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문제 정의
- 의한 영향이 있을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 제방에 겸용도로를 건설할 경우 성토재로 인한 하중의 증가와 도로를 주행하는 차량의 교통하중이 제방에 미치는 영향 등을 검토하여 제방 겸용도로의 안정성에 대한 해석을 통해 향후 겸용도로가 건설되는 제방의 안 정성해석에 관한 연구를 수행하였다.
- 미친다. 따라서 본 연구에서는 현실성을 충분히 확보하여 안정성 해석의 정확성을 높이기 위해 변수값들을 현장조사 및 실험을 통해 결정하고 적용하였다. 겸용도로를 건설하기 위해서는 기존 제방에 도로포장을 위한 성토를 하고 겸용도로가 완성되면 도로를 주행하는 차량에 의해 교통하중이 재하 된다.
- 본 연구는 기존 제방에 겸용도로를 건설함에 따른 제방 안정성의 변화를 살펴보기 위해 낙동강의 2개 제방을 대상으로 현장조사 및 실험을 실시하였고 겸용 도로 건설을 위한 성토재에 의한 영향과 도로 건설 후주행하는 차량의 교통하중(DB-24)에 의한 영향으로 구분하여 제방의 안정성 분석을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 제체의 침윤선은 SEEP/W를 이용한 침투해석 결과를 연동하여 SLOPE/W에 적용함으로써 해석의 정확도를향상시키고자 노력하였다
제안 방법
- 2개의 제방을 대상으로 현지답사를 통해 가장 취약하고 문제가 발생할 가능성이 높을 것으로 판단되는 A제방의 2개 지점과 B제방의 2개 지점을 선정하여 총 4개 지점을 대상으로 안정성 해석 등 연구를 수행하였다.
- 중 하나가 제방의 강도특성에 관한 것이다. 각 지점의 강도 정수는 직접 전단실험에 의하여 결정하였으며 보링조사에 의한 N치는 참고로 하였다. 기존제체는 장기간의 자연다짐으로 인해 겸용도로의 건설을 위해 실시한 성토 부에 비해 다짐도가 좋아 단위중량과 내부마찰각이 비교적 높게 나타났다.
- 기존 제방에 겸용도로를 건설하였을 경우 제방의 안정성에 어떠한 변화가 발생하는지 안전율의 변화를 기준으로 분석하였다.<그림 2>는 TPT지점의 저수위와 홍수위 일 때의 해석결과를 나타낸 것이다.
- 기존제방 및 성토지반의 물리적, 역학적 특징을 알기 위하여 시추조사, 단위중량시험 및 각종 실내실험을 실시하였다. 먼저, 시추조사의 깊이는 제방상단에서 20m 로 하였으며 그 결과를 살펴보면 제방의 지층구조가 상부로부터 7~8m까지 실트질 매립층으로 구성되어 있으며 그 아래 12~13m 가량 실트질 모래층이 존재하는 하는 것으로 조사되었다.
- 겸용도로를 건설하기 위해서는 기존 제방에 도로포장을 위한 성토를 하고 겸용도로가 완성되면 도로를 주행하는 차량에 의해 교통하중이 재하 된다. 따라서 본 연구에서는 안정성 해석을 위해 기존제방, 도로포장을 위한 성토 후, 교통하중 재하로 구분하여 모델링을 실시하여 단계별 안정성 변화를 분석하였다. 교통하중은 DB-24 를 적용하였다.
- 분석하였다. 또한 제방에 도로가 건설됨에 따른 제방의 안정성 변화를 성토재로 인한 상재하중의 증가가 제방에 미치는 영향과 겸용도로 건설 후 도로를 주행하는 차량의 교통 하중이 제방에 미치는 영향으로 구분하여 분석하였으며 최종적으로 겸용도로 건설 전후의 제방 안정성에 대한 분석을 실시하였다.
- 또한, 수위변화에 따른 안정성 변화를 분석하기 위해 정상류 상태일 때 저수위, 홍수위로 구분하고 비정상류 상태일 때 수위상승, 수위지속, 수위하강으로 구분하여 총 5가지의 수위상태를 적용하여 모델링하여 해석하였다.<그림 1>은 A제방의 TPT지점의 저수위일 때와 홍수위 상태일 때 모델링사례이다.
- 본 연구는 겸용도로 건설을 계획하고 있는 낙동강의 2개 제방을 대상으로 연구를 수행하였으며 제방의 표고, 비탈면 등 제원은 실제 측량을 통해 획득하였고 토성과 다짐 상태 등 제방의 상태를 파악하기 위해 제방별로 각 2개 지점씩 선정하여 시험굴착시험, 평판재하시험, 시추 조사, 실내시험 등을 실시하였다.
