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문제 정의
- 본 연구의 목적은 인위적인 절취사면 설치를 위해 현재 일반적으로 통용되고 있는 지질조사기법에 대한 설계 적용성 평가를 통해 각각의 지질조사기법별 적용성 및 제약성을 분석하여 설계요구 조건을 충족시키는 지질조사 및 지질조사 결과를 충분히 반영한 사면설계에 기여하여 인명과 재산상의 피해 저감은 물론 절취사면 붕괴로 인한 산림 파괴를 미연에 방지하는데 있다.
- 조사 순서는 인공위성 영상 및 DEM 분석으로 추정된 광역적인 선 구조 결과를 지표지질조사에 의해 현장 확인하는 방법으로 시행하였다. 지표지질조사에서는 기 발간된 지질도폭을 기준으로 암종 분포 확인 및 상세한 불연속면의 분포 특성을 파악할 수있도록 계획 하였다.
제안 방법
- 심하게 변성된 편마암이 분포하고 있어 제한된 조사 기법의 단점을 보완할 목적으로 수평 측선 조사 기법으로는 Scanline Survey, 수직 측선 조사 기법으로는 시추공 영상촬영기법(BIPS)를 적용하였으며, Window 조사기법으로 Laser Scanning 을 적용하여 불연속면 조사기법에 따른 조사결과를 대비 분석할 수 있도록 하였다. (ISRM, 1978; ISRM, 1981; Priest and Hudson, 1978)또한 조사결과의 신뢰도 확보를 최대로 하기위해 광역조사결과에 의거 균질 절리영역을 4개소로(Domain A, D)구분하였으며 각 Domain 별 대표 구간을 (연장 L=50m) 선정하여 Domain 별로 평가할 수있도록 하였다.
- Stereonet에 의한 평사투영해석 결과 평면파괴, 쐐기파괴 및 전도파괴 및 모든 경우에서 안전한 것으로 해석되었으나 대상 구간이 편마암 분포지역으로 국부적인 전도파괴가능성을 내포하고 있으므로 Set 2(J2) 절리군에 대해 공사 중 Face Mapping 에 의해 부분적인 보강 계획을 반영하였다.
- 공학적 특성 평가를 위한 조사 결과와 실내 암석 및 토성 시험 결과는 상호 대비 또는 일련의 통계과정을 거치는 동일한 방법으로 설계에 적용 되고 있을 뿐 아니라 설계 입력 정수와 직접적인 관계가 있어 지층별 및 해석 기법 별로 구분하여 아래와 같이 적용성 평가 시도 하였다.
- 기존 설계사례 및 기존 자료(한국도로공사, 2001)분석 결과와 표준관입시험(N값)을 이용한 경험식 및 NAVFAC의 사질토의 강도 특성 상관도 검토와 현장시험 결과를 이용하여 설계정수를 산정하였다. 시추조사 결과를 검토 결과 실트질이 많이 함유된 것으로 조사 되어 점착력은 크나 내부마찰각은 다소 작게 나타났다.
- 광역조사 결과 3개조의 주단층대가 방수로 비탈면에 절대적인 영향을 미치며 이중1개조의 단 층(F3)은 현재 건설되어 있는 남측 방수로 비탈면의 붕괴를 초래는 등 직접적인 영향을 주고 있다(한국자원연구소, 1995). 단층대의 연장성을 확인을 위한 전기비저항탐사 계획을 수립토록하며, 암반 비탈면에 대한 균질절리 영역은 단층대를 기준으로 C-1：단층파쇄대 구간, C-2, 4：편마암 대표구간 및 C-3：관입암 혼재구간의 4개 구간으로 세분하여 적용토록 한다.
- 본 시험은 일반적인 추세는 아니나 연구단계의 한 가지 대안으로 장기암석물성변화 시험으로 장기간 노출에 따른 비탈면의 풍화도 예측을 시도하여 보았다.
- 본 연구는 지질조건에 의거 토사 및 풍화암 비탈면 구간과 암반 비탈면 구간으로 구분하였으며각 구간별 특성은 표 2와 같다.
- 비탈면에 대한 조사 결과의 적용성 평가를 위해 설계요구조건을 기준으로 연약대 분포 여부를 파악하기위한 광역조사, 절리면 평가를 위한 조사, 지층분포 파악을 위한 조사, 지반의 공학적 특성 평가를 위한 조사, 지반 물성 및 역학적 특성 평가를 위한 실내시험 및 비탈면의 풍화도 예측을 위한 시험을 시행하였다.
