Journal of the Korean Geotechnical Society. 31 August 2025. 65-75
https://doi.org/10.7843/kgs.2025.41.4.65

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 보일링 발생 메커니즘 및 안정성 검토

  •   2.1 보일링 현상 및 위험요소

  •   2.2 보일링 안정성 검토기준

  •   2.3 연구대상지역 및 지층조건

  •   2.4 보일링 안정성 검토방법

  •   2.5 지반물성값

  • 3. 사질토와 점성토가 교호하는 지층에서의 보일링 검토방법 연구

  •   3.1 Terzaghi 방법에 의한 보일링 검토

  •   3.2 실제 지층조건을 고려한 침투해석에 의한 보일링 검토

  •   3.3 굴착배면 지반 : 점토층, 굴착저면 지반 : 점토층 [A조건]

  •   3.4 굴착배면 지반 : 점토층, 굴착저면 지반 : 모래층 [B조건]

  •   3.5 굴착배면 지반 : 모래층, 굴착저면 지반 : 점토층 [C조건]

  •   3.6 굴착배면 지반 : 모래층, 굴착저면 지반 : 모래층 [D조건]

  •   3.7 투수계수 변화에 따른 보일링 안전율 민감도 검토

  •   3.8 연구의 차별성 및 의의

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시화가 가속됨에 따라 지상공간의 개발 가능성이 점차 한계에 도달하고 있으며, 이를 대체하기 위한 방안으로 지하공간 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 도심지의 대심도 굴착공사는 가용 토지의 확보뿐만 아니라, 지하철, 도로, 공동구 등 주요 기반시설의 설치에 있어 핵심적인 역할을 한다. 그러나 이러한 굴착공사는 지반 특성과 지하수의 영향을 크게 받으며, 부적절한 설계 및 시공은 지반 침하, 인접 구조물의 피해, 흙막이 붕괴 등 다양한 사고로 이어질 수 있다(Han, 2018; Choi et al., 2017; Chang, 2007; Kim, 2017). 이에 따라 흙막이 구조물의 안정성 확보와 지반 침하 방지를 위한 면밀한 검토는 필수적이며, 차수 공법을 포함한 지하수 제어는 중요한 설계 요소로 고려되어야 한다(Cho, 2021). 특히 대심도 굴착의 경우 수두차가 크게 발생함에 따라, 사질토 지반에서는 보일링(Boiling), 점성토 지반에서는 히빙(Heaving) 현상이 발생할 수 있으며, 사질토와 점성토가 교호하는 지반에서는 이 두 현상이 복합적으로 나타날 수 있다. 그러나 현행 설계기준(KDS 21 30 00:2024)에서는 사질토와 점성토가 교호하는 지반 조건에서의 보일링 검토 기준을 명확히 제시하고 있지 않다. 지반굴착 공사의 안정성 확보에 대한 기존 연구에서는 C.I.P. 토류벽의 근입깊이에 따른 안정성 평가(Lee, 2008), 흙막이 가시설 굴착 시 발생 가능한 파이핑(Jung, 2009), 그리고 유한요소해석을 통해 단계 굴착공사에서 히빙 안전율을 확보한 연구(Oak, 2009) 등이 수행되었다. 그러나 점착력 변화에 따른 안전율 영향이나, 교호 지반 조건을 고려한 정량적 해석 연구는 아직 부족한 실정이다.

이에 본 연구는 부산OO 건설현장을 사례로, 사질토와 점성토가 교호하는 지반 조건에서의 보일링 현상을 정량적으로 분석하고자 한다. 이를 통해 Terzaghi 간편식의 한계를 보완하고, 침투해석 기반의 합리적인 검토 방안을 제시함으로써, 실제 지반 조건을 반영한 보일링 안정성 평가 및 보수적 설계 기준 수립에 기여하는 것을 목표로 한다.

2. 보일링 발생 메커니즘 및 안정성 검토

2.1 보일링 현상 및 위험요소

보일링(Boiling)은 굴착 저면에서 상향 침투력이 작용하여 유효응력이 0에 도달함으로써 지반의 전단강도가 상실되는 현상이다(Lee, 2015). 이로 인해 굴착 배면과 저면 간 수위 차이가 존재할 경우, 배면 측 지하수가 저면 방향으로 상향 침투하면서 저면 지반이 이를 견디지 못하고 파괴되어, 지표면에서 물이 끓어오르는 듯한 양상으로 관찰된다.

