[논문]Vanapalli 등의 제안식을 적용한 화강풍화토 불포화사면의 안정성해석

백환조; 김경만; 김대훈

[국내논문] Vanapalli 등의 제안식을 적용한 화강풍화토 불포화사면의 안정성해석
Slope Stability Analysis of Unsaturated Slope composed of Weathered Granitic Soils using the Equation of Vanapalli et al. 원문보기

The numerical study was conducted using the equation of Vanapalli et al.(1996) related shear strength of unsaturated soils. Angle of shearing resistance(${\Phi}^b$) and angle of internal friction(${\Phi}^{\prime}$) appear identically in lower suction range, but angle of shearing resistance(${\Phi}^b$) has non-linearity as suction increases. Nevertheless, the numerical study was conducted using angle of shearing resistance(${\Phi}^b$) in even lower suction range because of limit of program function. However, behavior of real ground on applying numerical study can be analysed wrong by it. Therefore in this paper numerical analysis on applying the equation of Vanapalli et al.(1996) and ${\Phi}^b$ has been compared about unsaturated slope considering continuous rainfall.

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내의 대표적 풍화계열 지반인 화강풍화토를 대상으로 Vanapalli(1996)의 제안식 중 (4)식이 적용 가능한 SLOPE/W 2007 version을 이용하여 Vanapalli등(1996)의 제안식을 적용했을 때와 현재 논문연구에 주로 사용되는 φb 적용 방법을 적용했을 때를 비교하여 지속강우 침투사면의 안전율에 관한 수치해석을 실시하여 거동특성을 분석하고자 하였다.
또한 성상규 등(2003)은 Vanapalli등(1996)의 제안식이 순연직응력의 변화에 따라 변화하는 유효접촉면적의 변화를 추가적으로 고려할 수만 있다면 더 정확하게 불포화토의 전단강도를 예측할 수 있음을 언급하였다. 하지만 (4)식의 경우 국내 화강풍화토에 적용성에 관한 연구가 수행되지 않아 본 논문에서 부분적으로나마 그 적합성을 검토해 보고자 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 국내의 대표적 풍화계열 지반인 화강풍화토를 대상으로 Vanapalli등(1996)의 제안 식을 적용했을 때와 현재 논문연구에 주로 사용되는 φb 적용 방법을 적용했을 때를 비교하여 지속 강우 침투사면의 안전율에 관한 수치해석을 실시하여 거동특성을 분석하였다.
또한 앞에서 언급했듯이 국내 연구에서 일반적으로 이용하는 방법을 이용해 φb를 구하고 프로그램에 적용하여 수치해석을 실시하였다.
따라서 본 장에서는 국내 연구에서 주로 이용되는 신민호 등(2003)이 사용한 방법과 Vanapalli 등 (1996)의 제안식(4)을 직접 적용하는 방법을 이용해 GEO-SLOPE사의 SEEP/W 프로그램으로 2차원 침투해석을 실시하고 SLOPE/W 프로그램을 연동 해석하여 지속강우 침투사면의 안전율에 관한 수치해 석을 실시하여 그 결과를 비교하였다. 대상 시료의 물성은 Table 1.
수치해석을 실시하기위해 먼저 1:1.2의 경사를 갖고 전체 폭 40m, 높이가 20m인 단층 무한 토사사면을 형성하고(Fig. 12.) 침투 시 선행강우효과를 나타내는 초기흡수력은 10kPa, 지하수위는 사면 하단으로부터 1m 부분에 존재하는 것으로 설정하였다. 또한 해석 시간은 0.
) 침투 시 선행강우효과를 나타내는 초기흡수력은 10kPa, 지하수위는 사면 하단으로부터 1m 부분에 존재하는 것으로 설정하였다. 또한 해석 시간은 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10, 24, 36, 48, 72, 96시간의 12단계로 선택하였으며 강우강도는 30mm/hr로 적용하였다. 그리고 사면 안정성 해석에는 Bishop의 간편법을 사용하였다.

데이터처리

먼저 오진규(2007)가 구한 실험 데이터 중 식 (3)을 이용해 구한 C-C1, O-C1, O-C2, O-C3시료의 불포화 전단강도 곡선 및 성상규 등(2003)이 구한 실험 데이터 중 순연직응력 값을 고려하지 않은 시료의 불포화 전단강도 곡선을 이용하여 식 (4)를 이용한 방법과 비교 분석하였다.

이론/모형

5, 1, 2, 3, 5, 10, 24, 36, 48, 72, 96시간의 12단계로 선택하였으며 강우강도는 30mm/hr로 적용하였다. 그리고 사면 안정성 해석에는 Bishop의 간편법을 사용하였다.

