본 연구는 전라남도 장성군 일대의 석회암지대에서 강우로 인해 파괴된 절개사면을 대상으로 시료를 채취하여 물리적ㆍ역학적 특성을 파악하고 강우로 인한 사면 안정 해석을 통해 사면구배의 변화에 따른 안전율의 변화를 규명하였다. 연구지역 석회암 풍화토는 석영, 정장석, 깁사이트, 침철석 등으로 구성되어 있고 비중은 2.73, 통일분류상 SC에 해당되며 모암에서 풍화가 진행되면서 칼슘성분이 현저하게 감소하였다. 투수계 수는 2.56×10/sup -4/ cm/ sec 로서 실트 성 점토의 투수계수와 비슷한 값을 보였고 전단시험결과 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력은 3.0 t/㎡에서 0.72 t/㎡로 현저하게 줄어들며 내부마찰각 Φ 값도 감소하는 경향을 보였다. 강우로 인한 사면안정 해석시 강우강도를 고려한 침투심도를 구하는 것이 합리적이며 사면안정해석결과 침투심도가 클수록 사면의 안전율은 낮아져서 불안정하게 되고 침윤선을 고려한 절토사면의 최소안전율 1.5와 비교 시 강우를 고려한 석회암 풍화토의 절토사면 구배는 1 ： 1.2이상 되어야 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력의 감소는 사면의 안전율감소에 많은 영향을 미침을 알 수 있었다.
본 연구는 전라남도 장성군 일대의 석회암지대에서 강우로 인해 파괴된 절개사면을 대상으로 시료를 채취하여 물리적ㆍ역학적 특성을 파악하고 강우로 인한 사면 안정 해석을 통해 사면구배의 변화에 따른 안전율의 변화를 규명하였다. 연구지역 석회암 풍화토는 석영, 정장석, 깁사이트, 침철석 등으로 구성되어 있고 비중은 2.73, 통일분류상 SC에 해당되며 모암에서 풍화가 진행되면서 칼슘성분이 현저하게 감소하였다. 투수계 수는 2.56×10/sup -4/ cm/ sec 로서 실트 성 점토의 투수계수와 비슷한 값을 보였고 전단시험결과 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력은 3.0 t/㎡에서 0.72 t/㎡로 현저하게 줄어들며 내부마찰각 Φ 값도 감소하는 경향을 보였다. 강우로 인한 사면안정 해석시 강우강도를 고려한 침투심도를 구하는 것이 합리적이며 사면안정해석결과 침투심도가 클수록 사면의 안전율은 낮아져서 불안정하게 되고 침윤선을 고려한 절토사면의 최소안전율 1.5와 비교 시 강우를 고려한 석회암 풍화토의 절토사면 구배는 1 ： 1.2이상 되어야 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력의 감소는 사면의 안전율감소에 많은 영향을 미침을 알 수 있었다.
A set of soil samples were picked up from a failed slope formed by rainfall in limestone zone in Jangseong-gun, Jeonnam, Korea, to find out its physical and mechanical characteristics for this study, and variation of safety factor depending on slope inclination was defined by analysing slope stabili...
A set of soil samples were picked up from a failed slope formed by rainfall in limestone zone in Jangseong-gun, Jeonnam, Korea, to find out its physical and mechanical characteristics for this study, and variation of safety factor depending on slope inclination was defined by analysing slope stability affected by rainfall. Decomposed limestone soil in the research area is composed of quartz, orthoclase, gibbsite, geothite, etc., with specific gravity of 2.73, and this soil is included in SC by unified soil classification system. Calcium ingredient decreased remarkably during weathering at its mother rock. Coefficient of permeability is 2.56×10/sup -4/ cm/ sec, similar to its value of silty clay. Cohesion decreases remarkably from 3.0 t/ ㎡ to 0.72 t/ ㎡, and Φ value of internal friction angle tends to decrease as it turns to be saturated soil from partial saturated soil in the shear test. To analyze slope stability affected by rainfall, it is reasonable to seek seepage depth with reference to rainfall＊ intensity. In the slope stability analysis, when the seepage depth is the larger, its safety factor is the less, which makes the slope unstable. Comparing with minimum safety factor, 1.5 of cut slope in consideration of the seep-age line, safety factor is found to be satisfactory only when inclination of cut slope of decomposed limestone soil is more than 1：1.2 slope at least considering rainfall. It is also found that decrease of cohesion has great effect on decline of safety factor of slope while partial saturated soil turns to be saturated soil.
