[비탈면 설계기준] 안전율 및 지하수위 기준

비탈면의 안정성을 평가하기 위해서는 세 가지 경우를 검토해야 합니다. 세 가지 Case는 각각 건기시, 우기시, 지진 시입니다. 비말면 설계에서는 세 가지 모두 안전율 기준을 만족해야 비탈면이 안정한 것으로 판단합니다. 각 조건에 따라서 검토 안전율과 지하수위의 적용이 다르고 지진 시의 경우는 지진하중을 고려하여 검토를 수행합니다.   

안전율 및 지하수위 기준으로 국가건설기준코드 설계기준 KDS 11 70 05 쌓기·깎기에 수록된 자료 뿐만 아니라 다양한 문헌자료에서 소개되고 있는 내용을 공유드리겠습니다.

 

 

기준안전율 및 지하수위 기준

국내 문헌자료

KDS 11 70 05 쌓기·깎기(국토교통부, 2020)

해당 자료는 실제로 국가에서 발행된 다양한 설계기준집에 실려있는 내용입니다. 건설공사 비탈면 설계기준(2011), 절토사면 유지관리 매뉴얼 보완·개정 연구(2013) 등 국토교통부 혹은 한국시설안전공단에서 발간된 설계기준집에 대표적으로 제시되어있습니다. 다 같은 국토교통부 자료인 셈입니다. 2016년 이후로 지하수위 적용이 개정된 내용이 있어 2016년 이전에 발간된 건설공사 비탈면 설계기준(2011)에는 내용이 상이하기 때문에 근거자료로 사용 시에는 유의해야 합니다. 2020년 개정된 최신 자료를 함께 살펴보겠습니다.

 쌓기 비탈면 기준안전율 및 지하수위 기준

구분		기준안전율	참조
장기	건기	FS>1.5	∙쌓기체 내에 지하수가 없는 것으로 해석
	우기	FS>1.3	∙지하수 조건은 지반조사 결과, 지형조건 및 배수조건 등을 종합적으로 판단하여 안정성에 가장 불리한 상태가 발생하는 조건에 대하여 수행 ∙한쪽쌓기 한쪽깎기 비탈면에서는 상기조건에 따라 산정한 지하수위 또는 침투해석을 통한 지하수위를 이용하여 해석 ∙쌓기 표면에 강우침투가 발생하는 경우에는 설계계획빈도에 따른 해당지역의 강우강도, 강우지속시간 등을 고려하여 강우침투를 고려한 해석 실시
	지진 시	FS>1.1	∙지진관성력은 파괴토체의 중심에 수평방향으로 작용 ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용
단기		FS>1.1	∙1년 미만의 단기적인 비탈면의 안정성(시공중 포함) ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용
* 비탈면 상부 파괴범위 내에 1, 2종 시설물의 기초가 있는 경우: 별도 검토

깎기 비탈면 기준안전율 및 지하수위 기준

구분		기준안전율	참조
장기	건기	FS > 1.5	∙지하수가 없는 것으로 해석
	우기	FS > 1.2 또는 FS > 1.3	∙연암 및 경암 등으로 구성된 암반비탈면의 경우, 인장균열 내 지하수 포화 높이나 활동면을 따라 지하수로 포화된 비탈면 높이의 ½심도까지 지하수를 위치시키고 해석을 수행하며 이 경우 FS=1.2를 적용 ∙토층 및 풍화암으로 구성된 비탈면의 안정해석은 지하수위를 결정하여 해석하는 방법 또는 강우의 침투를 고려한 방법 사용 가능 ∙지하수위를 결정하여 해석하는 경우에는 현장 지반조사 결과, 지형조건 및 배수조건 등을 종합적으로 고려하여 지하수위를 결정하고 안정해석을 수행하며, 지하수위를 결정한 근거를 명확히 기술 (FS=1.2적용) ∙강우의 침투를 고려한 안정해석을 실시하는 경우에는 현장 지반조사 결과, 지형조건, 배수조건과 설계계획빈도에 따른 해당지역의 강우강도, 강우지속시간 등을 고려하여 안정해석을 실시하며, 해석 시 적용한 설계정수와 해석방법을 명확히 기술 (FS=1.3적용)
	지진 시	FS>1.1	∙지진관성력은 파괴토체의 중심에 수평방향으로 작용 ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용
단기		FS > 1.1	∙1년 미만의 단기적인 비탈면의 안정성(시공중 포함) ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용
* 비탈면 상부 파괴범위 내에 1, 2종 시설물의 기초가 있는 경우：별도 검토

 

도로설계요령 - 토공 및 배수 편(2002, 한국도로공사)

구 분	최소안전율	내 용
건 기	Fs > 1.5	󰋯암반 : 인장균열이나 활동면을 따라 수압이 작용되지 않음 󰋯토층 및 풍화암 : 지하수위 미고려
우 기	Fs > 1.1∼1.2	󰋯암반 : 인장균열면이나 활동면을 따라 작용되는 수압을 Hw=1/2H로 가정하여 적용 󰋯토층 및 풍화암 : 지하수위는 지표면에 위치
지진시	Fs > 1.1~1.2	󰋯미국 D'APPOLONIA 기준 󰋯NAVFAC-DM7.1-329 기준 적용

 

도로설계요령 - 토공 및 배수 편(2009, 한국도로공사)

