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문제 정의
- 이 연구의 목적은 현장계측을 통해 기후조건의 변화에 따른 불포화 화강풍화토 사면내의 모관흡수력의 변 화양상을 모니터링하여 여름철 집중호우와 사면내의 모 관흡수력 분포간의 상관관계를 찾아보는 것이다. 현장 계측시에 모관흡수력과 더불어 체적함수비도 함께 모니터 링하여 우기시 현장의 실제 흙수분 특성도 파악하였다.
- 그림 10에서 보듯이 시 행착오 끝에 결정된 표 2의 입력자료를 이용한 최종 투 수해석 결과는 실제 현장계측 된 결과와 비교적 잘 맞는 것을 알 수 있다. 이러한 결과들을 역해석함으로써 증발 산율을 산정하는 방법을 찾고자 하였다.
제안 방법
- 사면내의 모관흡수력의 변화를 모니터링하기 위해서 jet fill tensiometer를 사용하였고 자동계측을 위해 pressure transducer를 장착하였다. 3개를 하나의 그룹으로 사면의 상부쪽(U)과 하부쪽(D)에 2그룹을 설치하여 총 6개 의 장력계를 설치하였다. 각 그룹내의 3개의 장력계는 0.
- 모관흡수력 값을 자동계측하기 위해서 총 6개의 pressure transducer를 jet-fill tensiometer에 모두 장착하 였다. 6개의 pressure transducer, 2개의 CS615 및 1개의 TE525MM을 데이터로거 인 CR10X에 연결하였다. 계측된 데이터는 일정시간 간격을 두고 데이터로거의 기억 장치에 기록된다.
- Soilmoisture사의 jet-fill tensiometer(장력 계)를 사용하여 모관흡수력을 계측하였다. 장력계는 지반 내의 음의 간극수압을 측정하게 된다.
- 8m 깊이에서 지하수위를 발견하였기 때문에 이 러한 초기조건 설정이 가능하다고 생각된다. Transient 해석시에, 포장도로에 해당하는 AE면을 불투수층으로 간주하였으며 사면표면에 pond가 형성되지 않도록 경 계조건을 설정하였다.
- Transient 해석의 매 시간 구간(time step)마다 계측값과 해석값을 비교하여 서로 다를 경우 해당 시간 구간의 일 증발산율을 조정 적용하여 그 시간 구간에 대한 해석을 다시 하는 방법으로 수치해석을 수행하였다. 시행착오 끝 에 수치해석에 최종적으로 적용한 입력치 들을 정리하면 표 2와 같다.
- 3개를 하나의 그룹으로 사면의 상부쪽(U)과 하부쪽(D)에 2그룹을 설치하여 총 6개 의 장력계를 설치하였다. 각 그룹내의 3개의 장력계는 0.5m 간격으로 매설하였으며, 각각 0.4m, 0.8m, 1.2m의 심도로 묻었다. 또한, 사면내의 체적함수비 변화를 모니 터링하기 위해서 Campbell사의 CS615 함수비센서를 사용하였다.
- 강우량은 국부적으로도 차이를 나타낼 수 있기 때문에 자동 강우기록장치를 이용하여 현장의 강우량을 실측하였다. Campbell사의 TE525MM은 O.
- 2m 심도에 각각 1 개씩 총 2개를 매설하였다. 그리고, 실험 영 역의 하단부에 강우계를 설치하여 현장의 강우자료를 자동계측 하였다.
- 기후조건의 변화에 따른 불포화 풍화토 사면의 거동 특성을 알아보기 위해서 강우량, 모관흡수력 및 체적함 수비에 대한 현장 모니터링을 수행하였다. 이러한 현장 계측은 강우로 인한 사면파괴가 빈번히 발생하는 집중 호우 기간인 2001년 6월에서 8월까지 이루어졌으며, 그 결과는 수치해석 결과와 비교자료로 사용하였다.
- 그림에 나타낸 모관흡수력 값은 매일 자정(24:00시)의 값을 사용한 것이다. 또한, 위 기간 중 강우량이 많았던 두 기간(7월 14일〜7월 15일, 7월 29〜8월 1일)에 대해서는 시간별 변화양상을 추가하였다
- 또한, 사면내의 체적함수비 변화를 모니 터링하기 위해서 Campbell사의 CS615 함수비센서를 사용하였다. 사면 상부쪽 U 지점에 0.4m 심도와 1.2m 심도에 각각 1 개씩 총 2개를 매설하였다. 그리고, 실험 영 역의 하단부에 강우계를 설치하여 현장의 강우자료를 자동계측 하였다.
