[논문]2차원 유한요소법과 3차원 한계평형법을 이용한 테일러스 사면안정성 해석

이경미; 김성권; 서용석; 이선복; 김동현; 김도식

문제 정의

본 연구는 태백-미로간 선형개량을 위한 도로건설 예정구간 내에 테일러스를 일부 포함하고 있고 이들이 기존 도로와 민가에 인접하여 분포하고 있어 이에 대한 안정성 검토를 위해 수행되었다. 해석에 있어서 테일러스의 형태적 특성과 붕적층의 심도 추정은 물리탐사와 시험시추자료를 이용하였고, 기본적인 물성치와 지반정수는 현장에서 시험하거나 실내시험을 통하여 산정하였다.
본 연구는 테일러스가 포함되어 있는 사면의 안정성해석을 위해 수행되었다. 해석을 위해 현장조사와 시험을 실시하여 계산에 필요한 모델과 각 층의 물성 및 역학성을 결정하였고, PHASER 이용한 유한요소해석을 통하여 테일러스 사면의 파괴면을 추정하였으며, 이를 근거로 3D Slide를 이용한 3차원 사면안정해석을 실시하여 각 사면의 활동상태와 안전율을 산정하였다.

가설 설정

테일러스 사면의 해석모델은 각 지점에 대해 건조시와 포화시로 가정하여 작성하였으며, 포화시의 조건은 지하수위가 붕적층의 최상부가 되도록 설정하였다. 또한 파괴면은 PHASE2에 의한 해석의 결과를 바탕으로 TA1과 TA-2 사면에서는 테일러스층하부에서 -3m, TA-3 사면에서는 붕적층하부에서 +1m 지점으로 설정하였다.
gravity, e = Unit weight of water, n =Vbid ratio, γw= Porosity이다. 테일러스의 내부마찰각은 현장시험을 통해 약 37° 로 얻어졌으며, 점착력은 0으로 가정하였다.
해석에 사용된 각 층의 물성 및 역학치는 Table 1에 나타내었다. 해석시 테일러스층은 공극률이 너무 높아 지하수위를 형성할 수 없기 때문에, 붕적층의 최상부를 포화시의 지하수면으로 가정하여 실 시하였다

