2.1.1 붕괴현장 수집자료

붕괴된 석축자료를 수집하기 위하여 석축붕괴현장과 참고문헌자료 및 한국시설안전공단 건설사고사례집(KISC, 2018)과 검색자료를 이용하여 수집한 석축 붕괴자료 중 석축 높이와 주된 붕괴원인을 알 수 있는 39개소의 자료를 선택하였다. 선택된 자료를 이용하여 석축높이별 빈도를 Table 1 및 Fig. 1과 같이 정리하고, 조사된 석축의 붕괴원인별 붕괴빈도를 Table 2 및 Fig. 2와 같이 정리하였다.

Table 1

Collapse Frequency by Masonry Retaining Wall Height

Fig. 1

Collapse Frequency by Masonry Retaining Wall Height

Table 2

Collapse Frequency by Collapse Cause

Fig. 2

Collapse Frequency by Collapse Cause

2.2.1 높이별 자료 분석

수집한 석축의 높이별 분포는 Table 1 및 Fig. 1에 나타난 바와 같이 석축의 높이는 대체로 5 m 이하가 많이 분포하는 것으로 나타나 5 m 이하가 과반 이상인 39개소 중 25개로 약 64%를 나타났다.

2.2.2 붕괴원인별 자료 분석

2.2.2.1 기초 및 기초지반

Table 2 및 Fig. 2에 나타난 바와 같이 수집한 자료를 붕괴원인별로 분석한 결과 붕괴원인은 8가지로 나타났으며, 기초와 관련한 원인이 총 18건[세굴 6건, 수평변위 3건, 기초침하 9건]으로 전체의 과반인 약 46.2%로 나타났다.

2.2.2.2 배수 불량

배수가 불량하면 석축 뒤쪽에 수압이 가해져서 표면석이 압력(토압+수압)에 의해 표면석 사이의 틈이 벌어지거나 표면석이 이탈하고, 그 틈으로 뒷채움 흙이 유실된다. 그 결과 배부름 현상이나 전도에 의해서 붕괴된다. 석축상단 배수불량에 의한 붕괴는 8건으로 전체의 약 20.5%를 나타내어 기초문제와 합치면 석축 붕괴원인의 약 66.7%를 나타내고 있다.

2.2.2.3 급경사(벽체경사 부적정)

MOLIT (2016) 건설공사 비탈면 설계기준 등에는 석축표면석의 기울기는 대체로 1:0.3 정도로 규정하고 있으나 최근에 축조된 석축의 기울기는 대체로 규정 이상을 나타내고 있는 경우가 많은 실정이다.

2.2.2.4 사면활동

석축을 포함한 경사지반위에 석축이 위치할 경우 사면활동에 의해 석축이 붕괴하는 경우도 4건으로 석축 붕괴원인의 약 10.2%로 나타나고 있다.

2.2.2.5 추가 상재하중

기존의 석축위에 성토나 구조물축조 등에 의해 추가하중이 작용하면 수평토압을 증가시켜 석축붕괴를 가중시킬 수 있다. 이번 연구에는 2건으로 붕괴원인의 약 5%를 나타내고 있다.

2.2.2.6 진동

그 외 발파나 장비 진동에 의한 영향도 2건으로 추가 상재하중과 같이 붕괴원인의 약 5%를 나타내고 있다.

이상의 원인에 의한 석축붕괴 사례를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Example Photos of Masonry Retaining Wall Collapse

2.3.1 붕괴원인에 대한 결과 및 고찰

이번 연구와 선행연구자들의 연구결과 합계 16개의 붕괴원인을 정리하면 Table 3과 같다. Table 3에서 알 수 있는 바와 같이 선행연구자가 석축 붕괴원인으로 제시한 30개 빈도에서 기초가 30 (9/30)%, 배수가 약 20 (6/30)%로서 기초와 배수문제가 15개로서 전체의 약 50 (15/30)%를 차지하고 있다.

Table 3

Causes of Collapse Suggested by Previous and This Study Researchers

이는 선행 연구에서의 기초에 의한 붕괴 백분율은 30%로서 이번 연구 46%보다는 적었고, 배수불량에 의한 붕괴는 약 20%로 비슷한 것으로 나타났다.

Table 4에 나타낸 석축 붕괴원인 중 기초문제와 배수문제에 기인한 문헌자료와 이번 연구자료의 백분율 평균을 구하면 기초가 38 (30~46)%, 배수문제가 20 (20~20)%를 나타내어 기초와 배수문제가 석축 붕괴원인의 58 (38+20)%로서 기초와 배수문제에 유의하면 석축붕괴의 약 60%는 예방할 수 있는 것으로 나타났다.

