경상북도 포항시 동해면 석리지역의 국도변에 위치한 이암으로 구성된 사면에서 실제로 발생한 사면붕괴 사례를 중심으로 이암사면의 강우유형에 따른 침투해석을 시행하여 강우가 사면에 미치는 안정성 분석에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 붕괴가 발생한 사면을 대상으로 정밀지표조사, 지구물리탐사 및 시추조사를 수행한 후 상세 지층상태를 분석하고, 붕괴 활동면이 위치하는 구간에 대하여 slaking/swelling시험을 통해 내구성이 저하되는 것을 파악하고, 현장투수시험을 통해 토층별 투수성을 파악하였다. 또한 한계평형해석 프로그램인 Talren 97을 이용하여 역해석에 의한 강도정수의 변화분석 및 Slope/W 프로그램을 이용하여 호우시 침투거동과 강우량에 따른 사면내 수압의 변화에 의한 불안정하게 되는 과정을 분석하였다. 실제 붕괴이력을 갖는 사면을 대상으로 지형적인 조건과 서로 상이한 강우조건을 적용하여 사면의 지질구조대 발달 및 사면표면의 상태에 따른 강우침투로 인한 지하수의 상승과 강우지속시간에 따른 침투해석을 통해 사면의 안정성을 분석하였다.
경상북도 포항시 동해면 석리지역의 국도변에 위치한 이암으로 구성된 사면에서 실제로 발생한 사면붕괴 사례를 중심으로 이암사면의 강우유형에 따른 침투해석을 시행하여 강우가 사면에 미치는 안정성 분석에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 붕괴가 발생한 사면을 대상으로 정밀지표조사, 지구물리탐사 및 시추조사를 수행한 후 상세 지층상태를 분석하고, 붕괴 활동면이 위치하는 구간에 대하여 slaking/swelling시험을 통해 내구성이 저하되는 것을 파악하고, 현장투수시험을 통해 토층별 투수성을 파악하였다. 또한 한계평형해석 프로그램인 Talren 97을 이용하여 역해석에 의한 강도정수의 변화분석 및 Slope/W 프로그램을 이용하여 호우시 침투거동과 강우량에 따른 사면내 수압의 변화에 의한 불안정하게 되는 과정을 분석하였다. 실제 붕괴이력을 갖는 사면을 대상으로 지형적인 조건과 서로 상이한 강우조건을 적용하여 사면의 지질구조대 발달 및 사면표면의 상태에 따른 강우침투로 인한 지하수의 상승과 강우지속시간에 따른 침투해석을 통해 사면의 안정성을 분석하였다.
At the mudstone slope located on the roadside of the Seokri area in Donghae-myeon, Pohang, Gyeongsangbuk-do, this study was performed to analyze the effects of rainfall on the stability of slope through seepage analysis according to the precipitation type of the mudstone slope, referring to the actu...
At the mudstone slope located on the roadside of the Seokri area in Donghae-myeon, Pohang, Gyeongsangbuk-do, this study was performed to analyze the effects of rainfall on the stability of slope through seepage analysis according to the precipitation type of the mudstone slope, referring to the actual case of slope failure. For this, precise geological survey, geophysical exploration and drilling survey for the slope where the failure occurred were performed and followed by analysis of detailed soil layer. For the section where failure surface located, the durability reduction of rocks was measured through slaking/swelling tests and the permeability was measured through in-situ permeability tests for each soil layer. In addition, the change of strength parameter and process of instability were analyzed by back analysis, using Talren 97 and Slope/W programs, in the slope. By applying different precipitation conditions to the geographical conditions of the slope that had actual failure records, the slope stability was analyzed by seepage analysis according to duration of rainfall and rise of groundwater level resulting from the flow of rainfall caused by development of geological structures and the slope surface condition.
