국내의 사면붕괴는 대부분 우기 또는 해빙기에 집중적으로 되고 있는 실정이며, 이에 따라 최근의 강우시 토사사면의 설계기준은 보수적인 관점에서 지표면에 지하수를 위치시켜 놓고 사면안정성을 평가하고 있어 설계자의 관점에서 볼 때 지나치게 보수적인 경향이 있다. 그러나 강우시 토사사면을 합리적으로 설계하기 위해서는 강우조건 및 토사사면의 불포화 특성을 고려하여야 하며 이를 위해서는 토사사면의 불포화 특성을 파악하기 위한 실내시험 및 강우조건에 따른 침투류 해석 등이 수행되어야 하는 어려움이 있어 보수적인 관점에서 기존의 설계기준에 따라 토사사면의 설계가 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 별도의 침투류 해석 없이 강우시 토사사면의 불포화 특성을 고려한 간편 설계법을 제안하고자 하며, 이에 대한 검증으로 실제 붕괴된 토사사면을 대상으로 현행 설계기준에 의한 설계방법과 침투류 해석에 의한 설계방법에 대한 비교연구를 수행하였다. 비교검증 결과 현행 설계방법은 지나치게 보수적인 설계방법임을 확인하였으며, 본 연구의 간편 설계법이 강우시 토사사면의 안정성을 평가하는데 있어서 현행 설계방법에 비해 합리적인 것을 알 수 있었다.
국내의 사면붕괴는 대부분 우기 또는 해빙기에 집중적으로 되고 있는 실정이며, 이에 따라 최근의 강우시 토사사면의 설계기준은 보수적인 관점에서 지표면에 지하수를 위치시켜 놓고 사면안정성을 평가하고 있어 설계자의 관점에서 볼 때 지나치게 보수적인 경향이 있다. 그러나 강우시 토사사면을 합리적으로 설계하기 위해서는 강우조건 및 토사사면의 불포화 특성을 고려하여야 하며 이를 위해서는 토사사면의 불포화 특성을 파악하기 위한 실내시험 및 강우조건에 따른 침투류 해석 등이 수행되어야 하는 어려움이 있어 보수적인 관점에서 기존의 설계기준에 따라 토사사면의 설계가 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 별도의 침투류 해석 없이 강우시 토사사면의 불포화 특성을 고려한 간편 설계법을 제안하고자 하며, 이에 대한 검증으로 실제 붕괴된 토사사면을 대상으로 현행 설계기준에 의한 설계방법과 침투류 해석에 의한 설계방법에 대한 비교연구를 수행하였다. 비교검증 결과 현행 설계방법은 지나치게 보수적인 설계방법임을 확인하였으며, 본 연구의 간편 설계법이 강우시 토사사면의 안정성을 평가하는데 있어서 현행 설계방법에 비해 합리적인 것을 알 수 있었다.
Slope collapse occurs mostly at the rainy season or thawing season in Korea. From a engineer point of view, the design criterion in recent of soil slopes during the rainfall have a conservative tendency because a slope stability is evaluated in the condition that ground water level is located in the...
Slope collapse occurs mostly at the rainy season or thawing season in Korea. From a engineer point of view, the design criterion in recent of soil slopes during the rainfall have a conservative tendency because a slope stability is evaluated in the condition that ground water level is located in the surface. However, for the rational design of soil slopes during rainfall, the raining conditions and the unsaturated soil characteristics of soil slopes have to be considered. For the unsaturated soil characteristics of soil slopes, the laboratory tests for unsaturated soils and the seepage analyses for the raining conditions have to be performed. Due to these difficulties, a conservative design of soil slopes in the current design criterion has been carried out. In this paper, therefore, a simple design method is proposed. The method is considered to the unsaturated soil characteristics and the results of seepage analysis without numerical analysis. To verify the suggested design method, it is compared with both analysis results by current design criterion and analysis results based on the seepage analysis. Through the comparative study, it was found that the current design criterion has been excessively conservative. Hence, simple design method in this study was evaluated as the rational design for the soil slopes during rainfall.
