선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 특히 하천제방의 경우는 누수에 취약하고 침투의 영향이 중요하므로 전단강도와 침투조건을 동시에 만족할 수 있는 재료를 선정하는 것이 바람직하다. 따라서 제체의 재료특성에 중점을 두어 Sherard(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하고 이를 실제 파이핑이 발생한 국내 하천제방 사례에 적용하여 그 실효성을 평가해 보고자 한다. 또한 유한요소법에 의한 침투해석을 실시하여 현행 설계기준에 따른 안정검토 결과와 비교해 보고자 한다.
- 따라서 제체의 재료특성에 중점을 두어 Sherard(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하고 이를 실제 파이핑이 발생한 국내 하천제방 사례에 적용하여 그 실효성을 평가해 보고자 한다. 또한 유한요소법에 의한 침투해석을 실시하여 현행 설계기준에 따른 안정검토 결과와 비교해 보고자 한다.
제안 방법
- Casagrande(1950)의 제언을 기초로 Sherard(1953)는 심각한 균열이 발생한 6개의 흙 댐과 지형조건이나 시공조건이 매우 취약하였음에도 불구하고 균열피해를 입지 않은 제방 12개를 포함하여 균열영향인자(표 1)를 평가하였다. 균열 영향인자 평가에서는 균열의 정도, 시공법, 지형조건 등이 고려되었으며 현지 채취시료에 대해 기본적인 물성시험을 실시하여 재료의 입도와 소성도를 분석하고 균열저항등급을 제안하였다.
- 또한 국소 동수경사는 제방높이 자체 보다는 D/H, k2/k1가 증가할수록, 제체경사가 가파를수록 변화폭이 크다는 것도 알 수 있다. 따라서 본 검토에서는 분할 요소의 크기를 1/20이하로 적용하였다. 그림 8은 이를 정리한 것이다.
- 파이핑 저항등급을 실제 파이핑이 발생한 낙동강 하천제방 사례에 적용하여 그 실효성을 평가해 보았다. 또한 유한요소법에 의한 침투해석을 실시하여 현행설계기준에 따른 안정해석 결과와 비교하였다. 유선망과 같은 해석적 방법으로는 단면형상의 복잡성, 비정상류 해석, 지반조건의 다변성 등을 고려하는데 한계가 있기 때문에 현행설계에서는 유한요소법과 같은 수치해석 기법이 널리 적용된다.
- 1 조건에서 D/H을 변화시켜보았으며 k2/k1도 변화시켜 보았다. 또한 제체 경사 S도 변화시키면서 제체 선단부의 국소 동수경사(iexit)를 산정하였다. 분할요소의 형상은 정사각형을 원칙으로 적용하였다.
- 제체의 재료특성과 시공방법의 영향을 고려하여 Sherard(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하고 실제 파이핑이 발생한 낙동강 하천제방 사례에 적용해 보았다. 또한 침투해석 영향인자를 고려한 유한요소 해석을 실시하여 한계유속과 한계동수경사에 의한 현행 설계방법으로 안정검토 결과를 비교하여 그 실효성을 평가해 보았다. 3개 제방으로는 사례가 충분하지 못해 향후 보다 많은 국내 하천제방에 대한 검토가 필요할 것으로 보이나 저항등급 평가 및 침투해석 결과 모두가 실 사례와 일치하고 있어 아직까지 설계 차원에서 사전에 파이핑을 단정적으로 예측할 수 있는 방법이 없는 실정임을 감안할 때 기존제방에 대해서는 잠재적인 파이핑 발생 가능성을 정성적으로 평가하거나 신설 제방의 경우는 예비설계 단계에서 제체재료 선별방안으로 한편 유용하게 활용할 수 있을 것으로 보인다.
