1. 서 론
최근 산림에서의 임도 개설에 따른 절개지 비탈면이 증가하고 있는 추세로 비탈면의 활동파괴와 강우에 의한 산사태 등으로 인해 인명 및 재산피해가 급증하고 있다. 이러한 비탈면의 불안정성은 응력 조건의 변화, 지하수위 변화 등으로 인해 발생할 수 있으며, 우수 유입에 따른 표층 유실 및 비탈면 내 간극수압의 증가로 안정성 확보를 위한 기술개발이 요구되고 있다.
대표적으로 비탈면에 널리 사용되는 Soil Nailing 공법은 비탈면 안정화 기술 중 하나로 보강재를 지반 내 삽입하여 주변 토양과의 마찰이나 결합에 의해 비탈면의 변형 및 변위를 감소시켜 안정성을 개선한다(Liew, 2005). Dildar et al. (2019)은 수치모델링을 통해 Soil Nailing 보강재의 직경 및 설치 각도 변화가 비탈면 안정성에 미치는 영향을 안전율로 평가하였다.
강우로 인한 비탈면의 함수비 증가는 팽창성 토양의 물리적 기계적 특성을 크게 변화시켜 다공성 증가 및 입자간 결합력 감소 등을 유발한다. 또 한, 풍화작용으로 비탈면 표층에 건조 균열이 발생하고 많은 양의 강우가 침투하여 모관 흡입력이 감소하거나 손실되어 전단 강도가 감소한다(Chen et al., 2021). Cheuk et al. (2005)은 성토로 형성된 비탈면에서 강우 시 침투수에 의한 Soil Nailing 보강 효과 및 비탈면의 거동 특성을 분석하였다. Han (2007)은 강우에 의한 비탈면 보강 공법으로 배수공과 보호공을 동시에 만족할 수 있는 배수겸용 Soil Nailing 공법의 실용화 가능성을 검토하였다. Kim (2008)은 실내모형 실험 및 현장시험을 통해 풍화토 비탈면에서의 배수겸용 Soil Nailing 공법의 지하수위 저하효과를 분석하였다. Seo (2012)는 현장 실태조사를 통해 수평배수공의 효과를 파악하고, 수치해석에 의한 현장 조건 및 특성에 따른 시공 기준을 제시하였다. Jung (2008)은 불안정한 비탈면의 파괴를 가속화한 원인을 파악하고, 장기적인 안정성 확보 방안으로 집수정을 이용한 지하수위 저하공법의 적용성을 평가하였다. Jeon (2019)은 지하수 배수공법이 비탈면 안정화에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. Kim (2018)은 표층고화재를 원지반토와 혼합, 교반하여 시공한 비탈면에 Soil Nailing 공법을 적용하여 원지반의 안정성 확보 및 지하수위 상승 억제효과를 확인하였다. Kim (2024)은 수평배수공의 배수성능에 영향을 미치는 요소를 검토 및 분석하여 길이, 매설각도 등의 경계조건에 따른 배수성능을 확인하였다.
이와 같이 비탈면의 배수시설을 개선하는 것은 부분적으로 지하수위를 저감하여 간극수압을 감소시키는 효과를 얻을 수 있으나 전체적인 토질을 개량하여 전단강도를 증가시키는 것은 곤란하며, 배수기능과 전단강도 증가가 별도의 메커니즘에 의해 발휘되는 한계를 가져 시공성 및 경제성, 유지관리 측면에서 어려움이 존재한다.
따라서 본 연구에서는 보강 및 배수기능을 겸비한 비탈면 보강재를 적용하여 수치해석적 접근을 통해 현장조건을 반영한 모델링 지반에 비탈면 보강재 매설각도의 변화가 지하수위 변화 및 안정성에 미치는 영향을 분석하고, 실내모형시험 및 현장시험 결과를 비교⋅분석하여 비탈면 보강재의 현장 적용성을 검증하고자 하였다.
2. 비탈면 보강재
2.1 비탈면 보강재 개요
강우시 주위환경 변화에 따른 지하수위 변화로 침투압, 수압, 간극수압, 과잉간극수압 등이 작용할 때 투수성이 불량한 토질은 전단강도의 급격한 저하로 비탈면붕괴의 가장 큰 원인으로 제공된다.