Slope collapse occurs mostly at the rainy season or thawing season in Korea. From a engineer point of view, the design criterion in recent of soil slopes during the rainfall have a conservative tendency because a slope stability is evaluated in the condition that ground water level is located in the surface. However, for the rational design of soil slopes during rainfall, the raining conditions and the unsaturated soil characteristics of soil slopes have to be considered. For the unsaturated soil characteristics of soil slopes, the laboratory tests for unsaturated soils and the seepage analyses for the raining conditions have to be performed. Due to these difficulties, a conservative design of soil slopes in the current design criterion has been carried out. In this paper, therefore, a simple design method is proposed. The method is considered to the unsaturated soil characteristics and the results of seepage analysis without numerical analysis. To verify the suggested design method, it is compared with both analysis results by current design criterion and analysis results based on the seepage analysis. Through the comparative study, it was found that the current design criterion has been excessively conservative. Hence, simple design method in this study was evaluated as the rational design for the soil slopes during rainfall.
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문제 정의
사면 붕괴는 우기에 집중적으로 발생되므로 각 기관에서는 강우시 사면 설계기준을 지표면 포화조건으로 제안하고 있어, 대부분 사면이 보강공법 적용대상으로 편입되어짐에 따른, 사면 공사비의 급격한 증가를 초래하게 되었다. 따라서, 본 연구에서는 강우시 토사 사면을 대상으로 안정성 및 경제성 확보가 가능한 간편 설계기법을 제안하기 위한 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 본 연구는 강우시 사면의 조건을 별도의 침투류 해석 없이 편리하게 고려 할 수 있는 장점이 있는 기존연구(박성원, 2005)를 실무적인 차원에서의 활용이 가능하도록 확장하여 제안하였다.
본 연구는 강우시 토사사면을 대상으로 간편 설계기법을 제안하고자 기존연구(박성원, 2005)의 포화시간예측도표를 실내실험 및 SWCC시험을 통해, 검증함과 아울러 매개변수 분석을 이용한 간극수압비 예측도표를 제시, 실무적인 차원에서의 활용이 가능하도록 확장하여 강우시 토사사면의 간편 설계기법을 제시하였으며, 본 연구에서 제안한 간극수압비 예측도표에 의한 강우시 토사사면의 설계방안에 대한 적정성을 검증하기 위해 실제붕괴현장을 대상으로 비교연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
따라서, 본 연구에서는 강우시 토사 사면을 대상으로 안정성 및 경제성 확보가 가능한 간편 설계기법을 제안하기 위한 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 본 연구는 강우시 사면의 조건을 별도의 침투류 해석 없이 편리하게 고려 할 수 있는 장점이 있는 기존연구(박성원, 2005)를 실무적인 차원에서의 활용이 가능하도록 확장하여 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안한 간극수압비 예측도표에 의한 강우시 토사사면의 설계방안에 대한 적용성을 검증하기 위해 실제 붕괴된 토사사면을 대상으로 강우시 현행 설계기준(지하수위는 지표면에 위치)에 의한 설계방법과 침투류 해석(강우지속기간 48시간에 해당하는 재현기간 50년 확률강우량 적용)에 의한 설계방법에 대한 비교연구를 수행하여, 현행 설계방법은 지나치게 보수적인 설계방법임을 확인하였으며, 본 연구의 간편 설계방안을 이용하여 간편하게 강우시 사면안정성을 평가 할 수 있도록 하였다.
제안 방법
또한 Case 3(침투류 해석)은 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 적용하였으며 지하수 유출상황을 고려하여 지하수위를 가정하여 침투류해석을 실시하고 이를 바탕으로 사면안정해석을 실시하였다. Case 4는 본 연구에서 제시한 간편 설계절차에 따라 예측된 표 6의 간극수압비를 이용하여 사면안정해석을 수행하였다.