- 비탈면의 높이 및 기존자료 분석을 통해 토사및 풍화암 비탈면 구간과 암반 비탈면 구간으로 구분하여 조사단계에서는 각각의 조건에 맞는 적절한 지질조사 항목 선정 여부와 분석의 적절성에 연구 주안점을 두었으며 비탈면 안정성 분석 단계에서는 지질조사 결과의 적용성에 주안점을 두었다. 조사단계에서는 선정된 지질조사 항목별 설계요구조건의 충족 정도를 분석하였고 설계단계에서는 현장 조사 자료의 설계적용 정도를 대비하는 방법으로 본 연구를 진행하였다.
- 시험 수량 제약으로 인한 대표값 산정을 위해 RMR 경험식(Bieniawski, 1979)과 기존 설계 자료를 초기 추정값 (Prior)으로, 삼축실험결과를 토대로 분석한 MCS결과와 공내 재하 시험 결과를 최우도값(Likehood)으로 설정하여 Bayesian Approach를 통한 최후도값(Posterior)인 연암 및 경암의 설계정수인 Em, c, ø 산정하였다.
- 심하게 변성된 편마암이 분포하고 있어 제한된 조사 기법의 단점을 보완할 목적으로 수평 측선 조사 기법으로는 Scanline Survey, 수직 측선 조사 기법으로는 시추공 영상촬영기법(BIPS)를 적용하였으며, Window 조사기법으로 Laser Scanning 을 적용하여 불연속면 조사기법에 따른 조사결과를 대비 분석할 수 있도록 하였다. (ISRM, 1978; ISRM, 1981; Priest and Hudson, 1978)또한 조사결과의 신뢰도 확보를 최대로 하기위해 광역조사결과에 의거 균질 절리영역을 4개소로(Domain A, D)구분하였으며 각 Domain 별 대표 구간을 (연장 L=50m) 선정하여 Domain 별로 평가할 수있도록 하였다.
- 요즈음은 조사장비 및 분석기법의 발달로 동일한 조건하에서 동일한 목적을 달성하기 위해선택 할 수 있는 조사기법이 매우 다양하므로 세부적인 지질조사 기법 보다는 비탈면 설계 요구 조건을 아래와 같이 크게 6가지로 대별하여 각군별 설계 적용성을 평가하였다.
- 일반적으로 많이 적용하고 있는 표준관입시험, 시추공을 이용한 시추공 전단시험 과 공내재하시험을 계획하였으며, 내진설계를 위해서는 단층파쇄대 분포 위치에 대해 Cross Hole Test를 병행하였다.
- 장기간 노출에 따른 비탈면의 풍화도 예측 목적으로 Slaking Test, Swelling Test, 점하중 강도 시험 및 장기암석물성변화 시험을 시행하였으나 정량적인 설계정수 산정이 어려워 정성적인 참고 자료 제공에 만족하여 E 정도의 설계 반영도를보였다.
- 현재 가장 보편적으로 적용되고 있으며 일반 화된 인공위성 영상분석, DEM 분석 및 지표지질조사를 조사항목으로 선정하였다. 조사 순서는 인공위성 영상 및 DEM 분석으로 추정된 광역적인 선 구조 결과를 지표지질조사에 의해 현장 확인하는 방법으로 시행하였다. 지표지질조사에서는 기 발간된 지질도폭을 기준으로 암종 분포 확인 및 상세한 불연속면의 분포 특성을 파악할 수있도록 계획 하였다.
- 비탈면의 높이 및 기존자료 분석을 통해 토사및 풍화암 비탈면 구간과 암반 비탈면 구간으로 구분하여 조사단계에서는 각각의 조건에 맞는 적절한 지질조사 항목 선정 여부와 분석의 적절성에 연구 주안점을 두었으며 비탈면 안정성 분석 단계에서는 지질조사 결과의 적용성에 주안점을 두었다. 조사단계에서는 선정된 지질조사 항목별 설계요구조건의 충족 정도를 분석하였고 설계단계에서는 현장 조사 자료의 설계적용 정도를 대비하는 방법으로 본 연구를 진행하였다.
- 지질조사 결과의 신뢰도 보다는 조사 결과가 설계에 반영되는 설계 적용성을 평가하므로 현 수준에서의 조사의 중요도에 대한 상대 평가를 시도하였다. 평가 항목은 비탈면 설계 요구조건에 따라 크게 6가지로 대별하여 선정 시행된 지질조사 결과에 대해 시행 하였으며 설계 적용성은 전적으로 조사결과에 의존하는 경우부터(A등급으로 구분) 설계 참고자료 정도로 적용되는 조사항목(E등급) 까지 5개 등급으로 조사결과의 설계 반영도를 상대적으로 대비 하였다.