보일링이 발생하면 Fig. 1과 같이 굴착 저면의 지반이 파괴되고, 흙막이 벽체 구간에서 토사가 유출되며, 지하수위의 급격한 저하로 인해 흙막이 구조물의 지지력이 상실되어 전반적인 붕괴로 이어질 수 있다. 또한, 굴착 영향 범위 내에 위치한 도로나 건축물 등 인접 기반시설에서도 지반 침하가 유발될 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F1.jpg
Fig. 1

Case of ground failure induced by boiling during excavation

보일링은 일반적으로 사질토 지반에서 발생하지만, 사질토와 점성토가 교호하는 지반에서도 발생 사례가 확인되고 있으며, 이에 따른 지반침하 사고도 보고되고 있다. 사고 원인은 다양하나, 대표적으로는 시추조사를 통해 확인된 지층 정보와 실제 굴착 시의 지층 조건이 상이한 경우이다. 예를 들면, 실제 굴착과정에서 확인된 점토층의 두께가 얇아 상향 침투압에 저면 지반이 저항하지 못해 유효응력이 0에 도달하는 경우, 점토층 내부에 존재하나 조사에서 간과한 샌드심이 분포하는 경우, 또는 흙막이 벽체 시공이나 기초파일 관입으로 인해 점토층이 교란되어 점착력이 저하되는 경우 등이다.

2.2 보일링 안정성 검토기준

보일링에 대한 안정성 검토기준은 가설 흙막이 구조물 설계기준(KDS 21 30 00:2024)에 규정되어 있다. 해당 기준에 따르면, 흙막이 가시설은 “흙막이 벽체, 지지구조 및 부재단면에 대한 안정성 검토를 수행하여야 하며, 히빙 및 보일링에 대한 안정성 검토를 통해 굴착 저면의 안정성을 확인하여야 한다. 단, 굴착 저면 또는 흙막이 벽체가 근입된 지층이 풍화암 이상의 단단한 지반으로 구성된 경우에는 히빙과 보일링에 대한 검토를 생략할 수 있다.”고 명시되어 있다.

또한 “보일링 검토 시, 굴착 깊이가 얕거나 수위차가 3.0m 미만인 경우 유선망 해석법을 적용하거나, Terzaghi의 간편식(1922) 또는 한계동수구배를 고려한 방법으로 비교 검토하여, 두 방식 모두의 조건을 만족시켜야 한다. 반면, 굴착 깊이가 깊거나 다층 지반을 굴착하는 경우에는 투수계수 변화에 따른 침투수압을 반영한 침투해석을 통해 안정성 검토를 실시해야 한다.”고 규정되어 있다. 아울러 보일링 및 히빙에 대한 굴착 저면 안정성 안전율 기준은 Table 1과 같이 제시되며, 보일링의 경우 2년 미만의 가설 구조물은 안전율 1.5 이상, 영구 구조물은 2.0 이상의 안전율을 확보해야 한다.

Table 1.

Safety factors for excavation bottom stability (KDS 21 30 00:2024)

Condition Factor of Safety Note
Safety of
Excavation Bottom
Boiling Temporary
(Short Term)
1.5 Sandy Soil
(Short Term is Based on Excavation Under 2 Years)
Permanently
(Long Term)
2.0
Heaving 1.5 Clay Soil

2.3 연구대상지역 및 지층조건

연구 대상지역은 부산시 강서구 ◯◯현장으로, 흙막이 벽체는 지중연속벽(Diaphragm wall, D-wall) 공법이 적용되었으며, Top-down 방식으로 굴착공사가 진행되었다. 가시설 굴착 규모는 Fig. 2Fig. 3과 같이 폭 69.7m × 길이 64.1m이며, 최대 굴착깊이는 약 25.8m로 계획되어 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F2.jpg
Fig. 2

Plan view of underground excavation work

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F3.jpg
Fig. 3

Underground excavation work plan cross-section

지반조사 결과, 대상지역은 상부에서 하부로 매립층, 미고결 퇴적층(상부모래층, 상부점토층, 중부모래층, 하부점토층, 하부모래층, 모래질 자갈층)으로 구성되어 있으며, 미고결층이 약 60m 이상 두껍게 분포하는 것으로 확인되었다. 기반암(연암)은 GL(-70m) 이후 구간에서 출현한다.

2.4 보일링 안정성 검토방법

보일링 안정성 검토 방법으로는 Terzaghi 방법, 한계동수경사법, 유선망 해석법, 침투해석법 등이 있다. 본 연구에서는 Terzaghi 방법과 침투해석법을 활용하여 보일링 안정성 검토를 수행하였다. 침투해석은 MIDAS사의 Soilworks를 사용하였으며, 이를 통해 보일링에 대한 정량적 안정성 평가를 진행하였다. Soilworks는 일반적으로 유한요소해석 프로그램과 마찬가지로 침투해석을 경계치 문제로 분류하며, 사용자가 모델 외각의 경계 조건을 입력하면, 이에 따라 내부 유동 변수들을 계산하는 방식을 따른다.

