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문제 정의
- 본 연구에서는 불포화 상태의 무한사면에 침투하는 강우에 대하여 강우지속시간과 강우강도에 따라 사면의 포화깊이를 산정하기 위해서 불포화지반의 고유특성인 함수특성곡선 실험을 수행하였으며, 포화깊이를 구하는 모델식과 수치해석으로 그 차이점을 분석하여 포화깊이에 따른 사면의 안정성을 비교하였다. 이에, 불포화 사면의 지반 특성으로 국내에 널리 분포되어 있는 화강풍화토를 대상으로 3가지 입도(SW, SP, SM)에 따른 함수특성곡선을 구하고 그에 따른 포화지반과 불포화 지반의 포화깊이에 따른 사면의 안정성을 비교.
가설 설정
- 2m의 suction값은 포화깊이에 따른 사면의 안전율 해석과정에서 깊이에 따라 변하는 부압력값들 중에서 현저히 안전율이 떨어지는 경계지점이다. 따라서, 사면 표면으로부터 -0.2m의 지점까지 포화되어 있다고 가정한 수치이다. 수치해석상에서 포화깊이를 나타내는 경계는 -0.
제안 방법
- 국내 화강풍화토를 대상으로 통일분류법에 의하여 입도를 SW, SP, SM의 세가지로 나누어 함수특성곡선 실험을 수행하였다. 풍화토의 전흡수력의 전구간을 측정하기 위하여 Filter Paper 방법을 사용하였으며, tensiometer 를 사용하여 측정값의 정확도를 확인하였다.
- 본 연구에서는 국내의 화강풍화토를 대상으로 불포화 지반의 고유특성인 함수특성곡선을 Filter Paper 실험으로 측정하고, 강우로 침투되는 사면의 포화깊이를 Green & Ampt의 모델식과 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 비교·검토하였다. 그리고 강우시 사면의 포화 깊이에 따른 얕은 파괴에 대한 안정성을 파악하고자 상 용프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 포화깊이의 증가에 따른 무한사면의 안정성을 해석하고 불포화 지반의 강도정수를 적용하여 포화 지반과 불포화 지반의 사면 안정성을 비교.분석하였다.
- Φ)가 증가하면서 포화깊이에 따른 안전율의 차이를 구하였다. 또한, 포화깊이의 차이보다 초기 함수비에 좌우하는 wetting front suction 값에 따라 안전율의 영향정도를 파악하였다.
- 먼저 포화지반의 안정성 평가는 강우시 침투된 포화 깊이를 변화시켜 기존의 포화지반의 강도정수를 이용하여 사면안정 해석을 수행하였다. 그 결과, 사면의 한 계평형해석 상용프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 사면의 얕은 파괴에 대한 안전율을 그림 25부터 그림 26 에 나타내었다.
- 본 실험에서는 연세대학교내의 신축현장에서 굴토작업으로 조성된 지반 5m하단에서 풍화토를 채취해 No. 4~No.200체로 각각 분류하여 G, (균등계수), G(곡률계수)와 각 체의 누적량을 토대로 SW, SP, SM의 세가지 시료를 구성하여 함수특성 실험을 수행하였다.
- 침투해석으로 추정한 포화깊이를 이용하여 불포화 상태를 고려할 수 있는 한계평형해석 상용 프로그램인 SLOPE/W(Geo-Slope International, 1994)를 사용하여 사면안정 해석을 수행하였다. 본 실험으로 산정된 화강풍 화토의 함수특성곡선으로 불포화지반의 강도정수를 계산해 안정성 검토를 하였다. 다음식 (7)은 함수특성곡선만으로 불포화 강도정수 Φb를 구하기 위해 Fredlund 등(1996)이 제안한 식이다.
- 본 연구에서는 3가지의 입도로 구성된 총 23개의 화강풍화토 시료를 대상으로 tensiometer 의 측정과 Filter Paper법에 의해 함수특성곡선을 산정하였다. 측정값 중에서 오차가 많고, fitting하는 과정에서 많이 벗어나는 측정값들을 제거시킨 다음, 곡선형태에 맞게 값들을 정리하였다.