- 토사 및 풍화암 비탈면으로 구분한 단층 파쇄대 분포 구간(C-1)을 제외한 C-2, 3, 4 구간에 대한 Scanline Survey, 시추공영상촬영(BIPS) 및 Laser Scanning에 의한 절리면 분포도 조사를 시행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 통상적으로 적용하는 토사층 및 암반에 대한 물리적 역학적 특성 파악을 위한 실내시험 외에 단층대 분포로 인한 지반의 수직 수평 응력비를 파악하기 위해 DRA 시험 및 내진설계에 필요한 감쇄비 산정을 위해 공진주 및 충격반향시험을 조사 항목으로 추가 선정하였다(Brown, 1981; Head, 1980).
- 지질조사 결과의 신뢰도 보다는 조사 결과가 설계에 반영되는 설계 적용성을 평가하므로 현 수준에서의 조사의 중요도에 대한 상대 평가를 시도하였다. 평가 항목은 비탈면 설계 요구조건에 따라 크게 6가지로 대별하여 선정 시행된 지질조사 결과에 대해 시행 하였으며 설계 적용성은 전적으로 조사결과에 의존하는 경우부터(A등급으로 구분) 설계 참고자료 정도로 적용되는 조사항목(E등급) 까지 5개 등급으로 조사결과의 설계 반영도를 상대적으로 대비 하였다. 아래 표 9설계 적용성 평가 기준 참조.
- 현재 가장 보편적으로 적용되고 있는 굴절법 탄성파 탐사 및 시추조사를 시행하여 연속적인 지층 분포를 파악할 수 있도록 하였으며, 계획 노선 상에 분포하는 지질 구조 이상대 조사를 위해 전기비저항 탐사를 병행 시행하였다(민경덕․서정희․권병두, 1987)
- 현재 가장 보편적으로 적용되고 있으며 일반 화된 인공위성 영상분석, DEM 분석 및 지표지질조사를 조사항목으로 선정하였다. 조사 순서는 인공위성 영상 및 DEM 분석으로 추정된 광역적인 선 구조 결과를 지표지질조사에 의해 현장 확인하는 방법으로 시행하였다.
대상 데이터
- 본 연구 지역은 인천광역시 서구 시천동 일원부터 계양구 귤현동 일원에 이르는 폭 20.0m의 굴포천 임시 방수로가 설치된 구간으로 상습 침수지역인 굴포천 유역의 항구적인 홍수 조절기능을 위해 기존의 방수로를 80.0m로 확폭하는 Ⅱ단계 건설사업 구간 중 대규모 깎기 비탈면 구간을 연구 대상 지역으로 선정하였다.
- 시험 결과의 활용도는 특별 이상대 존재 유무 확인 정도로 안정성 해석에 필요한 입력 자료는 조사 지역의 지진가속도로 문헌 자료를 활용하였으며, 현장 시험 결과를 설계에 직접 적용하지는 못하였으므로 D 정도의 설계 반영도를 보였다.
- 표 4. 절리면 평가 조사 항목 선정.
이론/모형
- 설계 적용으로는 균질절리 영역별로 분석된 불 연속면 조사 결과를 평사투영해석 방법(Hoek and Bray, 1981)에 의해 1차적인 파괴가능성을 평가한후 파괴 가능성이 있는 구간에 대해 한계평형 방법에 의한 상세한 해석을 시행하였다. 파괴가능성이 없는 경우는 본 단계에서 안전성 평가를 종결하는 등 설계 적용성이 매우 높은 전적으로 조사 결과에 의존하는 반영도(A)를 보여주고 있다.
- 시험 수량 제약으로 인한 대표값 산정을 위해 실험값, MCS 및 기존 설계 자료를 이용하여 Bayesian Approach를 수행, 암반 절리면의 설계 정수 산정하였으며, 암반 불연속면의 설계정수는 Bayesian Approach 평균값 적용하였다.
성능/효과
- Stereonet에 의한 평사투영해석 결과 평면파괴에 대해서는 안정한 것으로 해석 되었으나 Set 2(J2)절리군은 전도파괴가 발생할 가능성이 있는 것으로 해석되었으며, Set 1(J1) 절리군과 F2 단 층면은 쐐기 파괴를 유발할 가능성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- Stereonet에 의한 평사투영해석 결과 평면파괴에 대해서는 안정한 것으로 해석 되었으나 Set 3(J3)절리군은 전도파괴가 발생할 가능성이 있는 것으로 해석되었으며, Set 1(J1) 절리군과 Set 2 (J2) 절리군은 쐐기 파괴를 유발할 가능성을 가지고 있는 것으로 나타났다.
- 내진설계를 위한 시험 결과 및 비탈면의 풍화도 예측을 위한 시험은 정성적인 참고자료 제공에 만족하여 조사 결과를 참조하여 문헌 자료를 설계에 적용하는 D 또는 E 정도의 반영도를 보였다.