2.5 지반물성값

본 연구에서 적용한 토질정수값은 기존 보고서(Myeongji Samjeong Greencore, 2019) 및 문헌을 참고하여 Table 2와 같이 선정하였다. 침투해석 시 Silty Sand층은 점착력을 제외하고 해석을 수행하였다. 또한 조사지역에 분포하는 각 지층의 투수성을 파악하기 위해 시추조사와 병행하여 현장투수시험을 실시하였으며 Fig. 4는 그 결과를 나타내는 것이다.

Table 2.

Soil properties

Division γt
(kN/m3)
C
(kN/m2)
ϕ (˚) Es
(kN/m2)
ν N-Value
Buried Layer 18.0 5.0 25.0 12,000 0.30 N=10
Silty Sand Layer(1) 17.5 10.0 22.0 13,000 0.30 N=12
Clay Layer 17.5 28.0 5.0 10,000 0.40 N=1
Silty Sand Layer(2) 18.0 10.0 30.0 19,000 0.30 N=23
Silty Sand Layer(3) 18.0 10.0 30.0 22,000 0.30 N=30
Gravel Sand Layer 19.0 5.0 35.0 100,000 0.25 N=50

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F4.jpg
Fig. 4

Results of field permeability test

3. 사질토와 점성토가 교호하는 지층에서의 보일링 검토방법 연구

3.1 Terzaghi 방법에 의한 보일링 검토

본 연구 대상 현장에 대해, 배면 도로에서 대규모 침하가 발생한 지점(GL-24.4m)까지 굴착이 이루어진 상황을 가정하고, 실무에서 가장 널리 활용되는 Terzaghi 간편식을 이용하여 보일링 안정성 검토를 수행하였다. Fig. 5와 같이 W(보일링에 저항하는 흙의 중량) = 1521.92kN/m, J(보일링을 일으키는 침투력) = 923.4kN/m로 산정되었으며, Terzaghi 방법에 의한 보일링 안전율은 1.648로 나타났다. 이는 국가 가설 흙막이 설계기준에서 제시하는 기준값인 1.5 이상으로 만족하는 것으로 확인되었다. 그러나 Terzaghi 간편식은 침투수압의 발생 위치, 지층의 투수계수 및 점착력을 반영하지 않기 때문에, 이를 종합적으로 고려하기 위해 침투해석 프로그램을 활용한 추가적인 안정성 검토를 실시하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F5.jpg
Fig. 5

Terzaghi (1922) method schematic diagram

3.2 실제 지층조건을 고려한 침투해석에 의한 보일링 검토

침투해석 프로그램(SoilWorks)을 활용한 보일링 안정성 검토에서는 사질토와 점성토가 교호하는 실제 지층을 반영하여 분석을 수행하였다. 이를 위해 굴착 배면과 저면의 투수계수 및 점착력을 고려하여 지층을 네 가지 조건으로 구분하여 검토하였으며, 각 조건은 Table 3에 정리하였다.

Table 3.

Seepage analysis modeling condition

Condition Excavation Back Side
(Inlet Side)
Excavation Bottom Side
(Outlet Side)
Note
A Clay Layer Clay Layer Same as the Research Site
B Clay Layer Sand Layer
C Sand Layer Clay Layer
D Sand Layer Sand Layer

Terzaghi 간편식의 한계를 보완하고자 다음의 요소들을 침투해석에 반영하였다. 첫째, 지하수의 침투 위치를 고려하여 흙막이 벽체의 근입 구간을 등분하고, 각 구간별 침투압 산정 위치에 따른 간극수압 분포를 분석하여 이를 해석에 적용하였다. 둘째, 각 지반의 특성을 반영하기 위해 사질토 및 점성토에 대해 현장 투수계수 시험값을 직접 적용하였다. 셋째, 기존 보일링 검토가 사질토 지반을 전제로 하여 점착력을 고려하지 않은 문제점을 보완하기 위해, 교호 지층에서는 점착력을 반영한 안정성 평가를 수행하였다. 점토층의 점착력 반영은 Davidenkoff(1970)의 방법을 참고하여, 흙막이 벽체 및 지반 내 저항 구간을 설정하고, 점토층이 얇거나 굴착 및 말뚝 관입 등으로 지층이 교란되는 경우 점착력 저하 가능성을 고려하였다. 이에 따라 설계 지반정수 중 점착력(c) 값을 30% ~ 70% 범위로 보정하여 침투해석에 적용하였다.

