대절토사면 안정검토를 위한 지침(한국도로공사 설일16210-226)

1. 목적

절토사면의 안정성 여부는 공사비와 공기는 물론 사면 하단부의 도로 구조물이나 통과 차량의 안전에도 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러나 현행 설계방법은 대상 사면에 대한 물성 및 공학특성을 고려치 않고 암석의 강도에 따라 절취 각도를 결정하고 있어, 그 효과가 적고 절취 후의 사면붕괴에 대한 위험성이 남아 있게되는 등의 불합리한 문제점이 있다.

따라서 절토사면에 대한 면밀한 지반조사 및 재시험 등을 실시하고, 이를 분석 파악하여 합리적이고 경제적인 사면설계가 이루어질 수 있도록 하고자 한다.

 

2. 분석과정

 

3. 검토구간 선정

절취사면 높이 20m 이상을 원칙으로 하되 아래와 같은 경우는 그 이하에 대해서도 현장조건에 따라 안정성 분석을 시행한다.

- 구성지반이 붕적층 혹은 퇴적층인 경우

- 현재까지 랜드 슬라이딩이나 산허리 붕괴의 이력이 있고 불안정한 상태에 있는 지반의 경우

- 지하수위가 높고 용수가 많은 곳

- 주변의 기존 구조물 (철탑 등)에 나쁜 영향을 미칠 것으로 예상되는 경우

 

4. 지반조사 및 시험

- 조사시험의 종류 및 내용

 

5. 절취사면 구배의 설계기준

5.1 절취사면 구배의 설계기준

 

5.2 절취사면 구배 결정

- 최근의 공사에서 암반의 절취구배가 완화되기 시작하였으나 실제로는 그 효과가 적으므로 암반사면 절취후에 붕괴위험이 남아있는 경우가 있다.

- 즉 경암으로된 암반이라도 불연속면으로 인한 붕과의 위험이 없으면 1:0.5(63°)보다 더 급한 구배이어도 안전하며, 반면에 같은 경암이라도 불연속면으로 인한 붕과 위험이 예상되면 구배를 1:0.5 보다 낮추거나 보강공법을 시행해야 안전하게 되는 경우가 있다.

- 그러므로 사면구배의 결정은 반드시 각 절취사면의 특성에 맞는 사면설계로 최적의 절취구배를 결정하여야 한다

 

5.3 절리방향을 고려한 사면구배 결정의 예

- 지표지질조사 및 보링조사에 의해 파악된 절리의 방향성 및 발달상태에 따라 각각의 사면에 대하여 안정해석을 실시하여 절토사면 구배를 결정함

- a ~ a' 사면

붕괴의 위험이 없는 사면으로, 경암층이라도 표준구배인 1:0.5보다 더 급한 구배이어도 안정성 확보가 예상되어지므로 FEED BACK 작업을 통하여 합리적인 절토사면 구배를 적용한다.

 

- b ~ b' 사면

붕괴의 위험이 예상되는 사면으로, 경암층이라도 표준구배인 1:0.5보다 더 낮추거나 보강공법올 시행해야 안정성 확보가 이루어질 수 있는 사면

 

6. 안정해석 방법

6.1 안전율

- 이론상으로는 산정된 안전율이 1보다 크면 안전한 것이지만, 실제에 있어서는 안전율이 허용 안전율 이상 되어야 안전한 것으로 판정됨.

 

6.1.1 허용안전율의 역할

1) 자료의 불확실성에 대한 대비수단

- 강도정수의 불확실성

- 하중의 불확실성

- 파괴 모델의 불확실성

 

2) 사면변형을 허용치 이내로 제한하는 기능

 

6.1.2 허용안전율의 기준

- 전단강도 측정, 사면의 기하학적 조건 및 기타조건에 대한 불확실 정도

- 사면의 경사를 완화시키거나, 높이를 감소시키는데 소요되는 비용

- 사면 파괴시의 피해액과 결과

- 사면이 영구 구조물인가 일시 구조물인가의 판단

 

6.1.3 국내외 적용기준 현황

허용 안전율에 대한 설계기준은 지역과 공사내용에 따라 상이하나, 대체로 1.1~1.5 정도의 범위임

 

6.1.4 적용기준

사면의 안전율은 재하 조건 아래서 피해의 정도와 경제성에 따라 선택되며, 고속도로의 절토사면 붕괴시 재산의 피해가 크게 예상되므로 영구적인 안전을 도모하기 위하여 타당하게 적용하여야 함

 

