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문제 정의
- 본 논문에서는 사면안정성에 대한 합리적인 연구를 위하여 실제 절토 및 성토 토사사면을 선정하여 이에 대한 영향인자의 민감도 분석을 실시하였다. 이를 통하여 건기 및 우기 조건에 따라 토사사면에 영향을 미치는 매개변수가 사면안정성에 미치는 영향을 비교하였다.
- 본 논문은 주요 매개변수들이 사면안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실제 설계 및 시공이 이루어진 절토사면 2개와 성토사면 2개를 선정하여 이에 대한 매개변수 민감도 분석을 실시하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 강도정수인 점착력과 내부마찰각, 그리고 단위중량이 사면에 미치는 영향에 대해 실제 설계·시공이 이루어진 절토 및 성토사면을 대상으로 분석을 수행하였다.
- 132 g를 적용하여 실제 설계 값을 그대로 적용하였다. 매개변수를 변화하면서 4개 사면에 대해 건기시 36회, 우기시 45회 총 324회의 사면안정성 해석을 수행하였다. 우기시에 대한 해석에서 지하수위는 절토사면은 지표면에 있는 것으로 하였으며 성토사면에서는 원지반이 포화된 것으로 해석하였다.
- 본장에서는 실제 절토와 성토사면 각각에 대해 점착력과 내부마찰각의 강도정수와 단위중량, 지하수위 그리고 수평지진계수 등의 매개변수가 사면의 안전율에 미치는 영향에 대한 민감도 분석을 종합적으로 실시하였다.
- 사면에 대한 지진시 안정성 검토를 위해 등가정적해석에서 사용되는 수평지진계수에 대한 실제 절토 및 성토사면에서의 안정성 검토를 실시하였다. 등가정적해석에서는 수평지진계수의 50%값이 설계지진하중으로 적용된다.
- 토사로 구성된 절토 및 성토사면에서 사면 안정성 영향인자들이 사면안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해 실제 설계 및 현장에 적용된 단면을 선정하였다. 선정된 단면은 절토사면 2개와 성토사면 2개로 총 4개의 해석단면에 대해 매개변수를 다양하게 변화시키면서 사면안정성 변화를 분석하였다.
- 이를 통하여 건기 및 우기 조건에 따라 토사사면에 영향을 미치는 매개변수가 사면안정성에 미치는 영향을 비교하였다. 영향인자로는 점착력과 내부마찰각의 강도정수, 단위중량과 더불어 지하수위 및 최근 지진시 안정성 해석의 요구에 의해 등가정적해석에서 적용되는 수평지진계수를 민감도 분석을 위한 매개변수로 선정하였다.
- 본 논문에서는 사면안정성에 대한 합리적인 연구를 위하여 실제 절토 및 성토 토사사면을 선정하여 이에 대한 영향인자의 민감도 분석을 실시하였다. 이를 통하여 건기 및 우기 조건에 따라 토사사면에 영향을 미치는 매개변수가 사면안정성에 미치는 영향을 비교하였다. 영향인자로는 점착력과 내부마찰각의 강도정수, 단위중량과 더불어 지하수위 및 최근 지진시 안정성 해석의 요구에 의해 등가정적해석에서 적용되는 수평지진계수를 민감도 분석을 위한 매개변수로 선정하였다.
- 토사로 구성된 절토 및 성토사면에서 사면 안정성 영향인자들이 사면안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해 실제 설계 및 현장에 적용된 단면을 선정하였다. 선정된 단면은 절토사면 2개와 성토사면 2개로 총 4개의 해석단면에 대해 매개변수를 다양하게 변화시키면서 사면안정성 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 절토사면은 강원도 삼척시에 위치한 도로 사면(이하 절토사면 1)과 경기도 이천시에 소재한 절토 사면(이하 절토사면 2)을 해석단면으로 선정하였다. 또한, 성토사면의 해석단면으로는 경기도 이천시 소재 사면(성토사면 1)과 경기도 시흥시에 인접한 도로 사면(성토사면 2)을 선정하였다.
- 절토사면은 강원도 삼척시에 위치한 도로 사면(이하 절토사면 1)과 경기도 이천시에 소재한 절토 사면(이하 절토사면 2)을 해석단면으로 선정하였다. 또한, 성토사면의 해석단면으로는 경기도 이천시 소재 사면(성토사면 1)과 경기도 시흥시에 인접한 도로 사면(성토사면 2)을 선정하였다.
이론/모형
- 사면안정해석은 캐나다의 GEO-SLOPE에서 개발된 SLOPE/W프로그램(2002)으로 해석하였으며, 연구에 사용된 안정해석 방법은 Bishop(1955)이 제안한 간편법이다.
성능/효과
- 1) 건기시 절토사면에서 점착력, 내부마찰각, 단위중량 등이 사면안정성에 미치는 영향은 우기조건보다 더 큼을 알 수 있고, 성토사면에서는 건기와 우기조건에서 모두 유사한 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한, 수평지진계수는 전체사면에서 건기와 우기조건에 관계없이 유사한 값의 범위로 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 2) 강도정수인 점착력과 내부마찰각은 단위중량, 지진계수와 비교하여 건·우기조건에 관계없이 사면안정성에 상대적으로 큰 영향을 미치는 영향인자로 나타났으며 단위중량과 지진계수는 사면형성조건 및 건·우기 조건에 따라 사면안정에 미치는 영향의 정도가 다르게 나타났다.