제안 방법

(3) 각 사면의 파괴면은 PHASE2를 이용한 유한요소해석을 통하여 도출하였다. TA-1과 TA-2 사면은 파괴면이 테일러스층 경계 하부 -3m로서 붕적층내에서 형성되는 것으로 나타났고, TA-3 사면은 기반암 상부 1m 내외로 나타났다.
5). 노두상에서 붕적층은 크게 3개의 층후가 존재하는데, 이를 상부로부터 제1증(top soil)과 제2층(soil + rock fragment), 제3층 (residual soil)으로 구분해 보았다. 특히 제2층과 제3층은 붕적층으로 분류될 수 있다.
박스 내의 공극을 산정할 수 있다면 해석에 필요한 단위중량이 얻어진다. 따라서 현장에서 할 수 있는 간편한 방법으로 테일러스의 공극을 직접 산정해 보았다.
테일러스 사면의 해석모델은 각 지점에 대해 건조시와 포화시로 가정하여 작성하였으며, 포화시의 조건은 지하수위가 붕적층의 최상부가 되도록 설정하였다. 또한 파괴면은 PHASE2에 의한 해석의 결과를 바탕으로 TA1과 TA-2 사면에서는 테일러스층하부에서 -3m, TA-3 사면에서는 붕적층하부에서 +1m 지점으로 설정하였다. 해석을 위해 작성된 테일러스 사면의 지형과 파괴면의 3차원 모델은 Fig.
즉, 테일러스의 공극을 토양이 채우는 구간부터 기반암까지를 붕적층으로 정의하였다. 붕적층의 단위중량은 Fig. 9와 같이 현장에 노출되어 있는 붕적층을 1 × 1 m2의 격자를 이용하여 사진촬영 후 실내에서 메쉬가 짜여진 레이어에 중첩하여 하나의 단위격자 내에 암편이 2/3이상의 면적을 차지하면 칸을 채우는 방식으로 계산하였다. 메쉬법의 결과는 암편이 약 53%, 토양이 47%를 차지하는 것으로 나타났다.
시험방법은 먼저 원통형의 용기를 준비하고, 현장에서 직접 채취한 테일러스 암편들을 가득 채운 후 일정 규격의 물통을 이용해 물을 채우는 방식으로 진행한다. 실제 현장에서 사용된 우레탄 원통용기의 크기는 직경 62 cm, 높이 32 cm였고, 사용된 물의 양은 42l였으며, 측정된 공극율은 약 42%였다.
해석을 위해 먼저 3개 지점의 테일러스 사면에서 분포 길이가 가장 긴 구간을 대표단면으로 선정하였으며, 시추자료 및 현장조사결과를 이용하여 테일러스층, 붕적층, 기반암 등 3층으로 구분하고 수치지형도에서 추출한 2차원 단면을 이용하여 모델을 작성하였다. 여기서 붕적층은 앞서 언급한 바와 같이 상한경계인 테일러스의 공극이 토양으로 채워지는 부분부터 기반암과의 경계부까지로 하였다. 해석에 사용된 각 층의 물성 및 역학치는 Table 1에 나타내었다.
주변지역에서 단면이 노출된 노두를 조사하여 붕적층의 형태와 기반암을 파악하였다(Fig. 5). 노두상에서 붕적층은 크게 3개의 층후가 존재하는데, 이를 상부로부터 제1증(top soil)과 제2층(soil + rock fragment), 제3층 (residual soil)으로 구분해 보았다.
보고한 바 있다. 즉, 규암질사암과 같은 암석은 셰일이나 석회암보다 암설의 규모가 큰 것으로 조사하였다. 이정우(1985)는 절리발달 양상이 암설의 크기에 영향을 미치는 것으로 조사하였는데, 절리간격과 절리의 경사각이 암설의 규모와 각진 정도(angularity)를 결정하며, 암설이 방향성 없이 무작위로 분포되어 있다면 낙하 후 단순한 rolling과 sliding 운동만 있었다고 보고 있다.
테일러스 사면의 안정성 해석을 위해 3D Slide SoftwareB 이용한 3차원 사면안정해석을 수행하였다. 3차원 사면안정해석은 실제 사면형상과 가깝게 모델링할 수 있는 장점이 있으며, 각 요소주의 단위중량 및 경사각을 달리하여 파괴면을 입체적으로 해석함으로써 더 정확한 안전율을 구할 수 있다（서용석 외, 2004）.
테일러스를 지지하고 있는 붕적층은 기반암이 풍화된 잔류토양과 암편 및 토양이 혼재된 테일러스의 기저층을 모두 통합하여 하나의 단위로 설정하였다. 즉, 테일러스의 공극을 토양이 채우는 구간부터 기반암까지를 붕적층으로 정의하였다.
검토를 위해 수행되었다. 해석에 있어서 테일러스의 형태적 특성과 붕적층의 심도 추정은 물리탐사와 시험시추자료를 이용하였고, 기본적인 물성치와 지반정수는 현장에서 시험하거나 실내시험을 통하여 산정하였다. 안정해석은 PHASE2 프로그램을 이용하여 변위와 전단면(slip face)을 추정한 후 3차원사면안정 해석프로그램인 3D Slide Software를 통해 안정성을 확인하였다.
테일러스 구간에 유발되는 응력과 변형의 정도를 알아보기 위해 유한요소해석 프로그램인 PHASE2(Phase2 hybrid-finite element model)를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석을 위해 먼저 3개 지점의 테일러스 사면에서 분포 길이가 가장 긴 구간을 대표단면으로 선정하였으며, 시추자료 및 현장조사결과를 이용하여 테일러스층, 붕적층, 기반암 등 3층으로 구분하고 수치지형도에서 추출한 2차원 단면을 이용하여 모델을 작성하였다. 여기서 붕적층은 앞서 언급한 바와 같이 상한경계인 테일러스의 공극이 토양으로 채워지는 부분부터 기반암과의 경계부까지로 하였다.
위해 수행되었다. 해석을 위해 현장조사와 시험을 실시하여 계산에 필요한 모델과 각 층의 물성 및 역학성을 결정하였고, PHASER 이용한 유한요소해석을 통하여 테일러스 사면의 파괴면을 추정하였으며, 이를 근거로 3D Slide를 이용한 3차원 사면안정해석을 실시하여 각 사면의 활동상태와 안전율을 산정하였다. 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.

대상 데이터

진행한다. 실제 현장에서 사용된 우레탄 원통용기의 크기는 직경 62 cm, 높이 32 cm였고, 사용된 물의 양은 42l였으며, 측정된 공극율은 약 42%였다.
연구지역은 태백-미로간 도로건설공사 구간 중 테일러스가 일부 분포하는 OO 지역으로 도로예정노선이 테일러스의 하부를 통과하도록 설계되어 있는 구간이다.(Fig.

데이터처리

해석에 있어서 테일러스의 형태적 특성과 붕적층의 심도 추정은 물리탐사와 시험시추자료를 이용하였고, 기본적인 물성치와 지반정수는 현장에서 시험하거나 실내시험을 통하여 산정하였다. 안정해석은 PHASE2 프로그램을 이용하여 변위와 전단면(slip face)을 추정한 후 3차원사면안정 해석프로그램인 3D Slide Software를 통해 안정성을 확인하였다.
테일러스 구간에 유발되는 응력과 변형의 정도를 알아보기 위해 유한요소해석 프로그램인 PHASE2(Phase2 hybrid-finite element model)를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석을 위해 먼저 3개 지점의 테일러스 사면에서 분포 길이가 가장 긴 구간을 대표단면으로 선정하였으며, 시추자료 및 현장조사결과를 이용하여 테일러스층, 붕적층, 기반암 등 3층으로 구분하고 수치지형도에서 추출한 2차원 단면을 이용하여 모델을 작성하였다.

