제1장 하천 가시설 설계

 

1.1 설계 요령

1.1.1 일반사항

가. 정의

하천 가시설은 하천공사에서 영구 구조물의 축조를 위하여 임시로 설치하는 시설 또는 구조물을 의미한다.

나. 적용범위

하천공사에 있어 공사용가도, 가물막이 및 물푸기에 대한 공정에 적용한다.

구조물 설치를 위한 가설시설물의 설계는 「가시설물 설계기준, 2022」 및 해당 구조물의 설계요령과 편람에 준하고, 「건설공사의 설계도서 작성기준, 2015」에 따라 다음과 같은 경우 구조검토를 하여야 한다.

1) 높이가 31미터 이상인 비계, 높이가 5미터 이상인 거푸집 및 동바리

2) 터널의 지보공 또는 높이가 2미터 이상인 흙막이 지보공

3) 공용되는 가설교량 및 노면복공

4) 그 밖에 발주청이 필요하다고 인정하는 가설구조물

다. 적용기준

1) 하천설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 환경부)

2) 건설공사의 설계도서 작성기준(2015, 국토교통부)

3) 하천공사 표준시방서(KCS 51 00 00)(2023, 환경부)

4) 가시설물 설계기준(KDS 21 00 00)(2022, 국토교통부)

 

라. 참고문헌

1) 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

 

1.1.2 사전조사

- 공사용가도 및 가물막이 계획을 위하여 토지이용, 교통현황 및 지형여건 등을 조사한다.

- 가도와 가물막이 높이 결정을 위한 수위특성(평수위, 갈수위 등)을 조사하여 기준수위를 결정한다.

1.1.3 가시설공 계획

가. 공사용가도

1) 공사용 가도는 공사용 기자재와 재료를 운반하기 위해 공사기간 동안 차량의 일시적인 통행이 필요하다고 여겨지는 구간에 설치하는 도로를 말한다.

2) 가도의 포장두께는 기층 10cm, 보조기층 20cm로 산출하며 현장여건을 고려하여 적용할 수 있다.

3) 도로공사장 교통관리지침(국토교통부, 2018. 11)을 참고하여 교통처리계획 및 안전시설물을 설치한다.

4) 공사용 가도가 영구적으로 이용되지 않을 경우 철거 및 유용계획을 수립하여야 한다. 또한, 공사기간, 하천특성 및 홍수기 유실 등을 종합적으로 고려하여 설치 및 철거 계획, 횟수 등을 설계에 반영하고, 공사 완료시 정산토록 한다.

5) 가교는 공사용 기자재, 토사 운반, 작업 공간 확보 및 차량 등의 이동을 위해 임시로 가설된 교량을 말하며, 공사계획을 고려한 가교 운영이 완료된 후 즉시 철거하여야 하며, 설치-철거 공정을 설계에 반영하여야 한다.

나. 가물막이

1) 가물막이는 수면 아래 부분의 공사를 육상공사로 실시하여야 할 때와 제방을 횡단하는 구조물 공사를 수행할 때 적용할 수 있다.

2) 가물막이 설치 시 공사구간 종방향측 전구간 설치는 지양하고, 공사의 진행에 따른 기간, 자재 반입 및 장비 출입 등을 고려하여 구간별로 설치하여야 한다.

3) 제방을 횡단하는 구조물에 설치하는 가물막이는 우기시 제방의 역할을 수행해야 하므로 재료 선정과 다짐에 있어 제방과 동일한 품질을 확보하여야 한다.

다. 물푸기

물푸기는 구조물 설치에 따른 터파기 공사와 제방 및 호안 공사에 따른 가물막이 설치 시 지하수의 용출과 하천수의 유입으로 인한 수중작업을 방지하기 위하여 적용한다.

 

1.1.4 가시설공 설계

가. 가도설치

1) 설치 폭․높이는 하도의 유수소통, 가물막이 공용사용 여부, 공사용 운용장비 종류와 교행, 회전 등의 작업여건, 기타 현장 여건 등을 고려하여 결정하여야 한다. 또한 중차량 이동을 고려하여 노체다짐을 적용하며, 경사로 및 주요시설 진입로 등에 대해서는 현장 여건을 고려하여 필요시 포장을 할 수 있다.

2) 하천 횡단시 퇴적, 유지관리, 가도높이 등을 고려하여 유수소통에 문제가 없도록 충분한 크기의 가배수관을 설치하여야 하며, 하천의 평수위에 해당하는 유량이 통과될 수 있도록 수위검토를 실시하여 가배수관의 직경 및 소요 개수를 산정 후 계획토록 한다.

3) 비탈면 유실방지를 위해 비탈면보호공을 설치할 수 있으며, 경제성, 환경성, 안정성, 시공성 및 현장 여건을 고려하여 적절한 공법을 선정한다.

나. 가물막이

1) 설치 폭은 차량 통행여부 등 현장 여건을 고려하여 결정한다.

2) 가물막이 설치계획고는 준설 기준수위(제2편 하천치수시설 제5장 하천하상정리참조)에 충분한 여유고를 더하여 결정한다. 제방 횡단 구조물의 가물막이를 부득이하게 홍수시 설치하여야 할 경우 제방고를 기준으로 한다.

3) 비탈면 유실 방지를 위해 비탈면보호공을 설치할 수 있으며, 경제성, 환경성, 안정성, 시공성 및 현장 여건을 고려하여 적절한 공법을 선정한다.

다. 물푸기

1) 구조물공사, 제방 및 호안공사 등 필요 공종별로 산출하여 적용한다.

2) 투수계수가 커서 물푸기 공사비가 과다할 경우에는 가물막이 비탈면 비닐덮기 방안도 고려할 수 있다.

 

1.2 수량 산출 요령

1.2.1 수량 산출 내역

 

번 호	공 종	규 격	단위	수 량	비 고
1.	하천 가시설 설계
1.1	가도 설치
1.1.1	흙운반 및 다짐		㎥
1.1.2	흙쌓기 및 헐기		㎥
1.1.3	마대쌓기		㎡
1.2	가물막이
1.2.1	흙운반 및 다짐		㎥
1.2.2	흙쌓기 및 헐기		㎥
1.2.3	마대쌓기		㎡
1.3	물푸기		hr

 

1.2.2 가도설치공

가. 가도 수량

1) 성토량 

2) 마대 쌓기 면적 =

  

3) 가도 설치에 사용된 토량의 유용은 순성토구간인 경우 80%를 재유용하며, 사토구간인 경우 100% 사토처리 한다.

4) 가도의 활용목적에 따라 사리부설, 콘크리트 포장 등으로 임시 포장을 적용할 수 있다.

5) 가도 철거에 따른 임시포장은 반드시 포장 깨기 및 폐기물 처리에 계상한다.

나. 공사용 가교 수량

1) 복공판 설치 면적 =

2) 철골가공조립 - HBEAM + CHANNEL + ANGLE + PLATE+ 가드레일 - ton

3) 용접(용접구간 연장 적용) =m

4) H-PILE 항타(H-PILE 본수 적용) = 본

5) 토사 천공(토사 천공 연장 적용) =m

6) 풍화암 천공(풍화암 천공 연장 적용) = m

7) 연암 천공(연암 천공 연장 적용) = m

8) H-PILE 항타에 있어 지반 천공 후 항타와 직접항타를 구분하여 각각의 지층 구조에 맞는 장비를 조합하여 적용한다.

 

1.2.3. 가물막이

가. 수량(호안기초)

1) 성토량 -

2) 마대 쌓기 면적 -

나. 수량(제방횡단 구조물)

1) 성토량 =

2) 마대 쌓기 면적 =

다. 수량(기타공사 : 하도정비공의 반체절 등)

1) 성토량 = 

2) 현장여건에 따라 법면보호시설(마대쌓기 등), 임시포장을 설계에 적용할 수 있다.

3) 가물막이 설치에 사용된 토량의 유용은 순성토구간인 경우 80% 재유용하며, 사토구간인 경우 100% 사토처리 한다.

 

1.2.4 물푸기공

가. 구조물공사(소요시간)

1) 구조물의 물푸기 소요시간은 터파기, 거푸집(조립,해체), 철근 조립, 콘크리트 타설 등의 소요시간을 고려하여 산출한다.

가) {터파기 수량(㎥) ÷ 터파기 장비 작업 능력(㎥/hr)} + 작업 준비시간(2hr) = hr

나) 거푸집 조립 수량(㎡) ÷ 형틀목공 작업 능력(㎡/hr) = hr

다) 철근 조립 수량(ton) ÷ 철근공 작업 능력(ton/hr) = hr

라) 콘크리트 타설 수량(㎥) ÷ 콘크리트 타설 장비 작업 능력(㎥/hr) = hr

마) 거푸집 해체 : {거푸집 조립 수량(㎡) ÷ 형틀목공 작업 능력(㎡/hr)} × 50％ = hr

바) 기타 소요 공종의 경우 필요시 반영 = hr

나. 제방 및 호안공사

1) 평수위 또는 상시수위 이하에 해당하는 수량을 물푸기 대상 작업량으로 한다.

2) 제방공사 물푸기 소요 시간

가) {토공 수량(㎥) ÷ 토공 장비 작업 능력(㎥/hr)} + 작업 준비시간(2hr) = hr

3) 호안공사 물푸기 소요 시간

가) {호안공 수량(㎡) ÷ 호안공 장비 및 인력 작업 능력(㎡/hr)} = hr

다. 물푸기 수량 산출

1) 침투유량 계산

침투유량 

여기서  투수계수 = 1× 

(토질조사 성과가 있을 경우는 해당 성과를 적용한다)

 동수경사 = 

 침투단면적 = (B ＋ B2) × L (L=가물막이 종방향 연장)

2) 담수량 계산

담수량  

3) 양수기 설치 수량 산정

가) 양수기 설치 수량 = 침투유량 Q1 ÷ 양수기 1대당 양수능력

나) 담수량 처리 = 작업 준비시간 2hr 적용

1.3 단가 산출 요령

 

번호	공 종	단위	단 가 기 준	비고
			□ 본 단가 산출은 참고사항으로 현장 여건에 따라 가·감 가능함 본 단가 산출에서 명기된 거리는 예시로 현장 여건에 따라 변경 가능함 단가 기준은 사업 적용시점 기준의 최신 ‘건설공사 표준시장단가’ 및 ‘건설공사 표준품셈’에 따라 변경 적용하여야 함
1.3.1	가도설치	㎥	1. 굴착 : 현장 여건에 따라 적용 1) 불도저 19ton q = 3.2 × 0.96 = ㎥ f , E = 현장여건에 따라 적용 L = m, V₁= 40m/min , V₂= 46m/min Cm = L / V₁+ L / V₂+ 0.25 = min Q = 60 × q × f × E / Cm = ㎥/hr 2) 불도저 32ton q = 5.5 × 0.96 = ㎥ f , E = 현장 여건에 따라 적용 L = m , V₁= 40m/min , V₂= 43m/min Cm = L / V₁+ L / V₂+ 0.25 = min Q = 60 × q × f × E / Cm = ㎥/hr 2. 적사 : 현장 여건에 따라 적용 1) 유압식 굴삭기 0.7㎥ q = 0.7㎥ f , E , K = 현장 여건에 따라 적용 Cm = 20sec (135°) Q = 3,600 × q × K × f × E / Cm= ㎥/hr 2) 유압식 굴삭기 1.0㎥ q = 1.0㎥ f , E , K = 현장 여건에 따라 적용 Cm = 21sec (135°) Q = 3,600 × q × K × f × E / Cm= ㎥/hr   3) 유압식 굴삭기 0.4㎥ q = 0.4㎥ f , E , K = 현장 여건에 따라 적용 Cm = 18sec (135°) Q =3,600 × q × K × f × E / Cm= ㎥/hr   3. 운반 (덤프트럭 24ton) : 현장 여건에 따라 적용 q = 24 / 1.6 × 1.25 = ㎥ f , E = 현장 여건에 따라 적용 n = q / (q(굴삭기) × K(굴삭기)) = 회 t1 = Cm(굴삭기) × n / (60 × E(굴삭기)) = t2 = (L(덤프운반거리, km) / V(현장 여건에 따라적용)) × 60 × 2 = t3 = 0.8min , t4 = 0.42min , t5 = 0.5min(또는 3.77min) Cm = t1 + t2 + t3 + t4 + t5 = min Q = 60 × q × f × E / Cm =	⌈건설공사 표준품셈⌋ 8-2-1 불도저                     ⌈건설공사 표준품셈⌋ 8-2-3 굴삭기                           ⌈건설공사 표준품셈⌋ 8-2-8 덤프트럭

 

 

번호	공 종	단위	단 가 기 준	비고
1.3.1	가도설치	㎥	4. 흙쌓기 1) 부설 ※ 굴착불더저(19ton, 24ton) 참조   2) 살수 살수차(물탱크 5,500ℓ) QMC = 13%, NMC = 8% E = , V = 15km/hr t0 (흡입준비시간) = 5min t1 (흡입시간) = 10min t2 (운반시간) = (1/15)×2×60 = 8min t3 (살수시간) = 20min t4 (살수대기시간) = 5min Cm = t0 + t₁+ t₂+ t₃+ t₄= 48min Ws = 1,415.92kg/㎥ Ww = 1,600kg - Ws W(QMC) = Ww/Ws×100 (13+100)×Ws = 160,000 Qw = (60×5,500×0.9)/48 = 6,187.50 L/hr Qt = Ws×(QMC-NMC)/100 = 70.79kg/㎥ Q = Qw/Qt = 87.41㎥/hr   3) 다짐 ① 진동롤러(자주식 10ton) : 사질토에 적용 V = 4km/hr, W(포설폭) = 1.9m, D(다짐두께) = 0.3m E = , f = 1.0, N(다짐횟수) = 6 Q = 1,000×V×W×D×E×f/N = ㎥/hr ② 타이어롤러(자주식 8∼15ton) : 사질토에 적용 V = 2.5km/hr, W(포설폭) = 1.8m, D(다짐두께) = 0.3m E = , f = 1.0, N(다짐횟수) = 4 Q = 1,000×V×W×D×E×f/N = ㎥/hr ③ 양족식 롤러(자주식 19ton) : 점성토에 적용 V = 4.0km/hr, W(포설폭) = 1.8m, D(다짐두께) = 0.3m E = , f = 1.0, N(다짐횟수) = 5 Q = 1,000×V×W×D×E×f/N = ㎥/hr   5. 법면보호 : 마대쌓기 기준   1) 1.0㎡당 마대 매수 : 0.5 / 0.024 = 20.83매 (45×70) 2) 새 끼 : (0.45 × 2 + 0.7 × 4) / 100(m/Roll) 3) 마대 쌓기 및 헐기(보통인부) - 만들기 : 1인 / 61매 × 20.83매 = - 쌓기 및 헐기 : 1인 / 139매 × 20.83매 =	⌈건설공사 표준품셈⌋ 8-2-1 불도저                                         ⌈건설공사 표준품셈⌋ 8-2-9 롤러

 

 

번호	공 종	단위	단 가 기 준	비고
1.3.2	가물막이	㎥	1. 굴착 : 현장 여건에 따라 적용 ※「1.3.1 가도설치」참조 2. 적사 : 현장 여건에 따라 적용 ※「1.3.1 가도설치」참조 3. 운반 : 현장 여건에 따라 적용 ※「1.3.1 가도설치」참조 4. 흙쌓기 ※「1.3.1 가도설치」참조 5. 법면보호 : 마대쌓기 기준 ※「1.3.1 가도설치」참조
1.3.3	물푸기	일	1. 양수기 - 구경 : 150㎜, 출력 : 15HP, 양정 : m(산출) - 유량(Q)=㎥/min   2. 양수기 설치 대수 : 배제수량 / 양수기 작업능력 (양수기, 양정고손실수두 고려)   3. 설치기간(일) : 실작업일수 1) 양수기 가동시간 산출 2) 목도 및 석치(목도운반) 3) 노무비 : 양수공 1인×일 4) 비닐pipe(Ø150㎜) : 연장 × 재료비

 

제2장 하천지반설계

2.1 설계 요령

2.1.1 일반사항

가. 적용범위

본 장은 하천지반설계에 적용한다.

나. 적용 기준

1) 하천설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 국토교통부)

2) 하천공사 표준시방서(KCS 51 00 00)(2023, 환경부)

3) 비탈면설계기준(KDS 11 00 00)(2018, 국토교통부)

다. 참고문헌

1) 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

2) 도로설계요령(2020, 한국도로공사)

 

2.1.2 제체 및 기초지반 조사

가. 일반사항

예비조사 및 현지답사 결과를 반영하여 지반조사 계획을 수립하여야 한다. 지반조사 계획수립시 일반구간, 연약지반구간, 투수성지반구간으로 구분하여야 한다.

연약지반 구간은 일반적으로 현지 답사시 평탄한 습지대, 평탄한 논 지역, 자료에 의해 연약지반 존재가 확인되는 구간으로 설정한다. 투수성지반은 자연제방지역, 삼각주 지역 등, 옛 하도가 차단된 장소, 자료에 의해 투수성지반(사력층)의 존재가 확인되는 구간으로 설정한다.

연약지반 투수성지반에서는 주요구조물 위치에서의 시추조사결과와 사운딩조사 결과를 분석하여, 추가적으로 필요구간에서 시추조사한다.

< 시추조사공 배치기준 >

(표 2.1-1)

 

구 분	조사 항목	시추조사공 배치기준
일반구간	시추조사(NX)	구조물 위치에서 시추조사 후, 사운딩 시험 결과 분석결과에 따른 추가 시추조사를 할 수 있다.
	사운딩조사	지반분야 책임기술자 판단에 따라 적정위치에서 실시한다.
연약지반	시추조사(NX)	주요 구조물 위치에서 시추조사 후, 사운딩 시험 결과 분석결과에 따른 추가 시추조사를 실시한다.
	사운딩조사	제방계획선을 따라 50~100m 간격으로 실시한다.
투수성 지 반	시추조사(NX)	주요 구조물 위치에서 시추조사 후, 사운딩 시험 결과 분석결과에 따른 추가 시추조사를 실시한다.
	사운딩조사	계획노선을 따라 100m 간격으로 횡단방향 2개소에 대하여 실시한다.
	지하수 변동조사	･ 현장투수시험 : 시추공서 투수지반을 대표하는 곳에서 실시, 최소 시추 1공당 1개소 이상 ･ 시추공, 인접한 민가의 우물, 관측공 등을 이용 ･ 관측지접의 수는 등수위곡선을 그릴 수 있는 정도

 

주) 자료출처 : 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

 

나. 제방 종단방향의 토질조사

1) 제방종단 방향의 토질조사는 설계대상 구간 전체 제체 및 기초지반의 종단적인 토질특성을 파악하는 것으로 신설제방의 경우는 기초지반과 제방성토 재료파악을 위해 토취장 재료조사가 필요하고, 기존 제방보강의 경우는 기초지반 및 제체와 토취장 조사가 수반되어야 한다.

2) 제방현황조사는 지형 및 지질특성, 과거 제방성토이력, 제방의 파괴이력, 과거의 시추조사 등에 의한 토질조결과를 확인하여 조사지점을 선정한다.

3) 투수성지반의 시추조사 지점은 침투성이 큰 토질 구간, 제방폭이 좁은 구간, 과거 침투에 의한 파괴 이력이 있는 구간 등 침투에 대해 상대적으로 취약한 곳을 중심으로 우선 선정한다.

4) 일반구간 연약지반 구간의 시추조사의 깊이는 지표면에서 계획제방고까지의 높이(H)의 3배(3H) 이상을 표준으로 최소 10m 이상의 깊이까지 함을 원칙으로 하며, 동일제방에서는 최소 1개소는 풍화암까지 확인을 하여야 한다. 다만, 풍화암 이상의 지지층이 나타날 경우에는 시추조사를 종료하여도 무방하다. 시추조사에서는 지층구성을 확인하고 표준관입시험에 의한 N치를 구하며 채취한 시료는 토질판별을 위하여 실내시험을 실시한다.

5) 토질조사 내용은 기초지반의 토질구성과 토질의 공학적 성질을 파악하기 위하여 시추조사, 표준관입시험, 토질의 물리적 시험, 사운딩조사 와 필요시 전기탐사 등의 비파괴시험, 시굴조사 등을 실시한다.

다. 제방 횡단방향의 토질조사

1) 제방 횡단방향의 토질조사는 설계대상단면의 제체 및 기초지반의 토질구성과 토질정수를 파악하는 것이다.

2) 투수층으로 의심되는 지층은 동일종단에서 횡단방향으로 2개소 이상 실시하며, 깊이는 불투수층까지를 기준으로 한다.

3) 투수성이 다른 토질이 복잡하게 분포하는 제체 및 기초지반, 제체 및 지반누수나 비탈면 활동 등 침투에 대한 제방 파괴이력을 가진 지점, 구하도 지점으로 제내지가 주변 지반보다 현저히 낮은 지점을 조사단면으로 선정한다.

4) 조사내용은 토질의 구성, 투수특성, 강도특성을 파악하기 위해 실시하며 종방향 조사와 같다.

5) 시추조사 지점의 수는 제방의 규모와 토질구성의 복잡함에 따라 다르나 일반적으로 ① 둑마루 중앙 부근, ② 앞비탈면 중앙부근, ③ 뒷비탈면 중앙부근 등 3개소 정도가 필요하고, 횡단방향 토질이 불연속적이거나 제내지의 표층에 점토층과 같이 불투수층이 분포하는 경우에는 제방비탈끝에서 약 30m 지점 범위내에서 토질의 연속성 등을 조사하여야 한다.

단, 제방 및 기초지반의 토질구성이 횡단방향으로 균일할 경우 횡단방향 토질조사를 생략하고 종단방향 성과를 활용할 수 있다.

6) 조사목적에 따른 조사방법은 (표 2.1-2)와 같고. 토질시험 항목은 (표 2.1-3)와 같다

 

< 횡단방향의 조사목적에 따른 조사방법 >

(표 2.1-2)

 

조 사 목 적	조 사 방 법		비고
	제 체	기 초 지 반
토질구성의 파악	시추조사, 사운딩, 전기탐사 등
침투특성의 파악	주로 실내토질시험(입도, 실내투수)을 하나 기존제방조사의 경우는 현장투수시험을 실시함	주로 현장 투수시험, 토질시험(입도)
강도특성의 파악	표준관입시험, 사운딩, 실내토질시험(밀도, 전단)	주로 표준관입시험, 사운딩
재료특성의 파악	실내토질시험(다짐, 밀도, 투수, 전단)

 

 

< 횡단방향의 토질시험 항목 >

(표 2.1-3)

 

토질시험의 항목			자갈질흙	사질토	점성토	얻어지는 정수
물리시험	토립자의 밀도시험		○	○	○	토립자의 밀도
	함수비시험		○	○	○	함수비
	입도시험		○	○	○	입경가적곡선, D10 등
	액성한계, 소성한계시험				○	액성한계, 소성한계
	습윤밀도시험		○	○	○	습윤밀도
역학시험	투수시험		○	○		포화투수계수
	삼축압축시험 또는 등체적 직접전단시험	UU조건			○	점착력(내부마찰각)
		CU조건	○	○		내부마찰각(점착력)
재료시험(신설제방)			○	○	○	최대건조밀도 등

 

주) UU조건은 비압밀 비배수 조건, CU조건은 압밀 비배수 조건임

2.2 안정성 검토

2.2.1 제체 침투 안정성 검토

침투 안정성 검토는 제방쌓기 단면 및 구성, 기초지반의 투수특성, 구성지층 재료의 토질특성, 홍수위 변화 및 내수위 변화, 보축 제방고가 높거나 제내지로 침투우려 등 제반요건을 고려하여 가장 취약할 것으로 예상되는 횡단을 선정하여 분석한다. 상세내용은 ‘제7편 하천공통설계, 제4장 하천차수설계’에 의한다.

 

2.2.2 제체 비탈면 안정성 검토

가. 개요

토질 공학적인 측면에서 비탈면의 안정해석은 대상 지반이 공학적으로 균질하다는 가정 하에서 수행하고 있으나, 설치된 기존 제방은 홍수로 인한 범람뿐만 아니라 제외수위가 상승되면 물은 제체 및 기초지반을 통하여 침투하게 되고 최종적으로는 제내지에서 유출되는 것은 흙 구조물에서는 불가피한 현상이다. 따라서 침투해석을 통한 제체 내 침윤선의 형태와 침투압 산정결과를 반영하여 비탈면안정 검토를 수행하여야 한다.

나. 해석 방법

1) 일반적으로 토사 비탈면의 안정성 해석은 한계평형 이론을 적용하며, 비탈면 안전율이 허용안전율 이상인 비탈면은 파괴에 대해 안정하고, 변형은 허용치 이내인 것으로 판단한다.

2) 비탈면안정 해석법은 강도정수의 적용에 따라 전응력 해석법과 유효응력 해석법으로 대별할 수 있고 또한 적용이론에 따라 여러 가지 해석법으로 분류할 수 있다. 적용되는 기본이론은 한계평형, 소성, 변형이론 등이 있으나 현재 이용되는 해석이론은 한계평형이론을 기초로 하고 있는 것이 많다.

3) 비탈면에서의 안정해석은 SEEP/W에 의해 산정된 포화영역과 불포화영역에 대해 한계평형해석법으로 안전율을 산정한다.

다. 비탈면 안정 해석조건

1) 비탈면의 안정성은 시공 전, 시공 후 장시간 경과 후 등의 시간적 조건, 수위 급강하, 정상침투 등의 수위조건, 지반의 점착력, 내부마찰각, 다짐도 및 상대밀도에 관한 단위중량 등의 강도정수 등의 여러 요소에 의한 영향을 받는다.

2) 제내측 비탈면의 경우는 홍수위 지체 시, 제외측 비탈면의 경우는 홍수위로부터 수위급강하로 인해 평수위를 회복할 때의 침윤선 분포가 비탈면 안정에 영향을 미친다.

3) 제체내 침투해석 결과로부터 침윤선의 위치를 구하여 프로그램 내에서 간극수압 ()을 산정하여 비탈면 안정해석 시 적용한다.

 

< 비탈면 안전 해석조건 >

(표 2.2-1)

 

해석단면	해석조건	해석방법 및 적용 설계정수	비고
제내지	홍수위시	․ 최종 계획 단면에 대한 전응력해석 ․ 지하수위 : 정상 침투해석에 의한 침윤선
제외지	수위강하시	․ 최종 계획 단면에 대한 전응력해석 ․ 지하수위 : 수위변화 조건 침투해석에 의한 침윤선

 

 

라. 비탈면 안정 검토기준

< 제체 상태에 따른 안전율 >

(표 2.2-2)

 

제체상태	간극수압 상태	안 전 율
연직붕괴(crack) 불고려 시	간극수압을 고려하지 않을 경우	2.0 이상
	간극수압을 고려하는 경우	1.4 이상
연직붕괴(crack) 고려 시	간극수압을 고려하지 않을 경우	1.8 이상
	간극수압을 고려하는 경우	1.3 이상

 

주) 자료출처 : 1. 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회), 2. 비탈면설계기준(KDS 11 00 00)(2018, 국토교통부)

< 교통(상재)하중 >

(표 2.2-3)

 

주 사용용도	상재하중 (kN/㎡)
일반제방	10
도로겸용 제방	12.7

 

주) 자료출처 : 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

 

마. 쌓기비탈면 안정해석

1) 안전율은 비탈면 내부에 가정된 파괴면 또는 실제 발생한 파괴면에서의 전단강도와 전단응력 비율, 저항력과 작용하중의 비율 또는 저항모멘트와 작용모멘트의 비율로 계산한다.

2) 기준안전율은 일반 쌓기비탈면과 연약지반 쌓기비탈면으로 구분하며 안정해석방법과 입력변수가 내포하는 불확실성을 감안하여 경제성을 확보하면서 보수적인 설계를 유도하고자 설정하는 값으로서, 비탈면의 안정성을 확보하기 위한 해석에서 적용하는 기준안전율은 아래표와 같다.

3) 쌓기비탈면의 지진 시 기준안전율은 KDS 11 90 00 (4.2(3))을 따른다.

 

< 일반쌓기비탈면 안정해석 시 적용하는 기준안전율 >

 

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	∙KDS 11 90 00 (4.2(3))을 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

 

< 연약지반 쌓기비탈면 안정해석 시 적용하는 기준안전율 >

 

구분		기준안전율	참조
장기	건기	FS>1.3	∙쌓기체 내에 지하수가 없는 것으로 해석
	우기	FS>1.2	∙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 강우침투를 고려한 해석 실시
	지진 시	∙KDS 11 90 00 (4.2(3))을 적용
단기		FS>1.1	∙1년 미만의 단기적인 비탈면의 안정성(시공중 포함) ∙지하수위는 실제 측정 또는 평상시의 지하수위 적용

2.3 연약지반 설계

2.3.1 연약지반 설계

연약지반구간에 위치하는 제방은 제체 침투류 안정성검토, 제체 비탈면 안정성검토 외에 연약지반의 물리적, 역학적 특성에 따른 경제적이고도 합리적인 연약지반 처리 및 대책공법을 제시하여야 하며 다음사항이 검토되어야 한다.

1) 연약지반의 분포현황

2) 연약지반의 물리적, 역학적 특성

3) 연약지반의 압밀침하량 검토

4) 연약지반 처리공법 검토(단계성토, 굴착치환공법 등)

5) 연약지반 현장계측계획, 침하관리 및 안정관리

 

2.3.2 연약지반 판정기준

1) 연약지반의 판정은 성토규모나 구조물 목적에 따라 상대적인 의미로 평가된다.

