1. 서 론
우리나라는 산지가 많은 지형적인 특성으로 도로와 도시 개발에 따라 산지를 굴착하고 옹벽을 설치하는 공사가 매년 증가하고 있다. 이러한 옹벽은 재료와 시공방법에 따라 보강토옹벽, Panel식옹벽, 중력식옹벽 등 다양한 형태의 보강공법이 실험적, 수치해석적 선행연구를 통해 제시되고 있다. Won et al.(2020)은 Plaxis 2D프로그램을 이용하여 기존 피해 보강토옹벽에 Soil Nail과 보강콘크리트 전면 벽체를 보강하는 방안과 파손된 옹벽을 제거 후 블록식 보강토옹벽으로 재시공하는 방안에 대해 안정성분석을 수행하고 보강공법을 보고하였다. Ki et al.(2007)은 연약지반에 보강토옹벽을 시공할 때 치환공법이 보강토옹벽의 거동개선에 미치는 효과를 확인하고자 유한요소해석법을 수행하였다. 그 결과 치환공법을 적용한 경우 관리기준치보다 작거나 비슷하게 나타나 치환공법이 보강토옹벽의 거동개선에 효과가 있는 것으로 보고하였다. Min et al.(2016)은 Panel식 옹벽을 Top-down방식으로 현장시험을 수행하였다. 또한 수치해석 프로그램을 이용하여 Bottom-up방식과 비교했을 때 Top-down방식이 안정성을 확보하는 것으로 보고하였다. Kim et al.(2006)는 Earth bolt로 보강된 옹벽에 대해 계측 및 Soil Nailing방식과 비교하여 수치해석을 수행하였으며, 안정성이 향상됨을 보고하였다. Cho et al.(2006)은 대규모 보강토옹벽에 대한 설계 등을 제시하였으며, 지속적인 계측을 통해 설계가 안정함을 보고하였다. Bhang et al.(2013)은 개량토 벽면공을 활용한 보강성토사면에 관한 연구를 수행하였으며, 시험결과 개량토 벽면공을 이용한 보강성토사면은 지오그리드만으로 보강하였을 경우에 비해 2배 이상의 보강효과가 나옴을 보고하였다. 이와 같이 옹벽시공에 다양한 공법이 있다. 특히 Panel식 옹벽은 깍기비탈면에서 지형훼손을 최소화시키고 안정성이 높기 때문에 가장 많이 사용 중이며, Panel식 옹벽이 주로 적용되고 있다. 하지만 Bottom-up방식의 경우 1개 소단(약 5m)에 옹벽을 설치하기 위해 1:0.03 정도의 기울기로 굴착 후 옹벽을 시공하는 방식인데 이러한 방식은 경사굴착으로 인해 추가 토공처리가 필요하며 되메움과 다짐불량에 의한 안정성 저하 등의 문제점을 지니고 있다(Han et al., 2005; Kim et al., 2006). Top-down방식의 경우 이러한 문제점을 보완할 수 있으며, 안정성을 확보할 수 있다. Kwon et al.(2020)은 현장시험과 Plaxis 2D프로그램을 이용하여 건기시 조건에서 Bottom-up방식과 Top-down방식의 안전성을 비교분석하였다. 그 결과 시공완료 후 안전율은 큰 차이가 없었지만 시공중 안전율은 단계별 굴착 및 보강을 실시하는 Top-down방식이 높게 나타나 시공중 사면의 안정성이 향상될 수 있음을 보고하였다. 하지만 Top-down방식의 경우 굴착 후 모르타르를 이용하여 사면에 Panel을 부착시킨다. 이때 모르타르를 사용할 경우 Panel과 사면에 불투수층이 생겨 우기 시 사면 내 수압이 증가함에 따라 안전율을 저하시키는 요인이 된다.
따라서 본 연구에서는 우기시 지표수 침투조건에서 Top-down방식으로 시공 시 발생되는 불투수층으로 인한 사면안정성을 비교분석하고자 불투수층의 유무에 따른 건기와 우기시, 수평배수공의 유무 및 Panel 중앙배수공의 유무로 총 8가지의 Case에 대하여 범용 수치해석 프로그램인 Plaxis 2D를 이용하여 수치해석을 수행하고 안정성을 비교분석하였다.
