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문제 정의
- 이러한 관점에서 볼 때, 집중호우시 식생조건이 토층에 미치는 영향과 그로 인한 산사태 등 지반재해 가능성과 관련한 연구가 필요함에도 현재까지 별로 진행된 바 없다. 따라서 이 연구에서는 산사태 등 지반재해에 가장 큰 영향을 미치는 집중호우와 식생 조건이 .실제로 토질 특성의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하였다.
- 수 있다. 이 연구에서는 포화도에 따른 전단 강도의 변화를 알아보기 위해 가장 보편적으로 이용되고 있는 직접 전단시험을 실시하였다. 그러나 집중호우 전과 후의 토층 시료에 대한시험결과 전단 강도정수 즉, 전단 저항 각 및 점착력의 변화가 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
- 1956)이기 때문에 토층시료의 포화도에 따른 변화폭 이적을 수밖에 없다. 이 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 직접전단시험법을 응용하여 보다 변별력 있는 수치로 전단 강도를 표*현하고자 하였다. 시험 방법은 집중호우 전과 30nun/h의 집중호우 후의 포화도가 다른 각각의 토층시료를 전단 시험기에 거치하고 파괴 현상에 영향이 큰 수직하중을 재하하지 않은 상태에서 1회 파괴하여 얻어지는 파괴포락선의 최고치 즉, 최고전단 저항치(Rnax)를 측정하여 변별력이 부족한 전단 저항각을 대신하였다 (Fig.
- 이 연구는 여름철의 집중호우시 산지에 분포한 식생 조건으로 인해 하부 지반인 표토에 얼마나 도달되는지, 그리고 토층에 침투한 빗물이 토질 특성에 어느 정도 변화를 초래하는지를 분석하였다. 또한, 이러한 식생 조건에 따른 침투 양상과 토질 특성의 변화가 산사태와 같은 지반재해에 어떻게 관련되는지를 검토하였다.
- 초래하는지를 분석하였다. 또한, 이러한 식생 조건에 따른 침투 양상과 토질 특성의 변화가 산사태와 같은 지반재해에 어떻게 관련되는지를 검토하였다. 이 연구는 연구지역과 유사한 식생 및 토질 조건을 가지는 지역에서 집중호우가 발생될 경우 지표에 흡수될 강우양상, 토질 특성의 변화, 그리고 산사태와 같은 지반재해 취약성을 예측하는데 기초자료로 활용 가능할 것이다.
제안 방법
- 따라서 이 연구에서는 산사태 등 지반재해에 가장 큰 영향을 미치는 집중호우와 식생 조건이 .실제로 토질 특성의 변화에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하였다. '
- 이를 위해 우선 1차적으로 강우가 식생조건에 따라어느 정도 감소하여 표토에 도달하는지를 조사하였으며, 2차적으로는 식생 조건에 의해 실제의 강우량보다 줄어든 빗물이 토층에 도달하여 어떤 토질 특성에 변화가 발생되는지를 분석하였다.
- 1단계는 현장조사 단계로서 식생의 종류 및 분포밀도, 강우량측정 및 강우자료 수집, 집중호우 발생 전후의 토층 시료 채취 등을 통해 강우가 수종과 식생밀도에 따라 어느 정도 감소하여 토층에 도달되는지를 조사하였다. 그리고 2단계는 결과분석 단계로서 강우자료 분석, 시험 및 시험 결과 분석, 강우 및 식생조건과 토질 특성 분석 등을 통해 식생조건에 의해 실제 강우량보다 줄어든 빗물이 토질 특성 변화에 어떤 관련성이 있는지를 분석하였다.
- 1단계는 현장조사 단계로서 식생의 종류 및 분포밀도, 강우량측정 및 강우자료 수집, 집중호우 발생 전후의 토층 시료 채취 등을 통해 강우가 수종과 식생밀도에 따라 어느 정도 감소하여 토층에 도달되는지를 조사하였다. 그리고 2단계는 결과분석 단계로서 강우자료 분석, 시험 및 시험 결과 분석, 강우 및 식생조건과 토질 특성 분석 등을 통해 식생조건에 의해 실제 강우량보다 줄어든 빗물이 토질 특성 변화에 어떤 관련성이 있는지를 분석하였다. Fig.
- 식생의 종류에 따라 실제 내린 강우량과 토층에 도달되는 강우량의 차이를 알아보기 위해 비슷한 밀도 조건으로 분포되어 있는 침엽수, 활엽수 및 혼효림으로 구분되는 지역을 각각 선정하였다. 식생조건은 수목이 분포한 밀도를 기준으로 하여 Fig.