2) 연약지반에 대한 상대적인 의미의 평가란 시공성, 지반의 활동파괴, 구조물의 지지력 확보 여부, 장기적인 압밀침하 등에 대한 안정성 평가이며, 불안정한 경우는 연약지반으로 취급하여 대책을 강구하여야 한다.

3) 일반적인 의미의 연약지반은 아래와 같이 구분한다.

< 연약지반 판단기준 >

(표 2.3-1)

구 분	점 성 토, 유 기 질 토		사질토 지반
층두께	10m 미만	10m 이상	-
N치	4 이하	6 이하	10 이하
(kg/㎠)	0.6 이하	1.0 이하	-
(kg/㎠)	8 이하	12 이하	40 이하

주) 1. ：콘지수：일축압축강도, 2.자료출처 : 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

 

2.3.3 연약지반 검토

연약지반검토는 일반토목공사와 동일한 방법으로 검토 후, 추가로 침투 안정성 검토를 실시한다.

 

자료조사 및 답사                                                             예 비 검 토                                                             조 사 계 획                                                                 No   연약지반의 유무                                                             Yes       고려하여야할 사항                                               본 조 사     ① 지반조건 ② 시공조건 ③ 제체조건                                                         검 토 사 항                                       안정성 검토     ① 압밀침하 ② 활동파괴 ③ 지 지 력                                                                                   No   대책공법의 필요성                                                             Yes     고려하여야할 사항             ① 지반조건 ② 제체조건 ③ 시공조건 ④ 주변영향                     대책공법의 선정                                                                                                 침투 안정성 검토   No             재 설 계                                                                                                                                           Yes                             시 공 계 획

 

(그림 2.3-1) < 연약지반 설계흐름도 >

2.3.4 허용잔류 침하량

연약지반 허용잔류 침하량 기준은 다음과 같으며 이를 반영하여야 한다.

1) 연약지반에 축조되는 제방의 침하를 검토하는 경우에는 시간효과를 고려하여 시공완료 후 발생할 침하를 예측하여 설계하는 것을 기본으로 한다.

2) 연약지반 상 허용잔류 침하량에 대한 기준은 구조물의 사용 목적 및 중요도, 공사기간, 유지관리 정도, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 적용되어야 한다.

3) 제방 조건별(일반제방, 도로겸용 제방, 배수구조물이 설치된 제방)에 따른 허용잔류 침하량 기준은 다음과 같다.

< 허용잔류 침하량 기준(제방 둑마루 기준 >

(표 2.3-2)

 

대상지역	허용잔류 침하량(cm)	비 고
일반제방	총 침하기준 30.0	압밀종료시 계획고 이상이 확보 가능할 것
도로겸 제방	총 침하기준 10.0	연약지반의 지질특성상 장기침하 발생 가능
배수구조물 설치 제방	총 침하기준 10.0	교량 배수시설등 구조물은 타 시방서 기준 적용

주) 자료출처 : 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

2.3.5 제방의 압밀침하

1) 제방침하가 발생할 경우 우선적으로 즉시침하와 장기침하로 구분하여 계산 후 장기침하량 만큼 더돋기를 우선적으로 고려하며, 장기침하방지대책으로 지하수위를 낮추어 축제지반을 건조시키거나 압밀침하를 촉진 또는 연약토사를 치환하는 방법 등의 지반개량공법을 사용한다.

2) 흙쌓기 종료시의 제체형상을 계획단면 그대로 마무리 하면 흙쌓기 완료 후 침하에 따른 폭원부족이 발생하지 않도록 침하를 고려한 폭원여유를 확보한다.

 

2.3.6 제방 흙쌓기 속도

연약지반에서 빈번한 급속성토에 의한 활동파괴를 방지하기 위하여, 적정공기를 확보하여야 한다. 흙쌓기 속도는 공사기간 및 제체안정에 영향을 끼치므로 (표 2.3-3)의 기준치를 참조하여 설계한다.

< 표준적인 성토속도 >

(표 2.3-3)

지반의 종류	흙쌓기속도
	일	월
두터운 점토지반 및 유기질토가 두껍게 퇴적된 이탄질 지반	30㎜	0.9m
보통의 점토질 지반	50㎜	1.5m
얇은 점토질 지반 및 유기질토가 거의 끼지 않은 얇은 이탄질지반	100㎜	3.0m

주) 자료출처 : 도로설계요령(2020, 한국도로공사)

2.3.7 연약지반 대책공법의 적용 및 설계

일반토목공사와 동일하게 검토 후, 추가적으로 침투 안정성을 검토한다. 검토결과 누수에 대해 불안정한 경우‘제7편 하천공통설계, 제4장 하천차수설계’편을 참조하여 적절한 누수방지대책을 수립하여야 한다.

1) 활동파괴에 대한 대책공법

- Sand Compaction Pile 공법

- 치환공법(부분제거)

- 압성토 공법

- Protection Pile 공법

- Pile Net 공법

- 심층 혼합처리 공법

2) 압밀침하에 대한 대책공법

- Vertical Drain 공법(Sand Drain, Board Drain, Pack Drain)

- 진동다짐 공법

- 단계성토 공법

- 진공압밀 공법

3) 활동방지 및 압밀침하에 대한 대책공법

- 치환공법(전면제거)

- Sand Compaction Pile 공법

- 경량재료 이용 공법

4) 측방유동에 대한 대책공법

- 단계성토 공법

- 경량재 뒷채움공법

- 치환공법

- Sand Compaction Pile 공법

- 약액 주입공법

- 토목섬유 보강공법

 

2.3.8 계측계획

일반적으로 연약지반에서의 설계는 지반의 불균일성이나, 조사 및 시험의 오차 등에 의한 불확실성이 포함되어 있다. 설계시 산정된 제체활동파괴 안전율이나 침하량 등은 설계지반조사 분석치의 평균값 또는 대표 값으로 검토된 결과이다. 통상 시공시의 실제지반조건은 설계보다 안전측 또는 위험측으로 나타난다.

시공 중에는 지속적으로 현장계측치와 설계값을 Feed Back하여 설계적정성을 확인한다. 계측치 분석을 통한 침하 및 안정관리로 합리적인 시공을 하여야한다.

1) 계측기 배치기준 및 계측빈도

설계계측계획 수립 및 시공을 위한 설계계측계획 조정시 아래사항에 유의하여야 한다.

가) 계측기의 종류, 위치, 수량 및 설치심도 등은 감독원과 협의 후 현장 여건에 따라 신축성 있게 조정한다.

나) 지반조건의 다양성으로 설계시 합리적으로 계측빈도를 정하는 것은 곤란하다. 설계계측빈도는 일반적인 계측빈도에 (표 2.3-4) 기준한 잠정적인 기준이므로, 시공시 계측을 진행하면서 발주처와 협의하여 합리적으로 조정하여야 한다.

< 계측기 종류 및 배치기준 >

(표 2.3-4)

 

계 측 기 명	계측목적 및 검토사항	계측기 배치원칙	규 격
지중경사계 (Inclinomter)	∙쌓기비탈면부의 지반내 수평 방향의 변형량과 변형속도 측정 ∙쌓기중앙부의 최대침하량과 함께 분석하여 쌓기비탈면의 안정관리 ∙측방유동토압에 의한 교대의 안정성확인	∙전단파괴가 우려되는 높은 성토지역의 좌, 우 비탈면에 설치 ∙현장상황에 따라 교대 전 후면 또는 측면에 설치	수지형가이드관 매설 여굴지역은 주변지반과 동일한 재료로 채움
지표 침하판	∙설치지점의 전침하량 측정 ∙흙쌓기 속도조절, 프리로딩 제거 시기 판정	∙연약지반쌓기시 100m 간격으로 흙쌓기 단면 중앙에 설치	∙침하판 : 1.0m×1.0m×110㎜ 침하봉 : 25.4㎜ 보호관 : 152.4㎜
변위말뚝	∙주변 지반 지표면의 융기ㆍ침하, 측방유동 등에 의한 수직 및 수평 변위량 측정 ∙부동말뚝에 대한 상대변위 측정으로 수직ㆍ수평변위 측정	∙연약지반 쌓기시 100m 간격으로 쌓기하단 인접 지반 설치 ∙지표침하판, 변위말뚝, 부동말뚝은 동일횡단방향으로 설치	∙변위말뚝 10×10×(100~150) [cm] ∙부동말뚝(측정기준점) 10×10×(100~150) [cm]

 

< 계측빈도 >

(표 2.3-5)

 

계 측 구 분	쌓기기간중	쌓 기 종 료 후
		최초 1개월	1개월~3개월	3개월 이후
지표침하판(침하판단용)	1회/3일	1회/1주	1회/2주	1회/1월
지중 경사계(Inclinomter)	1회/1일	1회/3일	1회/1주	1회/1월
변위 말뚝	1회/3일	1회/1주	1회/2주	1회/1월

 

 

< 계측기별 계측결과 이용 >

(표 2.3-6)

 

관 측 항 목	관측계기	데 이 터 의 이 용	비 고
지 표 침 하	지표침하판	‧대상지점의 지표면 침하량(총침하량)측정 ‧침하의 진행상황 파악, 재하고 및 재하시기 결정 ‧쌓기고의 데이터에 의한 시공속도 조절, 안정관리
지 중 변 위	지중경사계 (Inclinomter)	‧지반내 변위의 발생 상태 측정 ‧쌓기속도의 조절 등	계기를 설치할 수 없는 경우 대상 지반의 높이를 수시로 측정하여 융기 등을 체크한다.
지 표 변 위	변위말뚝	‧비탈면 선단부 윈지반의 수평변위 또는 융기현상 측정

 

 

 

2) 계측기 배치단면 예시

 

 

(그림 2.3-2) < 쌓기공사 중 계측 대표단면 배치(예시) >

 

 

 

(그림 2.3-3) < 쌓기 완료 후 계측 대표단면 배치(예시) >

                                             

 

 (그림 2.3-4) < 변위ㆍ부동 말뚝 상세도 >

2.3.9 안정관리

연약지반에서의 흙쌓기 공사의 기본적인 시공법은 흙쌓기 하중에 따라서 지반의 압밀을 진행시켜, 지반강도를 증가시키면서 점진적으로 흙을 쌓아나가는 것이다. 연약 지반에서 흙쌓기 하중의 증가와 지반강도 증가가 균형이 되도록 성토속도를 조절하는 것이 안정관리의 목적이다.

시공 중 시공진행상황과 실시간 계측결과를 비교분석하면서 아래사항을 관리한다

1) 쌓기가 계획상 시공속도로 수행되는지 여부 관리

2) 1회 쌓기 두께 준수여부 및 쌓기 속도 조절 여부

3) 쌓기작업이 부분적으로 집중되지는 않은지 관리

4) 쌓기비탈면의 급경사 여부

5) 기초지반의 변형량과 변형속도를 계속해서 상세측정, 안정성을 검토

6) 압밀진행상황 분석

1) 안정관리기법

계측결과 분석에 의해 쌓기가 안정상태에서 진행되는지를 검토하고, 불안정할 경우 그 정도에 따라 쌓기 속도의 지연, 중지 또는 일부 쌓기 제거 등의 조치를 강구하는 안정관리기법 4가지를 적용하여 안정성을 평가한다.

가) MATSUO-KAWAMURA법(松尾-川村法)

나) TOMINAGA-HASHIMOTO법(富永-橋本法)

다) KURIHARA법(栗原法)

라) Shibata-Sekiguchi 방법(紫田․關口의 방법, 관리법)

< 안정관리 기법 >

(표 2.3-7)

 

구 분	관리기준
Matsuo -kawamura법		･시공중의 측정치를 P와 δ/P도상에 도시하여 파괴기준선에 근접하는지 멀어지는지에 따라 안정, 불안정을 판단하는 방법 ･ P/(δ/P)=0.85 초과시 요주의
Tominaga -hashimoto법		･P와 δ을 측정 도시하여 관리하는 방법으로 쌓기하중이 적은 초기단계의 δ와 P값에 의해 기준선(E선)을 표시하여 이 E선을 기준하여 안정성을 판단하는 방법
Kurihara법		･Δδ/Δt와의 관계를 도시하여 Δδ/Δt와 관리기준치를 비교하여 안전성을 판단하는 방법 (과거 관리기준치 예는 2cm/day)
Shibata -Sekiguchi법		･ΔH /Δδ와 H(쌓기고)의 관계를 도시하여 관리하는 방법으로 각 단계에서의 계산결과가 Qf/Q 기준치인 1.4 아래에 위치할 경우 위험하다고 판단

 

주) 자료출처 : 한국지반공학회 지반공학 시리즈6. 연약지반 2005년

 2.3.10 침하관리

쌓기공사시 시행되는 침하관리의 주된 목적은 다음과 같다.

1) 쌓기에 의한 침하량을 측정하고, 압밀 진행상황을 파악하여 각 시점에서의 압밀도 파악.

2) 연약지반 처리시 압밀 촉진 예상효과(이론식에 의한 침하량)와 실제와의 차이를 비교분석하여 차이가 있을 경우 원인을 규명하고 대책을 강구.

3) Preloading의 방치기간과 철거시기를 결정.

4) 잔류침하량의 추정과 여성토고 결정.

5) 지반개량 효과의 확인과 예상밖의 경우에 대한 원인을 규명.

6) 부등침하량의 확인 및 그 대책 강구.

1) 최종침하량 예측

최종침하량을 예측은 쌍곡선법, Hoshino법 (√t 법), Asaoka법 중 실제 현장조건과 유사하게 해석되는 방법을 선정하여 침하관리의 주해석법으로 사용한다.

 

< 침하관리 기법 >

(표 2.3-8)

 

Asaoka법		･1차원 압밀방정식에 의거 하중이 일정할 때의 침하량을 나타내는 간편식 ･실측침하-시간곡선에서 동일간격의 시간(Δt)에 대응하는 침하량 S1, S2, …, Si를 구하여 (S1, S2), (S2, S3), …, (Si-1, Si)를 도시하고 그 점들을 연결하는 직선을 구하여 침하량 계산
쌍곡선법		･침하의 평균속도가 쌍곡선적으로 감소한다는 가정하에 초기의 실측침하량에 의해 장래의 침하량을 예측하는 방법 ･쌓기종료 후 실측침하량을 기초로 시간(t)과  를 도시하고 이 점들 중 후반부의 직선 부분을 연결하는 직선을 결정하여 침하량을 계산
Hoshino법		･유동변형을 포함한 전침하량은 시간의 평방근에 비례한다는 가정으로부터 장래의 침하량을 예측하는 방법 ･쌓기종료 후 실측침하량을 기초로 시간(t)과 을 도시하고 이 점들 중 후반부의 직선 부분을 연결하여 미지수 A, K에 의해 침하량을 계산

 

주) 자료출처 : 한국지반공학회 지반공학 시리즈6. 연약지반 2005년

 

2.4 구조물 기초형식 선정

구조물 주변에서의 유로(流路) 형성은 제방붕괴의 직접적인 원인이 된다.

구조물 기초선정시 기존구조물 기초의 영향, 기초형식에 따른 지반의 강성차이, 구조물 특성상 수로 유‧출입 부분의 연약한 지층 존재여부, 기존기초와 다른 기초형식 적용시 부등침하 및 균열, 제방과 구조물의 거동 차이에 따른 유로형성 가능성을 고려하여야 한다.

1) 제방에 설치되는 구조물의 설계 ‧ 시공시 제외지 측으로부터 침투영향을 고려하여야 한다.

2) 제방에 설치되는 구조물 기초부, 구조물의 측벽‧상부와 제체와 접하는 부분의 되메움 재료로 잡석, 자갈 등의 투수성 재료 사용을 금지한다. 실트질 또는 점토 섞인 모래 등의 다짐 및 투수관리가 양호한 양질토사를 활용하여 차수성, 지지특성이 확보되도록 다짐관리 하여야 한다.

 

2.4.1 얕은기초

1) 구조물에 대해 우선적으로 직접기초 적용가능성을 검토한 후 지지력 및 침하 안정성을 충족하지 못하는 경우 지반보강을 통한 얕은기초 적용 가능 여부를 확인한다.

2) 연약지반상의 구조물은 가급적 침하가 진행한 후에 시공되도록 설계되어야 한다.

 

< 하천구조물 직접기초 (지반보강) >

(표 2.4-1)

 

개 념 도	내 용
	･구조물 저면지반을 불투수성 그라우팅으로 개량하여 지지력 증대, 침하층 두께 감소 등을 도모한다. ･그라우팅이 가상케이슨, 확대기초, 부상기초등의 형식이 되도록 한다. ･그라우팅의 설치 간격이 넓은 경우 시공중 지하수 유출 등으로 작업성이 불량해질 수 있다.

 

2.4.2 깊은기초

구조물 하중이 말뚝을 통해 하향으로 전달되므로 구조물 저면 지반에는 접지압이 작용하지 않아, 구조물 저면에 유로가 형성된다.

1) 점성토 지반 : 주변의 제방하부에 발생한 과잉간극수압의 소산에 따른 침하의 영향으로 말뚝사이의 지반이 침하하여 구조물 저면과 지반사이의 공동이 형성되어 유로가 형성된다.

2) 사질토 지반 : 주변지반이 침하하고, 구조물 저면에 재하되는 접지압이 없으므로, 구속압이 없거나 작아 침투수의 침투압으로 토사가 쉽게 유실되어 유로가 형성된다.

하천구조물에서 깊은기초 적용시 유로형성에 따른 문제점이 발생하므로 ‘제7편 하천공통설계, 제4장 하천차수설계’를 참조하여 차수보강을 반영한다

제3장 하천구조설계

3.1 설계 요령

3.1.1 일반사항

가. 용어 정의

1) 허용응력 설계법(W.S.D) : 구조물을 탄성체로 보고 재료에 적합한 안전율을 고려한 허용응력을 사용하여 설계하는 방법으로 현재 강재, 가시설물 등 설계에 사용되고 있다.

2) 강도설계법(U.S.D) : 설계하중이 작용하여 부재가 파괴될 때 콘크리트 압력분포를 알아내어 이에 알맞도록 적합한 하중계수를 갖고 설계하는 방법으로 콘크리트 구조물의 부재는 이 규정에 따라 설계하는 것을 원칙으로 하는 설계법이다.

3) 한계상태설계법(L.S.D) : 응력중심의 허용응력설계법과 같은 탄성설계법과는 달리 확률론적 수학모델을 접목하여, 구조부재나 상세요소의 극한내력, 또는 사용성 한계, 피로강도와 같은 각종 한계상태에 바탕을 두고 극한상태의 내력을 초과하지 않는 설계법으로 현재 교량설계에만 사용되고 있다.

나. 적용범위

본 장은 하천에 설치하는 하천시설물인 이수시설, 치수시설, 환경시설 등의 설계시 허용응력 설계방법과 강도설계방법에 적용한다. 단, 한계상태설계방법를 적용하는 교량은 교량설계기준(KDS 24 00 00)의 설계요령에 따른다.

다. 적용 기준

1) 구조설계기준(KDS 14 00 00)(2021, 국토교통부)

2) 구조재료공사 표준시방서(KCS 14 00 00)(2022, 국토교통부)

3) 교량설계기준(KDS 24 00 00)(2022, 국토교통부)

4) 내진설계기준(KDS 17 00 00)(2018, 국토교통부)

5) 농어촌도로의 구조 ․ 시설기준에 관한 규칙(2021, 행정안전부)

6) 도로설계기준(KDS 44 00 00)(2023, 국토교통부)

7) 지반설계기준(KDS 11 00 00)(2021, 국토교통부)

8) 지반공사 표준시방서(KCS 11 00 00)(2021, 국토교통부)

9) 하천설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 국토교통부)

10) 하천공사 표준시방서(KCS 51 00 00)(2023, 환경부)

라. 설계일반사항

1) 구조물은 그 목적에 적합하고 안전하며 또한 경제적이어야 한다. 그러므로 설계자는 공인된 이론, 실험결과 및 과거의 경험을 토대로 하여 구조물이 받는 각종 하중, 온도변화, 기상작용, 지진의 영향, 지반의 지지력 등에 적합하도록 사용재료, 구조물의 형태, 재료의 강도 또는 허용응력, 구조세목 등을 정하여 설계해야 한다.

2) 설계는 지나치게 경제적 효용성을 추구하기보다는 4차 산업시대에 맞추어 사용재료의 표준화 및 규격화, 시공성, 안전성 및 품질관리의 합리화, 유지관리를 위해 다음과 같은 노력이 필요하다.

가) 사용재료의 표준화 및 규격화

과거에는 시설물의 중요도에 따라 동일 구조물 내에서도 재료를 구분해서 사용하였다. 최근에는 재료별 가격 차이가 크지 않고, 본체, 흉벽, 날개벽, 조작대 등을 동시에 시공이 가능하므로 규모가 매우 큰 시설물이 아닌 경우에는 동일 구조물에서 고품질의 동일한 재질의 콘크리트와 철근 등을 사용하여 재료의 구매 및 운반, 품질관리, 시공성을 향상하고 품질을 균일하게 하는 것이 좋다.

나) 시설물 형상의 단순화

과거에는 인건비가 저렴하여 현장작업에 의한 인력시공이 많았다. 최근에는 장비를 이용한 시공의 비중이 커지고 있다. 따라서 기계화 및 시공성 향상을 위해서는 형상을 단순화해야 한다. 배수통문 및 통관의 규격을 표준화 및 규격화하면, 거푸집과 같은 가시설의 이용률이 높고, 문짝과 같은 부속시설의 제작이 쉽고, 유지관리가 편리하다. 또한 암거 본체의 경우도 공장제작 후 현장설치도 가능하므로 규격을 표준화하는 것이 좋다.

과거에는 사용재료 구하기가 어려워 구조물을 설치할 경우에 하중의 크기에 잘 부합되게 부재를 최적단면으로 설정하였으나 최근에는 시공성 향상과 형상의 단순화를 위해서 암거본체와 날개벽에서 아래쪽 헌치를 설치하지 않거나 옹벽과 통문의 날개벽을 상부에서 하단까지 동일한 두께로 설치하고, 문기둥은 머리받침대 대신 헌치를 설치하기도 한다.

또한 시설물의 부재별 최소두께의 단위를 mm~수cm에서 5cm, 10cm 단위로 한다거나 유사한 부재의 두께는 동일하게 한다.

다) 사용자 중심 건설기반

현재는 재료가 공급자의 제품생산과 판매 중심으로 되어 있으나 앞으로는 사용자의 체험과 가치중심으로 변화하므로 사용자가 원하는 다양한 맞춤형 건설기반을 만들어야 한다. 또 단순 인력 및 기계작업에서 드론과 인공지능 로봇이 측정 및 건설하므로 표준화와 자동화 기술을 개발하고 발전시켜나가야 한다.

라) 철근의 형상 및 배근의 단순화

철근 작업의 경우 현장은 좁고 악천후 등으로 인해 작업장보다 작업환경이 열악하여 작업효율이 떨어지고 관리도 어렵다. 설계 때 철근의 곡선 또는 절곡된 형상을 직선으로 단순하게 하고 제작장에서 4~6m 단위로 가공조립 한 후 현장에서 연결하기도 한다. 이 경우 철근량은 다소 증가되나 시공성은 향상된다.

철근 피복두께도 철근 표면에서 콘크리트 표면까지를 바닥 100mm, 흙과 접하는 곳 60mm, 물과 접하는 곳 80mm와 같이 정하면 철근의 규격에 따라 부재별 피복두께가 달라지므로, 철근 중심에서 콘크리트 표면까지를 바닥 120mm, 흙과 접하는 곳 70mm, 물과 접하는 곳 100mm와 같이 일정한 치수로 단순하게 한다.

철근의 길이도 mm단위로 가공되는 것을 겹이음 등을 시방기준 이상 범위 내에서 조정하여 최종 가공된 철근 길이는 1cm 또는 10cm 단위가 되게 한다.

일본 국토교통성(2001)에서는 암거 본체와 날개벽의 경우 우리나라와 다르게 내측에 주철근, 외측에 배력철근을 배치하고 배력철근의 간격도 일정하게 하여 철근가공조립에 따른 시공성 향상을 도모하고 있다.

마) 유지관리를 위한 설계

하천시설물은 응급복구, 순찰, 점검 등 유지관리용 차량이 통행할 수 있는 폭을 확보하고 노면상태를 만들어야 한다. 또한 시설물 유지관리를 위해 연약지반에서는 침하계와 경사계 등 계측기를 매설하는 것도 하나의 방법이다.

마. 참고문헌

1) 국도건설공사 설계실무 요령(2021, 국토교통부)

2) 도로설계요령(2020, 한국도로공사)

3) 도로설계편람(2008, 국토해양부)

4) 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

5) 하천시설물 표준도(2023, 환경부)

 

3.1.2 사용재료 및 하중

가. 주요 사용재료

1) 콘크리트와 철근

가) 시설물과 부재의 중요도에 따라 재료를 구분해 사용할 수 있으나 가능한 동일 시설물 내에서 동일한 고품질의 재료를 사용한다.

나) 콘크리트는 용도에 따라 적절한 강도를 정해 사용하되 콘크리트 최저설계기준강도는 (표 3.1-1)과 같다.

 

< 구조물 콘크리트 강도기준 >

(표 3.1-1)

 

최저설계기준강도(MPa)	적용대상시설
24	수문‧ 갑문, 보‧ 낙차공‧ 통문, 통관(날개벽, 차수벽), 역T형 및 L형옹벽, 대공, 어도 등 중요한 시설
21	통관(기초, Surround), 반중력식옹벽, 둑마루 및 부체도로 포장, 개수로, 맨홀, 집수정 등 간단한 시설
18	중력식 옹벽, 세굴방지 채움콘크리트, 버림콘크리트 등 무근콘크리트 시설

 

주)1. 상기 기준은 지역특성을 감안하여 구조계산 및 장비사용 등의 특성에 따라 조정 적용할 수 있다.

2. 교량 부분에 대한 강도기준은 구조계산에 의한 적정강도를 반영한다.

3. 구조계산 및 장비사용에 따라 골재치수와 슬럼프치(표준슬럼프치는 펌프카타설 15, 인력타설 8, 슬리폼페이퍼장비 사용은 별도 적용)는 변경될 수 있다.

4. 상기 기준을 적용할 때는 KDS 14 20 40의 환경조건에 따라 규정한 노출등급 요구조건을 고려하여야 한다.

 

다) 철근은 한국산업표준(KS D 3504)에 적합한 재료를 사용한다.

 

< 철근 항복강도 및 콘크리트 강도 >

(표 3.1-2)

 

종 류	항복강도 (MPa)	허용응력 (MPa)	사용 콘크리트강도 (MPa)
SD400	= 400	= 180	= 27, 24
		= 160	수중 또는 지하수위 이하에 설치되는 구조물
SD300	= 300	= 150	= 24, 21

 

주) 피복두께는 콘크리트 구조설계기준을 적용한다.

 

2) 강재

가) 한국산업표준(KS)에 적합한 재료를 사용하며 하천시설물에 많이 사용되는 강재는 (표 3.1-3)와 같다.

< 강재의 종류 >

(표 3.1-3)

 

강재의 종류	기호	명칭	강종
구조용 강재	KS D 3503	일반구조용 압연강재	SS235, SS275, SS315, SS410, SS450, SS550
	KS D 3515	용접구조용 압연강재	SM275, SM355, SM420, SM460
강봉	KS D 3504	철근콘크리용 봉강	일반용: SD300, SD400 용접용: SD400W, SD500W
	KS D 3505	PC강봉	SBPR, SBPD
강널말뚝	KS D 3858	냉간성형강 널말뚝	SPY 345, SPY 345W, SPY 450
	KS F 4604	열간압연강 널말뚝	일반용: SY300, SY400 용접용: SY300W, SY400W

 

나) 강재의 허용응력  과 탄성계수(MPa)는 「KDS 24 14 30, 강교설계기준(허용응력설계법)」을 따른다.

나. 하 중

1) 하중적용 일반사항

가) 구조물의 설계에는 시공 및 구조물 사용기간 중에 작용이 예측되는 모든 하중을 고려하고 극한상태에 따라 적절한 조합을 고려하여야 한다.

나) 설계하중은 사용하중에 하중계수를 곱하여 정한다.

다) 설계강도는 부재의 공칭강도에 강도감소계수를 곱하여 얻는다.

라) 특별한 경우 허용응력법으로 설계할 경우에는 하중계수나 강도감소계수를 적용하지 않는다.

2) 고정하중

가) 재료의 단위중량

고정하중 산출에 사용되는 재료의 단위중량은 다음 표를 사용하고 실중량이 명백한 것은 그 값을 사용한다(KDS 24 12 20, 교량 설계하중(일반설계법) 4.1.2).

 

< 재료의 단위중량 >

(표 3.1-4)

 

재 료	단위중량 (kN/㎥)		재 료	단위중량 (kN/㎥)
강, 주강, 단강	77		프리스트레스트 콘크리트	24.5
연철	76.5		인공경량골재콘크리트	15~17
주철	71		모르타르	21
목재	8		방수용아스팔트	11
도상(자갈 또는 쇄석)	19		석재	26
무근콘크리트	23		모래, 자갈, 부순돌, 흙	16~20
철근콘크리트	24.5		석탄, 탄가루	10

 

 

나) 흙의 단위중량은 다음 표를 참고한다(KDS 24 12 20, 교량 설계하중(일반설계법) 4.1.2).

