[논문]편마암지역 자연사면.절취사면의 안정성 분석 사례

김만일; 배두원; 김종태; 채병곤; 정교철

편마암지역 자연사면.절취사면의 안정성 분석 사례
Analysis of Rock Slope Stability for Natural Slope and Cut Slope of Gneiss Area in Andong, Korea 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.17 no.2 = no.52, 2007년, pp.289 - 297

김만일 (한국지질자원연구원 지질환경재해연구부 산사태재해연구실) , 배두원 (안동대학교 지구환경과학과) , 김종태 (안동대학교 지구환경과학과) , 채병곤 (한국지질자원연구원 지질환경재해연구부 산사태재해연구실) , 정교철 (안동대학교 지구환경과학과)

초록
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매년 강우로 인해 발생되는 사면파괴는 많은 재산피해와 인명피해를 발생시키고 있다. 사면재해로부터의 피해저감을 위해 인간의 생활권과 인접한 사면에 대한 지속적인 관리를 통해 이들의 안정성 검토와 보강 대책이 요구된다. 연구지역은 편마암으로 이루어진 암반사면으로써 단층작용으로 인해 대규모 절리군이 형성되어 있는 풍화암 내지 연암의 풍화 특성을 보여준다. 조사사면을 자연사면과 절취사면으로 구분하여 현장자료를 검토한 결과, 자연사면에서는 주 절리군이 형성된 4개 지점에서 평면파괴와 쐐기파괴 가능성이 우세하였으며, 절취사면의 경우 8개 지점에서 쐐기파괴 발생 가능성이 높게 나타났다. 또한 SLIDE 2D에 적용해 이들 사면의 최소안전율에 대한 수치해석 결과에서는 자연사면보다 절취사면의 안정성이 비교적 취약한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Slope failure that is occurred by rainfall generates a lot of property damages and loss of lives. Slope stability management and reinforcement countermeasure can be attained through continuous monitoring about various slope types that adjoin in human's life for reducing slope failure from natural and artificial cut slope hazards. The study area is rock slope that is consisted of gneiss, and large scale joint set is ranging by fault activity. This rock mass is exposed during long period and has lithological weathering property of weathered rock or soft rock. In-situ investigation carried out after divide by natural slope and cut slope. As a result, the natural slope appeared to high possibility of planar failure and wedge failure in few joint points that main joint set is formed. On the other hand, slope failure conformation in cut slope was superior only wedge failure occurrence possibility in eight joint points. In result of numerical analysis using SLIDE 2D, the minimum safety factor was analyzed slope stability for cut slope relatively low than natural slope in this study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

단열구조는 절리 암반사면의 안정성을 평가하는데 사용되는 가장 중요한 요소 중 하나로써, 본 연구에서는 단열구조의 분포 특성을 사면 안정성 해석에 효과적으로 활용할 수 있는 기법을 연구하여 절리군(joint set) 이분포하는 기하학적 특성에 대한 암반사면의 안정성 해석 체계를 단열 분포 특성을 중심으로 해석하였다. 또한 이 과정에서 수정 보완된 해석 기법을 통하여 단열구조의 분포 특성이 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하였다.
Dips에서는 절리간의 거리가 무시된 상태에서의 상관관계를 해석하므로 실제와는 차이가 나타날 수 있다. 이에 현장암반사면에서 블록 형성이 예상되는 절리를 선정하여 이에 대한 파괴가능성을. 결정하는 것이 바람직할 것이다.

가설 설정

절취사면의 원 지반은 매우 복잡하고 불균일하며, 또한 절취 후 시간의 경과에 따라 응력 이완, 대기 노출로 인한 풍화 등으로 인해 원지반의 공학적 특성이 사면안정에 불리한 쪽으로 진행되는 점을 충분히감안해야만 한다(윤지선, 1996; 산업기지개발공사, 1985). 본 연구에서는 상기와 같은 내용을 고려하여 Table 2와 같이 최소안전율 (minimum safety factor) 개념을 적용하였으며, 암반층에서 우기시 수압을 1/2H로 가정하여 수치모의를 수행하였다.