- 본 연구에서는 국내의 화강풍화토를 대상으로 불포화 지반의 고유특성인 함수특성곡선을 Filter Paper 실험으로 측정하고, 강우로 침투되는 사면의 포화깊이를 Green & Ampt의 모델식과 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 비교·검토하였다. 그리고 강우시 사면의 포화 깊이에 따른 얕은 파괴에 대한 안정성을 파악하고자 상 용프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 포화깊이의 증가에 따른 무한사면의 안정성을 해석하고 불포화 지반의 강도정수를 적용하여 포화 지반과 불포화 지반의 사면 안정성을 비교.
- 불포화지반의 강도정수를 적용하여 해석한 사면의 안정성 평가에서는 불포화지반의 강도정수비(Φb/Φ)가 증가하면서 포화깊이에 따른 안전율의 차이를 구하였다. 또한, 포화깊이의 차이보다 초기 함수비에 좌우하는 wetting front suction 값에 따라 안전율의 영향정도를 파악하였다.
- 본 연구에서는 불포화 상태의 무한사면에 침투하는 강우에 대하여 강우지속시간과 강우강도에 따라 사면의 포화깊이를 산정하기 위해서 불포화지반의 고유특성인 함수특성곡선 실험을 수행하였으며, 포화깊이를 구하는 모델식과 수치해석으로 그 차이점을 분석하여 포화깊이에 따른 사면의 안정성을 비교하였다. 이에, 불포화 사면의 지반 특성으로 국내에 널리 분포되어 있는 화강풍화토를 대상으로 3가지 입도(SW, SP, SM)에 따른 함수특성곡선을 구하고 그에 따른 포화지반과 불포화 지반의 포화깊이에 따른 사면의 안정성을 비교.분석 하였다.
- 충남 성환지방과 경기 옥수지방을 대상으로 해석한 불포화지반의 해석시, 포화깊이의 전체 변화구간에서 안전율의 변화가 극히 적게 나타나 포화깊이 0.5m와 1m의 두가지의 경우를 대상으로 wetting front suction 값에 따라 비교하였으며 그 결과는 그림 27과 그림 28 과 같다.
- 본 연구에서는 3가지의 입도로 구성된 총 23개의 화강풍화토 시료를 대상으로 tensiometer 의 측정과 Filter Paper법에 의해 함수특성곡선을 산정하였다. 측정값 중에서 오차가 많고, fitting하는 과정에서 많이 벗어나는 측정값들을 제거시킨 다음, 곡선형태에 맞게 값들을 정리하였다. 특히, 공기함입치를 나타내는 포화 근처의 suction값들은 여러 번의 실험을 통해 측정하여 그 정확도를 높혔다.
- 그림 29와 그림 30은 포화지반으로 해석한 사면의 안전율과 불포화지반정수를 적용해서 얻은 안전율을 비교한 것이다. 포화지반과 불포화지반 모두 내부마찰각 25°, 29°, 33°를 갖는 강도정수의 값을 토대로 비교하였다. 불포화지반에서는 포화깊이보다 wetting front suction 값이 안전율에 더 큰 영향을 미치고 wetting front suction 값이 크면 클수록 안전율이 증가함을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 본 실험은 ASTM D5298-94에 규정되어 있으며, 시료의 함수비를 감지 할 수 있는 크기로써 지름이 55 mm인 원형 Filter Paper를 이용하였다. 그리고, 실험규정에 있는 Whatman No. 42와 Schleicher and Schuell No. 589 White Ribbon을 사용하여 실내실험을 수행하였다.
- 5m 정도로 다양하다. 본 실험에서는 15cm의 크기를 사용하였다. Tensiometer는 물의 공동현싱.
- 본 실험은 ASTM D5298-94에 규정되어 있으며, 시료의 함수비를 감지 할 수 있는 크기로써 지름이 55 mm인 원형 Filter Paper를 이용하였다. 그리고, 실험규정에 있는 Whatman No.
