1. 서 론

도심지에서의 다양한 개발을 위한 각종 지반굴착공사들은 주변 환경에 다양한 문제점들을 야기하고 있으며, 특히 굴착벽체에 작용하는 토압의 잘못된 산정은 굴착구조물의 붕괴로 이어질 수 있고 결국에는 공사중단, 법적소송 및 보상문제 등의 상당한 시간 및 경제적 손실을 초래할 수 있다. 따라서 도심지 개발을 위해 설치되는 지반굴착벽체 자체 구조물에 대한 안전을 확보하는 것은 물론, 야기되는

관련 문제점들을 최소화 하는 것은 사회적으로나 경제적으로 매우 중요한 일이라 판단된다. 지반굴착벽체의 안전을 확보하고 관련 문제점들을 최소화하기 위해서는 지반의 거동특성 및 설치되는 굴착벽체들의 전반적인 거동을 충분히 이해해야 할 뿐만 아니라, 지반/굴착벽체 상호작용에 대한 폭넓은 이해가 수반되어야 할 것이다. 도심지 지반굴착문제의 설계 및 시공수준 향상과 관련한 연구중의 하나는 굴착벽체 구조물의 안전성과 경제성을 확보하기 위해 설계 시 벽체에 적용하는 겉보기토압 산정에 관한 것이다. 도심지에서의 지반굴착공사로 인한 굴착벽체의 토압 및 거동에 관한 연구는 국ㆍ내외에서 많이 수행되었으나, 대부분 토사지반을 대상으로 하고 있다. 또한, 굴착벽체의 설계를 위해 필요한 토압은 지반-벽체 및 버팀구조의 복잡한 상호거동으로 인해 토압분포에 대한 이론적인 해법이 존재하지 않고 현장계측이나 모형실험을 통해 얻어진 버팀대의 축력으로부터 역계산되어 산정되었다. 이렇게 제시된 토압은 벽체 및 현장 경계조건 등에 따라 실제 벽체를 따라 발생하는 토압분포와는 같지 않아 겉보기토압(apparent earth pressure)이라 명명한다. 겉보기토압에 관한 연구는 주로 국외에서 수행되었으며, 대표적인 현장계측 등을 통한 연구로는 Peck (1969) 및 Tschebotarioff (1973) 등(Fig. 1)이 있다.

이와 같이 제시된 겉보기 토압들은 일반적으로 실제현장에서 측정되는 토압보다 크게 나타나는데 이는 제시된 겉보기 토압이 현장에서 측정된 최대토압과 안전성을 고려하여 보수적인 값으로 제시되었기 때문이다. 상기에서 언급한 겉보기토압은 사질토 또는 점성토지반으로 이루어진 단일지층에서 획득된 계측자료를 토대로 제시되었기 때문에 실제 지층구조가 다양하고 특히 토사지반이 아닌 암반지층으로 구성된 현장에 적용하기에는 많은 제한성이 따르는 것으로 지적되어 왔다. 이를 반영하여 다층지반으로 이루어진 현장에서의 겉보기토압에 대한 연구가 계측결과를 토대로 다수 수행되었으며 관련 연구로는 Lee and Jeon (1993), Chae and Moon (1994), Jeong and Kim (1997), Yoo and Kim (2000) 등의 연구를 들 수 있다. 이와 같은 연구의 대부분은 벽체, 지반 및 시공조건에 따른 토압의 정량적인 분포 및 산정방법을 제시하기보다는 굴착현장에서 계측된 토압분포 및 크기를 기존의 국외연구자가 제시한 값과 비교하고 상기 언급한 토사지반 겉보기토압의 국내지반에의 적용성을 검토하는데 주안점을 두고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 연구들과 관련연구의 결과가 제시하는 중요한 의미는 암반층을 포함한 다층지반 등에서의 토압분포가 기존에 제시된 경험토압분포와 다를 수 있다는 것이며, 특히 절리를 포함한 암반지층에서의 토압분포 및 크기에 관련한 연구가 시급히 필요하다는 것을 지적하고 있다(Lee, 2004 등). 암반지층에서의 토압과 관련한 연구는 국내ㆍ외를 불문하고 거의 이루어지지 않았고 대부분 기존 토사지반의 경험토압을 암반지층에서의 굴착벽체의 보호 및 관리를 위해서 준용하여 적용하고 있거나 개략적인 암반분류를 통해 물성치를 조정하여 토압을 산정하고 있는 실정이다.

