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문제 정의
- 본 연구에서는 포화깊이에 따른 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정성검토를 실시하여 얕은파괴에 지대한 영향을 주는 포화깊이를 결정하였다. 결정된 포화깊이에 따라 지역(서울, 대전, 부산, 광주, 목포, 여수)별 강우분포특성을 고려하여 한계강우강도와 지속시간을 얻고, 이를 바탕으로 한계투수계수를 산정하였다.
- 수평파괴거리는 1m로 고정시키고 포화깊이를 0~5m까지 변화시키면서 사면경사와 사면높이에 대한 안전율의 변화를 분석하였다. 이를 바탕으로 강우침투를 고려한 포화깊이에 따른 얕은파괴에 대한 특성을 검토하였다. 사면의 경사각 30°에서 사면높이가 10m, 20m, 30m로 변할 때 안전율이 1이하인 지점은 포화깊이가 각각 0.
가설 설정
- 강우침투를 고려한 경우의 사면내 얕은파괴에 대한 특성을 알아보기 위해서 그림 4와 같이 지표에 강우가 지속되어 포화깊이가 강우강도 및 강우지속시간에 관계없이 일정하게 증가한다고 가정하였다.
- 포화깊이가 강우강도와 강우지속시간에 관계없이 지중으로 일정하게 증가한다고 가정하여 포화깊이에 따른 안전율을 분석하였다. 수평파괴거리는 1m로 고정시키고 포화깊이를 0~5m까지 변화시키면서 사면경사와 사면높이에 대한 안전율의 변화를 분석하였다.
제안 방법
- 강우시 높이가 큰 사면의 얕은파괴 특징을 알아보기 위해 사면경사와 높이를 변화시키면서 안정해석을 실시하였다. 4.2장에서 강우침투를 고려한 경우 얕은파괴가 수평거리 2m 내외에서와 포화깊이가 1m 내외에서 변곡점이 나타나므로 포화깊이는 1m로 적용하여 수평파괴거리가 1m일 때와 2m일 때로 구분하여 해석을 실시하였다.
- 강우시 높이가 큰 사면의 얕은파괴 특징을 알아보기 위해 사면경사와 높이를 변화시키면서 안정해석을 실시하였다. 4.
- 강우침투시 강도정수(C, Ø)에 따른 안전율의 변화특성을 살펴보고자 다음의 조건으로 안정해석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 포화깊이에 따른 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정성검토를 실시하여 얕은파괴에 지대한 영향을 주는 포화깊이를 결정하였다. 결정된 포화깊이에 따라 지역(서울, 대전, 부산, 광주, 목포, 여수)별 강우분포특성을 고려하여 한계강우강도와 지속시간을 얻고, 이를 바탕으로 한계투수계수를 산정하였다. 산정된 한계투수계수의 특성을 기존연구결과와 비교·분석하여 화강풍화토로 구성된 절토사면에 대해서 침투깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 필요함을 확인하였다.
- 그림 4와 같이 수평파괴거리(x)를 1~5m까지 증가시키면서 해석을 실시하여 안전율을 산정하고, 이를 바탕으로 강우침투시 얕은파괴에 대한 특성을 검토하였다. 전체적인 안전율의 분포형태는 2가지 경향을 보이는 것으로 나타났다.
- 국내 대표지역으로 서울, 대전, 부산을 비롯하여 광주, 목포, 여수지역을 선정하고 허준행(1999) 등이 제안한 확률강우강도 (5)식을 적용하였다. 또한, 강우재현기간을 2년, 10년, 25년, 50년에 대해 해석을 실시하고 각 포화깊이를 포화시키기 위한 최소강우지속시간과 그 시점의 강우강도인 한계강우강도를 산정하여 그림 2와 표 2에 나타내었다. 강우재현기간이 길수록, 포화깊이가 낮을수록 한계강우도가 커지는 것을 알 수 있다.