3.3 굴착배면 지반 : 점토층, 굴착저면 지반 : 점토층 [A조건]

A조건은 연구 대상지와 동일한 지반 조건으로, 굴착 배면과 저면 지반이 모두 점토층으로 구성되어 있으며, 유입측과 유출측 모두 투수계수가 작은 경우를 의미한다. 해당 조건은 Fig. 6과 같이 모델링 하였다. 대상지 굴착 저면에는 약 7.1m 두께의 점토층이 분포하며, 본 해석에서는 점착력을 고려하지 않은 상태에서 Terzaghi 간편식과 침투해석을 이용한 보일링 안전율을 비교 검토하였다. 지하수 침투 위치 변화에 따른 영향을 고려하기 위해 흙막이 벽체의 근입깊이는 17.1m로 동일하게 설정하였고, Case 1~4의 침투압 산정 위치를 설정하였다(Fig. 6). 이에 따른 침투압 분석 결과는 Table 4에 제시되어 있으며, Case 1의 평균 침투압이 200.3kN/m2로 가장 높았고, Case 4는 194.8kN/m2로 가장 낮게 나타났다. 이는 침투 위치가 저면 깊이에 따라 보일링 발생 가능성에 직접적인 영향을 미친다는 것으로 판단된다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F6.jpg
Fig. 6

Pore water pressure measurement locations along with soil layers (A)

Table 4.

Calculation of seepage pressure by location - A

Case Pore Water Pressure (kN/m2) Hydrostatic Pressure
(kN/m2)
Seepage Pressure (kN/m2)
Left Right Average Left Right Average
Case 1 373.3 369.3 371.3 171.0 202.3 198.3 200.3
Case 2 335.3 334.2 334.7 136.0 199.3 198.2 198.7
Case 3 300.6 299.7 300.2 104.0 196.6 195.7 196.2
Case 4 266.3 265.3 265.8 71.0 195.3 194.3 194.8

점착력을 고려하지 않은 조건에서의 보일링 안전율은 Table 5에 정리되어 있다. Terzaghi 간편식은 모든 Case에서 동일한 안전율(1.648)을 제시한 반면, 침투해석 결과는 Case 1에서 0.983, Case 4에서는 0.503으로 확인되어 Case별 위험도가 크게 상이함을 보여주었다. 특히 Case 3,4의 경우 안전율이 1.0 미만으로 나타나 보일링 발생 위험이 매우 높은 것으로 판단된다.

Table 5.

Boiling safety factor review result (No Cohesion) - A

Case Resistance (W)
(kN/m)
Seepage Pressure (kN/m2) Seepage Force (J)
(kN/m)
Factor of Safety
Left Right Average Terzaghi Seepage Analysis
Case 1 1521.9 202.3 198.3 200.3 1712.4 1.648 0.889
Case 2 1282.5 199.3 198.2 198.7 1699.2 0.755
Case 3 1063.6 196.6 195.7 196.1 1677.1 0.634
Case 4 837.9 195.3 194.3 194.8 1665.4 0.503

이후 점착력을 고려한 보일링 해석에서는 설계 기준값인 c = 28kN/m2에 대해 30%, 40%, 50%, 60%, 70%의 비율로 보정하여 해석을 수행하였다. 이는 점토층이 얇거나, 샌드심의 존재, 흙막이 벽체나 말뚝 관입으로 인해 점토층이 교란되어 점착력이 저하될 가능성을 실무적으로 고려한 것이다. 점착력을 반영한 저항력 산정결과는 Table 6에 제시하였으며, 보정 비율이 증가함에 따라 저항력이 점진적으로 증가하는 경향을 보였다.

Table 6.

Calculation of resistance considering cohesion - A

Case Clay layer
(m)
Cohesion (kN/m2) Resistance Considering Cohesion (W) (kN/m)
30% 40% 50% 60% 70% 30% 40% 50% 60% 70%
Case 1 7.1 8.4 11.2 14.0 16.8 19.6 1641.2 1681.0 1720.7 1760.5 1800.2
Case 2 7.1 8.4 11.2 14.0 16.8 19.6 1401.8 1441.6 1481.3 1521.1 1560.8
Case 3 7.1 8.4 11.2 14.0 16.8 19.6 1182.9 1222.7 1262.4 1302.2 1342.0
Case 4 7.1 8.4 11.2 14.0 16.8 19.6 957.2 997.0 1036.7 1076.5 1116.2

Table 7은 점착력 보정을 통한 안전율을 나타낸다. 점착력 50% 기준으로 Case 1은 안전율 1.005로 최소기준을 만족하였으나, Case 4는 0.623으로 나타나 기준을 충족하지 못하였으며, 이러한 경향은 Fig. 7을 통해 시각적으로 확인이 가능하다. 이러한 분석 결과는, 점착력을 반영하더라도 현재 지반 조건에서는 보일링에 대한 보수적 설계가 요구됨을 나타낸다. 따라서 A조건과 같은 저투수성 점토층 지반에서는 소단 구간 흙쌓기, 흙막이 벽체 근입장 확장 등의 보강 대책이 필요하며, 특히 점착력의 불확실성을 고려한 해석 및 설계가 필수적이다.