Table 4

Percentage of Major Causes of Masonry Retaining Wall Collapse

선행연구자들의 연구에는 붕괴원인만 나열되어 있는 데 반하여 이번 연구에서는 석축 붕괴원인을 정량적으로 분석하였다는데 의의가 있으며, 이번 연구결과는 설계단계, 시공단계 및 운영단계에서 관련자들이 석축의 안정을 위하여 어디에 중점을 두어야 할지를 파악하는데 기여할 수 있다.

2.3.2 석축 평가기준과의 비교 고찰

MOIS (2021)에서 규정하고 있는 옹벽 및 축대(석축)의 재해위험도에서 등급별 평가점수 및 내용은 Table 5와 같다.

Table 5

Evaluation Scores and Contents by Grade (MOIS, 2021)

옹벽과 석축은 토압에 저항하는 구조물로서 그 기능은 유사하다고 할 수 있으나 구조에서는 상이한 점도 있기 때문에 현재 규정되어 있는 이 평가표도 부분적으로 보완할 필요가 있다.

옹벽 및 축대(석축)의 재해위험도 평가표의 배점기준에 의하면 “붕괴 위험성”은 70 (1~70)점, “사회적 영향도”는 30 (4~30)점 그리고 “조사자의 보정점수”는 17 (11~17)점으로 총 117점으로 구성되어 있으며 합계점수가 80점 이하이면 D등급 이상이다. 그런데 석축의 안정에 큰 영향을 주는 침하, 수평변위, 세굴, 전도⋅배부름에서 가장 위험한 상태를 나타내는 점수(수치상 가장 큰 점수)는 각각 5점이고, 배출구가 없는 경우 10점이다. 따라서 이번 연구에서 나타난 석축붕괴 원인중 빈번한 빈도를 나타내는 침하 등 기초문제나 배수문제 등에서 가장 위험한 점수로 평가 되어도 다른 요소가 상대적으로 양호하다면 E등급이 아니므로 응급조치를 피해갈 수 있어 예상치 않은 붕괴가 발생할 개연성이 존재할 수 있다.

이와 같이 구조물 붕괴는 여러 붕괴요인에 대한 평가점수 총합의 크기에도 지배를 받지만 비록 평가점수의 합이 80점 이하인 경우라고 하더라도 그 중 하나의 요인이 한계상태에 도달하면 붕괴할 수 있기 때문에 이를 “한계요인 지배의 법칙(Governing Law of Critical Factor)”이라 명명하고자 한다.

따라서, Table 5에서 D등급 이상(A, B, C, D)이라 하더라도, 재해위험도 평가 배점표에서 어느 한 요인이 수치상 가장 큰 배점(가장 위험한 상태)으로 평가되면 E등급과 같이 필요시 응급조치(Table 5의 E등급 관리항목에서 굵고 진하게 쓴 부분)를 시행함이 합리적이다.

또한, 옹벽 및 석축의 재해위험도 평가기준 및 배점에서, 특히 Table 6과 같이 석축의 특성상 균열, 마모/침식, 박리⋅박락 및 층분리는 관련성이 적으므로 석축의 구조안정과 관련이 큰 표면석과 채움돌의 구조와 관련된 항목으로 수정⋅보완함이 합리적이라 생각된다.

Table 6

Table of Masonry Retaining Wall Disaster Assessment Level for Crack. etc. (MOIS, 2021)

2.4.1 표면석 쌓음형식

표면석간 하중전달이 직접 전달되도록 표면석을 쌓을 때 인접한 표면석과는 최소 3곳에서(전면 2곳, 뒤쪽 1곳) 전달되도록 할 필요가 있다(FHWA, 2006). 따라서 붕괴의 원인이 될 수 있는 표면석 상호간에 Fig. 5(a)와 같이 채움돌을 통하여 상하 표면석간의 하중이 간접적으로 전달되지 않도록 하고, Fig. 5(b)에서와 같이 상하 표면석이 채움돌 없이 표면석간에 하중이 직접 전달되도록 할 필요가 있다. 또한, 채움돌의 강도는 표면석강도 이상이어야 하며, 움직임이 발생되지 않도록 해야 한다. 뒷채움 잡석은 치밀하게 다짐이 되어야 하고, 뒷채움 채움돌의 강도저하는 표면석이 배면으로 경사지게 되어 석축을 붕괴시키는 배부름 현상을 발생시킬 수 있으므로 주의하여야 한다.

Fig. 5

Example of Masonry Retaining Wall

2.4.2 석축의 H/B (높이/기초폭)비와 경사

Kim et al. (1989)에 의하면 Hendron (1960)은 양호하게 시공된 석축(WCR)과 불량하게 시공된 석축(PCR)의 H/B (Height/Base Width) 한계값 및 주동토압계수 K_A를 제안하고, 이를 이용하여 설계차트를 제시하였다(Fig. 6). 또한 석축의 한계높이는 경험과 이론상 4.6 m 이하로 해야 하며, 이보다 높이가 높거나 경사가 76°보다 급할 경우에는 위험하므로 피하는 것이 좋고, 4.6 m 이상의 경우에는 다단으로 축조하도록 계획할 필요가 있다고 하였다.