- 계측장비의 위치 및 배치를 그림 2에 나타내었다. 사면내의 모관흡수력의 변화를 모니터링하기 위해서 jet fill tensiometer를 사용하였고 자동계측을 위해 pressure transducer를 장착하였다. 3개를 하나의 그룹으로 사면의 상부쪽(U)과 하부쪽(D)에 2그룹을 설치하여 총 6개 의 장력계를 설치하였다.
- 실험장소로 선정된 영역은 사면의 정상부가 도로와 맞닿아 있어서 사면 정상부에서의 유량 출입은 불가능했으며 대략 30。정도 의 일정한 경사를 갖고 있었다. 사면표면의 비교적 균일 한 증발산의 영향이외에 나무뿌리 등으로 인한 불균일한 증발산의 영향을 최소화하기 위해서 사진 1에서 보듯이 나무식생과 떨어진 지점을 실험영역으로 선정하였다.
- 이와 같은 현장 모니터링은 실제지반의 불포화상태 거동을 이해하고 사면의 안정성을 보다 실제적이고 합리적으로 평가하는데 도움을 줄 것이다. 이 연구에서는 현장 모니터링 이외에, 범용 프로그램인 GEO-SLOPE사 의 SEEP/W를 이용한 수치해석도 병행되었다. 이러한 투수해석결과를 현장계측 결과와 비교하여 강우에 따른 현장의 지반상태를 모사할 수 있는 방법에 대한 연구 가 시도되었다.
- 현장 계측된 강우데이터는 사면표면의 유입유량 경계 조건으로 사용하였으며, 비 강우시의 증발산량을 유출 유량 경계조건으로 고려하였다. 일별 증발산율은 현 장계측결과와 해석결과가 잘 맞도록 시행착오적으로 조정하여 사용하였다.
- 해석의 초기조건을 얻기 위해, 그림 9의 AB면과 CD면 에서 지표면 아래 1.8m 이흐}로는 정수두(constant head) 경계조건으로 하고 BC면은 불투수층으로 간주하여 steady-state해석을 수행하였다. 6월 14일 전후에 현장계 측 된 모관흡수력의 연직분포(profile shape)가 정수압 분포(hydrostatic line)와 유사하게 나타났으며, 당시 현 장 사면의 상부 및 하부에서 핸드오거 보링을 실시한 결 과 약 1.
- 현장 계측된 강우데이터는 사면표면의 유입유량 경계 조건으로 사용하였으며, 비 강우시의 증발산량을 유출 유량 경계조건으로 고려하였다. 일별 증발산율은 현 장계측결과와 해석결과가 잘 맞도록 시행착오적으로 조정하여 사용하였다.
- 이 연구의 목적은 현장계측을 통해 기후조건의 변화에 따른 불포화 화강풍화토 사면내의 모관흡수력의 변 화양상을 모니터링하여 여름철 집중호우와 사면내의 모 관흡수력 분포간의 상관관계를 찾아보는 것이다. 현장 계측시에 모관흡수력과 더불어 체적함수비도 함께 모니터 링하여 우기시 현장의 실제 흙수분 특성도 파악하였다. 이와 같은 현장 모니터링은 실제지반의 불포화상태 거동을 이해하고 사면의 안정성을 보다 실제적이고 합리적으로 평가하는데 도움을 줄 것이다.
- 현장 모니터링 된 불포화 토사사면의 실제 거동을 모사하기 위해 범용 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 투수 해석을 수행하였으며, 현장계측 결과와 잘 맞도록 많은 시행착오를 행하였다.
- 따라서, 흙수분 특성 곡선 의 선정은 해석 결과에 영향을 미친다. 현장계측을 수행 한 기간동안에 지반의 상태는 건조과정보다는 습윤과정 이 주가 되므로 수치해석시 흙-수분 특성 곡선으로 습윤 경로(wetting path)를 사용하였으나, 이번에는 건조경로 (drying path)를 사용하여 그 결과를 그림 11 에서 비교하 여 보았다. 표 2에 나타난 입력자료를 적용한 경우를 *mean value case' 라 하고, 흙-수 분특성곡선으로 건조경 로를 사용한 경우를 'perturbed case' 라 하였다.
대상 데이터
- 기타 기본 적인 물성치는 표 1에 정리하였다. 또한, 이현장 시료에 대한 壽수분 특성곡선을 얻기 위해 템피셀을 사용하였으며, 실험 시료는 현장 사면으로부터 150xl50xl50mm3 의 블록을 불교란 상태로 절취하여 알루미늄 링에 직접 트리밍하여 성형하였다. 건조과정과 습윤과정을 모두 수행하여 그림 1과 같은 흙-수분 특성곡선을 얻을 수 있 었다.