Table 7.

Boiling safety factor review result - A

Case Resistance Considering Cohesion (W) (kN/m) Seepage
Force (J)
(kN/m)
Safety Factor Considering Cohesion
30% 40% 50% 60% 70% 30% 40% 50% 60% 70%
Case 1 1641.2 1681.0 1720.7 1760.5 1800.2 1712.4 0.958 0.982 1.005 1.028 1.051
Case 2 1401.8 1441.6 1481.3 1521.1 1560.8 1699.2 0.825 0.848 0.872 0.895 0.919
Case 3 1182.9 1222.7 1262.4 1302.2 1342.0 1677.1 0.705 0.729 0.753 0.776 0.800
Case 4 957.2 997.0 1036.7 1076.5 1116.2 1665.4 0.575 0.599 0.623 0.646 0.670

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F7.jpg
Fig. 7

[A Condition] Boiling stability review result graph

3.4 굴착배면 지반 : 점토층, 굴착저면 지반 : 모래층 [B조건]

B조건은 굴착 배면이 점토층, 굴착 저면이 모래층으로 구성된 지반 조건이며, 유입측은 투수계수가 작은 점토층, 유출측은 투수계수가 큰 모래층이다. 해당 조건은 Fig. 8과 같이 모델링하였다. 굴착 저면이 모래층으로 구성되어 있어 점착력은 고려하지 않았으며, 나머지 해석 조건은 A조건과 동일하게 적용하였다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F8.jpg
Fig. 8

Pore water pressure measurement locations along with soil layers (B)

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F9.jpg
Fig. 9

[B Condition] Boiling stability review result graph

지하수 침투위치에 따른 Case별 평균 침투압 결과는 Table 8에 정리되어 있다. 분석 결과 Case 1의 평균 침투압은 97.1kN/m2로 가장 높게 나타났으며, Case 4는 44.7kN/m2로 가장 낮았다. 이는 침투 위치에 따라 보일링 발생에 미치는 영향으로 판단된다.

Table 8.

Calculation of seepage pressure by location - B

Case Pore Water Pressure (kN/m2) Hydrostatic Pressure
(kN/m2)
Seepage Pressure (kN/m2)
Left Right Average Left Right Average
Case 1 280.7 255.4 268.1 171.0 109.7 84.4 97.1
Case 2 217.9 207.9 212.9 136.0 81.9 71.9 76.9
Case 3 166.2 159.6 162.9 104.0 62.2 55.6 58.9
Case 4 118.9 112.6 115.7 71.0 47.9 41.6 44.7

해당 조건에서의 보일링 안전율 분석 결과는 Table 9에 제시되어 있다. Terzaghi 간편식은 모든 Case에서 동일한 안전율(1.648)을 제시하는 반면, 침투해석 기반 결과는 Case별로 다음과 같이 큰 차이를 보였다. Case 1은 1.834, Case 2는 1.951, Case 3은 2.111, Case 4는 2.189로 나타났다. 이는 굴착 저면이 모래층일 경우, 모래층의 높은 투수계수로 인해 침투압이 효율적으로 분산되며, 보일링 발생 위험이 낮아지는 경향을 나타내는 것으로 판단된다.

Table 9.

Boiling safety factor review result (No Cohesion) - B

Case Resistance (W)
(kN/m)
Seepage Pressure (kN/m2) Seepage Force (J)
(kN/m)
Factor of Safety
Left Right Average Terzaghi Seepage Analysis
Case 1 1521.9 109.7 84.4 97.1 829.8 1.648 1.834
Case 2 1282.5 81.9 71.9 76.9 657.4 1.951
Case 3 1063.6 62.2 55.6 58.9 503.7 2.111
Case 4 837.9 47.9 41.6 44.7 382.5 2.191

3.5 굴착배면 지반 : 모래층, 굴착저면 지반 : 점토층 [C조건]

C조건은 굴착 배면이 투수계수가 큰 모래층, 굴착 저면이 투수계수가 작은 점토층으로 구성된 조건이며, 해당 모델은 Fig. 10에 제시되어 있다. 해석 절차는 앞서 조건들과 동일하게 수행되었으며, 각 Case별 침투압 산정 결과는 Table 10에 정리되어 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F10.jpg
Fig. 10

Pore water pressure measurement locations along with soil layers (C)

Table 10.