At the mudstone slope located on the roadside of the Seokri area in Donghae-myeon, Pohang, Gyeongsangbuk-do, this study was performed to analyze the effects of rainfall on the stability of slope through seepage analysis according to the precipitation type of the mudstone slope, referring to the actual case of slope failure. For this, precise geological survey, geophysical exploration and drilling survey for the slope where the failure occurred were performed and followed by analysis of detailed soil layer. For the section where failure surface located, the durability reduction of rocks was measured through slaking/swelling tests and the permeability was measured through in-situ permeability tests for each soil layer. In addition, the change of strength parameter and process of instability were analyzed by back analysis, using Talren 97 and Slope/W programs, in the slope. By applying different precipitation conditions to the geographical conditions of the slope that had actual failure records, the slope stability was analyzed by seepage analysis according to duration of rainfall and rise of groundwater level resulting from the flow of rainfall caused by development of geological structures and the slope surface condition.
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문제 정의
대상사면인 이암지반의 사면에 강우시 지표면으로 강우 침투로 인한 불포화지층의 포화상태로의 변화와 지하 수위의 상승에 따른 간극수압의 증가가 사면의 안정성에 미치는 영향을 연구하였다.
본 연구는 강우에 의하여 수차례 붕괴가 발생한 사면을 대상으로 강우량과 침투거동의 연관성 및 안정해석을 시행하였다. 연구사면은 도로건설시 붕괴현상이 발생하여 안정화 대책으로 거동 토체 상부를 일정 제거하는 절취공법과 억지말뚝을 시공하여 지반거동을 억제토록 시공되어 있다.
본 연구는 실제 시공 중에 붕괴가 발생하였고 보강공사를 하였으나 수년 후 추가붕괴가 발생한 실제 사면을 대상으로 지반의 특성, 사면 형상에 따른 강우 침투 시 침투영역 및 포화도에 따른 안정성을 분석하여, 우기시 제안하고자 한다.
가설 설정
11). 강우침투는 근본적으로 강우 시작으로부터 사면내로 침투가 시작되는 것으로 하였으며, 이때 지반의 초기 조건으로 대략 최적 함수 비의 함수 조건으로 가정하였다.
또한 2005년 태풍 나비와 동반한 1일 집중호우에 3 차 붕괴가 발생하였다. 강우침투는 절취사면의 법면처리 방법에 따라 강우의 침투 유형이 달라지므로 중간평탄지의 배수공 설치여부와 강우침투 방지를 위한 녹화 여부 조건을 가정하여 침투해석을 하였다.
제안 방법
5경사로 절취하여 거동토체를 경감하고 억지말뚝(4>406, 강관pile)을 인장균열부 상부 1열, L = 20m, 하부에 2열, L = 21 ~32m시공하였다. 2차 붕괴는 2000년 9월에 4일간 204.0mm의연속적인 강우로 인해 3소단 하부 약30m 구간에서 붕괴활동과 1치붕괴시 인장 균열부에서 재인장균열이 발생하여 보강대책으로 억지 말뚝 변형구간에 추가보강何)105, mini 강관pile)을 실시하고 하부 붕괴구간은 압성토 보강공법을 시공하였다. 3차 붕괴는 2005년 9월 6일 태풍 나비와 동반하여 1 일 강우량 265mm의 집중호우시 2차 붕괴현상과 동일하게 붕괴가 발생하였다(Fig.
3차례 사면 붕괴 조건을 고려하여 강우 침투 변화와 침투영 역에 대해 분석을 하였으며, 또한 한계평형이론을 이용한 안정성 변화를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
각 지층에 대한 토질정수는 붕괴시기별 현장조사에 의한 붕괴비탈면의 지층상태를 파악하고 붕괴 형상을 재현하였으며, 실내시험자료와 붕괴 당시의 지형, 토질 및 지질조건, 그리고 강우 상황 등을 고려하여 붕괴상황 당시의 조건에 의한 붕괴시 단면을 재현시켰다.