- 유한요소법에 의한 침투류 계산에서는 분할요소의 특성에 따라서 침윤면의 형상이나 유속벡터 등이 변화할 수 있기 때문에 일본하천설계기준(2000, 건설성)에서는 분할요소의 최소 두께를 제방 높이의 1/10 이하로 적용하는 것을 제안하고 있다. 본 검토에서도 분할요소 크기가 해석결과에 미치는 영향을 분석하고 이를 실제 해석에 적용하였다.
- 정상흐름(steady)과 비정상흐름(transient)의 수위조건을 고려하였다. 비정상 흐름에서는 관측수위곡선을 이용하여 침투해석을 실시하고 정상흐름의 경우와 비교하였다. 비정상 흐름조건에 적용한 시간-수위곡선은 2002년 8월 상순, 낙동강 유역 수위자료(낙동강 홍수통제소)를 이용하였다(그림 7).
- 사례분석은 미 서부의 균질한 흙 댐 60개를 고려하였으며 준설토 제방과 월류(越流)에 의한 피재이력이 있는 제방은 대상에서 제외시켰다. 사례검토에서는 다짐방법의 영향을 고려하여 제체의 재료특성에 따른 균열과 파이핑 저항등급이 제안되었다. 다음 이하의 2.
- 우선 S=1:1.5, k2/k1=0.1, D/H=0.1 조건에서(그림 8) 제체 높이 H를 5~10m까지 변화시키면서 분할요소의 크기를 달리하여 침투해석을 실시하고 선단지점의 국부동수경사를 산정하여 분할요소의 크기에 따른 영향을 검토한 다음, H=10m, k2/k1=0.1 조건에서 D/H을 변화시켜보았으며 k2/k1도 변화시켜 보았다. 또한 제체 경사 S도 변화시키면서 제체 선단부의 국소 동수경사(iexit)를 산정하였다.
- 24)을 실시하였다. 유한요소해석에서는 침투해석 영향인자를 검토하였으며 정상류와 비정상류 조건에서의 침투수 흐름양상을 비교하였고 침투수가 집중되는 유출부 영역을 세분화하여 침투유속과 국소 동수경사를 평가한 후 실제 파이핑이 발생한 지점에 대해 한계유속과 한계동수경사에 의해 파이핑 안정 검토를 실시하였다.
- 저항등급은 균열과 동일한 방법으로 발생시기, 피해규모, 진행정도, 지속시간이 고려되었으며 재료의 입도와 소성도를 기본으로 다짐방법의 영향을 고려하여 파이핑 저항등급을 제안하였다(그림 4, 표 4).
- 정상흐름(steady)과 비정상흐름(transient)의 수위조건을 고려하였다. 비정상 흐름에서는 관측수위곡선을 이용하여 침투해석을 실시하고 정상흐름의 경우와 비교하였다.
- 제체의 재료특성과 시공방법의 영향을 고려하여 Sherard(1953)가 제안한 균열 및 파이핑 저항등급을 소개하고 실제 파이핑이 발생한 낙동강 하천제방 사례에 적용해 보았다. 또한 침투해석 영향인자를 고려한 유한요소 해석을 실시하여 한계유속과 한계동수경사에 의한 현행 설계방법으로 안정검토 결과를 비교하여 그 실효성을 평가해 보았다.
- 파이핑 저항등급을 실제 파이핑이 발생한 낙동강 하천제방 사례에 적용하여 그 실효성을 평가해 보았다. 또한 유한요소법에 의한 침투해석을 실시하여 현행설계기준에 따른 안정해석 결과와 비교하였다.
대상 데이터
- 본 논문은 2004년도 서일대 학술연구비 지원으로 수행되었다. 이에 감사드린다.
- 비정상 흐름에서는 관측수위곡선을 이용하여 침투해석을 실시하고 정상흐름의 경우와 비교하였다. 비정상 흐름조건에 적용한 시간-수위곡선은 2002년 8월 상순, 낙동강 유역 수위자료(낙동강 홍수통제소)를 이용하였다(그림 7). 수위는 각 제방의 해당수위(HWL)를 적용하였다.