성능/효과

분석 결과 C-C1 및 성상규 등(2003)의 불포화 전단강도 곡선과 본 연구에서 식 (4)를 이용하여 구한 불포화 전단강도 곡선이 거의 일치함을 확인할 수 있었고 O-C1, O-C2의 경우 모관흡수력 값이 250 kPa, O-C3는 모관흡수력 값이 350kPa을 넘어가면 서부터 식 (4)를 이용한 방법이 불포화 전단강도와 관련된 겉보기 점착력(apparent cohesion) 값이 10kPa이상 적게 나타나기 시작해 조금씩 벌어져 다소 차이는 있었지만 적합성이 높음을 확인 할 수 있었다(Fig. 8., Fig.9.).
SLOPE/W를 연동한 사면 안정성 해석 결과 강우가 침투한 10시간까지는 Vanapalli 등(1996)의 제안식(4)을 이용하여 해석한 안전율이 φb를 적용한 방법보다 0.22-0.25 더 큰 값을 갖는 것을 관찰할 수 있었고 24시간 이후부터는 두 가지 모두 지반내로 침투된 강우에 의해 겉보기 점착력이 점차 소실되며 안전율 차이가 0.1이하로 떨어짐을 관찰할 수 있었다.
넷째, 강우가 지반내로 침투한 이후부터는 Vanapalli등(1996)의 제안식을 이용한 방법과 φb를 적용한 두 가지 방법 모두 지반내로 침투된 강우에 의해 겉보기 점착력이 점차 소실되며 안전율 차이가 작아짐을 관찰할 수 있었고 Vanapalli등(1996)의 제안식을 적용한 방법이 작은 크기였지만 어느 정도 지반이 포화된 후에도 안전율이 높게 나타남을 관찰할 수 있었다.
셋째, 강우가 지반내로 침투하기 전까지는 Vanapalli등(1996)의 제안식을 이용하여 수치해석한 안전율이 φb를 적용한 방법과 비교했을 때 0.22-0.25의 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
SEEP/W를 이용한 침투 해석 결과 24시간 후 지반으로 강우가 침투하기 시작하고 36시간 이후에 지표면으로부터 포화대가 형성됨을 관찰할 수 있었으며 72시간 이후에는 지표로부터 침투된 강우가 지하수면과 만나는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 12.
첫째, Vanapalli등(1996)의 제안식 중 (3)식 뿐만 아니라 (4)식도 국내 화강풍화토에 적합성이 높음을 부분적으로 확인할 수 있었다.
둘째, 침투된 강우에 의해 지반 내에 포화대가 형성되면서 겉보기 점착력이 소실되며 사면의 안전율이 급속히 떨어짐을 확인할 수 있었다.
다섯째, 현재 불포화토 논문 연구에 사용되는 φ^b 적용 방법은 Vanapalli 등(1996)의 제안식을 적용했을 때보다 실제적 특성이 떨어지고 보수적인 안전율 값을 갖기 때문에 실제 사면의 거동을 수치 해석적으로 모사하기 위해서는 Vanapalli 등(1996)의 제안식을 사용하는 것이 합당할 것으로 판단된다.

후속연구

불포화 투수계수를 얻기 위한 방법으로는 실험을 통해 데이터를 얻는 직접적인 방법과 기존에 제안되어 있는 경험식을 이용하는 간접적인 방법이 이용되고 있다. 첫 째로 실험을 통해 데이터를 얻는 직접적인 방법은 1943년부터 Christensen에 의해 연구가 시작되었고[9] 현재 많은 발전을 이루었으나 결과를 얻기 위해 필요한 시간과 비용이 비효율적이고 실험 방법이 어려워 오차가 많이 발생하기 때문에 매번 실험을 수행하는 것은 한계가 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

불포화토의 종류에 따른 함수특성곡선의 예측방법은 무엇이 있는가?

불포화토의 종류에 따른 함수특성곡선의 예측방법은 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 건조 및 습윤 곡선을 얻는 함수특성시험을 통한 경험적 예측방정식을 이용하는 방법이 있으며, 두 번째는 흙입자의 구조, 입도분포와 습윤단위중량으로 함수 특성곡선을 예측하는 방법이 있다. 첫 번째 방법 중 Fredlund and Xing(1994)의 경험방정식은 연구를 통해 국내 화강풍화토에 대해 적합성이 가장 높음이 증명되어졌다[4][5].

기존에는 어떻게 강우 시 사면 안정성 분석을 수행됐는가?

기존의 강우 시 사면 안정성 분석은 지하수위를 기준으로, 아래로는 포화상태, 위로는 완전 불포화 상태로 가정한 후 주로 한계평형법을 이용하여 해석한다. 그러나 이러한 연구에서는 국내 토사사면 파괴의 주된 원인이 되는 영향인자들을 적절히 고려할 수 없을 뿐 아니라 침투로 인한 불포화사면 지반 거동의 변화를 보다 합리적으로 고려하기가 어렵다.

불포화토는 어떤 구조인가?

불포화토는 포화토와는 달리 흙입자(Soilparticle)와 간극을 이루는 물(Water), 공기(Air)의 삼상구조로 이루어져 있다(Fig. 1.

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