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문제 정의
- 국내에서 유일하게 활용 가능한 현장 관측 결과로 2001년 Cho의 연구 결과를 참고 할 수 있는데 화강 풍화사면을 대상으로 제한적인 범위에서 50일 정도 측정한 결과이다 따라서 본 연구에서는 이를 다시 면밀하게 분석하여 강우 시 현장 풍화 사면에서 발생하는 흡수력의 변화 경향을 간접적으로 활용하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 사면 파괴 과정에서 필연적으로 발생하는 강우 침투가 흡수력이 서로 다른 함수 특성곡선에서 보이는 이력에 따른 특성을 살펴보기 위하여 대표적인 풍화계 지반인 편마 풍화토와 화강 풍화토를 대상으로 흡수력 및 이력 실험을 수행하였다. 또한 이를 바탕으로 불포화 침투 해석을 실시하여 이를 분석 .
제안 방법
- 같다. 기본적으로 화강 풍화사면의 투수계수가 편마 풍화 사면에 비해 약 10배 큰 것으로 확인하였기에 적용한 임계 강우 강도는 240mm/hr로 적용하였다. 따라서 침투 효과 또한 단시간 내에 급격히 일어났으며 건조곡선과 습윤 곡선을 적용한 결과 그 차이가 편마 풍화사면에 비해 현격함을 알 수 있었다.
- 비교하였다. 기존의 건조곡선과 실제 사면에서의 강우 침투과정 그리고 그 현상학적인 거동이 유사한 습윤 과정의 이력을 고려하였다. 이와 더불어 별도의 투수실험 결과, 시료로 사용된 화강 풍화토가 편마 풍화토에 비해 약 10배 정도 큰 수치를 나타냄을 확인하였다.
- 달리 적용할 필요성이 있다. 따라서 시간에 따른 침투 해석에 있어서 중요한 불포화 지반 정수인 함수 특성곡선의 이력에 대한 실험결과를 이용하여 서로 다른 해석 결과를 도출해 내었다. 이를 위하여 본 연구에서는 시간을 고려한 침투해석이 가용한 유한요소해석 프로그램 SEEP/W(GEO-SLOPE 2005)를 활용하였으며, 그림 9와 같이 이상화된 무한사면의 유한요소망을 일반적인 1:1.
- 또한 건조 과정과 습윤 과정에 대한 함수 특성실험을 순차적으로 실시하여 흡수력에 따라 서로 다른 경로의 함수 특성 이력을 확인하였으며, 임의의 서로 다른 강우 강도와 침투시간을 적용하였다. 아울러 서로 다른 두 시료를 기본으로 하여 불포화 함수특성곡선의 이력에 따른 침투 해석을 비교하여 원지반의 선행 강우 조건을 고려하여 상이한 초기상태 흡수력을 적용하여 해석을 실시하였다.
- 흡수력 및 이력 실험을 수행하였다. 또한 이를 바탕으로 불포화 침투 해석을 실시하여 이를 분석 . 비교하였다.
- 습윤 곡선을 적용한 경우 강우지속시간에 따른 흡수력의 변화를 얕은 지점과 깊은 지점으로 살펴보았다. 0.
- 침투시간을 적용하였다. 아울러 서로 다른 두 시료를 기본으로 하여 불포화 함수특성곡선의 이력에 따른 침투 해석을 비교하여 원지반의 선행 강우 조건을 고려하여 상이한 초기상태 흡수력을 적용하여 해석을 실시하였다.
- 또한, 기존 연구에서 침투해석에 있어서 선행강우에 의한 초기 지반상태가 습윤에 가까운 흡수력을 보일수록 포화가 비교적 빠른 시간에 진행되고 건조에 가까운 흡수력이면 침투의 지연으로 긴 시간 동안의 침투에 의하여 포화가 발생된다. 이를 고려하기 위하여 풍화사면의 현장흡수력 조건과 함수 특성을 적절하게 반영한 선행강우에 의한 지반의 초기 흡수력을 적용하였다.
