다짐지반에 조성되는 굴착사면의 비등방성 전단강도를 고려한 안정성 분석 Stability Analyses for Excavated Slopes Considering the Anisotropic Shear Strength of the Layered Compacted Ground원문보기
원 지반을 성토하여 인공적으로 형성된 다짐지반에 터파기를 하여 관을 매립하거나, 암거를 설치하는 작업을 수행 하는 경우가 자주 있다. 이 때 조성되는 임시굴착사면의 기울기를 적용함에 있어서 실험이나 사면안정해석 등의 적절한 과정을 수행하지 않음으로 인해 사면붕괴가 발생하여 인명 피해는 물론이고 공기의 지연 및 공사비의 증액 등 크고 작은 손실을 초래하고 있다. 본 논문에서는 이러한 임시사면의 안정성 검토를 위해 대표적인 경우들에 대한 사면안정해석을 수행하였으며, 특히 사면안정에 대한 다짐지반의 비등방성에 따른 전단강도의 영향을 검토하였다. 해석에서 적용한 다짐지반의 비등방성 전단강도는 전단면과 다짐층 간의 경사를 변화시키면서 수행한 일련의 직접전단시험으로부터 추정하였다. 해석 결과, 비등방성을 고려하는 지의 여부에 따라서 임시사면의 적절한 안정기울기가 소폭으로 변화할 가능성이 있음을 알았다. 그러나, 이에 따른 안전율의 변화나 파괴면의 양상은 그리 크게 변하지 않는 것으로 나타났다.
원 지반을 성토하여 인공적으로 형성된 다짐지반에 터파기를 하여 관을 매립하거나, 암거를 설치하는 작업을 수행 하는 경우가 자주 있다. 이 때 조성되는 임시굴착사면의 기울기를 적용함에 있어서 실험이나 사면안정해석 등의 적절한 과정을 수행하지 않음으로 인해 사면붕괴가 발생하여 인명 피해는 물론이고 공기의 지연 및 공사비의 증액 등 크고 작은 손실을 초래하고 있다. 본 논문에서는 이러한 임시사면의 안정성 검토를 위해 대표적인 경우들에 대한 사면안정해석을 수행하였으며, 특히 사면안정에 대한 다짐지반의 비등방성에 따른 전단강도의 영향을 검토하였다. 해석에서 적용한 다짐지반의 비등방성 전단강도는 전단면과 다짐층 간의 경사를 변화시키면서 수행한 일련의 직접전단시험으로부터 추정하였다. 해석 결과, 비등방성을 고려하는 지의 여부에 따라서 임시사면의 적절한 안정기울기가 소폭으로 변화할 가능성이 있음을 알았다. 그러나, 이에 따른 안전율의 변화나 파괴면의 양상은 그리 크게 변하지 않는 것으로 나타났다.
To construct pipe lines, culverts, or other utility lines, temporary slopes formed by excavating the compacted embankment are frequently met with in the field. Ignoring stability analyses for such slopes and applying inappropriate slope inclinations often result in safety problems. In this study, st...
To construct pipe lines, culverts, or other utility lines, temporary slopes formed by excavating the compacted embankment are frequently met with in the field. Ignoring stability analyses for such slopes and applying inappropriate slope inclinations often result in safety problems. In this study, stability of such slopes were investigated considering the influence of anisotropic shear strength of the layered compacted ground. A series of stability analyses were conducted for slopes varying the slope angle and the height, and assuming isotropic and anisotropic shear strength conditions, respectively. The anisotropic shear strength of the compacted soil was determined from the direct shear test for layered soil blocks varying the inclination angle between the horizontal shear surface and the direction of the soil layer. As a result of the analyses, it has been concluded that the appropriate slope inclination f3r a temporary slope could vary in accordance with the consideration of anisotropy. However, the factor of safety as well as the location of the failure surface did not show significant variation.
To construct pipe lines, culverts, or other utility lines, temporary slopes formed by excavating the compacted embankment are frequently met with in the field. Ignoring stability analyses for such slopes and applying inappropriate slope inclinations often result in safety problems. In this study, stability of such slopes were investigated considering the influence of anisotropic shear strength of the layered compacted ground. A series of stability analyses were conducted for slopes varying the slope angle and the height, and assuming isotropic and anisotropic shear strength conditions, respectively. The anisotropic shear strength of the compacted soil was determined from the direct shear test for layered soil blocks varying the inclination angle between the horizontal shear surface and the direction of the soil layer. As a result of the analyses, it has been concluded that the appropriate slope inclination f3r a temporary slope could vary in accordance with the consideration of anisotropy. However, the factor of safety as well as the location of the failure surface did not show significant variation.