Calculation of seepage pressure by location - C

Case Pore Water Pressure (kN/m2) Hydrostatic Pressure
(kN/m2)
Seepage Pressure (kN/m2)
Left Right Average Left Right Average
Case 1 374.1 370.1 372.1 171.0 203.1 199.1 201.1
Case 2 336.0 345.0 340.5 136.0 200.0 209.0 204.5
Case 3 301.2 300.4 300.8 104.0 197.2 196.4 196.8
Case 4 266.7 266.0 266.4 71.0 195.7 195.0 195.4

평균 침투압은 Case 1에서 201.1kN/m2로 가장 높았고, Case 4는 195.4kN/m2로 가장 낮게 나타났다. 점착력을 고려하지 않은 상태에서 Terzaghi 간편식과 침투해석 결과를 비교한 보일링 안전율은 Table 11과 같다. Terzaghi 방법은 모든 Case에서 동일한 안전율(1.648)을 제시하였으나, 침투해석 결과 Case 1에서 0.885, Case 4에서는 0.502로 나타나, 점착력을 반영하지 않은 조건에서는 보일링 발생 위험이 매우 높은 것으로 판단된다.

Table 11.

Boiling safety factor review result (No Cohesion) - C

Case Resistance (W)
(kN/m)
Seepage Pressure (kN/m2) Seepage Force (J)
(kN/m)
Factor of Safety
Left Right Average Terzaghi Seepage Analysis
Case 1 1521.9 203.1 199.1 201.1 1719.6 1.648 0.885
Case 2 1282.5 200.0 209.0 204.5 1748.2 0.734
Case 3 1063.6 197.2 196.4 196.8 1682.7 0.632
Case 4 837.9 195.7 195.0 195.4 1670.3 0.502

또한 상향 침투압은 Case 위치가 깊어질수록 증가하였으나, 이에 대한 저항력도 함께 증가하여 Case 1의 안전율이 가장 높고 Case 4는 가장 낮은 결과를 보였다. 이후 점토층의 점착력을 고려하여 설계값(c = 28kN/m2)의 30% ~ 70% 범위까지 보정한 해석 결과는 Table 12에 나타나 있다. 점착력 반영 비율이 높아질수록 저항력이 점진적으로 증가하는 경향을 보였으며, 점착력 50%를 적용한 경우, Case 1의 보일링 안전율은 1.001로 최소 기준을 충족한 반면, Case 4는 0.621로 기준이하의 값을 나타내는 것으로 나타났다.

Table 12.

Boiling safety factor review result - C

Case Resistance Considering Cohesion (W) (kN/m) Seepage
Force (J)
(kN/m)
Safety Factor Considering Cohesion
30% 40% 50% 60% 70% 30% 40% 50% 60% 70%
Case 1 1641.2 1681.0 1720.7 1760.5 1800.2 1719.6 0.954 0.978 1.001 1.024 1.047
Case 2 1401.8 1441.6 1481.3 1521.1 1560.8 1748.2 0.802 0.825 0.847 0.870 0.893
Case 3 1182.9 1222.7 1262.4 1302.2 1342.0 1682.7 0.703 0.727 0.750 0.774 0.798
Case 4 957.2 997.0 1036.7 1076.5 1116.2 1670.3 0.573 0.597 0.621 0.644 0.668

모든 Case에서 점착력을 보정 적용한 이후에도 보일링에 대한 안정성 관리기준인 1.5 이상은 확보되지 않았으며, 이 결과는 Fig. 11을 통해서 시각적으로 확인할 수 있다. 결론적으로, 점착력을 고려하더라도 C조건과 같이 저투수성 점토층이 굴착 저면에 위치한 경우에는 보수적인 설계가 요구된다. 특히 소단구간 흙쌓기, 흙막이 벽체의 근입장 확장 등의 보강 대책과 더불어, 점착력의 불확실성을 반영한 정밀한 해석 및 설계가 필수적이다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F11.jpg
Fig. 11

[C Condition] Boiling stability review result graph

3.6 굴착배면 지반 : 모래층, 굴착저면 지반 : 모래층 [D조건]

D조건은 굴착 배면과 저면이 모두 투수계수가 큰 모래층으로 구성된 지반 조건이며, 해당 모델은 Fig. 12에 나타냈다. 해석 절차는 앞선 조건들과 동일하게 수행되었으며, 침투압 분석 결과는 Table 13에 정리되어 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F12.jpg
Fig. 12

Pore water pressure measurement locations along with soil layers (D)

Table 13.