Fig. 6

Design Chart for WCR and PCR Adapted from Hendron (Kim et al., 1989, p. 8)

2.4.3 기초 및 기초지반

기초 및 기초지반이 소요강도를 가지지 못하여 석축 외측으로 부등침하가 발생하면 석축벽체는 배부름 현상이 발생하여 전도파괴를 발생하게 하므로 석축의 기초 및 지반에는 침하(특히 외측의 부등침하)가 발생하지 않도록 해야 한다.

2.4.4 구조적 안정에 대한 대안

Fig. 7에서와 같이 시력선의 작용점이 기초저면 1/3을 넘지 않도록 구조적 안전성을 확보해야 한다.

Fig. 7

Schematic Diagram for Calculation of Masonry Retaining Wall Stability (Kim, 2005, p. 22)

X_m: 석축상단중심을 지나는 연직면에서 중앙3분권의 전단점까지의 길이(m)

X_m1: 구체정부중심을 지나는 연직면에서 구체하단중심점까지의 길이(m)

X_m2: 석축하단중심점에서 중앙3분권 전단점까지의 거리(m)

X_h: 석축상단중심을 지나는 연직면에서 시력선까지의 거리(m)

H: 석축의 높이(Fig. 7에서는 석축상단중심점 0에서의 깊이임, m)

b: 석축의 폭(m)

N: 석축의 경사도

θ′: 석축의 경사각, 90 ＋ cot^-1N

θo = 180-θ′ = 180 - (90 ＋ cot^-1N)

K_A: 주동토압계수

γ: 배면토의 단위중량(t/m³)

γ_b: 석축재료의 단위중량(t/m³)

q: 과재하중(t/m²)

벽면이 뒤로 경사져 있으므로 Coulomb토압계수에 의해 K_A 를 구한다.

석축의 안정조건은 X_h≤ X_m 이며, 안정조건을 만족하지 못할 경우에는 석재의 크기 및 뒷채움 콘크리트의 두께를 증가시키거나 석축의 경사를 줄여야 한다.

2.4.5 배수로

Lee and Kim (2008)은 Fig. 8과 같이 비탈면에서의 측구를 그림과 같이 설치하여 지표수가 측구 내부가 아니라 측구바닥 땅속으로 집수되게 하여 오히려 구조물 붕괴를 가중시키지 않도록 해야 한다고 주장하였다.

Fig. 8

Sample of Poor Drainage System and Protecting Scour and Erosion (Lee and Kim, 2008)

석축은 표면수로부터 보호되어야 하므로 석축 상단은 포장을 하고 상단은 뒤쪽으로 경사지게 하고 U형 또는 V형 측구 등을 설치하여 표면수를 부지 바깥으로 흐르게 해야 한다.

2.4.6 석축 표면석의 모양

불규칙한 암석을 사용하는 경우, 불규칙한 다른 암석과 잘 맞추어서 배면굴착부를 향해 점진적으로 후방 경사가 있는 수평면을 만들어 지지력을 갖도록 해야 한다. 불규칙한 인접 표면석 간에 비교적 잘 맞춘 석축의 예를 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 9

Well Examples of Matched Irregular Facing Rocks

Fig. 10은 전도가 발생한 석축의 사례 사진으로서 다수의 작은 채움돌이 표면석을 지지할 경우.특히 채움돌의 강도가 불량할 경우 하중 전달이 원활하지 못하여 배부름 현상이나 전도에 의해 석축이 붕괴에 이를 수 있음을 보여주고 있다.

Fig. 10

Masonry Retaining Wall Toppling Case

Fig. 11과 같이 석축의 표면석이 엇물림이 없이 연직으로 연결될 경우에도 전도에 대한 안정성이 저하될 수 있으므로 유의하여야 한다.

Fig.11

Example of Improper Vertical Seam in Masonry Retaining Wall Facing Rock

2.4.7 석축 기초돌 설치

기초돌은 기초터파기를 적절하게 시공한 뒤 설치해야 한다. 기초돌의 최소폭 B는 석축의 높이, 저항해야 할 지반특성과 상재하중을 고려하여 결정해야 한다. 기초돌의 상부는 Fig. 12와 같이 석축의 뒤쪽으로 적어도 5% 기울어지도록 배치되도록 하여 기초돌이 전도에 저항토록 할 필요가 있다.

Fig. 12

Schematic Diagram of Base and Top Ditch in Masonry Retaining Wall

2.4.8 관계자 의견교환

석축 설계 및 시공관련 기술자는 석축의 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 기초, 표면석 배치 및 배수로와 관련된 사항에 대해서는 설계내용이 시공과 유지관리에 충분히 반영될 수 있도록 시공전 상호간에 의견을 조율할 것을 제안한다.