- 3에서 보는 바와 같이하절기에 잎이 무성할 때 3mx3m 넓이에 대한 수목의 가지와 잎이 차지하는 넓이의 비로 표현하였으며, 20% 미만, 21~50%, 51-80%, 그리고 81% 이상의 4가지 경우로 구분하였다. 측정의 편의를 위해 수종별 및 밀도별로 구분하여 대표적인 위치에 강우량 측정기를 설치하여 강우량을 측정하였다.
- 집중호우가 발생했을 때 토층에 흡수되는 빗물의 정도는 식생의 밀도나 종류에 의해 변화되기 마련이므로 앞에서 구분한 방법에 따라 식생조건별로 각각의 강우량측정 대상지역에 Fig. 4와 같은 강우량측정기를 설치하고 강우량을 측정하였다 (한국수자원공사, 2006). 강우량측정기는 아크릴로 제작된 직경 20cm 높이 30cm 크기의 투명원 통을 이용하여 누적된 강우량을 시간당 높이의 비로 측정하였다.
- 4와 같은 강우량측정기를 설치하고 강우량을 측정하였다 (한국수자원공사, 2006). 강우량측정기는 아크릴로 제작된 직경 20cm 높이 30cm 크기의 투명원 통을 이용하여 누적된 강우량을 시간당 높이의 비로 측정하였다. 강우량 측정기가 놓인 위치에 따라서 누적 강우량이 다를 것이기에 식생 밀도를 구분하기 위한 기본 면적을 3mx3m 넓이로 하여 기본 면적당 3개의 강우관측기를 설치하여 그 기록을 평균하였다.
- 강우량측정기는 아크릴로 제작된 직경 20cm 높이 30cm 크기의 투명원 통을 이용하여 누적된 강우량을 시간당 높이의 비로 측정하였다. 강우량 측정기가 놓인 위치에 따라서 누적 강우량이 다를 것이기에 식생 밀도를 구분하기 위한 기본 면적을 3mx3m 넓이로 하여 기본 면적당 3개의 강우관측기를 설치하여 그 기록을 평균하였다.
- KS 시험 기준에 따라 자연함 수비, 밀도, 액성 한계, 소성한계, 단위 중량, 간극비 및 간극율을 측정하였으며, 입도 시험을 통해 유효경(D), 균등계수(C) 및 곡률계수 (Cg)를 산정하였다. 그리고 변수위 투수시험과 직접 전단시험을 실시하여 투수계수와 전단 강도를 구하였다.
- 산정하였다. 그리고 변수위 투수시험과 직접 전단시험을 실시하여 투수계수와 전단 강도를 구하였다.
- 정도에 따라 지반 지지력 저하의 요인이 될 수 있는 유동성과 전단 강도를 검토하였다. 강우가 발생되기 전후에 토층의 유동성의 변화를 분석하기 위해 액성한계 시험을 응용한 방법으로써 강우 상태의 함수비 조건으로 시료를 조제하여 황동접시에 시료를 장착한 후 홈파기 날에 의해 분리된 시료가 1 cm 길이로 접합될 때의 낙하 횟수를 측정하였다. 한편, 전단 강도의 경우 전단저항각 또는 점착력의 변화폭이 미미하여 그 변화량을 정확히 파악하기 어렵기 때문에 전단 파괴시 얻어지는 파괴포락선의 최고 전단 저항값을 측정하여 상대적으로 비교 분석하였다.
- 강우가 발생되기 전후에 토층의 유동성의 변화를 분석하기 위해 액성한계 시험을 응용한 방법으로써 강우 상태의 함수비 조건으로 시료를 조제하여 황동접시에 시료를 장착한 후 홈파기 날에 의해 분리된 시료가 1 cm 길이로 접합될 때의 낙하 횟수를 측정하였다. 한편, 전단 강도의 경우 전단저항각 또는 점착력의 변화폭이 미미하여 그 변화량을 정확히 파악하기 어렵기 때문에 전단 파괴시 얻어지는 파괴포락선의 최고 전단 저항값을 측정하여 상대적으로 비교 분석하였다.
- 식생의 종류에 따라 실제 강우가 토층에 도달되기까지의 차이를 알아보기 위해 유사한 밀도 조건의 침엽수, 활엽수 및 혼효림으로 나누어진 3개소에 강우량측정기를 설치 후 2006년 7월 16일부터 18일까지 3일간에 걸쳐 집중호우시 강우량을 측정하였다. 식생 종류에 따라 수목을 통과하여 토층에 떨어진 측정 결과는 Table 1에서 보는 바와 같다.