2. 해석 대상 조건
2.1 해석 대상 조건
해석 대상사면은 사면의 배수성을 확인하기 위해 가상의 사면을 사용하였다. Fig. 1에 나타낸바와 같이 사면을 구성하고 있는 지반은 상부로부터 풍화토, 풍화암, 연암으로 구성하였다. 옹벽의 경우 한 소단에 Panel 3개를 사용하여 4.7m 크기의 옹벽을 설치하였다. 보강재의 경우 기존 판넬식 옹벽에 일반적으로 사용되는 SD400, D29 규격의 Nail을 사용하였다. 이때, Nail의 길이는 비탈면 예상활동면의 범위를 고려하여 6m로 결정하였다. 배수조건은 건설공사 비탈면 설계기준(2020)의 기준에 따라 5m의 수평배수공을 기울기 10°로 설치하였으며, 각 각의 Panel의 하단에 설치하여 사면에서 옹벽 외부로 배수가 되도록 하였다. 또한 배수량을 증가시키기 Panel의 중심부에서도 배수가 되도록 배수공을 모사하였다.
일반적으로 Panel식 옹벽은 Bottom-up방식을 적용하고 있으며, 이러한 방식은 경사 굴착 후 Panel을 세우고 배면을 현장유용토 등의 뒤채움재로 채워 시공한다. 이에 반해 Top-down 방식의 경우 수직굴착 후 사면에 모르타르를 이용하여 옹벽을 부착시킨다. 이러한 Top-down방식의 경우 Bottom-up방식의 원지반 과다절취, 시공간섭 등의 문제점을 해결할 수 있지만 옹벽을 부착시킬 때 사용한 모르타르로 인해 옹벽 배면에 불투수성의 층이 생긴다. 이러한 불투수층은 우기 시 사면 배수를 방해하기 때문에 배면의 수압 증가로 인해 안전율이 낮아진다. 따라서 Fig. 2(a)의 불투수층이 없는 경우와 Fig. 2(b)와 같이 Top-down방식으로 설치하여 불투수층이 있는 경우로 해석을 수행하여 사면의 안정성을 분석하였다. 수치해석에 적용된 강우의 경우 가장 위험하다고 판단되는 강우인 장마철 장기간 강우가 지속되는 상황을 모사하기 위해서 0.5day동안 0.3059m/day의 강우강도를 적용하여 수치해석을 수행하였다(Kyu et al., 2020).
2.2 Top-down방식 시공과정 모사
수치해석 모델링은 Top-down 방식의 현장시공과정과 동일한 형태로 모사하고자 하였으며, 시공과정은 Fig. 3에 나타내었다. 1소단의 시공과정은 총 6단계로 이루어지며 1단계는 Fig. 3(a)에 나타낸바와 같이 Panel의 부착을 위해 2m 굴착하였다. 이때 Panel의 크기는 1.5m이지만 작업자의 편리를 위해 0.5m 더 굴착하였다. 굴착된 사면에 Fig. 3(b)과 같이 Panel, Nail 및 배수공을 설치하였다. 이 후 3단계부터 6단계까지 수직굴착과 Panel, Nail 및 배수공 설치를 반복적으로 수행하였고 최종적으로 최종적으로 설치된 옹벽을 Fig. 3(d)과 같이 모사하였다.
3. 수치해석
3.1 수치해석조건
Top-down방식으로 시공 시 모르타르로 의해 발생되는 불투수층으로 인한 사면안정성을 분석하고자 Table 1과 같이 불투수층의 유무에 따른 건기와 우기시, 수평배수공의 유무 및 Panel 중앙배수공의 유무로 총 8가지의 Case에 대해 해석을 수행하였다. 이때 수치해석에 사용된 Panel과 Nail는 실제현장에서 Panel식 옹벽에 사용되는 제품의 물성치로 Table 2에 나타냈다. 지반과 모르타르 물성은 Table 3에 나타냈다.
Table 1.
Cases for numerical simulations
Table 2.
