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- 피해액 산정을 위해 노선별로 연평균 피해건수를 산정하고, 각 노선별로 정밀조사 대상 절개면 전체에 대해서 연평균 발생할 것으로 판단되는 피해건수를 산정하였다. 동일한 노선 내에서는 각 정밀조사 대상 절개면에서 사고가 발생할 가능성은 동일한 것으로 가정하여 1개 소당 예상되는 연평균 피해건수를 산정하였다. 이상의 분석 결과를 토대로 피해경력이 있는 노선의 경우에는 이를 그대로 적용하고 과거의 피해 실적이 없는 경우에는 전체 노선의 평균을 적용하여 조사지점별로 사고 건당 피해액을 산정하였다.
- 강우에 의한 침투를 고려하기 위해서 현행 설계에 적용하고 있는 각 기관의 우기시 지하수위 적용기준에 따라 극한평형 해석을 수행하였다. 현행 설계 기준은 침투해석 결과와 무관하게 지하수위가 지표 부근에 존재한다고 가정하여 안정해석을 수행한다. 본 연구에서는 한국도로공사의 도로설계실무편람(1996) 및 도로설계요령(2001), 건설교통부의 국도건설공사설계실무요령(2004) 등을 따라 지하수위가 지표에 위치한 경우와 지표 아래 3m에 위치한 두 가지 경우에 대하여 사면안정해석을 수행하였다.
제안 방법
- 강우에 의한 침투를 고려하기 위해서 현행 설계에 적용하고 있는 각 기관의 우기시 지하수위 적용기준에 따라 극한평형 해석을 수행하였다. 현행 설계 기준은 침투해석 결과와 무관하게 지하수위가 지표 부근에 존재한다고 가정하여 안정해석을 수행한다.
- 따라서, 본 연구에서는 안전율 기반 설계의 문제점 분석, 현장정밀조사를 통한 지반물성 산정 그리고 물성의 분포특성을 고려한 신뢰성해석을 시행한 결과물로 산출되는 파괴확률을 이용하여 철도절개면의 보수보강 및 유지관리에 있어 우선순위를 결정할 수 있도록 철도절개면의 위험도평가를 시행하였다. 이를 기반으로 보다 철도절개면의 효율적인 유지관리가 가능할 것이라 판단된다.
- 지반의 지층구조, 강도 및 투수 특성을 파악하기 위하여, 현장시험으로 표준관 입시험, 감마선 밀도검층시험, 시추공전단시험, 현장투수시험 등을 시행하고 실내 토질 시험으로 기본 물성시험, 압밀비배수 삼축압축시험, 실내 투수시험 등을 수행하였다. 또한 토사층에 대하여 불포화토의 SWCC(Soil-Water Characteristic Curve)를 결정하기 위한 불포화토 함수특성 시험도 추진하였다. Table 1은 본 연구에서 대상으로 하는 철도 절개면을 나타낸 것이다.
- 사고 발생에 따른 차단시간은 노선 별로 적용하기에는 자료의 수의 한계로 오차가 크게 날 수 있기 때문에 전체 평균인 472분(minutes)을 일괄적으로 적용하였다. 또한, 각 대상 절개면별로 이 구간을 통과하는 수요를 분석하여 피해 발생에 따라 파생되는 손실수요를 각 구간의 통과수요와 차단시간을 고려하였다.
- 더욱이 유사한 안전율이 산출되었어도 파괴확률의 경우 많은 차이를 보이고 있어, 지반정수의 확률적 분포를 고려한 신뢰성해석기법의 도입이 시급하다는 사실도 알 수 있었다. 또한, 신뢰성해석을 시행한 결과물로 산출되는 파괴확률을 이용하여 철도절개면의 위험도평가를 시행하였다. 피해복구액과 수입손실액의 2가지에 국한하여 평가하였으나, 철도절개면의 효율적인 유지 관리를 위한 보수보강, 유지관리 및 감시시스템 적용 등의 분야에 대한 우선순위 선정에 적절히 활용할 수 있을 것이다.