- 산정된 한계투수계수의 특성을 기존연구결과와 비교·분석하여 화강풍화토로 구성된 절토사면에 대해서 침투깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 필요함을 확인하였다. 또한, 강우침투시 사면수평 파괴범위, 사면경사, 사면높이, 강도정수, 포화깊이 등을 변화시키면서 안정해석을 실시하고 절토사면의 얕은파괴에 대한 안전율의 변화관계를 분석하여 화강풍화토로 구성된 국내 절토사면의 강우침투를 고려한 얕은파괴의 특성을 규명하였다.
- 20m를 적용하였다. 또한, 국내에 분포하는 화강풍화토의 일반적인 함수특성곡선을 고려하여 얻어진 체적함수비 변화와 모관흡인력의 값을 각각 40%와 80 cm를 적용하였다[6]. 국내 대표지역으로 서울, 대전, 부산을 비롯하여 광주, 목포, 여수지역을 선정하고 허준행(1999) 등이 제안한 확률강우강도 (5)식을 적용하였다.
- 본 연구에서 (3)식에 의한 최소강우강도를 적용할 때 적용된 포화깊이는 4.4의 해석결과를 바탕으로 사면높이에 따라 안전율이 1.0이하로 떨어지는 1.00m, 0.75m, 0.40m, 0.20m를 적용하였다. 또한, 국내에 분포하는 화강풍화토의 일반적인 함수특성곡선을 고려하여 얻어진 체적함수비 변화와 모관흡인력의 값을 각각 40%와 80 cm를 적용하였다[6].
- 본 연구에서는 국내의 절토사면에 일반적으로 분포하고 있는 화강풍화토의 물리·역학적 특성결과를 바탕으로 대표적 성질을 나타내는 화강풍화토(SM)의 강도정수 및 제반 값을 결정하여 해석에 적용하였다.
- 수평파괴거리 1m, 사면높이 20m, 포화깊이 1m의 조건에서 사면경사각(30°, 40°, 50°)별로 강도정수를 각각 변화시키면서 안정해석을 실시하여 사면안전율의 변화를 분석하였다.
- 포화깊이가 강우강도와 강우지속시간에 관계없이 지중으로 일정하게 증가한다고 가정하여 포화깊이에 따른 안전율을 분석하였다. 수평파괴거리는 1m로 고정시키고 포화깊이를 0~5m까지 변화시키면서 사면경사와 사면높이에 대한 안전율의 변화를 분석하였다. 이를 바탕으로 강우침투를 고려한 포화깊이에 따른 얕은파괴에 대한 특성을 검토하였다.
- 절토사면에서 얕은파괴의 특성을 규명하고자 우리나라의 강우특성에 따른 한계투수계수를 산정하고 화강풍 화토로 구성된 균질한 절토사면에서 가상 파괴면까지의 수평거리, 사면의 경사각, 사면높이 그리고 강우로 인한 포화깊이 등에 따른 해석을 수행하고 그 결과를 비교·분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이론/모형
- 또한, 국내에 분포하는 화강풍화토의 일반적인 함수특성곡선을 고려하여 얻어진 체적함수비 변화와 모관흡인력의 값을 각각 40%와 80 cm를 적용하였다[6]. 국내 대표지역으로 서울, 대전, 부산을 비롯하여 광주, 목포, 여수지역을 선정하고 허준행(1999) 등이 제안한 확률강우강도 (5)식을 적용하였다. 또한, 강우재현기간을 2년, 10년, 25년, 50년에 대해 해석을 실시하고 각 포화깊이를 포화시키기 위한 최소강우지속시간과 그 시점의 강우강도인 한계강우강도를 산정하여 그림 2와 표 2에 나타내었다.
- 또한 절편간의 힘을 Morgenstern-Price법이나 GLE법으로 정의할 경우에는 Sine함수, 불완전 Sin함수, 사다리꼴 또는 유한요소해석 결과의 형태로 절편간 힘을 정의할 수 있다[8]. 본 연구에서는 이들 해석방법 중에서 Fellenius/Ordinary법, Bishop의 간편법, Janbu의 해석방법을 이용하여 사면안정해석을 실시하였다.
