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가설 설정
- 강우침투에 의한 사면의 안정성을 검토하기 위해 대표 단면을 가정하여 수치해석을 실시하였다. 성토사면 위에 건설된 단선철도를 대상으로 하였다.
- 성토사면 위에 건설된 단선철도를 대상으로 하였다. 해석의 용이성을 위하여 지반은 균질한 화강풍화토로 조성되었고 지반의 투수계수는 수평방향 및 연직방향이 동일한 것으로 가정하였다. 지하수위는 불투수층의 상부에 존재하는 것으로 하였다.
제안 방법
- 침투해석은 Geo-Slope사의 Seep/w를 사용하여 유한요소 해석을 시행하였다. Seep/w는 지반의 불포화 특성을 고려한 침투 해석이 가능하며, 해석대상사면에 지하수위를 적용한 정상상태에서 1차 해석을 시행하여 불포화침투해석의 초기조건을 구현하였으며 다음단계로 비정상상태로 지반의 함수특성과 투수계수 등을 적용하여 강우침투상황의 재현을 모사하였다. Fig.
- 강우시 사면의 안정성변화의 파악을 위하여 수치해석을 시행하였다. 강우시간 및 열차속도에 따른 강우침투 및 지하수위변화가 사면안정에 미치는 영향을 분석함과 동시에 각 시점에서의 안전율을 기반으로 신뢰성해석을 시행하여 신뢰지수, 파괴확률 그리고 파괴확률 변화속도를 계산하였다.
- 강우시 사면의 안정성변화의 파악을 위하여 수치해석을 시행하였다. 강우시간 및 열차속도에 따른 강우침투 및 지하수위변화가 사면안정에 미치는 영향을 분석함과 동시에 각 시점에서의 안전율을 기반으로 신뢰성해석을 시행하여 신뢰지수, 파괴확률 그리고 파괴확률 변화속도를 계산하였다.
- 강우지속시간과 열차속도변화에 의한 하중변화에 따른 사면의 안정성을 검토하기 위하여 강우강도 30mm/hr를 적용하여 사면의 안정성 변화를 해석함으로써 강우지속시간과 열차속도변화에 의해 사면에 재하되는 하중변화가 사면에 미치는 영향을 알아보았다. Fig.
- 강우지속시간과 열차속도변화에 의한 하중변화에 따른 사면의 안정성을 검토하기 위하여 강우침투에 따른 사면의 신뢰지수를 검토하였다. 강우지속시간에 따른 누적강우량이 증가함에 따라 안전율은 감소하여 사면의 신뢰지수가 점점 감소하는 경향을 나타낸다.
- 강우침투해석에 있어 강우경계조건은 실험결과에 의해 부여하였으며 이로 인해 평지 및 경사면의 강우조건을 다르게 설정하였고 열차하중의 경계조건은 국내 1급·2급 선로조건을 적용하고 표준하중에 근거하여 충격률(i)에 의한 변동률을 고려한 동적하중을 계산하였다.
- 또한 Slope/w를 이용하여 강우침투에 의한 사면안정해석을 수행하였다. 침투해석결과로 구한 간극수압 분포를 통하여 침투에 의한 사면안정의 저하를 불포화 전단강도 함수(∅b)를 이용하여 사면안정의 저하를 고려하는 것이 가능하다.
- 본 연구에서는 강우침투시 사면붕괴 메커니즘을 효율적으로 분석하기 위하여 불포화토질역학과 신뢰성해석을 적용하였다. 철도 성토사면에 대한 안전관리기준의 설정을 위하여 강우침투에 따른 사면안정성 변화를 파괴확률 변화 속도 변화와 비교하여 분석하였으며, 철도 성토사면에 대한 적용성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 강우침투시 사면붕괴 메커니즘을 효율적으로 분석하기 위하여 불포화토질역학과 신뢰성해석을 적용하였다. 철도 성토사면에 대한 안전관리기준의 설정을 위하여 강우침투에 따른 사면안정성 변화를 파괴확률 변화 속도 변화와 비교하여 분석하였으며, 철도 성토사면에 대한 적용성을 검토하였다. 파괴확률 변화속도를 이용하면 현재 기준을 보완하여 운행 중인 열차에 대한 개선된 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 강우침투에 따른 철도 성토사면의 안정성 변화를 파악하기 위하여 신뢰성 해석기법을 적용하였다. 철도 성토사면의 안전관리를 위한 기준 제안을 위하여 강우조건과 열차속도변화에 따른 하중변화에 기인한 안정성 변화를 안전율, 신뢰지수, 파괴확률 그리고 파괴확률 변화속도에 대하여 분석하였다.
- 침투해석은 Geo-Slope사의 Seep/w를 사용하여 유한요소 해석을 시행하였다. Seep/w는 지반의 불포화 특성을 고려한 침투 해석이 가능하며, 해석대상사면에 지하수위를 적용한 정상상태에서 1차 해석을 시행하여 불포화침투해석의 초기조건을 구현하였으며 다음단계로 비정상상태로 지반의 함수특성과 투수계수 등을 적용하여 강우침투상황의 재현을 모사하였다.