하지만, 국내 지층조건상 얕은 깊이에서 암반층이 출현하고 굴착깊이 또한 점점 깊어지고 있는 상황에서 절리가 형성된 암반지층에서 암반 및 절리조건 등을 반영한 토압에 관한 체계적인 연구는 그 필요성이 매우 시급한 것으로 판단된다. 이러한 상황을 반영하여 최근에 관련연구(Son and Yoon, 2011; Son, 2013)가 발표되었으며, 연구결과, 절리가 형성된 암반지층에서 굴착벽체에 작용하는 토압은 암반종류, 절리조건 및 굴착벽체 등에 따라서 큰 영향을 받고 토사지반에서의 토압과는 크게 다를 수 있다는 것을 보여주었다.

본 연구는 상기 관련연구들의 연장선위에 있으며, 특히 기존 연구에서 다루지 않았던 절리군의 영향에 대해서 암반 및 절리 전단강도, 절리경사각을 달리하면서 조사하였다. 본 연구의 결과는 향후 암반지층에서의 토압에 관한 관련정보를 유용하게 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 수치해석적 매개변수 연구

본 연구에서 사용한 수치해석 접근방법은 기존 관련연구(Son, 2013)에서 이미 구체적으로 설명하였지만 연구의 전반적인 이해를 위해 간략히 다시 언급하고자 한다. 본 연구에서는 암반블록 자체의 거동보다 절리의 거동에 의해 전체적인 거동이 지배되는 절리형성 암반지층을 고려하기 위해 개별요소법(DEM)에 근거한 해석을 수행하였다. 해석 프로그램은 UDEC (Universal Distinct Element Code)을 사용하였으며, 해석에 사용된 암반블록은 탄성체로 모델링하였으며, 절리면의 거동은 Coulomb Slip Model을 이용하여 모델링 하였다.

수치해석에 사용된 해석모델은 가로 68.8 m, 높이 31.5 m의 크기로 모델링하였으며, 굴착벽체는 20.5 m의 깊이로 설정되고 굴착깊이는 19.0 m, 굴착폭은 20.0 m로 가정하였다(Fig. 2).

해석에서 굴착벽체 및 버팀대(strut)는 탄성체로 가정하였으며, 굴착벽체와 암반의 인터페이스에서의 거동은 Coulomb Slip Model을 이용하여 해석하였다. 최외각 Boundary에 대해선 변위구속을 통해 경계조건을 부여하였으며, 의 조건으로 초기응력을 부여한 후 수치해석을 실시하였다.

다양한 매개변수 해석을 위해 암반블록의 종류를 경암, 연암, 풍화암으로 구분하였으며, 각 암반에 해당되는 절리 물성치는 양호, 보통, 불량에 해당되는 물성치를 부여하였다(Tables 1 and 2). 각 암반에 있어서 암반블록과 절리간의 수직 및 전단강성의 산정방법은 Son and Yoon (2011)에 자세히 제시되어 있으며, 암반블록과 벽체간의 수직 및 전단강성은 벽체의 종류 및 시공방법 등에 따라서 차이가 날 수도 있지만 대표적인 값을 측정하기 어려운 점이 있어 암반블록과 절리간의 강성과 동일하게 가정하였다. 또한, 절리면에서의 채움물질 등으로 인한 점착력은 없는 것으로 가정하였다. 각 해석경우에 있어서 절리경사각은 1방향 절리군에서는 0°, 30°, 60° 및 90°를 고려하였으며 2방향 절리군에서는 앞의 절리경사각을 조합하여 해석을 수행하였다(Fig. 3). 절리간격은 모든 경우에 있어서 1 m로 가정하였다.