Calculation of seepage pressure by location - D

Case Pore Water Pressure (kN/m2) Hydrostatic Pressure
(kN/m2)
Seepage Pressure (kN/m2)
Left Right Average Left Right Average
Case 1 291.4 261.6 276.5 171.0 120.4 90.6 105.5
Case 2 223.0 213.5 218.3 136.0 87.0 77.5 82.3
Case 3 171.2 164.3 167.7 104.0 67.2 60.3 63.7
Case 4 123.2 116.4 119.8 71.0 52.2 45.4 48.8

평균 침투압은 Case 1에서 105.5kN/m2로 가장 높게 나타났으며, Case 4는 48.8kN/m2로 가장 낮았다. 본 조건은 모래층으로만 구성되어 있어 점착력은 고려하지 않았으며, 침투해석을 통해 도출된 보일링 안전율 결과는 Table 14에 제시되어 있다. Terzaghi 간편식 적용 결과는 모든 Case에서 동일한 안전율(1.648)을 보였으나, 침투해석 기반 결과는 Case 1에서 1.687, Case 2는 1.823, Case 3은 1.952, Case 4는 2.008로 나타났다. 분석 결과, 침투 위치가 저면 깊이에 따라 낮아질수록 침투압은 감소하였고, 상대적으로 저항력은 안정적으로 유지되어 Case 4에서 가장 높은 안전율이 나타났다. Fig. 13과 같이 D조건은 모든 Case에서 보일링에 대한 안정성 관리 기준(1.5)을 충분히 만족하였으며, 보일링 발생 가능성이 낮은 지반 조건으로 판단된다. 이는 굴착 배면과 저면 모두 투수계수가 큰 모래층으로 구성되어 있어 상향 침투압의 분산이 용이하고, 이에 따라 전반적인 보일링 안정성이 높게 나타난 것으로 해석된다.

Table 14.

Boiling safety factor review result (No Cohesion) - D

Case Resistance (W)
(kN/m)
Seepage Pressure (kN/m2) Seepage Force (J)
(kN/m)
Factor of Safety
Left Right Average Terzaghi Seepage Analysis
Case 1 1521.9 120.4 90.6 105.5 902.0 1.648 1.687
Case 2 1282.5 87.0 77.5 82.3 703.5 1.823
Case 3 1063.6 67.2 60.3 63.7 544.8 1.952
Case 4 837.9 52.2 45.4 48.8 417.2 2.008

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F13.jpg
Fig. 13

[D Condition] Boiling stability review result graph

3.7 투수계수 변화에 따른 보일링 안전율 민감도 검토

굴착 배면구간 및 굴착저면 모래층에 대하여 투수계수를 1.0×10-1 ~ 1.0×10-4cm/sec까지 투수계수를 변화시켜 보일링 안전율을 검토하였다. 검토 결과, Table 15, Fig. 14와 같이 투수계수가 작을수록 안전율은 낮아지는 경향으로 나타났다. 이는 측정지점 지반의 투수계수와 변경된 모래지반의 투수계수 차이가 커질수록 흐름이 국부적으로 집중되어 안전율이 감소하는것으로 판단된다.

Table 15.

Boiling safety factor review result according to the change of the permeability coefficient

Sand layer
permeability
(cm/sec)
Resistance
(W)
(kN/m)
Seepage Pressure (kN/m2) Seepage
Force (J)
(kN/m)
Factor of Safety
Left Right Average Terzaghi Seepage Analysis
1×10-1 1521.9 166.26 107.31 136.79 1169.5 1.648 1.301
1×10-2 1521.9 166.99 109.16 138.08 1180.5 1.289
1×10-3 1521.9 174.43 124.30 149.37 1277.1 1.192
1×10-4 1521.9 220.38 190.62 205.50 1757.0 0.866

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2025-041-04/N0990410406/images/kgs_41_04_06_F14.jpg
Fig. 14

Boiling safety factor review result graph according to change in permeability coefficient

3.8 연구의 차별성 및 의의

기존 연구에서는 주로 단일 사질토 또는 점성토 지반을 대상으로 보일링 안정성을 평가하거나, 보일링 발생 유무를 Terzaghi 간편식 또는 한계수두 기울기 방법으로 판단하는 경우가 대부분이었다. 또한 점토층의 점착력은 실무적으로 고려되지 않거나 일정값으로 고정하여 해석하는 한계가 있었다. 이에 비해 본 연구는 사질토와 점성토가 교호하는 실제 지반을 대상으로, 시추 및 현장투수시험 결과를 반영하여 4가지 복합 조건(A~D)을 설정하고, 점착력의 불확실성을 30~70% 범위 내에서 보정 적용하였다. 특히, 침투위치별 보일링 안정성 변화를 Case별로 정량적으로 비교하고, 설계 기준과의 차이를 검토함으로써 단순한 수치 해석을 넘어 실무 적용 가능성을 확보하였다. 결과적으로, 모래층 조건에서는 간편식이 신뢰성 있게 적용될 수 있으나, 점토층이 저면에 포함된 경우 침투해석과 점착력 저하를 함께 고려해야만 안전율 기준을 충족할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결론은 기존의 단순한 이론적 분석과 달리, 실제 사례 기반의 정량 비교를 통해 도출된 것으로, 보일링 안정성 평가 시 설계자에게 보다 구체적이고 보수적인 판단 기준을 제시할 수 있다는 점에서 차별적 의의가 있다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 연구대상 현장과 동일한 조건에서 주변 지반 침하 발생 시점을 기준으로 침투해석을 수행하고, 지층 간 투수계수 차이에 따른 침투압 변화의 보일링 안정성을 검토하였다. 결론은 다음과 같다.