- Sherard(1953)는 사례분석을 통해 제체의 재료특성이 균열과 파이핑에 미치는 영향을 분석하였다. 사례분석은 미 서부의 균질한 흙 댐 60개를 고려하였으며 준설토 제방과 월류(越流)에 의한 피재이력이 있는 제방은 대상에서 제외시켰다. 사례검토에서는 다짐방법의 영향을 고려하여 제체의 재료특성에 따른 균열과 파이핑 저항등급이 제안되었다.
- 파이핑 사례는 다산제, 여의제, 대곡제를 대상으로 하였다. 다산제는 우기 시마다 제체 누수가 빈번하여 2000년 일부 구간에서 누수방지 공사가 수행되었고 미 시행구간 현장 답사 시 심각한 제체누수와 제내지 지반의 파이핑 흔적을 확인할 수 있었다.
데이터처리
- 파이핑 저항등급에 의한 파이핑 예측결과를 침투해석 결과와 비교하기 위하여 유한요소해석(Z_Soil ver 6.24)을 실시하였다. 유한요소해석에서는 침투해석 영향인자를 검토하였으며 정상류와 비정상류 조건에서의 침투수 흐름양상을 비교하였고 침투수가 집중되는 유출부 영역을 세분화하여 침투유속과 국소 동수경사를 평가한 후 실제 파이핑이 발생한 지점에 대해 한계유속과 한계동수경사에 의해 파이핑 안정 검토를 실시하였다.
이론/모형
- 또한 제체 경사 S도 변화시키면서 제체 선단부의 국소 동수경사(iexit)를 산정하였다. 분할요소의 형상은 정사각형을 원칙으로 적용하였다.
- )는 입자형상, 입도분포, 점착력 등은 고려 하지 않고 연직 유효응력이 영(零)이 되는 조건을 생각하여 얻어진 것이기 때문에(김상규 외, 1992) 흐름방향이 상향으로 발생하는 제내지 기초지반의 유출부에 적용하였고, 수평 흐름이 지배적인 제체 유출부에 대해서는 한계유속을 적용하여 안정성을 평가하였다. 한계유속은 흙 입자의 입경과 관련된 Richardson의 식을 이용하였다.
성능/효과
- (1) 입경 0.02mm<D50<0.15mm, PI<15 인 저소성의 실트(ML)나 실트질 점토(CL)는 균열에 매우 취약하나 다짐방법에 의해 균열 저항능력이 크게 향상될 수 있음. 균열 위험성은 입도와 소성도 기준이 동시에 취약조건을 만족할 때 증가하며 건조 다짐을 실시한 경우는 예외 없이 심각한 균열을 동반할 수 있음.
- (1) 입도 상으로 세립분 함유율이 크고 양입도일수록 파이핑 저항능력이 증가.
- (2) 균열에 취약한 최저 다짐함수비는 사례검토를 통해 규명되지 못하였으나 통상 시공 다짐함수비가 소성한계 이상의 함수비를 유지하면 균열에 대해 큰 저항을 보임.
- (2) 소성도 평가는 다산제의 경우 실제 파이핑이 발생한 제체(SM)의 경우 완전 비소성으로 평가도에 나타내지 않았고 소성도 표 현이 가능한 ML과 CL을 참고적으로 나타내었다.
- (3) 여의제와 대곡제의 경우 제체재료는 주로 비소성(저항등급은 ③)을 보였으며 일부 저소성(PI<5)에 해당하는 것만을 나타낼 수 있었다.
- (3) 입경이 D50<0.02mm, PI>20인 소성이 큰 점토(그림'A' 범주)는 건조다짐 시 담수과정에서 ‘C’ 재료에 비해 상대적으로 큰 침하를 보이나 심각한 균열을 수반하지 않음으로써 침하로 인한 균열을 흡수할 수 있는 능력이 큰 것으로 보임. 따라서 전단변형이 중요한 문제.
- (3) 파이핑 저항등급은 입도분포와 소성도 조건이 동시에 만족해야 함.