- 적절한 설계를 위해서는 현장의 사면안정을 정확히 해석할 수 있는 Computer Program과 토층의 시험자료가 요구된다. 본 연구에서는 절토사면의 안정해석을 위한 한계평형해석은 SLOPE/W를 사용하였다. 다양한 이론으로 토사․암반으로 구성된 자연사면, 절토사면, 성토사면 등의 안전율을 계산하는데 적용할 수 있으며 SEEP/W 해석결과를 활용하여 한계평형해석을 할 수 있는 편리성이 있다.
- 본 연구에서는 허준행(1999) 등이 GEV 확률분포모형으로 산정한 확률강우강도 (5)식을 활용하여, 국내 주요 지역(서울, 대전, 부산)과 광주·전남지역(광주, 목포, 여수)을 대상지역으로 선정하고 강우빈도 2년, 10년, 25년, 50년에 대해 각 지역의 한계강우강도를 추정하는데 활용하였다[5].
- 다양한 이론으로 토사․암반으로 구성된 자연사면, 절토사면, 성토사면 등의 안전율을 계산하는데 적용할 수 있으며 SEEP/W 해석결과를 활용하여 한계평형해석을 할 수 있는 편리성이 있다. 이 프로그램으로 해석할 수 있는 해석방법으로는 Fellenius/Ordinary, Bishop의 간편법, Janbu의 간편법, Spencer, Morgenstern-Price, Crops of Engineeers, Lowe-Karafiath, GLE(General Limit Equilibrium) 등이 있다. 또한 절편간의 힘을 Morgenstern-Price법이나 GLE법으로 정의할 경우에는 Sine함수, 불완전 Sin함수, 사다리꼴 또는 유한요소해석 결과의 형태로 절편간 힘을 정의할 수 있다[8].
성능/효과
- 넷째, 강우침투로 인한 포화깊이 변화에 따른 해석을 실시한 결과 포화깊이 1m 내외에서 안전율이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 따라서 강우침투를 고려한 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정해석시 포화깊이가 1m 내외에서의 안정검토를 중요하게 고려해야 할 것으로 여겨진다.
- 다섯째, 강도정수 변화에 따른 얕은파괴의 해석결과 동일한 사면경사각에서 점착력과 내부마찰각 변화에 따른 안전율의 증가는 선형적인 관계를 보였으며, 경사각이 커질수록 내부마찰각의 증가에 따른 안전율의 증가율이 작아지고 점착력의 증가에 따른 안전율의 증가율은 커지는 것으로 나타났다.
- 또한 한계강우강도가 커질수록 지반을 포화시킬 수 있는 강우지속시간은 짧아진다. 동일조건에서 한계강우강도의 평균한 크기를 비교해 보면 서울지역이 가장 큰 한계강우강도를 보였으며 다음으로 부산, 대전, 여수, 광주, 목포지역 순으로 나타났다. 특히, 강우재현기간 2년인 경우 한계강우강도는 대전지역이 가장 큰 한계강우강도를 보였으며 다음으로 광주, 목포, 여수, 서울지역 순으로 나타났으며 부산지역이 가장 작은 한계강우강도를 보였다.
- 두 번째로 수평파괴거리 2m 내외까지 안전율이 미세하게 감소하거나 일정하게 나타나다가 안전율이 증가하는 경우로 사면경사각이 대체로 40° 이상에서 나타났다.
- 둘째, 국내의 지역별 강우특성을 고려한 최대 한계투수계수가 7.16×10-4cm/sec의 값으로 나타났으며 이에 대응하는 한계강우강도는 25.8mm/hr, 최소 강우지속시간은 7.2시간으로 나타났다.
- 16×10-4cm/sec 이하의 값을 갖는 화강풍화토로 구성된 절토사면에서는 포화깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 필요할 것으로 여겨진다. 또한, 최대 한계투수계수에 대응하는 한계강우강도는 25.8mm/hr, 최소 강우지속시간은 7.2시간으로 나타났다. 그러므로 최대 한계투수계수 이하의 값을 갖는 화강풍화토로 구성된 절토사면에서 한계강우강도 이하의 강우가 최소 강우지속시간보다 오랫동안 지속될 때에는 포화깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 중요하게 고려되어져야 할 것으로 여겨진다.