- 철도절개면의 신뢰성해석을 위해 사면안정해석에 필요한 입력변수에 대하여 분산계수를 조사하였다. 변수별로 실험을 통해 분산계수를 결정하기에는 비용적, 시간적 소모가 상당하여 과거 문헌을 근거로 분산계수를 결정토록 하였다. Table 3은 Lumb(1966), Hammitt(1966), Schultze(1972), Fredlund 등(1972), Padilla & Vanmarcke(1974)에 의해 제안된 각 지반정수의 분산계수를 나타낸 것이며, 이를 수치해석 프로그램인 SLOPE/W에서 제공하는 신뢰성해석 도구의 입력변수로 지정하여 해석을 진행하였다.
- 수입손실비용의 절감은 각 대상 절개면별로 사고가 발생 하였을 때 예상되는 수입의 손실을 새마을, 무궁화, 통근열차, 화물별로 분석하였으며, 무궁화 및 통근열차 정기권 및 소화물의 경우에는 분석에서 제외하였다. 본 연구에서는 사고 건당 수입손실비용을 추정하고 위에서 계산된 각 절개면별 예상피해건수를 적용하여 대상 절개면별로 연평균 예상되는 수입손실비용을 추정하였다. 각 절개면별 손실수요와 각 노선별 단위 승객(또는 화물)당 수입을 고려하여 지점별 수입손실비용을 분석한 결과는 Table 6과 같다.
- 현행 설계 기준은 침투해석 결과와 무관하게 지하수위가 지표 부근에 존재한다고 가정하여 안정해석을 수행한다. 본 연구에서는 한국도로공사의 도로설계실무편람(1996) 및 도로설계요령(2001), 건설교통부의 국도건설공사설계실무요령(2004) 등을 따라 지하수위가 지표에 위치한 경우와 지표 아래 3m에 위치한 두 가지 경우에 대하여 사면안정해석을 수행하였다.
- 이를 위하여 각 노선별 총 수송수요 및 수입을 근거로 노선별 1통행에 대한 수입의 원단위를 산정하고, 사고 발 생에 따른 노선의 평균차단시간을 과거 실적을 근거로 다음과 같이 산정하였다. 사고 발생에 따른 차단시간은 노선 별로 적용하기에는 자료의 수의 한계로 오차가 크게 날 수 있기 때문에 전체 평균인 472분(minutes)을 일괄적으로 적용하였다. 또한, 각 대상 절개면별로 이 구간을 통과하는 수요를 분석하여 피해 발생에 따라 파생되는 손실수요를 각 구간의 통과수요와 차단시간을 고려하였다.
- 철도절개면의 위험도평가는 식 (4)에 의거하여 Table 7과 같이 산출하였다. 손실평가는 피해복구비와 수입손실액에 대하여 시행하였으며, 신뢰성해석 결과로 산출되는 파괴확률은 수치해석으로부터 추출하였다. 파괴확률의 선정에 있어서 현재 기준에서 강우시 침투를 적절히 고려할 수 있다고 판단되는 ‘지하수위가 GL-3m에 위치’의 경우를 대표치로 하여 적용함에 의해 손실평가와 파괴확률을 고려한 위험도를 산출할 수 있었으며, 이에 따라 우선순위 적용이 가능해짐을 알 수 있다.
- 수입손실비용의 절감은 각 대상 절개면별로 사고가 발생 하였을 때 예상되는 수입의 손실을 새마을, 무궁화, 통근열차, 화물별로 분석하였으며, 무궁화 및 통근열차 정기권 및 소화물의 경우에는 분석에서 제외하였다. 본 연구에서는 사고 건당 수입손실비용을 추정하고 위에서 계산된 각 절개면별 예상피해건수를 적용하여 대상 절개면별로 연평균 예상되는 수입손실비용을 추정하였다.
- 우기시, 강우침투로 인한 사면안정성 저하를 평가하기 위해 통상적인 설계방법에서 제시하고 있는 기준을 적용하여, 지하수위를 지표 부근에 가정한 경우에 대한 사면 안정해석을 수행하였다(Table 2).
- 이를 위하여 각 노선별 총 수송수요 및 수입을 근거로 노선별 1통행에 대한 수입의 원단위를 산정하고, 사고 발 생에 따른 노선의 평균차단시간을 과거 실적을 근거로 다음과 같이 산정하였다. 사고 발생에 따른 차단시간은 노선 별로 적용하기에는 자료의 수의 한계로 오차가 크게 날 수 있기 때문에 전체 평균인 472분(minutes)을 일괄적으로 적용하였다.