- 본 연구에서는 침투해석과 사면안정해석을 위해 A, B 2개 제방의 TP-1, TP-2, TP-3, TP-4 총 4개 지점을 대상으로 지반조사 및 실내실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 하천 제방에 겸용도로를 건설함에 따라 제방의 안정성에 대한 변화를 분석하기 위해 사면 안정성 해석 소프트웨어인 SLOPE/W를 이용하여 해석을 실시하였다. SLOPE/W에서 절편간 힘의 크기와 방향을 정의하기 위해 Ordinary/Fellenius법, Bishop법, Janbu법, Spencer법, Morgenstern-Price법, Corps- of-Engineers법, GLE(General Limit Equilibrium) 법 등 다양한 이론이 사용되며 절편간 힘을 Morgenstern- Price법이나 GLE법으로 정의할 경우에는 Sine 함수, 불완전 Sine 함수, 사다리꼴 또는 유한요소 해석 결과의 형태로 절편간 힘을 정의할 수 있다.
- 사면안정성 해석은 정상침투 및 비정상침투 해석으로 도출된 침윤선 해석결과와 연동하여 정상류의 저수위 및 홍수위를 먼저 해석하였고 비정상류의 수위상승, 수위 지속, 수위강하의 순서로 해석하여 결과를 비교.분석하였다.
- 사면의 안전율을 구하기 위해서 사면의 기하학적 제 요소와 함께 사면을 구성하고 있는 흙의 물리적, 역학적 정수 특히 강도정수의 대표값을 결정하고 이들 값을 이용하여 계산을 수행하게 된다. 사면의 안정성 해석에 사용되는 소프트웨어는 여러 가지가 있으나 비교적 정확성과 현실성을 인정받고 있는 소프트웨어로 GEO-Slope 사에서 개발된 SLOPE/W, TALEN 등이 있으며 본 연구에서는 SLOPE/W를 사용하여 연구를 수행하였다.
- 계산을 수행하게 된다. 사면의 안정성 해석에 사용되는 소프트웨어는 여러 가지가 있으나 비교적 정확성과 현실성을 인정받고 있는 소프트웨어로 GEO-Slope 사에서 개발된 SLOPE/W, TALEN 등이 있으며 본 연구에서는 SLOPE/W를 사용하여 연구를 수행하였다.
- 실내실험은 시료의 물성시험과 역학시험을 실시하였으며 시추에 의하여 채취한 불교란시료로 각 지점별 물성치와 역학적 성질을 판단하였다.
- 이러한 현장조사 및 실험을 통해 획득한 자료를 바탕으로 캐나다의 GEO-Slope사에서 개발한 사면 안 정성해석 소프트웨어인 SLOPE/W를 이용하여 제방겸용 도로 건설시 안정성에 대한 해석을 실시하였다.
- 제방의 형식 및 제원을 파악하기 위해 현장답사를 실시하였으며 측량장비를 이용하여 제방 각 지점의 지반고, 폭, 비탈면 등에 대한 측량 실시하였다.
- 기초자료로 활용되었다. 흙의 물성시험으로는 함수비, 입도, 비중 시험을 하였고, 역학시험으로는 직접 전단, 흙의 다짐 시험을 실시하였다. 각 시험결과는<표 1>에 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구를 수행하기 위한 대상 제방은 낙동강에 설치되어 있는 A, B 2개의 제방을 대상으로 하였다. 2개의 제방을 대상으로 현지답사를 통해 가장 취약하고 문제가 발생할 가능성이 높을 것으로 판단되는 A제방의 2개 지점과 B제방의 2개 지점을 선정하여 총 4개 지점을 대상으로 안정성 해석 등 연구를 수행하였다.
- 연구대상 제방의 연장은 400m, 높이는 8m 정도였으며 제방의 형식은 비탈면에는 잔디 및 잡초가 식재되어있는 일반적인 흙제방이었다. 제방의 상단은 매립토층, 하단은 퇴적층으로 구성되어 있었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Bishop의 해석방법을 적용하였으며 Strenght Model 은 Mohr-Coulomb 이론을 적용하여 해석하였다. SLOPE/W는 모든 사면의 안전계산에 사용될 수 있으며 특히 SEEP/W의 정확한 침윤해석을 바탕으로 수행되므로 일반적으로 높은 정확성이 검증된 소프트웨어 이다.
- 따라 다양한 해석법이 있다. 유효응력 해석법은 배수 전단 강도를 이용하고 전응력 해석법은 비배수 전단 강도를 이용한다. 주로 단기간의 안정해석 또는 공사완료 직후에는 전응력 해석법을 이용하고 장기간 분석을 위해서는 유효응력 해석법을 이용한다.
성능/효과
- 1. 겸용도로 건설을 위한 성토 후 안전율은 1.667- 1.766으로 분석되었고 여기에 DB-24의 교통하중을 적용하였을 경우 안전율이 1.486~1.551로 분석되어 안전율에 대한 일반기준 1.300을 상회하고 있어 겸용 도로를 건설하여도 제방의 안전에는 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- 3. 기존 제방에 겸용도로를 건설할 경우 안 전율이 감소하는 현상은 성토로 인한 사면경사의 증가가 하나의 원인이 되므로 제내지의 사면경시를 기존제방과 동일한 1:2의 경사를 유지하도록 설계하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 4. 안전율의 감소가 가장 큰 경우는 비정상류 상태의 수위 상승의 경우로 분석되었으며 안전율의 감소가 가장 작은 경우는 정상류 상태의 홍수위일 때로 분석되어 제방 겸용 도로의 건설시에는 비정상류 해석으로 설계하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 겸용도로 건설 후 안전율의 변화는 하천수의 변화에 따라 정상류 상태일 때의 안전율 감소에 비해 비정상류 상태일 때의 안전율 감소가 상대적으로 큰 것으로 해석되었다. 겸용도로의 건설로 인한 안전율의 감소가 가장 큰 경우는 수위상승의 경우로 38.