 

< 흙의 단위중량 >

(표 3.1-5)

 

지 반	토 질	단위중량 (kN/㎥)
자연지반	모래 및 모래자갈	18(느슨) ~ 20(조밀)
	사 질 토	17(느슨) ~ 19(조밀)
	점 성 토	14(느슨) ~ 18(조밀)
성 토	모래 및 모래자갈	20
	사 질 토	19
	점 성 토	18

 

주) 지하수위 이하에 있는 흙의 단위중량은 표의 값에서 각각 9를 뺀 값으로 한다.

3) 토피하중

토피하중은 암거 상부에 있는 토사의 중량으로 연직방향하중 성분이다. 토피하중은 기초지반상태(강성기초 여부) 조건에 따라 암거의 지지조건에 따른 계수  를 달리 적용할 수 있다. 본 설계요령에서는 기초지반이 양호하고 성토재료가 비슷한 강도의 흙인 경우에 성토의 침하와 더불어 암거에 상대변위가 생기지 않으므로  을 적용한다.

암거의 상면에 작용하는 토피하중은 다음 식을 근거로 산출한다.

 

 

(그림 3.1-1) < 토피하중 >

(식 3.1-1)

 

여기서, Pv : 토피하중(kNm )

 

종방향으로 신축이음이 설치되는 암거의 상면에 작용하는 토피하중은 신축이음을 고려하여 토피하중(D1, D2, D3)을 산정한다. 신축이음에 의하여 인접암거는 구조적으로 분리구조가 되므로 산정된 토피하중(D1, D2, D3)으로 각각의 암거를 구조 검토하여 경제적인 설계가 되도록 한다. 이때 암거상부 비탈면은 비탈경사에 의해 안정되어 있으므로 인접토피의 영향은 고려하지 않아도 된다.

 

 

(그림 3.1-2) < 암거 횡단면도 >

4) 제방둑마루 활하중

설계에 사용하는 설계기준 자동차 하중은 도로교 설계기준에 기술된 내용을 기준으로 하는데 해당 도로의 자동차 교통상황에 따라 표준트럭하중(DB-24, DB-18, DB-13.5) 또는 이에 준하는 차로하중(DL하중)을 적용한다. 그러나 규격이 낮은 도로라 하더라도 교통량에 비해 대형차 교통량이 많을 경우, 이를 감안하여 적합한 설계기준 자동차 하중을 적용한다.

가) 지상구조물

토피두께가 1m 미만인 경우는 차륜 집중하중이 배수통문 암거의 상부 슬래브에 분포하중으로 작용하기에는 토피두께가 너무 적으므로 차륜하중을 직접 재하하여 별도 검토를 수행한다. 배수통문 암거에 적용할 노면활하중 값의 기준은 토피고 3m 이상이면 활하중 등급 차이에 대한 영향이 적고, 향후 차량통행 그리고 유지보수 차량통행을 감안하여 DB-24를 기준으로 한다.

배수통문 암거 상면에 작용하는 활하중에 의한 연직하중은 다음 식으로 계산한다.

 

< 하중등급별 자동차 하중조건 >

(표 3.1-6)

 

교량등급	하중등급	총중량 1.8W(kN)	전륜하중 0.1W(kN)	후륜하중 0.4W(kN)
1 등급	DB-24	432	24	96
2 등급	DB-18	324	18	72
3 등급	DB-13.5	243	13.5	54

 

 

 

나) 지하구조물의 노면활하중

(1) 토피두께 1.0m≤D<4.0m인 경우

-  ≤  인 경우 (식 3.1- 2)

 -  >  인 경우 (식 3.1-3)

 

 

여기서, Pv : 배수통문 본체 상면에 작용하는 활하중에 의한 연직하중(kNm ) W : 활하중의 종방향 분포폭(W  D  m) B : 차량의 점유폭(B   m) Bo : 암거폭(m) D : 토피두께(m) Pr : 차륜하중(DB-24 : Pr   kN)

i : 충격계수

충격계수 i의 값은 (표 3.1-7)의 값으로 한다.

< 토피두께와 충격계수 관계 >

(표 3.1-7)

 

 

 

(2) 토피두께 4m 이상인 경우(D≥4.0m)

토피두께 4.0m 이상인 경우는 차륜하중이 분포면적이 커져 계산한 분포하중이 10  이하가 되지만, 제방둑마루 활하중의 최소크기는 10  의 하중을 고려한다.

 

 

(그림 3.1-3) < 토피두께 4.0m 이상인 경우의 활하중 >

활하중의 영향에 의한 수평토압의 산출은 토피 두께와 관계없이 일정하게 상재하중(q)을 10kN/m2으로 재하하여 산출한다.

다) 군집하중

군집하중은 5×10-3 MPa의 등분포하중을 적용하고 충격은 고려하지 않는다.

5) 토 압

가) 고정벽에 작용하는 정지토압(암거, U-Type 날개벽, 흉벽 등)

(1) 정지토압은 지하 상자형 구조물 등에 적용한다.

(2) 토압이 작용하는 상자형 구조물은 전설계 토압이 작용하는 경우 및 전설계토압의 1/2이 작용하는 경우 중에서 불리한 조건의 단면적에 대하여 설계하는 것으로 한다.

(3) 정지토압 계산은 (식 3.1-4)을 이용한다.

  ㆍㆍ  ㆍ (식 3.1-4)

여기서,  : 흙의 단위중량(kN/㎥)

  : 깊이 z에 대한 정지토압(kPa)

  : 정지토압계수

 : 토압   가 벽면에 작용하는 깊이(m)

 : 평상시의 지표재하하중(kPa)

 : 흙의 전단 저항각

정지토압계수는     sin로 구하는 것을 기본으로 한다.

 

그러나 토질조건에 따라 보다 합리적인 공인된 경험공식 또는 경험치를 사용할 수 있다.

나) 가동벽에 작용하는 주동토압(역T형 날개벽)

(1) 옹벽구조물 등의 가동벽에는 주동토압을 적용한다.

(2) 벽면에 작용하는 토압의 분포하중으로는 Coulomb의 토압공식을 적용하여 단면설계하는 것을 원칙으로 하며 안정계산을 할 때는 Rankine 토압공식을 사용한다.

(3) 다음은 Coulomb의 주동 토압공식이다.

- 사질토 :   ㆍㆍ  ㆍ (식 3.1-5)

- 점성토 :   ㆍㆍ      ㆍ (식 3.1-6)

여기서,

  cos  cos  



 

  

cos  cos  

sin  sin   



 

 : 흙의 단위중량(kN/㎥)

 : 깊이 z에 대한 주동토압(kPa)

 : Coulomb에 의한 주동토압계수

 : 토압  가 벽면에 작용하는 깊이(m)

 : 흙의 점착력(kPa)

 : 평상시의 지표재하하중(kPa)

 : 흙의 전단 저항각

 : 지표면과 수평면이 이루는 각

 : 벽배면과 연직면이 이루는 각

 : 벽배면과 흙 사이의 벽면마찰각

 

 

(그림 3.1-4) <배면에 작용하는 주동토압>

여기서 사용하는 각도는 반시계방향을 +로 한다.

다) 흙의 내부 마찰각과 토압작용면의 벽면마찰각

(1) 흙의 내부마찰각은 직접토질시험한 값을 사용하는 것을 원칙으로 한다. 만약 직접시험을 하지 않았을 경우에는 토질공학적 근거에 입각한 관계식이나 기존의 토질시험값 또는 일반적인 경험값을 사용할 수 있다.

 (식 3.1-7)

여기서, Φ : 흙의 내부마찰각

N : 표준관입시험치

Pv : 표준관입시험치를 측정할 때의 유효토압(kPa)

(2) 토압작용면의 벽면마찰각(  )은 다음과 같다. (KDS 24 14 50, 4.2.2)

< 토압작용면의 벽면마찰각 >

(표 3.1-8)

 

구 분	계산의 종류	마찰각의 종류	벽면마찰각(  )
			평상시	지진시
중력식 옹벽	안정계산, 단면계산	흙과 콘크리트	/3	0
역T형 옹벽	안정계산	없음	0	0
	단면계산	흙과 콘크리트	/3	0

 

주) 여기서,  : 흙의 내부마찰각(  )

6) 수위 및 수압

구조물의 수중에 있는 부분과 땅속의 지하수위 이하에 있는 부분은 정수압, 잔류수압, 양압력 등 수압을 고려한다.

가) 정수압

정수압 산정에 적용하는 지하수위는 실조사수위를 원칙으로 하되 수위의 계절적 변동 폭을 감안하여 설계책임자가 적절히 결정하고, 정수압은 다음 식으로 산출한다.

   (식 3.1-8)

여기서,  : 수압(kPa)

 : 물의 단위중량(kN/㎥)

 : 지하수의 깊이(m)

나) 흉벽, 날개벽에 작용하는 잔류수위

육상에 설치한 옹벽은 배수공을 설치하여 지하수위를 낮추어 구조계산 때 배면에 수위가 작용하지 않는 것으로 계산을 한다. 그러나 하천에서 수문, 보, 통문의 흉벽과 날개벽은 배수공이 하천수의 침투로를 만들 우려가 있으므로 배수공을 설치하지 않을 경우가 많다. 이 경우 앞면수위와 배면수위 간에 수위차가 발생하는 경우 수위차에 따른 잔류수위는 다음과 같이 산정한다

(1) HWL < GL 의 경우

① GWL < WL 일 때

RWL = (HWL - WL) × 2/3 (식 3.1-9)

② GWL > WL 일 때

RWL = (HWL - GWL) × 2/3 (식 3.1-10)

(2) HWL > GL 의 경우

① GWL < WL 일 때

RWL = (GL - WL) × 2/3 (식 3.1-11)

② GWL > WL 일 때

RWL = (GL - GWL) × 2/3 (식 3.1-12)

여기서 RWL: 잔류수위, HWL: 계획홍수위, GWL: 자연지하수위, WL: 전면수위, GL: 구조물 배후의 지반고이다.

날개벽 앞면 수위는 상시에는 저수위(LWL), 지진 시에는 평수위로 한다. 지진 시에서는 잔류수위는 없는 것으로 하고, 흉벽·날개벽의 배후의 설계수위는 자연 지하수위와 평수위 중 높은 쪽의 수위로 한다.

평상시에 조위차(潮位差)의 영향을 받고 있는 감조구간(感潮区間)의 잔류수위는 상시 및 지진시에도 앞면 조위차에 따라서 (그림 3.1-6)과 같이 정한다.

 

①
②
	(a) HWL < GL의 경우	(b) HWL > GL의 경우

 

(그림 3.1-5) <잔류 수위의 설정방법 (상시)>

 

 

(a) 삭망평균만조위가 GL보다 낮은 경우	(b) 삭망평균만조위가 GL보다 높은 경우

 

※ 삭망 : 달과 태양이 일직선이 될 때 나타나며, 이때 지구에 작용하는 달과 태양의 인력이 증가하여 고조위가 높아지고 저조위가 낮아진다.

(그림 3.1-6) <감조구간의 잔류수위>

 

다) 바람에 의한 파고 및 파압

저수지 내에 생기는 바람에 의한 파고는 S.M.B법(식 3.1-13)로 구하는 것을 표준으로 한다. 이 경우에 채택하는 10분간의 평균풍속은 과거 관측자료를 토대로 설정한다. 전파고의 수위상승은 설계수위 조건으로 예상하여 정수압으로 산정하는 방법을 표준으로 한다. 단, 해당 수문 또는 보의 각 조건에 따른 설계파고가 정수압 환산보다 파압식 쪽이 큰 하중이 되는 경우는 파압식을 채택한다.

(식 3.1-13)

여기서  : 바람에 의한 파고(m),  : 10분간 평균풍속(m/s),  : 대안거리(m)이다.

7) 지진하중

하천시설물별 내진설계는‘제7편 공통설계 제5장 하천내진설계’에 따른다.

가) 지진력

구조물이 단순하고 기본 고유주기가 3초 미만일 경우 지진력은 등가의 정적수평력으로 하며 구조물의 중심에 작용시킨다.

 (식 3.1-14)

여기서  (지중구조물의 내진설계 - 한국지진공학회)

 : 등가정적 지진력

 : 수평진도

 : 구조물의 자중과 활하중

 : 지진계수

I : 위험도계수

단, 암거에 대한 지진의 영향은 암거중량과 흙의 중량이 비슷하여 암거와 주변 흙이 근사한 거동을 하게 되므로 지반이 연약하여 액상화 현상이 예상되거나 활성단층을 가로지르는 경우를 제외하고는 고려할 필요가 없다.

나) 지진시 동수압

지진시 동수압은 다음에 보이는 Westergaard의 근사식으로 산정하는 것을 표준으로 한다.

(식 3.1-15)

여기서  :수면에서  점의 동수압(t/㎡)

 : 물의 단위체적중량(t/㎥)

 : 설계수평 진도

 : 전 수심(m)

 : 작용점까지의  에서의 거리(m)

단, 토중수(퇴적토사 내의 물을 포함)는 지진 시 동수압을 고려하지 않는다. 이것은 지하수 이하의 흙 속과 수면 아래 퇴적토사 등의 흙입자 사이의 물은 자유롭게 움직일 수 없으므로, 질량(흙입자 중량+물 중량)에 진도를 곱한 관성력으로 한다.

또한 동수압은 전수면에 작용한다고 간주하므로, 구조물이 상하류면(또는 좌우안) 모두 물에 접해 있는 경우에는 양면에 동수압이 작용하는 것으로 한다.

8) 양압력

가) 구조물 설계 때 지하수위가 높은 경우에는 양압력에 대한 안정성 여부를 검토한다.

나) 양압력은 구조물 및 상재토사에 의해 배제되는 물의 중량으로 연직방향으로 작용하는 것으로 보고 구조물에 가장 불리하도록 재하시킨다.

다) 수압은 정수압을 기준으로 하며, 지하수위는 실조사수위를 원칙으로 하되 수위의 계절적 변동폭을 감안하고 설계책임자가 판단하여 적절한 설계수위를 결정한다.

라) 양압력(U)은 (식 3.1-15)으로 산정하며 구조물 바닥폭(B) 전면에 균등하게 적용하는 것으로 한다.

마)  형수로 등에서 지하수위가 불명확하고, 양압력 작용 수위차(  )가 너무 커서 비합리적인 구조물이 될 경우에는 벽체에 물빼기공(배수공)을 설치하고, 잔류수위는 측벽높이의 1/2~2/3 정도를 취하면 안전하다.

 (식 3.1-16)

여기서  : 양압력(  )

 : 물위 단위중량(  )

 : 양압력이 작용하는 수위차(m)

 : 저폭(m)

 

 

	S
(a) 암거	(b) 옹벽	(c) U형수로

 

(그림 3.1-7) < 양압력 분포도 >

바) 저항력

양압력에 대한 저항력(R)은 고정하중인 구체 자중 및 상재하중과 흙과 흙의 주변마찰력의 총합으로 하며 다음과 같이 구할 수 있다.

R =  +  + F (식 3.1-17)

여기서, R : 저항력



: 구체자중



: 상재고정하중

 : 흙과 흙과의 주변마찰력

     ㆍㆍㆍtan  ㆍㆍㆍtan

  : 상재토의 마찰력

  : 벽체와 뒷채움토 사이의 최소마찰각

    : 횡토압 계수[정지토압(Ko=  sin)]

    : 상재토층, 벽체에 작용하는 평균 유효토압

  



 ․ 

   ․   



 ․ 

 : 상재토, 벽면의 마찰접촉 면적(  ,    )

 : 상재토 유효마찰각

 : 흙 또는 흙과 벽체 사이의 유효 마찰각

 : 흙의 수중 단위중량()

사) 안정검토

양압력에 대한 안전율(Fs)은 (식 3.1-18)으로 산정하며 양압력에 대한 안전율 부족 시에는 별도의 필요한 조치를 하여야 한다. 평상시 안전율(Fs)은 1.2 이상이어야 한다. (KDS 24 12 20 4.1.2)

공사 중 부력에 대한 안정여부 검토 시에는 공사단계별 조건 중 가장 위험한 조건으로 검토하여야 하며 안전율은 1.1 이상으로 하고 실조사수위로 적용할 수 있다.

안전율 Fs = R(저항력) / U(양압력) (식 3.1-18)

9) 유수압

유수압은 유수방향에 대한 기둥의 연직투영 면적에 작용하는 수평하중으로 하고, 작용위치는 하저면에서 0.6H로 한다.

기둥에 작용하는 유수압은 다음과 같다. (KDS 24 12 20, 4.1.2)

 

 

10) 유목 등의 충돌하중

유목 및 기타의 유송물이 충돌할 우려가 있는 경우에는 충돌력을 고려하고, 작용 높이는 수면으로 한다.

 

 

11) 풍하중

풍하중은  으로 한다 (KDS 24 12 20, 4.1.4)

12) 건조수축의 영향

콘크리트 건조수축에 의한 영향은 콘크리트의 건조수축률  로 한다. 단, 축방향 철근량이 부재 콘크리트 단면적의 0.5% 미만인 경우에는  로 한다 (KDS 24 12 20 4.1.2)

13) 온도변화의 영향 (KDS 24 12 20, 4.1.4)

가) 콘크리트의 온도변화 범위는 지역별 평균온도를 고려하여 정한다. 보통의 경우 온도의 승강은 각각 15  로 하고, 단면의 최소치수가 700mm 이상인 경우는 10  로 한다.

나) 부재의 온도차에 의해 생기는 단면력을 산출하는 경우의 온도차는 5  로 한다.

다) 철근 콘크리트의 선팽창계수는  로 한다.

라) 수중 또는 토중에 있는 구조물에 대해서는 온도변화의 영향을 고려하지 않는다.

14) 설하중

설(雪)하중은 눈의 단위체적 중량과 적설의 깊이를 곱하여 구한다. 눈이 많은 지방에서는 1.0~3.5  을 적용하고, 적설이 없거나 적은 곳에서는 고려하지 않아도 좋다.

15) 권양기에 작용하는 하중

수문, 가동보, 통문에서 조작대의 상부슬래브에는 문짝개폐하중(문짝조작시설 자중, 지수부・수밀고무・퇴적이토 등의 마찰력, 부력, 월류수에 의한 상・하향력, 하단방류시의 상・하향력 등 권양기 설계상의 개폐하중)과 권양전동기의 정격용량(전동기는 정격토크에 대해 순간토크는 200~300%가 작용)을 고려하여야 한다. 조작대 상부슬래브를 설계할 때 평상시에는 설계개폐하중을 적용하고, 이상시에는 최대토크하중이 작용할 때의 허용응력을 1.5배로 한다.

16) 기타 하중

기타하중은 상기하중 이외에 시공하중, 제체내의 과잉간극수압, 풍랑에 의한 파압, 해일영향 등이 있으며, 하중을 고려할 필요가 있는 경우에는 상황에 따라 고려한다.

3.1.3 구조해석모델 및 경계조건

1) 구조해석 모델링(modeling)시 고려사항

가) 구조물의 축선은 부재 단면의 도심축으로 한다. 이때 부재 치수가 다를 때에는 안전측으로 한다.

나) 상자형 구조물은 구조형태상 박스라멘(rahmen)으로 구조해석시 2차원 뼈대구조(frame)를 적용한다.

2) 토사부에 지지되는 구조물의 경계조건

가) 구조물이 토사지반에 위치하는 경우는 저판 밑의 지지부에 지반스프링을 두어 해석하는 것을 원칙으로 하며, 이때 사용되는 지반반력계수는 각종의 조사 및 시험 결과에 의해 얻어진 변형계수 및 기초의 재하폭 등의 영향을 고려하여 정한다.

나) 스프링 경계조건을 사용하는 경우 스프링 간격은 하부 슬래브를 8등분 정도할 수 있는 간격으로 배치하되 간격이 너무 넓어지는 경우는 대략 1m 정도의 간격으로 한다.

다) 연직방향 지반반력계수 (도로교 설계기준 해설)

(식 3.1-21)

여기서,  : 연직방향 지반반력계수(kN/㎥)

 : 지름 30cm의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 연직방향

 : 기초의 환산재하폭(m)으로 다음 식에서 구한다. 저면형상이 원형인 경우는 지름으로 한다.

 : 연직방향의 재하면적(㎡)

지반반력계수(kgf/㎠)로 각종 토질시험조사에 의해 구한 변형계수로부터 추정하는 경우 (식 3.1-22)로 구한다.

(식 3.1-22)

여기서  (지반의 변형계수)와  (지반반력계수)는 (표 3.1-9)과 같다.

 

<  와 α값 >

(표 3.1-9)

 

시험방법에 따른 변형 계수  (kN/㎡)	α
	평상시	지진시
지름 30cm의 강체원판에 의한 평판재하시험을 반복시킨 곡선에서 구한 변형계수 1/2	1	2
보링공 내에서 측정한 변형계수	4	8
공시체의 1축 또는 3축압축시험에서 구한 변형계수	4	8
표준관입시험의 N치에서  =2800N으로 추정한 변형계수	1	2

 

라) 구조물 우측 하단부에 무한강성의 수평지반 스프링을 설치하는 방법 등으로 수평방향으로 유지시킨다.

3) 하중조합 및 하중계수와 강도감소계수

가) 하중조합과 하중계수(KDS 14 20 10, 4.2.2)

구조물을 설계할 때는 아래에 제시된 하중계수와 하중조합을 모두 고려하여 해당 구조물에 작용하는 최대소요강도에 대하여 만족하도록 설계하여야 한다.

단면검토는 계수하중을 적용하고, 사용성 검토시는 사용하중을 적용하여 가장 불리한 조건에 대해 설계하여야 한다.

부등침하, 크리프, 건조수축 및 온도변화는 사용구조물의 실제상황을 고려하여 설계하여야 한다.

(1) 

(2) 

(3) 

(4) 

(5) 

(6) 

(7) 

(8)

 

여기서,	D	: 고정하중
	E	: 지진하중
	F	: 유체압력의 의한 하중
		: 매설깊이(h)에 따른 분산보정계수(  인 경우는 1.0, 2m < h ≤7m인 경우는 1.05-0.025h, h>7m인 경우는 0.875)
		: 흙, 지하수 등에 의한 수평방향 하중
		: 흙, 지하수 등에 의한 연직방향 하중
	L	: 활하중
		: 지붕활하중
	R	: 강우하중
	S	: 적설하중
	T	: 온도하중
	W	: 풍하중

 

또한, 토피두께가 1m 미만인 경우는 토피하중보다 활하중의 영향이 더 클 수 있으므로 「교량 설계기준(KDS 24 00 00)(2022,국토교통부)」의 하중계수와 하중조합에 대해서도 추가검토 비교하여야 한다.

나) 강도감소계수 (KDS 14 20 10 4.2.3)

부재나 단면의 설계강도는 강도설계법의 요구사항과 가정에 따라 계산되는 공칭강도에 강도감소계수  를 곱한 강도이고, 강도감소계수는 (표 3.1-10)와 같다.

(1) 인장 및 압축지배단면

< 지배단면에 따른 강도감소계수 >

(표 3.1-10)

 

지배단면 구분		순인장 변형률 조건	강도감소계수(  )
압축지배단면	나선철근	이하	0.70
	그 외 철근	이하	0.65
변화구간단면	나선철근	(또는  )	0.70 ~ 0.85
	그 외 철근	(또는  )	0.65 ~ 0.85
인장지배단면		0.005 이상 (  인 경우  이상)	0.85

 

(2) 전단력과 비틀림모멘트 : 

(3) 콘크리트의 지압력 : 

4) 처짐 및 균열제한

구조물은 외력에 대하여 안전해야 할 뿐만 아니라 사용성도 확보되어야 한다. 이러한 사용성에 문제가 되는 것으로 처짐과 균열이 있는데 이들은 사용하중 상태에서 검토한다.

가) 처짐의 제한(KDS 14 20 30 4.2.1)

철근콘크리트 부재의 처짐은 부재의 최소두께를 정하여 처짐을 간접적으로 규제한다.

보통골재로 만든 철근콘크리트 보 또는 1방향 슬래브와 같은 1방향 구조의 최소두께 또는 높이가 아래에 주어진 값보다 큰 경우에는 처짐을 계산하지 않아도 된다.

 

< 처짐을 계산하지 않을 경우의 휨부재 최소두께 >

(표 3.1-11)

 

부 재	최소두께 또는 높이 t(cm)			켄틸레버
	단순지지	일단연속	양단연속
1방향 슬래브	/20	/24	/28	/10
보	/16	/18.5	/21	/8

 

(1) 위 표의 값은 일반콘크리트(Wc = 2,300  )와 설계기준 항복강도 400MPa 철근을 사용한 부재에 대한 값이며 다른 조건에 대해서는 그 값을 다음과 같이 수정한다.

(2) 1,500∼2,000  범위의 단위체적질량을 갖는 구조용 경량콘크리트에 대해서는 계산된 h값에 (1.65-0.00031  )를 곱해야 하나, 1.09보다 작지 않아야 한다.

(3) fy가 400 MPa 이외인 경우는 계산된 h값에 (0.43 + fy/700)를 곱한다.

나) 균열 (KDS 14 20 20 4.2.3)

(1) 콘크리트 구조기준(KDS 14 20 00)에서는 균열 폭을 직접 산정하여 허용균열폭과 비교하는 대신 철근의 수량 및 간격, 콘크리트 구성 재료, 그리고 철근의 최소피복 두께 등을 검토함으로써 구조물에 발생하는 균열을 제어하는 것으로 하였다.

(2) 콘크리트 인장 연단에서 가장 가까이 배치되는 철근의 중심간격 S는 아래 (식 3.1-23)과 (식 3.1-24)에 의해 계산된 값 중에서 작은 값 이하로 한다.

 

(식 3.1-23)

(식 3.1-24)

여기서, Cc : 인장철근이나 긴장재의 표면과 콘크리트 사이의 최소두께(mm) fs : 사용하중 상태에서 인장연단에서 가장 가까이 위치한 철근의 응력(MPa)(근사 값으로   fy 사용 가능)  : 건조환경에 노출된 경우는 280,   그 외의 환경에 노출되는 경우는 210

 

마. 기타사항

기타 구조 세목 등의 기준에 대해서는 콘크리트 구조기준 등 제 기준서에 따르며, 암거 등 시설물에 대한 설계예시 및 단면도는 하천시설물 표준도를 준용한다.

 

3.1.4 구조물 토공

가. 터파기

1) 터파기의 육상과 수중의 구분은 지하수위를 기준으로 하며 지하수위 이하는 수중터파기로 설계하고 물푸기를 한다.

2) 육상터파기는 지반별 비탈경사는 (표 3.1-12)을 참고하되, 터파기 비탈면의 수직고가 3m 이상인 경우는 비탈면안정성 검토에 의해 최소안전율(Fs = 1.1) 이상의 안전을 확보하여야 한다.

3) 터파기고가 높은 경우는 턱(소단)을 두어 비탈면의 안정성을 확보할 수 있다.

4) 수중터파기는 비탈면의 미끄럼(sliding) 방지를 위해 비탈경사는 지층별 토성치를 고려한 비탈면 안정성 검토에 의해 결정한다.

5) 터파기 때 수평 여유폭은 터파기고가 1m 이상이면 1m 이상, 1m 미만이면 0.5m 이상을 적용한다.

6) 지하수위 아랫부분을 터파기할 때는 바닥면에 집수를 위한 줄파기(최소규격 0.3m×0.3m 이상)를 반영한다.

7) 터파기할 때 지하수와 하천수처리는 ‘제7편 제1장 하천 가시설설계’요령에 따르며, 가물막이의 높이는 공사시 외수위보다 최소한 50㎝ 이상 높게 설치하고, 유수에 의한 비탈면 침식방지를 위해 보호공을 설치할 수 있다.

8) 터파기 때 유입수의 처리는 유입유량을 고려하여 물푸기를 계상한다.

 

 

(그림 3.1-8) < 구조물 터파기 표준단면 >

 

< 지반별 육상 터파기 비탈경사 >

(표 3.1-12)

 

지반의 종류	경 사	비 고
일반토사	1 : 1.0
모래(수중)	1 : 1.5
풍 화 암	1 : 0.5
발 파 암	1 : 0.3

 

주) 자료출처 : 국도건설공사 설계실무 요령(교량기초 터파기 수량산출요령 참고, 2016, 국토교통부)

 

나. 되메우기

1) 되메우기 재료는 터파기 또는 흙깎기 실시 후 발생한 토공의 토성치를 검토하여 적합성 여부를 판단하여 사용한다.

2) 구조물 뒷채움과 되메우기 재료 기준은 ‘제2편 하천치수시설, 제1장 하천제방’를 참조한다.

3) 되메우기 다짐기준은 ‘제2편 하천치수시설, 제1장 하천제방’을 참조한다.

4) 되메우기의 공정계획은 구조물의 양생기간을 고려하여 수립한다.

5) 구조물 상단고를 기준하여 하부는 뒷채움 한층 두께를 20cm 이하로 하여 충분한 다짐이 될 수 있게 인력과 장비를 단독 또는 조합하여 적용할 수 있다.

6) 토피의 기준은 해당지역의 동결심도와 하중에 의한 구조물 영향 등을 고려하여 토피고를 결정한다.

다. 잔토처리

1) 잔토는 터파기량과 되메우기량의 차이로 토성치가 적합한 경우 성토용 재료로 유용하는 것을 원칙으로 한다.

2) 성토용으로 부적합한 잔토는 고수부지 등에 포설하여 사토하고 공사비는 순수 포설비만을 계상한다.

