비탈면(사면) 설계

5.1 개 요

5.1.1 검토 목적

본 과업구간에서 발생하는 비탈면에 대한 안정성을 검토하여 최적의 비탈면경사를 제시하고, 장기적인 비탈면의 안정성 확보를 위한 비탈면보호공법을 선정하는데 목적이 있다.

5.1.2 비탈면 현황

본 과업구간은 깎기 비탈면과 쌓기 비탈면이 형성되며, 풍화대가 발달한 깎기 비탈면은 대부분 토사 및 연암으로 비탈면이 형성된다.

깎기 비탈면의 안정검토는 현장조사에 의해 파악된 지반상태, 지하수위 및 도로계획을 감안하여 비탈면 높이가 비교적 높고 비탈면의 붕괴가능성이 높은 지점을 선정하여 시행하였다.

쌓기 비탈면은 본 설계노선의 쌓기부에 연약층이 분포하지 않고 대부분 붕적층으로 이루어져 있으므로 안정성 확보에 문제가 없을 것으로 판단되며 일부구간에 용지확보 등의 이유로 보강토옹벽을 설치하여 쌓기부의 안정을 확보하였으며, 각각의 구간에 대해 상대적으로 성토고가 높은 지점에 대하여 안정검토를 시행하였다.

구 분	위 치 (STA.)	연 장 (m)	검토단면	비탈면 구성	시추 조사	비고
깎기비탈면	5+470 ~ 5+530	60	5+500	∙붕적층 : 1.6m ∙연 암 : 1.6이하	CB-2

5.2 설계기준 및 검토방법

5.2.1 비탈면 경사

가. 쌓기 비탈면

1) 쌓기 높이에 따른 표준경사

구 분	쌓 기 높 이	경 사	소 단 설 치
쌓 기	0 ~ 6 m	1 : 1.5	H=6.0m이상 소단 1m 설치
	6 m이상	1 : 1.8

 

2) 재료 및 높이에 따른 표준경사

쌓 기 재 료	높 이	경 사	흙 의 분 류
입도분포가 좋은 모래 자갈 및 자갈섞인 모래	0 ~ 6m 6 ~ 15m	1 : 1.5 1 : 1.8	GW, GP, SW, GM, GC
입도분포가 나쁜 모래	0 ~ 10m	1 : 1.8	SP
암, 암버력	0 ~ 6m 6m 이상	1 : 1.5	SW, GP, GM
사질토, 굳은 점토 (퇴적층의 점성토, 점토 등)	0 ~ 6m 6m 이상	1 : 1.8 1 : 1.5	SM, SC, CL
연약한 점성토	0 ~ 6m	1 : 1.8	CH, OH, ML, MH

3) 국내기관별 쌓기 비탈면 표준경사

토 질 조 건	높 이	경 사 기 준
		건설교통부	도로공사	토지공사	주택공사
토 사	6m 이상	1:1.8	1:1.8	-	-
	0~6m	1:1.5	1:1.5	-	-
	5m 이상	-	-	1:2.0	-
	0~5m	-	-	1:1.5	-
입도분포가 좋은 모래 및 자갈섞인 모래, 굵은 모래	6m 이상	-	-	-	1:2.0
	3~6m	-	-	-	1:1.8
	0~3m	-	-	-	1:1.5
입도분포가 나쁜 모래, 연약한 점성토	6m 이상	-	-	-	별도 적용
	3~6m	-	-	-	1:2.0
	0~3m	-	-	-	1.8

나. 깍기 비탈면

깍기 비탈면의 표준경사는 비탈면의 안정성 확보에 필요한 최소 경사를 나타내는 것으로 토사의 경우 구성토질 및 상대밀도, 암반의 경우 TCR, RQD 등의 암질에 따라 적용하여야 한다.

 

1) 암질에 따른 비탈면 경사 (도로설계요령, 2001)

암석 종류 (강도)	암반파쇄상태		굴 착 난이도	경 사	소 단 설 치
	T.C.R %	R.Q.D %
풍화암 또는 연․경암으로 파쇄가 심한 경우	20% 이하 (5%이하)	10%이하 (0%)	리핑암반	1:1.0~1:1.2	H=5m마다 소단 1m폭
풍화암으로 파쇄가 거의 없는 경우와 대부분의 연․경암	20-40% (10~30%)	10-25% (0~10%)	발파암 (연암)	1:0.8~1:1.0	H=10m마다 소단 1~2m
	40-60% (30~50%)	25-30% (10~40%)	발파암 (보통암)	1:0.7
	60%이상 (50%이상)	50%이상 (40%이상)	발파암 (경암)	1:0.5	H=20m마다 소단 3m

 