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문제 정의
층별 다짐으로 성토된 지반의 다짐층이 수평으로 조성되는 것으로 가정할 때, 이들 사이각은 그림 2에 보인 바와 같다. 본 논문에서는 대표적으로 0\ 30\ 45。, 90。의 사이각을 선택하여 이들의 변화가 비등방성으로 작용하여 성토층의 전단 강도에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다.
이러한 배경에서 본 논문에서는 다짐으로 층이 진, 즉비등방성 지반을 굴착할 경우에 형성되는 굴착 사면의기울기 변화에 따른 안전율의 변화를 비등방성을 고려하여 분석하고자 한다. 해석에서 적용할 비등방성을 고려한 지반의 전단강도정수(Z %、)는 시료의 다짐층과전단면 간의 사이각을 변화시킨 다짐시료들에 대한 직접전단시험을 통해 추정하였다.
해석에서 적용할 비등방성을 고려한 지반의 전단강도정수(Z %、)는 시료의 다짐층과전단면 간의 사이각을 변화시킨 다짐시료들에 대한 직접전단시험을 통해 추정하였다. 이렇게 구한 비등방성전단강도를 사면안정해석에 적용하여 비등방 전단강도조건의 지반을 임시굴착하여 조성되는 사면의 안정성을 평가해 보았다.
가설 설정
m, 5 m의 경우를 가정하였다. 사면은 균질한 성토재료를 층 다짐하여 조성하여 근본적으로 비등방성 전단강도 특성을 보이는 것으로 가정하였다. 이러한 조건의사면에 대하여 사면 기울기를 1:0 = 90°), 1:0.
지반의 비등방성을 고려한 해석의 경우에 전단 강도 정수는 사면안정해석 시의 가상 파괴면과 수평면이 이루는 사이각의 변화에 따라서 변화하는 것으로 가정한다. 사이각 변화에 따른 전단강도정수의 변화를 해석에서 고려하기 위해 입력한 자료를 표 5에 정리하였다.
해석 대상 성토지반 굴착사면의 사면고는 2 m, 3 m, 4 m, 5 m의 경우를 가정하였다. 사면은 균질한 성토재료를 층 다짐하여 조성하여 근본적으로 비등방성 전단강도 특성을 보이는 것으로 가정하였다.
해석방법은힘과 모멘트에 대한 평형을 모두 만족시키는 Spencer방법(Spencer, 1967)을 적용하였으며, 유효응력 조건에 대해서 사면 내에 간극수압은 없는 것으로 가정한 해석을수행하였다. 해석에서 다룬 사면은 기울기가 급하고, 지반이 점착력을 가지므로 사면안정해석에서 수렴의 문제가 발생하였다.
제안 방법
다양한 기울기와 사면고를 갖는 다짐지반에 조성되는 임시 굴착사면들에 대해서 등방 및 비등방 전단강도조건에 대한 사면안정해석을 수행하였다. 해석방법은힘과 모멘트에 대한 평형을 모두 만족시키는 Spencer방법(Spencer, 1967)을 적용하였으며, 유효응력 조건에 대해서 사면 내에 간극수압은 없는 것으로 가정한 해석을수행하였다.
다짐 성토지반에 조성되는 굴착사면에 대해서 적절한 안정 기울기를 검토하기 위하여 지반을 등방성으로고려한 경우와 비등방성을 고려한 경우에 대한 사면안정해석을 수행하고 결과를 비교 . 검토하였다.
다짐토의 비등방성을 고려한 전단강도를 구하기 위해서 실험실에서 다짐으로 성형한 전단시료들에 대한 일련의 직접전단시험을 수행하였다.
45°, 90。로 성형된 각 시료들에 대해서 수직하증 20 kg, 40 kg, 60 kg에 대한 직접전단실혐을 수행하였다. 유효응력에 대한 전단강도를 구하기 위하여 전단에 앞서서 시료를 전단상자에 정치하고 1일 간의 수침과정을 거친 후 전단하였다.