침투류 해석에 사용한 프로그램은 SEEP/W이며, 시간에 따른 간극수압의 변화 예측을 위해 Transient Mode로 해석을 실시하여 시간경과에 따른 사면내부의 지하수위 변화, 간극수압의 변화 및 유속의 변화 등을 분석하였다. 경계조건으로 양쪽 측면 및 하부는 무한요소로 설정하여 지반의 연속성을 모델링 하였고 지표면은 강우자료를 바탕으로 강우 조건을 재현하여 모델링 하였다. 연구대상 지반의 물리, 역학적 특성은 보링조사 결과와 대상지반에서 채취된 교란시료를 대상으로 실시된 실내토질시험 결과 및 문헌자료를 이용하였다.
한계평형해석은 SLOPE/W 프로그램을 이용하였으며, 해석방법은 Morgenstern-Price의해석기법을 적용하였다. 궁극적으로 침투류 해석결과를 이용한 한계평형해석결과와 동일한 안전율 분포를 나타내는 간극수압비를 찾기 위해 간극수압비를 변화시켜가면서 한계평형해석을 반복적으로 수행하였다.
내부마찰각의 변화에 따른 간극수압비의 영향을 분석하기 위해 표 3과 같이 토사사면의 단위중량은 1.8tf/m3 로 고정시키고, 토사사면의 점착력 및 내부마찰각을 각각 1.0～5.0tf/m2 (총 3종류) 및 25～35°(총 3종류)로 변화시켜 간극수압비의 변화를 분석하였다.
단위중량의 변화에 따른 간극수압비의 영향을 분석하기 위해 표 1과 같이 토사사면의 내부마찰각은 28°로 고정시키고, 토사사면의 점착력 및 단위중량을 각각 1.0～5.0tf/m2 (총 3종류) 및 1.7～1.9tf/m3 (총 3종류)으로 변화시켜가며 간극 수압비의 변화를 분석하였다.
0tf/m2, 내부마찰각 28°로 제한하고 있어 각 계수 값이 변화될 경우 활용에 제한이 있는 문제가 있었다. 따라서 기존연구에서 제시한 절차를 활용하여 대상 토사사면의 다양한 지반정수의 영향을 반영할 수 있도록 단위중량, 내부마찰각 및 점착력을 변화시켜 매개변수 변화연구를 수행하였으며, 이에 대한 보정식 및 예측도표를 제시하였다(한태곤, 2006). 이를 분석하기 위해 우선 지반의 다양한 불포화 특성(흙-수분 특성곡선 계수 n=0.
표 7에서 Case 1(건조시)은 비교를 위해 수행된 간극수압이 없는 상태에서의 사면안정해석결과이며, Case 2(완전 포화시)는 토사사면의 강우시 현행설계기준인 지표면까지 완전포화조건으로 하여 사면안정해석을 실시한 경우에 해당된다. 또한 Case 3(침투류 해석)은 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 적용하였으며 지하수 유출상황을 고려하여 지하수위를 가정하여 침투류해석을 실시하고 이를 바탕으로 사면안정해석을 실시하였다. Case 4는 본 연구에서 제시한 간편 설계절차에 따라 예측된 표 6의 간극수압비를 이용하여 사면안정해석을 수행하였다.
또한 내부마찰각의 변화에 대해서는 간극수압비에 거의 영향을 미치지 않으므로 내부마찰각은 28°로 고정시켰으며, 점착력의 증가에 따라 간극수압비는 반비례적인 관계에 있으나 변화율이 일정치 않아 1.0～5.0tf/m2 (총 3종류)에 대해서 예측도표를 그림 6과 같이 별도로 제시하였다(한태곤, 2006).
/H값 및 n값의 변화에 따라 평가된 간극수압비 중 최대값을 도표화하여, 분석한 결과 토사의 단위중량이 증가함에 따라 간극수압비는 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 토사의 점착력이 증가함에 따라 간극수압비는 다소 감소하는 경향으로 나타났으며 변화율은 비선형적으로 나타나 별도의 간극수압 예측도표를 작성하여 제시하였다. 반면 내부마찰각(Φ)의 변화에 따른 간극수압비의 변화는 거의 없는 것으로 분석되었다.
