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가설 설정
- 해석시에 지하수위조건은 지표면으로 가정하여 설정하였으며 그 결과는 Fig. 10과 같다.
제안 방법
- 각 파괴유형별로 3개소에서 시료를 채취하였으며 채취된 시료는 밀봉하여 실험실로 운반하여 즉시 직접 전단시험을 시도하였으나 시료성형 중에 미세균열 등교란 이 발생하여 불가피하게 재성형하여 시험하였다. 이때 전단시험시 초기의 다짐밀도는 현장의 단위 중량 및 함수비와 일치하도록 단계적으로 조절하였다.
- 그 결과로 사면의 한계평형해석과 수치해석을 수행하였으며 충전물의 파괴형태에 의한 해석결과를 정성적으로 비교 평가하고 안정성 해석방법에 대하여 고찰하였다.
- 주지 못한다. 따라서 실제로 사면의 파괴가 어디서 시작되고 발달되는지 살펴보고 전반적인 사면의 거동을 파악하기 위하여 FL4C"> ver. 5.00 프로그램을 이용한 유한차분 수치해석을 수행하였다. 지반요소는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 이론을 적용하였으며, 불연속면 내 점토와 토사층의 경계부 파괴를 합리적으로 모델링하기 위하여 불연속면은 Bonded Interface Element로 처리하여 수치해석을 수행하였다.
- 본 연구는 00 도로건설공사 현장에서 발생한 사면 활동 사례를 중심으로 충전물을 채취하여 X-선 회절 분석과 기본 물성시험 등을 통해 그 특성을 조사하고 충전물의 파괴형태를 고려한 직접전단시험을 수행하였다. 그 결과로 사면의 한계평형해석과 수치해석을 수행하였으며 충전물의 파괴형태에 의한 해석결과를 정성적으로 비교 평가하고 안정성 해석방법에 대하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 이러한 직접전단시험의 한계성을 감안하여 강도정수를 시험값의 85%로 낮추어 적용하였다.
- 지반요소는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 이론을 적용하였으며, 불연속면 내 점토와 토사층의 경계부 파괴를 합리적으로 모델링하기 위하여 불연속면은 Bonded Interface Element로 처리하여 수치해석을 수행하였다. 불연속면은 미끄러짐이 발생할 수 있도록 모델링 하였으며, 점토층 내에 활동면을 고려하는 경우와 비교하여 사면의 거동을 분석하였다.
- 불연속면의 방향이 경사방향으로 활동하는 평면파괴의 조건을 만족하지 않은 상태에서 충전물의 팽창에 의한 사면활동이 감지되어 충전된 점토를 채취하여 X-선 회절 분석(XRD)을 실시하였다.
- 사면안정해석에서는 점토와 토사층의 경계부에 활동면이 존재하는 경우와 점토층 내에 별도의 활동면이 작용하는 경우에 대한 한계평형해석을 수행하였다. 한계 평형 해석법은 활동면을 따라 파괴가 일어나려는 순간에 있는 토체의 평형조건으로부터 안정성을 해석하는 방법으로 사면의 안정성은 안전율을 근거로 하여 판단한다.
- 수치해석을 수행한 대표단면은 한계평형해석에 적용된 대표단면을 동일하게 이용하였으며, 지반 강도 정수조건 또한 한계평형해석에 적용된 지반강도정수를 동일하게 적용하였다. 수치해석에 적용된 해석격자망은 Fig.
- 시험은 응력범위를 고려하여 7.5 kPa, 12.5 kPa, 15.0 kPa의 3단계 수직응력을 적용하여 실시하였다. 전단변형 후의 시료의 상태는 Fig.
- 안정해석에서의 지반물성치는 실내시험에 의하여 산정된 경계부에서의 강도정수와 점토의 강도정수를 구분하여 적용하였다. 점토층의 두께는 15 cm로 설정하였으며 해석단면은 Fig.
- 점토충전물에 의한 사면활동 현장을 중심으로 충전물을 채취한 뒤 X-선 회절분석 시험과 직접전단시험을 수행하여 불연속면에 협재된 점토의 파괴유형을 파악하였으며 이를 토대로 안정성 해석방법을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 직접전단시험은 충전물에 의한 파괴유형을 고려하기 위하여, 점토층 내에서의 파괴를 가정한 점토의 직접 전단시험과 점토와 풍화토 경계부에서의 파괴를 가정한 점토+풍화토의 직접전단시험을 수행하였다(Fig. 6 참조).
- 흙 입자의 크기와 기본적 성질들을 살펴보기 위해 채취된 시료에 대하여 함수비, 비중, 아터버그한계, 입도 시험의 물리적 시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 연구대상사면은 무한사면으로서 사면고는 40 이이 며암질이 불량하고 풍화대의 층후가 깊고 불규칙하다. 사면은 1:1.
