획을 판단하기 위해 초기보강시공 전 사면의 안정조건을 확인한다. 이에 대한 각 사면별 임계 파괴선의 위치판단은 도 11과 같다.

보강존을 임의로 계획하여 사면의 안전율이인 조건에 맞도록 다음과 같이 시행착오기법을 이용 보강존에 대한 단면계획을 수행한다.

도 12는 사면이 불안정상태로 불규칙적인 층상 단면을 형성시 각 지층별 임계파괴선의 위치분석 및 이에 대한 안정조건을 분석할 수 있는 단면조건 도면으로서, 상기 도면에서 임계파괴선에 대한 안전율 조건은(Ⅲ)〉1.5,(Ⅱ)〉, 1.4〈〈1.5 이다.

상기 보강존에 대한 외적안정조건이 확인되면 내적안정조건에 대한 검토를 한다.

먼저, 시공밀도()를 계산한다.

이고, 여기에서 C는 원지반의 강도 점착력이고, C'은 보강존의 증가 강도 점착력이다.

따라서, 시공밀도는 하기식과 같다.

상기식에서 Φ25M/M 이형철근인 경우에 V₀≒3.9t, Φ29M/M 이형철근인 경우에 V₀≒5.2t, Φ32M/M 이형철근인 경우에 V₀≒6.4t이다.

다음에 시공간격을 계산한다.

수평간격(S_H)수직간격(S_V)=이므로 수평간격(S_H)=수직간격(S_V)=이다.

시공패턴은 도 13에 도시된 바와 같이, 정방향 시공간격을 45도 회전시킨 마름모꼴 시공방법으로 계획한다.

외적안정조건을 검토한 후 내적안정검토를 수행한다.

각 사면에서의 가상임계파괴선에 대한 안정조건이으로 계산하고, 네일 전단력에 의한 안정조건은 보강소요억지력이인 관계이므로인 조건에 만족하고, 만일 느슨한 토질일 경우 네일 주변의 그라우팅된 구체와 원지반의 마찰저항력(인장력)에 의한 안정검토는 가상임계 파괴선을 기준으로 정착부에 해당된 주변마찰력의 대수화를 보강소요억지력으로 고려하여인 조건으로 검토한다.

네일의 보강소요억지력

네일의 허용전단력()〈주변 마찰력()

네일의 허용 인장력() ≤주변 마찰력()

다음에 수위조건에 관한 검토를 한다. 강우에 의해 사면이 완전 포화상태조건은 현실적으로 해석상 많은 문제점이 있으므로 지하수위 상승억제 또는 지하수위 저하 목적을 위해 수평배수공(subhorizontal drain)에 의해 지하 수위선을 결정한다. 수평배수공은 네일 보강존 외곽까지 설치하고, 지하수위선의 침윤선은 수평배수공의 2/3 지점을 연결하는 선으로 결정하여 사면 안정해석을 실시한다. 이 때 안정성 검토는로 한다. 도 14a 및 14b에 도시된 바와 같이, 사면 배수공인 수평 배수공을 설치한다.

수평배수공 시공은 최대 30m²당 1본에서 최소 10m²당 1본 범위 내에서 결정하고 시공 패턴은 삼각형 배치로 한다. 천공직경은 약 3인치로 하고 배수공은 구경 약 2인치의 PE 또는 PVC관으로 하며, 배수구멍 형태는 스트레이너 형태로 하고, 배수관은 청소가 가능하도록 원형단면으로 하며 시공경사는 수평면으로부터 약 5~10°정도 상향으로 경사지게 하는 것이 바람직하다. 느슨한 토사층의 경우 배수관을 필터 매트로 피복한다. 사면에서 침투수에 의해 용수가 용출되고 있는 구간에 대해서는 용수궤적에 따라 추가로 도 15과 같이 수평배수공을 설치한다. 사면 표면부의 세굴로 인한 얕은 파괴(shallow failure) 발생은 지속적인 강우에 의해 느슨한 상태로 풍화된 표면부로 우수가 침투되어 표면부터 일정심도까지 포화상태로 유지되어 흙의 전단강도특성을 현저히 저하시켜 파괴발생이 이루어진다. 따라서, 이에 대한 해석은 다음과 같이 수행한다.