이때, 현재 비탈면안정 대책공법의 기능은 전단강도 증가와 배수문제 해결 두가지 별도로 작동한다. 예를 들자면 수평다발관 등 배수공 설치시 지반 비탈면이완 및 토사유실 등으로 지반강도 저하, 표면보호공은 지표수 유입은 차단되지만 지하수위는 상승하는 문제점이 발생되고 있는 실정이다.
본 연구에서 적용한 비탈면 보강재는 강우 또는 용출수 등에 의한 증가된 침투압과 과잉간극수압을 소산시킴으로써 자체 토사지반의 강도를 증가시키고, 배수재와 혼합하여 타입된 보강재를 통해 자체적인 보강기능도 겸하도록 설계되었다. 또한, 토출구보다 높은 수위를 유지할 경우 비탈면내에서의 상부와 하부는 필연적으로 수두차가 발생하게 되며 하향 흐름을 형성하게 된다. 이때 상부의 높은 위치수두 숨구멍에 해당하는 연직배수로를 통해 비탈면의 내부의 물을 원활하게 배출할 수 있고, 이와 함께 비탈면을 지지하는 역할과 투수성을 함께 가지는 연직배수로 말뚝 시설이 비탈면에 대해 보강 기능과 인터로킹(interlocking) 효과 등을 줄 수 있어 물 배출 뿐만 아니라 비탈면에 대한 전단응력을 향상시킬 수 있다(Yoon et al., 2023). Fig. 1은 비탈면 보강재 단면도를 나타낸 것이다.
3. 수치해석 및 실내모형실험
3.1 수치해석
비탈면 보강재 적용 시 지하수위의 변화 및 보강효과를 확인하기 위해 Soil Works 5.5 프로그램을 활용하여 비탈면 안정해석을 수행하였다. 수치해석은 무보강의 자연비탈면 조건, 비탈면 보강재가 수평으로부터 10°~60°까지 매설된 조건에 2015년~2020년의 전남지역 8월의 평균 강우강도 0.202를 적용했을 때 변화하는 지하수위 저감효과와 안전율의 변화 특성을 확인하였다. 수치해석에 적용된 대표단면의 비탈면 경사는 1:1.4, 가로 700 mm × 세로 500 mm × 폭 500 mm, 소단은 100 mm로 모델링하였으며, 모델링 단면에 단위중량 1.7 t/m3, 투수계수 1 × 10-2 cm/sec, 내부마찰각 28°, 점착력 15 kPa인 화강풍화토를 적용하였다. 또한, 비탈면 보강재는 화강풍화토보다 입경이 큰 D500자갈로 설정하였으며, 단위중량 2.0 t/m3, 투수계수 1 × 10-2 cm/sec, 내부마찰각 35°, 점착력 25 kPa로 비탈면 내부의 지하수가 원활하게 배출되도록 설계하였다. Fig. 2는 모델링 지반의 단면조건을 나타낸 것이다.
초기 지하수위를 바탕으로 강우강도를 비탈면 배면에 적용한 뒤 정상류해석을 수행한 결과 6일차의 무보강 비탈면 조건에서는 지하수위가 6.17 m로 전체적으로 포화되었으며, 안전율은 1.934로 나타났다. 비탈면 보강재를 매설한 경우 지하수위가 3.41~3.81 m로 나타났으며, 40°의 매설조건에서 가장 높은 저감효과를 나타냈다. 또한, 안전율의 경우 모든 매설조건에서 3.3 이상의 안전율을 나타냈으며, 20°의 매설조건에서 3.402로 가장 높은 안전율을 나타냈다. Fig. 3은 시간경과에 따른 지하수위 변동을 나타낸 것이다.
3.2 실내모형실험
본 연구에서 적용된 비탈면 보강재는 입도가 큰 재료와 철근 및 강체로 구성되어 배수 및 보강의 기능을 가지며, 연직보강재와 경사보강재를 동시에 시공하여 비탈면의 토사유실 및 시공성 향상의 장점을 가진다. 이에 따라 경사보강재의 매설 각도에 따른 지하수위 저감 효과 및 안전율 확보를 확인하기 위해 수치해석을 수행하였으며, 우수한 효과가 도출된 조건에 대해 실내모형실험으로 재현하여 수치해석결과와 비교하였다. 모형비탈면은 수치해석 모델링과 동일한 크기로 진행하였으며, 비탈면의 높이를 고려하여 연직보강재의 길이는 0.45 m, 경사보강재의 경우 모형토조 하단 0.05 m에서 접하도록 설치하였다. 실험과정은 비탈면을 모사한 뒤 약 5일간 포화시켜 지하수위가 정상류 상태의 침투조건에 도달하게 하였으며, 이후 5일간 저수조의 일정 수두를 유지한 상태에서 모형토조 하부에 10 cm 간격으로 설치된 간극수압계를 통해 위치별로 간극수압을 측정하였다. Fig. 4는 실내모형시험 결과를 나타낸 것이다.