A set of soil samples were picked up from a failed slope formed by rainfall in limestone zone in Jangseong-gun, Jeonnam, Korea, to find out its physical and mechanical characteristics for this study, and variation of safety factor depending on slope inclination was defined by analysing slope stability affected by rainfall. Decomposed limestone soil in the research area is composed of quartz, orthoclase, gibbsite, geothite, etc., with specific gravity of 2.73, and this soil is included in SC by unified soil classification system. Calcium ingredient decreased remarkably during weathering at its mother rock. Coefficient of permeability is 2.56×10/sup -4/ cm/ sec, similar to its value of silty clay. Cohesion decreases remarkably from 3.0 t/ ㎡ to 0.72 t/ ㎡, and Φ value of internal friction angle tends to decrease as it turns to be saturated soil from partial saturated soil in the shear test. To analyze slope stability affected by rainfall, it is reasonable to seek seepage depth with reference to rainfall＊ intensity. In the slope stability analysis, when the seepage depth is the larger, its safety factor is the less, which makes the slope unstable. Comparing with minimum safety factor, 1.5 of cut slope in consideration of the seep-age line, safety factor is found to be satisfactory only when inclination of cut slope of decomposed limestone soil is more than 1：1.2 slope at least considering rainfall. It is also found that decrease of cohesion has great effect on decline of safety factor of slope while partial saturated soil turns to be saturated soil.
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문제 정의
그러나 지금까지 의 연구는 주로 화강풍화토와 셰일 및 이암의 풍화토그리고 안산 암 풍화토에 집중되어 있으나 전남지방에 많은 분포를 보이고 있는 석회암 풍화토에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 전라남도 장성군 일대의 석회암지대에서 강우로 인해 파괴된 절개사면을 대상으로 교란 및 불교란 시료를 채취하여 물리적.역학적 특성을 규명하기 위한 여러가지 시험을 실시하였다.
가설 설정
2)의 해석 결과를 나타낸 것이다. 누적 강우량은 2002년 8월 10일부터 20일까지 10일 동안 약 235.5mm이고 강우시간 10시간 일 때의 누적 강우량이 247mm로서 두 경우 누적강우량이 비슷하기 때문에 재해 발생 위험 강우량으로 가정하여 강우시간 10시간일 때의 누적 강우량을 적용하였다. Table 8은 해석에서 구한 안전율을 나타낸 것으로 강우시간이 길고 침투심도가 클수록 사면의 안전율은 적어 불안정하게 된다.
또한, 지반의 투수계수가 한계투수 계수(K lim)보다 작으면 지반이 포화되지 않는다고 가정하였으며 한계투수계수 식은 4와 같다.
6에 나타내었다. 여기서 재현 기간은 일정한 기간 동안 에 어느 크기의 호우가 발생할 횟수를 말하며 대체로 임의의 강우량이 1회 이상 같거나 초과되는데 소요되는 변수로 표시되며 본 연구에서는 재현기간을 2, 5, 10, 30, 50년으로 가정하였다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 재현기간 이 길수록 침투 심도는 커짐을 알 수 있고 시간에 따라 침 투심도 또한 커짐을 알 수 있다.
이어야 한다. 이 가정은 Nm깊이까지의 포화되기 위한 최소한의 필요조건이다.
제안 방법
역학적 특성을 규명하기 위한 여러가지 시험을 실시하였다. 또한 강우로 인한 사면안정 해석을 위해 투수계수를 고려한 침투심도와 강우강도를 고려한 침투심도를 구한 후 이를 토대로 유한요소해석 프로그램인 FLAC/SLOPE# 사용하여 침투 심도 및 절토사면 구배를 변화시키면서 강우로 인한 석회암 풍화토 사면의 안전율 변화를 규명하고자 하였다.
석회암모암 및 석회암 풍화토의 입자 크기 및 광물조성을 파악하기 위해 SEM분석 및 채취한 시료를 노건조시켜 #200체를 통과한 시료에 대해 X-Ray회절분 석을 실시하였다. SEM분석결과 모 암입자는 표면이 매끄러운 반면에 풍화토입자에서는 표면이 거칠고 얇은 판상으로 흩어지는 현상을 보이고 입자들이 층상의 구조를 이루며 (Fig.
41t/m3 )하에서 직접 전단 시험 (KS F2343-92)방법 으로 불포화토와 포화토에 대해 직접전단시험을 실시하였다. 수직하중은 4단계(3.24 t/m, 6.48 t/nf, 9.72 t/m, TZ.96S로 나누어 재하하였으며 전단 강도-전 단변위 그래프에서 Peak강도를 택하여 파괴포락선으로부터 전단 정수를 결정하였으며 Table4에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력 C 값은 3.