- 따라서 시간에 따른 침투 해석에 있어서 중요한 불포화 지반 정수인 함수 특성곡선의 이력에 대한 실험결과를 이용하여 서로 다른 해석 결과를 도출해 내었다. 이를 위하여 본 연구에서는 시간을 고려한 침투해석이 가용한 유한요소해석 프로그램 SEEP/W(GEO-SLOPE 2005)를 활용하였으며, 그림 9와 같이 이상화된 무한사면의 유한요소망을 일반적인 1:1.5의 경사로 조성하고 3m의 사면깊이를 선택하여 적절한 불포화 침투효과를 구현하였다.
- 지반의 투수계수를 고려하여 임계 강우강도를 선정하였는데 편마 풍화사면의 경우 20mm/h■에 따라 7단계화강 풍화사면의 경우 240mm/hr를 8단계로 선정하여 시간에 따른 침투해석을 실시하였다. 설정된 강우 지속시간은 표 3과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 경기도 의정부 지역의 사면부에서 채취한 화강 풍화토와 편마 풍화토를 각각 사용하였다. 그림 4와 표 1은 화강 풍화시료와 편마풍화시료의 기본 물성과 입도를 나타내는데 No.
이론/모형
- 5kN/m3로 조성하여 실험한 결과, 편마 풍화토와 화강 풍화토의 강도정수의 차이는 크지 않았으며 편마 풍화토가 화강 풍화토에 비하여 실트 질이 섞인 세립분 함유에 의한 점착력을 확인할 수 있었다. 불포화 함수특성 및 흡수력을 산정하기 위하여 축 변이(axis translation)기술을 기본원리로 Fredlund(2005)에 의하여 고안된 null-type pressure plate 장치를 활용하여 흡수력에 따른 함수량의 변화를 건조과정과 습윤과정에 대하여 측정하였다. 그림 5에서와 같이 기존의 압력판 시험과는 달리 한 시료만으로도 함수특성곡선을 구할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 각 흙에 대한 함수 특성곡선의 산정에 있어 번거로움을 크게 개선한 실험 장치이다.
- 함수특성곡선은 불포화 투수계수를 산정하는 간접적인 방법으로 많이 활용되는데 본 논문에서는 Fredlund 등(1994)이 제안한 식 (2)를 활용하여 수치적분으로 각각의 값들을 추정하였다.
- 현재까지 여러 함수특성 예측모델식이 제안되어 있으나 본 논문에서는 식 (1)과 같이 Fredlund와 Xing이 1994년에 제안한 3계수 비선형 모형을 활용하여 함수 특성곡선을 맞춤 곡선화 한 후 계수를 각각 산정하였다.
성능/효과
- (1) 조립질인 화강풍화토의 공기함입값, 잔류흡수력, 포화 흡수력, 그리고 이력의 폭이 세립질인 편마풍화토에 비하여 작게 나타났다
- (2) 함수특성곡선의 이력은 함수비 보다는 흡수력의 차이가 침투 해석에 있어 매우 상이한 결과를 나타내고 있다. 특히 함수특성 곡선의 전이구간 선정은 침투 해석에 매우 중요하며 불포화 투수 능력을 결정하는 중요한 요인이 된다.
- (3) 강우 시간에 따른 침투 해석 시 습윤 함수 특성곡선의 적용은 건조곡선을 적용하는 경우보다 침투 효과는 작으며 지반의 초기 흡수력에 따라 사면의 표면에서부터 침투되어 포화되는 시간이 다름을 확인하였다. 따라서 풍화 토사 사면의 강우 침투 시 함수 특성곡선의 건조곡선을 적용하기 보다는 거동이 유사한 습윤 곡선의 적용을 고려함이 보다 합리적이다.
- (4) 불포화 투수계수의 차이에 의하여 침투효과가 매우 다르며 사면에 작용하는 침투 효과는 내적 요인인 불포화 사면지반의 투수능력과 선행 강우에 의한 흡수력 그리고 사면의 깊이가, 외적요인인 강우강도와 이에 따른 침투시간과 상호작용을 하고 있다.
- 기본적으로 화강 풍화사면의 투수계수가 편마 풍화 사면에 비해 약 10배 큰 것으로 확인하였기에 적용한 임계 강우 강도는 240mm/hr로 적용하였다. 따라서 침투 효과 또한 단시간 내에 급격히 일어났으며 건조곡선과 습윤 곡선을 적용한 결과 그 차이가 편마 풍화사면에 비해 현격함을 알 수 있었다. 그림 12(a)와 그림 13(a)의 지반과 같이 초기 흡수력이 4kPa인 경우 습윤 곡선을 적용한 침투효과에 비하여 건조곡선을 적용한 경우 이미 사면 표면에서부터 포화가 일어나 양의 간극수압이 발생되는 것을 알 수 있다.