3) 사토량이 과다하여 고수부지 포설이 치수적으로 문제가 있을 것으로 판단될 경우는 별도의 사토처리계획을 수립한다.

 

 

 

제4장 하천차수설계

4.1 설계 요령

4.1.1 일반사항

가. 용어 정의

1) 차수시설: 물이 새는 것을 막는 시설을 총칭하며, 통문의 하부에서 지반을 터파기하지 않고 널말뚝 등을 이용하여 벽체를 설치하는 것을 차수공이라 하고, 측벽과 같이 터파기 후 벽체를 만드는 것을 차수벽이라 구분하기도 한다.

2) 사운딩: 지반에 시험기구를 삽입, 회전, 인발하면서 그 저항치를 측정하여 지반의 특성을 조사하는 원위치 지반조사 방법을 통칭한다.

3) 슬라임(Slime): 시추, 현장타설말뚝, 심층혼합처리공, 지중연속벽 등을 시공하기 위한 지반을 굴착할 때 생기는 미세한 굴착 찌꺼기를 통칭한다.

4) 안내벽: 지하연속벽 시공시 굴착 작업전에 굴착구 양측에 설치하는 콘크리트 가설벽으로 굴착 입구 지반의 붕괴를 방지하고 굴착 기계와 철근망 삽입의 정확한 위치 유도를 목적으로 설치한다.

5) 안정액(Slurry): 액성한계보다 훨씬 많은 수분을 함유한 현탁액으로서, 지반을 굴착할 때 공벽이 붕괴되는 것을 방지할 목적으로 사용하며, 주로 소듐 몬모릴로나이트(Sodium montmorillonite)를 사용한다.

6) 오거보링: 오거를 이용하여 지반을 시추하는 것을 말하며, 주로 토사지반의 시추에 사용된다.

나. 적용범위

1) 하천시설인 제방, 보, 수문, 통문 등에 대하여 제체 및 기초지반과 구조물 하부 및 측면을 통한 누수방지를 위해 합리적이고 경제적인 설계를 도모하기 위한 것으로 하천시설의 차수시설 설계에 적용한다.

2) 본 절에 규정하지 않은 사항은 관련 설계기준과 시방서 및 지침에 따른다.

다. 적용기준

1) 하천설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 국토교통부)

2) 하천공사 표준시방서(KCS 51 00 00)(2023, 환경부)

라. 참고문헌

1) 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

2) CIRIA and USACE. 2013. The international levee handbook. London.

3) Giroud, J-P. 1988. Review of geotextile filter criteria. In: Proc first Indian geotextiles conference, Indian Institute of Technology, Bombay, International Geotextile Society, International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, Bombay, India, 8–9 December.

4) 하천제방설계지침(2000, 일본 건설성)

 

4.1.2 사전조사

가. 누수의 원인 및 특성

1) 제방에서 침투류가 발생하면 제방 내에는 흙입자 사이에 수압 및 중력에 의한 침투력이 작용한다. 이것이 어느 한계를 초과하면 흙입자는 움직여서 변형 또는 이동하여 지반을 파괴하게 된다. 하천제방에서 주된 침투피해는 강우와 하천수가 침투하여 제체 내 침윤면이 상승하여 발생하는 활동파괴와 투수성 지반에서 침투압 상승에 의한 파이핑파괴이다.

2) 제방의 누수는 제체를 침투해오는 제체누수와 지반을 침투해 오는 지반누수가 있다. 제체누수는 일반적으로 하천의 외수위가 상승하여 제체내로 유수가 침투하여 제내측 비탈면에서 침투수가 유출하는 것을 말한다. 즉 침윤선이 제내지 비탈면에 도달하면 누수가 시작되고 그 양이 많으면 파이핑 현상에 의해 붕괴위험을 내포하게 된다. 누수가 발생되어 제방을 손상시킬 수 있는 곳은 다음과 같다.

- 두더지, 들쥐 등의 천공동물이 서식하거나 발생하기 쉬운 쓰레기 버림터

- 제내지 지반이 하상보다 낮고 습한 곳

- 제방의 원지반이 투수층인 곳

- 연결호안의 접속불량으로 세굴된 곳

- 둑 자리가 구하도 또는 파괴 장소였던 곳

- 통문, 통관 등 제방횡단시설이 가까이 있는 곳

- 다른 곳보다 제체 단면이 작은 곳

- 제체 토질이 불균일하고 불량한 곳

- 저수로가 제방에 접근해 있는 곳

- 매립된 흙막이 널판, 거푸집 등이 썩어서 공극이 발생한 곳

- 제체가 건조 또는 지진 등에 의해 균열이 있는 곳

- 차수벽 또는 누수 널말뚝이 부족한 곳

- 토질조사가 불충분하여 지반 누수대책이 적절하지 못한 곳

- 기초 잡석, 기타 시공상의 잘못 등에 의한 곳

- 되메우기 토사의 불량 및 다짐이 불충분하여 투수성이 큰 경우

3) 제방에서 구조가 변화거나 다른 구조물과 접하는 곳인 변환부(transition)는 이질적인 재료가 접합이 잘되지 않거나 다짐 부족으로 그 틈 사이로 침투가 발생하기 쉬워 필요시 차수시설을 설치하여 침투길이를 연장하여야 한다. 변환부는 다음과 같은 곳이 해당하며, 배수통문 주변의 공동발생 개념도는 (그림 4.1-1)과 같다.

가) 제체의 구조가 변화하는 곳

(1) 구조가 서로 다른 제방이 만나는 곳(제방 단면의 변화, 본류와 지류, 기성제와 신설제)

(2) 일반제방과 특수제가 만나는 곳(홍수방지벽, 강널말뚝)

(3) 제방 구조물과 구조물들이 만나는 곳(방수로, 드레인, 배수통문, 수문, 보 등)

(4) 다른 종류의 외부침식 방지시설을 설치하는 곳(호안)

(5) 서로 다른 기초조건과의 접촉(자연조건, 인공조건)

(6) 자연지반과 인공제방과의 접촉부

나) 지중에 있지만 눈에 보이는 구조(암거, 건물, 계단, 맨홀, 철탑, 교대와 교각 등)

다) 지중에 매장된 구조물(파이프, 케이블 등)

라) 외부 구조물(도로 및 철도, 배수로, 경계벽 등)

 

 

(그림 4.1-1) < 배수통문 주변 침하에 의한 접합부의 균열 및 공동발생 개념도 >

 

나. 기본조사

차수공 설치 시 공법의 채택 여부 판단, 채택 후 설계 계획 검토, 시공 및 시공관리기준, 환경보존대책 검토, 시공효과 확인 등을 위해 다음과 같은 기본조사가 필요하다.

1) 기초 자료조사

가) 자료조사: 1/50,000∼1/5,000 지형도, 하천기본계획 관련자료, 제방정비사업 이력

나) 답사: 과거 누수 발생여부, 지역주민에게 문의하여 누수 장소 및 누수상황 파악, 누수지역의 지형 및 지질상태 파악

2) 토질조사

가) 시추조사: 토질주상도, 표준관입시험, 간극수압측정, 현장투수시험(양수시험, 수위저하시험, 투수시험, 주수시험), 지하수위측정, 자갈층 및 호박돌층 입경 파악

나) 실내시험: 물리시험(비중, 함수비, 밀도, 간극비, 입도, Consisteny), 역학시험(일축압축시험, 삼축압축시험), 화학시험(PH)

3) 환경조사

공공용수역, 지하수, 우물, 농작물, 식생 및 어폐류 서식 상황

4) 주변조사 및 지하매설물

가) 인접구조물 현황 : 차수공과의 이격거리, 노후 정도, 기초형식, 건물규모, 지하실 유무, 누수 여부, 건물 사용현황 등

나) 매설물 상황 : 상수도관, 송유관, 통신케이블, 지하철, 전력케이블, 도시가스관 등에 대해 관련 기관에 비치된 자료를 입수하고, 현장 확인 및 각 기관 연락처도 조사

다) 기타 : 작업공간, 교통량 등

다. 투수계수 조사

투수계수는 침투해석에 있어 가장 중요한 인자이다. 지반조사 시 지층별 지반밀도 별로 구분하여 현장 및 실내 투수시험을 시행하되, 동일 지층 내에서도 느슨한 지층을 우선하여 시험하여야 한다. 각 제방에 대해 지층별 투수계수 시험값을 우선으로 하여 분포경향을 파악한 후 문헌값과 비교하여 시험결과의 적합성을 판단한다.

1) 투수계수 산정 절차

가) 각 제방에서 시행된 현장투수시험 및 실내투수시험 결과 확인

나) 각 제방의 매립토층(기존 제체)과 퇴적토층을 구분하여 통일분류법을 사용하여 구성성분을 구분 후 기 시행된 시험과 비교 분석

다) 분석된 토층 및 구성성분에 따른 투수계수를 문헌값과 비교

라) 현장 및 실내투수시험 결과와 문헌값을 분석하여 투수계수의 적정성 검토

마) 각 제방별 시험값, 경험값 등을 종합하여 각 시추공별 단면에 대한 적정 투수계수를 산정한다.

2) 투수계수 산정

가) 경험식(Hazen의 근사식)

(식 4.1-1)

여기서 k: 투수계수(㎝/s),  : 유효입경(㎝), C: 형상계수[(표 4.1-1) 참조]

< Hazen식의 형상계수 >

(표 4.1-1)

 

Sand (any or all of the following applies)

40 - 80 Very fine, well graded or with appreciable fines [(-) No.200] 80 - 120 Medium coarse, poorly graded: clean, coarse but well graded 120 - 150 Very coarse, very poorly graded, gravelly, clean

주) 자료출처 : Physical and Geotechnical Properties of Soils(Joseph E. Bowles pp.212)

 

나) 각종 흙에 대한 투수계수 문헌값은 다음과 같다.

< 각종 흙의 대표적 투수계수 >

(표 4.1-2)

 

흙 의 종 류	투수계수(㎝/s)
깨끗한 자갈	1~103
깨끗한 모래, 깨끗한 모래와 자갈이 섞인 흙	103~1
극 미립토사, 실트, 모래, 실트와 점토가 섞인 흙, 성층 있는 점토	10-7 ~ 10-3
불투수층	10-7미만
주) 자료출처 : 지반공학 - 이론과 실제, 천병식, p.98

 

 

< Creager에 의한 D20과 투수계수(k)간의 상관관계 >

(표 4.1-3)

 

D20(㎜)	k( cm/s )	토질분류	D20(㎜)	k (cm/s)	토질분류
0.005	3.00 × 10-6	점토	0.18 0.20 0.25	6.85 × 10-3 8.90 × 10-3 1.40 × 10-2	세립모래
0.01	1.05 × 10-5
0.02 0.03 0.04 0.05	4.00 × 10-5 8.50 × 10-5 1.75 × 10-4 2.80 ×  10-4	조립실트	0.30 0.35 0.40 0.45 0.50	2.20 × 10-2 3.20 × 10-2 4.50 × 10-2 5.80 × 10-2 7.50 × 10-2	중립모래
0.06 0.07 0.08 0.09 0.10	4.60 × 10-4 6.50 × 10-4 9.00 × 10-4 1.40 × 10-3 1.75 × 10-3	매우 세립모래	0.60 0.70 0.80 0.90 1.00	1.10 × 10-1 1.60 × 10-1 2.15 × 10-1 2.80 × 10-1 3.60 × 10-1	조립모래
0.12 0.14 0.16	2.60 × 10-3 3.80 × 10-3 5.10 × 10-3	세립모래	2.00	1.80	잔자갈
주) 자료출처 : 토질역학 핸드북(일본 토질공학회, 1985)

 

< 여러 재료에 대한 전형적인 투수계수 값(층류) >

(표 4.1-4)

 

구 분	입자크기				유효입경		투수계수(k)
	in		㎜		(in)	(㎜)	ft/년	ft/월	cm/s
	Dmax	Dmin	Dmax	Dmin
균등한 조립모래	1/8	1/64	2	0.5		0.6	0.4× 10-6	0.4× 10-5	0.4
균등한 중간모래			0.5	0.25		0.3	0.1× 10-6	0.1× 10-5	0.1
깨끗하고 입도가 양호한 실트질 모래와 자갈			10	0.05		0.1	0.01× 10-6	0.01× 10-5	0.01
균등한 세립모래			0.25	0.05		0.06	4000	400	40× 10-4
입도양호 실트질 모래 및 자갈			5	0.01		0.02	400	40	4× 10-4
실트질 모래			2	0.005		0.01	100	10	10-4
균등한 실트			0.05	0.005		0.006	50	5	0.5× 10-4
모래질 점토			1.0	0.001		0.002	5	0.5	0.05× 10-4
실트질 점토			0.05	0.001		0.0015	1	0.1	0.01× 10-4
점토(점토입자가 0~50%)			0.05	0.0005		0.0008	0.1	0.01	0.001× 10-4
콜로이드점토 (-2μ≤50%)			0.01	10Å		40Å	0.001	10-4	10-9
주) 자료출처 : 지반공학 핸드북 (엔지니어즈, p.85)

 

 

< 투수계수의 개략치(1) >

(표 4.1-5)

 

10-8 10-7  10-6             10-5     10-4            10-3      10-2          10-1          1                        10                102

㎝/s

10-4          10-3          10-2          10-1       1             10                102     103                          104                    105

ft/day

⇐

균 질 점 토

실 트

모 래

자 갈

⇒

균열점토 및 풍화점토

불투수 투수불량 투수양호

주) 자료출처 : 토질역학(김상규, p83)

 

 

< 투수계수의 개략치(2) >

(표 4.1-6)

 

토 질	점 토	실 트	세사	가는 모래	중간 모래	굵은 모래	작은 자갈
입경 D(㎜)	0.0~0.01	0.01~0.05	0.05~0.10	0.10~0.25	0.25~0.5	0.5~1.0	1.0~5.0
k (cm/s )	3.0× 10-6	4.5× 10-4	3.5× 10-3	1.5× 10-2	8.5× 10-2	3.5×10-1	3.0

주) 자료출처 : 지반공학 핸드북(엔지니어즈, p87)

 

< 모래 및 모래-자갈 혼합토의 투수계수 >

(표 4.1-7)

 

Type of soil	투수계수, k (cm/s )
Medium to coarse gravel Coarse to fine sand Fine sand, Silty sand Silt, Clayey silt, Silty clay Clays	Greater than   to   to   to   or less

 

주) 자료출처 : Braja M.Das(기초공학원론, p20)

 

 

 

(그림 4.1-2) < 흙의 입경에 따른 투수계수의 값 (NAVFAC DM7.2 – p131) >

 

< 암과 흙의 전형적인 투수계수 >

(표 4.1-8)

 

k(㎝/s )		신 선 암	간극률 n (%)	파 쇄 암	흙
실제 로는 불투수	10-10 10-9 10-8 10-7	간극률이 작은 암괴	0.1~0.5 0.5~5.0		풍화대 아래의 균등한 점토
배수 불량	10-6 10-5 10-4 10-3	풍화된 화강암, 편암	5.0~30.0	점토로 충전된 절리	매우 세립한 모래 유기질과 무기질 실트 모래와 점토의 혼합물 방적토, 층이진 점토층
배수 양호	10-2 10-1 1.0 10 102			절리된 암반 절리가 열린 암반 파쇄가 심한 암반	깨끗한 모래, 깨끗한 모래와 자갈혼합물 깨끗한 자갈

 

주) 자료출처 : 지반공학 핸드북(엔지니어즈, p87)

3) 투수계수 결정

가) 제방안전성검토에 적용하는 투수계수 및 지반정수는 단면형상과 토질구성이 유사한 구간별로 모델화하고, 토층별(매립토, 퇴적토, 풍화토 등)로 구분하여 현장 토질조사와 경험치, 문헌값 등을 종합하여 적정 투수계수를 산정한다.

나) 자연스럽게 형성된 하천제방의 기초지반은 동일할 수가 없으며, 기존제체 및 보축할 성토재료도 동일하지 않다. 제방의 파괴는 가장 취약한 지점에서 발생한다. 따라서 투수계수는 평균적인 대표값을 적용하면 과소평가될 수 있으니 극한값(가장 불리한 값)을 사용하는 것이 바람직하다.

라. 주요 사항검토

1) 지형․지질에 맞는 차수공법 선정과 그 공법의 문제점, 시공성, 환경성, 경제성 분석

2) 정확한 토질정수 추정을 위한 시험자료 검토

3) 인접구조물의 특징과 노후도, 지하매설물 위치 파악으로 굴착에 따른 영향검토

4) 시공 시 소음, 진동, 분진발생, 장비투입에 따른 민원발생 검토

5) 지하수위가 높은 곳에서는 계절적 지하수위 검토

6) 설계모델선정(유한요소법 등)에 의한 프로그램 결정

7) 시공조건 검토 : 공사현장에 자재 및 장비투입과 주변 이해 당사자들에게 문제점과 대책을 이해시킴

 

4.1.3 계획

가. 상세 안전성평가

1) 제방에 대한 침투설계 절차

가) 기초지반의 토질구성과 제체단면 형상을 감안한 균일구간을 나누어 제방을 모형화한다.

나) 기초지반, 기성제체, 추가 성토재료에 대한 토질정수를 설정한다.

다) 외력조건 및 침투류계산

(1) 강우파형과 하천수위에 대한 홍수파형과 최저수위 조건을 설정한다.

(2) 침투해석모형 선정, 격자크기, 계산시간간격, 초기수위조건 등을 설정한다.

(3) 제방단면에 대해 정상 또는 비정상 침투해석을 통해 제체 내 형성하는 침윤선과 침윤면을 추정한다. 다음 제체와 원지반에 형성되는 유선과 등수두선을 분석한 후, 각 위치의 수두를 파악하고 이때 최대동수경사 및 한계유속 구간에 대한 파이핑 검토를 한다.

라) 상기 결과를 토대로 제내지측과 제외지측 비탈면의 안전성을 검토한다.

마) 안전성, 시공성, 환경성, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 적절한 대책공법을 선정하고, 합리적인 설계를 수행한다.

 

 

(그림 4.1-3) < 침투에 대한 설계 절차 >

2) 설계외력 조건 설정

가) 강우파형 설정

(1) 사전 강우량은 총 강우량으로 장마시기의 월강수량의 평균치인 200mm 정도를 설정한다. 사전강우강도는 강우량이 모두 제체로 침투하도록 1㎜/hr 이상으로 한다.

(2) 홍수 시 강우량은 계획홍수량 산정에 적용한 계획강우량(총 강우량)인 300mm을 설정하고, 강우강도는 10mm/hr 정도를 표준으로 장방형파형을 설정한다(일본 建設省, 2002).

나) 하천수위파형 설정

(1) 우리나라의 하천은 홍수지속시간이 짧아 하천제방 침투해석 시 하천수위파형을 댐과 같이 정상침투상태로 설정할 경우는 과대 평가될 가능성이 있어 비정상침투상태(홍수시)로 설정한다.

(2) 비정상침투해석을 위한 홍수파형 설정은 대상지점에서 과거 발생한 여러 개의 홍수수문곡선을 분석하여 최적수위파형을 작성하여 사용하는 것이 가장 바람직하나, 대상지점의 홍수수문곡선을 구하기가 어렵다. 따라서 인근의 홍수수문곡선에 대해 기본수위파형을 작성하고, 이것을 해당지점으로 옮겨 최저수위(평수위), 계획홍수위, 지하수위, 첨두수위지속시간, 홍수지속시간 등에 맞게 적정 조정하여 사용할 수 있다.

(3) 과거 홍수사상에 대한 수문곡선 자료 확보가 곤란할 경우는 계획홍수량을 사용할 때 이용되는 수문곡선을 기본으로 하여 상승 및 감수부경사, 홍수지속시간, 첨두수위지속시간, 홍수지속시간 등을 이용하여 홍수파형을 작성한다.

(4) 현재 제방의 수리적 안전한계는 계획홍수위까지 하고 있으나 침투계산시 홍수파형의 첨두수위는 건설교통부(2004), 일본(건설성, 2000), 미국(USACE, 2000) 등에서는 계획제방고까지로 하고 있어 본 요령에서도 계획제방고까지로 한다.

다) 하천수위파형 조합

강우와 하천수위의 홍수파형 조합은 과거의 홍수에 대해 조합의 실태 등 지역의 특성을 고려해서 적절히 설정할 필요가 있다. 적당한 자료가 없는 경우에는 (그림 4.1-4)에 나타난 것처럼 계획홍수위의 종료지점과 강우의 종료시점이 일치하도록 조합할 수 있다.

제방에서 시간에 따른 홍수상황과 제체침투 관계는 (그림 4.1-5)와 같다.

 

 

(그림 4.1-4) <강우와 하천수위 파형의 조합 예시>

 

 

(그림 4.1-5) <시간별 홍수상황 및 제체침투 개념도(하천제방-우효섭 등, 2020)>

 

라) 초기 지하수위 설정

초기 지하수위는 홍수기의 평균 지하수위로 설정하되 평균 지하수위인지 불명확한 경우이거나, 홍수기의 평균 지하수위가 제내지 지반면 아래 0.5m 이하 깊이에 있는 경우에는 제내지반 아래 방향 0.5m를 초기 지하수위로 설정한다.

나. 제방에서의 침투해석

1) 우리나라 하천의 경우 홍수지속시간이 짧아 홍수위를 정상상태로 해석할 경우 과대한 외력을 주게 되므로 시간에 따른 수위변화를 고려한 비정상의 포화, 불포화 해석을 원칙으로 한다.

2) 지반조건이 유일한 한 개의 토층으로 되어 있는 경우는 도해법인 유선망을 그려서 쉽게 침투해석을 할 수 있으나, 지반조건이 여러 개의 층으로 구성되어 있다면, 유선망을 작도하여 침투해석을 하는 것은 대단히 어렵다. 과거 침투해석은 정상상태에서 제체 침윤면이 제체 내부에 위치하도록 하는 Casagrande(1932)방법과 Mononobe(物部)방법  에 의한 침투곡선을 작성하여 안전성을 평가하였으나, 현재는 유한요소법을 이용한 컴퓨터 프로그램을 이용하여 해석하는 것을 원칙으로 한다.

3) 설계시 침투류 계산은 정상 및 비정상상태의 포화ㆍ비포화해석을 하고, 파이핑은 한계동수경사와 한계유속에 의한 방법 등으로 판정한다.

4) 국내에서 제방 침투해석에 많이 사용되고 있는 프로그램은 Seep/W이며, 정상 및 비정상 침투해석이 가능하고 비등방성, 비균질성 토질해석도 가능하다.

5) 2차원침투해석 기본이론

흙 속을 흐르는 물의 흐름(침투)은 속도와 동수경사가 흙을 통하는 동안 변하는 특성을 가지며, 이와 같은 흐름에 관한 문제는 2차원 흐름인 경우 일반적으로 유선망을 사용하는 도해법으로 구하거나 수치해석법(유한요소법 등)을 도입하여 편미분 방정식의 해를 구할 수 있다.

2차원 흐름에 대한 기본원리는 지중의 한 요소에 유입되는유입되는 유량∈ 과 유출되는 유량 을 산정하여 연속성의 법칙에 의해서 양이 같다는 개념에서 시작되며 Darcy의 법칙 을 적용하여 2차 편미분 방정식을 유도할 수 있게 된다.

(그림 4.1-6)에서 한 요소(A)의 유입량 및 유출량을 고려하면

 

 

 

(그림 4.1-6) < 2차원 흐름의 기본원리 >

연속성의 법칙 (유입량∈ = 유출량 )을 적용하면 다음과 같은 2차 편미분 방정식이 유도된다.

흙이 등방성 (K_x=K_z)이라면 다음과 같은 Laplace방정식이 된다.

편미분 방정식 또는 흙의 등방성을 가정한 Laplace방정식을 풀면 투수영역 공간상의 어느 지점의 좌 표(x, z)에서의 전 수두를 구할 수 있으며 침투해석을 할 수 있다.

그러나, 지반조건이 유일한 한 개의 토층으로 되어 있는 경우는 도해법인 유선망을 그려서 쉽게 침투해석을 할 수 있으나, 지반조건이 여러 개의 층으로 구성되어 있다면, 유선망을 작도하여 침투해석을 하는 것은 대단히 어려우며 유한요소해석법을 이용한 컴퓨터 프로그램을 이용하여 해석한다.

가) 한계동수경사에 의한 방법

파이핑 현상을 일으키는 한계동수경사는 Terzaghi식(식 4.1-2)으로 계산한다.

 (식 4.1-2)

여기서  : 한계동수경사

h: 제방의 전 수두(m)

d: 분사지점의 수두(m)

 : 토립자의 비중

e: 흙의 간극비

n: 흙의 간극률이다.

분사현상에 대한 저항력은 소성지수가 큰 재료일수록 큰 경향이 있으며 점착력이 없는 세립자의  는 0.5∼0.8로 본다. 침투류해석에 의하여 산출한 동수경사가 한계동수경사의 1/2 이하가 되도록 해야 한다.

나) 한계유속에 의한 방법

제체 및 기초의 흙입자의 입경에 대하여 소류력에 의하여 입자가 밀려나가는 한계의 침투유속을 다음 식으로 구하며, 흙입자는 그 한계치를 넘으면 파이핑이 발생된다고 본다. 실제 현장 토립자는 여러 크기의 것이 혼합되어 있어 입경의 기준을 정하기 어려우므로 침투류 해석에서 얻어지는 침투류의 실유속이 (표 4.1-9)의 입경에 대한 한계유속의 1/100 이하가 되도록 해야 한다.

한계유속산정방법은 Justin공식과 Schmieder의 한계유속공식(1975) 및 한계유속실용공식이 있으며, 하천설계기준에서는 Justin공식 적용을 원칙으로 하고 있다.

< 한 계 유 속 >

(표 4.1-9)

 

재료 번호	입경(㎜)	한계유속(cm/s)
1	4.0 ∼ 4.8	20.0
2	2.8 ∼ 3.4	17.0
3	1.0 ∼ 1.2	10.0
4	0.7 ∼ 0.85	8.5
5	0.4 ∼ 0.7	7.0
6	0.25 ∼ 0.5	4.2
7	0.11 ∼ 0.25	3.5
8	0.075 ∼ 0.11	2.5
9	0.044 ∼ 0.075	2.0

 

 

◎ Justin공식

(식 4.1-3)

여기서  는 한계유속 (cm/s),  는 토립자의 수중중량(  ),  는 물의 흐름을 받는 토립자의 면적(㎠),  는 물의 단위중량(  /㎤),  는 토립자의 비중,  는 10% 통과입경(유효입경)(cm),  는 중력가속도(981cm/  ) 이다.

6) 제체 침투계산 시 안전계수는 2.0 이상으로 한다.

 

< 기준 안전계수 >

(표 4.1-10)

 

구분	기준 안전계수	적용
NAVFAC DM -7.1	2.0 이상	◎
댐설계 기준	2.0 이상
Roy E. Hunt	3.0 이상

 

다. 하천시설물 침투해석

1) 하천횡단시설에서 기초지반의 침투해석은 크립비방법도 있다. 이 방법은 블라이(Bligh, 1927)가 인도에서 댐의 상하류 수위차와 침투로길이 간 관계를 유도해서 만들어진 방법이다. 그 후 인도에서 연구된 침투로길이를 추정할 때 수평구간의 길이가 수평구간 길이의 1/3로 평가하는 레인(Lane, 1935)식이 제시되었다. 이 방법은 보(洑), 하상유지시설, 수문, 배수통문를 설계할 때 사용한다.

가) 블라이식

 (식 4.1-4)

여기서  : 침투로의 길이 (m),  : 지반의 종류에 따른 계수 (표 4.1-11 참조),

 : 상․하류(혹은 유입․유출부)의 수두차 (m)이다.

나) 레인식

레인이 제안한 경험적 방법으로 하천구조물의 하부와 측면부의 가중침투로비(가중그리프비, weighted creep ratio)를 구하여 가중침투로비 계수보다 큰 경우 파이핑에 대해 안정한 것으로 판단한다(식 4.1-5 참조). 수직침투로 길이는 1, 수평침투로 길이는 1/3로 계산하여 총 침투로 길이를 산정하고 상하류의 수두차로 나누어 산정한다(식 4.1-6 참조). 단, 수평침투로 길이는 경사각이 45° 이하이어야 하고 침투류는 항상 침투저항이 작은 곳을 흐르는 것으로 산정한다. 측면부도 하부와 같은 방법으로 한다.

  Δ



와 



중 큰 값 적용 (식 4.1-5)

  

 

   (식 4.1-6)

 

여기서  : 가중침투로비(표 4.1-11 참조),  : 가중침투로 길이(m),  : 물받이공 상단에서 최대수위까지 높이(갈수시),  : 상․하류(혹은 유입․유출부) 수위차,  : 최단거리의 유선을 따라 수평거리의 합 =  ,  는 최단거리의 유선을 따라 수직거리의 합 =  이다.

<레인의 가중크립프비 및 블라이  값>

(표 4.1-11)

 

흙의 종류	Lane 가중침투로 비	Bligh  값
매우가는 모래, 실트 (0.05∼0.1㎜)	8.5	18
가는 모래 (0.1∼0.25㎜)	7.0	15
중간 모래 (0.25∼0.5㎜)	6.0
굵은 모래 (0.5∼1.0㎜)	5.0	12
가는 자갈	4.0
중간 자갈	3.5
자갈과 모래 혼합	-	9
연약∼중간 점토	2.0∼3.0
호박돌 자갈과 모래		4~6
단단한 점토	1.8
견고한 지반	1.6
(주) Bligh  값은 Bligh가 인도에서 실측하여 제안한 값으로 급류하천에서는 주의가 필요.