- 동일한 노선 내에서는 각 정밀조사 대상 절개면에서 사고가 발생할 가능성은 동일한 것으로 가정하여 1개 소당 예상되는 연평균 피해건수를 산정하였다. 이상의 분석 결과를 토대로 피해경력이 있는 노선의 경우에는 이를 그대로 적용하고 과거의 피해 실적이 없는 경우에는 전체 노선의 평균을 적용하여 조사지점별로 사고 건당 피해액을 산정하였다.
- 대상 절개면의 대표적인 단면에 대하여 1공 내지 2공의 NX 직경의 시추 조사가 실시되었다. 지반의 지층구조, 강도 및 투수 특성을 파악하기 위하여, 현장시험으로 표준관 입시험, 감마선 밀도검층시험, 시추공전단시험, 현장투수시험 등을 시행하고 실내 토질 시험으로 기본 물성시험, 압밀비배수 삼축압축시험, 실내 투수시험 등을 수행하였다. 또한 토사층에 대하여 불포화토의 SWCC(Soil-Water Characteristic Curve)를 결정하기 위한 불포화토 함수특성 시험도 추진하였다.
- 철도절개면의 경우에는 사고 발생에 따라 발생하는 피해 복구비와 철도 폐쇄에 따른 수입손실의 2가지를 상정하여 본 연구에서 고려하였다.
- 철도절개면의 신뢰성해석을 위해 사면안정해석에 필요한 입력변수에 대하여 분산계수를 조사하였다. 변수별로 실험을 통해 분산계수를 결정하기에는 비용적, 시간적 소모가 상당하여 과거 문헌을 근거로 분산계수를 결정토록 하였다.
- 피해복구비용 절감 편익의 산정을 위해서 먼저 과거 10 년간의 피해 현황을 노선별, 연도별로 분석하였으며, 노선 별로 재구성하여 사고건수당 피해액을 산정하였으며, 연도 별로 산정된 피해액은 현시점으로 보정하기 위하여 물가지수를 고려하였다. 피해액 산정을 위해 노선별로 연평균 피해건수를 산정하고, 각 노선별로 정밀조사 대상 절개면 전체에 대해서 연평균 발생할 것으로 판단되는 피해건수를 산정하였다.
- 피해복구비용 절감 편익의 산정을 위해서 먼저 과거 10 년간의 피해 현황을 노선별, 연도별로 분석하였으며, 노선 별로 재구성하여 사고건수당 피해액을 산정하였으며, 연도 별로 산정된 피해액은 현시점으로 보정하기 위하여 물가지수를 고려하였다. 피해액 산정을 위해 노선별로 연평균 피해건수를 산정하고, 각 노선별로 정밀조사 대상 절개면 전체에 대해서 연평균 발생할 것으로 판단되는 피해건수를 산정하였다. 동일한 노선 내에서는 각 정밀조사 대상 절개면에서 사고가 발생할 가능성은 동일한 것으로 가정하여 1개 소당 예상되는 연평균 피해건수를 산정하였다.
대상 데이터
- 대상 절개면의 대표적인 단면에 대하여 1공 내지 2공의 NX 직경의 시추 조사가 실시되었다. 지반의 지층구조, 강도 및 투수 특성을 파악하기 위하여, 현장시험으로 표준관 입시험, 감마선 밀도검층시험, 시추공전단시험, 현장투수시험 등을 시행하고 실내 토질 시험으로 기본 물성시험, 압밀비배수 삼축압축시험, 실내 투수시험 등을 수행하였다.
- 현재 철도가 운행 중인 절개면 8개소를 대상으로 절개면의 파괴확률 분포를 파악하였다. 현재 각종 설계기준에서 제시하고 있는 건기시 및 우기시 사면안정해석 기준에 맞춰 절개면 안정해석을 실시한 결과, 지표면까지 포화된 조건을 적용한 경우 과다설계의 개연성이 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 보다 명확한 근거로 평균 81.