앞장의 역해석 방법은 실시예 3 기법을 활용하여 지하수위가 없는 상태조건에서 1차적으로 임계파괴선 하부지층은 매우 안정된 지층으로 고려하고, 2차적으로 이를 임계파괴선 상부지층을 지하수위선을 표면부에 위치하는 것으로 안정해석을 실시한다. 역해석에 의한 임계파괴선 하부지층은 파괴가 되지 않는 조건으로 가정한다. 보강대책은 흙의 강도 특성을 증가시키고, 물의 영향을 (지하수위에 의한 간극수압 증가) 배제시키는 방법으로 보강소요억지력을 네일의 인장력(주변마찰력)에 의한 겉보기 점착력 증가 효과와 수평배수공에 의한 수위저하 방법으로 상기에 언급된 방법을 사용한다.

상기 안정조건에 충족되도록 설계 시공단면을 결정한다. 설계 시공단면에 따라 시공을 한 후에는 표면처리를 하게 되는데, 표면은 금속지압판 및 PVC 코팅철망을 부착하고 천연단섬유가 함유된 인공객토 식생공으로 한다.

표면처리는 네일 보강재 사이의 표면부 토사가 소성변형에 의해 최대한 변형될 경우를 고려하여 표면처리에 사용될 PVC 코팅철망의 안정조건은 도 16을 참조하여 설명하면 다음과 같다.네일 사이 단위연장 m당 표면부 변형단면은, 네일 사이 단위연장 m당 표면부 변형단면의 중량은(t/m)(표면부 단위중량고려시), 네일 사이 단위 연장 m당 객토의 단면(두께 10cm 고려시), 네일 사이 단위연장 m당 객토의 중량(객토의 단위 중량 고려), PVC 코팅철망 심선의 본당 허용 인장강도, 네일 개소당 결속될 PVC 코팅철망의 심선 가닥수는 n본 일 때 단위 연장 m당 PVC 코팅철망 심선의 허용 인장강도(는 시공수평간격)로 표시된다. 따라서, PVC 코팅철망의 안정조건은 다음과 같다.

이므로,사용철망의 심선 단면적

여기서,는 심선의 본당 단면적, n은 심선의 결속 가닥수,는 심선의 허용인장강도,은 네일의 수평간 거리,은 네일의 수직간 거리이며,는 표면부 변형단면과 인공객토의 활동저항력이고,는 표면부 변형단면과 인공객토의 활동힘을 나타내며, 그 값은 하기 수학식 25와 같다.

로 표시된다.만일, c'=0 일 때 c'는 객토와 표면부 사이에 발휘될 점착력으로써 이는 한계평형조건에 해당되어와 같게 된다.

이 때이다. 여기에서, c 및는 표면부의 소성변형구간에 대한 흙의 점착력 및 내부마찰각이고, c' 및는 객토와 표면부 사이에 작용될 경계면에 대한 점착력 및 내부마찰각이다.

PVC 코팅철망이 결속되면, 표면부의 소성변형 및 풍화진행에 의한 침식 및 토사유출 방지를 위해 일반 인공객토 또는 천연섬유(단섬유)를 혼합시킨 인공객토 뿜어 붙이기 식생공으로 표면부 처리를 수행한다.

따라서, 경사면 보강방법은 상기 설계된 시공단면에 따라서 도 17과 같이, 천공지점에 대한 위치를 표시하고 표시된 지점에 대한 천공작업을 하여 철근을 삽입설치하고 시멘트, 물 및 고유동화재를 혼합한 그라우트를 배합하여 상기 철근 주변에 중력식 방법으로 주입한 후, 경사면에 사면배수공을 시공하고 표면에 금속지압판 및 PVC 코팅철망을 설치하며, 경사면에 일반 인공객토 또는 천연단섬유를 혼합시킨 인공객토를 뿜어 붙이기 식생공법으로 시공한다. 도18은 네일두부에 이중너트를 결속시킨 도면으로, 네일에 주금속지압판, PVC 코팅철망 및 보조금속지압판을 부착하고 이중너트로 조임하여 네일에 결속시킨다.