 

 

 

 

(그림 4.1-7) <보에서 차수공의 배치 및 침투경로>

 

(a) 하부 침투로   (b) 측면 침투로

 

(그림 4.1-8) <수문 및 배수통문에서 차수공의 배치 및 침투경로>

 

 

라. 침투방지공법의 선정

1) 침투방지공법의 종류

가) 하천시설에서 침투는 제방침투와 제방과 구조물주변침투로 대별된다.

나) 제방에서 침투는 제체침투와 기초지반침투가 있으며, 대부분은 제체 및 기초지반 침투가 복합적으로 발생한다. 제방의 침투에 대한 대책공법은 (그림 4.1-9)와 같다.

다) 구조물은 제방횡단시설물과 하천횡단시설물이 있다. 제방횡단시설물인 배수통문 등은 차수벽을 설치하여 침투로의 길이를 길게하거나 또는 구조물 표면을 거칠게하고 역청재를 도포하여 구조물 주변의 다짐도를 높여 침투를 어렵게하는 방법이 있다. 또한 하천횡단시설물인 보, 수문, 하상유지시설은 하상을 통한 침투방지를 위해서는 차수공을 설치하고, 구조물과 제방이 접하는 곳은 배수통문의 침투방지공법과 유사하다.

 

				제방 침투방지공법
제체 침투 방지 공법				차수벽 공법			기타 공법
․ 제체 단면의 보강 ․ 제외측 비탈면 피복공 ․ 제내측 비탈선단의 보강				․ 널말뚝 ․ 약액주입 ․ 심층혼합처리 ․ 고압분사교반			․ 제내 압성토 공법 ․ 배수구(drain) 공법 ․ 안전측단 ․ 감압정

 

(그림 4.1-9) <제방의 침투방지공법>

2) 침투방지방법의 특성

가) 제체 및 기초지반 침투방지

- 제체침투는 제체의 침윤면이 결정적인 요인이 되므로 침윤선을 낮추어 침윤면이 제체하부에 위치하도록 한다. 일반적으로 제체침투방지방법은 다음과 같이 생각할 수 있다.

- 침투성이 작은 제체재료를 선택하여 제체침투를 어렵게 한다.

- 제방단면을 충분히 크게 하여 침투길이를 길게 한다.

- 충분한 다짐을 하여 침투성을 줄인다.

- 앞비탈면을 난투수층 재료로 덮어 제체침투를 어렵게 한다.

- 뒷비탈기슭에 투수성 재료로 배수구를 설치하여 침윤선을 낮춘다.

- 측단 또는 차수벽을 설치하여 침투길이를 연장한다.

(2) 기초지반의 투수성이 높은 경우에는 하천수위가 상승함으로써 침투압이 증가하여 제내측 지반에 침투수가 용출하는 파이핑 현상이 발생하므로 적절한 대책공법을 강구 한다. 기초지반 침투방지방법은 다음과 같이 생각할 수 있다.

- 앞비탈기슭 부근에 강널말뚝 등을 설치하거나 점토로 치환한다.

- 제외지의 투수지반 표면을 투수성이 작은 재료로 피복한다(블랭킷공법)

- 제내측에 감압정(relife well)을 설치해서 침윤선을 저하한다.

- 제방의 침투수를 완전히 배제시키고자 하는 경우는 수평드레인 또는 비탈기슭에 배수구(toe drain)을 설치한다.

- 차수벽을 설치하여 침투길이를 연장한다.

(3) 대표적인 제체, 기초, 제체 및 기초 보강방법은 (표 4.1-12)∼(표 4.1-15)과 같다.

 

< 제체침투 보강방법 >

(표 4.1-12)

 

구분	단면확대 방법	피복 방법	드레인 방법
개요도
원리 및 효과	․제체 단면확대로 침투길이 연장 ․비탈면을 완만하게 하여 활동파괴에 대한 안정성 증대 ․뒷비탈기슭의 기초지반 파이핑 방지	․제외지 비탈면을 난투수성 재료로 피복하여 하천수의 제체침투를 방지	․뒷비탈기슭에 배수구를 설치하여 제체내 침투수를 신속 배수 ․제체내 침윤선을 낮추어 제방의 저항력 강화 ․비탈기슭을 전단강도가 큰 재료로 치환하여 제방 안정성 증대
설계 유의 사항	․제내․외지측 여유부지 필요 ․통수단면적 축소로 대책 필요 ․확대부의 재료는 기존 제체보다 제외지측은 난투수층 재료 적용하고, 제내지측은 투수성이 높은 재료 적용	․투수성이 높은 사질토 제방에 효과가 큼 ․차수재는 잔류수압이 작용하여 부상 및 변형이 발생할 수 있음 ․난투수성 지반인 경우 배수대책 필요	․제방의 투수계수가  cm/s에서 적용성이 우수 ․드레인 두께는 0.5 m 이상으로 설정.
기타	․완경사로 활동파괴 방지 및 환경효과	․차수재 손상에 유의	․액상화 방지 효과

 

주)자료출처: 제방침투 보강기법 분석(건교부/경기대, 2006)

< 기초지반 침투 보강기법 >

(표 4.1-13)

 

구분	차수벽 기법	고수부지 피복기법	고수부지 성토기법
개요도
원리 및 효과	․차수벽 설치로 기초지반으로의 침투수 억제	․고수부지를 난투수성 재료로 피복하여 침투길이를 증대시키고, 제내지 비탈기슭의 간극수압을 감소	․고수부지를 성토하여 침투길이를 증대 ․비탈길이를 짧게 하여 활동파괴에 대한 안정성 증대
설계 유의 사항	․침투수를 차수하기 위해 차수벽 깊이를 투수층의 80~90 %까지 관입 ․차수벽 접합부에 유의	․고수부지가 사역질로 투수성이 높은 곳에 유리 ․차수재를 지속적으로 보호할 수 있어야 함.	․통수단면적 축소에 따른 대책 필요 ․성토재는 기존 제체보다 투수성이 낮은 재료가 효과적임.
기타	․지하수 흐름 차단으로 주변환경영향 검토 필요

 

주)자료출처: 제방침투 보강기법 분석(건교부/경기대, 2006)

 

<기초지반 침투 보강기법>

(표 4.1-14)

 

구분	차수벽 기법	고수부지 피복기법	고수부지 성토기법
개요도
원리 및 효과	․차수벽 설치로 기초지반으로의 침투수 억제	․고수부지를 난투수성 재료로 피복하여 침투길이를 증대시키고, ․제내지 비탈기슭의 간극수압을 감소	․고수부지를 성토하여 침투길이를 증대 ․비탈길이를 짧게 하여 활동파괴에 대한 안정성 증대
설계 유의 사항	․침투수를 차수하기 위해 차수벽 깊이를 투수층의 80~90 %까지 관입 ․차수벽 접합부에 유의	․고수부지가 사역질로 투수성이 높은 곳에 유리 ․차수재를 지속적으로 보호할 수 있어야 함.	․통수단면적 축소에 따른 대책 필요 ․성토재는 기존 제체보다 투수성이 낮은 재료가 효과적임.
기타	․지하수 흐름 차단으로 주변환경영향 검토 필요

 

주)자료출처: 제방침투 보강기법 분석(건교부/경기대, 2006)

< 제체 및 기초지반 침투 보강기법 >

(표 4.1-15)

 

구분	제체 외 배수층 설치	제방단면 증대	차수벽 설치
개요도
원리 및 효과	․제내지측에 수평배수층을 설치하여 제체 및 기초지반의 침투수를 신속하게 배제 ․제체내 간극수압 소산으로 제체 붕괴방지	․제방 단면확대로 침투길이 연장 ․단면 확대로 제방 비탈면 파괴방지	․차수벽에 의한 침투수 차단 및 침투길이 연장
설계 유의 사항	․제방의 투수계수가  cm/s에서 적용성이 우수 ․수평배수층의 두께는 0.5 m 이상 필요.	․제내지측 여유부지 필요 ․확대부의 재료는 기존 제체보다 투수성이 높은 재료 적용	․차수벽 상단 높이는 계획홍수위 이상으로 설치 ․차수벽 깊이는 투수층의 80~90 %까지 관입 ․차수벽 접합부에 유의
기타	․드레인 재료의 막힘에 유의	․연약지반에서 압성토 효과 기대	․지하수 흐름 차단으로 주변환경 영향 검토

 

주)자료출처: 제방침투 보강기법 분석(건교부/경기대, 2006)

 

3) 침투방지공법의 선정

가) 현장조사 및 지역주민에게 문의하여 누수 장소와 그 원인을 잘 파악하고 침투에 대한 개략적인 안정성 평가를 통해 침투방지대책이 필요하다고 판단되면 상세한 침투해석을 통해 적절한 공법을 선정한다.

나) 제체누수방지공법 중에 단면확대공법은 제내지측 확장을 원칙으로 하되, 불가피한 경우 제외지측 보강을 실시할 때는 수리학적 안정성을 유지해야 하며, 하천기본계획의 범위 내에서 한다. 또한 배수구(drian)공법은 뒷비탈기슭에 배수구를 설치하여 침윤면을 낮추어 제방의 안전성을 증대한다. 배수구(drain)은 침투수압이 흙 입자에 작용하여 세립자가 조립자 사이를 빠져나갈 때 제체내부의 침식이 발생하는 것을 방지한다.

다) 지반누수방지공법으로는 제외지측 비탈면 끝단 부근에 차수시트 또는 강널말뚝설치 등을 하거나 점토치환으로 침투길이를 연장한다. 또는 고수부지를 난투수재로 피복하여 침투길이를 연장한다.

라) 제방횡단 구조물인 배수통문은 콘크리트로 제작되어 제체 토사와 중량 및 강성 등의 차이로 다짐밀착의 어렵고, 연약지반 상에 설치될 경우 말뚝기초에 의한 통문 상단부와 주변부 사이의 상대적 침하, 단차 등으로 야기된 공동에 의해 제체누수가 발생된다. 따라서 배수통문의 유지․보수는 지반의 부등 침하, 콘크리트의 열화 및 균열, 이음새 부분의 변형, 암거 및 날개벽 접속부의 변형 등을 조사하여, 보강이 필요한 장소의 경우 적절한 대책을 강구하여야 한다.

마) 설계 시 공법선정을 위해 필요할 경우 시험시공비를 설계비에 반영하고, 차수시설이 필요하다고 선정된 구간은 추가 토질조사를 실시하여 시공시 심도 및 공법변경이 최소화 되도록 조치하여야 한다 또한 설계시 반영하지 못한 지반조사는 추가조사비와 장비선정 및 시공방법 결정을 위한 시험시공비를 공사비에 반영하여야 한다.

4.1.4 설계

가. 배수구(drian) 설계

1) 배수구 종류

가) 배수구 설치는 제체 내 수직 또는 약간 경사지게 설치하는 경사배수구, 제체와 기초지반을 따라 수평으로 설치하는 수평배수구와 수평배수구를 통해 뒷비탈기슭에 설치되는 비탈기슭배수구(toe drain)로 구성되어 있다(그림 4.1-10).

나) 경사배수구는 제체 침투수를 완전 차단하기 위해 댐에서 많이 사용하나 제방에서는 침투량이 적어 거의 사용하지 않고, 수평배수구와 비탈기슭배수구 또는 비탈기슭배수구만 설치하기도 한다. 수평배수구는 제체내 침윤선을 낮추고 기초지반 침투로 인해 발생하는 상승압력으로부터 제방을 보호하고 침투수를 제내지로 배출하는 역할을 한다.

(그림 4.1-10) <배수구의 구조>

 

(a) 전면에 설치하는 방법	(b) 여러 줄로 설치하는 방법

 

(그림 4.1-11) <비탈끝 드레인 설치 예시도>

 

2) 배수구 설계

가) 경사배수구는 제방의 길이방향으로 전면에 대해 설치한다. 배수구의 두께는 시공시의 재료분리, 배수구 내부의 공극, 시공기계 등을 고려하여 결정한다. 또한 투수구역과 불투수구역 사이에는 투수성 응력 및 변형을 완화하기 위해 연결부를 설치한다. 이를 위해 일반적으로 사력 재료나 반투수성 재료를 사용한다.

나) 수평배수구는 브랑켓과 같이 50cm 정도 두께로 전면에 설치하는 방법과 일정한 간격을 두고 줄 모양의 도랑으로 설치하는 방법이 있다.

다) 비탈기슭배수구는 비탈기슭에 사석, 굵은 자갈, 돌망태 등을 설치하고 제체의 토립자 유입을 방지하기 위해 여러 층의 필터를 조합하여 보호층을 만든다. 보호층은 부직포, 세립필터, 중립필터, 조립필터 순으로 설치한다.

3) 배수구 필터 설계

가) 배수구에 사용되는 재료(필터)는 입경별로 분류한 골재필터와 직물 등을 이용한 토목섬유 필터, 이 둘을 합한 형태인 합성필터가 있다. 골재필터는 재설치가 쉬우며, 손상시 스스로 복구되는 장점이 있으나 입경별 분류설치와 입경기준에 따라 현장설치가 어려운 단점이 있다. 토목섬유 필터는 재료를 구하기가 쉽고 경제적인 장점이 있으나 장기적으로 기능에 대한 신뢰가 골재필터보다 떨어진다.

나) 골재필터의 투수계수는 실험을 통하여 결정하되, (식 4.1-7)의 Hazen (1930)공식으로 산정하기도 한다.

 (식 4.1-7)

여기서  는 투수계수(cm/s),  는 계수(90∼120),  은 유효입경(입경누가곡선 상의 10% 입경)이다.

다) 골재필터의 안전성은 기하학적 특성에 따라 결정한다. 하천공사표준시방서(2023, 환경부)에서는 아래와 같이 골재필터 보호층의 조건을 제시하고 있다. 제방재료와 배수구 자체가 이러한 요구를 충족시킨다면 필터보호층은 부설하지 않아도 된다. (식 4.1-8)에서  조건이 만족되면 흙은 필터간격을 통해 유실되거나 필터 간극이 메워지지 않는다.  조건이 만족되면 필터의 투수계수가 흙의 투수계수보다 16~25배가 되어 물은 자유롭게 배출되고 침투압과 정수압은 발생되지 않는다.  의 조건은 필터와 보호받는 흙의 입도분포곡선이 서로 평행하여야 좋다는 것이다. 주의할 점은 시공할 때 재료분리가 일어나지 않아야 하고, 입자의 크기는 접착성이 없는 세립분인 0.075 mm(No.200체)의 함유율이 5% 미만이고 자갈보다 큰 75 mm 이상 입자를 포함하지 않아야 한다. 또한 골재필터의  는 0.1mm 이상으로 한다.

(식 4.1-8)

(식 4.1-9)

또한 필터재료와 유공관의 구멍 또는 이음매 틈의 크기는 (식 4.1-10)과 같이 한다.

 (식 4.1-10)

토목섬유필터의 안정성 기준은 기하학적 특성에 의하여 (식 4.1-11)의 조건을 만족해야 한다.

 (식 4.1-11)

여기서  는 미립토사(suspension)로 운반되는 최대미세입자로 Giroud 등(1998)은  50㎛로 추정하였다.  는 토목섬유 필터의 여과개구부 크기(mm)로서, 시험값으로 알 수 있다.

 는 필터링 할 흙입자의 직경(mm)으로 AFNOR(1993)이 제안한 (식 4.1-12)로 추정할 수 있다. 여기서 균등계수가  인 경우에  는 계수로 흙이 느슨한 상태일 경우 0.4, 조밀한 경우에는 0.6을 사용한다.  는 흙의 85% 통과입경이다.

 (식 4.1-12)

균등계수가  인 비점착성 흙인 경우에는 Girond(1988)가 제안한 (식 4.1-13)으로 추정할 수 있다.

 (식 4.1-13)

여기서  는 흙의 밀도계수로 흙이 느슨한 상태(  )일 경우는 9, 흙이 조밀한 상태(  )일 경우는 18을 사용한다.

라) 토목섬유는 시간이 지나면서 투수성이 상당히 감소하므로 투수성의 목표값은 더 높아야 한다. 또한 필터는 재료분리가 발생하지 않도록 적재, 덤핑, 다짐 시 주의하고, 특히 예상투수율이 저하되는 것을 방지하기 위해 과다짐이 되지 않아야 한다.

 

나. 제방 차수공 설계

1) 차수공의 종류

국내에서 하천제방공사에 사용되고 있는 차수공법은 널말뚝공법, 주입공법, 심층혼합처리공법, 고압분사교반공법, 지중연속공법 등이 사용되고 있으며 주요 공법을 소개하면 (표 4.1-16)와 같다.

 

< 일반적인 차수공법 비교표 >

(표 4.1-16)

 

구분	널말뚝공법	주입공법	심층혼합처리공법	고압분사교반공법	지중연속공법
공 법 개 요	널말뚝의 이음부를 물리게 하여 water jet, 진동해머 등을 이용하여 지중에 타입하여 연속벽을 형성하는 방법	지반을 천공한 후 케이싱이나 rod을 이용하여 응결재와 첨가물을 주입하여 지반을 고결하는 방법	Earth auger로 지반을 천공한 후 개량재를 주입하여 강제적으로 원래토사와 교반혼합하여 소일시멘트 연속벽체를 형성하는 방법	공기를 동반한 초고압수를 지반중에 회전분사시켜 지반을 절삭하고, 지표에 슬라임 배출과 동시에 경화재를 충진하여 원주상의 고결체를 조성하는 방법	벤토나이트 안정액으로 공벽의 안정을 유지하고 굴착후 콘크리트 연속벽체를 조성하는 방법
신 뢰 성	·벽체강성 및 내구성이 우수 ·이음부에서 누수 가능성이 있음 ·길이가 긴 널말뚝 은 이음부 이탈 가능성 있음 ·기설구조물과의 접합부 지수가 어렵다(주입공법의 병용)	·저압주입으로 주입재 침투가 용이하고, 반복주입으로 지반의 균일화 가능 ·약액주입은 알카리 용탈작용으로 영구구조물에서 신뢰도 낮음 ·토사와 시멘트의 혼합재 비중이 크므로 피압상태에서 시공가능	·벽체강성 및 내구성이 양호 ·시공심도가 깊고 1렬 시공시 말뚝연결부가 벌어질 가능성 있음 ·토사와 시멘트의 혼합재 비중이 크므로 피압상태에서 시공 가능	·벽체강성 및 내구성이 양호함 ·시공심도가 깊고 1렬 시공시 말뚝연결부가 벌어질 가능성 있음 ·피압상태하에서 경화재가 피압수와 같이 배출되어 지반이 굳어지지 않을 수 있음	·벽체강성 및 내구성 우수함 ·이음부의 차수가 취약할 수 있으나 차수성에 대한 신뢰도 가장우수
	△	△	△	○	○
환 경 성	·진동해머 사용으로 소음․진동 있음 ·물 오염 우려가 적음	·소음.진동이 적음 ·수중 시공시 지하수 유동으로 물 오염 가능성 있음	·슬라임 발생(산업 폐기물) ·수중시공시 지하수 유동으로 물 오염 가능	·슬라임이 대량으로 배출(산업폐기물) ·수중시공시 지하수 유동으로 물 오염 가능	·무소음 무진동이나 안정액 등 폐기물 발생량 많음
	○	△	△	△	△
장 비 사 용 성	·작업공간이 작아 제방 위, 고수부지에서 시공 가능 ·작업폭 5 m 이상	·작업공간이 작아 대부분 제방 위에서 시공가능 ·작업폭 3 m 이상	·넓은 작업공간이 필요하며 기존제방 절취량이 많음 ·작업폭 8~10.5 m 이상	·넓은 작업공간이 필요하며 기존제방 절취량이 많음 ·작업폭 7 m 이상	·넓은 작업공간이 필요하며 기존제방 절취량이 많음 ·작업폭 8~10.5 m 이상
	○	○	△	△	△
시 공 성	·길이가 길고 N50 이상의 모래층은 워터젯트 병용 타설로 시험시공에 의한 확인이 필요 ·자갈 및 호박돌층에서 시공이 곤란하며, T-4 등 보조장비 필요	·장비가 소형으로 좁은 공간에서 작업가능 ·플랜트 설비는 소규모 ·대부분 토질에서 시공가능하며, 자갈. 호박돌층에서 시공성 높음	·시공설비 및 플랜트 설비와 장비의 작업공간이 큼 ·자갈. 호박돌층에서 시공성 낮음	·선행굴착과 조성공이 분리작업 되므로 시공성 좋음 ·플랜트 설비는 비교적 큼 ·자갈, 호박돌 층에서 시공가능 함	·장비가 대형으로 넓은 작업공간 필요 ·어떤 지반이라도 시공가능하나 굴착시 공벽붕괴 가능성 있음 ·고도의 기술력이 요구됨
	△	○	△	○	△
시공실적	·시공실적 많음 ·N값이 높은 모래층에서 길이가 긴 널말뚝의 실적 적음	·시공실적은 많음	·실적 많음 ·30 m을 넘는 곳에서 실적은 비교적 적음	·제방차수벽으로서 국내실적은 보통	·제방차수벽으로서 국내실적은 적음
	○	○	○	△	×

 

주) 1. 신 뢰 성: 있음(○), 보통(△)

2. 환 경 성: 양호(○), 보통(△)

3. 장비사용성: 용이(○), 보통(△)

4. 시 공 성: 용이(○), 보통(△)

5. 실 적 : 많음(○), 보통(△), 적음(×)

2) 차수공법별 특성

가) 널말뚝공

(1) 널말뚝공은 공장에서 사전에 제작된 널말뚝의 이음부를 물리게 하여 진동해머, Water Jet 등을 이용하여 지중에 타입하여 연속벽(차수벽)을 형성하는 공법으로 원자재 자체가 불투수성이고 품질관리가 간단한 특성을 가지고 있어 토류벽, 차수벽 등 가시설 공법으로 많이 사용된 방법이다.

(2) 시공경험이 풍부하고 설치 후 신뢰도가 높으며 내구성이 우수하여 제체 위로 중차량으로 인한 제방보강 작업이 가능하나 시공항타 시 자갈층 및 전석층 관입이 어렵고 지하매설물 주변 시공이 불량하며 제체 균열 또는 이완이 예상될 수 있다.

(3) 널말뚝은 설치 후 여건변화로 차수벽 길이를 연장 또는 짧게 조정할 필요성이 있을 경우 타 공법에 비해 적은 경비로 시공이 가능한 장점이 있으며 완전 차수가 필요할 경우 연결부에 지수제를 도막 처리하는 방법도 국내에 개발 보급되어 있다.

 

 

(그림 4.1-12) < 널말뚝공법 시공 모습 >

 

나) 심층혼합처리공법

(1) 심층혼합처리공법은 Earth Auger로 지반을 천공한 후 개량제(시멘트, 벤토나이트 등)를 주입한 후 강제적으로 원래 토사와 교반혼합하여 지반강도와 지수성을 향상시킨 연속벽체를 형성하는 공법이다.

(2) 벽체 강성이 양호하며 소음, 진동이 적고 차수성도 우수하며 국내 시공경험도 풍부한 장점을 갖고 있으나 시공 장비가 대형이어서 넓은 작업공간이 필요하고 슬라임이 발생되어 환경적인 측면에서 불리하나 투수계수는 일반적으로 1×  ∼  ㎝/s를 얻을 수 있고 최근에 빠르게 보급된 공법이다.

(3) 심층혼합처리공법의 개량원리는 지반개량제와 물의 수화반응 및 수화에 따른 생성물과 흙과의 화학반응에 의한 경화체의 형성에 있다.

(4) 각 세분류된 공법은 SCW공법을 기본으로 하고 있어 크게 볼 때 성능이나 시공성에서 유사한 공법으로 교반장비 및 시공품질관리 장치 등을 개량하였으며 첨가물로 공법개발업체에서 개발한 고화제 또는 경화제를 사용하기도 한다.

(5) 조밀한 호박돌층에서는 3축 시공이 곤란하며, 단축으로 시공할 경우는 연결부에서 결함이 발생할 가능성이 높고 공사비 증가 및 공기 연장 등 문제점이 있다. 또한 단단한 자갈층 및 호박돌층에서는 시공능력이 급격히 떨어진다.

 

 

(그림 4.1-13) < 심층혼합처리공법 시공현황 >

 

(a) 잘 설치된 사례			(b) 잘 못 설치된 사례

 

(그림 4.1-14) < 심층혼합처리공법 설치 모습>

다) 주입공법

(1) 주입공법은 개량이 필요한 대상지반에 천공한 후 케이싱이나 Rod을 이용하여 응결재인 시멘트, 점토(bentonite), 규산소다, 첨가물을 강제로 주입시켜 지반을 고결시키는 공법으로 일반적으로 Grouting이라 부른다.

(2) 국내에서의 주입공법은 초기에 댐이나 제방의 차수 및 지반보강의 목적으로 Cement Milk Grouting을 적용하였으나 70년대 후반에 LW공법이 도입되었고 80년대 초에 SGR공법이 도입되면서 용액형 그라우팅이 처음으로 도입되었다. 이후 SGR공법은 현탁액뿐만 아니라 종래의 시멘트를 Micro시멘트화하여 침투효과를 증대시킬 수 있는 계기를 만들었다.

(3) 주입제의 종류에 따라 약액과 비약액으로 구분되며 차수와 지반강화를 위해 주로 사용되고 있으며 투수계수는 일반적으로 1×  ㎝/s 이하를 얻을 수 있다.

(4) 주입공법은 다음과 같이 구분된다.

- 주입형태: 충전, 맥상, 경계, 침투주입

- 주입관 설치방법: Rod 주입, Strainer 주입, 이중관 Double Packer 주입, 이중관 Rod 주입, 이중관 복합주입

- 혼합방식: 1 Shot, 1.5 Shot, 2 Shot

- 주입원리: 주입제인 현탁액과 약액을 침투만으로 흙의 간극을 채워 고결되면서 지반의 특성을 개선하는 침투주입법, 슬럼프가 대단히 적은 시멘트풀, 몰탈을 주입압에 의하여 변위를 유발하면서 지반의 체적압축 효과와 주입고결 효과를 기대하는 변위주입, 석회슬러리 또는 시멘트에 화학약품을 첨가하여 공극이 큰 지반에서 주입제가 느슨한 지반을 둘러 쌓도록 주입하는 캡슐 주입으로 구분

- 주입형식: 상향식, 하향식, 상․하향절충식

(5) 주입공은 그라우트 주입유효범위가 서로 겹치도록 배치해야 한다. 차수벽으로의 주입의 경우 복렬주입을 기본으로 한다.

 

단열주입
복렬주입	정사각형
	정삼각형

 

(그림 4.1-15) < 주입공 배치 방법>

 

(6) 주입공법은 장비가 소규모로 취급이 간편할 뿐만 아니라 제체 손상 없이 시공이 가능하고, 조밀한 사력층에서도 시공이 가능하며, 특히 구조물(배수문) 주변 보강에 우수한 특성을 갖고 있으나, 국내에서 Gel Time 조절용 혼화제로 용탈에 대한 내구성에 의문이 완전 해소되지 않고 있으며, 구근이 형성되지 않음으로서 시공 후 결과물 확인이 어려워 신뢰도가 낮다.

 

 

(그림 4.1-16) < 주입공법 시공모습 >

라) 고압분사 교반공법

(1) 고압분사 교반공법은 심층 지반을 개량하는 것으로서 지반 중에 주입관을 관입하여 수평방향으로 200㎏f/㎠ 이상 고압으로 경화제(cement paste)와 Air Jet를 분사하여 주입관을 회전 인발시킴에 따라 파괴된 토립자와 경화제를 혼합 교반하여 원주상 고결체를 형성하는 공법으로 국제적으로 Jet – Grouting 공법으로 칭하고 있다.

(2) 1965년경 일본에서 CCP(chemical churing pile)공법으로 실용화하고, 여기서 Air Jet를 병행시켜 개발한 것이 JSP(jumbo special pattern)공법이고 400∼700㎏f/㎠ 정도의 초고압으로 직경(D=2∼3m)의 고결체를 조성할 수 있게 개발한 것이 RJP(rodin jet pile)공법이다.

(3) 고압분사교반공법은 시공경험이 풍부하고 내구성이 강한 고결체를 형성함으로써 신뢰성이 높은 차수벽을 만들 수 있으나 장비가 대형이고 지하수 유동이 큰 자갈 전석층에서 적용성이 낮으며 장비가 크고 공사비가 다소 고가이다. 또한 슬라임(slime) 발생이 많아 환경적인 측면에서 불리하다.

마) 지중연속공법

(1) 지중연속공법은 벤토나이트의 안정액으로 공벽의 안정을 유지하고 굴착 후 콘크리트로 벽체를 조성하는 공법으로 1950년경 유럽에서 개발 및 실용화되었으며 유럽에서는 Concrete diaphram wall 또는 Slurry wall이라 하며 우리나라에서는 지중연속공법 또는 지하연속공법이라 한다.

(2) 건축구조물의 지하실, 차수벽, 방호벽, 호안, 흙막이벽 등 다양하게 이용되고 있으며, 굴착방식으로는 버킷식, 회전식, 충격식이 있고, 형태로는 벽식, 주열식, 조합식이 있다.