- 기존 설계사례 및 기존 자료(한국도로공사, 2001)분석 결과와 표준관입시험(N값)을 이용한 경험식 및 NAVFAC의 사질토의 강도 특성 상관도 검토와 현장시험 결과를 이용하여 설계정수를 산정하였다. 시추조사 결과를 검토 결과 실트질이 많이 함유된 것으로 조사 되어 점착력은 크나 내부마찰각은 다소 작게 나타났다. 설계적용성은 조사 결과와 기존자료를 이용한 통계 분석 과정을 거쳐 설계에 적용하는 B 정도의 반영도를 보이고 있다.
- 풍화암은 모암의 조직 및 구조를 대부분 보유하고 있으므로, 현장분포 암반의 특성을 가장 효과적으로 반영할 수 있는 현장시험 성과를 적용 하는 것이 합리적인 것으로 판단하였다. 이 구간의 풍화암은 흑운모 편마암이 풍화된 암반으로서 실트질을 다소 많이 함유하고 있는 것으로 나타나 투수계수가 다소 적고 점착력이 크게 나타났다. 설계적용성은 조사 결과와 기존자료를 이용한 통계 분석 과정을 거쳐 설계에 적용하는 B 정도의 반영도를 보이고 있다.
- 조사 결과에 의거 균질 절리 영역을 4개로 구분하여 각 영역별로 상세 조사 계획 수립은 물론 안정성 해석 구간 구분에 직접 반영하므로 전적으로 조사 결과에 의존하는 반영도(A)를 보여주고 있다.
- 지반의 공학적 특성 평가를 위한 조사 및 실내 시험은 토사 및 풍화암 비탈면에서는 조사 결과와 기존자료를 이용한 통계 분석 과정을 거쳐 설계에 적용하는 B 정도의 반영도를 보이는 것으로 나타났으나 암반 비탈면에서는 설계 적용성은 좋으나 조사수량 제약으로 반영도가 낮은 C 정도의 반영도를 보이는 것으로 나타났다.
- 지질조사 항목별 설계 적용성을 대비 분석한결과 광역조사 와 절리면 평가를 위한 조사, 지층 분포 파악을 위한 조사는 설계 적용성이 매우 높은 전적으로 조사 결과에 의존하는 반영도(A)를 보이는 것으로 나타났다.
- 총 125개의 불연속면(All discontinuity)이 관찰되었고, 주방향(Set 1)은 67/094이고 부방향(Set 2, 3)은 69/334, 14/216로 3조의 절리군이 우세하며, 불연속면들의 경사각은 60° 이상의 고경사각이 우세하게 분포하고 있다.
- 총 125개의 불연속면(All discontinuity)이 관찰되었고, 주방향(Set 1)은 78/090이고 부방향(Set 2, 3)은 70/020, 70/155로 3조의 절리군이 우세하며, 불연속면들의 경사각은 70° 이상의 고경사각이 우세하게 분포하고 있다.
- 총 165개의 불연속면(All discontinuity)이 관찰되었고, 주방향(Set 1)은 70/086이고 부방향(Set 2, 3)은 40/231, 84/333로 3조의 절리군이 우세하며, 불연속면들의 경사각은 60° 이상의 고경사각이 우세하게 분포하고 있다.
- 풍화암은 모암의 조직 및 구조를 대부분 보유하고 있으므로, 현장분포 암반의 특성을 가장 효과적으로 반영할 수 있는 현장시험 성과를 적용 하는 것이 합리적인 것으로 판단하였다. 이 구간의 풍화암은 흑운모 편마암이 풍화된 암반으로서 실트질을 다소 많이 함유하고 있는 것으로 나타나 투수계수가 다소 적고 점착력이 크게 나타났다.
후속연구
- 금번 연구에서 지질조사의 양적인 적절성 및 조사 기법의 한계성 극복 방안에 대해서는 배제하였으므로 향후 연구 지역 및 대상 자료의 다변화로 또 다른 관점에서의 평가가 이루어져 상호 보완될 수 있기를 바란다.
- 파괴가능성이 없는 경우는 본 단계에서 안전성 평가를 종결하는 등 설계 적용성이 매우 높은 전적으로 조사 결과에 의존하는 반영도(A)를 보여주고 있다. 본 해석에서는 위에 언급된 3가지 절리면 조사에서는 인지되지 않았으나 Face Mapping에 의해 확인된 소규모 단층면을 추가로 고려하여 평사투영해석에 반영하였는바 보다 정확한 조사를 시행할 수 있는 조사방법에 대한 추가적 연구가 필요한 것으로 나타났다.
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