데이터처리
- 본 연구에서는 Green & Ampt의 모델식을 이용하여 강우시 예측된 포화깊이를 2차원 불포화 침투해석이 가능한 상용프로그램인 SEEP/W(GEO-SLOPE International, 1994) 해석값과 비교.분석하였다.
- 침투해석으로 추정한 포화깊이를 이용하여 불포화 상태를 고려할 수 있는 한계평형해석 상용 프로그램인 SLOPE/W(Geo-Slope International, 1994)를 사용하여 사면안정 해석을 수행하였다. 본 실험으로 산정된 화강풍 화토의 함수특성곡선으로 불포화지반의 강도정수를 계산해 안정성 검토를 하였다.
이론/모형
- 다음 그림 8~그림 13은 실험을 통해 얻어진 suction값들을 최적화하여 곡선으로 표현한 것이다. 3가지 풍화토 시료에 따라 van Gmuchten과 Fredlund & Xing의 식으로 나타내었다. 두 방정식은 간극크기 분포함수(Leong and Rahardjo, 1997)를 이용하여 a, n, m는 같은 유형으로 변화한다.
- 강우시 무한사면에 침투하는 침투수에 의해 발생하는 포화깊이는 표면파괴 또는 사면의 내부파괴를 일으키는데 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 이런 사면의 포화깊이를 파악하기 위해 Green & Ampt의 모델식을 이용하였다. 국내 여러 곳의 화강풍화토를 대상으로 식 (2)와 식 (6)을 적용하여 산정하였으며, 그 결과는 그림 14에서부터 그림 16과 같다.
- 불포화 지반의 함수특성곡산을 구하기 위해서 tensiometer 의 제한적인 측정 범위 때문에 Filter Paper 방법을 병용하여 실험하였다. Filter Paper는 습도와 용기내의 따뜻한 환경으로 인해 유기적인 작용과 생물학적인 분해작용이 없는 제품이 필요하다.
- 불포화 지반의 흐름을 간편하게 해석하는 방법으로는 LumbS] 습윤대법 (wetting band method)과 Green & Ampt의 모델식이 이용된다. 또한 강우의 재현기간을 이용한 Pradel과 Raad의 해석 방법 역시 Green & Ampt의 모델식이 근간을 이루고 있다.
- 국내 화강풍화토를 대상으로 통일분류법에 의하여 입도를 SW, SP, SM의 세가지로 나누어 함수특성곡선 실험을 수행하였다. 풍화토의 전흡수력의 전구간을 측정하기 위하여 Filter Paper 방법을 사용하였으며, tensiometer 를 사용하여 측정값의 정확도를 확인하였다.
성능/효과
- (1) 화강풍화토를 대상으로 실험한 함수특성곡선에서 SW, SP, SM의 3가지 곡선의 형태는 모래질 흙과 점토질 흙의 중간단계에서 곡선의 형태가 유지되었으며, 각각의 곡선형태 또한 SP는 모래질 흙, SM은 점토질 흙의 곡선변화에 유사하였고, 그 중간 형태로 SW의 곡선이 위치하였다.
- (2) 최근까지 포화깊이를 추정하는데 사용되는 Green & Ampt의 모델식은 초기 대입되는 투수계수 값이 포화투수계수 값으로써 현장지반에 적용되는 불포화투수계수와 많은 차이를 나타내며, 특히 강우강도와 강우지속시간의 관계에서 실제로 적용되는 값들을 비교할 때, 실제 포화깊이보다 과대 추정할 수 있다.
- (3) Green & Ampt의 모델식과 수치해석의 포화깊이 비교에서 wetting front suction값에 따라 변하는 포화 깊이는 그 수치가 80cm를 전·후로 포화되는 값들이 유사하며 그 이상과 그 이하의 값들에 대해서는 점점 더 오차가 커지는 변화를 볼 수 있었다. 이와 같이, wetting front suction값에 의해 변하는 포화깊이를 고려할 때, Green & Ampt의 모델식의 제한적인 적용범위를 알 수 있었다.