- 연구지역은 경북 예천군 일대로 광역지질은 선캠브리아기의 편마암류와 편암을 기반암으로 하여, 시대미 상의 흑운모화강암류가 기반암을 관입하고 있다(Fig. 1). 조사구간의 지질은 호상편마암, 안구상편마암과 혼성 화강편마암이며, 여기에 석회규산염암, 흑운모편암, 백운모 편암, 초압쇄암, 각섬암, 흑색점판암 및 대리암 등이 분포하거나 협재되어 복잡 다양한 암종분포를 보이고 있다.
- 직접전단시험에 사용한 시료는 절토사면의 경사면에서 전단 링(H: 2 cm, D: 6 cm)으로 채취한 불교란 시료이다. 각 파괴유형별로 3개소에서 시료를 채취하였으며 채취된 시료는 밀봉하여 실험실로 운반하여 즉시 직접 전단시험을 시도하였으나 시료성형 중에 미세균열 등교란 이 발생하여 불가피하게 재성형하여 시험하였다.
이론/모형
- 방법이 주로 사용되고 있다. 본 연구에서는 안정해석법 가운데 일반적으로 많이 사용되며 해석방법이 간편하면서도 이해가 쉽고 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있는 안전율 산정방법인 Bishop의 간편법을 적용하였다.
- 00 프로그램을 이용한 유한차분 수치해석을 수행하였다. 지반요소는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 이론을 적용하였으며, 불연속면 내 점토와 토사층의 경계부 파괴를 합리적으로 모델링하기 위하여 불연속면은 Bonded Interface Element로 처리하여 수치해석을 수행하였다. 불연속면은 미끄러짐이 발생할 수 있도록 모델링 하였으며, 점토층 내에 활동면을 고려하는 경우와 비교하여 사면의 거동을 분석하였다.
- 해석 프로그램은 사면의 파괴형태가 원호, 비원 호에서도 Fellenius나 Bishop의 간편법 해석이 가능한 TALREN 97을 사용하여 수행하였다.
- 흙의 분류는 통일분류법(Unified Soil Classification System)으로 분류하였다(Table 1). 시험결과, 풍화토는 통일분류법상 조립토인 실트질 모래로서(SM) 무기질 실트인 세립분을 15%이상 함유하고 있으며, 점토는 소성이 보통이상인 모래질 점토로(CL) 압축성이 크고 불투수성의성을 가지는 것으로 분석되었다.
성능/효과
- 1) 불연속면을 따라 점토 등의 충전물이 포함된 경우에는 불연속면의 방향이 유리하게 작용하더라도 사면안정에 불안정성을 초래할 수 있다. 사면안정해석에서 점토충전물이 존재할 경우에는 하나의 불연속면으로 설정하여 해석하는 것이 일반적이다.
- 2) 파괴유형을 고려한 직접전단 시험결과 점토의 강도가 경계부에서의 값보다 크게 나타났다. 이러한 결과는 점토충전물이 사면 거동시에 불연속면 내에서 과압밀되어 충전물의 점착력이 증가되고 이로 인해 전단응력이 점진적으로 증가한 것으로 판단된다.
- 3) 사면안정 해석결과는 점토층내의 파괴면에서 우기 시의 안전율은 0.71, 점토와 토사 경계부에서 안전율은 0.43으로 나타나 충전물에 의한 파괴 면의 위치 설정이 해석결과에 중대한 요소로 작용하는 것을 알 수 있었다. 유한차분법에 의한 수치해석에서도 발생 변위량이 상이하게 나타나고 수반되는 사면붕괴 형태도 다르게 나타나고 있음을 확인하였다.
- 4) 실내토질시험과 안정해석에서 충전물의 다양한 물리적 특성과 그리고 경계부 접촉면의 광범위한 조건 등은 제대로 반영되지 않았다. 따라서 제안된 해석기법들의 실제 현장에 적용을 위해서는 파괴 형태의 명확한 구분과 수치해석 그리고 실험적 연구를 통한 정량적인 검증 등의 후속 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 구성물질이나 함량을 확인하기 위해 충전물을 채취하여 부피의 조성비율을 조사해 본 결과 약 60%의 점토질 가우지(gouge)와 40%의 암편들로 구성되어 있는 것을 확인하였다. 다양한 성분들이 층상으로 배열되어 있지 않기 때문에 전단면은 비교적 균일한 유형에 속하며 충전된 풍화토 활동면의 거칠기는 매끄러운 상태로 돌출부의 영향을 받지 않는다.
- 발생변위를 중점적으로 살펴보면 접촉면을 고려하는 경우에는 최대 40 cm의 변위가 발생하는 것으로 평가되었으나, Case 2의 경우에는 최대 25 cm의 변위가 발생하여 불연속면에 포함된 점토층을 합리적으로 고려하지 못하는 경우에는 전체 사면의 거동을 과소평가 할 수 있음을 확인하였다.
- 분석결과, Fig. 4와 같이 충전물은 백운모(Muscovite), 고령토(Kaolinite) 등으로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. 이들은 모암인 백운모편암 등이 풍화되었거나 지표수 침투시 불연속면내로 유입되는 광물성분에 기인한 점토충전물인 것으로 판단된다.