(3) 무소음 무진동으로 벽체 강성이 커서 본체의 벽체나 기초구조로 사용 가능하며, 차수성이 우수하고 어떠한 지반이라도 시공이 가능하며 주변구조물에 미치는 영향이 적은 장점을 갖고 있으나, 공사비가 고가이고 굴착시 공벽의 붕괴 가능성과 굴착토사 및 안정액 등 폐기물 발생이 많고 고도의 기술과 경험이 필요하며 이음부가 차수의 취약점이 될 수도 있는 단점을 갖고 있다.

3) 차수공 형식 결정

가) 차수공을 설계할 때는 구조물의 중요도와 기초지반의 토질조건을 충분히 고려하여 공법을 결정해야 한다.

나) 기초지반이 점성토나 사질토층일 경우는 대부분의 차수공법이 시공 가능하나 사력층, 호박돌이 섞인 토층, 전석층에서는 시공성이 낮거나 불가능할 경우가 있으므로 신중하게 검토한다.

다) 차수공법 선정은 경제성, 시공성, 환경성, 제방손상 등 제반조건을 고려하여야 한다. 일반적으로 차수성은 비교적 모든 공법이 투수계수 1×  ㎝/s 이하 정도로 만족하고 있으며, 내구성은 쉬트파일공법, 지중연속공법, 고압분사교반공법, 심층혼합처리공법, 주입공법 순으로 우수하다. 시공성은 사력 및 호박돌층에서 볼 때 주입공법, 고압분사교반공법, 지중연속공법, 심층혼합처리공법, 쉬트파일공법 순으로 볼 수 있으며, 경제성은 심층혼합처리공법과 주입공법 및 쉬트파일공법이 비슷하고 고압분사교반공법, 지중연속공법 순이다. 환경성은 쉬트파일공법, 주입공법, 지중연속공법, 심층혼합처리공법, 고압분사교반공법 순으로 볼 수 있다.

라) 차수공법 선정은 제반여건을 종합적으로 고려하여 최적 공법을 선정하여야 하며, 설계시 종합적인 검토를 실시하여 소정의 목적을 만족하는 공법을 선정하되, 세분류의 공법선정은 각각의 현장특성과 조건이 다르고 공법별 고유특성 차이로 일반화되어 있지 않으므로 설계단계에서는 잠정공법을 적용한다. 세부 분류에 따른 공법선정은 시공회사가 제반현장 여건과 공법개발 회사의 능력 등을 종합적으로 고려하고 공사 시방서에서 제시하는 조건을 수용하는 범위 내에서 최적공법을 선정하여, 감독관의 승인을 득한 후 시행하는 것으로 한다.

4) 차수공 설치위치 및 설치길이

가) 제방의 횡단면상에서 차수벽을 설치할 위치는 (그림 4.1-17)에서 ①앞비탈기슭, ②둑마루부근, ③뒷턱 부근 등으로 생각할 수 있다. 3가지 설치위치 중 둑마루부에 설치하는 것이 제체 내 누수 및 기초지반을 통한 파이핑을 방지할 수 있고 비탈면의 안전성을 크게 향상하므로 바람직한 방법이다.

 

 

(그림 4.1-17) <차수벽 설치방법>

나) 차수공 길이는 제내지의 용수 취수에 대해서도 검토하여 지하수 취수가 가능하도록 하여야 한다.

다) 차수벽의 상단높이는 계획홍수위 이상으로 설치한다. 차수벽 상단높이를 (그림 4.1-17)의 ③과 같이 침윤선 상단에 맞추어 설치한 차수벽은 홍수가 장시간 계속되었을 때 침투압이 상승하여 침투수가 차수벽 상단을 월류하여 제체누수를 발생시킨 사례가 있었다.

라) 차수공은 파이핑에 대하여 안전율을 확보할 수 있는 깊이까지 설치한다. 일반적으로 수직차수벽은 침투 가능한 층의 85~90%를 통과해야 상승압력과 파괴흐름을 감소시킬 수 있다(CIRIA 2013). 또한 차수벽을 불투수층까지 설치하면 지하수의 흐름을 차단하여 관정에 의한 하천수의 취수와 제내지의 원활한 지하배수 등 기존의 지하수 흐름특성에 대한 악영향을 줄 수 있다. 차수벽 설치만으로 제방의 침투에 대한 안전율 확보가 어려운 경우는 침윤선을 연장하는 방법(단면확장, 압성토) 등을 함께 강구 한다.

마) 동일한 제방에서 다른 차수공법이 적용될 경우는 연결부에서 누수가 발생되지 않도록 3.0m 이상 중복되게 겹쳐 시공하여야 한다.

다. 하천제방 횡단구조물의 차수벽

1) 통문의 차수공 설치기준

가) 통문과 통관에서 제방과 구조물의 접촉부는 침투수에 의해 파이핑이 생기는 것을 막기 위해 차수시설을 설치한다.

나) 제내지 지반이 제외측 계획홍수위보다 높은 굴입하도, 불투성 지반 위에 콘크리트로 설치한 제방 등 침투 우려가 없다고 확인된 경우를 제외한 모든 제방의 횡단구조물은 중앙차수벽을 설치하여야 한다.

다) 암거의 본체와 일체의 콘크리트 벽으로 1m 이상의 폭과 35cm 이상의 두께를 가진 차수벽을 설치해야 하며 제방단면이 크고 암거의 길이가 긴 경우에는 차수벽을 2개 이상 설치한다. 다만, 콘크리트 벽의 시공이 어려울 경우 동등이상의 차수효과를 가지는 대체공법을 적용할 수 있다

라) 개소당 길이는 설치간격의 1/2 이하로 하여야 한다. 경사지게 설치할 경우는 45°이하로 설치하여야 한다.

마) 기초지반이 양호하고 차수공의 길이가 작을 경우는 터파기하여 콘크리트벽으로 설치가 가능하나 터파기로 인한 기초지반의 교란은 본체의 안전을 해칠 수 있다. 따라서 2m가 넘을 경우는 강널말뚝이 유리하다.

 

(a) 연직방향 침투로 길이     (b) 수평방향 침투로 길이

 

(그림 4.1-18) <배수통문의 침투경로 길이>

2) 신설 구조물 차수벽

가) 중앙 차수공

(1) 중앙차수벽은 강널말뚝(Steel Sheet Pile)을 원칙으로 하되 현지 여건을 감안하여 공법을 조정할 수 있다.

(2) 차수벽 설치폭은 구조물 설치폭에 외벽에서 좌․우측으로 각각 15m 이상 또는 터파기폭에 좌․우측 여유폭 각각 5m을 합한 길이 중 큰 값으로 한다.

(3) 차수벽 상단은 계획홍수위 이상으로 설치한다.

(4) 구조물 중앙차수벽 설치깊이는 제방에서 차수공을 설치할 때 필요한 깊이보다 짧게 설치하여서는 안 된다. 또 제체에 차수공을 설치하지 않을 경우도 침투류 계산을 실시하여 차수벽 소요깊이를 산정하여 설치한다. 불투수층 또는 기반암이 나타날 경우는 조정하여 설치할 수 있다.

(5) 널말뚝과 구조물 외벽의 연결부는 (그림 4.1-19)과 같이 콘크리트를 타설하여 누수를 방지하여야 하며, 연결 콘크리트를 설치하지 않을 경우에는 기존 구조물 보강방법과 같이 주입공법(Grout)으로 연장 3m 이상 2렬 보강하고, 벽체를 따라 강널말뚝 중심에서 양측으로 각 3m 이상씩 보강 설치하는 것으로 한다.

 

 

평 면 도	단 면 도

 

(그림 4.1-19) < Sheet pile 차수벽 설치 접합부 상세도-1 >

 

 

 

(그림 4.1-20) < Sheet pile 차수벽 설치 접합부 상세도-2 >

 

 

(그림 4.1-21) < Sheet pile 차수벽 설치 단면도 >

 

 

 

(그림 4.1-22) < 신설 구조물 차수 보강 평면도 >

나) 유출부 차수공

(1) 유출부 차수벽은 강널말뚝을 원칙으로 하되 현지 여건을 감안하여 공법을 조정할 수 있다.

(2) 차수벽 설치폭은 구조물 설치폭에 권양대 외벽에서 좌․우측으로 5m 이상, 설치심도는 소요깊이까지 설치하되 불투수층 또는 기반암이 분포할 경우는 현장 여건을 감안하여 조정한다.

3) 기존 구조물 차수공

가) 제방과 구조물에 차수시설을 함께 설치하는 경우

(1) 제방 차수벽(Sheet Pile, 심층혼합처리공법, 주입공법 등)은 구조물에서 약 1m 떨어진 지점까지 설치한다.

(2) 차수벽 상단은 계획홍수위 이상으로 설치하고, 차수벽 설치깊이는 제방에서 차수공을 설치할 때 필요한 깊이보다 짧게 설치하여서는 안 된다. 불투수층 또는 기반암이 나타날 경우는 조정하여 설치할 수 있다.

(3) 제방 차수벽을 설치 후 구조물 외벽에서 주입공법(Grout)으로 연장 3m 이상 2렬 보강하고, 벽체를 따라 차수벽 중심에서 양측으로 각 3m 이상씩 보강 설치하는 것으로 한다.

 

 

(그림 4.1-23) < 제방과 구조물에 차수시설을 함께 설치하는 경우 >

 

나) 제방에는 차수시설이 없으나 구조물에는 차수가 필요한 경우

(1) 차수벽 설치폭은 구조물 설치폭에 외벽에서 좌․우측으로 15m 이상 설치해야 한다.

(2) 2가지 이상 차수공법을 적용할 경우 제방측 차수벽을 구조물에서 약 1m 떨어진 지점까지 먼저 설치 후 구조물 외벽에서 주입공법(Grout)으로 연장 3m 이상 2렬 보강하고, 벽체를 따라 차수벽 중심에서 양측으로 각 3m 이상씩 보강 설치할 수도 있다.

(3) 차수벽 상단은 계획홍수위 이상으로 설치하고, 차수벽 설치깊이는 침투류 계산을 실시하여 차수벽 소요깊이를 산정하여 설치한다. 불투수층 또는 기반암이 나타날 경우는 조정하여 설치할 수 있다.

(4) 배수구조물의 하부는 철근이 손상되지 않도록 주의하여 천공한 후 주입공법 또는 고압분사교반공법으로 설치한다.

 

 

(그림 4.1-24) < 제방에는 차수시설이 없으나 구조물에는 차수가 필요한 경우 >

라. 하천횡단시설의 차수시설

1) 하상유지시설

가) 하상유지시설에는 상하류 수위차에 의해 발생하는 양압력과 파이핑 작용을 감소시키기 위해 차수시설을 설치한다. 단, 기초지반이 견고하거나, 상하류 수두차가 작아 파이핑이 발생되지 않는다고 판단될 경우는 차수시설을 설치하지 않을 수 있다.

나) 고수부지와 하안부의 지질상황에 따라서 하상유지시설의 고수부지와 하안부(측면부)에도 물이 침투하는 경우가 있다. 따라서 하상유지시설 주변의 고수부지와 양안하안부의 지질상태를 조사하여 파이핑의 가능성이 있을 때는 이것을 방지하기 위하여 하안부에도 차수벽을 설치하여야 한다.

 

차수벽의 깊이

차수벽의 배치

 

(그림 4.1-25) < 하상유지시설에서의 차수공 >

2) 보 및 수문의 차수시설

가) 보 및 수문을 투수성 지반에 설치할 때는 파이핑 현상이 일어나지 않도록 충분한 침투 길이를 확보해야 하고 투수량이 많을 때는 이를 방지할 수 있도록 차수시설을 설치한다. 또한 양안 측벽이 접한 제방을 통해 침투가 일어날 수 있으므로 양쪽 측벽에도 차수시설을 설치하여야 한다.

나) 차수시설은 원칙적으로 콘크리트벽, 강널말뚝, 케이슨 등을 사용하여 상하류의 수위차에 의해 생기는 침투수의 동수경사를 감소시켜 토사의 유동과 흡출을 방지하는 구조로 설계해야 한다.

다) 보 및 수문의 차수벽은 그림과 같이 각각 배치하며 그 재료는 경제성, 시공성, 내구성 등을 고려하여 선택하며 그 깊이, 길이, 설치위치는 파이핑 현상이 일어나지 않도록 검토하여 설치한다.

라) 개소당 길이는 설치간격의 1/2 이하로 하여야 한다. 경사지게 설치할 경우에는 45°이하로 설치하여야 한다.

마) 기초지반이 양호하고 차수공의 길이가 짧은 경우는 터파기하여 콘크리트벽으로 설치가 가능하나 터파기로 인한 기초지반의 교란은 본체의 안전을 해칠 수 있다. 따라서 2m가 넘을 경우는 강널말뚝이 유리하다.

 

 

 

(그림 4.1-26) < 보 및 수문에서의 차수공 >

마. 가동강널말뚝 설치

1) 연약지반 등에 설치되는 구조물에 연결하여 차수용 강널말뚝을 설치할 경우는 부등침하나 배면토압 등에 의해 변위가 생길 수 있다. 이 변위가 구조물에 손상을 주지 않도록 구조물과 차수강널말뚝의 접촉부근에 변위를 흡수하기 위한 가동강널말뚝을 적용하는 경우도 있다.

2) 가동강널말뚝은 흡수할 수 있는 변위량의 크기에 따라 선정하여야 하며 강관형식은 고무 형식보다 흡수변위량이 큰 곳에 사용한다.

 

 

 

(그림 4.1-27) < 가동강널말뚝 설치도 >

 

 

4.2 수량 산출 요령

4.2.1 수량 산출 내역

 

번 호	공 정	규 격	단 위	수 량	비 고
4	차수시설
4.1	SHEET-PILE 공법
4.1.1	Sheet-pile 자재		ton
4.1.2	Sheet-pile 항타(일반)		본
4.1.3	Sheet-pile 항타(WJ병용)		본
4.1.4	Guide Beam 제작		회
4.1.5	Guide Beam 이동 설치		회
4.1.6	전도방지공		개소
4.1.7	H-pile 항타 및 인발		본
4.1.8	시험시공		회
4.1.9	시험시공 확인		회
4.2	심층혼합처리공법
4.2.1	사용재료 - 시멘트		ton
	사용재료 - 벤토나이트		㎏
4.2.2	심층혼합 천공 및 주입		㎡
4.2.3	플랜트 조립 및 해체		회
4.2.4	파일드라이버 조립 및 해체		회
4.2.5	시험시공		m
4.2.6	시험시공 시험		회
4.2.7	검사보링		m
4.2.8	검사시험		회
4.2.9	이토(Slime) 처리		㎥
4.3	주입공법
4.3.1	현탄액형 주입		㎥
4.3.2	시멘트		㎏
	규산		ℓ
	급결제		㎏
	중결제/완결제		㎏
	벤토나이트		㎏
4.3.3	천공		m
4.3.4	기계기구 설치 및 해체		회
4.3.5	플랜트 설치 및 해체		회
4.3.6	시험시공		m
4.3.7	시험시공 확인		회
4.3.8	검사보링		m
4.3.9	검사시험		회
4.4	고압분사 공법
4.4.1	천공		m
4.4.2	천공 및 분사		m
4.4.3	시멘트		㎏
4.4.4	기계기구 설치 및 해체		회
4.4.5	플랜트 설치 및 해체		회
4.4.6	시험시공		m
4.4.7	시험시공 확인		회
4.4.8	검사보링		m
4.4.9	검사시험		회
4.4.10	이토(Slime)처리		㎥

 

4.2.2 STEEL SHEET-PILE 공법

가. Sheet-pile 사용재료

1) 설계시 검토한 규격의 자재를 사용하는 것으로 한다.

2) 통상적으로 토질 조건, 지층의 두께, 현장 상황, 차수벽 심도 등에 따라 다르나 널말뚝의 사용 규격을 (표 4.2-1)기준과 같이 적용함을 원칙으로 한다.

3) Sheet pile의 설치에 필요한 자재의 7% 할증을 고려하여 자재비 및 운반비를 중량(ton)으로 산출한다.

- Sheet pile의 사용 중량 = m당 단위중량 × 설치 깊이 × 본당 폭 × 설치 본수 × 1.07 = ( ) ton

< 현장 조건별 Sheet pile 표준 규격 >

(표 4.2-1) (단위:㎜)

 

현장 여건	Z형 강널말뚝 (KS D 3858)	U형 강널말뚝 (KS F4604)	비 고
N치 20 미만 차수벽 깊이 10m 이하	635×358×8 635×358.5×8.5	600×130×10.3 400×100×10.5	연약층
20≤N≤50 차수벽 깊이 10m~20m	635×359×9 635×359.5×9.5	600×180×13.4 400×150×13	일반층
N치 50 이상 차수벽 깊이 20m 이상	635×360×10 635×360.5×10.5	400×170×15.5	경질층

 

 

 

(그림 4.2-1) < 치수표 >

 

나. Sheet pile 항타방법

1) Sheet pile 항타방법은 진동해머에 의한 일반항타, Water-jet 병용 항타 및 천공+항타가 있으며, N>50이고 자갈․호박돌 최대 입경이 10㎝ 이상인 지반에서는 시공방법 결정시 시험 시공을 실시하거나 시공사례를 통해 주의하여 선정하여야 한다.

2) 토질조건별 표준 시공방법은 (표 4.2-2)과 같고 시험 시공 결과가 차이가 있는 경우는 변경 적용할 수 있다.

< 토질조건별 표준 시공방법 >

(표 4.2-2)

 

토 질 조 건		시 공 방 법	비 고
점토층, 사질층, 사력층	N<50	․디젤 및 진동햄머에 의한 일반항타
사력층, 호박돌층, 전석층	N>50 최대입경(φ)<10㎝	․Water jet 병용 항타 ․Auger 천공+일반항타
	N>50 최대입경(φ)<25㎝	․Water jet 병용 항타 ․천공+일반항타
	N>50 최대입경(φ)>25㎝	․천공+일반항타

 

주) 천공기는 T4, Barber Drill, P.R.D+Auger 등이 있다.

 

3) Water Jet 병용 항타시 지반조건에 따라 Water jet 펌프는 131PS(토출유량 325ℓ/분, 토출압력 150kgf/㎠)의 펌프를 1대 이상 조합하여 사용하며, 장비조합은 다음 (표 4.2-3)을 기본으로 한다.

< 워터제트 펌프 선정 기준 >

(표 4.2-3)

 

토질별	규 격	대 상 토 질	비 고
점성토	131PS ×1대	30<평균N≤40, 40<  ≤70
	131PS ×2대	40<평균N≤50, 50<  ≤100
사질토	131PS ×1대	30<평균N≤40, 50<  ≤100
역질토	131PS ×2대	40<평균N≤50, 100<  ≤300
전석 및 혼합	131PS ×2대	≤100,  ≤100
자갈층	131PS ×3대	100<  ≤150, 100<  ≤300
	131PS ×4대	150<  ≤200, 300<  ≤500
풍화암층	131PS ×1대	≤150
	131PS ×2대	150<  ≤300	=50kgf/㎠ 이하
	131PS ×3대	300<  ≤750	지층대상

 

주) 위 표에서 대형워터제트를 사용할 경우 장비조합은 131PS×2대 = 250PS, 131PS×3대 = 300PS, 131PS×4대 = 444PS를 적용할 수 있다.

 

다. Sheet pile 항타 : 본

Sheet-Pile 시공 방법별로 구분하여 산정한다.

- 설치 본 수 = 설치연장 ÷ 본당 폭 = ( ) 본

라. Guide Beam 제작 : 회

1) 가이드 Beam의 제작은 길이를 10m로 하고, 1회 설치로 9m 항타하는 것을 기본으로 하며, 1회 제작 후 100회 사용을 표준으로 한다.

2) 필요시 Spacer를 사용하여 설계하여야 한다.

- Guide Beam 제작 = 설치 연장 ÷ 900m = ( )회

 

 

(그림 4.2-2) < 가이드빔 표준도 >

 

< 가이드 빔 1조(10m)당 수량 >

(표 4.2-4)

 

구 분	규 격	수 량	단위중량 (kg/m)	총중량 (ton)
가이드 빔	H 250×250×9×14	10m×2개=20m
가이드 파일	H 250×250×9×14	5m×4개=20m
간 격 재	H 250×250×9×14	0.4m×2개=0.8m 1.0m×2개=2.0m
계		42.8m	72.4	3.099

 

마. Guide Beam 이동 설치 : 회

1) 가이드빔의 1회 제작 연장은 10m이고, 설치 후 1회 9m씩 이동하여 사용한다.

2) 가이드빔의 설치를 위한 터파기는 깊이는 현지반고 - (차수공 상단고 - 1.0m), 저폭 1.0m, 사면경사 1:1을 표준으로 한다.

3) 1회 이동거리는 9m로 하여 전체 설치 연장에서 9m를 나누어 횟수를 산정

- 가이드 빔 이동 설치 횟수 = Sheet pile 설치 연장 ÷ 9m = ( ) 회

- H-pile 항타 및 인발 : 본

․ 가이드빔 이동 설치 횟수 × 2회 + 2회(시점부 설치) = ( ) 본

바. 시험시공

< 시험시공 일반사항 >

(표 4.2-5)

 

구 분	단위	기 준	시 기	비 고
시 험 시 공	m	․설치연장 500m마다 1회, 제방당 1회 이상	시공 전
시 험 시 공 확 인	회	․보링(설치깊이) ․일축압축시험(토층별) ․투수시험(토층별)	〃
검 사 시 험	회	․설치연장 100m마다 1회, 제방당 1회 이상 ․․시공품질 검사	시공 중

 

4.2.3 심층혼합 처리공법

가. 사용재료

1) 심층혼합 처리공법 설계시 토질별 배합비 및 압축강도는 (표 4.2-6)를 표준으로 산출하며, 세분류된 공법에 따라 공장 배합된 고화제를 사용할 경우 그 고화제량은 (표 4.2-6)에서 시멘트에 벤토나이트를 합한 것으로 한다.

2) 시험 시공 결과 배합비가 다를 경우는 변경하여 산출한다.

< 토질별 표준배합비 및 압축강도 >

(표 4.2-6) (㎥당)

 

토 질	배 합			압축강도 (MPa)	비 고
	시멘트(kg)	벤토나이트(kg)	물(ℓ)
점 성 토	400	10	550	0.1 ∼ 2
사 질 토	350	20	550	2 ∼ 8
사 력 토	350	20	550	6 ∼ 12

 

주) 자료출처 : 건설공사 표준품셈

 

나. 심층혼합 천공 및 주입 : ㎡

 

 

※ ①~③은 3축 시공순서임.

(그림 4.2-3) < 시공방법 >

 

1) 차수벽 두께(구경)는 Φ550㎜이며 3축 시공을 기본으로 한다.

2) 구간별로 설치 연장과 심도를 곱하여 산출한 후 전체 물량을 산출한다.

3) 시공구간의 전체 평균 심도와 토질별 평균 분포를 고려하여 수량을 산출한다.

4) 3축의 경우 시공순서에서 ①, ②번째 시공 후 ③번째 시공의 경우 ①, ②번째의 각 1개 공이 중복 시공되므로 자재는 3공(1,350㎜)에 대해 수량을 산출하고, 1회 시공 유효연장은 2공(900㎜)으로 계상하여야 한다.

5) 3축 시공시 1공씩 중복시키지 않고 연속벽을 형성하기도 하나, 이 경우 공간 접속불량의 우려가 있으므로 사용하지 않는 것으로 한다.

6) 본당 단면적

 

 

∙ 1공 단면적 :
∙ 1공 중복 단면적(빗금친 부분) :
∙ 1공당 단면적 :
∙ 3축 1본당(유효 폭 = 0.9m) 단면적 :

 

7) 자재 산출 예)

- 조건 : 점토층 10%, 사질토 70%, 사력토 20%인 제방에 차수를 할 경우

∙ 3축 단위면적(0.648㎡) ÷ 3축 주입 유효폭(0.90m) = 0.5832㎥/㎡

∙ 점성토

시 멘 트 SA = 400㎏ × 0.5832㎥/㎡ = 233.28㎏/㎡

벤토나이트 SB = 10㎏ × 0.5832㎥/㎡ = 5.83㎏/㎡

∙ 사질토, 사력토

시 멘 트 SA = 350㎏ × 0.5832㎥/㎡ = 204.12㎏/㎡

벤토나이트 SB = 20㎏ × 0.5832㎥/㎡ = 11.66㎏/㎡

∙ 시멘트 총량 = 233.28㎏ × 0.1 + 204.12㎏ × 0.9 = 207.04㎏/㎡ = 0.207/㎡

∙ 벤토나이트 총량 = 5.83㎏ × 0.1 + 11.66㎏ × 0.9 = 11.08㎏/㎡

∙ (벌크)시멘트 구입 및 운반 : 2% 할증

∙ 벤토나이트 구입 및 운반 : 2% 할증

다. 장비 설치 및 운반, 시험시공 및 검사

< 시기 및 기준 >

(표 4.2-7)

 

구 분	단위	기 준	시 기	비고
플 랜 트 조립및해체	회	․설치연장 100m마다 1회	공사 중
파일드라이버 조립 및 해체	회	․제방마다 1회	〃
장 비 운 반	회	․사업지구별 1회	〃
시 험 시 공	회	․설치연장 500m마다 1회 이상, 제방당 1회 이상	시공 전
시 험 시 공 확 인	회	․보링(설치깊이) ․일축압축시험(토층별) ․투수시험(토층별)	〃
검 사 보 링	m	․설치연장 100m마다 1회 ․시추기(NX) ․토질상태 : 연암	시공 30일후 준공전	품질 확인
검 사 시 험	회	․검사 보링 공수에 대한 토층별 산출 ․일축압축시험 ․투수시험	〃	〃

 

라. 이토(Slime) 처리

1) 이토(Slime)를 폐기물 관리법 등의 규정에 따라 처리하기 위하여 추가로 소요되는 비용과 운반비는 별도 계상한다.

2) 이토는 액성상태로 발생하므로 현장내에서 건조처리하여 성토재와 함께 사용할 수도 있다.

 

< 개량 체적(㎥)당 Cement paste 소요 체적 >

(표 4.2-8)

 

토 질	시멘트(㎏)	물(㎥)	시멘트체적(㎥)	시멘트 paste 체적(㎥)
점 성 토	400	0.55	400/3,150=0.127	0.55+0.127=0.677
사질․사력토	350	0.55	350/3,150=0.111	0.55+0.111=0.661

 

주) 시멘트 단위중량 = 3,150㎏/㎥

 

3) 이토 수량 산출

- 발생이토는 액성상태로 발생되므로 물을 배수시켜 고체상태로 만든 후 사토 처리한다.

- 토질별 이토발생량은 치환대상 토량에 대해 실트 및 점성토에서는 주입된 시멘트 paste의 50%, 사질․호박돌․풍화암층은 35%가 발생하는 것으로 본다.

< 개량 체적(㎥)당 이토 발생량 >

(표 4.2-9)

 

구 분	이 토 량(㎥)	사 토 량(㎥)
점 성 토	0.677×0.5832 = 0.395	0.50×0.5832 = 0.292
사질, 사력토, 호박돌, 풍화암	0.661×0.5832 = 0.385	0.35×0.5832 = 0.204

 

주) 3축 단위면적(0.648㎡) ÷ 3축 주입 유효폭(0.9m) = 0.5832㎥/㎡

 

4) 이토는 사용장비의 구성상 잔토처리(이토처리 및 사토처리)가 포함되어 있기 때문에 이토처리비는 계산하지 않고 사토처리비만 계산한다.

 

4.2.4 주입 공법

가. 주입률

주입공법에서 개량 범위를 결정하기 위해서는 굴착 깊이와 규모, 시공 방법, 지반조건, 인접 구조물과의 관계, 주입제의 침투범위 및 강도 등을 참고로 하지만 각 경우마다 조건이 상이하여 획일화된 방법은 없다. 또한 주입대상 지반의 불균일성, 주입 후 지반의 공학적 특성과 시공정도, 개량효과의 불확실성 등의 이유로 인해 정량적인 계산에 의한 방법보다는 과거의 실적과 경험에 의존하고 있다.

1) 주입공의 배치

일반적으로 차수목적에서 주입공의 배치는 주입유효경의 일부가 중첩되도록 계획하여야 하며 주입공의 유효경이 1.0m인 경우 0.8m 간격으로 배치하여 0.2m씩 중복되게 한다.

 

2) 주입량 산정

약액주입공법에서 주입량는 다음과 같이 산정한다.