- 이것은 습윤 전면이 이 기간 동안 그 깊이까지 영향을 미치지 않는 것으로 선행강우에 의한 낮은 흡수력 대가 형성되어 낮은 불포화 투수계수를 유지함에 침투가 발생하여도 그 흐름이 지연된 것으로 추정된다. 또한 높은 흡수력으로의 복원도 상대적으로 빨라지는 것으로 관측되었다. 다만 강우지속기간이 길어지면 사면 상부의 모든 측정 깊이에서 동일한 흡수력대로 수렴함을 보여주고 있는 반면 사면 하부에서는 그렇지 않음을 보여주고 있어 강우 유출의 효과가 있음을 반증하고 있다.
- 그림 12(a)와 그림 13(a)의 지반과 같이 초기 흡수력이 4kPa인 경우 습윤 곡선을 적용한 침투효과에 비하여 건조곡선을 적용한 경우 이미 사면 표면에서부터 포화가 일어나 양의 간극수압이 발생되는 것을 알 수 있다. 또한 지반의 초기 흡수력의 범위가 비교적 작은 4kPa과 lOkPa을 적용했음에도 불구하고 침투 경향이 서로 매우 다르게 나타나 함수 특성곡선 상의 비교적 좁은 흡수영역의 전이 구간이 영향을 주었음을 알 수 있다.
- 6%의 미량이며 통일 분류상 SW와 SP-SM 이다. 또한 투수 실험 결과 일반적인 풍화토에 대한 투수 계수의 범위를 초과하지는 않았으나 화강 풍화시료가편마 풍화시료에 비해 대략 10배 크게 측정되었다. 시료의 건조단위중량을 16.
- 또한 투수 실험 결과 일반적인 풍화토에 대한 투수 계수의 범위를 초과하지는 않았으나 화강 풍화시료가편마 풍화시료에 비해 대략 10배 크게 측정되었다. 시료의 건조단위중량을 16.5kN/m3로 조성하여 실험한 결과, 편마 풍화토와 화강 풍화토의 강도정수의 차이는 크지 않았으며 편마 풍화토가 화강 풍화토에 비하여 실트 질이 섞인 세립분 함유에 의한 점착력을 확인할 수 있었다. 불포화 함수특성 및 흡수력을 산정하기 위하여 축 변이(axis translation)기술을 기본원리로 Fredlund(2005)에 의하여 고안된 null-type pressure plate 장치를 활용하여 흡수력에 따른 함수량의 변화를 건조과정과 습윤과정에 대하여 측정하였다.
- 기존의 건조곡선과 실제 사면에서의 강우 침투과정 그리고 그 현상학적인 거동이 유사한 습윤 과정의 이력을 고려하였다. 이와 더불어 별도의 투수실험 결과, 시료로 사용된 화강 풍화토가 편마 풍화토에 비해 약 10배 정도 큰 수치를 나타냄을 확인하였다. 이는 두 풍화 시료를 기본으로 조성한 사면의 침투 해석 시 근본적으로 서로 다른 불포화 투수 및 침투 특성을 나타내는 원인이라 할 수 있다.
후속연구
- (5) 언급된 강우에 의한 흡수력의 반응 시간 등을 고려 하면 추가적으로 강우로 인한 불포화 풍화 사면의 위험도 평가가 가능하리라 판단된다.
- 따라서 선행강우 효과는 상대적으로 사면이 깊고 지반의 밀도가 높은 위치일수록 강우강도에 영향을 주어 일정 시간 동안 불포화 침투에 대한 흡수력의 감소를 지연시키는 역할을 하며 임계시간 이후에는 수렴하는 경향을 보인다 따라서 선행강우에 의한 시간에 따른 흡수력의 변화는 사면의 깊이와 불포화 투수 능력에 따라 크게 좌우되며 이러한 흡수력의 감소폭과 변화 반응시간 들이 적절하게 고려된다면 향후 사면의 위험도 평가에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
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