- (4) 소성도 기준에서는 특정 LL값에 대해 PI값이 클수록 파이핑 저항능력이 증가.
- (5) 사례검토에서 하류측 사면 저부 일대가 포화되는 정도의 누수에 대해 완전한 저항을 보인 제방은 잠정적으로 ② 등급에 포함시켰으나, 만약 이들이 중소규모의 집중누수에 대해서도 완전한 저항을 보일 수 있었다면 ① 등급에 포함될 수 있었으나 이를 확인할 수 없어 ①, ②등급사이에는 중첩 영역이 설정되었음.
- (6) 중첩영역에 포함되지 않는 ①등급 재료는 PI>15, 0.005mm 이하의 세립분 함유율이 32% 이상.
- 1. 실제 파이핑이 발생한 제방의 재료특성을 파이핑 저항등급에 적용해본 결과, 입도의 경우 제안된 기준과의 일치도를 정량적으로 제시하기 어려운 문제점을 보였으나, 입도와 소성도 모두에서 전반적으로 파이핑 취약등급에 일치함으로써 파이핑이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 2. 유한요소법에 의한 침투해석에서는 제체 유출부에 대해 한계유속으로 파이핑 검토를 수행한 결과 모든 제방에서 파이핑이 발생하는 것으로 평가되어 실제 사례와 일치하였으며, 제내지 제체선단 기초지반에서는 한계동수경사를 적용한 결과 대곡제의 경우 파이핑이 발생할 수 있음이 확인되었다. 다산제와 여의제의 경우는 기준 안전율 2 이상을 고려할 때 불안정 측에 속하여 현행설계기준에 의한 한계 유속 및 한계동수경사 검토에서도 파이핑이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 5. 관측수위를 이용한 비정상류 침투해석에서는 고수위지속 시간에 의해 정상류 해석결과와 흐름양상 및 유출부에서의 침투유속, 국소동수경사 등이 차이를 보임으로써 설계 차원의 기준이 마련되어야 할 것으로 보인다. 우리나라의 경우 홍수지속 시간이 비교적 짧아 수위조건을 정상상태로 다룰 경우 과대한 외력을 줄 수도 있다.
- 6. 다산제의 경우 후미 제내지측으로 50m, 200m 떨어진 지점에서도 파이핑이 확인되었으나 이는 국부적인 지형특성 때문으로 추정되며 본 검토에서는 이를 규명할 수 없었다.
- 유한요소법에 의한 침투해석에서는 제체 유출부에 대해 한계유속으로 파이핑 검토를 수행한 결과 모든 제방에서 파이핑이 발생하는 것으로 평가되어 실제 사례와 일치하였으며, 제내지 제체선단 기초지반에서는 한계동수경사를 적용한 결과 대곡제의 경우 파이핑이 발생할 수 있음이 확인되었다. 다산제와 여의제의 경우는 기준 안전율 2 이상을 고려할 때 불안정 측에 속하여 현행설계기준에 의한 한계 유속 및 한계동수경사 검토에서도 파이핑이 발생할 수 있는 것으로 평가되었다.
- 다짐이 전혀 이루어지지 않은 제방(그림 1의 ‘4’), 재료가 SC/SM인 점에 비추어 양족롤러를 사용한 것은 적절하다고 보여 지나 다짐함수비가 절대적으로 부족한 것(그림 1의 ‘1’), 강륜롤러에 의한 건조다짐으로 층 상단은 단단한 반면 하부가 느슨해지면서 재료취성 및 층 분리현상과 아칭현상으로 수평 배수층이 형성된 제방(그림 1의 ‘2’, ‘3’, ‘5’, ‘6’)에서는 심각한 균열이 수반되었으나, 좁은 협곡의 가파른 아버트먼트 경사, 급속담수, 제체침하(최대 15cm), 저소성의 재료 등 균열인자가 다분하였음에도 불구하고 지형적 특성에 의해 제체 하부로부터 포화가 진행된 제방에서는 균열이 발생하지 않았고(그림 2의 ‘18’), 설계자와 제체재료, 다짐방법이 모두 동일하였음에도 불구하고 소성한계 근처의 다짐함수비(22%)를 유지한 경우는(그림 2의 ‘7’) 균열이 없었으나 건조다짐이 수행된 제방에서는(그림 1의 ‘1’) 심각한 균열이 발생한 사실로부터 다짐함수비의 중요성이 평가되었다.