3) 국내 기관별 표준경사

토질조건		깍기높이	건설교통부	도로공사	토지공사	주택공사
토 사		5m이상	1:1.5	1:1.5	1:1.5	1:1.5
		0~5m	1:1.2	1:1.2	1:1.2	1:1.2
리핑암 (풍화암)		5m이상	1:0.7~1:1.2	1:1.0~1:1.2	1:1.0	1:1.2
		0~5m				1:1.0
발파암	연 암	5m이상	1:0.5~1:0.7	1:0.5~1:1.0	1:0.5	1:1.0
		0~5m				1:0.8
	경 암	5m이상				1:0.8
		0~5m				1:0.5

 

다. 비탈면 경사의 적용

본 설계에서는 각 구간별로 안정검토를 실시하여 안정확보가 가능한 경사를 적용하되 비탈면의 최소경사는 건설교통부의 표준경사를 기본으로 적용하였다.

깎기 비탈면		쌓기 비탈면
지 층 조 건	적용경사	쌓기높이	적용경사
토 사	1 : 1.2∼1.5	성토 높이 6m이하	1:1.5
리핑암(풍화암)	1 : 1.0	성토 높이 6m이상	1:1.8
발파암(연.경암)	1 : 0.5	-	-

5.2.2 비탈면 소단

가. 국내외 기관별 소단 적용기준

일반적으로 소단의 설치목적은 사면 침식방지를 위한 배수시설 설치 및 점검보수용 통로 등과 같은 유지관리를 위해 일정 폭으로 설치하며, 국내외의 설치기준은 다음과 같다.

1) 일본기관 소단기준

기 준 명	적용부분	절․성토	소단 기준의 표준높이
일본도로공단 설계요령	도 로	성 토	비탈면 어깨에서 6~10m 마다
		절 토	원칙적으로 높이 7m 마다
일본국도설계요령	도 로	절 토	높이 7m 마다(경암이면 불필요)

 

2) 국내기관 소단기준

기 관 명	소 단 설 치 기 준
	깎기	쌓기
건설교통부	∙ 토 사 : 5m마다 폭1.0～1.5m ∙ 리핑암 : 7.5m 마다 소단 ∙ 발파암 : 20m마다 폭 3m소단	∙ 6m 마다 폭 1m 소단
한국도로공사	∙ 발파암 : 20m마다 폭 3m소단 ∙ 토사, 리핑암 : 5m 마다 폭 1m 소단	∙ 6m 마다 폭 1m 소단

나. 설계 적용

구 분	소 단 기 준
쌓 기	∙ 쌓기 높이가 6m 이상일 때 사면의 중간에 사면 어깨로부터 수직거리 6m 마다 소단을 설치하는 것을 원칙으로 하며, 소단폭은 1.0m로 함.
깎 기	∙ 암반 비탈면은 높이가 20m 이상일 때 수직거리 20m 마다 1.0m의 소단설치 ∙ 토사 및 리핑암의 경우 깎기 높이 5m 마다 1.0m의 소단을 설치

5.2.3 기준 안전율

가. 쌓기 비탈면

구 분	최소안전율 (Minimum Safety Factor)
건설교통부	2005년도 국도건설공사 설계실무 요령	Fs ≥ 1.3
한국도로공사	도로설계요령(1992년)	Fs ≥ 1.3
일본건설성	표준적인 계획안전율	Fs ≥ 1.1～1.3
일본고속자동차 국도 설계 요령	공용하중 개시후 적용	Fs ≥ 1.25
	축조기간중 일시적인 안정에 적용	Fs ≥ 1.1

 

나. 깎기 비탈면

구 분	최소안전율 (Minimum Safety Factor)
건 설 교 통 부	2005년도 국도건설공사 설계실무 요령	건기시 1.5이상, 우기시 1.1∼1.2 이상
한국도로공사	도로설계기준 및 도로설계요령	건기시 1.5이상, 우기시 1.1∼1.2 이상
미국해군공병단 NAVFAC	하중이 지속적으로 작용할 경우	Fs ≥ 1.5
	구조물 기초의 경우	Fs ≥ 2.0
	일시적인 하중작용 및 시공시	Fs ≥ 1.3～1.25
일 본 건 설 성	표준적인 계획 안전율	Fs ≥ 1.1～1.3
일 본 도 로 공 단	도로설계 요령	Fs ≥ 1.5

다. 설계적용 최소 안전율

안정성 검토시 비탈면의 최소안전율은 건설교통부 및 한국도로공사의 기준을 적용하여 안정여부를 판단하였다.