제안 방법

측정하였다(Table 1). Fig. 2에서와 같이 자연사면은 사면 중심부가 되는 식생대를 기준으로 하여 A-a 사면(좌측부), A-b 사면(우측부)로 구분하였으며, 절취 사면의 경우 단충선을 경계로하여 단층선 상단부를 B-a 사면, 하단부를 B-b 사면으로 각기 구분하여 조사를 수행하였다. 또한 본 연구지역은 전반적으로 편마암이 넓게 분포하는 지역으로써, 국내 기후특성을 고려하여 건기(坷 season)와 우기 (rainy season)로 나누어 암반사면의 내부마찰각을 설정하였다.
2에서와 같이 자연사면은 사면 중심부가 되는 식생대를 기준으로 하여 A-a 사면(좌측부), A-b 사면(우측부)로 구분하였으며, 절취 사면의 경우 단충선을 경계로하여 단층선 상단부를 B-a 사면, 하단부를 B-b 사면으로 각기 구분하여 조사를 수행하였다. 또한 본 연구지역은 전반적으로 편마암이 넓게 분포하는 지역으로써, 국내 기후특성을 고려하여 건기(坷 season)와 우기 (rainy season)로 나누어 암반사면의 내부마찰각을 설정하였다. 일반적으로 편마암에 대한 내부마찰각은 건기시 26°~29°, 우기시 23°~26。로알려져 있으나(이인모, 2001), 본 연구에서는 현장 조건을 고려하여 건기시 30。, 우기시 25。로 각기 설정하여 사면해석을 수행하였다.
또한 이 과정에서 수정 보완된 해석 기법을 통하여 단열구조의 분포 특성이 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 본 연구에서는 도로변에 분포하는 암반 노두에 대해 조사범위를 설정한 후 단층 및 절리의 방향성을 Clino-compass를 이용하여 현장에서 측정하였다.
또한 본 연구지역은 전반적으로 편마암이 넓게 분포하는 지역으로써, 국내 기후특성을 고려하여 건기(坷 season)와 우기 (rainy season)로 나누어 암반사면의 내부마찰각을 설정하였다. 일반적으로 편마암에 대한 내부마찰각은 건기시 26°~29°, 우기시 23°~26。로알려져 있으나(이인모, 2001), 본 연구에서는 현장 조건을 고려하여 건기시 30。, 우기시 25。로 각기 설정하여 사면해석을 수행하였다.
본 암반사면에 대한 모델링은 SLIDE 2D(Rocscience Inc.)를 적용해 대상 암반사면의 수치해석을 수행하였다. SLIDE 2D는 토사 및 암반사면에 대해 원호 내지 비 원호파괴의 안전율을 평가 분석할 수 있는 2차원 수치해석 프로그램으로 Bishop 간편법(1955)과 Janbu 간편법 (1954)을 적용하여 전단강도 t에 대한 사면 안 전율을 산정하였다.
암반사면을 대상으로 절개시 응력의 해방과 단층의 영향으로 생성된 절리면에 대해 사면의 방향과 경사를 자연 사면과 절취사면으로 나누어 총 37개 지점에 대해 각기 측정하였다(Table 1). Fig.
이를 위해 본 연구에서는 도로변에 분포하는 암반 노두에 대해 조사범위를 설정한 후 단층 및 절리의 방향성을 Clino-compass를 이용하여 현장에서 측정하였다. 이러한 현장조사 자료를 바탕으로 Dips 5.0 (Rocscience, Inc.)을 적용해 대상 암반사면의 잠재 파괴 형태를 분석하였으며, SLIDE 2D(Rocscience, Inc.)에서는 Bishop 간편법(1955)과 Janbu 간편법(1954)에 따른 건기와 우기시의 사면 안정성 평가를 수행하였다.
또한 이 과정에서 수정 보완된 해석 기법을 통하여 단열구조의 분포 특성이 사면 안정성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 본 연구에서는 도로변에 분포하는 암반 노두에 대해 조사범위를 설정한 후 단층 및 절리의 방향성을 Clino-compass를 이용하여 현장에서 측정하였다. 이러한 현장조사 자료를 바탕으로 Dips 5.
안정성 분석을 수행하였다. 이를 위해 현장 암반 사면을 붕괴되지 않은 자연사면과 붕괴 후 보강공사 된 절취사면으로 나누었으며, 암반사면 해석프로그램(Dips 5.0)을 이용하여 다시 각각 2개의 사면으로 나누어 조사를 수행하였다. 본 연구지역 도로변 절개사면은 평균 높이 15 m이며 연장된 길이는 100 m 정도로 도로와 인접해 있으며, 차량 운행이 매우 밀집된 지역이다.

대상 데이터

연구지역은 경상북도 안동시 용상동 소재 선어대 남쪽 방향에 위치한 절개 도로사면을 대상으로 하여 절취 암반 사면의 안정성 분석을 수행하였다. 이를 위해 현장 암반 사면을 붕괴되지 않은 자연사면과 붕괴 후 보강공사 된 절취사면으로 나누었으며, 암반사면 해석프로그램(Dips 5.