- 사면경사각이 30°에서 내부마찰각이 10° 증가함에 따라 안전율의 증가율이 평균 40.8%, 경사각이 40°에서 평균 35.7%, 경사각이 50°에서 평균 27.7% 정도의 증가를 보이고 있다.
- 사면높이가 5~10m 구간에서 사면의 높이에 따른 안전율의 변화량이 다른 구간의 안전율 변화량 보다 현저히 크게 나타났다. 수평파괴거리가 1m일 때 이 구간의 안전율은 평균 0.
- 셋째, 높이 10m 이상의 화강풍화토 절토사면에서 가상파괴면이 발생하는 수평거리를 변화시키면서 안정해석을 실시한 결과 강우침투를 고려한 경우 모두 수평파괴 범위 2m 내외에서 안전율이 증가 또는 일정하게 변화하는 변곡점이 나타났다. 따라서 화강풍화토 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정해석시 수평파괴범위 2m 내외에서 안정검토를 중요하게 고려해야 할 것으로 여겨진다.
- 이처럼 경사각이 증가함에 따라 안전율의 증가율이 커지고 있음을 알 수 있다. 위의 결과에서 강우침투를 고려한 안정해석에서는 내부마찰각의 증가보다 점착력의 증가에 따른 안전율의 증가율이 더 큼을 알 수 있었다.
- 첫 번째로 수평파괴거리 2m 내외까지 안전율이 증가한 후 곡선의 기울기가 감소하는 경우로 사면 경사각이 대체로 30° 이하에서 나타났다.
- 첫째, 우리나라의 지역별 강우특성을 고려한 한계투수 계수는 Pradel과 Radd의 적용대상지역보다 5.5～6.5배 정도 크게 산정되었으며 이는 화강풍화토로 구성된 절토사면의 일반적인 토질특성을 고려할 때 강우에 의한 침투수가 포화깊이에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다.
- 동일조건에서 한계강우강도의 평균한 크기를 비교해 보면 서울지역이 가장 큰 한계강우강도를 보였으며 다음으로 부산, 대전, 여수, 광주, 목포지역 순으로 나타났다. 특히, 강우재현기간 2년인 경우 한계강우강도는 대전지역이 가장 큰 한계강우강도를 보였으며 다음으로 광주, 목포, 여수, 서울지역 순으로 나타났으며 부산지역이 가장 작은 한계강우강도를 보였다. 이처럼 전체적인 경향과 차이를 보이는 것은 허준행(1999) 등이 강우측정 자료를 이용한 확률강우강도 식을 추정할 때 대전지역에 집중된 이상강우의 자료가 반영되었기 때문인 것으로 여겨진다.
- 20m에서는 강우재현기간 2년 외의 경우는 한계강우강도와 강우지속시간을 산정할 수 없어 한계투수계수를 얻지 못하였다. 한계투수계수는 6곳의 대상지역 중에서 서울지역이 최대로 나타났으며 다음으로 부산, 대전, 여수, 광주, 목포지역 순으로 나타났다.
후속연구
- 2시간으로 나타났다. 그러므로 최대 한계투수계수 이하의 값을 갖는 화강풍화토로 구성된 절토사면에서 한계강우강도 이하의 강우가 최소 강우지속시간보다 오랫동안 지속될 때에는 포화깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 중요하게 고려되어져야 할 것으로 여겨진다.
- 2시간으로 나타났다. 따라서, 최대 한계투수계수 이하의 값을 갖는 화강풍화토로 구성된 절토사면에서 한계강우강도 이하의 강우가 최소 강우지속시간보다 오랫동안 지속될 때에는 포화깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 중요하게 고려되어져야 할 것으로 여겨진다.
- 산정된 한계투수계수의 특성을 기존연구결과와 비교·분석하여 화강풍화토로 구성된 절토사면에 대해서 침투깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 필요함을 확인하였다.
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