예측도표의 활용방법을 정리하면 그림 7과 같으며, 강우시 토사사면의 포화시간이 24시간 이내로 예측된 경우에는 집중호우시 토사사면이 완전포화가 가능한 조건으로 판단하여 표 4의 현행 토사사면의 설계기준(지하수위는 지표면에 위치)을 적용한다. 만일 강우시 토사사면의 포화시간이 24시간 이상 될 경우에는 집중호우시 토사사면이 완전포화되지 못하고 불포화 상태에 있으므로 표 4의 현행 설계기준을 적용할 경우 불합리한 설계가 이루어질 수 있으므로 본 연구의 제안방법에 따라 간극수압비를 예측하여 토사사면을 설계하는 방식을 적용하는 방안을 제안한다.
강우시 토사사면의 포화시간 예측도표는 별도의 침투류 해석 없이 사면의 기하학적 조건, 지반의 흙-수분특성, 및 포화투수계수를 이용하여 사면 포화에 소요되는 시간을 예측할 수 있는 도표이다. 본 도표의 강우조건은 강우가 지반의 포화투수계수 이상의 강도로 작용하는 조건에서 도출된 도표이며, 세로축은 강우로 인해 사면이 포화상태에 이르는 시간을, 가로축은 도표의 간편화를 위하여 지반의 포화투수계수와 사면의 높이의 비를 표시하였다.
본 연구에서 제안한 간극수압비 예측을 이용한 간편 설계방법에 대한 적정성을 확인하기 위하여 붕괴이력이 있는 사면을 대상으로 현행 설계기법 및 침투류 해석을 이용한 설계방법을 이용하여 사면의 안정성 평가를 수행하였다(한태곤, 2006). 침투류 해석시 강우조건은 1999년도 수자원 관리기법 연구개발 조사보고서(건설교통부, 2000)에 적시되어있는 전국주요지점의 확률강우량자료의 50년 빈도를 강우지속기간은 48시간을 이용하여 해석하였다.
이를 분석하기 위해 우선 지반의 다양한 불포화 특성(흙-수분 특성곡선 계수 n=0.403～1.400(총 20종류) 및 포화투수계수 ksat =1.0×10-6 ～1.0×10-4 m/sec(총 5종류)) 및 사면조건(H=5～15m(총 3종류))에 따른 SEEP/W프로그램을 이용, 침투류 해석을 실시하여 한계강우강도 이상으로 강우가 24시간 이상 지속된 상태에서의 간극수압을 평가하였으며, 평가된 토사사면 내의 간극수압을 불러들여 한계평형해석을 수행하여 강우시 토사사면의 사면 활동에 따른 안전율을 산정하였다.
점착력의 변화에 따른 간극수압비의 영향을 분석하기 위해 표 2와 같이 토사사면의 내부마찰각은 28°로 고정시키고, 단위중량 및 점착력을 각각 1.7～1.9tf/m3 (총 3종류) 및 1.0～5.0tf/m2 (총 3종류)으로 변화시켜 간극수압비의 변화를 분석하였다.
그림 7의 예측도표를 활용하여 포화에 소요되는 시간을 예측한 결과는 표 6과 같으며, 포화시간은 100～200시간으로 예측되었다. 즉, 강우강도가 지반의 포화투수계수 이상으로 집중호우가 100～200시간 동안 지속적으로 발생할 때 사면내 포화가 발생하는 것으로 이는 현실적으로 강우로 인한 사면의 포화는 발생하지 않을 것으로 판단되므로 본 사면의 안정성 평가는 강우시 부분포화조건으로 간극수압비를 이용한 사면안정성 평가를 실시하였다. 만일 포화 시간이 24시간 이내로 예측될 경우에는 토사사면의 강우시 현행설계기준인 지표면까지 완전포화조건으로 하여 사면 안정해석을 실시한다.