3.2.1 유출비
Fig. 5는 지하수위가 정상류 상태의 침투조건을 만족한 뒤 보강 전/후에 따른 유출비를 나타낸 것이다. 매설조건에 무관하게 보강전에 비해 보강후의 유출비가 더 크게 측정되었으며, 20°의 경우 보강전과 비교하여 9~16% 더 큰 유출비를 나타냈으며, 40°의 경우 10~17% 더 큰 유출비를 나타냈다. 이는 비탈면 보강재를 통해 침투하는 지하수위의 일정부분을 배수하고 있음을 나타내며, 지하수위 저하 및 보강에 의한 전단 저항력 증가효과가 있을 것으로 기대된다.
3.2.2 지하수위 저감
Fig. 6은 무보강 비탈면과 비탈면 보강재를 20°, 40°로 보강한 비탈면의 지하수위 변화를 10 cm 간격으로 비교하여 나타낸 것이다. Case 1의 경우 무보강과 비교하여 상단부(10-30)에서 약 7%의 지하수위 저감효과를 나타냈으나 중단부(30-60)에서 붕괴가 발생하여 지하수위가 상승하는 결과를 나타냈다. Case 2의 경우 무보강과 비교하여 전체적으로 지하수위가 저하되는 경향을 나타냈으며, 약 6~35%의 저감효과를 발휘하였다.
Fig. 7은 지하수위가 저감되는 하강속도를 나타낸 것으로 비선형 회귀 분석을 통해 변화 경향을 예측하였으며, Eq. (1)은 시간에 따른 지하수위의 변화를 모델링한 것이다. 하지만 Case 1의 경우 비탈면 붕괴가 발생하면서 정량적인 지하수위 하강속도를 분석하는데 한계가 나타났으며, 모든 구간에서 다른 Case에 비해 높은 하강속도를 나타냈다.
여기서, y = 특정시간 x에서의 하강속도(kPa/day)
h0 = 초기 하강속도(kPa/day)
k = 하강 속도 계수(1/day)
x = 경과시간(day)
무보강의 경우 y = 0.0485e-0.327x (R2= 0.9088)로 32.7%의 지하수위 감소율을 나타내며, 초기 하강속도가 빠르며 시간경과에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타냈다. Case 1의 경우 y = 0.0474e-0.252x (R2= 0.7844)로 25.2%의 지하수위 감소율을 나타내며, 초기에 빠른 감소 이후 완만한 경향을 나타냈다. Case 2의 경우 y = 0.0391e-0.281x (R2= 0.9235)로 초기 하강속도는 완만하나 감소율이 28.1%로 시간경과에 따라 하강속도가 빠르게 둔화되었다.
4. 현장시험
비탈면 보강재의 배수 및 보강에 의한 전단 저항력 증가 효과를 파악하기 위해 수치해석을 수행하였으며, 10°~60°까지 매설각 변화에 다른 지하수위 저감효과에 대한 결과로부터 현장시험의 한계(대규모 시공)로 인해, 안전율이 가장 높은 20°와 지하수위 저감효과가 가장 우수한 40°를 선정하여 지하수위 저감 및 안전율이 탁월한 조건에 대해 실내모형실험을 실시하였다. 그 결과, 비탈면 보강재가 지하수위를 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하였다. 이러한 실내모형실험 결과를 바탕으로 현장 조건에서 비탈면 보강재의 실제 성능과 지하수위 변화에 따른 비탈면 안정성 증가 효과를 검증하기 위해 현장실험을 수행하였다.
4.1 현장실험 조건
현장 비탈면의 경사는 1:1.4로 높이 3 m, 밑면, 4.5 m, 폭 8 m로 설계하여 비탈면을 모사하였으며, 비탈면 후면은 무한비탈면으로 지하수위의 유출을 최소화하였다. 사용된 재료의 특성은 Table 1과 같으며, 비탈면 보강재는 THP유공관에 투수성이 우수한 쇄석을 채워 지하수의 유입 및 배수가 원활하게 하였으며, 토사 및 쇄석의 유실을 방지하기 위해 부직포로 보강재를 감싸 비탈면 보강재를 모사하였다. 이처럼 구성된 비탈면 보강재의 투수계수는 100 cm/sec이다.
