1. 서 론
2. 현장조사 및 설계단면검토
2.1 개요
2.2 지층조건 및 설계지반정수
3. 수치해석
3.1 수치해석 조건
3.2 시공방식에 따른 안전율 비교
3.3 지반 강도에 따른 안전율 비교
4. 결 론
1. 서 론
국내 산지는 국토 면적의 약 70%를 차지하고 있어 토목공사 부지를 확보하기 위해서는 산지 경사면의 절취가 불가피한 실정이다. 절취로 형성된 인공사면은 일반적으로 평지와 달리 공사비 증가, 토공량 확대, 환경훼손 등의 문제를 수반하며, 특히 지반 안정성 저하로 인해 구조적 보강을 위한 옹벽 설치가 필수적으로 요구된다. 기존의 일반적인 옹벽 공법은 주변 지형에 대한 유연성이 부족하여 설치 대상물로부터 이격된 위치에 시공되며 넓은 작업 공간 확보가 필요하고, 뒤채움 공정이 복잡해 시공 기간이 증가하는 단점이 있다. 또한, 양생과정에서 환경요인에 따라 반복적인 팽창·수축이 발생하면서 균열 등 구조적 문제도 나타난다(Lee et al., 2010).
Yoo(2013)는 습윤-건조 반복에 노출된 옹벽의 시간 의존적 거동이 강우강도와 선행강우량, 특히 선행강우에 따른 포화도 변화에 크게 영향을 받는다고 보고하였다. 이러한 기존 옹벽의 문제점을 보완하기 위해 최근에는 비탈면 형성으로 인한 토공량과 환경훼손을 최소화하고, 제한된 용지를 효율적으로 활용할 수 있는 방안으로 프리캐스트 콘크리트 판넬을 이용한 판넬식 옹벽의 적용이 증가하고 있다.
판넬식 옹벽은 원지반의 강도를 최대한 보존하면서 Soil Nailing 및 Earth Bolt 등의 지보재를 통해 전단강도를 증대시키고 전면판 역할을 하는 프리캐스트 판넬을 체결함으로써 수평토압에 효과적으로 저항하는 구조를 형성한다. 또한 공장에서 사전 제작된 판넬을 현장에서 조립하는 방식으로 시공되기 때문에 시공기간 단축, 공사비 절감, 굴착량 최소화 등의 장점을 통해 시공성과 경제성 측면에서 우수한 효율을 제공한다. 이러한 장점에 기반하여 판넬식 옹벽에 대한 실험적 및 수치해석적 연구가 국내·외로 활발히 수행되고 있다.
국외 연구로는 Fuenta et al.(2011)이 프리캐스트 콘크리트 판넬의 앵커 유형, 콘크리트 피복 두께, 보강재 종류에 따른 영향을 분석하였으며, Tiwary et al.(2022)은 유한요소해석을 통해 프리캐스트 콘크리트 판넬식 옹벽이 중력식 옹벽과 캔틸레버식 옹벽에 비해 응력과 변형이 적어 가장 효율적인 대안임을 확인하였다. 국내 연구로는 Min et al.(2016)이 원지반 부착식 옹벽을 대상으로 실내실험, 현장시험 및 수치해석을 통해 구조적 안정성을 검토하였으며, Kwon et al.(2020)은 Top-down 방식이 Bottom-up 방식보다 변위가 적게 발생하는 경향을 보고하였다. 또한, Kwon et al.(2021)은 건기 및 우기 조건에서 수평배수공과 중앙배수공 설치 유무를 고려한 안정성 분석을 수행하였으며, 이를 통해 Top-down 시공 시 불투수층의 존재가 안전율에 영향을 미치고 적절한 배수계획이 구조적 안정성 확보에 중요한 요소임을 확인하였다.
그러나 현재 실무에서는 여전히 Bottom-up 방식이 주로 적용되고 있으며, 이에 따라 시공방식에 따른 구조적 안정성의 정량적 비교·분석이 필요하다. 이에 본 연구에서는 임시 사면의 안정성 문제로 인해 시공방식에 대한 사전 안정성 검토가 이루어지지 않았던 전라남도 영광군 소재 OO현장의 판넬식 옹벽을 대상으로 하였다. 시공방식(Top-down, Bottom-up)과 강우조건, 지반 강도정수 등의 변수를 고려하여 시간별 안전율 변화를 비교·분석하였으며, 강우침투를 고려한 수치해석을 통해 안정적인 옹벽 시공을 위한 효율적인 시공 방안을 도출하고자 하였다.