- 겸용도로의 건설로 인한 안전율의 감소가 가장 큰 경우는 수위상승의 경우로 38.23%에 달하고 가장 작은 홍수위의 경우에도 32.63%의 안전율 감소가 나타나는 것으로 분석되었다.
- 교통하중 DB-24를 적용한 결과 안전율의 변화를 살펴보면 수위상승의 경우에 12.09%로 가장 많은 안전율의 감소가 발생하며 홍수위의 경우에 10.87%로 안전율의 감소가 가장 적은 것으로 분석되었다.
- 먼저, 시추조사의 깊이는 제방상단에서 20m 로 하였으며 그 결과를 살펴보면 제방의 지층구조가 상부로부터 7~8m까지 실트질 매립층으로 구성되어 있으며 그 아래 12~13m 가량 실트질 모래층이 존재하는 하는 것으로 조사되었다. 그리고 각 지점의 N치는 20~50 으로 분석되었으며 지하수위의 경우 4개 지점 모두 9m 정도의 깊이에 존재하고 있는 것으로 조사되었다.
- 기존 제방과 겸용도로 건설에 따른 성토가 시행된 후 안전율의 변화를 살펴보면 저수위 일 때의 안 전율의 감소가 30.04%로 가장 높게 나타났으며 홍수위일 때가 24.42%로 가장 낮게 나타났다.
- 기존 제방의 안전율을 해석한 결과 저수위일 때 안전율 평균이 2.483으로 분석되었으나 도로건설에 따른 성토 후에는 안전율이 1.737로 떨어지는 것으로 해석되어 안전율이 30%이상 감소하는 것으로 분석되었다. 홍수위, 수위상승, 수위지속, 수위강하의 경우에도 전반적으로 안전율이 24~30% 정도 감소하는 것으로 분석되었다.
- 각 지점의 강도 정수는 직접 전단실험에 의하여 결정하였으며 보링조사에 의한 N치는 참고로 하였다. 기존제체는 장기간의 자연다짐으로 인해 겸용도로의 건설을 위해 실시한 성토 부에 비해 다짐도가 좋아 단위중량과 내부마찰각이 비교적 높게 나타났다. 각 지점별 강도 정수는 <표 2>와 같다.
- 먼저, 시추조사의 깊이는 제방상단에서 20m 로 하였으며 그 결과를 살펴보면 제방의 지층구조가 상부로부터 7~8m까지 실트질 매립층으로 구성되어 있으며 그 아래 12~13m 가량 실트질 모래층이 존재하는 하는 것으로 조사되었다. 그리고 각 지점의 N치는 20~50 으로 분석되었으며 지하수위의 경우 4개 지점 모두 9m 정도의 깊이에 존재하고 있는 것으로 조사되었다.
- 본 연구결과 제방겸용도로 건설에 따라 제방의 안정성 감소는 교통하중에 의한 영향보다는 도로 건설을 위한 성토에 따른 영향이 큰 것으로 분석되었다. 그러나 교통 하중에 의한 안전율의 감소도 10%이상으로 해석되어 무시할 수 없는 영향으로 판단된다.
- 현장건조단위중량을 구하기 위하여 긁어낸 시료를 가열하였으며 기존제방의 다짐도를 판정하기 위하여 조사대상 지점에서 시료를 채취하여 실내 다짐시험을 실시한 결과 건조단위중량이 1.7~2.3으로 분석되었고 다짐도 는 대체로 양호한 것으로 나타났다.
- 737로 떨어지는 것으로 해석되어 안전율이 30%이상 감소하는 것으로 분석되었다. 홍수위, 수위상승, 수위지속, 수위강하의 경우에도 전반적으로 안전율이 24~30% 정도 감소하는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 2. 그러나 겸용도로를 건설할 경우 제방의 안 전율이 상당한 수준으로 저하되는 것으로 분석되어 제방에 겸용 도로를 건설하는 경우 안정성에 대한 중분한 검토가 선행되어야 할 것으로 판단된다.
- 5. 겸용도로 건설 후 주행 차량의 교통하중에 의해서도 10%이상 안전율이 감소하는 것으로 해석되어 향후 겸용 도로의 기능을 명확하게 확립하고 설계기준 차량을 정확하게 적용하여 제방안정성에 대한 검토를 실시하고 더불어 설계하중 이상 차량의 운행은 엄격히 제한하는 등 겸용도로 건설 후 유지관리에도 지속적인 관심을 기울여야 할 것으로 판단된다.
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