- (4) 포화깊이가 대략 1.3m 정도에서부터 안전율이 급격히 떨어짐을 알 수 있었다. 즉 포화깊이 L3m는 얕은 파괴가 이루어지는 임계파괴깊이 임을 알 수 있 었다.
- 곡선식에서 공기함입값을 표현하는 변수 a 값의 변화로 SW, SP, SM의 유형 변화를 알 수 있다. No. 200체의 통과량이 많은 SM의 변수 a 값이 세립질이 비슷한 SW와 SP보다 비교적 큰 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. Fredlund & Xing의 식에서, SW의 변수 a가 SM과 SP의 중간의 값으로 표현되고 있음을 알 수 있다.
- 강우강도-포화깊이 관계도는 각 지역마다 초기체적 함수비에서 강우지속시간을 일정하게 증가하며 침투되어 젖은 경계면(wetting fisit)의 suction값의 크기에 따라 비교한 그래프들이다. 강우지속시간은 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 24, 48, 72, 96시간으로써 11가지로 나누어 비교한 결과 Green & Apmt의 모델식 특성상 강우지속시간과 강우강도는 반비례 경향을 보였다.
- 그림 5~그림 7에 나타난 바와 같이 tensiometer의 측정값들은 대략 0~90kPa정도의 범위 내에 있었다. 그리고 Filter Paper법으로 측정된 넓은 범위의 값들과 비교 할 때, 비교적 좁은 범위이지만 전체적인 곡선의 유형에 접근하고 있음을 알 수 있었다.
- 포화깊이에 영향을 주는 요소 중에서 가장 큰 영향을 주는 요소는 현장 사면의 초기지반 상태이다. 무한사면의 자연함수비인 초기체적함수비가 클수록 같은 wetting front suction과 같은 시간에 따라 포화깊이에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 본 실험에서도 흙의 두 가지 특성인 SW와 SM을 비교할 때 공통적으로 wetting front suction값 80cm을 중심으로 Green & Ampt의 모델식과 수치해석의 포화깊이가 유사한 값을 나타내며 80cm보다 작거나 큰 값에서는 점점 오차가 커진다는 것을 알 수 있었다.
- 포화지반과 불포화지반 모두 내부마찰각 25°, 29°, 33°를 갖는 강도정수의 값을 토대로 비교하였다. 불포화지반에서는 포화깊이보다 wetting front suction 값이 안전율에 더 큰 영향을 미치고 wetting front suction 값이 크면 클수록 안전율이 증가함을 알 수 있었다.
- 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 포화깊이를 추정한 결과, 포화깊이는 사면경사의 변화에는 영향을 보이지 않고, 함수특성곡선에 의해 변하는 불포화지반의 투수계수와 지반에 침투되어 포화깊이를 형성하게 하는 wetting front suction값에 큰 영향을 받고 있었다.
- (3) Green & Ampt의 모델식과 수치해석의 포화깊이 비교에서 wetting front suction값에 따라 변하는 포화 깊이는 그 수치가 80cm를 전·후로 포화되는 값들이 유사하며 그 이상과 그 이하의 값들에 대해서는 점점 더 오차가 커지는 변화를 볼 수 있었다. 이와 같이, wetting front suction값에 의해 변하는 포화깊이를 고려할 때, Green & Ampt의 모델식의 제한적인 적용범위를 알 수 있었다.
후속연구
- 즉, 사면의 전단강도를 증가시키는 지표면에서의 음의 간극수압(suction)의 감소로 인한 강도의 저하가 얕은 사면파괴의 주된 원인인 것으로 알려져 있다(Ng & Shi, 1998). 이에, 국내에 널리 분포하는 화강풍화토의 특징과 현장사면의 환경을 반영할 수 있는 불포화사면의 강도특성에 대한 연구 또한 고려되어야 할 사항이다.
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