Table 1
Characteristics of Materials
| Index | Result |
|---|---|
| Water Content | 11.1% |
| Density | 2.629 g/cm3 |
| Liquid Limit | NP |
| Plastic Limit | NP |
| Plastic Index | NP |
| 0.08 mm | 20.2% |
| Maximum Dry Density | 1.902 g/cm3 |
| Optimum Water Content | 12.1% |
비탈면 보강재의 현장 적용성을 확인하기 위해 경사 보강재의 매설각도를 20°와 40°로 선정하였으며, 현장 들밀도 시험을 통한 비탈면의 다짐도는 90% 이상으로 나타났다. 실내모형실험과 동일하게 각 조건에 따라 3본의 비탈면 보강재를 적용하였으며, 보강재 사이의 거리는 2 m로 설정하여 보강 효과를 확보하면서 지하수 흐름 경로를 최적화하여 간극수압을 감소시킬 수 있도록 적용하였다. 또한, 연직배수재와 비탈면 경사 사이를 천공하여 각 구간에 지하수위계를 설치하여 지하수위를 측정하였다(Fig. 8).
현장실험은 총 16일간 실시하였으며, 양수기를 이용하여 12일간 비탈면을 포화시켜 지하수위를 상승시켰다. 지하수위가 약 2 m에 도달했을 시 물공급을 중지한 뒤 각 구간별 지하수위 저감량을 4일간 측정하였다.
4.2 현장실험 결과
수치해석 결과를 통해 비탈면 보강재를 10°~60°까지 10°씩 변화시켜 배수 및 보강효과를 확인하였으며, 20°와 40°의 매설조건에서 안전율 및 지하수위 저감효과가 가장 우수하게 나타났다. 따라서, 수치해석을 실시한 조건과 유사한 비탈면을 모사하여 두 조건에 대한 실내모형실험을 수행하였다. 그 결과, 20°로 매설한 경우 배수재의 토출부와 배출시의 지하수면이 경사부로 바로 노출되어 토사유실과 더불어 배수재 하부로 지하수위 저하가 발생되지 않아 지하수위 저감효과가 미비하였으나, 40°로 매설한 경우 수치해석 결과와 유사하게 배수재 하부로 지하수위 저하가 발생하여 효과적인 저감효과를 발휘하였다.
현장시험에서는 모사된 성토비탈면에 비탈면 보강재를 적용하고 실내모형실험 결과와 비교하여 지하수위 변화 특성을 분석하였다. Fig. 9(a)는 양수기를 통한 물 공급으로 지하수위가 상승하면서 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, Fig. 9(b)는 물공급을 중지한 뒤 지하수위 저감량을 나타낸 것이다. Fig. 9(c)는 지하수위가 상승함에 따라 증가하는 속도를 나타낸 것으로 시간에 따라 점차 둔화되는 비선형적 경향을 나타냈다. Fig. 9(d)는 초기에 높은 수위로 인해 급격한 하강속도를 나타냈으나 수위가 낮아짐에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 이처럼 비탈면 보강재는 지하수위 저감효과가 명확하게 발생하며, 실내모형실험 결과와 일관되게 Case 2의 지하수위 저감효과가 Case 1보다 효과적인 것으로 나타났다. Table 2는 현장실험 지하수위를 나타낸 것이다.
Table 2
Field Test Ground Water Level
4.2.1 무보강 비탈면
무보강 비탈면의 지하수위 변화 특성을 측정하기 위해 12일간 물을 공급하여 지하수위를 형성하였으며, 이후 물 공급을 중지하고 계측기를 통해 지하수위 변화량을 관측하였다. 그 결과, 초기 지하수위 0.000 m에서 12일차에 2.151 m까지 지하수위가 상승하였으며, 초기 지하수위 상승속도가 가장 크게 나타났다. 물 공급을 중지한 뒤 1일차에 0.964 m, 2일차 0.667 m, 3일차 0.550 m, 4일차 0.433 m로 감소하였으며, 초기 지하수위 하강속도가 0.0499로 가장 낮고, 감소율 또한 1.1%로 가장 낮게 나타났다.
5. 고 찰
수치해석을 통한 배수효과 및 안정해석 결과, 비탈면의 지하수위는 매설각도를 40°로 적용한 경우 모든 경과시간에서 무보강과 비교하여 가장 우수한 저감효과를 발휘하였으며, 안전율 또한 증가한 것으로 나타났다.