이론/모형
- Table 3은 Lumb(1966), Hammitt(1966), Schultze(1972), Fredlund 등(1972), Padilla & Vanmarcke(1974)에 의해 제안된 각 지반정수의 분산계수를 나타낸 것이며, 이를 수치해석 프로그램인 SLOPE/W에서 제공하는 신뢰성해석 도구의 입력변수로 지정하여 해석을 진행하였다.
- 사면안정해석은 극한평형해석 방법 중 모멘트 평형조건에 의한 안전율 산정방법인 Bishop의 방법을 적용하였으며, 상용프로그램인 GEO-SLOPE사의 SLOPE/W를 사용하여 수행하였다. Table 2와 같이 지하수위를 지표면 부근에 가정한 경우에 대하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 122%~최대 100%를 보이고 있다. 다시 말해, 건기시 및 우기시의 지표면 아래 3m 포화조건에 대해서는 모두 50%를 하회하는 결과를 보이고 있는데 반해, 지표면 포화조건에 대해서는 거의 모든 사면이 90% 이상을 나타내고 있어, 사면안정해석에 대한 각종 적용기준이 과다함을 재확인할 수 있었다
- 4% 파괴확률 증가량을 들 수 있었다. 더욱이 유사한 안전율이 산출되었어도 파괴확률의 경우 많은 차이를 보이고 있어, 지반정수의 확률적 분포를 고려한 신뢰성해석기법의 도입이 시급하다는 사실도 알 수 있었다. 또한, 신뢰성해석을 시행한 결과물로 산출되는 파괴확률을 이용하여 철도절개면의 위험도평가를 시행하였다.
- 신뢰성 해석결과에 의하면, 해석조건에 따라 절개면의 파괴확률은 다양하게 분포하고 있는 것을 알 수 있었다. 특히, 안전율이 유사하게 나타나고 있음에도 불구하고, 파괴확률은 상이하게 나타나고 있다.
- 그림에서 (a)는 각각 건조기의 강우에 의한 침투를 고려하지 않은 경우, (b)는 지하수위가 GL-3m에 있다고 가정한 경우이며, (c)는 지하수위가 지표에 있다고 가정한 경우에 대하여 한계평형해석법으로 결정된 최소안전율이 발생하는 활동면이다. 예상 활동면은 강우에 대한 고려 조건에 상관없이 유사한 형태로 발생하는 것으로 나타났으나, 최소안전율의 경우는 모든 개소에 대하여 강우 고려 조건에 급격하게 감소되는 것을 확인할 수 있었다((a)>;(b)≫(c)). 다음의 Table 4는 본 연구에서 대상으로 한 8개 지역의 철도절개면에 대한 안전율과 파괴확률을 제시한 것이다.
- 한편, 예상 활동면은 비교적 심도가 깊은 원호파괴 형태로 결정되어 표층유실 형태의 실제 파괴 상황을 전혀 반영하고 있지 못하고 있다. 이러한 결과를 토대로 볼 때, 원호 파괴를 가정한 한계평형해석을 적용한 경우는 강우로 인한 실제 토사 절개면에서 강우로 인해 발생하는 표층유실 형태의 파괴를 적절히 고려할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서, 사면 내에서 발생한 파괴면에 대한 보다 정밀한 조사를 통하여 사면제원, 강우특성, 유역면적으로 고려한 표면 유출량 등에 따른 파괴패턴을 명확히 구분하고 파괴패턴에 따라 서로 다른 적절한 해석기법을 적용하기 위한 추가연구가 필요로 된다.
- 파괴확률의 선정에 있어서 현재 기준에서 강우시 침투를 적절히 고려할 수 있다고 판단되는 ‘지하수위가 GL-3m에 위치’의 경우를 대표치로 하여 적용함에 의해 손실평가와 파괴확률을 고려한 위험도를 산출할 수 있었으며, 이에 따라 우선순위 적용이 가능해짐을 알 수 있다.
- 한편, 파괴확률의 분포는 건기시 파괴확률은 최소 0.172%부터 최고 31.548%로 분포하고 있으나, 몽탄-일로를 제외 하면 대부분 5% 미만의 값을 보이고 있음을 알 수 있었으며, 지표하 3m까지 포화된 조건에서는 최소 0.29%~최대 43.15%의 값을 얻을 수 있었다. 하지만, 지표면 포화조건에서는 최소 13.