본 연구에서 제안한 간극수압비 예측을 이용한 간편 설계방법에 대한 적정성을 확인하기 위하여 붕괴이력이 있는 사면을 대상으로 현행 설계기법 및 침투류 해석을 이용한 설계방법을 이용하여 사면의 안정성 평가를 수행하였다(한태곤, 2006). 침투류 해석시 강우조건은 1999년도 수자원 관리기법 연구개발 조사보고서(건설교통부, 2000)에 적시되어있는 전국주요지점의 확률강우량자료의 50년 빈도를 강우지속기간은 48시간을 이용하여 해석하였다. 침투류 해석에 사용한 프로그램은 SEEP/W이며, 시간에 따른 간극수압의 변화 예측을 위해 Transient Mode로 해석을 실시하여 시간경과에 따른 사면내부의 지하수위 변화, 간극수압의 변화 및 유속의 변화 등을 분석하였다.
침투류 해석시 강우조건은 1999년도 수자원 관리기법 연구개발 조사보고서(건설교통부, 2000)에 적시되어있는 전국주요지점의 확률강우량자료의 50년 빈도를 강우지속기간은 48시간을 이용하여 해석하였다. 침투류 해석에 사용한 프로그램은 SEEP/W이며, 시간에 따른 간극수압의 변화 예측을 위해 Transient Mode로 해석을 실시하여 시간경과에 따른 사면내부의 지하수위 변화, 간극수압의 변화 및 유속의 변화 등을 분석하였다. 경계조건으로 양쪽 측면 및 하부는 무한요소로 설정하여 지반의 연속성을 모델링 하였고 지표면은 강우자료를 바탕으로 강우 조건을 재현하여 모델링 하였다.
대상 데이터
경계조건으로 양쪽 측면 및 하부는 무한요소로 설정하여 지반의 연속성을 모델링 하였고 지표면은 강우자료를 바탕으로 강우 조건을 재현하여 모델링 하였다. 연구대상 지반의 물리, 역학적 특성은 보링조사 결과와 대상지반에서 채취된 교란시료를 대상으로 실시된 실내토질시험 결과 및 문헌자료를 이용하였다. 흙-수분 특성 분석은 Soil Vision 프로그램을 이용하였으며, 한계평형해석은 SLOP/W을 이용하였다.
데이터처리
연구대상 지반의 물리, 역학적 특성은 보링조사 결과와 대상지반에서 채취된 교란시료를 대상으로 실시된 실내토질시험 결과 및 문헌자료를 이용하였다. 흙-수분 특성 분석은 Soil Vision 프로그램을 이용하였으며, 한계평형해석은 SLOP/W을 이용하였다. 각 검증사례에 대한 대상지반의 흙-수분 특성곡선의 계수(Fredlund & Xing 모델) 및 강도정수를 요약하여 정리하면 표 5와 같다.
이론/모형
0×10-4 m/sec(총 5종류)) 및 사면조건(H=5～15m(총 3종류))에 따른 SEEP/W프로그램을 이용, 침투류 해석을 실시하여 한계강우강도 이상으로 강우가 24시간 이상 지속된 상태에서의 간극수압을 평가하였으며, 평가된 토사사면 내의 간극수압을 불러들여 한계평형해석을 수행하여 강우시 토사사면의 사면 활동에 따른 안전율을 산정하였다. 한계평형해석은 SLOPE/W 프로그램을 이용하였으며, 해석방법은 Morgenstern-Price의해석기법을 적용하였다. 궁극적으로 침투류 해석결과를 이용한 한계평형해석결과와 동일한 안전율 분포를 나타내는 간극수압비를 찾기 위해 간극수압비를 변화시켜가면서 한계평형해석을 반복적으로 수행하였다.
성능/효과
(2) ksat /H값 및 n값의 변화에 따라 평가된 간극수압비 중 최대값을 도표화하여, 분석한 결과 토사의 단위중량이 증가함에 따라 간극수압비는 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 토사의 점착력이 증가함에 따라 간극수압비는 다소 감소하는 경향으로 나타났으며 변화율은 비선형적으로 나타나 별도의 간극수압 예측도표를 작성하여 제시하였다.
(3) 본 연구에서 수행한 연구결과를 근거로 강우시 토사사면의 사면 안정성 평가를 위해 간극수압비의 정량적인 예측을 통한 간편 설계기법을 제시하였으며, 제시된 간편 설계기법을 이용하여 붕괴이력이 있는 5개의 사면에 대해 사면안정해석을 수행한 결과 강우시 토사사면의 안정성을 평가하는데 있어서 현행 설계방법에 비해 합리적인 것을 알 수 있었다.