수치해석은 암반에서의 시공조건 및 단계굴착에 따른 토압분포 및 크기를 반영하기 위하여 총 8단계로 굴착을 수행하였다. 1단계에서는 굴착벽체를 설치하고, 2단계에서 최초 1 m굴착한 후 굴착면위 0.5 m지점에 1단 strut을 설치하고, 3단계부터 차례로 3 m씩 추가굴착을 하고, 굴착면위 0.5 m 지점에 strut을 설치하는 순서로 총 19 m를 굴착하였으며 최종굴착단계에서는 strut를 설치하지 않았다(Fig. 4참조). 벽체에 작용하는 토압의 크기 및 분포는 각 해석단계마다 strut에 발생하는 최대 축력을 토대로 Peck이 수행한 방법과 같이 strut 하나가 분담하는 분포면적을 고려하여 역계산하여 산정하였다. 따라서, 본 논문에서 제시된 토압 또한 겉보기 토압이라 할 수 있다.

본 연구에서 사용된 굴착벽체는 H-pile+토류판 벽체이며, 굴착벽체의 형상이 실제현장에서 벽체에 작용하는 토압 및 변위에 대하여 큰 영향을 미치지는 않지만 수치해석에서는 모델링의 접합부 등에서의 응력집중 현상등과 같은 영향으로 수치해석 결과에 큰 영향을 가져올 수 있고, 실제 벽체의 형상을 수치해석에서 완벽하게 모사하기란 어려운 점이 많아 본 수치해석에서는 Fig. 5와 같이 환산단면으로 치환하여 적용하였다.

3. 작용토압의 크기 및 분포특성 비교

Fig. 6은 경암에서 1방향 절리군 및 2방향 절리군의 절리경사각별 작용된 겉보기토압과 =35°인 모래지반을 가정한 Peck의 경험토압 비를 비교한 것이며, Fig. 7은 각 절리군 및 절리경사각에서 작용한 총 토압과 Peck의 경험토압 분포에 의한 총 토압의 크기를 상호 비교한 것이다.

Fig. 6에서 보는 바와 같이 1방향 절리군에서는 절리경사각 60°를 제외하곤 토압이 Peck토압과 비교하여 아주 작게 발생함을 알 수 있다. 절리경사각 60°에서는 작용토압이 크게 증가하였는데, 이는 절리면에서 활동이 일어났기 때문이다. 굴착깊이에 따른 토압분포를 살펴보면 상부에서 보다 큰 토압이 작용한 반면, 하부로 갈 수록 작용토압이 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 상부지층에서는 구속효과가 작아 블록의 활동변위가 크게 발생한 반면, 깊이가 증가할수록 구속효과가 증가하여 블록의 활동변위를 억제하였기 때문인 것으로 판단된다. 2방향 절리군에서도 유사한 토압분포 경향을 나타냈으며 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우의 작용토압은 여전히 매우 작음을 알 수 있다. 절리면에서 활동이 발생한 경우의 토압은 크게 증가하였지만, 1방향 절리군과 큰 차이가 없었고 또한 절리경사각의 조합에도 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 각 해석경우에 있어서 작용한 총 토압과 토사지반의 총 토압의 비를 살펴보면(Fig. 7) 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우에는 총 토압비는 0.05보다도 작음을 알 수 있으며, 절리면에서 활동이 발생한 경우의 총 토압비는 0.7정도로 증가함을 알 수 있다.