본 발명에 따르면, 이미 조성된 경사면을 보강하여 안정성을 확보함과 더불어 불안정한 경사면을 자연상태로 복원시키거나 조경측면에서 환경친화적인 방법으로 보강할 수 있으며, 지반의 변형 및 붕괴상태에 따라 현장여건에 맞도록 역해석방법에 의해 강도 특성을 규명하고 보강토 이론을 응용하여 외적안정조건을 검토한 후 내적안정조건을 검토하여 시공하므로 실제현장에 맞는 시공을 할 수 있으며, 저렴한 비용으로 안전하고 신속한 시공을 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 변형된 경사면의 적용 한계성에 대한 지하수위, 사면형태, 토질상태 및 암반절리 방향성을 검토하고, 이를 기초로 하여 변형된 지반 특성에 맞도록 잔부(Janbu) 방법을 이용하여 점착력 및 내부 마찰각을 포함한 토질정수를 결정하는 단계;

   상기 토질정수를 이용하여 잔부 방법으로 경사면의 안정성을 해석하여 경사면의 활동파괴력 및 저항력을 산정하는 단계;

   상기 경사면의 저항력을 증가시키기 위해 보강재를 시공할 보강구역 단면을 계획하는 단계;

   지하수위 조건을 검토하여 수평배수공의 위치 및 수량을 결정하여 경사면의 외적 안정성을 검토하는 단계;

   보강재의 인발력 및 전단 능력을 고려하여 임계 파괴 단면에 대한 보강구역 내부에 대한 내적 안정성을 확인하는 단계 및;

   상기 외적 안정성 및 내적 안정성을 충족하도록 설계도면을 작성하고 보강 시공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보강재에 시공간격에 따라 증가되는 겉보기 점착력()은 SD40:Φ25M/M 이형철근 사용시에는~, SD40:Φ29M/M 이형철근 사용시에는~, SD40:Φ32M/M 이형철근 사용시에는~(t/㎡)인 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 보강 시공하는 단계는

   상기 설계도면에 따라 경사면에 보강재를 삽입설치하는 단계;

   시멘트, 물 및 고유동화재가 혼합된 그라우트를 배합하여 상기 철근 주변에 중력식 방법으로 주입하는 단계;

   상기 설계도면에 따라 경사면에 사면배수공을 보강영역의 외부까지 연장되도록 설치하는 단계;

   상기 경사면 표면에 주금속지압판, PVC 코팅철망 및 보조금속지압판을 설치하여 보강재를 고정시키는 단계;

   상기 경사면 표면에 일반 인공객토 또는 천연단섬유를 혼합시킨 인공객토를 뿜어 붙이기 식생공법으로 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 보강구역 단면은

   사면의 안전율이 1.4 이상인 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 토질정수를 결정하는 단계는

   현저한 절리방향성이 존재한 풍화잔류토층 사면 및 암반 사면인 경우에는 사면이 한계 평형상태 조건에서, 사면 절리경사각()을 내부 마찰각()으로 결정하고, 이 때 점착력()을 역으로 산출하여 결정하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 토질정수를 결정하는 단계는

   불포화토사 절취사면 지반인 경우에는 직접 전단시험에 내부 마찰각()을 결정하고, 한계 평형상태 조건에서, 내부 마찰각이 상수일 때() 점착력()을 역으로 산출하여 결정하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 토질정수를 결정하는 단계는

   사면이 붕괴 또는 변형 발생인 경우에는 직접 전단시험에 의해 내부 마찰각()을 결정하고, 현장변형모델과 적합한 파괴 예상선을 고려하여 한계 평형상태 조건에서 점착력()을 역으로 산출하여 결정하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 토질정수를 결정하는 단계는

   사면이 불안정 상태로 한계평형상태인 불규칙적인 층상 단면을 형성하는 경우에는, 1차적으로 상부 사면 최하단부에 임계파괴선이 통과하며 상부 사면 시료에 대한 직접 전단시험에 의해 내부 마찰각()을 결정하여 한계평형상태 조건에서 점착력()을 역으로 산출하여 결정하고, 2차적으로 하부 사면 최하단부에 임계파괴선이 통과하며 하부 사면 시료에 대한 직접 전단시험에 의해 내부 마찰각()을 결정하여 한계평형상태 조건에서 점착력()을 역으로 산출하여 결정하는 것을 특징으로 하는 역해석 방법을 이용한 경사면 보강방법.