그림 4(d)에서 알 수 있듯이 점착력(c)이 증가함에 따라 간극수압비는 전체적으로 다소 감소하는 경향으로 나타났으며, 변화율은 비선형적인 것을 알 수 있다. 따라서 점착력의 변화에 대해서는 별도의 간극수압 예측도표의 작성이 필요한 것으로 판단되었다.
표 7의 검증사례 사면에 대한 사면안정해석결과를 분석해 보면, 강우시 현행 설계방법(Case 2) 및 본 연구에서 제시한 방법(Case 4) 모두 우기시 기준안전율 1.2 미만으로 평가되어 붕괴된 사면의 불안정성을 알 수 있었다. 그러나 현행 설계방법에 의한 사면안정해석결과는 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 바탕으로 침투류 해석을 수행하여 계산된 간극수압을 적용한 사면안정해석결과(Case 3)에 비해 지나치게 과소 평가되는 경향으로 분석되었다.
그러나 현행 설계방법에 의한 사면안정해석결과는 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 바탕으로 침투류 해석을 수행하여 계산된 간극수압을 적용한 사면안정해석결과(Case 3)에 비해 지나치게 과소 평가되는 경향으로 분석되었다. 반면 본 연구에서 제시한 간극수압 예측도표를 활용한 사면 안정해석결과(Case 4)는 현행 설계방법(Case 2) 보다는 크고 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 바탕으로 침투류 해석을 수행하여 계산된 간극수압을 적용한 사면안정해석결과(Case 3) 보다는 대체적으로 작게 평가되어, 본 연구에서 제시한 간극수압 예측도표를 활용한 사면안정 해석방법이 강우시 토사사면의 안정성을 평가하는데 있어서 현행 설계방법에 비해 합리적인 것을 알 수 있었다.
2 미만으로 평가되어 붕괴된 사면의 불안정성을 알 수 있었다. 그러나 현행 설계방법에 의한 사면안정해석결과는 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 바탕으로 침투류 해석을 수행하여 계산된 간극수압을 적용한 사면안정해석결과(Case 3)에 비해 지나치게 과소 평가되는 경향으로 분석되었다. 반면 본 연구에서 제시한 간극수압 예측도표를 활용한 사면 안정해석결과(Case 4)는 현행 설계방법(Case 2) 보다는 크고 재현기간 50년 확률강우량(지속기간 48시간)을 바탕으로 침투류 해석을 수행하여 계산된 간극수압을 적용한 사면안정해석결과(Case 3) 보다는 대체적으로 작게 평가되어, 본 연구에서 제시한 간극수압 예측도표를 활용한 사면안정 해석방법이 강우시 토사사면의 안정성을 평가하는데 있어서 현행 설계방법에 비해 합리적인 것을 알 수 있었다.
따라서 간극수압비 예측도표를 내부마찰각 28°로 설정하여 예측한 경우에 있어서 실제의 토사사면의 내부마찰각이 28°가 아닌 경우라도 간극수압비의 영향이 거의 없으므로 적용 가능함을 알 수 있다.
이를 위하여 본 연구는 강우시 사면의 조건을 별도의 침투류 해석 없이 편리하게 고려 할 수 있는 장점이 있는 기존연구(박성원, 2005)를 실무적인 차원에서의 활용이 가능하도록 확장하여 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안한 간극수압비 예측도표에 의한 강우시 토사사면의 설계방안에 대한 적용성을 검증하기 위해 실제 붕괴된 토사사면을 대상으로 강우시 현행 설계기준(지하수위는 지표면에 위치)에 의한 설계방법과 침투류 해석(강우지속기간 48시간에 해당하는 재현기간 50년 확률강우량 적용)에 의한 설계방법에 대한 비교연구를 수행하여, 현행 설계방법은 지나치게 보수적인 설계방법임을 확인하였으며, 본 연구의 간편 설계방안을 이용하여 간편하게 강우시 사면안정성을 평가 할 수 있도록 하였다.
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