여기서, Q : 개량체의 총주입량(㎥) V : 대상체적(㎥)

β : 손실계수(5∼10%)

λ = n × α (%)

λ : 주입률(%), n : 지반의 간극률(%), α: 충진율(%)

< 토질별 주입률 >

(표 4.2-10)

 

토질		N치	투수계수 (㎝/s)	간극률 (%)	충진율 α(1+β)(%)			주입률 nα(1+β)
					주입제 종별	주입목적별		주입제 종별	주입목적별
						강화	지수		강화	지수
사 력 층	느슨	4∼10		45∼35	현탁액계	95	100	현탁액계	43∼48	40∼50
					용 액 계	-	100	용 액 계	-
	중간	10∼30		35∼40	현탁액계	95	-	현탁액계	33.3∼38.0	-
					용 액 계	90	100	용 액 계	31.5∼36.0	35∼40
	조밀	30∼50		30∼35	현탁액계	90	-	현탁액계	27.0∼31.5	-
					용 액 계	90	95	용 액 계	27.0∼31.5	28.5∼33.3
사 질 토	느슨	4∼10		45∼50	용 액 계	90∼95		용 액 계	40.5∼47.5
	중간	10∼30		35∼45	용 액 계	90∼92		용 액 계	35.0∼45.4
	조밀	30∼50		35∼40	용 액 계	80∼85		용 액 계	28.0∼34.0
점성토	느슨	0∼4		60∼75	현탁액계	40	-	현탁액계	24∼30	-
					용 액 계	45	-	용 액 계	27∼34	-
	중간	4∼8		50∼60	현탁액계	30	-	현탁액계	15∼18	-
					용 액 계	30	-	용 액 계	15∼18	-
부식토		0∼5		70∼90	현탁액계	60		현탁액계	42∼54
					용 액 계	-	100	용 액 계	-	70∼90

 

 

< 토질에 의한 주입제의 충진율․주입률의 참고치 >

(표 4.2-11)

 

토 질	조 건	N치	간극률(n)	충진율(a)	주입률(λ)	비 고
점 성 토	느 슨 함	0~4	60~75	30~40	19~30
	중 간	4~8	50~60	25~30	13~20
사 질 토	느 슨 함	4~10	45~50	75~90	35~50
	중 간	10~30	40~45	65~75	27~35
사 력 토	조 밀	30 이상	35~40	60~70	22~30
	느 슨 함	4~10	45~50	90~100	42~53
풍 화 토	중 간	10~30	35~40	90~100	33~42
	조 밀	30 이상	30~35	90~95	28~35
풍 화 암	중 간	10~30	40~50	60~70	25~37
	조 밀	30 이상	30~40	60~70	20~30
연․경암		50 이상	20	60~90	13~19
		50 이상	15	80~100	13~16

 

나. 표준배합비 및 단위수량 산출 : ㎥

1) 주입자재는 (표 4.2-12), (표 4.2-13)의 배합범위와 같이 여러가지 세분류에 따른 공법별로 차이는 있다. 설계시 자재는 각각 표준배합비에 따라 산출하고, 시험시공 결과가 있을 경우는 수정하여 산출할 수 있다.

2) 시멘트구입 및 운반 : ㎏(자재 할증 3%)

3) 규산나트륨 주입 : ℓ(자재 할증 2%)

4) 급결제 주입 : ㎏(자재 할증 2%)

5) 중(완)결제 주입 : ㎏(자재 할증 2%)

6) 벤토나이트 주입 : ㎏(자재 할증 2%)

 

< 약액주입 자재의 일반적 표준배합비 >

(표 4.2-12) (㎥당)

 

주 입 재 료	단 위	표준배합비	배합범위	비 고
시멘트	㎏	300	200∼335
규산나트륨	ℓ	250	167∼250
급결제	㎏	62.5	25∼62.5
중(완)결제	㎏	60.0	8.33∼60.0
벤토나이트	㎏	-	0∼20
물	㎏	1,090	500∼800

 

< 비약액주입 자재의 일반적 표준배합비 >

(표 4.2-13) (㎥당)

 

주 입 재 료	단 위	표준배합비	비 고
급결 주재료	㎏	50
초미립자 시멘트	㎏	275
유동화제	㎏	2.6
물	ℓ	890

 

 

7) 수량산출시 위의 개량 면적은 공과 공사이 중복된 부분은 공제하고 산출한다.

8) 천공 수량이 산출되면 각 토층에 맞는 평균 N치, 추정 간극률, 추정 충진율 등에 따라 주입률의 범위를 정한다. 여기에 맞게 설치면적에 주입률을 산정하는데 손실률(β)은 10%를 고려하여 산출한다.

 

∙ 1공 단면적 :
∙ 1공 중복 단면적(빗금친 부분) :
∙ 1공당 단면적 :

 

 

- 1.0m/공의 중복되는 부분 제외한 단면적(0.703㎡)에 소요되는 주입량 산정

∙ 0.703㎡ × 점토층 심도(m) × 점토층 주입률 × 1.1(손실률) = ( ) ㎥

∙ 0.703㎡ × 사질층 심도(m) × 사질토 주입률 × 1.1(손실률) = ( ) ㎥

∙ 0.703㎡ × 사력층 심도(m) × 사력층 주입률 × 1.1(손실률) = ( ) ㎥

소 계 = ( ) ㎥

다. 천공 : m

주입공법은 제방을 절개하지 않고 제방 둑마루에서 바로 시공할 수 있는 장점이 있다. 천공길이는 제방 둑마루(지반고)에서 개량체 상단까지는 공삭공으로서 천공은 이루어지나 약액주입은 필요 없는 부분이므로 주입공과 구분해서 산출한다. 수량산출은 전체면적에서 유효간격을 0.8m로 나누어 공수를 산출하고 심도를 토층별로 나누어 산출한다.

- 개량폭 : 1.0m, C.T.C : 0.8m

∙ 공삭공 : 지반고∼개량체 상단까지 해당

천공길이 = (지반고-개량체 상단) × 차수 설치 연장 ÷ 0.8m = ( ) m

∙ 주입공 : 실제 차수를 하는 구간

주입길이 = 차수 설치 심도 × 차수 설치 연장 ÷ 0.8m = ( ) m

 

라. 장비 설치 및 운반, 시험시공 및 검사

 

< 장비 설치 및 운반, 시험시공 및 검사 일반사항 >

(표 4.2-14)

 

구 분	단위	기 준	시 기	비고
기계 기구 설치및해체	회	․ 설치연장 20m마다 1회	공사 중
플 랜 트 조립및해체	회	․ 설치연장 100m마다 1회	〃
장 비 운 반	회	․ 사업지구별 1회	〃
시 험 시 공	회	․ 설치연장 500m마다 1회 이상, 제방당 1회 이상	시공 전
시 험 시 공 확 인	회	․ 보링(설치깊이) ․ 일축압축시험(토층별) ․ 투수시험(토층별)	〃
검 사 보 링	m	․ 설치연장 100m마다 1회 ․ 시추기(NX) ․ 토질상태 : 연암	시공 30일후 준공전	품질 확인
검 사 시 험	회	․ 검사 보링 공수에 대한 토층별 산출 ․ 일축압축시험 ․ 투수시험	〃	〃

 

4.2.5 고압분사 교반공법(JSP)

가. 천공 및 분사 : m

고압분사 교반공법은 지반중에 주입관을 주입하여 200㎏f/㎠∼700㎏f/㎠ 초고압으로 경화제와 Air jet을 분사하여 토립자와 경화제를 혼합 교반하여 고결체를 형성하는 공법으로 수량산출시 설치 연장을 설치 유효 폭으로 나누어 공수를 산출하고 심도를 토층별로 나누어 산출한다.

- 개량폭 : 1.0m, C.T.C : 0.8m

∙ 공삭공 : 지반고∼개량체 상단까지 해당

천공길이 = (지반고-개량체 상단) × 차수 설치 연장 ÷ 0.8m = ( ) m

∙ 주입공 : 실제 차수를 하는 구간

주입길이 = 차수 설치 심도 × 차수 설치 연장 ÷ 0.8m = ( ) m

∙ 시멘트 : ton(자재 할증 3%)

주입공(m) × 토층별 시멘트 소요량(㎏) × 1.03 ÷ 1000 = ( ) t

< 지층별 제원 >

(표 4.2-15) (공당)

 

구 분	단 위	점 토 층		모 래 층			자갈층	호박돌층	비고
		N 0∼2	N 3∼5	N 0∼4	N 5∼15	N 16∼30
유효직경	m	1.0	0.8	1.2	1.0	0.8	0.8	0.8
로트인발속도	분/m	7	8	7	8	9	9	9
단위분사량	ℓ/분	60	60	60	60	60	60	60
분사량	ℓ/m	462	528	462	528	594	594	594
시멘트량	㎏/m	351	401	351	401	451	451	451
물	ℓ	351	401	351	401	451	451	451
굴착공간격	m	0.8∼0.9	0.6∼0.7	1.0∼1.1	0.8∼0.9	0.6∼0.7	0.6∼0.7	0.6∼0.7

 

나. 장비 설치 및 운반, 시험시공 및 검사

< 장비 설치 및 운반, 시험시공 및 검사 일반사항 >

(표 4.2-16)

 

구 분	단위	기 준	시 기	비고
기계 기구 설치및해체	회	․ 제방마다 1회	공사 중
플 랜 트 조립및해체	회	․ 설치연장 100m마다 1회	〃
장 비 운 반	회	․ 사업지구별 1회	〃
시 험 시 공	회	․ 설치연장 500m마다 1회 이상	시공 전
시 험 시 공 확 인	회	․ 보링(설치깊이) ․ 일축압축시험(토층별) ․ 투수시험(토층별)	〃
검 사 보 링	m	․ 설치연장 100m마다 1회 ․ 시추기(NX) ․ 토질상태 : 연암	시공 30일후 준공전	품질 확인
검 사 시 험	회	․ 검사 보링 공수에 대한 토층별 산출 ․ 일축압축시험 ․ 투수시험	〃	〃

 

다. 이토(Slime) 처리

1) 이토(Slime)를 폐기물 관리법 등의 규정에 따라 처리하기 위하여 추가로 소요되는 비용과 운반비는 별도 계상한다.

2) 이토는 액성상태로 발생하므로 현장내에서 건조처리하여 성토재와 함께 사용할 수도 있다.

3) 이토(Slime) : 고압분사시 천공수 + 고화제 + Plant 세척수

- 슬라임 처리량의 산출기준

 

 : 고압분사 조성에 따른 이토량

 : 천공에 따른 이토량

 : 플랜트 세정 배출액에 따른 이토량

 

 

H : 고압분사 조성연장(m)

 : 로드 인발속도(min/m)

: 경화제 토출량(㎥/분)

 : 증가율(사질토 0.1, 점성토 0.3)

 

 

 : 천공시간(분)

 : 천공심도(m)

q : 천공 펌프 토출량(0.04㎥/분)

r : 이토 발생률(0.5)

 

 : 고압분사 조성일수(일)

u : 1일당 세정배출액량(2.0㎥/일)

 

 

 

제5장 하천내진설계

5.1 설계 요령

하천시설의 내진설계 목표는 지진시 외수에 대해 제방의 기능(월류방지)을 유지하는 것으로 한다. 하천제방의 경우 지진에 의해 제방손상 시 복구가 용이하므로 둑마루 침하량이 외수를 방어할 수 있는 범위까지 허용한다. 그러나 지진에 의한 손상시 복구가 용이하지 않은 여타 시설물(하구둑, 보, 수문, 수로터널 등)은 전도, 활동 등에 대한 안정성을 확보하고, 부재단면설계는 보수적으로 강도설계를 원칙으로 한다. 만약 기술적, 경제적으로 가능하다면 소성설계를 할 수 있다. 또 내진설계의 4가지 성능수준을 평가하는 절차나 방법이 명확하게 정립되기 전까지는 기능수행수준의 내진설계가 곤란한 경우, 붕괴방지수준에 대한 설계만 할 수 있다.

5.1.1 일반사항

가. 정의

- 관성력(慣性力, inertial force): 지진에 의한 지반운동으로 시설물에 작용하는 힘

- 내진등급(seismic classification): 시설물의 중요도에 따라 내진설계수준을 분류한 범주. 내진II등급, 내진I등급, 내진특등급으로 구분

- 내진설계(seismic design): 설계지진에 의해 입력된 에너지를 충분히 견디거나, 소산시키거나, 저감시키도록 하여 시설물에 요구되는 내진성능수준을 유지하도록 구조요소의 제원 및 상세를 결정하는 작업

- 내진성능목표(seismic performance objectives): 설계지반운동에 대해 내진성능수준을 만족하도록 요구하는 내진설계의 목표

- 내진성능수준(seismic performance level): 설계지진에 대해 시설물에 요구되는 최소 성능수준. 기능수행수준, 즉시복구수준, 장기복구/인명보호수준과 붕괴방지수준으로 구분

- 동수압(hydrodynamic pressure): 유체의 동적작용에 의해 구조물에 작용하는 동적압력

- 설계지반운동(design ground motion): 내진설계를 위해 정의된 지반운동

- 액상화(liquefaction): 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등과 같은 충격하중에 의하여, 지반 내에 과잉간극수압이 발생하여, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상

- 위험도계수(risk factor): 평균재현주기가 500년인 지진을 기준으로 하여, 평균재현주기가 다른 지진의 유효지반가속도를 상대적 비율로 나타낸 계수

- 응답스펙트럼(response spectrum): 지반운동에 대한 단자유도 시스템의 최대응답을 고유주기 또는 고유진동수의 함수로 표현한 스펙트럼

- 제방고: 기초지반에서 제방 둑마루까지 높이이며, 기초지반이 경사진 경우에는 제내측의 비탈끝에서 구한 제방 높이  과 제외측의 비탈끝에서 구한 제방 높이  의 평균값

- 지반종류(soil profile type): 지반의 지진증폭특성을 나타내기 위해 분류하는 지반의 종류

- 지반증폭계수(site coefficient): 기반암의 스펙트럼 가속도에 대한 지표면의 스펙트럼 가속도의 증폭비율

- 지진구역계수(seismic zone factor): 지진구역 I과 II의 암반지반(  ) 상에서 평균재현주기 500년 지진의 유효지반가속도를 중력가속도 단위로 표현한 값

- 표준설계응답스펙트럼(standard design spectrum): 설계지진에 대한 5 % 감쇠비 단자유도 시스템의 설계응답스펙트럼

- 한계상태: 내진성능을 만족할 수 있는 하천구조물 및 각 부재의 한계상태

- 허용잔류침하량: 지진으로 발생한 침하량이 제방의 기능(월류방지)을 할 수 있는 침하량

나. 적용범위

1) 본 장은 내진설계 대상 하천시설의 내진설계에 적용한다.

2) 지진․화산재해대책법에서 규정한 하천시설이 아니더라도 내진설계가 필요하다고 인정되는 하천시설에 적용할 수 있다.

다. 내진설계일반

1) 기본적인 내진설계 방법과 절차

가) 지반운동에 대한 고려사항은 다음과 같다.

(1) 일반적으로 수평2축방향과 수직방향에 관한 지반운동의 영향이 고려되어야 한다.

(2) 지반운동의 공간적 변화특성이 고려되어야 한다.

(3) 국지적인 토질조건, 지형조건이 지반운동에 미치는 영향이 고려되어야 한다.

나) 지진을 고려한 하천시설의 입지조건의 설정은 다음과 같다.

(1) 활성단층에 극히 인접한 지역이나 활성단층이 지나가는 지역에는 보호대책을 마련하여야 한다.

(2) 액상화 가능성이 현저한 곳은 지반을 개량하여 액상화로 인한 피해를 방지하여야 한다.

다) 내진설계 시 하중에 대한 고려사항은 다음과 같다.

(1) 지진 시 하천시설에 발생하는 응력과 변형을 평가할 때에는 시공절차와 방법에 따른 응력, 자중, 온도하중, 크리프 등의 영향이 적절히 고려되어야 한다.

(2) 지진 시에는 유체의 동압력뿐만 아니라 수면파의 영향도 고려하여야 한다.

라) 하천시설의 내진설계 절차는 대상시설물의 분류 및 내진등급설정, 내진성능수준 및 목표설정, 설계거동한계검토, 지반조사, 외수위와 동수압 결정, 내진설계방법을 정하고, 액상화평가, 지진해석 및 지진보호대책을 마련한다.

2) 내진성능 수준과 목표

가) KDS 17 10 00(내진설계 일반) 및 내진설계 공통적용사항(행정안전부, 2017)에서 정한 지진하중 작용 시 만족하여야 하는 내진설계 성능수준은 표 5.1-1과 같고, 내진성능 목표는 표 5.1-2와 같다.

< 내진설계 성능수준 (내진설계기준,2018) >

(표 5.1-1)

 

성능수준	내용
기능수행수준	설계지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 발생한 손상이 경미하여 그 구조물이나 시설물의 기능이 유지될 수 있는 성능수준을 말한다.
즉시복구수준	설계지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 발생한 손상이 크지 않아 단기간 내에 즉시 복구되어 원래의 기능이 회복될 수 있는 성능수준을 말한다.
장기복구/ 인명보호수준	설계지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 큰 손상이 발생할 수 있지만 장기간의 복구를 통하여 기능 회복이 가능하거나, 시설물에 상주하는 인원 또는 시설물을 이용하는 인원에 인명손실이 발생하지 않는 성능수준을 말한다.
붕괴방지수준	설계 지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 매우 큰 손상이 발생할 수는 있지만 구조물이나 시설물의 붕괴로 인한 대규모 피해를 방지하고, 인명 피해를 최소화하는 성능수준을 말한다.

 

 

< 내진 성능 목표(내진설계기준, 2018) >

(표 5.1-2)

 

설 계 지 진	성능수준 재현주기	기능수행	즉시복구	장기복구/ 인명보호	붕괴방지
	50년	내진Ⅱ등급
	100년	내진Ⅰ등급	내진Ⅱ등급
	200년	내진 특등급	내진Ⅰ등급	내진Ⅱ등급
	500년		내진 특등급	내진Ⅰ등급	내진Ⅱ등급
	1,000년			내진 특등급	내진Ⅰ등급
	2,400년				내진 특등급
	4,800년				내진 특등급

 

3) 하천시설의 분류와 내진등급설정

가) 내진설계 대상 하천시설은 하천 설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 국토교통부)에 따라 하천법 제2조 3호에서 분류한 하천시설 중 다음 시설로 한다. 단, 내진설계가 필요하다고 인정되는 시설물은 그 기능, 구조형식에 따라 이 기준을 적용할 수 있다.

(1) 하구둑

(2) 높이가 5 m 이상인 국가하천의 다기능보 및 수문

(3) 통수단면적이 50 ㎡ 이상인 수로터널

(4) 위 (1), (2), (3)의 하천시설이 있는 국가하천의 제방

나) 가)의 (1)하구둑은 잠정적으로 댐 및 방조제 관리 규정에 따른다.

다) 하천시설의 내진등급은 중요도에 따라서 표와 같이 내진특등급, 내진Ⅰ등급, 내진Ⅱ등급으로 분류한다.

< 하천시설의 내진등급 분류 >

(표 5.1-3)

 

내진등급	내용
내진 특등급	지진시 매우 큰 재난이 발생하거나, 기능이 마비된다면 사회적으로 매우 큰 영향을 줄 수 있는 하천시설의 등급
내진Ⅰ등급	지진시 큰 재난이 발생하거나, 기능이 마비된다면 사회적으로 큰 영향을 줄 수 있는 하천시설의 등급
내진Ⅱ등급	지진시 재난이 크지 않거나, 기능이 마비된다면 사회적으로 영향이 크지 않는 하천시설의 등급

 

라) 하천시설의 내진등급은 댐 등에 비해 소규모이므로 내진Ⅱ등급을 적용하는 것을 기본으로 하고, 시설물의 특성을 고려하여 (표 5.1-4)와 같이 적용하며, 부재별 설계에서는 본 기준의 기본 개념에 따라 시설물 관할기관과 협의하여 조정할 수 있다.

 

< 하천시설별 내진등급 적용기준(하천설계기준, 2018) >

(표 5.1-4)

 

하천시설	구 분	적 용 기 준
제방 (특수제 포함)	1) 하천의 주요구간	제내지반고가 외수위보다 낮은 감조구간은 내진Ⅰ등급, 그 외는 내진Ⅱ등급
	2) 하천의 일반구간 (하천의 주요구간 외 구간)	내진Ⅱ등급
보, 수문	1) 특수시설 (H  10m인 국가하천의 다기능보 및 수문)	내진Ⅰ등급(단, 다목적댐에 상응하는 규모가 매우 크고 파괴 시 대규모 피해가 예상되는 매우 중요한 보와 수문은 필요시 내진특등급을 적용할 수 있다.)
	2) 일반시설 (특수시설을 제외한 시설)	내진Ⅱ등급
수로터널		내진Ⅱ등급

 

주) 1. 하천의 “주요구간”이란 「하천의 구조․시설기준에 관한 규칙」〔별표1〕에 따른다.

- 하천의 "주요구간"이란 홍수가 발생하는 경우 인명 또는 재산상 피해가 크게 우려되는 지역을 말한다.

- 하천의 “주요구간”은 유역의 기반시설, 인구, 홍수 피해 및 경제성 등을 고려하여 하천관리청이 정한다.

2. H는 물받이 상단에서 보마루 또는 문짝을 닫았을 때 문짝 상단까지를 말한다.

4) 하천시설의 설계거동한계

가) 과거 국내․외 사례로 볼 때 지진과 홍수가 동시에 발생한 사례는 극히 적었고, 지진으로 인한 하천재해의 원인은 액상화, 해일, 구조물 파괴, 지각변동에 따른 지반침하가 주된 원인이었다.

나) 제방의 기능은 월류방지이며, 하천시설 내진설계의 기본적인 목표는 인명피해가 적고 제방과 같이 신속하게 복구가 가능한 시설물은 2차 피해를 방지하는 것을 목표로 한다. 단, 해수(海水)의 침입이 예상되는 구간의 제방은 해수피해를 방지하도록 한다. 또한 보, 수문(水門), 수로터널 등과 같이 신속한 복구가 어려운 하천시설은 시설물의 특성을 바탕으로 내진설계 성능수준을 유지하는 것으로 한다.

다) 하천시설의 내진설계는 4 가지 성능수준을 평가하는 절차나 방법이 명확하게 정립되기 전까지는 ‘기능수행수준’ 및 ‘붕괴방지수준’에서 내진Ⅰ등급 및 내진Ⅱ등급의 내진성능을 갖도록 한다. 단, 다목적댐에 상응하는 시설규모가 크고 파괴 시 대규모 피해가 예상되는 시설물은 내진특등급을 적용할 수 있다.

라) 하천시설(제방)의 기능수행수준은 설계지진 시 제체의 설계허용잔류침하량을 유지하는 것으로 하고, 보, 수문, 수로터널 등은 설계지진 시 탄성거동 또는 탄성에 준하는 거동을 하여 하천시설의 기능이 상실되지 않아야 한다. 기능수행을 한다는 것은 지진 후에 기능회복을 위한 복원 없이도 지진 전과 같이 기능을 유지하여야 하는 것을 말한다. 제방의 기능수행은 지진에 의한 사면붕괴 및 액상화로 발생한 둑마루의 침하량이 제체의 설계허용잔류침하량 이내이어야 하고, 콘크리트 구조의 하천시설에서 한계상태는 각 부재의 역학특성이 탄성영역을 넘지 않아야 한다. 또한 문짝 개폐를 저해하지 않고 수밀성을 유지할 수 있어야 하고, 기초에 생기는 응력도가 허용응력도 이하이고, 전도 및 활동에 대해 안정하고, 기초변위는 허용변위 이내에 있어야 한다.

마) 하천시설(제방)의 붕괴방지수준은 설계지진 시 외수에 대해 제방의 기능(월류방지)을 유지하는 것으로 하고, 보, 수문, 수로터널 등은 구조물을 구성하고 있는 주요부재의 과도한 소성변형, 지반의 액상화, 기초의 지지력 손실로 인한 지반파괴, 기초의 파괴, 기초의 심각한 부등침하 등으로 하천시설 전체 또는 일부가 붕괴되지 않아야 하고 보수도 가능해야 한다. 붕괴방지를 수행한다는 것은 지진 시 시설물에 손상이 발생하지만 붕괴로 인한 대규모 피해를 방지하고 인명피해를 최소화할 수 있는 것을 말한다. 제방은 지진에 의한 사면붕괴 및 액상화로 발생한 둑마루의 침하량이 내진설계 시 고려한 외수를 방어할 수 있는 범위 이내이어야 하고, 콘크리트 구조의 하천시설에서 한계상태는 구조물의 안전에 관계없는 2차 부재는 파괴되어도 주 부재의 역학특성은 탄성영역을 과도하게 넘지 않아야 한다. 또한 문짝 개폐가 가능한 허용변위각 이내이고, 구조물 내부의 수용시설에 피해를 방지할 수 있어야 한다. 제방 외 하천시설 기초에서는 액상화로 인한 피해가 발생하지 않아야 하고, 지반침하에 의한 주변시설물의 붕괴나 과도한 침하를 방지할 수 있어야 한다.

바) 하천시설의 부재별 설계거동한계는 (표 5.1-5)와 같고, 제체의 설계허용잔류침하량은 (표 5.1-6)과 같다.

< 하천시설의 설계거동한계 (하천설계기준, 2018) >

(표 5.1-5)

 

구분		기능수행수준	붕괴방지수준
허용 되는 피해	제방	․ 지진에 의한 사면붕괴 및 액상화로 발생한 둑마루의 침하량이 제체의 설계허용잔류침하량 이내	․ 지진에 의한 사면붕괴 및 액상화로 발생한 둑마루의 침하량이 내진설계 시 고려한 외수를 방어할 수 있는 범위 이내
	콘크리트 시설	․ 시설물의 미세한 균열 ․ 미세한 지반침하 ․ 구조물의 미세한 변형 ․ 탄성영역 내 ․ 응력 < 허용응력 ․ 균열허용, 항복불허	․ 시설물의 미세한 균열 ․ 미세한 지반침하 ․ 구조물의 미세한 변형 ․ 전체 구조물의 안전에 관계없는 2차 부재 파괴 ․ 강도한계 ․ 소성변위 < 허용변위
	개폐시설	․ 지진시 작용하는 수평력이 문기둥의 관성력 이내이고, 잔류변위가 허용잔류변위 이내	․ 지진시 작용하는 수평력이 문기둥의 관성력 이내이고, 허용잔류변위가 문짝개폐를 방해하지 않는 허용변위각 이내
허용되지 않는 피해		․ 허용범위를 초과하는 변위 ․ 과잉간극수압에 의한 액상화 ․ 편토압에 의한 시설물의 절대 위치변화	․ 구조물 내부의 수용시설에 대한 피해 ․ 제방 외 구조물에서 과잉간극수압에 의한 액상화 ․ 지반침하에 의한 주변시설물의 붕괴나 과도한 침하

 

 

< 허용잔류침하량 기준(둑마루 기준) (하천설계기준, 2018) >

(표 5.1-6)

 

대상지역	허용잔류침하량
일반제방	총침하량 기준 30 cm 이하
도로겸용제방	총침하량 기준 10 cm 이하
배수구조물 설치제방	총침하량 기준 10 cm 이하

 

사) 제방의 경우 내진설계 대상시설물인 하구둑, 보 및 수문, 수로터널과 제방이 만나는 지점은 사면붕괴 및 액상화가 허용될 경우 이들 시설이 파괴될 수 있으므로 원호활동에 대한 안전율을 확보하여야 한다. 액상화 발생 방지에 대해서는 현재까지 해당 성능수준을 만족하는지 여부를 확인하는 절차나 방법이 명확히 정립되지 않는 상태이므로 잠정적으로 KDS 17 00 00(내진설계기준)과 「기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(안)(한국시설안전공단, 2012)」 등을 참조하여 설계할 수 있다.

다. 적용기준

1) 하천설계기준(KDS 51 00 00)(2018, 국토교통부)

2) 내진설계기준(KDS 17 00 00)(2018,국토교통부)

3) 교량설계기준(KDS 24 00 00)(2022, 국토교통부)

4) 지반설계기준(KDS 11 00 00)(2021, 국토교통부)

5) 터널설계기준(KDS 27 00 00)(2018, 국토교통부)

라. 참고문헌

1) 국도설계실무 요령(2016, 국토교통부)

2) 기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(2012, 한국시설관리공단)

3) 기존시설물(제방) 내진성능평가 및 향상요령(2004, 한국시설관리공단)

4) 기존시설물 내진성능평가 요령 보완 개정연구(2021, 국토안전관리원)

5) 내진설계기준 공통적용사항(2017, 행정안전부)

6) 내진설계편람(2000, 한국도로공사)

7) 하천설계기준해설(2019, 한국수자원학회, 한국하천협회)

8) SOC시설물 내진기준 및 제도개선연구(2017, 한국지진공학회)

9) 河川堤防の耐震点検マニュアル(2016, 日本 国土交通省 水管理・国土保全局 治水課)

10) 河川堤防耐震設計點檢マニュアル‧解說(1995, 日本 建設省)

11) 河川堤防設計指針(2000, 日本 建設省)

12) 河川構造物의 耐震性能照査指針 解說(2012, 日本 國土交通省)

 

5.1.2 지반조사

1) 하천시설의 지진시 안정성(지반의 액상화, 사면활동을 포함) 평가와 내진설계에 필요한 지반물성을 파악하기 위하여 지반조사를 실시하여야 한다. 지반조사는 기존 자료의 수집 및 현지답사에 의해 지반의 성질을 파악하는 기본조사와 현장 및 실내시험을 실시하여 표층지반의 층상구조, 지하수위, 각 지층의 역학적 성질 및 탄성파속도 등을 세밀히 평가하는 상세조사로 나누어진다.

2) 내진설계 시 지진에 대한 설계 지반운동을 결정하기 위하여 기반암을 확인하여야 한다. 기반암은 전단파속도  이상으로 하여야 한다.

3) 지반조사의 범위는 기존자료에 의한 조사, 일반적 조사, 동역학적 지반조사로 나누어진다.

가) 기존 자료를 수집하여 시설 부지의 개략적인 지반 상태를 파악한다. 수집할 수 있는 기존 자료는 지형도, 지질도, 지반도, 토질주상도 등이 있다. 시설에 따라 위의 자료 조사만으로 건설이 가능한 경우도 있다. 기존 자료 조사를 예비조사로 활용하는 경우, 현지답사를 통해 조사계획을 수립한다.

나) 통상 시행되는 일반적 지반조사의 항목은 아래와 같다.