Fig. 8은 연암에서 1방향 절리군 및 2방향 절리군의 절리경사각별 작용된 겉보기토압과 =35°인 모래지반을 가정한 Peck의 경험토압 비를 비교한 것이며, Fig. 9는 연암에서 각 절리군 및 절리 경사각도에서 작용한 총 토압과 Peck의 경험토압 분포에 의한 총 토압의 크기를 상호 비교한 것이다.

Fig. 8에서 보는 바와 같이 경암지반에서와 마찬가지로 1방향 절리군에서는 절리경사각 60°를 제외하곤 토압이 Peck토압과 비교하여 여전히 작게 작용함을 알 수 있지만 경암지반에서 작용한 토압과 비교해 보면 작용토압이 상대적으로 증가된 것을 알 수 있다. 절리경사각 60°에서 작용한 토압 또한 경암지반에서와 유사한 토압분포를 나타내었다. 2방향 절리군에서 작용한 토압 또한 경암지반에서의 작용토압과 비교하여 전반적으로 유사한 토압분포 경향을 나타냈지만 토압이 좀 더 증가되었다는 것을 알 수 있다. 연암지반에서 각 해석경우에 있어서 작용한 총 토압과 토사지반의 총 토압의 비를 살펴보면(Fig. 9참조) 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우에는 총 토압비는 0.1에서 0.2사이에 분포함을 알 수 있으며, 절리면에서 활동이 발생한 경우의 총 토압비는 0.82정도까지 증가함을 알 수 있다.

Fig. 10은 풍화암에서 1방향 절리군 및 2방향 절리군의 절리경사각별 작용한 겉보기토압과 =35°인 모래지반을 가정한 Peck의 경험토압 비를 비교한 것이며, Fig. 11은 풍화암에서 각 절리군 및 절리 경사각도에서 작용한 총 토압과 Peck의 경험토압 분포에 의한 총 토압의 크기를 상호 비교한 것이다.

Fig. 10에서 보는 바와 같이 풍화암지반에서 작용한 토압은 경암 및 연암지반에서의 토압과 비교하여 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우에 크게 증가한 것을 알 수 있다. 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우만을 비교해 보면, 절리경사각이 증가할 수록 토압 또한 약간 증가되어 작용함을 알 수 있다. 절리면에서 활동이 유발된 절리경사각 60°에서 작용한 토압분포는 경암 및 연암지반과는 달리 굴착깊이에 따라 크게 변화하지 않는 경향을 나타내었다. 다시 말해서, 암반상태가 나빠짐에 따라 암반블록의 활동변위에 대한 구속효과의 영향이 줄어들고 하부지층까지 암반블록이 상대적으로 큰 변형을 겪는다는 것을 알 수 있다. 2방향 절리군에서 작용한 토압은 1방향 절리군에서 작용한 토압분포와 유사한 토압분포 경향을 나타냈지만 토압이 좀 더 증가한다는 것을 알 수 있다. 풍화암지반에서 각 해석경우에 있어서 작용한 총 토압과 토사지반의 총 토압의 비를 살펴보면(Fig. 11참조) 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우에는 총 토압비는 0.6에서 0.85사이에 분포함을 알 수 있으며, 절리면에서 활동이 작용한 경우의 총 토압비는 0.95에서 1.05정도까지 증가함을 알 수 있다.

이상의 해석결과에서 살펴본 바와 같이 암반지층에서의 토압분포는 토사지반에서의 경험토압분포와 크게 다를 수 있다는 것을 확인하였으며, 본 연구를 통해 절리를 포함한 암반지층에서의 토압분포 및 크기는 암반상태 및 절리조건에 따라서 크게 차이가 날 수 있다는 것을 명확히 확인하였다. 이와 같은 결과를 토대로 할 때 향후 암반치층에 설치되는 굴착벽체에 대한 설계토압은 경제성과 안전성을 고려할 때 해당지층의 암반상태 및 절리조건을 고려하여 산정하여야 할 것으로 나타났다.