2. 현장조사 및 설계단면검토
2.1 개요
본 연구 대상지는 전라남도 영광군 소재 OO현장의 판넬식 옹벽 현장이다(Fig. 1). 해당 현장은 당초 Bottom-up 방식으로 시공이 계획되었으나, 공사 중 임시 사면의 안정성이 확보되지 않아 Top-down 방식으로 변경하여 시공이 이루어졌다. 이는 임시 사면의 안정성 문제로 인해 시공방식(Top-down, Bottom-up)에 대한 사전 안정성 검토가 이루어지지 않았기 때문이다. 이에 따라, 시공방식에 따른 판넬식 옹벽의 안정성과 시공성을 확보하기 위해 수치해석을 수행하였다.
2.2 지층조건 및 설계지반정수
대상지역은 상부 풍화토, 하부 풍화토, 풍화암으로 구성된 총 35m 두께의 절토부 사면이며, 각 층의 두께는 각각 15m, 10m, 10m로 구성되어 있다. 해당 사면에는 Fig. 2와 같이 Top-down 방식으로 판넬식 옹벽이 시공되었다. 옹벽은 한 소단 기준으로 상부 두께 0.20m, 하부 두께 0.35m, 높이 2.5m로 제작되었으며, 사면 하단부터 상단까지 총 4단으로 구성되어 있다. 또한 시추조사를 통해 채취한 불교란 시료를 대상으로 실내토질시험 및 직접전단시험을 수행하였다. 시험 결과와 시추조사 결과를 바탕으로 도출한 지반정수는 사면안정해석에 활용하였으며, 관련 값은 Table 1에 제시하였다.
3. 수치해석
3.1 수치해석 조건
수치해석을 위한 모델링은 시간별 강우 침투해석과 한계평형해석을 연계해서 사용하였으며, 판넬식 옹벽의 조건에 따른 강우 침투 특성과 이에 따른 안전율 변화를 비교·분석하였다(GeoStudio, 2024; Kim et al., 2022). 본 해석에 사용된 모델 Fig. 3은 Top-down 시, Fig. 4는 Bottom-up 방식의 모델링을 나타낸다. 사면구성은 앞서 언급한 바와 같이 상부 풍화토, 하부 풍화토, 풍화암으로 구성되어 있으며, 보강재로는 앵커를 적용하였다. 앵커의 길이는 사면 파괴 활동면의 범위를 고려하여 1단과 2단에서는 10.5m, 3단과 4단에서는 11.5m로 설정하였다. 지하수위는 현장 지반조사 결과에 따라 해석에 고려하지 않았으며, 강우조건은 Table 2에 제시된 바와 같이 기상청(www.data.kma.go.kr)에서 제공하는 전라남도 영광군 지역의 강우자료를 활용하였다.
Table 2.
Yeonggwang-gun, Jeollanam-do, July 2023 Precipitation (Korea Meteorological Administration)
활용한 강우자료는 영광군 지역 장마기간 중 실제 현장에서 1단 시공에 약 2주가 소요된 점을 고려하여 14일 연속 강우가 발생한 시기를 선별하여 적용하였다. 시간 간격은 강우 지속에 따른 간극수압 변화와 안정성 변화를 분석하기 위해 하루 간격으로 설정하였다. 사면의 시간별 침투-안정성 분석을 위해서는 지반의 함수특성곡선과 불포화 투수계수 함수가 필요하며, 본 연구에서는 침투해석 프로그램에서 제안한 대표함수를 참조하여 Fig. 5와 같이 적용하였다. 시공방식에 따른 수치해석은 현장에서의 실제 시공 절차를 그대로 반영하여 진행하였으며, 각 시공방식에 대한 수치해석 모델은 Fig. 6, Fig. 7과 같다.
3.2 시공방식에 따른 안전율 비교
수치해석에 필요한 지반물성치는 Table 1의 값을 적용하였으며, 강우조건은 Table 2의 강우자료를 바탕으로 일자별 실제 강우강도 값을 반영하여 시공방식에 따른 단계별 안전율의 변화를 비교·분석하였다. 특히, 동일한 강우조건에서 Bottom-up과 Top-down의 시공방식에 따른 각 시공 단계별 안전율을 비교하여 시공방식의 안정성 차이를 평가하였다.