구 분		최소 안전율	적용근거
쌓기 비탈면		Fs ≥ 1.3	2005년도 국도건설공사 설계실무 요령
깍 기 비탈면	건 기	Fs > 1.5
	우 기	Fs > 1.1
지 진 시		Fs > 1.1	한국도로공사:도로설계요령 제2권(2001년)

5.2.4 설계하중 적용기준

가. 상재하중 적용기준

비탈면 상단에 구조물이 존재하는 경우 실제 기초면에 작용하는 접지압 적용한다.

비탈면에 작용하는 하중에는 구조물로 인한 하중과 차량 주행에 따른 교통하중으로 구분되며 흙쌓기 비탈면인 경우에는 흙쌓기높이를 고려하여 쌓기체 상단에 상재하중을 적용한다.

구 분	적용값	비고
구조물하중	실제 접지압	∙ 구조물로 인해 발생되는 하중
교통하중	13KN/m2	∙ 차량통행에 따른 차량하중과 노선의 중요성을 감안

5.2.5 설계지하수위 적용기준

비탈면내의 지하수위는 지형, 지층 분포상태, 지반의 투수성 및 계절변화에 따라 큰 변화를 보이며 비탈면 안정검토시 지하수위의 위치는 안전율 결과에 상당한 영향을 미치므로 국내에서 적용되고 있는 기준 및 우기시 포화심도를 검토하여 지하수위 위치를 본 설계에 적용하였다.

가. 국내 적용기준

1) 쌓기 비탈면

구 분	지하수위 위치(GL.-m)
한국도로공사 도로설계 실무편람 (2001)	∙ 지하수위가 쌓기체 내부로 상승하지 않는 조건으로 검토
설계적용	∙ 장시간 강우와 쌓기재의 안정성을 고려하여 건기시 및 우기시 모두 지하수위는 원지반고에 형성되어 있는 것으로 반영

2) 깎기 비탈면

구 분			지하수위 위치
한 국 도로공사 도로설계 실무편람	토사	건기시	∙ 지하수위 미 고려
		우기시	∙ 지하수위는 지표면 혹은 GL-3.0m
	암반	건기시	∙ 인장균열이나 활동면을 따라 수압이 작용되지 않음
		우기시	∙ 인장균열이나 활동면을 따라 작용되는 수압을 Hw=1/2H로 가정하여 적용
건설교통부	건 기 시		∙ 토사 : 지하수위 미 고려 ∙ 암반 : 인장균열이나 활동면을 따라 수압이 작용되지 않음
	우 기 시		∙ 지표면에 위치

나. 설계적용

건설교통부「2005년도 국도건설공사 설계실무 요령」기준에 의거 다음과 같이 지하수위를 적용하였다.

구 분		지하수위 위치
설계적용	건 기 시	∙ 토사 : 지하수위 미 고려 ∙ 암반 : 인장균열이나 활동면을 따라 수압이 작용되지 않음
	우 기 시	∙ 지표면에 위치

5.2.6 비탈면 파괴형태 및 검토방법

가. 토사 비탈면의 파괴형태

1) 깍기 비탈면의 붕괴형태 및 특성

• 붕락(Falls) : 연직으로 깍은 비탈면의 일부가 낙하하거나 굴러서 아래로 떨어지는 현상을 말하며 이때 떨어지는 물체와 비탈사이의 전단변위는 거의 없고 낙하속도가 대단히 빠름

• 활동(Slides) : 활동면의 현상과 위치에 따라 활동물질과 활동면 사이에 전단변형에 의해서 생기는 현상으로 형상에 따라 구분됨

파괴형태	파 괴 특 성	개 요 도
직선활동	․ 활동하는 흙의 깊이가 비탈면의 높이에 비해 작은 경우, 자연비탈면과 같이 비탈면 아래로 내려갈수록 강도가 커지는 지반에서 직선적으로 활동
원호활동	․ 하부 지반에 연약층이 존재하여 연약층이 비교적 균질할 경우에 발생
복합곡선 활동	․ 기초지반에 얇은 연약지반이 있는 경우 직선과 곡선의 복합형태로 발생

• 유동(Flows) : 활동깊이에 비해서 활동되는 길이가 대단히 길며, 소성적인 활동이 지배적이고, 활동속도가 대단히 느린 경우가 많으며, 지반은 Creep 변형이 발생됨.

 

2) 쌓기 비탈면의 붕괴형태 및 특성

• 얕은 표층붕괴 : 경사면이 침식되기 쉬운 흙으로 구성되고 배수가 미비할 때 점차적으로 넓은 표층붕괴로 진행된다.

• 깊은 쌓기붕괴 : 고함수비의 점성토로 높은 쌓기를 급속히 시공하면 쌓기내의 과잉 간극수압이 발생하여 쌓기의 저부에서 붕괴가 된다.