- 이 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 직접전단시험법을 응용하여 보다 변별력 있는 수치로 전단 강도를 표*현하고자 하였다. 시험 방법은 집중호우 전과 30nun/h의 집중호우 후의 포화도가 다른 각각의 토층시료를 전단 시험기에 거치하고 파괴 현상에 영향이 큰 수직하중을 재하하지 않은 상태에서 1회 파괴하여 얻어지는 파괴포락선의 최고치 즉, 최고전단 저항치(Rnax)를 측정하여 변별력이 부족한 전단 저항각을 대신하였다 (Fig. 8).
- 산사태 등의 지반 재해에 직접적인 영향을 주는 인자로서 강우량에 따라 좌우되는 토층의 유동성을 파악하기 위해 액성 한계시험법을 응용한 시험을 실시하였다. 토질 물성으로 유동지수(flow index)가 있으나 실제 시험결과치를 비교한 결과 전단강도 경우와 같이 함수비에 따른 변별력이 떨어졌는데, 이는 추세선에 의해 액성한계를 구하는 시험방법상의 문제점에서 기인된 결과이다.
- 토질 물성으로 유동지수(flow index)가 있으나 실제 시험결과치를 비교한 결과 전단강도 경우와 같이 함수비에 따른 변별력이 떨어졌는데, 이는 추세선에 의해 액성한계를 구하는 시험방법상의 문제점에서 기인된 결과이다. 따라서 지반이 강우에 의해 액성상태로 접근하는 수준을 알아보고자 유동성을 구할 수 있는 척도로서 액성한계 시험법을 그대로 이용하되 전단강도에서와 마찬가지로 최종 결과치의 선정방법만을 다르 게 하였다. 즉, 시험 방법은 강우량을 고려하여 토층시료에 물을 증가시키며 함수 비를 조절한 후 액성 한계시험기에 장착하고 홈파기 날로 시료를 반으로 가른 뒤 황동 그릇을 낙하하여 낙하 횟수 1회일 때 시료가 1cm 접합될 때의 함수비를 측정하는 방법으로 구하였다.
- 따라서 지반이 강우에 의해 액성상태로 접근하는 수준을 알아보고자 유동성을 구할 수 있는 척도로서 액성한계 시험법을 그대로 이용하되 전단강도에서와 마찬가지로 최종 결과치의 선정방법만을 다르 게 하였다. 즉, 시험 방법은 강우량을 고려하여 토층시료에 물을 증가시키며 함수 비를 조절한 후 액성 한계시험기에 장착하고 홈파기 날로 시료를 반으로 가른 뒤 황동 그릇을 낙하하여 낙하 횟수 1회일 때 시료가 1cm 접합될 때의 함수비를 측정하는 방법으로 구하였다. 이는 동일한 충격에너지를 줄 경우 함수비에 따라 보다 유동성을 갖는 시료가 더 빨리 접합되는 점을 응용한 시험방법으로 이에 따라 토층 시료의 유동성을 시험하였다.
- 즉, 시험 방법은 강우량을 고려하여 토층시료에 물을 증가시키며 함수 비를 조절한 후 액성 한계시험기에 장착하고 홈파기 날로 시료를 반으로 가른 뒤 황동 그릇을 낙하하여 낙하 횟수 1회일 때 시료가 1cm 접합될 때의 함수비를 측정하는 방법으로 구하였다. 이는 동일한 충격에너지를 줄 경우 함수비에 따라 보다 유동성을 갖는 시료가 더 빨리 접합되는 점을 응용한 시험방법으로 이에 따라 토층 시료의 유동성을 시험하였다. Fig.
대상 데이터
- 연구지역은 대덕연구단지 내 화봉산(226m)이 위치한 산지 지역으로서 활엽수와 침엽수 등이 고루 분포되어 있는 자연사면이다. Fig.
- 강우와 토질 특성간의 관련성을 분석하기 위해 집중호우가 발생되기 전과 후에 연구지역의 토질 특성이 잘 반영되도록 침엽 수 분포 지역의 지정된 위치에서 4가지 경우의 식생 밀도별로 3개씩 총 12개의 토층시료를 채취하였다. 시료는 표토를 제거한 후 동일한 조건으로 20 cm 깊이의 토층에서 불교란 시료를 채취하였다.