(1) 지반분류 외 지층구조

(2) 지층 두께

(3) 지하수위

(4) 표준관입시험치(N값)

(5) 각 층의 전단 강도[점착력(C), 내부 마찰력]

(6) 각 층의 변형계수[탄성계수(E), 전단탄성계수(G)]

(7) 각 층의 밀도

다) 지반의 동역학적 특성조사를 통해 다음과 같은 지반정수를 얻는다.

(1) 탄성파속도[압축파속도(Vp), 전단파속도(Vs)]

(2) 동적 변형계수

(3) 감쇠비

(4) 동적 포아송비

(5) 동적 전단강도

4) 액상화 평가기준 및 평가방법은 KDS 17 00 00(내진설계기준), KDS 11 50 25(기초내진설계기준) 등에 따른다.

5) 해안 인근지반 및 경사지반에서는 액상화에 의해 지반이 수평방향으로 이동하는 측방유동이 발생할 가능성이 있다. 내진설계 시에는 측방유동에 의한 지반변위 또는 지반변형을 감안해야 한다.

 

5.1.3 지진해석

가. 설계지반운동 수준 및 표현방법

1) 설계지반운동은 지상구조물의 경우 구조물이 건설되기 전에 부지정지작업이 완료된 지면의 자유장 운동으로 정의되고, 지중구조물의 경우는 기반암의 자유장으로부터 산정된 대상 구조물의 위치에서 지반운동으로 정의된다.

2) 설계지반운동 수준은 지진구역계수, 위험도계수, 지반분류에 의한 지반증폭계수로부터 결정한다.

3) 설계지반운동에 대한 고려사항은 다음과 같다.

가) 설계지반운동은 수평2축방향과 수직성분으로 정의되며, 흔들림의 세기, 주파수 성분 및 지속시간의 세 가지 측면을 고려하여야 한다.

나) 국지적인 토질조건, 지질조건과 지표 및 지하지형이 지반운동에 미치는 영향이 고려되어야 한다.

다) 기본적인 지진재해도는 암반지반을 기준으로 평가한다.

4) ‘유효수평지반가속도(S)’란 지진하중을 산정하기 위하여 행정구역을 기준으로 제시된 암반지반의 수평지반운동수준을 말하며, 지진구역계수(Z)에 각 재현주기의 위험도계수(I)를 곱하여 결정한다.

S = Z × I

5) 지진구역 및 지진구역계수(Z, 재현주기 500년 기준)는 (표 5.1-7)과 같다.

 

< 지진구역 구분 및 지진구역계수(Z)(암반지반) >

(표 5.1-7)

 

지진구역		행정구역	계수(Z)
Ⅰ	시	서울, 인천, 대전, 부산, 대구, 울산, 광주, 세종	0.11g
	도	경기, 충북, 충남, 경북, 경남, 전북, 전남, 강원남부
Ⅱ	도	강원북부  , 제주	0.07g
비고		1)강원남부: 영월, 정선, 삼척, 강릉, 동해, 원주, 태백 2)강원북부: 홍천, 철원, 화천, 횡성, 평창, 양구, 인제, 고성, 양양, 춘천, 속초

 

6) 위험도계수(I)는 (표 5.1-8)과 같다.

< 위험도계수 (  ) >

(표 5.1-8)

 

재현주기	50년	100년	200년	500년	1,000년	2,400년	4,800년
위험도계수(I)	0.4	0.57	0.73	1.0	1.4	2.0	2.6

 

 

7) 지반의 분류

가) 국지적인 토질조건, 지질조건과 지표 및 지하 지형이 지반운동에 미치는 영향을 고려하기 위하여 지반을 (표 5.1-9)와 같이  ,  ,  ,  ,  ,  의 6종으로 분류한다. 다만, 기반암(bed rock)은 전단파속도가 760 m/s 이상인 지층으로 정의한다.

 

< 지반의 분류 >

(표 5.1-9)

 

지반종류	지반종류의 호칭	분류기준
		기반암 깊이, H (m)	토층 평균전단파속도,  (m/s)
	암반 지반	1 미만	-
	얕고 단단한 지반	1∼20 이하	260 이상
	얕고 연약한 지반		260 미만
	깊고 단단한 지반	20 초과	180 이상
	깊고 연약한 지반		180 미만
	부지 고유의 특성평가 및 지반응답해석이 요구되는 지반

 

나) 토층의 평균전단파속도(  )는 탄성파시험 결과가 있을 경우 이를 우선적으로 적용한다.

다) 기반암 깊이와 무관하게 토층 평균전단파 속도가 120 m/s 이하인 지반은  지반으로 분류한다.

라) 지반종류  은 부지 고유의 특성평가 및 지반응답해석이 필요한 지반으로 다음과 같다.

(1) 액상화가 일어날 수 있는 흙, 예민비가 8 이상인 점토, 붕괴될 정도로 결합력이 약한 붕괴성 흙과 같이 지진하중 작용 시 잠재적인 파괴나 붕괴에 취약한 지반

(2) 이탄 또는 유기성이 매우 높은 점토지반(지층의 두께 > 3 m)

(3) 매우 높은 소성을 띤 점토지반(지층의 두께 > 7 m이고, 소성지수(PI; Plasticity Index) > 75)

(4) 층이 매우 두껍고 연약하거나 중간 정도로 단단한 점토(지층의 두께 > 36 m)

(5) 기반암이 깊이 50 m을 초과하여 존재하는 지반

8) 설계지반운동의 세기 및 진동수 성분은 응답스펙트럼으로 표현하며, 설계지반운동의 특성인 가속도 표준설계응답스펙트럼은 다음과 같이 표현한다.

가) 설계지반운동의 세기 및 진동수성분은 기본적으로 응답스펙트럼으로 표현한다.

나) 암반지반(  지반) 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 다음과 같다.

(1) 5% 감쇠비에 대한 수평 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 (그림 5.1-1) 및 (표 5.1-10)으로 정의한다.

 

< 가속도 표준설계응답스펙트럼 전이주기 >

(표 5.1-10)

 

구 분	(단주기스펙트럼 증폭계수)	전이주기(s)
수 평	2.8	0.06	0.3	3

 

(2) 5% 감쇠비에 대한 수직설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 ①에 있는 수평설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼과 동일한 형상을 가지며, 최대 유효 수평지반가속도에 대한 최대 유효 수직지반가속도의 비는 0.77이다.

(3) 수평 및 수직 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼의 감쇠비(  , % 단위)에 따른 스펙트럼 형상은 (표 5.1-11)에 제시한 감쇠보정계수(  )를 표준설계응답스펙트럼에 곱해서 구할 수 있다. 단, 감쇠비가 0.5 %보다 작은 경우에는 적용하지 않으며 해당 구조물의 경우 응답이력(=시간이력)해석을 권장한다.

< 감쇠보정계수(  ) >

(표 5.1-11)

 

주기(  , s)
	모든 감쇠비에 대해서 1.0	일 때, 1.0  일 때,  그 사이는 직선보간

 

다) 토사지반(  ~  지반) 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 다음과 같다.

(1) 5% 감쇠비에 대한 수평 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 (그림 5.1-2)로 정의한다.

 

(2) 유효수평지반가속도(  )에 따라 단주기 지반증폭계수(  )와 장주기 지반증폭계수(  )는 (표 5.1-12)을 이용하여 결정한다. 유효수평지반가속도(  )의 값이 중간 값에 해당할 경우 직선보간하여 결정한다.

< 지반증폭계수(  및  ) >

(표 5.1-12)

 

지반분류	단주기 지반증폭계수,			장주기 지반증폭계수,
	S ≤ 0.1	S = 0.2	S = 0.3	S ≤ 0.1	S = 0.2	S = 0.3
	1.4	1.4	1.3	1.5	1.4	1.3
	1.7	1.5	1.3	1.7	1.6	1.5
	1.6	1.4	1.2	2.2	2.0	1.8
	1.8	1.3	1.3	3.0	2.7	2.4

 

(3) 감쇠비에 따른 스펙트럼 형상은 해당 토사지반에 적합한 가속도 시간이력을 이용하여 공학적으로 적절한 분석과정을 통해 결정할 수 있다.

(4) 5% 감쇠비에 대한 수직설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 ①에 있는 수평설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼과 동일한 형상을 가지며, 최대 유효 수평지반가속도에 대한 최대 유효 수직지반가속도의 비는 공학적 판단으로 결정할 수 있다.

라) (그림 5.1-1) 및 (그림 5.1-2)에서 유효수평지반가속도(  )는 지진하중을 산정하기 위한 지반운동수준으로 국가지진위험지도 또는 행정구역에 따라 결정한다. 다만, 국가지진위험지도를 이용하여 결정하는 경우, 행정구역에 따라 결정한 값의 80%보다 작지 않아야 한다.

마) 행정구역에 의한 방법으로 평균재현주기에 따른 유효수평지반 가속도(S)를 결정할 때는 지진구역계수(Z)에 각 평균재현주기의 위험도계수(I)를 곱하여 결정한다.

바) 시설물이 설치될 부지의 특성, 시설물의 구조특성과 설계법을 고려하여 작성된 설계응답스펙트럼이 있는 경우 이를 사용할 수 있다.

사) 설계지반운동 시간이력

(1) 지반 가속도, 속도, 변위 중 하나 이상의 이력으로 지반운동을 표현할 수 있다.

(2) 3차원 해석이 필요할 때 지반운동은 동시에 작용하는 3개의 성분으로 구성해야 한다.

(3) 설계지반운동 시간이력은 암반지반에 대해 작성된 시간이력을 사용하여 지반응답해석을 통해 결정한다.

아) 지반운동의 공간적 변화 특성을 고려하는 방법

해석 시 지반운동의 공간적 변화 특성이 응답에 큰 영향을 주는 경우에는 이를 반영해야 한다.

9) 지진해일

해안지역에 위치한 시설물에는 지진해일로 인한 추가적인 파력이 작용할 수 있으므로 설계 시 이러한 사항을 반영해야 한다.

10) 상기에 기술된 사항 외의 상세에 대해서는 KDS 17 10 00(내진설계 일반)을 따른다.

5.1.4 내진설계방법

가. 지진의 영향 종류

하천시설의 내진설계에서는 일반적으로 고려되는 사하중, 활하중, 토압, 수압, 파압, 양압력 등의 하중 외에 다음과 같은 지진으로 인한 영향이 고려되어야 한다.

1) 구조물의 자중과 적재하중 등으로 유발되는 관성력

관성력은 구조물 중량에 수평 진도를 곱한 수평력으로 한다.

2) 지진시 지반 변위 또는 변형

지진 시 지반변위는 지진시의 지반의 응답을 고려하여 적절하게 설정한다.

3) 지진시 토압

가) 지진 시 토압은 분포 하중은 지반설계기준(KDS 11 00 00)과 수정 모노노베-오카베 공식인 (식 5.1-1)으로 산출할 수 있다.

 (식 5.1-1)

여기서  : 깊이  (m)에서의 지진 시 주동토압 강도(kN/㎡)

 : 지진 시 주동토압계수

 : 흙의 단위 체적중량(kN/㎥)

 : 지진시 지표재하하중(kN/㎡) 단, 지진시에 확실하게 작용하는 것으로 한정하며, 활하중은 포함하지 않는다.

나) 지하수위 상부의 흙을 대상으로 하는 경우 지진 주동토압계수는 (식 5.1-2)의 근사식으로 산출할 수 있다.

- 배면이 흙과 콘크리트인 경우

모래 및 모래 자갈  (식 5.1-2)

사질토 

- 배면이 흙과 흙인 경우

모래 및 모래 자갈 

사질토 

여기서  : 지진 시 주동토압계수

 : 지반면의 수평 진도

다) 지하수위 하부의 깊은 흙에 의한 지진 시 토압은 (식 5.1-3)의 수중의 겉보기 수평진도를 산출한 뒤 식(식 5.1-1) 및 (식 5.1-2)을 이용하여 산출한다. 또 정수압은 지진시 토압과 별도로 고려해야 한다.

 (식 5.1-3)

여기서

 : 수중의 겉보기 수평진도

 : 지하수위 상부 흙의 단위체적중량(kN/㎥)

 : 지하수위 하부 흙의 수중의 겉보기 단위체적중량(kN/㎥)

 : 물의 단위 중량(kN/㎥)

 : 지하수위 상부 토층두께(m)

 : 지하수위 하부 토층두께(m)

 : 지진시의 지표재하하중(kN/㎡)

 : 지반면의 수평진도

4) 내진설계 대상 외수위 및 동수압

가) 지진과 홍수는 동시에 발생할 가능성이 낮고 지진으로 제방손상 시 긴급복구로 2차 피해 방지가 가능하므로 내진설계 대상 외수위는 원칙적으로 평상시 최고수위로 한다. 하천에서 평상시 최고수위는 연평균수위(1년을 통하여 일평균수위의 합을 당해 연도의 일수로 나눈 수위)로 할 수 있다.

나) 하구부에서는 지진으로 인한 제방손상 시 해수침입으로 2차 피해가 발생할 수 있다. 또한 감조구간의 평상시 최고수위는 대조평균고조위(삭망평균조위) 및 파랑의 영향을 고려하여야 한다. 또한 지진 시 해일(海溢)의 소상이 예상되는 경우에는 시설물의 계획해일고를 고려하여야 한다.

다) 지진 시 동수압은 수위, 시설물의 형상, 문짝의 조작, 지진시의 응답 등을 고려하여 설정하여야 한다. 지진 시 동수압은 물(지하수는 제외)과 접하는 모든 면(시설물에 따라 물이 한쪽에 존재하는 것과 양쪽에 존재하는 경우를 고려)에서 관성력의 작용방향과 동일한 방향으로 작용하는 것으로 한다. 산정방법은 Westergaard의 식을 기본으로 하며, 공학적 시험에 의해 구해진 다른 공인된 식도 사용할 수 있다.

◎ Westergaard의 식

 (식 5.1-4)

 (식 5.1-5)

 (식 5.1-6)

여기서  : 지진 시 동수압 (kN/㎡)

 : 동수압의 합력 (kN)(단위폭),

 : 물의 단위중량 (kN/㎥),

 : 수평진도(설계진도),

 : 설계수면에서 구조물 바닥고까지 수심 (m),

 : 수면에서 지진 시 동수압이 작용하는 점까지 수심 (m),

 : 수면부터 동수압 합력의 작용점까지의 거리 (m)

라) 바람에 의한 파랑고는 수면이 넓은 댐 및 하구둑 외에는 고려하지 않아도 좋다. 파랑고의 추정은 KDS 54 00 00(댐 설계기준)과 KDS 64 00 00(항만 및 어항 설계기준)을 참고한다.

5) 액상화의 영향

가) 사질 토양층이 액상화한 경우 강도 및 지지력이 저하한다. 액상화 평가 대상 사질토층은 상세한 지반조사 실내 토질시험 등을 실시하여 토질 상수를 결정하여 액상화 판정을 하는 것이 좋다.

나) 액상화 평가 대상 사질토층은 다음의 3가지 조건을 모두 만족하는 경울일 때 해당한다.

(1) 지하수위가 현재 지반면에서 10m 이내에 있고, 동시에 현재 지반면에서 20m 이내의 깊이에 존재하는 포화 토층

(2) 세립분 함유율 FC가 35% 이하의 토층이나 FC가 35%를 넘더라도 소성지수 IP가 15 이하의 토층

(3) 평균입경(  )이 10mm 이하이고, 동시에 10%입경(  )이 1mm 이하인 토층

다) 하천시설의 액상화 판정방법에 대해서 실무에 적용할 수 있는지 충분히 검증되지 않았으나 잠정적으로 액상화에 대한 저항률  을 (식 5.1-7)에 의한 산출하고 이 값이 1.0 이하의 토층은 액상화한다고 평가할 수 있다.

 (식 5.1-7)

 (식 5.1-8)

 (식 5.1-9)

 (식 5.1-10)

 (식 5.1-11)

 (식 5.1-12)

 (식 5.1-13)

여기서  : 액상화에 대한 저항률

 : 동적 전단 강도비

 : 지진 전단 응력비

 : 지진동 특성에 따른 보정계수

 : 반복삼축 강도비

 : 지진시 전단응력비의 깊이방향 저감계수

 : 지반면의 수평 진도

 : 전상재압력 (kN/㎡)

 : 유효상재압력 (kN/㎡)

 : 지표면에서의 깊이 (m)

 : 지하수위 보다 얕은 흙의 단위체적 중량 (kN/㎥)

 : 지하수위 보다 깊은 흙의 단위체적 중량 (kN/㎥)

 : 지하수위 보다 깊은 흙의 유효단위체적 중량 (kN/㎥)

 : 지하수위의 깊이 (m)

 

사질토[평균입경(  ) < 2mm]의 경우

 (식 5.1-14)

 (식 5.1-15)

 (식 5.1-16)

 (식 5.1-17)

자갈토[평균입경(  ) ≥ 2mm]의 경우

 (식 5.1-18)

여기서,  : 반복 삼축 강도비

 : 표준관입시험으로부터 얻어지는 N값

 : 유효 상재압 (100 )상당으로 환산한 N 값

 : 입도의 영향을 고려한 보정 N값

 ,  : 세립분 함유율에 따른 N값의 보정계수

 : 세립분 함유율(%)(입경 75μm 이하 흙 입자의 통과질량 백분율)

 : 평균입경(mm)

나. 액상화의 설계

지진에 대한 기초지반 보강방법은 액상화 발생을 억제하는 방법과 액상화에 의한 기초지반 및 제체변형을 억제하는 방법 또는 두 가지를 적절히 조합하는 방법이 있다. 기초지반 및 토층구조 및 배후지 상황, 피해이력 등을 감안하여 필요한 안전성을 확보할 수 있는 보강방법을 선정한다.

1) 적용방법

가) 기초 및 지반은 액상화의 피해를 입지 않도록 액상화 발생 가능성을 검토한다.

나) 설계지진 규모는 지진구역 I, II 모두 규모 6.5를 적용한다.

다) 액상화 발생 가능성은 대상 현장 지반의 진동저항전단응력비를 지진에 의해 발생되는 진동전단응력비로 나눈 안전율로 평가한다.

라) 진동전단응력비는 구조물의 내진등급을 고려하여 부지응답해석을 수행하여 결정하고, 진동저항전단응력비는 현장시험 결과(  를 이용하여 결정한다.

마) 액상화에 대한 안전율은 1.0을 적용한다. 안전율이 1.0 미만이면 액상화에 따른 기초 및 지반 안전성을 평가하고, 1.0 이상이면 액상화에 대해 안전한 것으로 판정한다.

바) 액상화에 따른 기초 및 지반 안전성 평가는 시설물의 유형, 기초의 형식, 지반의 특성을 고려한다.

사) 액상화로 인해 시설물이 성능수준을 만족하지 못할 때는 대책공법을 적용한다.

2) 액상화 평가방법

가) 액상화의 발생을 억제하는 공법

(1) 억제성토공법: 억제 성토 하중에 의해 지반에 작용하는 상재 하중을 늘려, 액상화를 억제한다. 또, 활동에 대해서도 성토 하중이 저항 측에 작용해 안정화된다.

(2) 다짐공법: 충진제 삽입 및 진동 다짐을 통해 액상화층을 다져 액상화 발생을 억제한다.

(3) 배수공법: 뒤비탈면이 드래인 등에 의해 지진 시에 지하수가 배수되어 과잉 간극 수압의 상승을 억제함으로써 액상화 발생을 억제한다.

나) 액상화에 의한 제체나 지반의 변형을 억제하는 공법

(1) 고화공법: 심층혼합처리나 약액주입으로 지반을 고화시킴으로써 제체 비탈의 측방변위를 억제한다.

(2) 널말뚝공법: 널판 또는 강널판의 강성에 의해 액상화층의 측방변위를 억제한다.

다. 토사제방 내진설계

1) 토사제방의 지진해석은 다음 기준에 따른다.

가) 토사제방의 지진해석은 설계에서 등가정적해석 또는 동적수치해석을 한다.

나) 동적수치해석 결과에서 지진으로 인하여 설계거동한계를 초과하는 변형이 발생하지 않아야 한다.

다) 제방의 내진성 평가는 제방 파괴에 의한 2차 피해의 가능성을 판단하기 위해 지진후의 제방 변형량을 평가한다.

라) 제방의 내진설계 대상은 하구둑, 다기능보 및 수문, 수로터널과 접해 있는 제방이다. 이들 제방은 붕괴방지 지진시 사면붕괴 및 액상화를 허용하되 외수방어가 가능한 수준까지를 허용한다. 단, 하구둑 등이 만나는 제방 지점은 사면붕괴 및 액상화를 허용하지 않는다. 이때, 하구둑 등과 접해 있는 제방은 하구둑 등이 설치된 하천지점의 좌우안의 제방 전체를 말하며, 하구둑 등이 만나는 제방 지점은 하구둑 등이 제방과 만나는 지점의 상하류 일정구간을 말한다. 여기서 일정구간이란 상하류 각각 하구둑 등의 본체 높이 또는 제방고의 3배 이내를 말하며, 본체높이는 문짝조작실 등과 같이 제방 위로 돌출된 구조부재는 제외한 구조물의 높이를 말한다.

2) 현재 제방의 변형량을 평가하는 실용적인 방법이 확립되어 있지 않다. 따라서 잠정적으로 원호활동법에 의한 사면안전을 계산하여 지진 시 안전율을 산정하고 (표 5.1-13) 제방 둑마루의 침하량과 지진 시 안전율과의 관계를 이용하여 추정한다. 여기서 지진시 안전율(  )은 제내측 및 제외측 각각에 대해 관성력만을 고려한 안전율( )과 과잉간극수압만을 고려한 안전율(  )을 원호활동법으로 구하고 그 중 작은 안전율을 적용한다. 이때, 설계진도는 제방규격에 따른 보정계수를 제방폭/제방높이 비율에 따라 취할 수 있다. 제방폭/제방높이가 10 이하를 기준으로 11∼20 사이이면 90%를, 20 이상이면 80%를 취할 수 있다

< 제방 둑마루의 침하량과 지진시 안전율 관계(하천설계기준해설, 2019) >

(표 5.1-13)

 

지진시 안전율(  )		침하량(상한 값)
관성력만을 고려한 안전율	과잉간극수압만을 고려한 안전율
1.0 <		0
0.8 <		제방높이 × 0.25
	0.6	제방높이 × 0.50
-		제방높이 × 0.75

 

3) 토사제방의 내진성능 향상공법

토사제방의 내진성능향상을 위한 공법은 (표 5.1-14)와 같다.

 

< 토사제방의 내진성능향상을 위한 공법 >

(표 5.1-14)

 

구분		세부공법
지반 물성치 개량	치환공법	치환공법
	현장다짐공법	진동다짐(vibro flotation)공법
	현장보강공법	다짐말뚝(compaction pile)공법
간극 수압 조절	배수공법	그라우팅(groutiong)공법
	차수공법	블랑킷(blanket)공법, 아스팔트 차수공법 등
제체 형상 변화	제방증고공법	덧쌓기공법
	압성토공법	압성토공법

 

라. 특수제방 내진설계

1) 옹벽형 특수제

가) 옹벽형 특수제의 콘크리트 구체 및 돌쌓기에 대한 지진해석 및 설계는 KDS 11 50 25(기초 내진설계기준), KDS 14 20 80(콘크리트 내진설계기준), 관련 「구조물기초설계기준」 및 「콘크리트설계기준」과 「기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(안)(한국시설안전공단, 2012)」 등을 참조하여 적용할 수 있다. 또한 토사제방의 침하량에 대한 허용기준도 만족해야 한다.

나) 콘크리트 옹벽식 특수제 조사에서 상정하는 하중을 (그림 5.1-3)에 나타낸다.

 

 

(그림 5.1-3) < 콘크리트 옹벽식 특수제 구체의 조사에서 상정하는 하중 >

 

다) 콘크리트 옹벽식 특수제는 지진시 전도, 활동 등에 안정해야하고, 구조부재의 내력이 구체에 작용하는 관성력보다 커야 한다. 외수위가 제내지보다 높으면서 지진시 전도, 활동 등에 불안정한 경우는 이음부의 벌어지는 위치가 외수위보다 낮지 않아야 한다. 이 경우 벌어지는 위치를 파악하기 위해서는 지반과 구조물이 포함된 모델에 대한 동적소성해석이 필요하다.

 

 

(그림 5.1-4) < 콘크리트 옹벽식 특수제 줄눈의 벌어지는 위치와 내진성능 평가 때 고려하는 외수위 >

2) 강널말뚝형 특수제

가) 강널말뚝형 특수제는 말뚝의 변형에 따른 제방고가 외수위 이상이어야 하고, 말뚝에 생기는 응력도가 허용응력 이하이어야 한다. KDS 64 17 00(항만내진설계기준), 등을 참조한다. 액상화에 따른 지반변형은 토사제방의 기준에 따르며 토사제방의 침하량에 대한 허용기준을 만족해야 한다. 이 경우 지반과 구조물이 포함된 모델에 대한 동적소성해석이 필요하다.

 

 

(그림 5.1-5) < 자립식 널말뚝 특수제의 지진 후 제방고와 내진성능조사에서 고려하는 외수위>

마. 수문 및 보 내진설계

1) 수문 및 보의 내진 성능평가는 각 부재의 한계상태를 적절히 평가하여 대처한다. 내진성능평가방법은 구조물의 지진 거동을 동역학적으로 해석하는 동적해석법과 지진의 영향을 정역학적으로 해석하는 정적해석법으로 대별된다.

2) 기능수행 평가

가) 수문 및 보는 전도, 활동 등에 대한 구조물 전체 안정성을 확보하고 부재단면설계는 보수적으로 강도설계를 원칙으로 하고, 만약 기술적, 경제적으로 가능하다면 소성설계를 할 수 있다. 이때, 보, 수문에서는 지진 시 관성력이 문기둥 및 보기둥(측벽)의 내력 범위 내에 있어야 하고, 소성설계를 할 때는 문기둥 및 보기둥(측벽)의 잔류변위가 문짝의 개폐를 결정하는 허용잔류변위 이하이어야 한다. 이러한 요구사항은 수류방향과 수류직각방향에서 모두 만족되어야 한다. 보수적인 강도설계방법은 콘크리트구조설계기준, 「기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(안)(한국시설안전공단, 2012)」, 하천사방기술기준(일본항만협회, 1997) 등을 참조할 수 있다.

나) 수문 및 보의 한계상태는 지진 후에도 지진 전과 같은 기능을 유지할 수 있도록 한다. 내진성능에 대해 각 부재의 역학특성이 탄성영역을 넘지 않는 한계상태로 한다.

3) 붕괴방지 평가

가) 수문 및 보의 붕괴방지 평가는 경제적인 내진설계를 위해서 소성설계를 실시할 수 있으며 이때, 보, 수문에서는 지진 시 관성력이 문기둥 및 보기둥(측벽)의 내력 범위 내에 있어야하고, 문기둥 및 보기둥(측벽)의 잔류변위가 문짝의 개폐를 결정하는 허용잔류변위 이하이어야 한다. 이러한 요구사항은 수류방향과 수류직각방향에서 모두 만족되어야 한다. 설계방법은 「기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(안)(한국시설안전공단, 2012)」 등을 참조할 수 있다.

나) 지진 시 작용하는 수평력과 문기둥 및 보기둥(측벽)의 수평내력 평가와 문기둥 및 보기둥(측벽)의 허용잔류변위가 문짝의 개폐를 방해하지 않는 변형각 이내인지는 다음과 같이 평가한다.

(식 5.1-19)

(식 5.1-20)

여기서 : 수평진도

: 문기둥 및 보기둥(측벽)의 자중 및 상부하중 (N)

: 문기둥 및 보기둥(측벽)의 수평내력 (N)

: 문기둥 및 보기둥(측벽)의 잔류변위 (mm)

: 문기둥 및 보기둥(측벽)의 허용잔류변위로 문기둥 및 보기둥(측벽)의 문짝 개폐를 방해하지 않는 잔류변위 (mm)이며, 문기둥 및 보기둥(측벽) 하단에서 상부구조의 관성력의 작용점 높이까지의 1/100로 한다. 단, 본 기준에서 내진대상으로 하는 중요한 보, 수문의 경우 잔류변위는 문짝의 개폐를 방해하지 않는 변형각에 기초해 설정할 수 있으며 이를 위해서는 (그림 5.1-6)을 참조한다.

 

: 로울러 간격(또는 문짝높이)  : 로울러 지름(또는 문짝두께)  : 문틀 폭	: 문짝 높이  : 문짝 폭(또는 사이드 로울러 간격)  : 문기둥의 문틀 간 폭(문틀 사이 간격)

 

(그림 5.1-6) < 문짝의 잔류변위각 산정 사례 >

다) 보 및 수문의 문기둥 및 보기둥(측벽) 바닥 구조부재에서 휨모멘트 및 전단력에 대한 부재가 필요한 두께를 가지고 있는지를 조사한다. 조사방법은 바닥에 생기는 응력도가 항복응력도 이하임을 조사한다.

 

 

 

라) 보 및 수문의 전도, 활동 등의 안정성평가도 필요하며 이를 위해「기존시설물(수문) 내진성능평가 및 향상요령(안)(한국시설안전공단, 2012)」, 하천사방기술기준(일본항만협회, 1997) 등을 참조할 수 있다. 또 높이가 5m 이상인 국가하천의 다기능보와 수문의 안정성은 댐에 준하여 확보하여야 하며 이를 위해 전도, 활동 등에 대한 안전율 등은 댐 내진설계기준(2022, 환경부)을 준용할 수 있다.