• 기초지반을 포함한 붕괴 : 불안정한 경사지반이나 활동이 용이한 토층이 있는 비탈면 위에 쌓기를 한 경우 기초지반내에 활동면에 의한 대규모 붕괴 발생한다.

나. 암반 비탈면의 파괴형태

비탈면의 붕괴현상은 자연적인 원인과 인위적인 행위에 의하여 발생하며, Varnes에 의해 제시된 암반비탈면 붕괴형태는 다음과 같다.

파 괴 형 태		붕 괴 의 예
Falls		Rock Fail
Topples		Rock Topple
Slides	Rotational Slides	Rock Slump	Few Units
	Translational Slides	Rock Block Slide
	Translational Slides	Rock Slide	Many Units
Lateral Spreads		Rock Spread
Flows		Rock Flow
Complex		Multiple Retrogressive and Successive Slide

 

일반적으로 암반에서 비탈면의 파괴형태는 원형파괴(Circular Failure), 평면파괴(Plane Failure), 쐐기파괴( Wedge Failure) 및 전도파괴(Toppling Failure)가 있다.

 

1) 원형파괴(Circular Failure)

토층 비탈면 및 불연속면이 불규칙하게 많이 발달되어 뚜렷한 구조적 특징이 없는 암반에서 원형파괴가 발생할 수 있으며, 주로 풍화가 심한 암반이나 파쇄가 심한 암반에서 발생할 수 있다.

2) 평면파괴(Plane Failure)

연장성이 긴 불연속면에서 비탈면의 방향과 같은 방향으로 한 곳에 극점이 집중적으로 분포할 때 발생하며, 절리면을 따라서 붕괴하려면 다음의 조건을 만족시켜야 한다.

∙ 절개면과 절리면의 경사방향이 동일, 절리면의 주향이 절개면의 주향과 비슷

∙ 절리면의 주향이 절개면상에 존재 즉, 절리면의 경사각(α) < 절개면의 경사각 (βa)

∙ 붕괴는 암괴의 양쪽측면이 절단되어서 암괴가 붕락하는데 측면의 영향이 없어야 한다.

3) 쐐기파괴(Wedge Failure)

쐐기파괴는 두 개의 불연속면을 따라 발생하는 암반블록의 미끄러짐으로 인한 파괴형태로 기본적인 역학관계는 평면파괴와 유사하며, 쐐기파괴의 발생조건은 다음과 같다.

∙ 절리의 교선과 절개면의 경사방향이 동일

∙ 절리면의 주향이 절개면의 주향과 비슷.

∙ 절개면의 경사 > 절리의 교선의 경사 > 절리의 마찰각 : βa > α >ø

4) 전도파괴(Toppling Failure)

절개면과 절리면의 경사방향이 반대이거나 절리면의 주향과 절개면의 주향이 비슷할 경우에 발생한다.

∙ (90°- 절리면의 경사)+절리면의 마찰각 < 절개면의 경사 : (90°- α) + ø< βa

다. 토사 비탈면 안정해석 방법

토사비탈면의 파괴 형태는 원호형, 대수나선형, 직선형 등 수 없이 다양하므로 해석에 앞서서 예상되는 활동면에 대한 여러 가지 경우를 충분히 검토한 후 활동 가능성이 가장 높은 경우에 대해 검토하는 것이 중요하다.

이론적으로 균질한 비탈면에 대해서는 활동면이 원호에 가까우므로 원호활동으로 가정하여 비탈면 안정해석을 수행하나 전단강도가 깊이에 따라서 증가하는 무한비탈면에 대해서는 병행활동을 하므로 이에 상응하는 안정해석을 우선적으로 실시해야 하며, 비탈면내에 앏은 연약층이 존재할 경우 이 면을 따라 파괴가 발생하기도 한다.

2차원 한계평형해석에 의해 토사비탈면의 안정성을 검토할 경우 비탈면의 파괴형태와 이에 따른 해석방법의 가정조건은 여러 가지가 있다.

방 법	가 정	한계평형 조건
		모멘트	수직력	수평력
Fellenius	절편력의 합은 각 절편의 바닥에 평행	○	×	×
Bishop	절편력간 작용력은 수평방향으로 작용	○	○	×
Janbu	절편축력은 수평방향	○	○	○
Morgenstern-Price	X/E=λf(X)	○	○	○
Spencer 간편법	X/E는 모든 비탈면에 대해 일정	○	○	○

본 설계에서는 비탈면의 건기시와 우기시로 구분하여 각각의 안정성을 모두 검토하였으며, 최소안전율의 결정은 Modified Bishop Method를 이용하여 결정하였다.

 

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