본 연구사면은 이암지반 절취 사면으로 3차례에 걸쳐서 대규모의 붕괴가 발생한 이력이 있는 사면으로서 지반 상태를 파악하기 위한 정밀조사, 실내시험 자료를 분석하고 지반조건과 역해석에 의한 지반정수를 파악하였으며, 붕괴시의 실제 강우강도를 적용하여 강우 침투에 의한 사면의 불안정성을 해석적으로 파악하였다. 3차례 사면 붕괴 조건을 고려하여 강우 침투 변화와 침투영 역에 대해 분석을 하였으며, 또한 한계평형이론을 이용한 안정성 변화를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
붕괴위치는 절취면 하단부 후방 수평으로 약 80m 지점에서 연직단차 약约m의 자연산지의 붕괴로서 붕괴면은 65~70。의 경사를 갖는 단층활면(slikenside)이 발달하고 있다. 붕괴비탈면의 보강대책으로 연직높이 5m (13단), 1:1.5경사로 절취하여 거동토체를 경감하고 억지말뚝(4>406, 강관pile)을 인장균열부 상부 1열, L = 20m, 하부에 2열, L = 21 ~32m시공하였다. 2차 붕괴는 2000년 9월에 4일간 204.
역해석에 의한 강도정수의 추정은 재현된 붕괴 단면으로부터 사면 구성하고 있는 토질 및 지질 조건을 고려하고, 붕괴면의 상태를 고려하여 구성 토질조건에 대한 일반적인 값으로부터 반복적으로 안정해석을 행하여사면 붕괴상태가 될 수 있는 조건을 찾아내어 이로부터 구하는 것으로서 Table 2와 같이 각 지층의 토질 정수를 산정하였다. 본 역해석시 사용된 한계평형해석 프로그램은 사면안정해석시 일반적으로 많이 사용하고 있는 Talren 97이다.
연구대상 사면의 구성 토층별 투수성을 파악하기 위하여 시추조사와 병행하여 투수시험을 실시하였디, . 상부로부터 붕적 .
이암의 slake 내구성을 파악하기 위하여 연구대상 사면 내의 총 4개의 시추공 중 붕괴 활동면이 위치하는 파쇄대 구간의 이암시료와 신선한 이암 시료를 이용하여 slaking test를 실시하였다. 각 시료의 건습반복횟수를 5 회까지 실시한 결과 Fig.
절취 사면중 중간 평탄부인 성토층을 제외한 원지반은 녹생토로 시공되어 있는 현 사면은 붕괴가 발생한 조건임을 감안하여 비녹화 상태로 간주하여 강우 침투시의 침투해석과 안정성을 검토하였다. 실제 사면 붕괴가 발생하기 전에는 녹생토로 녹화되어 있는 반면, 사면이붕괴된 상태에서는 녹히층도 파손되어 용이하게 강우가 침투할 수 있는 조건이 되므로 이를 고려한 것이다.
대상 데이터
본 연구비탈면은 31호 국도건설시 자연 산능지 하단부를 신규 절취하였으며, 높이 15m, 비탈면 경사 1:1.0 로 시공 6개월 후 1997년 8월 13일 10여 일간 162.5mm 의 연속적인 강우로 인해 1차 대규모 산사태가 발생하였다. 붕괴위치는 절취면 하단부 후방 수평으로 약 80m 지점에서 연직단차 약约m의 자연산지의 붕괴로서 붕괴면은 65~70。의 경사를 갖는 단층활면(slikenside)이 발달하고 있다.
본 연구에서 사용된 강우자료는 1997년 8워 2000년 9월, 그리고 2005년 9월 붕괴가 발생하기 전 15일 이상의 기상자료이다(Fig. 11). 강우침투는 근본적으로 강우 시작으로부터 사면내로 침투가 시작되는 것으로 하였으며, 이때 지반의 초기 조건으로 대략 최적 함수 비의 함수 조건으로 가정하였다.