Fig. 8과 Fig. 9는 각각 Bottom-up 방식 및 Top-down 방식으로 시공된 판넬식 옹벽의 1단 부터 4단까지에 대해 동일한 강우조건하에서 강우지속시간에 따른 안전율의 변화를 나타낸다. 특히 1단 구간은 시공 초기의 구조적 안정성 확보에 있어 가장 핵심적인 구간으로 그 안정성은 전체 시공에 직접적인 영향을 미친다. 이에 따라 강우 지속 시간에 따른 시공 단계별 안전율 변화를 시공방식별로 정리하였으며, 그 결과를 Table 3에 제시하였다.
Table 3.
Changes in safety factor according to construction method
Bottom-up 방식의 경우, 2~4단의 시공과정에서는 우기시 기준안전율(Fs=1.3)을 크게 상회하였으나, 1단의 경우 이를 만족하지 못하였다. 특히, 강우 지속 3일차 부터 Fig. 10(a)와 같이 표층에 포화층이 형성되면서 안전율이 급격히 저하되어 우기시 기준 안전율을 만족하지 못하였다. 이후 강우 지속 11일차에는 Fig. 10(b)와 같이 최저 안전율인 ‘Fs=1.030’을 기록하였으며, 이는 수치해석상 붕괴 임계 기준인 ‘Fs=1.0’에 근접하여 구조적으로 매우 불안정한 상태임을 확인할 수 있었다. 시공 단계가 상단부로 올라갈수록 안전율이 증가하는 경향을 보이지만 하단부의 불안정성은 시공 전 보강 대책 마련이 필요함을 시사한다.
반면, Top-down 방식의 경우 모든 시공 단계에서 강우 지속 기간 동안 안전율이 ‘Fs=1.7’ 이상으로 유지되어 Bottom-up 방식보다 우수한 안정성을 보였다. 특히, 시공초기 1단에서도 강우지속 14일 동안 기준 안전율 이하로 저하되는 구간이 나타나지 않았다. 이는 시공 초기 단계인 1단에서부터 충분한 안정성이 확보되었다는 점에서 중요한 의미를 가지며, 이후 시공 단계의 구조적 안정성 확보에도 중요한 영향을 미친다. 결과적으로 Top-down 방식은 강우 침투 조건에서 전 구간에 걸쳐 높은 안정성을 유지함으로써 사면 안정성 확보에 있어 보다 효과적인 시공방식임을 확인할 수 있었다.
3.3 지반 강도에 따른 안전율 비교
지반 강도 특성이 시공방식별 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해 지반정수를 세가지 조건으로 Table 4와 같이 분류하여 수치해석을 수행하였다. 분석에 적용한 지반정수는 점착력(c)과 내부마찰각(ϕ)을 기준으로 설정하였다. 지반정수 선정기준으로는 Kim and Lim(2012)을 참고하였으며, 화강 풍화토의 역학적 특성이 점착력 2.0kPa~36kPa, 내부마찰각 27°~37° 범위에 해당함을 고려하였다. 비록 본 연구 대상 지반과 정확히 동일하지는 않지만, 강도정수의 설정 범위를 합리적으로 도출하기 위한 기준으로 활용하였다.
Table 4.
Soil strength characteristics by case
| Type | Cohesion (kPa) | Friction Angle (°) |
| case 1 | 5 | 27 |
| case 2 | 25 | 25 |
| case 3 | 20 | 30 |
Case 1은 점착력 5kPa, 내부마찰각 27°로 구성하였으며 이는 풍화토의 장기적인 강도 저하, 기상조건 변화, 시공 중 지반 교란 등 최악의 시나리오를 반영한 하한값 조건이다. Case 2는 점착력 25kPa와 내부마찰각 25°를 적용하여 현장 지반의 물리적 편차 혹은 최적 조건을 고려한 상한값 조건으로 설정하였다. Case 3은 실내시험 결과를 바탕으로 도출된 점착력 20kPa, 내부마찰각 30°의 실측 기반값으로 풍화토의 평균적인 강도특성을 반영하였다.