- 분석결과 분할요소의 높이가 제방 높이의 1/10 이하가 되면 제체 선단의 국소동수경사는 크게 변하지는 않으나 1/20 이하에서 거의 일정한 값이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 국소 동수경사는 제방높이 자체 보다는 D/H, k2/k1가 증가할수록, 제체경사가 가파를수록 변화폭이 크다는 것도 알 수 있다. 따라서 본 검토에서는 분할 요소의 크기를 1/20이하로 적용하였다.
- 분석결과 분할요소의 높이가 제방 높이의 1/10 이하가 되면 제체 선단의 국소동수경사는 크게 변하지는 않으나 1/20 이하에서 거의 일정한 값이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한 국소 동수경사는 제방높이 자체 보다는 D/H, k2/k1가 증가할수록, 제체경사가 가파를수록 변화폭이 크다는 것도 알 수 있다.
- 균열이 발생하지 않은 제방 중에서 입도가 균열민감영역에 속하면서 PI≤15인 제방은(그림 2의 ‘11’, ‘12’, ‘17’, ‘19’ 외의 것) 사실상 균열발생 제방의 재료와 동일 특성으로 생각할 수 있으나 균열이 발생하지 않은 것에 대해 Sherard(1953)는 시공법(다짐도, 다짐함수비)의 영향을 원인으로 보았다. 한편, 세립분 함량이 우세하여 입도가 균열민감영역에 포함되지 않고, PI>20인 소성이 큰 점성토는(그림 2의 ‘11’, ‘12’, ‘17’, ‘19’) 다짐이 다소 불량하였음에도 불구하고 부등침하로 인한 큰 전단변형을 균열 없이 저항함으로써 이들 재료는 근본적으로 균열 저항능력이 우수한 것으로 평가되었다.
후속연구
- 3. 재료의 입도와 소성도가 파이핑 취약등급을 동시에 만족할 때 파이핑에 결코 유리하지 못한 것은 사례를 통해서도 확인되지만 파이핑 저항등급은 다짐방법의 영향을 고려해야하고, 제체의 경사도가 1:2이하, 높이 10m 이상의 제방으로부터 얻어진 것이므로 실용적 차원에서 이를 활용하기 위해서는 다소 보완이 필요할 것으로 보인다.
- 또한 침투해석 영향인자를 고려한 유한요소 해석을 실시하여 한계유속과 한계동수경사에 의한 현행 설계방법으로 안정검토 결과를 비교하여 그 실효성을 평가해 보았다. 3개 제방으로는 사례가 충분하지 못해 향후 보다 많은 국내 하천제방에 대한 검토가 필요할 것으로 보이나 저항등급 평가 및 침투해석 결과 모두가 실 사례와 일치하고 있어 아직까지 설계 차원에서 사전에 파이핑을 단정적으로 예측할 수 있는 방법이 없는 실정임을 감안할 때 기존제방에 대해서는 잠재적인 파이핑 발생 가능성을 정성적으로 평가하거나 신설 제방의 경우는 예비설계 단계에서 제체재료 선별방안으로 한편 유용하게 활용할 수 있을 것으로 보인다.
- 기초지반이 열악하여 지지력 측면이나 장기적 침하측면에서 제체가 파손된 제방은 검토 대상에서 제외시켰다. 특히 담수 시 제체가 포화되는 과정에서 부등침하가 발생하면 수평균열로 인해 누수가 발생하고 파이핑으로 이어져 제방을 붕괴시킬 수 있음을 제언하고 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.