1) 암반

- 건기시: 인장균열면이나 활동면을 따라 수압이 작용되지 않음

- 우기시: 인장균열면이나 활동면을 따라 작용되는 수압을 Hw=1/2H로 가정하여 적용

 

2) 토층 및 풍화암

- 건기시: 지하수위 미고려

- 우기시: 지하수위는 지표면에 위치

 

6.2 토층 및 풍화암 사면안정 검토

- 상부 토층 및 풍화암을 대상으로 암반사면 구배조정에 따라 한계평형 이론을 이용한 사면안정해석 프로그램에 의하여 안정해석을 함

 

6.2.1 사면해석 프로그램

사면안정해석 프로그램에는 많은 종류가 있으나, 여기서는 STABR, STABGM, SL0PE8R, PCSTABL5, UTEXAS, MALE, PC-SLOPE, STABRD, STABL등의 9가지 프로그램에 대하여 소개한다.

1) STABR

- Bishop의 간편법이나 Fellenius 방법을 이용하여 원호 파괴면에 대하여 가장 작은 안전율을 구하는 프로그램

 

2) STABGM

- 이론적 배경은 Stabr와 같으나 보강재를 사용함으로써 저항 모멘트가 증가된 사면의 안전율을 구할 수 있음

 

3) SLOPE 8R

- 이 프로그램은 Spencer 방법의 이론을 배경으로 한 것으로 사용자가 지정한 비원호 활동면에 대한 안전율을 산정할 수 있음

 

4) PC STABL 5

- 원호 파괴면 : Bishop 간편법

- 일반형상의 파괴면 : Janbu 간편법

- 원호와 일반 형상의 파괴면 : Spencer 절편법

 

5) UTEXAS

- 사용자가 지정한 활동면에 대한 안전율을 계산하거나 임의 발생에 의한 활동면 중에서 가장 작은 안전율의 활동면을 구하는 프로그램

- 사면의 단기안정과 장기 안정해석, 인장균열과 같은 변수들의 영향, 지진하중에 근접한 지진계수, 사면위에 가해지는 다양한 상재하중, 다양한 지하수 조건 등을 고려하여 해석 가능

- 가상 파괴면의 형상 : 원호, 비원호, Block 파괴면에 대해 해석가능

 

6 ) Male

- 흙사면이나 암반사면의 안정해석을 유효응력 방법으로 수행

- 사용자가 지정한 가장 파괴면을 최고 100개의 활동면에 대하여 해석

 

7) PC-Slope

- 사용자가 지정한 가상활동면 안전율을 구하거나 임의발생에 의한 가상활동면을 구함

- Fellenius 방법, Bishop 의 간편법, Janbu의 간편법, Spencer방법, 일반한계평형방법, Morgenstern-Price 방법, Lowe-Karafiat방법, Corps of Engineers 방법을 선택적으로 사용

 

8) Stabrd

- 급격한 수위 강하 동안의 사면안정에 대한 안전율을 계산

- 가장 낮은 안전율을 가지는 임계활동면에 대한 해석과 원호 및 사용자가 사용자가 지정한 가상활동원호에 대한 해석, 인장균열의 유무, 균열속의 지하수유무 등에 따른 해석 가능

 

9) Stabl

- 전단활동 파괴면에서의 한계 평형상태를 해석하여 완전한 평형을 이루지 못하는 임계면을 Random하게 추적하여 임계 활동파괴면을 찾아내는 방법

- 이 방법은 해석하기가 용이하고 해석 소요시간을 간소화 할 뿐만 아니라 안전율(Safety Factor)이 상당히 정확하게 산정됨

 

6.2.2 프로그램 사용시 유의점

1) 간극수압, 단위중량, 강도정수 등 입력변수의 합리적 적용

2) 사용자의 컴퓨터 프로그램에 대한 이해도 여부

3) 사용자와 검토자의 결과에 대한 분석 검토능력 여부

4) 평형조건을 모두 만족시키는 사면안정 해석방법은 사실상 정해에 가까운 안전율을 산정하므로, 여러 프로그램을 피상적으로 이해하기 보다는 하나의 프로그램에 대한 장·단점과 기능을 숙지해야함

 

6.3 암반의 사면안정 해석

- 1차 해석 : 현장의 노출암에 대한 지표지질조사, 지질도폭 및 시추초사의 암반 불연속면을 고려하여 평사투영법에 의한 개략적인 안정성을 평가

- 2차 해석 : 1차해석 후 파괴발생 내지 잠재적 파괴 가능성을 가진 사면에 대해 한계평형식에 의한 사면안정 해석을 함

 

6.3.1 평사투영법

1) 개요

- 사면의 방향과 경사, 절리면의 방향과 경사 및 전단저항각을 고려하여 암사면의 안정성을 개략적으로 검토하는 방법

- 암사면의 4가지 파괴형태에 대한 평사투영법의 일반적인 Polt 결과는 다음과 같음

 

2) 사면의 안정성 평가

- 아래의 그림은 임의로 가정된 6개의 불연속면에 대한 안정성을 평가하는 방법임

 

가) 지역(ZONE)의 안전성 평가

① 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 큰 Daylight 로서 불안정한 지역임.