Material properties of panel and nail
| Type |
Normal stiffness (kN/m) |
Flexural rigidity (kN/m2) |
Line spacing (m) |
| Panel | 58,500,000 | 10,970,000 | - |
| Nail | 128,500 | - | 1.5 |
Table 3.
Material properties of soils and mortar
3.2 수치해석 결과
건기 시 수치해석 결과는 Fig. 4, 5에 나타냈다. Fig. 4는 시공단계별 안전율을 나타냈으며, Case 1은 불투수층이 없는 경우, Case 5는 불투수층이 있는 경우이다. 2단 시공 중(st. 1∼6)에는 Case 1의 안전율이 Case 5보다 높게 나타났다. 하지만 시공이 완료 후(st. 12)에서는 Case 5의 안전율이 1.952로 Case 1(안전율:1.892)보다 안전율이 높게 나타난 것을 볼 수 있다. 이는 시공 중에 옹벽을 사면에 부착하기 위해 사용된 모르타르 때문에 하중이 발생하여 2단 시공 시에는 안전율이 낮았지만 시공이 완료된 후에는 안전율이 증가가 됨을 볼 수 있다. Fig. 5는 수직 변위 값을 나타낸 것으로 변위가 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 2단 옹벽 상부의 변위를 측정한 결과 Case 5의 변위량은 2.225×10-3m로 Case 1에서 발생된 변위량인 2.136×10-3m보다 큰 변위를 보였다. 이는 2단 시공 중(st. 1∼6)에 발생된 변위로 인해 변위가 크게 발생되었기 떄문인 것으로 판단되었기 때문 인 것으로 판단된다.
Fig. 6은 우기시 배수시설이 없을 경우 불투수층의 유무에 대한 수치해석 결과이다. Case 2의 경우 불투수층이 없는 경우이며, 안전율이 1.735로 불투수층이 있는 Case 6(안전율:1.197)보다 안전율이 높게 나타났다. 이는 모르타르로 인해 생긴 불투수층이 배수를 방해하여 사면 내의 수압이 높아져 안전율이 낮아진 것으로 판단된다. 또한 2단 옹벽상부의 수직변위량은 Case 2인 경우 2.046×10-3m로 Case 6에서 발생된 변위량인 2.039×10-3m보다 높게 나타났다. 하지만 사면의 전체 변위량(|u|)의 경우 Case 2는 7.296×10-3m로 Case 6의 변위량인 12.328×10-3m보다 낮음을 보였다. 이는 불투수층에 의해 발생된 수압으로 인해 Case 6에서 수평변위가 많이 발생되었기 때문인 것으로 판단된다.
Fig. 7은 우기시 수평배수공이 있는 경우 불투수층의 유무에 대한 수치해석 결과이다. Case 7은 불투수층이 있는 경우이며, 안전율이 1.848로 불투수층이 없는 Case 3(안전율:1.810)보다 높게 나타났다. 결과를 Fig. 6과 비교분석한 결과 Case 6의 경우 시공 중 생긴 불투수층으로 인해 높아진 수압 때문에 안전율이 낮아졌지만 Case 7과 같이 수평배수공을 설치하는 경우 수압이 낮아질 뿐만 아니라 오히려 Panel 부착시키기 위해 사용된 모르타르로 인해 강도증가 및 구속효과에 의해 사면안전율이 증가한 것으로 판단된다. 또한 Case 7의 2단 옹벽의 수직변위량은 1.612×10-3m으로 Case 3의 변위량인 1.506×10-3m보다 큰 변위량 발생하였으나, 그 차이가 미비하기 때문에 안전에 문제가 없을 것으로 예상된다.