침투 심도에 따른 사면안정 해석은 강우강도를 고려한 침투심도에 따른 사면안정해석은 강우강도를 고려한 침투심도가 타당하다고 판단되어 강우지속시간 2, 5, 10, 15, 20, 24시 간마다의 침 투심 도 및 누적 강우량을 산정하여 각 시간마다 사면의 구배를 1:0.6 ~ 1:1.5까 지 변화시켜 가면서 안전율을 구하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구의 대상지반은 전남 장성군 일대의 석회암지대로 강우시 파괴된 절개지사면에서 석회풍화토 를 채취하여 비중시험 (KS F2308), 입도분석 시험 (KS F2302), 액성 한계시험 (KSF2303) 등 기본적인 물성시험을 실시하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 비중은 2.
전라남도 장성군 일대에 분포하는 석회암 풍화토의 물리적. 역학적 특성에 대한 시험과 강우시 침투심도를 고려한 사면안정 해석 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
데이터처리
7은 대표적인 해석단면의 유한요소망을 나타낸 것이며 적용된 지 반물성 은 Table 7과 같다. 사면 안정해 석 은 유한요소 해석 프로그램인 FLAC/SLOPE를 사용하였으며 Fig. 8은 대표적인 단면(사면고가 5m, 사면구 배 1:1.2)의 해석 결과를 나타낸 것이다. 누적 강우량은 2002년 8월 10일부터 20일까지 10일 동안 약 235.
이론/모형
투수계수를 고려한 침투심도는 식 1에 의해 구하였다. T w는 침투 심도 Z w에 도달하는 데 필요한 시간이며 ip는 모관 흡수력으로 Brooks와 Corey(1964)가 제시한 반경험식을 사용하여 구하였으며, Δw는 토양부족수분으로 초기 함수비(wi)와 포화함수비(ws)의 차이다. 표 5는 투수계수를 고려한 침투심도 산정시 적용한 제반값들을 나타낸 것이며 투수계수와 지속시간을 고려한 침 투심도는 Fig.
석회암 풍화토의 전단 특성을 파악하기 위해 건조단위 중량(1.41t/m3 )하에서 직접 전단 시험 (KS F2343-92)방법 으로 불포화토와 포화토에 대해 직접전단시험을 실시하였다. 수직하중은 4단계(3.
1.석 회암 풍화토는 석영, 정장석, 깁사이트, 침철석 등으로 구성되어 있고 비중은 2.73, 통일분류상 SCS] 해당되며 석회암 모암에서는 칼슘성분이 22.05%이었 으나 풍화가 진행됨에 따라 2.29%로 급격히 감소함을 알 수 있었다.
2.변수위 투수시험 결과 투수계수는 2.56X10-4 cmj sec 로서 보통의 사질토보다 낮은 투수계수값 으로 실트 성점 토의 투수 계수와 비슷한 값을 보였으며 전단시험 결과 포화토와 불포화 토 모두 건조단위 중량이 증가하면서 조밀한 모래나 과압밀점토에서 볼 수 있는 뚜렷한 Peak점을 보였다. 체적 변화의 관계를 보면 불포화토의 경우 전반적으로 압축되었다가 팽창하는 Dilatancy현상이 뚜렷하였으며 포화토의 경우 수직하중의 증가에 따라 건조측에서는 적은 팽창이 습윤 측으로 갈수록 큰 압축 현상이 발생하였다.
3. 침투 심도 산정 결과 투수계수만 고려한 침투심도보다는 강우강도를 고려한 경우 빠른 침투가 단기간에 일어나며 일반적으로 얕은 사면 파괴의 경우 집중 강 우 시 단시간에 일어나는 점으로 보아 강우 강도를 고려한 침투심도를 구하는 것이 합리적이라고 판단된다. 침투 심도에 따른 사면안정 해석 결과 강우시간이 길고 침투 심도가 클수록 사면의 안전율은 적어 불안정하게 되며 침윤선을 고려한 절토사면의 최소 안전율 1.
석회암모암 및 석회암 풍화토의 입자 크기 및 광물조성을 파악하기 위해 SEM분석 및 채취한 시료를 노건조시켜 #200체를 통과한 시료에 대해 X-Ray회절분 석을 실시하였다. SEM분석결과 모 암입자는 표면이 매끄러운 반면에 풍화토입자에서는 표면이 거칠고 얇은 판상으로 흩어지는 현상을 보이고 입자들이 층상의 구조를 이루며 (Fig.l)Table2의 EDS분석에 의하면 모암에서는 칼슘 성분이 22.05%이었으나 풍화가 진행 됨에 따라 2.29%로 급격히 감소함을 알 수 있다. Fig.