성능/효과

12(b)). 건기와 우기시의 최소안전율이 낮게 나타났으며 특히 우기시에는 최소 안전율이 1이하로 분석되었다 . 자연사면에서의 해석결과보다 절취 사면에서의 최소안전율 범위가 매우 낮게 분석되어 건기와 우기시 모두 사면 안정성에 취약성을 가지고 있는 것으로 생각된다.
11(a)). 그리고 우기시 최대 이상적인 값으로 모델링한 결과에서는 Bishop 간편법을 적용하였을 경우 1.211, Janbu 교정법을 적용하였을 경우 1.229, Janbu 간편법을 적용하였을 경우 1.160으로 나타났다(Fig. 11(b)).
반면 전도파괴 가능성은 본 조사에서 나타나지는 않았다. 또한 Fig. 3과 4에서 나타난 것과 같이 A-a 암반사면의 경우 전도파괴의 발생 가능성은 희박한 것으로 나타났다. 반면에 하절기인 우기일 경우 쐐기파괴가 예상되는 절리번호는 2-3, 2-4, 2-7, 3-4, 3-7로 나타났다.
12(a)). 또한 우기시 최대 이상적인 값으로 모델링한 결과에서는 Bishop 간편법을 적용하였을 경우 0.974, Janbu 교정법을 적용시 1.001, Janbu 간편법을 적용하였을 경우 0.953으로 나타났다(Fig. 12(b)).
본 연구에서 자연사면 및 절취사면에 대해 건기와 우기 조건으로 구분하여 수치 해석한 결과에서도 절취 사면의 경우, 최소안전율 대비 건기조건일 경우 약 70.8-74.3%, 우기조건일 경우 약 79.4-83.4%俚 낮은 안전율 분포를 보이고 있다. 현재는 보호공법으로 단지 낙석방지용 철망펜스를 이용하였지만 이러한 방지대책만으로 사면 붕괴 가능성이 축척된 암괴를 안정화하기엔 역부족이다.
본 연구지역의 사면 모델링 수치해석을 통해 자연 사면에 대한 안전율은 건조할 경우를 예상하여 최대 이상적인 값으로 모델링한 결과, Bishop 간편법을 적용하였을 경우 1.366, Janbu 교정법을 적용하였을 경우 1.380, Janbu 간편법을 적용하였을 경우 1.303으로 나타났다 (Fig. 11(a)).
건기와 우기시의 최소안전율이 낮게 나타났으며 특히 우기시에는 최소 안전율이 1이하로 분석되었다 . 자연사면에서의 해석결과보다 절취 사면에서의 최소안전율 범위가 매우 낮게 분석되어 건기와 우기시 모두 사면 안정성에 취약성을 가지고 있는 것으로 생각된다. 이는 현장에서 측정된 대상 사면의 평균 각도와 비교해서도 약 10。이상 차이를 갖고 있기 때문에 이에 대한 대책이 요구된다.
특히 절취사면의 경우 사면 상부에 형성된 표토층이 집중 강우로 붕괴된 흔적을 볼 수 있으며, 현재도 돌출된 암괴군이 철망에 걸려있는 것을 확인할 수 있다. 자연사면은 절취사면과의 기하학적 절리 분포특성과 비교해 상대적으로 위험 요소가 적어 보이지만, 이 역시 사면 안정성 분석 결과에서는 사면의 붕괴가능성이 높은 것으로 나타났다.
자연사면의 경우는 Dips에 의한 해석 결과, 4개 지점의 주 사면부에서 대부분 쐐기파괴가 우세한 것으로 해석되었다. 또한 일부 사면에서 평면파괴가 인지되지만 이 해석은 실제 현장 상황과는 다소 차이를 가지고 있다.
절취사면에 대한 안전율은 자연사면 해석방법과 동일한 수법으로 건조할 경우 최대 이상적인 값으로 모델링한 결과, Bishop 간편법에서는 1.088, Janbu 교정법을 적용하였을 경우 1.115, Janbu 간편법을 적용하였을 때는 1.063의 결과를 도출하였다(Fig. 12(a)).

후속연구

이는 현장에서 측정된 대상 사면의 평균 각도와 비교해서도 약 10。이상 차이를 갖고 있기 때문에 이에 대한 대책이 요구된다. 현재 이 지역은 도로 확장 공사로 인해 사면을 절취한 상태이지만 2006년 집중호우 당시 공사 중 붕괴가 발생되어 대상 암반 사면에 대한 조사 및 보강대책이 이루어져야 할 것이다.

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