이론/모형

13 tf/m3으로 계산되었다. 붕적층의 점착력과 내부 마찰각은 급속압밀배수법에 의한 전단시험으로 구하였으며, 결과는 10 tf/m3, 35°로 산정되었다

성능/효과

(2) ○○지역 테일러스층의 단위중랑은 우레탄 원통 용기를 이용한 간이 현장시험을 통하여 추정하였고, 평균 1.315 g/cm³로 산정되었다. 붕적층의 단위중량은 메쉬법을 이용하여 계산한 결과, 1.
(4) 3D Slide를 이용한 3차원 사면안정해석은 건조시 모든 사면에서 안정한 것으로 나타났으며, 집중강우에 의해 일시적으로 테일러스 하부경계까지 급격히 포화될 경우 불안정해질 수 있음을 보여준다.
1 cm2의 크기를 갖는다. TA-3 지점의 테일러스는 사면의 경사가 약간 큰 이유로 인해 하부의 테일러스층에 비해 두께가 상대적으로 얇은 것으로 관찰되었다. 암편의 크기도 이론상 하부에 비해 적어야 함에도 불구하고 큰 크기의 입자가 다양하게 분포하는데, 이는 하부의 테일러스층에 비해 지표수에 의한 붕적층의 얕은 침식으로 인해 사면이동현상이 적어서 암설의 재분포가 활발히 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
건조시에는 안전율이 1이상으로 나타나는데, 이는 현재 3개 사면이 안정한 상태임을 반영한다. 강우에 의해 지하수위가 상승하여 완전포화상태에 도달할 때에는 3개 사면 모두 안전율이 낮아지는 것으로 나타났다.
TA-3 사면은 경사가 42°로서 비교적 고각을 이루고 있으며, 전반적인 응력의 방향은 사면의 중심에서 하향으로 분포하고 있다. 건조시의 활동력과 저항력의 분포를 보면 사면의 상단부분은 활동력이 우세하고, 하단부분은 저항력이 우세한 것으로 나타났다. 우기시는 전반적으로 활동력이 매우 우세하여 불안정 상태를 보이고 있다.
9와 같이 현장에 노출되어 있는 붕적층을 1 × 1 m2의 격자를 이용하여 사진촬영 후 실내에서 메쉬가 짜여진 레이어에 중첩하여 하나의 단위격자 내에 암편이 2/3이상의 면적을 차지하면 칸을 채우는 방식으로 계산하였다. 메쉬법의 결과는 암편이 약 53%, 토양이 47%를 차지하는 것으로 나타났다.
파괴면에서의 활동력은 건조시 또는 포화시의 차이가 크지 않으나 저항력은 포화시에 급격하게 떨어지는 것으로 나타났다. 상기의 결과를 종합해 볼 때 현재의 사면각은 거의 임계안식각에 가까운 것으로 보인다.
특히 만수위로 가정된 지하수면에서 1 m씩 수위를 떨어뜨려 해석한 결과, TA-3 사면을 제외하면 테일러스 하한경계에서 -1 m~-2m에 지하수위가 위치할 때 안전율이 1이상이 되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 테일러스 사면의 안정성이 강우에 의한 지하수위의 급격한 변화에 민감하게 반응하는 것을 보여준다.
테일러스 암편의 크기는 최대 장경 60cm × 단경 50 cm, 최소 장경 3 cm × 단경 1 cm, 평균 장경 12 cm × 단경 7 cm로 조사되었고, 특히 하부의 TA-2 지점이 상대적으로 큰 것으로 관찰되었다(Fig. 6, Fig. 7). 평균값에 관한 비대칭의 방향과 정도를 나타내는 비대칭도(skewness)는 장경이 +0.
1은 테일러스 하부층의 심도별 내부구조를 나타낸 것으로 시추주상도를 참고로 하여 추정한 것이다. 테일러스의 심도가 깊어질수록 기질의 함량이 증가하는 붕적층 형태를 보이다가 일정심도를 넘어서면 토양층과 풍화암층이 나타나는 것으로 관찰되었다. 횡방향으로는 테일러스의 중앙부에서 주변부로 갈수록 각 층후가 감소하는 경향을 보인다.
8로 산정되어 집중강우와 같이 급속한 지하수위 상승이 발생하는 경우 사면이 불안정해질 수 있음을 보여준다. 특히 만수위로 가정된 지하수면에서 1 m씩 수위를 떨어뜨려 해석한 결과, TA-3 사면을 제외하면 테일러스 하한경계에서 -1 m~-2m에 지하수위가 위치할 때 안전율이 1이상이 되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 테일러스 사면의 안정성이 강우에 의한 지하수위의 급격한 변화에 민감하게 반응하는 것을 보여준다.
우기시는 전반적으로 활동력이 매우 우세하여 불안정 상태를 보이고 있다. 파괴면에서의 활동력은 건조시 또는 포화시의 차이가 크지 않으나 저항력은 포화시에 급격하게 떨어지는 것으로 나타났다. 상기의 결과를 종합해 볼 때 현재의 사면각은 거의 임계안식각에 가까운 것으로 보인다.

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