- 시료는 표토를 제거한 후 동일한 조건으로 20 cm 깊이의 토층에서 불교란 시료를 채취하였다. 불교란 시료는 스테인리스로 제작한 직경 10 cm, 높이 5 cm 크기의 원통형 몰드를 이용하였으며, 특히 투수시험용 불교란 시료는 직경 10 cm, 높이 13 cm 크기의 원통형 몰드를 사용하였다.
- 시료는 표토를 제거한 후 동일한 조건으로 20 cm 깊이의 토층에서 불교란 시료를 채취하였다. 불교란 시료는 스테인리스로 제작한 직경 10 cm, 높이 5 cm 크기의 원통형 몰드를 이용하였으며, 특히 투수시험용 불교란 시료는 직경 10 cm, 높이 13 cm 크기의 원통형 몰드를 사용하였다. 모든 시료는 현장조건이 최대한 유지되도록 밀봉한 상태로 실험실에 운반하였다.
- 집중호우 시 실제 토층에 흡수되는 빗물의 양에 따라 변화하는 토질 특성들을 파악하기 위해 집중호우가 발생되기 전에 4가지 경우 의 식생 밀도별로 구분하여 3개씩 총 12개 토층시료를 채취하였다. 그리고 동일한 지점에서 강우강도 30 mm/h의 집중호우가 발생한 직후인 2007년 9월 1일에 같은 방법으로 토층시료를 채취하였다.
- 12개 토층시료를 채취하였다. 그리고 동일한 지점에서 강우강도 30 mm/h의 집중호우가 발생한 직후인 2007년 9월 1일에 같은 방법으로 토층시료를 채취하였다. 채취한 토층시료에 대해서는 실험실에서 비교 가능한 여러 토질시험들을 실시하였으며, 그 결과를 정리하여 Table 3 및 4에 나타내었다.
- 지질 및 토질 조건, 식생분포 상태, 강우자료 취득, 현장 접근성 등의 여건을 고려하여 연구지역을 선정하였다. 1단계는 현장조사 단계로서 식생의 종류 및 분포밀도, 강우량측정 및 강우자료 수집, 집중호우 발생 전후의 토층 시료 채취 등을 통해 강우가 수종과 식생밀도에 따라 어느 정도 감소하여 토층에 도달되는지를 조사하였다.
성능/효과
- 강우량 측정 결과, 식생 종류에 따라 강우강도의 차이는 크지 않으나 7월 16일 Hmm/h의 강우시 침엽수 지역에서 나무를 통과한 강우는 3mm/h로 측정되었고 17 일에는 32mm/h의 강우시 23mm/h, 그리고 18일에는 23mm/h의 강우시 12mm/h인 것으로 측정되었으며, 활엽수 및 혼요림지역에서도 유사한 경향성을 보였다. 이는 수목들이 우산 효과로 작용함으로써 실제 강우량보다 토층에 떨어지는 강우량이 더 적음을 보여주는 결과이다.
- 이는 수목들이 우산 효과로 작용함으로써 실제 강우량보다 토층에 떨어지는 강우량이 더 적음을 보여주는 결과이다. 식생의 종류에 따른 차이점을 살펴보면, 침엽수에 비해 활엽수와 혼효림이 상대적으로 강우에 대한 우산효과가 더 큰 것으로 나타났다. 한편, Fig.
- 식생의 종류에 따른 차이점을 살펴보면, 침엽수에 비해 활엽수와 혼효림이 상대적으로 강우에 대한 우산효과가 더 큰 것으로 나타났다. 한편, Fig. 5에서 보는 바와 같이 강우량이 많지 않을 때는 수종에 따른 우산효과의 차이가 거의 없는 것으로 나타났으나 강우량이 증가할수록 활엽수와 혼효림에 의한 우산 효과가 상대적으로 더 크게 나타나는 경향성을 보였다.
- 7에서 보는 바와 같이 함수비 및 포화도는 강 우량이 증가함에 따라 토층에 빗물의 침투량이 증가함으로써 비례적으로 증가하는 현상을 보였다. 그리고 식생 밀도에 따른 변화 양상을 살펴보면, 식생 밀도가 높은 IV지역(81~100%)의 함수비 및 포화도의 변화 폭이 식생 밀도가 낮은 I지역(0~20%)에 비해 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 집중호우시 식생 밀도에 따라 수목에 의한 우산 효과가 다르게 나타남 2로써 토층에 미치는 영향도 다르게 나타남을 보여주는 결과이다.
- 이 연구에서는 포화도에 따른 전단 강도의 변화를 알아보기 위해 가장 보편적으로 이용되고 있는 직접 전단시험을 실시하였다. 그러나 집중호우 전과 후의 토층 시료에 대한시험결과 전단 강도정수 즉, 전단 저항 각 및 점착력의 변화가 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 시험방법상의 문제로서 실제 직접 전단시험의 경우 3단계의 수직하중을 주어 mohr circle 이론에 의한 강도 정수를 기하학적으로 산정하는 방법(Holtz, .