Fig. 8은 우기시 수평배수공과 Panel 중앙배수공이 있을 경우 불투수층의 유무에 대한 수치해석 결과이다. Case 8은 불투수층이 있는 경우이며, 안전율이 1.849로 불투수층이 없는 Case 4(안전율:1.823)보다 높게 나타났다. 또한 Case 7(안전율:1.848)보다 안전율이 미비하지만 높게 나타났다. 이는 수평배수공과 Panel 중앙배수공이 있을 경우 사면의 배수효과가 증가하여 안전율이 높아짐을 볼 수 있다. 2단 옹벽의 수직변위량의 경우 Fig. 7과 동일하게 Case 4는 1.506×10-3m, Case 8은 1.612×10-3m로 나타났다. 이는 Panel 중앙배수공이 수직변위에 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
수치해석 결과는 Table 4에 종합하였다. 표에 나타낸바와 같이 우기 시일 때, 불투수층이 있으며 배수시설이 없는 경우(Case 6) 안전율이 가장 낮았으나 배수시설이 있는 경우(Case 8) 안전율이 가장 높게 나타났다. 이는 Tap-down방식으로 인해 생긴 불투수층은 사면 배수에 문제가 있을 경우 안전에 문제가 발생하지만 배수시설에 문제가 없을 경우 안전에 문제가 없을 뿐만 아니라 Panel 부착 시 사용된 모르타르로 인해 안전율이 증가하였다.
4. 결 론
본 연구는 Panel식 옹벽을 Top-down방식으로 시공 시 발생되는 불투수층에 대해 건기와 우기시, 수평배수공의 설치 유무, Panel 중앙배수공 유무에 대한 안정성 분석을 범용 수치해석 프로그램인 Plaxis 2D를 이용하여 수행하였다. 결론은 다음과 같다.
(1) 건기 시일 때 2단 사면(상부) 시공 시 불투수층이 있는 경우보다 불투수층이 없는 경우 안전율이 높게 나타났다. 이는 사면에 Panel을 부착시키기 위해 사용된 모르타르로 인해 하중이 발생하여 초기 안전율이 낮게 나타난 것으로 판단된다. 하지만 시공이 완료된 후에는 불투수층이 있는 경우 안전율이 1.952이며, 불투수층이 없는 경우 1.892로 불투수층이 있는 경우 안전율이 더 높게 나타났다. 이는 모르타르로 인해 발생된 하중이 초기안전율을 낮추지만 시공 완료 후에는 모르타르의 강도증진 및 구속효과에 의한 것으로 판단된다.
(2) 우기시 배수시설이 없을 때 불투수층이 있는 경우의 안전율은 1.197이며, 불투수층이 없는 경우는 1.735로 불투수층이 없는 경우 안전율이 높게 나타났다. 이는 불투수층이 사면 배수를 방해하여 사면내의 수압이 높아져 안전율이 낮아진 것으로 판단된다. 또한 수직변위의 경우 불투수층이 없는 경우 2.046×10-3m로 나타났으며, 불투수층이 있는 경우 2.039×10-3m로 미미한 차이를 보였다. 하지만 전체 변위량(|u|)의 경우 불투수층이 있는 경우 12.328×10-3m, 불투수층이 없는 경우 7.296×10-3m로 불투수층이 있는 경우 큰 변위량을 보였다. 이는 수압으로 인해 불투수층이 있는 경우 수평변위가 많이 발생되기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 우기시 수평배수공이 있을 때 불투수층이 있는 경우의 안전율은 1.848이며, 불투수층이 없는 경우 1.810으로 불투수층이 있는 경우 안전율이 더 높게 나타났다. 이는 배수시설이 없을 때 불투수층으로 인해 지반내부의 수압이 높아지지만 수평배수공 설치로 인해 배수에는 문제가 없고 오히려 Panel을 부착시키기 위해 사용된 모르타르로 인한 강도 증진효과에 의해 안전율이 더 높게 나타났다고 볼 수 있다.
(4) 우기시 수평배수공과 Panel 중앙배수공이 있을 때 불투수층이 있는 경우 안전율은 1.849이며, 불투수층이 없는 경우 1.823으로 불투수층이 있는 경우 안전율이 더 높게 나타났다. 또한 수평배수공만 설치했을 경우와 비교했을 때 안전율이 미비하나 높아짐을 볼 수 있었다.
(5) 따라서 Top-down방식으로 시공 시 발생되는 불투수층은 사면 내의 배수시설이 없을 경우 우기시 안전성에 문제가 발생한다. 하지만 배수시설이 있을 경우 수압이 낮아질 뿐만 아니라 Panel을 부착시키기 위해 사용된 모르타르로 인하여 강도가 증진되어 사면안전율이 증가하는 효과가 있다.