각 층의다짐이 끝나면 소량의 석회가루를 뿌려 층 구조를명확하게 구분할 수 있도록 하였다. 성형하고자 하는직접전단시험 시료의 치수는 직경 6 cm, 두께 2.5 cm이므로 층별 다짐 시에 조성되는 층의 두께를 최대 2 cm 이하로 조절하여 사이각(a)이 0°인 경우를 제외하고는 성형된 시료 내에서 적어도 3개의 다짐 층을 포함하는 시료를 얻을 수 있도록 하였다. 최종적으로 얻는 건조밀도는 다짐실험에서 구한 최대 건조밀도의 95% 이상을 얻을 수 있도록 수회의 시행착오를 거쳐 적절한 다짐 횟수를 정해 적용하였다.
수행하였다. 유효응력에 대한 전단강도를 구하기 위하여 전단에 앞서서 시료를 전단상자에 정치하고 1일 간의 수침과정을 거친 후 전단하였다. 전단속도는 0.
사면은 균질한 성토재료를 층 다짐하여 조성하여 근본적으로 비등방성 전단강도 특성을 보이는 것으로 가정하였다. 이러한 조건의사면에 대하여 사면 기울기를 1:0 = 90°), 1:0.3 =73°), 1:0.4 (8 = 68°), 1:0.5 (/? = 63°), 1:0.6 (/3 = 59°), 1:0.7 (、B = 55°), 1:0.8 (、B = 51°)로 변화시킨각각의 경우에 대한 사면안정해석을 수행하였다. 해석대상 사면의 개략도를 나타내면 그림 3과 같다.
따라서 본 논문의 해석에서도 인장균열을 고려하였다. 적용한 인장균열 깊이는 해석 시에 절편에 작용하는 측면력이 인장의 조건이 되지 않는 최소 깊이의인장균열을 시행착오로 찾아 적용하였다.
직접 전단실험 시 사용할 시료의 성형조건을 결정하기 위해서 채취된 흙에 대한 물리적 특성실험과 다짐실험을 실시하였다. 실험을 수행한 결과 물리적 특성에 대해서는 표 에 정리한 바와 같은 결과를 얻었다.
5 cm이므로 층별 다짐 시에 조성되는 층의 두께를 최대 2 cm 이하로 조절하여 사이각(a)이 0°인 경우를 제외하고는 성형된 시료 내에서 적어도 3개의 다짐 층을 포함하는 시료를 얻을 수 있도록 하였다. 최종적으로 얻는 건조밀도는 다짐실험에서 구한 최대 건조밀도의 95% 이상을 얻을 수 있도록 수회의 시행착오를 거쳐 적절한 다짐 횟수를 정해 적용하였다.
층다짐으로 인한 성토지반의 비등방 전단강도 특성을 사면안정해석에서 고려하기 위해, 수평면인 다짐 층과 굴착사면에 발달하는 가상 파괴면이 이루는 사이각 (a)의 변화에 따른 전단강도 정수의 변화를 일련의 직접 전단실험을 통해 알아보았다. 층별 다짐으로 성토된 지반의 다짐층이 수평으로 조성되는 것으로 가정할 때, 이들 사이각은 그림 2에 보인 바와 같다.
분석하고자 한다. 해석에서 적용할 비등방성을 고려한 지반의 전단강도정수(Z %、)는 시료의 다짐층과전단면 간의 사이각을 변화시킨 다짐시료들에 대한 직접전단시험을 통해 추정하였다. 이렇게 구한 비등방성전단강도를 사면안정해석에 적용하여 비등방 전단강도조건의 지반을 임시굴착하여 조성되는 사면의 안정성을 평가해 보았다.
대상 데이터
실험에서 사용한 흙은 충남 천안의 공사현장에서 성토재료로 사용된 것으로 현장에서 직접 채취하였다. 직접 전단실험 시 사용할 시료의 성형조건을 결정하기 위해서 채취된 흙에 대한 물리적 특성실험과 다짐실험을 실시하였다.
이론/모형
사면파괴 시에 인장균열이 발생하는것으로 가정하는 경우에 이러한 문제를 극복할 수 있으며, 이는 사면의 실제 거동을 적절히 반영하는 것으로판단된다. 따라서 본 논문의 해석에서도 인장균열을 고려하였다. 적용한 인장균열 깊이는 해석 시에 절편에 작용하는 측면력이 인장의 조건이 되지 않는 최소 깊이의인장균열을 시행착오로 찾아 적용하였다.