 쌓기 비탈면 기준안전율 및 지하수위 기준

구분		기준안전율	참조
장기	건기	FS>1.5	∙지하수가 없는 것으로 해석하는 경우
	우기	FS>1.3	∙일반적인 쌓기 비탈면은 별도의 지하수위 조건 없음 ∙한쪽쌓기 한쪽깎기 비탈면에서는 지하수위 또는 침투해석을 통한 지하수위를 이용하여 해석 ∙쌓기 표면에 강우침투가 발생하는 경우에는 강우침투를 고려한 해석 실시
	지진 시	FS>1.1	∙지진관성력은 파괴토체의 중심에 수평방향으로 작용시킴
* 주1) 도로, 단지, 철도 등의 포장체가 형성되는 쌓기 비탈면의 경우에는 필요시에 우기시 안전율을 검토하고, 건기시의 안전율도 만족하도록 설계함 * 주2) 간도정수를 최대강도가 아닌 잔류강도로 해석한 경우 위 기준에서 0.1 감소시킴 * 주3) 비탈면 상하부 파괴범위 내에 가옥, 건물 등의 고정시설물이 있는 경우 위 기준에서 0.05 증가시킴 * 주4) 상기 조건을 중복하여 적용하여 FS < 1.0인 경우에는 최소 안전율 1.0 적용함

깎기 비탈면 기준안전율 및 지하수위 기준

구분		기준안전율	참조
장기	건기	FS > 1.5	∙지하수가 없는 것으로 해석
	우기	FS > 1.2 또는 FS > 1.3	∙암반 비탈면은 인장균열의 ½ 심도까지 지하수를 위치시키고 해석 수행, 토층 및 풍화암은 지표면에 지하수를 위치시키고 해석 수행(FS=1.2 적용) ∙강우의 침투를 고려한 해석을 실시하는 경우(FS=1.3 적용) ∙위 두 가지 조건 중 선택적으로 1가지 조건을 만족시켜야 함
	지진 시	FS>1.1	∙지진관성력은 파괴토체의 중심에 수평방향으로 작용시킴 ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용
단기		FS > 1.0	∙기간 1년 미만의 단기간의 안정성 검토
* 강도정수를 한계강도가 아닌 잔류강도로 해석한 경우 : 위 기준에서 0.1 감소 * 비탈면 상하부 파괴범위 내에 가옥, 건물 등의 고정시설물이 있는 경우 : 위 기준에서 0.05 증가 * 비탈면 상부 파괴범위 내에 1, 2종 시설물의 기초가 있는 경우 : 별도 검토 * 상기 조건을 중복 적용하여 FS < 1.0 인 경우에는 최소 안전율 1.0 적용

 

사면안정처리공법에 관한 연구(1996, 한국도로공사)

역해석 수행 시 적용안전율

구분	암반활동	풍화암활동	붕적토활동	점토질활동
활동정지중	1.10	1.05~1.10	1.03~1.05	1.00~1.03
활 동 중	0.88	0.95~0.99	0.93~0.95	0.90~0.93

 

 

 

국외 문헌자료

미국 - Naval Facilities Engineering Command - Department of the Navy - (미해군공병단)

구 분	최소안전율	내 용
Case1	Fs > 1.5	하중이 오래 작용할 경우
Case2	Fs > 2.0	구조물 기초인 경우
Case3	Fs > 1.25∼1.30	일시적인 하중이 작용하는 경우 및 시공시
Case4	Fs > 1.15∼1.20	지진 하중이 작용하는 경우

출처 : NAVFAC DM.7.1-329

 

영국 - National Coal Board (1970)

구 분	최소안전율	내 용
Case1	1.5 > Fs > 1.25	Pack Shear stress (UU Test)
Case2	1.35 > Fs > 1.15	Residual Shear stress (CD Test)
Case3	1.35 > Fs > 1.15	포화된 사질토의 경우 (C=0)
Case4	1.20 > Fs > 1.10	Case2, Case3 공히 적용되는 경우 (C=0, CD Test)

 

정리하면서

비탈면의 상황에 따라서 안전율과 지하수위를 결정하는 일은 설계에서 가장 기본적인 사항입니다. 먼저 지금 쌓기 비탈면을 설계하는지 깎기 비탈면을 설계하는지 알아야 하며, 깎기 비탈면 중에서도 토사 및 풍화암 비탈면인지 암반 비탈면인지 파악해야 합니다. 그다음 우기시와 지진 시에서의 수위를 결정합니다. 이해를 도울 수 있도록 표로 정리해 볼까요.

조건	안전율 기준	지하수위 조건
건기시	쌓기, 깎기 : FS > 1.5	지하수위 미고려
우기시	쌓기 : FS > 1.3	성토체 내 지하수위 미고려
	깎기 : FS > 1.2 or 1.3	암반 : 인장균열 심도 1/2 위치까지 포화(FS > 1.2) 토사 및 풍화암 : 표층까지 포화(FS > 1.2) 침투해석 수위 고려(FS > 1.3)
지진시	쌓기, 깎기 : FS > 1.1	평수위(시추주상도상 수위 등)

침투해석은 추후에 좀 더 자세히 다뤄보겠습니다. 그리고 위에 역해석 시 안전율이라는 자료를 보셨나요? 역해석은 붕괴가 일어난 지반의 강도정수를 역으로 추정하는 방법입니다. 즉 붕괴가 난 형상 그대로 모델링해서 붕괴가 일어날 때의 실제 지반강도정수를 추정하는 것이죠. 이때 적용하는 안전율입니다. 

 

 

 

안전율은 FS = 저항력 / 활동력의 개념이기 때문에 건기, 우기, 지진 시의 안전율은 1.0보다 크게 설정해서 저항력이 활동력보다 훨씬 더 클 때 안정한 것으로 본다는 뜻이 됩니다. 반면 역해석 시에는 이미 붕괴가 일어나거나 조짐을 보이는 중이기 때문에 활동력이 저항력과 같거나 클 때를 나타내기 위해서  0.9 ~ 1.0에 가까운 안전율을 적용하는 것입니다.

 

KDS 11 70 05 쌓기깍기(2020.8) (3).hwp

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