연구대상 사면은 경상북도 포항시 동해면 석리 지역의 국도변 사면으로서 규모는 연장 약 340m, 최대높이 약 70m로서 사면 경사는 1:1.2(40。)이고, 연직높이 5m 간격으로 13개의 소단이 설치되어 있다. 특히 절취면 중 중앙부 5소단에 경사 12°, 폭 30m의 평탄한 광장 부가형성된 것이 특징이다.
데이터처리
상부로부터 붕적 . 매립층, 풍화토, 풍화암, 이암파쇄대 및연암층으로 분포하고 시험방법은 일정구간의 대상심도 (0.5~ 1.0m)를 설정하여 변수위 시험법인 falling head test를 실시하였으며 그 결과는 Table 1과 같다.
성능/효과
(1) 본 연구사면 이암의 slaking 내구성지수 시험결과 신선한 기반암의 내구성지수(kb)는 73.34(%), 붕괴 활동면 및 단층파쇄대 구간은 18.79~21.14(%)로 나타났으며, swelling 시험결과 신선한 기반암의 팽창 변형률은 0.49%, 파쇄대구간은 2.42~2.56%의 팽창변형률을 갖는 것으로 나타났다.
(2) 연구대상 사면의 시간경과에 따른 지반정수의 변화를 붕괴 사면의 역해석 결과를 토대로 분석한 결과 3차례 붕괴 과정 동안 풍화토층은 점착력 55(%), 내부마찰각 12(%), 그리고 풍화암층은 점착력 29(%), 내부마찰각 29(%) 정도 감소된 것으로 분석되었다.
(3) 사면내에서의 지질구조대 발달시 2일 누적강우량 약 89mm 침투시 붕괴가 발생하였으며, 절취 사면 상부에 평탄지가 형성되고 차수시설이 없는 경우 1 일 최대강우량 150mm, 4일 누적강우량 200mm를 초과하면 붕괴가 발생할 수 있음을 확인하였다.
(4) 절취 사면의 강우시 침투거동 분석결과 안정성 유지를 위해서는 사면내 또는 상부에 대규모의 평탄지 조성은 징기적 안정성에 위해요소로 작용할 수 있으며, 사면의 안정성 확보를 위해서는 근원적으로 표면 부에 법면녹화 또는 차수층을 설치하여 강우 침투를 억제하는 것이 효과적임을 알 수 있었다.
Fig. 14(a)의 사면 붕괴가 발생한 조건인 비녹화 조건에서는 강우에 의한 침윤전선의 변화는 12일까지 선행강우 23.5mm는 하부의 지하수위의 변화가 미비하였으나 13일자의 58.8mm 강우시 단층대와 비녹화 구간인 성토 층으로 강우가 침투하여 지하수위가 증가하였다. 또한 연속적인 강우로 14 일 46.
test를 실시하였다. 각 시료의 건습반복횟수를 5 회까지 실시한 결과 Fig. 4와 같이 파쇄대의 내구성지수 (Id2)는 18.79-21.14% 로서 매우 낮으며 신선한 암반의 내구성지수(Id2)는 73.34%로서 중간정도이다. 이암은 신선한 암반에 비하여 파쇄대구간은 강우 침투 시 건습이 반복되면서 내구성 지수가 급격히 저하되면서 토양화 상태로 천이됨을 알 수 있다.
사면의 내부 지반상태를 세밀히 파악하기 위하여 전기비저항탐사와 시추조사를 시행한 결과 상부구간의 붕 적(성토)층, 풍화대층, 기반암층으로 분포하고 인장균열이 관찰되는 지점은 하부로 연장되는 구조대가 발달하고 활동면을 따라 이암의 파쇄에 의한 점토화 현상, 지표수 침투와 지하수위 상승으로 인한 swelling, slaking 현상이 진행되어 지반이 상당히 약화된 상태로 분석되었다(Fig. 3).