- 현재 철도가 운행 중인 절개면 8개소를 대상으로 절개면의 파괴확률 분포를 파악하였다. 현재 각종 설계기준에서 제시하고 있는 건기시 및 우기시 사면안정해석 기준에 맞춰 절개면 안정해석을 실시한 결과, 지표면까지 포화된 조건을 적용한 경우 과다설계의 개연성이 나타나고 있음을 확인할 수 있었으며, 이에 대한 보다 명확한 근거로 평균 81.4% 파괴확률 증가량을 들 수 있었다. 더욱이 유사한 안전율이 산출되었어도 파괴확률의 경우 많은 차이를 보이고 있어, 지반정수의 확률적 분포를 고려한 신뢰성해석기법의 도입이 시급하다는 사실도 알 수 있었다.
후속연구
- 이러한 결과를 토대로 볼 때, 원호 파괴를 가정한 한계평형해석을 적용한 경우는 강우로 인한 실제 토사 절개면에서 강우로 인해 발생하는 표층유실 형태의 파괴를 적절히 고려할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서, 사면 내에서 발생한 파괴면에 대한 보다 정밀한 조사를 통하여 사면제원, 강우특성, 유역면적으로 고려한 표면 유출량 등에 따른 파괴패턴을 명확히 구분하고 파괴패턴에 따라 서로 다른 적절한 해석기법을 적용하기 위한 추가연구가 필요로 된다.
- 따라서, 본 연구에서는 안전율 기반 설계의 문제점 분석, 현장정밀조사를 통한 지반물성 산정 그리고 물성의 분포특성을 고려한 신뢰성해석을 시행한 결과물로 산출되는 파괴확률을 이용하여 철도절개면의 보수보강 및 유지관리에 있어 우선순위를 결정할 수 있도록 철도절개면의 위험도평가를 시행하였다. 이를 기반으로 보다 철도절개면의 효율적인 유지관리가 가능할 것이라 판단된다.
- 이는 평균값으로 대표되는 지반정수를 근거로 한 전통적인 사면안정해석과 비교할 때, 지반정 수의 분포형태를 고려함에 의해 보다 명확한 해석의 결과로 판단된다. 이를 이용하여 통상 사용되는 안전율을 보완할 수 있는 대안으로서의 파괴확률을 고려할 수 있을 것이다.
- 파괴확률의 선정에 있어서 현재 기준에서 강우시 침투를 적절히 고려할 수 있다고 판단되는 ‘지하수위가 GL-3m에 위치’의 경우를 대표치로 하여 적용함에 의해 손실평가와 파괴확률을 고려한 위험도를 산출할 수 있었으며, 이에 따라 우선순위 적용이 가능해짐을 알 수 있다. 이와 같은 위험도평가를 기반으로 철도절개면의 유지관리 및 보수보강에 있어서 선진화된 기술의 도입이 가능해질 것이라 판단된다.
- 또한, 신뢰성해석을 시행한 결과물로 산출되는 파괴확률을 이용하여 철도절개면의 위험도평가를 시행하였다. 피해복구액과 수입손실액의 2가지에 국한하여 평가하였으나, 철도절개면의 효율적인 유지 관리를 위한 보수보강, 유지관리 및 감시시스템 적용 등의 분야에 대한 우선순위 선정에 적절히 활용할 수 있을 것이다. 향후 손실평가분야의 확대와 더불어 설계비용, 시공비용 및 대책공법비용 등을 고려하여 사회경제적 효과를 고려한 위험도평가기법의 개발이 시도되어야 할 것으로 판단된다.
- 피해복구액과 수입손실액의 2가지에 국한하여 평가하였으나, 철도절개면의 효율적인 유지 관리를 위한 보수보강, 유지관리 및 감시시스템 적용 등의 분야에 대한 우선순위 선정에 적절히 활용할 수 있을 것이다. 향후 손실평가분야의 확대와 더불어 설계비용, 시공비용 및 대책공법비용 등을 고려하여 사회경제적 효과를 고려한 위험도평가기법의 개발이 시도되어야 할 것으로 판단된다.
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