- 강우침투해석에 있어 강우경계조건은 실험결과에 의해 부여하였으며 이로 인해 평지 및 경사면의 강우조건을 다르게 설정하였고 열차하중의 경계조건은 국내 1급·2급 선로조건을 적용하고 표준하중에 근거하여 충격률(i)에 의한 변동률을 고려한 동적하중을 계산하였다. 해석의 용이성을 위해 윤중을 레일면에 직하하지 않고, 노반압력으로 변환하여 적용하였다. 한편, 적용된 토질정수와 강도정수는 Table 1과 Table 2에 제시하였으며, 실내시험 수행을 통하여 얻어진 결과를 사용하였다(Kim et al.
대상 데이터
- 강우침투에 의한 사면의 안정성을 검토하기 위해 대표 단면을 가정하여 수치해석을 실시하였다. 성토사면 위에 건설된 단선철도를 대상으로 하였다. 해석의 용이성을 위하여 지반은 균질한 화강풍화토로 조성되었고 지반의 투수계수는 수평방향 및 연직방향이 동일한 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 강우침투에 따른 철도 성토사면의 안정성 변화를 파악하기 위하여 신뢰성 해석기법을 적용하였다. 철도 성토사면의 안전관리를 위한 기준 제안을 위하여 강우조건과 열차속도변화에 따른 하중변화에 기인한 안정성 변화를 안전율, 신뢰지수, 파괴확률 그리고 파괴확률 변화속도에 대하여 분석하였다.
- 신뢰성해석은 Slope/w에서 제공되는 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation, MCS)은 안전율 1.0을 기준으로 신뢰성해석을 시행하게 되므로, 국내 우기시 안전율 기준인 1.3을 적용하기 위해서는 상기결과를 기반으로 The Corps of Engineers(1997)에서 근사값으로 사용을 권고한 평균값 일계이차모멘트법을 사용하였다.
성능/효과
- 11). 이상의 개념을 연구결과에 대하여 적용한 결과, Fig. 12와 같이 열차속도에 따라 운용이 가능한 안전관리기준을 제안할 수 있었다.
- 064로 선형적인 감소로 나타났다. 즉, 사면의 안전율 변화는 지반의 강도조건이나 강도정수뿐만 아니라 강우강도, 강우지속시간, 누적강우량 및 열차속도변화에 의해 사면에 재하되는 하중변화로 인한 충격률의 증가를 동반하고 결과적으로 사면의 안정성 변화에 보다 많은 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 파괴확률 변화속도는 강우지속시간에 따라 변화되는 파괴확률의 시간변화량이고, 신뢰성해석결과인 파괴확률은 결정론적 해석결과인 안전율에 비해 빠른 변화량을 보이게 되며, 파괴확률 변화속도의 경우, 보다 민감한 변화를 나타내게 되어 보조지표로의 적용을 검토하게 되었다.
후속연구
- 하지만, 본 연구에서 제안한 파괴확률 변화속도를 이용하면, 안전율이 우기의 기준치에 도달하기 전에 변곡점인 피크값을 보이는 특성이 있으므로 이를 이용하여 철도 성토사면에 대한 효율적인 통제가 가능할 것으로 판단된다. 철도사면의 안전관리, 모니터링 시스템의 경보발령기준에 본 보조지표와 관리기준의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 철도 성토사면에 대한 안전관리기준의 설정을 위하여 강우침투에 따른 사면안정성 변화를 파괴확률 변화 속도 변화와 비교하여 분석하였으며, 철도 성토사면에 대한 적용성을 검토하였다. 파괴확률 변화속도를 이용하면 현재 기준을 보완하여 운행 중인 열차에 대한 개선된 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3, 신뢰지수 0, 파괴확률 50%)에 도달하기 전에 변곡점인 피크값에 도달하는 것을 볼 수 있으며, 설정된 기준 안전율의 값에 전적으로 의존하게 될 것이다. 파괴확률변화속도가 가지는 이 특성을 이용하면 열차운행에 있어 경보발령 포인트로 활용할 수 있을 것이며, 효율적인 안전관리기준의 제안이 가능할 것으로 판단된다(Fig. 10).
- 안전율, 신뢰지수 및 파괴확률은 강우침투 변화에 따라 급격한 변화를 보이지만, 명백한 변곡점이 없어 붕괴 이전의 사전대책으로의 적용이 어렵다. 하지만, 본 연구에서 제안한 파괴확률 변화속도를 이용하면, 안전율이 우기의 기준치에 도달하기 전에 변곡점인 피크값을 보이는 특성이 있으므로 이를 이용하여 철도 성토사면에 대한 효율적인 통제가 가능할 것으로 판단된다. 철도사면의 안전관리, 모니터링 시스템의 경보발령기준에 본 보조지표와 관리기준의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
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