10에서와 같이 시간이 경과되고 붕괴가 진행될수록 강도정수는 감소한다는 것을 알 수 있다. 실내시험에 의한 강도정수의 변화는 기반암이 잔적 토로 변화하면서 내부마찰각은 최대 51%, 점착력은 92% 감소하는 것으로 보고된 바 있으나(조성은과 이승래, 2000), 본 연구에서는 역해석에 의한 강도정수는 풍화토층이 점착력은 55%, 내부마찰각은 12% 감소하였으며 풍화암은 점착력과 내부마찰각 공히 29% 감소되었음을 알 수 있다.
그러므로 1일 집중호우 결과 성토층 하부 원지반이 포화상태로 간극수압의 증가현상으로 가장 취약부인 단층대와 하부 사면의 성토층은 붕괴현상이 발생하였다. 실제 강우량 분석결과 강우강도는 최소 lOmiWhr, 최대 40mm面로 당일 강우량 256mm의 집중 호우가 발생되었으며, 14시 30분에 사면붕괴가 발생되었다 붕괴 발생 전까지의 강우량은 약 150mm이었으며 이 조건에서 침투해석 결과 Fig. 16~ 18과 깉이 전사면의 포화 현상을 확인할 수 있다. 이때의 강우침투에 의한 한계 평형 해석 해석결과 안전율 1.
정강복 등 (2006)은 포항지 역에 산출되는 자연상태의 이암에 대한강도 특성 및 열화특성을 파악하기 위하여 slaking에 의한 열화된 이암을 대상으로 직접전단시험을 실시한 결과 44~51%의 강도감소 현상이 발생되는 것으로 나타났다. 심도를 달리한 3개 시추공 이암시료에 대한 팽창 특성은 모든 시료가 초기 10시간 이내에 급속한 증가를 보이다가 이후에 둔화되었다가 약 60시간 정도 경과하면 최대치를 기록한다(Fig. 5). 이암의 팽창은 점토의 구성물질인 점토광물의 성분(Kaolinite, Montmorillonite, Illite, Chlorite)과 분자구조와 흡착수의 상호작용을 통하여 발생하는 과정으로 입자 또는 결정간의 팽창과 결정구조 내의 팽창작용으로 기인하는 것으로 알려져 있다.
연구대상지역 사면의 지형과 지질공학적인 특성을 파악하기 위하여 정밀지표조사결과 사면의 구성 지반은 신생대 제3기의 담회색~담녹색의 이암이 주를 이루고, 현재 보강공이 시공된 말뚝하부 구간은 단층 각력이 사면의 횡방향으로 분포하여 붕괴면에 단층 점토와 용수 현상이 관찰되었다.
절취 사면내의 붕괴면에 노출된 이암층은 20。이하 저각의 경사를 이루며 층상의 담회색~녹회색의 응회암질 이암이 분포하며, 지하수에 의한 풍화 현상으로 암의 원조직은 유지하나 강도가 극히 미약하고 토사 화 되어 있다. 이를 종합하여 보면 시점부와 종점부의 고지대는 조면암질 응회암이 분포하고 현사면의 대부분을 차지하고 있는 절취구간은 암질이 연약한 응회암질 이암(해성 쇄설성 퇴적암0이 분포한다. 또한 절취면 후면 계곡부에 관찰되는 단층 파쇄대는 사면 중심부에 종방향인 동-서방향과 횡단하는 남-북방향으로 발달하고 있다.
절취비탈사면을 구성하고 있는 기반암은 신생대 제 3기층인 응회암질 이암으로서 이 암이 수평층상으로 분포한다. 표층은 붕적층이 3~ 6m, 풍화토 및 풍화암이 15m 층 두께를 가지고 있으며, 그 하부에 이암의 파쇄대가 심부(지표하 27m)까지 발달하고 있다 지표조사 결과 암층의 경계면과 저지대인 계곡은 지질구조대(단층 및 파쇄대)가 발달함이 확인되었다. 지하 수위는 암층내부의 파쇄대의 영향을 받으며 풍화대층과 암반층의 경계부에 위치하고 있다(Fig.
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