- 실험장소는 고려대학교 의과대학 부근의 잔디로 뒤덮인 사면에 잡았다. 핸드오거 보링을 실시한 결과 평균적 으로 사면표면부근 2m 심도까지는 화강풍화토로 이루 어져 있으며, 그 아래로는 풍화암이 존재하고 있었다.
- 기후조건의 변화에 따른 불포화 풍화토 사면의 거동 특성을 알아보기 위해서 강우량, 모관흡수력 및 체적함 수비에 대한 현장 모니터링을 수행하였다. 이러한 현장 계측은 강우로 인한 사면파괴가 빈번히 발생하는 집중 호우 기간인 2001년 6월에서 8월까지 이루어졌으며, 그 결과는 수치해석 결과와 비교자료로 사용하였다.
- 8m 정도였다. 이번 현장계측을 위해서 대략 폭 8m에 길이 12m 정도의 영역을 선정하였다. 실험장소로 선정된 영역은 사면의 정상부가 도로와 맞닿아 있어서 사면 정상부에서의 유량 출입은 불가능했으며 대략 30。정도 의 일정한 경사를 갖고 있었다.
이론/모형
- 2m의 심도로 묻었다. 또한, 사면내의 체적함수비 변화를 모니 터링하기 위해서 Campbell사의 CS615 함수비센서를 사용하였다. 사면 상부쪽 U 지점에 0.
- 사면내의 체적함수비는 Campbell사의 CS615를 이용하여 계측하였다. CS615는 전자기파에 대한 유전상수의 변화를 이용하여 체적함수비를 간접적으로 나타낸다.
성능/효과
- (1) 기후조건에 따라 지반내의 모관흡수력은 변화하였 으며 그 변화의 폭은 깊이에 따라 감소하는 경향을 보였다. 즉, 지반내 모관흡수력은 지표면에서 가까 운 곳에서 기후조건에 큰 영향을 받았다.
- (2) 강우의 지반내 침투로 인한 모관흡수력의 감소는 깊 이에 따라 시간적인 지체현상을 보였다. 따라서, 강 우로 인한 사면의 안정성 저하는 강우가 멈춘 뒤에도 계속 될 가능성이 있을 것으로 사료된다.
- (3) 강우 침투로 인한 모관흡수력의 감소 폭은 강우 직 전의 지반 내 모관흡수력의 분포에도 큰 영향을 받 는 것으로 나타났다. 강우 직전의 지반 내 모관흡수 력이 큰 경우에는 작은 강우라 하더라도 모관흡수력 을 크게 감소시킬 수 있었다.
- (4) 강우강도 뿐만 아니 라 강우지속시간 또한 사면의 안 정성에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 큰 강 우라 하더라도 지속시간이 짧은 경우에는 감소되었 던 모관흡수력의 회복이 빨리 이루어졌다.
- (5) 우기의 현장 흙■수분 특성은 실내실험에서 얻은 흙 수분 특성곡선의 습윤경로(wetting path)를 따르는 것으로 나타났다.
- 그림 9의 유한요소망에는 현장계측시 모관흡수력 등 을 계측하였던 측점들이 포함되어 있다. 따라서, 수치해 석의 결과 중에서 상기 6개 측점에 해당하는 노드(node) 에서의 결과값이 계측치와 근사하게 나타난다면 수치 해석의 결과에 신빙성을 둘 수 있을 것이다.
- 4m 깊이에서의 모관흡수력의 감소폭은 다른 큰 강우들에 의한 감소폭 보다도 컸다. 또한, 강우량은 15일의 경우에 더 많았지만 그 강우 직 전의 비로 인해 지반이 이미 습윤해져 있는 상태 였으므 로 더 작은량의 강우를 기록한 29일의 경우보다 모관흡 수력의 감소 폭이 상대적으로 적었음을 확인할 수 있다. 강우직전의 모관흡수력이 더 높아져 있는 경우에 강우 로 인한 침투가 더 원활히 이루어지므로 흡수력의 감소 폭이 더 클 것이다.
후속연구
- 현장 계측시에 모관흡수력과 더불어 체적함수비도 함께 모니터 링하여 우기시 현장의 실제 흙수분 특성도 파악하였다. 이와 같은 현장 모니터링은 실제지반의 불포화상태 거동을 이해하고 사면의 안정성을 보다 실제적이고 합리적으로 평가하는데 도움을 줄 것이다. 이 연구에서는 현장 모니터링 이외에, 범용 프로그램인 GEO-SLOPE사 의 SEEP/W를 이용한 수치해석도 병행되었다.
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