Fig. 11과 Fig. 12는 각각 Bottom-up 방식과 Top-down 방식의 1단부 구간에 대해 지반정수 변화에 따른 강우 지속 시간별 안전율 변화를 비교한 것이다. 특히 본 연구에서는 시공 초기 단계인 1단부의 구조적 취약성에 대해 분석하였다. 이에 따라 지반정수 변화에 따른 사면 안정성 분석은 1단부를 중심으로 시공방식에 따라 분석하였으며, 그 결과는 Table 5에 제시하였다.
Table 5.
Comparison of safety factors according to changes in ground strength
Bottom-up 방식의 경우 강도가 가장 낮은 조건인 case 1(c = 5kPa, ϕ = 27°)에서 안전율이 초기부터 기준 안전율(Fs=1.3)을 만족하지 못하였으며, 강우 지속 3일차 이후에는 ‘Fs=0.503’을 기록하여 구조적 붕괴 위험이 높은 것으로 나타났다. 상한값(case 2)의 경우, 강우 초기 1~2일차까지는 우기시 기준 안전율을 만족하였으나 4일차 부터 안전율이 급격히 저하되기 시작하였다. 실측 기반값(case 3) 또한 강우 초기에는 기준 안전율을 충족하였으나 강우가 지속됨에 따라 안전율이 점차 저하되어 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
Top-down 방식의 경우, 동일한 지반조건에서도 전체적으로 더 높은 안정성을 보였다. 강도가 가장 낮은 case 1 조건에서도 최소 안전율 ‘Fs=1.433’를 기록하였으며, 이는 Bottom-up 방식 대비 약 0.9 이상의 차이를 보였다. 이러한 결과는 Top-down 방식이 초기 시공 단계에서의 지반조건 변화에 덜 민감하게 반응하며, 강우 침투 조건에서도 높은 안정성을 유지함을 시사한다.
4. 결 론
본 연구는 전라남도 영광군에 위치한 OO현장의 판넬식 옹벽을 대상으로 시공방식(Top-down, Bottom-up), 강우조건, 지반 강도 등의 변화를 고려하여 시간에 따른 안전율의 변화를 분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 시공방식별 안정성 비교 결과, Top-down 방식은 전 시공 단계에서 우기시 기준 안전율(Fs=1.3)을 안정적으로 만족하였으며, 초기 1단 시공 단계에서도 강우가 지속되는 14일 동안 안전율 저하가 발생하지 않았다. 반면, Bottom-up 방식은 1단 시공 시 기준 안전율을 만족하지 못하였으며, 강우 지속 4일차부터 안전율이 붕괴 임계값(Fs=1.0)에 근접하는 등 초기 시공 단계에서 구조적 취약성이 뚜렷하게 나타났다.
(2) 지반 강도 조건 변화에 따른 분석 결과, Bottom-up 방식의 1단 시공은 강도 조건에 매우 민감하게 반응하였다. 보수적 조건(case 1: c = 5kPa, ϕ = 27°)에서는 안전율이 0.6 이하로 급락하여 사면 붕괴 위험이 매우 높은 것으로 나타났다. 반면, Top-down 방식의 경우 모든 조건에서 기준 안전율을 상회하였으며, 강도 변화에 따른 안전율 감소폭도 비교적 작아 보다 안정적인 거동을 보였다.
(3) 시간에 따른 안전율 변화 분석에서는 두 방식 모두 2~4단계 시공이 진행됨에 따라 안전율이 점차 증가하는 경향을 보였다. 그러나 Bottom-up 방식에서는 1단 시공 단계에서 기준 안전율을 만족하지 못하여 초기 시공 단계의 불안정성이 구조 전체의 안정성 확보에 부정적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 Top-down 방식이 구조적 안정성 측면에서 우수하게 나타났으나, 특정 지반조건과 강우 시나리오에 한정된 결과로 모든 현장에 일반화하기는 어렵다. 따라서 향후 설계에서는 강우 조건하에서의 단계별 안정성 변화뿐만 아니라 시공성, 경제성, 배수계획, 초기 보강 대책 등을 종합적으로 고려하여 시공방식을 선정할 필요가 있다. 특히, 배수계획은 강우 시 지반 내 간극수압 상승을 억제하여 안정성을 확보하는 핵심 요소이며, 이를 통해 시공 초기 단계에서 발생할 수 있는 국부적 붕괴를 효과적으로 예방할 수 있을 것으로 판단된다.