② 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 작은 Daylight로서 안정한 지역임.

③ 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 작으며 Daylight도 아닌 안정한 지역임.

④ 지역 : Toppling 붕괴의 위험성이 잠재된 불안정한 지역임.

⑤ 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 크더라도 Daylight나 Topping Envelope가 아니므로 안정한 지역임.

 

나) 불연속면의 안전성 평가

a) 평면형 붕괴의 가능성이 있는 면은 불연속면 "3" 이며,

b) 쐐기형 붕괴의 가능성이 있는 면은 불연속면 "2"와 "3" 및 "3"과 "4"의 조합면이지만, 실제로 불연속면 "3"에 대한 평면형 붕괴보다는 덜 위험하다.

c) Toppling 붕괴의 가능성이 있는 면은 불연속면 "6"이다.

 

6.3.2 한계 평형식을 이용한 사면안정 해석

1) 평면파괴

가) 해석을 위한 가정

① 활동면과 인장균열 주향은 사면방향에 평행하다.

② 인장균열은 수직이고 인장균열 깊이 (Zw)까지 물이 차 있다.

③ 물은 인장균열면의 저부를 따라 활동면으로 들어가고 활동면을 따라 침윤한다.

④ 각각의 힘 W(Sliding block의 무게), U(활동면에서 수압에 의해 위로 작용하는 힘), V(인장균열에서의 수압)들은 활동체의 중심을 향해 작용한다.

⑤ 활동면에서의 전단강도는 식 \( \tau = c + \sigma tan \phi \) 에 관계된 점착력(c)과 내부마찰각(\( \phi \))에 의해서 정의된다.

 

나) 평면파괴의 안전율

 

다) 지하수의 조건에 따른 평면파괴의 안전율

 

2) 쐐기파괴

 

7. 맺음말

대절토 구간의 사면안정 검토는 토질 및 암반 역학적인 관점에서 탄성파탐사, 보링조사 등의 공학적인 조사와 시험을 실시하고, 암반 불연속면의 특성을 파악하여야 보다 합리적인 검토가 이루어 질수 있다.

 

(1) 검토대상

- 절취사면 높이 20M이상을 원칙으로 하되 기존에 랜드 슬라이딩의 경력이 있거나 구성지반이 붕적층인 경우 등 불안정 상태의 사면에 대해서는 그 이하일지도 사면안정 해석을 실시해야함

 

(2) 안전율

- 사면의 안전율은 피해의 정도와 경제성에 따라 선택되며, 고속도로의 절토사면 붕괴시 재산의 피해가 크게 예상되므로 영구적인 안전을 도모하기 위해 아래와 같이 적용함

 

(3) 분석과정

① 초기의 사면 설계 단계에서는 국부적인 암반의 안정성을 판단하기 보다는 전체적인 암반의 해석이 중요하므로 여러단계의 조사에 의해 나온 결과를 가지고 대표적인 불연속면의 공학적인 특성을 고려하여 평사 투영법 시행

② 평사투영법에 의해 불안정한 것으로 판단된 사면에 대해 한계평형식을 이용하여 안정성 분석 시행

③ 토층 및 풍화암층에 대해서는 한계평형식에 의한 수치 해석 프로그램을 사용하여 복합적으로 사면구배의 안정해석을 수행

④ 현재 사용되는 사면구배의 설계기준은 경험에 의한 일반적인 구배로 암반의 지질 및 절리상태에 따라 과다 및 과소한 구배가 될수 있으므로 사면안정 계산의 FEED BACK 작업을 통하여 경제적이고 합리적인 구배를 결정해야함

⑤ 20M이상 대절토부의 경우 탄성파탐사를 필히 시행하여 파쇄대등 불연속면의 존재를 사전 확인 하므로서 공사중, 유지관리시 대규모 사면파과 등이 발생되지 않도록 하여야 함

 

대절토사면 안정검토를 위한 지침(한국도로공사 설일16210-226).pdf

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