- 수치해석결과, 불연속면내 점토와 토사 경계부의 활동을 고려한 Case 1과 점토층내의 활동면을 고려한 Case 2의 경우에 사면의 전반적인 거동은 매우 다르게 평가되었다. 최대수평변위 발생지점은 유사하게 평가되었으나, 수평변위의 분포양상이 서로 상이하게 나타났다.
- 분류하였다(Table 1). 시험결과, 풍화토는 통일분류법상 조립토인 실트질 모래로서(SM) 무기질 실트인 세립분을 15%이상 함유하고 있으며, 점토는 소성이 보통이상인 모래질 점토로(CL) 압축성이 크고 불투수성의성을 가지는 것으로 분석되었다. 토질시험 결과는 Table 2와 같다
- 43으로 나타나 충전물에 의한 파괴 면의 위치 설정이 해석결과에 중대한 요소로 작용하는 것을 알 수 있었다. 유한차분법에 의한 수치해석에서도 발생 변위량이 상이하게 나타나고 수반되는 사면붕괴 형태도 다르게 나타나고 있음을 확인하였다. 따라서 사면안정 해석시에 이러한 점들이 고려되지 않는다면 실제와 다른 큰 규모의 파괴가 예측되어 비경제적이고 비합리적인 결과를 초래할 수 있을 것으로 보인다.
- 해석결과와 유사하다. 이로 미루어 보아 불연속면에 점토충전물이 충전되어 있는 경우에는 이를 고려한 사면안정해석을 수행하는 것이 정확한 사면의 거동을 예측하는 방법임을 확인하였다.
- Case 1의 경우에서는 파괴메커니즘이 접촉면을 따라서 발생하는 미끄러짐의 형태가 주요 파괴원인으로 평가되었으나, 점토충전물만을 고려하는 경우에는 점토층을 따라서 원호파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 전단변형률의 분포를 중심으로 살펴보면, Case 1의 경우에는 경계부를 따라서 발생하는 미끄러짐에 의한 인장파괴 면을 따라서 전단변형률이 분포하는 것으로 나타났으며, Case 2의 경우에는 점토층을 경계로 하는 원호파괴면을 따라서 전단변형률이 분포하는 것으로 평가되었다.
- 1). 조사구간의 지질은 호상편마암, 안구상편마암과 혼성 화강편마암이며, 여기에 석회규산염암, 흑운모편암, 백운모 편암, 초압쇄암, 각섬암, 흑색점판암 및 대리암 등이 분포하거나 협재되어 복잡 다양한 암종분포를 보이고 있다. 그리고 단층, 습곡 및 관입 등 지질구조가 복잡하며 절리, 엽리 및 편리 등의 불연속면이 발달하여 사면에 잠재적인 불안정 요소로 작용하고 있다.
- 직접전단시험 결과 점토의 강도가 경계부에서의 값보다 점착력은 10배 크게 나타났으며 내부마찰각도 크게 나타났다. 이러한 결과는 모암의 풍화나 지표수 침투시불연속면내로 유입되는 광물성분에 기인한 점토 충전물이 사면 활동시에 불연속면내에서 과압밀되어 충전물의 점착력이 증가되고 이로 인해 전단응력이 점진적으로 증가한 것으로 판단된다.
- 해석결과 점토층내의 활동면에서 우기시의 안전율은 0.71 그리고 점토와 토사 경계부에서 안전율은 0.43으로 나타나 충전물에 의한 파괴면의 위치 설정이 해석 결과에 중대한 요소로 작용하는 것을 알 수 있었다. 결국 불연속면 내 충전물의 파괴유형에 따른 지반의 강도정수차이가 중요인자인 것을 확인할 수 있다.
- 현장조사 결과 단층활동면의 점토충전물은 두께가 최대 15 cm로서 투수성이 거의 없고 충전물이 심하게 압밀 되어 있었다. 그리고 노두면 상의 짧은 거리 내에서 도주 구성물질과 부 구성물질 간의 비율이 수평적으로 달라진다.
후속연구
- 이때의 불연속면은 점토층 내에서의 활동면으로 해석되므로 점토와 원지반과의 경계부에서의 해석 값과는 상당한 차이를 보이게 된다. 결국 해석 값은 점토의 물리적 성질에 많은 영향을 받을 수밖에 없게 되므로 충전물의 활동패턴과 파괴 형태에 대한 충분한 고려가 필요하고 이를 토대로 한 실내토질시험이 수반되어야 할 것으로 판단된다.
- 유한차분법에 의한 수치해석에서도 발생 변위량이 상이하게 나타나고 수반되는 사면붕괴 형태도 다르게 나타나고 있음을 확인하였다. 따라서 사면안정 해석시에 이러한 점들이 고려되지 않는다면 실제와 다른 큰 규모의 파괴가 예측되어 비경제적이고 비합리적인 결과를 초래할 수 있을 것으로 보인다.
- 등은 제대로 반영되지 않았다. 따라서 제안된 해석기법들의 실제 현장에 적용을 위해서는 파괴 형태의 명확한 구분과 수치해석 그리고 실험적 연구를 통한 정량적인 검증 등의 후속 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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