수치해석 결과를 바탕으로 단면조건을 모사한 실내모형시험에서 20°와 40°로 적용된 비탈면 보강재는 무보강과 비교하여 향상된 유출량을 나타내었으나 20°와 40°간 차이는 나타나지 않았다. 또한, 20°로 매설한 조건에서 토사유실로 인한 비탈면 붕괴가 발생하여 정량적인 지하수위 저감효과의 파악은 불가하였으나 40°의 매설 조건에서는 모든 구간에서 지하수위 저감효과가 발생하였다.
수치해석 및 실내모형시험으로 확인된 비탈면 보강재의 현장 적용성을 검증하기 위해 대규모 비탈면을 조성한 뒤 강우를 모사한 물 공급이 이루어지는 12일까지의 지하수위 변화량을 비교하였을 때, 수치해석 및 실내모형시험 결과와 유사한 지하수위 저감효과를 나타냈다. Case 1의 경우 무보강 비탈면과 비교하여 지하수위가 약 11% 저감 되었으며, Case 2의 경우 약 18%의 저감효과를 나타냈다. 또 한, Case 2가 Case 1에 비하여 약 8% 향상된 지하수위 저감효과를 나타냈다.
물 공급을 중지한 뒤 두 조건에서의 지하수위 변화량을 관찰한 결과, Case 1의 경우 무보강과 비교하여 1일차에 43%, 2일차 74%, 3일차 76%의 저감효과가 나타났으며, Case 2의 경우 1일차 63%, 2일차 83%, 3일차 91%로 Case 2가 Case 1에 비하여 33~62% 향상된 지하수위 저감효과를 나타냈다.
또한, 상승속도 회귀식에 따르면 무보강의 경우 초기 지하수위 상승속도(h0)가 가장 빠르며, Case 2가 가장 낮게 나타났다. 하강속도의 경우 무보강이 가장 완만하며 지속적으로 감소하는 경향을 나타냈으며, Case 1과 Case 2의 경우 초기에 급격한 하강속도를 나타내며 빠르게 감소하는 경향을 나타냈다(Table 3). 따라서, 현장단위의 대규모 비탈면에 비탈면 보강재를 적용할 시 20°보다 40°로 매설하는 것이 강우 등에 의한 용출수 배출을 촉진하여 비탈면의 안정성을 향상시킬 수 있을 것이다.
Table 3
Field Test Groundwater Level Fluctuation Regression Equation
6. 결 론
본 연구는 비탈면에서 우수의 침투 및 용출수에 의한 지하수위 상승을 방지하지 위해 수치해석 및 실내시험을 통해 보강재 매설각도에 따른 지하수위 저감 효과를 확인하고, 현장 적용성 평가를 위해 성토 비탈면에 비탈면 보강재를 적용하여 지하수위 변화 경향을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 대규모 비탈면을 모사하여 비탈면 보강재를 적용한 결과 수치해석 및 실내모형실험 결과와 유사한 지하수위 변화 경향을 나타냈다.
(2) 강우를 모사한 물 공급이 종료되는 시점인 12일까지의 Case 별 지하수위 변화량은 무보강과 비교하였을 경우, 20°에서 약 11%, 40°에서 약 18%의 지하수위 저감효과가 발생하였다.
(3) 지하수위 형성 후 물 공급을 중지한 13일부터 20°와 40°의 저감효과를 비교하였을 때, 40°에서 약 33~62% 저감효과가 발휘되는 것으로 나타났다.
(4) 물 공급을 중지한 뒤 지하수위 하강속도는 Case 1 y = 0.3071e-0.08x (R2= 0.7902), Case 2 y = 0.1595e-0.077x (R2= 0.8712)로 초기에 급격한 하강속도를 나타내며, 시간경과에 따라 크게 감소하는 경향을 나타냈다.
본 연구는 수치해석 및 실내모형실험에서 얻어진 결과로부터 실제 현장에서의 비탈면 보강재의 적용 가능성을 평가하기 위해 비탈면을 모사하여 매설각도 변화에 따른 지하수위 저감 거동 특성을 확인하였다. 추후 매설각도에 대한 범위를 확장하여 추가적인 연구를 수행한다면 배수효과와 전단저항 효과를 모두 만족하는 효율적인 비탈면 보강 공법의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
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