(1) 용수 유출측인 굴착저면의 투수계수에 따라 상향 침투압이 달라지며, 모래지반의 경우 측정위치가 깊어질수록 침투압이 증가하며, 이에 따라 보일링 안정성이 다소 저하되는 경향을 보였다. 그러나 대부분 1.5이상의 안전율이 확보되었고, Terzaghi 간편식과 유사한 값을 보여 해당 조건에서는 간편식 적용이 타당한 것으로 판단된다. 반면 점토지반은 측정위치가 깊을수록 안전율은 증가하였지만 투수계수가 작아 간극수압이 굴착저면에 축적되기 쉬워, 보일링 안전율이 낮게 평가되는 경향을 보였다.

(2) 점착력을 고려하지 않은 경우 안전율은 0.5~0.89 수준으로 1.0이하였고, 점착력을 반영할 경우 일부 구간에서만 1.0 (0.62~1.01) 수준을 확보하였다. 이는 국가설계기준의 안전율(1.5~2.0)을 충족하지 못하였다. 점토지반의 경우 점착력 저하 및 국부적인 샌드심 분포를 고려하여 점착력 보정이 필요하며, 정밀한 침투해석을 통한 평가가 요구된다. 특히 굴착저면의 투수계수가 1.0×10-4cm/sec 이하인 경우, 침투압이 크게 증가하는 경향을 보이므로, 현장 투수시험 결과를 침투해석에 반영하는 것이 바람직하다고 판단된다.

결론적으로, 굴착저면의 지층 특성과 투수계수 변화를 고려하여 국부적인 상향침투압 집중 현상을 정확히 평가하고, 현장 투수시험과 정밀한 침투해석을 반영한 보수적인 안전율 검토가 필요하다고 생각된다. 다만 본 연구는 수치해석 결과를 기반으로 한 비교·분석에 한정되어 있어 향후에는 모형시험을 통한 결과 검증 및 신뢰성 확보가 필요할 것으로 판단된다.

References

1

Cho, Sung-Eun (2021), “Probabilistic Assessment of Seepage Stability of Soil Foundation under Water Retaining Structures by Fragility Curves”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.37, No.10, pp.41-54, https://doi.org/10.7843/kgs.2021.37.10.41.

10.7843/kgs.2021.37.10.41
2

Choi, Jeong Pyo, Jin, Hong Min, Kim, Chea Min, Kim, Sung Su, and Choi, Yongkyu (2017), “A Study on the Behavior of PHC-W Retaining Wall Method Based on the Numerical Analysis Results”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.33, No.2, pp.5-15, https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.2.5.

10.7843/kgs.2017.33.2.5
3

Chang, K.-B. (2007), Stability Analysis of Ground Excavation with Earth Retaining Structures, Master’s thesis, Kyungpook National University.

4

Davidenkoff, R. (1970), “Unterläufigkeit von Stauwerken. Werner-Verlag GmbH”, 978-3804113107.

5

Geotechnical Investigation Report (2019, May), Cause Analysis of Ground Settlement around Myeongji Samjeong Greencore The City, Research Service.

6

Han, Yushik (2018), “Numerical Analysis and Exploring of Ground Condition during Groundwater Drawdown Environment in Open-cut Type Excavation”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.34, No.11, pp.93-105, https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.11.93.

10.7843/kgs.2018.34.11.93
7

Jung, J. Y. (2009), A Study on the Stability Evaluation of Excavation Bottom for the Excavation in the Soft Ground, Master’s thesis, Pusan National University.

8

Kim, Y.H. (2017), A Case Study on the Application of Ground Water Purification to the Excavation Bottom Where Upward Penetration is Expected, Master Thesis, Graduate School of Busan University.

9

KDS 21 30 00 : 2024 A Temporary Retaining Wall Design Standard, Korea Construction Standards Center p.5~p.6

10

Lee, I.M. (2015), “Principles of Soil Mechanics”, pp.152~155.

10.14257/astl.2015.117.36
11

Lee, G.N. (2008), A Study on the Estimation of the Rooting Depth of the C.I.P Retaining Wall for Boiling Stability Assessment, Master Thesis, Graduate School of Chungnam University.

12

MIDAS GTS NX Educational Material.

13

Oak, Y. K. (2009), A Study on the Stability Evaluation of Excavation Bottom Using Finite Element Method (FEM), Master’s thesis, Pusan National University.

14

Tergazhi, K. (1922), “Der grundbruch an stauwerken and seine verhiltung. Die Wasserkraft 17”, 687445-449.

페이지 상단으로 이동하기