검토하였다. 사면안정해석에는 지반의 비등방성을 고려한 해석을 수행할 수있는 사면안정 해석프로그램(Wright, 1990)을 사용하였다.
시료의 다짐 특성을 알기 위해 KS F 2312의 A-1 방법을 이용한 다짐시험을 실시하였다. 다짐실험 결과는 그림 1 에 보인 바와 같으며, 대상시료의 최적함수비 ( 3 硕 )는 19%, 최대건조밀도( )는 1-67 ton/n?으로 구해졌다.
성능/효과
(1) 층별 다짐으로 성형한 시료에 대해서 다짐층과 전단면간의 사이각이 변화하는 조건들에 대한 직접전단시험결과, 사이각의 변화에 따라서 구해진 전단강도정수가 변화하는 것으로 나타났으며, 따라서 다짐지반은 근본적으로 비등방 전단강도 특성을 가지는 것으로 판단되었다.
그러나, 적정 안전율 확보를 위한 사면 기울기의 기준제시에 있어서는 사면안정해석 시의 비등방성 전단 강도 고려여부가 소폭으로 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단되었다.
그림의결과로부터 판단할 때, 최소안전율을 가지는 파괴면은 지반의 비등방성 고려여부에 따라 소폭 변화하는 것으로 나타났으나 그리 크게 변화하지는 않는 것으로 나타났다.
5 등 4가지 경우에 대해서는 최적안전율을 만족하는 사면의 기울기가 지반의 비등방성 고려 여부에 따라 변화할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서비등방성 고려 여부에 따른 안전율의 변화는 그리 크지 않을지라도, 사면설계에서 최적 안정기울기를 제시함에 있어서는 지반의 비등방성 고려여부가 결과에 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단되었다.
06 kg/cm2 정도로 감소되는 경향을 나타냈다. 또한, 이들 결과로부터 비등 방 전단강도 추정에 있어서 시료 성형 시와 직접 전단 압밀 시의 응력조건이 상이함으로 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단되었다.
(2) 다짐층과 전단면간의 사이각(a)이 60。로 삼축압축시험에서의 전단조건과 유사한 경우에 대한 등방성 해석 결과를 비등방성 해석 결과와 비교할 때, 이들 전단 강도 특성의 변화는 사면의 안전율과 파괴 면의 양상에 크게 영향을 미치지는 않는 것으로 나타났다. 그러나, 적정 안전율 확보를 위한 사면 기울기의 기준제시에 있어서는 사면안정해석 시의 비등방성 전단 강도 고려여부가 소폭으로 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단되었다.
이들 기준에 근거하여 본 논문에서 다룬 각 굴착 깊이 의사 면에 대해 적절한 사면안정기울기를 판단하여 결과를 표 7에 정리하였다. 표 7의 결과를 살펴보면 사면고 3 tn와 안전율 1.5, 사면고 4 m와 안전율 1.3, 사면고 5 m와 안전율 1.3과 1.5 등 4가지 경우에 대해서는 최적안전율을 만족하는 사면의 기울기가 지반의 비등방성 고려 여부에 따라 변화할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서비등방성 고려 여부에 따른 안전율의 변화는 그리 크지 않을지라도, 사면설계에서 최적 안정기울기를 제시함에 있어서는 지반의 비등방성 고려여부가 결과에 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단되었다.
후속연구
이는 등방성 지반에 있어서 적용한 전단강도가 사이각 60。에 대한 값들로 적용되었고, 이 전단강도가 전반적으로 사면의 파괴면에서 발생하는 전단강도를 적절히 반영하고 있기 때문인 것으로 판단된다. 그러므로 본 논문에서 다룬 사면의 경우에 다짐지반의 비등방성을 고려하지 않는다 할 지라도 삼축압축시험 결과로부터 구한 전단강도 혹은 삼축압축시험의전단면과 동일한 면에 대해 수행한 직접전단시험 결과를활용하는 경우에 실제와 유사한 안전율을 구할 수 있을것으로 기대된다. 그러나 직접전단시험을 다짐층을 고려하지 않고 통상적으로 수행하는 경우에 구해지는 전단강도 정수는 사이각이 0° 인 경우가 될 것이므로 안전율이다소 과소평가 될 우려가 있을 것으로 예상된다.
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