4. 결 론

절리가 형성된 암반지층에 설치되는 굴착벽체에 작용하는 토압에 관하여 수치해석적 매개변수연구를 수행하였다. 매개변수로는 암반종류 및 절리조건(절리강도, 절리경사각, 절리군의 수)을 고려하였으며, 각 해석경우에 유발된 토압과 Peck에 의해 제시된 토사지반에서의 경험토압을 비교분석 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)경암과 연암지반에서는 절리면에서 활동이 발생하지 않는 한 작용토압은 토사지반에서의 토압과 비교하여 절리경사각 및 절리군에 관계없이 상대적으로 작은 것으로 나타났으나, 절리경사각이 증가하고 절리군의 수가 많을 수록 작용토압이 증가하는 경향을 나타내었다. 하지만, 절리면에서 활동이 발생한 절리경사각 60°를 포함하는 경우의 작용토압은 다른 경우보다 토압이 크게 증가하였다. 절리경사각 60°에서의 굴착깊이에 따른 토압분포는 지층깊이에 따른 구속효과의 영향으로 인해 상부에서 보다 큰 토압이 작용한 반면, 하부로 갈 수록 작용토압이 감소하는 경향을 나타내었다.

(2)풍화암지반에서는 경암 및 연암지반과 비교하여 작용토압이 크게 증가하였으며, 절리면에서 활동이 발생하지 않는 경우의 작용토압과 절리면에서 활동이 발생한 경우의 작용토압의 차이는 다른 암반에서와 비교하여 크게 줄어들었다. 뿐만 아니라, 절리경사각 60°에서의 굴착깊이에 따른 토압분포는 큰 변화가 없어 구속효과의 영향이 줄어들었다는 것을 알 수 있었다. 이로부터, 암반상태가 나빠질수록 작용토압은 경암 및 연암과 비교하여 전반적으로 크게 증가하나 절리군을 포함한 절리조건이나 구속효과의 영향은 더 미약하게 작용하는 것으로 나타났다.

(3)토사지반의 토압과 비교할 때, 경암지반에서 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우 총 토압비는 0.05 (1,2방향 절리군)보다도 작은 것으로 나타났으며, 절리면에서 활동이 발생한 경우의 총 토압비는 0.7 (1,2방향 절리군)정도로 나타남을 알 수 있었다. 연암지반에서의 총 토압비는 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우, 0.1 (1방향 절리군)에서 0.2 (2방향 절리군)사이에 분포함을 알 수 있었으며, 절리면에서 활동이 발생한 경우에는 2방향 절리군에서 0.82정도까지 증가함을 알 수 있었다. 풍화암지반에서 각 해석경우에 있어서 발생한 총 토압비는 절리면에서 활동이 발생하지 않은 경우, 0.6 (1방향 절리군)에서 0.85 (2방향 절리군)사이에 분포함을 알 수 있었으며, 절리면에서 활동이 발생한 경우의 총 토압비는 0.95 (1방향 절리군)에서 1.05 (2방향 절리군)정도까지 증가됨을 알 수 있었다.

(4)암반지층에서의 토압분포는 토사지반에서의 경험토압분포와 크게 다를 수 있다는 것을 확인하였으며, 본 연구를 통해 절리를 포함한 암반지층에서의 토압분포 및 크기는 암반상태 및 절리조건에 따라서 크게 차이가 날 수 있다는 것을 또한 명확히 확인하였다. 이와 같은 결과를 토대로 할 때 향후 암반치층에 설치되는 굴착벽체에 대한 설계토압은 경제성과 안전성을 고려할 때 해당지층의 암반상태 및 절리조건을 고려하여 산정하여야 할 것으로 판단된다.

(5)본 연구의 결과는 다양한 암반 및 절리조건 중에서 제한된 경우에 해당되는 것으로서 향후 다른 조건들에 대한 보다 확장된 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 본 연구의 결과는 암반지층에 설치되는 굴착벽체에 작용하는 토압과 관련하여 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.