체적 변화의 관계를 보면 불포화토의 경우 전반적으로 압축되었다가 팽창하는 Dilatancy현상이 뚜렷하였으며 포화토의 경우 수직하중의 증가에 따라 건조측에서는 적은 팽창이 습윤 측으로 갈수록 큰 압축 현상이 발생하였다. 또한, 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력은 3.0 t/m2 에서 0.72 t/m2로 현저하게 줄어들었으며 내부마찰각 e값도 감소하는 경향을 보였다
수평변위와 전단 강도의 관계를 보면, 전체적으로 건조단위 중량이 증가할수록 조밀한 모래나 과압밀 점토에서 볼 수 있는 파괴점이 뚜렷이 나타났다. 또한, 수평변위와 체적 변화의 관계를 보면 수직응력 3.24, 6.48, 9.72 t/m3 의 세 단계에 서 불포화토는 대체적으로 압축((-) Dilatancy) 되었다가 팽창((+) Dilatancy)하는 경향을 보여주고 있으며 수직응력이 작을수록 팽창현상은 크게 나타남을 알 수 있다. 포화토의 경우 수직응력3.
91%로 서 석회암 풍화토를 조제하여 다짐 시험을 시행한 결과 다짐층 수는 3층, 다짐 횟수는 10회를 낙하하였을 때 현장조건과 일치하였으며 이의 조건으로 변수위 투수시험의 시료를 성형하였다. 변수위 투수시험결과 투수계수k는 2.56X104 cm/sec 로서 보통의 사질토보다 낮은 투수계수 값으로 실트 성점토의 투수 계수와 비슷한 값을 보 였다.
4는 포화상태일 때의 결과를 보인 것이다.수평변위와 전단 강도의 관계를 보면, 전체적으로 건조단위 중량이 증가할수록 조밀한 모래나 과압밀 점토에서 볼 수 있는 파괴점이 뚜렷이 나타났다. 또한, 수평변위와 체적 변화의 관계를 보면 수직응력 3.
2cm)으로 불교란 시료를 채취하여 건조단위 중량( Yd)과 함수비를 측정하였다. 시험 결과 건조단위 중량(#)은1.41 t/m3 이고 함수비는 26.91%로 서 석회암 풍화토를 조제하여 다짐 시험을 시행한 결과 다짐층 수는 3층, 다짐 횟수는 10회를 낙하하였을 때 현장조건과 일치하였으며 이의 조건으로 변수위 투수시험의 시료를 성형하였다. 변수위 투수시험결과 투수계수k는 2.
침투 심도 산정 결과 투수계수만 고려한 침투심도보다는 강우강도를 고려한 경우 빠른 침투가 단기간에 일어나며 일반적으로 얕은 사면 파괴의 경우 집중 강 우 시 단시간에 일어나는 점으로 보아 강우 강도를 고려한 침투심도를 구하는 것이 합리적이라고 판단된다. 침투 심도에 따른 사면안정 해석 결과 강우시간이 길고 침투 심도가 클수록 사면의 안전율은 적어 불안정하게 되며 침윤선을 고려한 절토사면의 최소 안전율 1.5와 비교할 경우 강우를 고려한 석회암 풍화토의 절토사면 구배는 1:1.2 이상 되어야 안전율을 만족한 것으로 나타났다. 또한 강우직전에는 불포화 상태(부의 간극수압 존재)에서 강우가 지속되어 지반이 포화(정의 간극수압 전환)되면 내부마찰 각보다 점착력이 크게 감소하는 것으로 보아 안전율에 많은 영향을 미침을 알 수 있다.
96S로 나누어 재하하였으며 전단 강도-전 단변위 그래프에서 Peak강도를 택하여 파괴포락선으로부터 전단 정수를 결정하였으며 Table4에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 불포화토에서 포화토로 변할수록 점착력 C 값은 3.0 t/m에 서 0.72 t/m 로 현저하게 줄어들었으며 내부마찰각 ①값도 줄어드는 양상을 보였다. Fig.
Table 8은 해석에서 구한 안전율을 나타낸 것으로 강우시간이 길고 침투심도가 클수록 사면의 안전율은 적어 불안정하게 된다. 해석 결과에서 나타난 안전율을 한국도로공사의 도로 설계요령(1976), 일본 도로공단 등이 제시한 침윤선을 고려한 절토사면 최소 안전율 1.5와 비교해보면 본 연구에서는 강우시 석회암 풍화토의 절토사면구배는 1:1.2 이상 되어야 안전율을 만족한 것으로 나타났으며 사면구배를 증가시킬수록 안전율은 증가한 것으로 나타났다. 안전율 감소원인은 전절의 전단 강도 결과에서 나타난 바와 같이 강우직전에는 불포화 상태(부의 간극수압 존재)로 존재하다가 강우가 지속되어 지반이 포화(정의 간극수압 전환)되면 내부마찰 각보다 점착력이 크게 감소하기 때문이며 강우가 지속되어 파괴 면에서 실제 수직 응력보다 큰 과잉간극수압이 발생(함수비 증가)하게 되면 전단 강도는 Zero에 근접하여 일순간에 사면 활 동이 발생되는데 이는 오재화(2003)의 연구결과와 일치한다.
참고문헌 (13)
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