- 9에서 보는 바와 같이 4가지 경우의 식생 밀도별 강우강도의 차이 즉, 빗물의 침투에 따라 전단저항치에 차이가 있는 것으로 나타났다. 집중호우 전의 시료에 비해 집중호우가 있은 후의 모든 시료에서 전단저항치가 작은 결과치를 보였는데, 이는 집중호우로 인해 함수비와 포화도가 증가하면 전단 강도가 저하됨으로써 지반 안정성이 더 취약할 수 있음을 보여주는 결과로 해석된다. 또한, 식생 밀도에 따라 전단 강도도 함수비 및 포화도의 경우와 동일한 경향^을 보였으며, 우산 효과에 의해 식생 밀도가 높은 IV지역(81~100%)의 전단 저항치 감소 폭이 식생 밀도가 낮은 I지역(0~20%)에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
- 집중호우 전의 시료에 비해 집중호우가 있은 후의 모든 시료에서 전단저항치가 작은 결과치를 보였는데, 이는 집중호우로 인해 함수비와 포화도가 증가하면 전단 강도가 저하됨으로써 지반 안정성이 더 취약할 수 있음을 보여주는 결과로 해석된다. 또한, 식생 밀도에 따라 전단 강도도 함수비 및 포화도의 경우와 동일한 경향^을 보였으며, 우산 효과에 의해 식생 밀도가 높은 IV지역(81~100%)의 전단 저항치 감소 폭이 식생 밀도가 낮은 I지역(0~20%)에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
- 1) 자연사면에 집중호우가 발생할 경우 수목들의 우산효과로 인해 실제 강우량보다 더 적은 강우량이 표토에 도달된다. 이러한 우산 효과는 적은 강우량일 때는 별 차이가 없으나 강우량이 증가할수록 침엽수에 비해 활엽수와 혼효림 지역에서 상대적으로 더 크다.
- 3) 토층 지반에서 함수비, 포화도 및 유동성은 강우량이 증가할수록 비례적으로 증가하는 현상을 보였으며, 이들의 변화폭은 식생 밀도가 높은 지역에서 상대적으로 적은 것으로 분석되었다. 특히, 시간당 강우량이 40mm 이상인 집중 호우시는 토층의 유동성이 급격하게 증가되고지반지지력이 저하됨으로써 산사태와 같은 지반재해에 더 취약할 수 있다.
- 4) 집중호우가 있은 후의 토층 지반은 빗물의 영향으로 전단 강도가 저하되었으며 전단 강도 감소폭은 식생 밀도가 높은 지역이 낮은 지역에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 이는 동일한 토질 조건에서 식생 밀도가- 높은 지역은 낮은 지역에 비해 빗물의 침투가 상대적으로 적기 때문에 집중 호우시 산사태와 같은 지반재해에 덜 취약할 수 있다.
- 2) 식생 밀도가 높을수록 우산 역할이 증대됨으로써 표토에 도달되는 강우량은 적어진다. 그러나 강우강도가 40mm/h 이상으로 클 경우에는 식생상태에 따른 우산효과가 현저히 줄어들고 강우량의 대부분이 표토에 도달함으로써 강우 강도가 크고 강우지속 시간이 길수록 우산효과는 감소된다.
후속연구
- 특히, 연구지역의 토층은 40mm/h 이상부터 유동성이 상대적으로 급격하게 변화될 뿐만 아니라 40mmAi 이상의 집중호우시는 식생 밀도의 영향을 거의 받지 않기 때문에 내리는 비의 모든 량이 지표에 도달함을 알 수 있다. 이러한 결과에서 보듯 40mm/h 이상의 집중 호우시는 토중의 유동성이 급격하게 증가되고 지반지지력이 저하됨으로써 산사태와 같은 지반재해에 더 취약할 것으로 해석된다.
- 또한, 이러한 식생 조건에 따른 침투 양상과 토질 특성의 변화가 산사태와 같은 지반재해에 어떻게 관련되는지를 검토하였다. 이 연구는 연구지역과 유사한 식생 및 토질 조건을 가지는 지역에서 집중호우가 발생될 경우 지표에 흡수될 강우양상, 토질 특성의 변화, 그리고 산사태와 같은 지반재해 취약성을 예측하는데 기초자료로 활용 가능할 것이다.
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