- 3) 단위중량과 지하수위에 대한 민감도 분석결과, 지하수위 변화는 성토사면보다 절토사면에서 안전율에 미치는 영향이 크게 나타났으며 이러한 결과는 원지반 사면의 지형조건과 관련된 것으로 판단된다.
- 4) 수평지진계수에 따른 사면안전율 변화의 민감도 변화는 절·성토조건, 건기 또는 우기 조건에 따라 큰 차이는 없으나 우기시, 수평지진계수 변화에 따라 건기시에 비하여 안전율이 크게 저하되므로 절·성토조건에서 우기시 적정의 지하수위 선정조건을 제시할 필요가 있음을 나타내었다.
- 그림 5의 건기시 해석결과에서 보는 바와 같이, 내부마찰각이 가장 급한 기울기로 안전율을 변화하고 있으며, 단위중량, 점착력, 수평지진계수의 순으로 안전율의 기울기를 보이고 있다. 각 영향인자의 변화를 일반적으로 고려할 수 있는 범위로 설정하였으므로 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 점착력으로 약 63.3~131.9% 안전율 변화범위를 나타내고 있으며, 내부마찰각은 71.4~126.0%, 단위중량은 86.7~ 122.8%, 수평지진계수는 86.5~117.8%의 범위로 나타났다.
- 그림 11에서 보는 바와 같이, 건기시에는 점착력과 내부마찰각의 변화에 따라 유사한 안전율 변화 거동을 보이고 있다. 단위중량은 비선형적인 기울기를 보이면서, 특히 단위중량의 감소에 따라 안전율이 급하게 증가하는 것으로 나타나고 있으며 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 점착력으로 약 55.8~144.6% 안전율 변화범위를 나타내고 있으며, 단위중량은 84.0~ 129.6%, 내부마찰각은 80.9~119.8%, 수평지진계수는 82.3~125.3%의 범위로 나타났다.
- 수평지진계수 및 단위중량 변화에 따른 영향이 그 이후의 순서를 나타났다. 따라서 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소와 그 범위는 내부마찰각 63.9~141.8% 안전율 변화범위를 나타내고 있으며, 점착력 76.1~116.2%, 수평지진계수 87.6~115.1%, 단위중량 97.0~100.2%의 범위로 나타났다.
- 1) 건기시 절토사면에서 점착력, 내부마찰각, 단위중량 등이 사면안정성에 미치는 영향은 우기조건보다 더 큼을 알 수 있고, 성토사면에서는 건기와 우기조건에서 모두 유사한 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한, 수평지진계수는 전체사면에서 건기와 우기조건에 관계없이 유사한 값의 범위로 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
- 그림 12는 우기시에 대한 해석결과로 건조시와 같이 점착력과 내부마찰각의 변화에 선형적인 변화로 유사한 변화특성을 보이고 있다. 또한, 지하수위는 수위면 상승시에 사면 안정성에 미치는 영향이 더 크게 나타나고 있으며 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 건기시와 같은 점착력으로 약 53.7~146.3% 안전율 변화범위를 나타내고 있으며, 다음은 수평지진계수로 82.0~125.4%, 내부마찰각 81.4~118.9%, 단위 중량은 84.8~ 118.9%, 지하수위가 84.7~103.9%로 나타났다.
- 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 점착력으로 점착력을 무시할 경우를 제외하고 58.0~146.2% 안전율 변화범위를 나타내고 있으며, 내부마찰각 77.0~125.5%, 수평지진계수 86.1~118.2%, 단위중량 91.1~118.6%의 안전율 변화의 순서로 나타났다.
- 수평지반계수는 건기시와 유사한 안전율 변화 특성을 갖는 반면에, 단위중량은 다른 영향인자나 건기시 조건에 비하여 상대적으로 작은 영향을 미치고 있다. 안전율에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 점착력을 무시할 경우를 제외하고는 지하수위가 17.8~131.6%의 안전율 범위로 가장 큰 범위를 보이고 있으며, 점착력 58.2~151.1%, 내부마찰각 79.1~125.0%, 수평지진계수 85.4~119.4%의 안전율 변화 순으로 나타났으며, 단위중량이 97.3~101.8%로 가장 작은 안전율 영향 인자로 나타났다.
- 그림 10은 우기시에 대한 해석결과로 내부마찰각의 변화가 가장 큰 안전율 변화 범위를 보이고 있다. 점착력, 수평지진계수, 단위중량의 순으로 안전율 변화의 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 건기시와 우기시 모두에서 점착력이 사면의 미치는 영향에 대한 순서는 사면형성조건이 절토 또는 성토 조건과는 상관없이 나타나는 것으로 볼 때, 점착력에 의한 사면안정성 영향은 지반의 구성토질 및 다른조건에 의해 영향이 큰 것으로 파악할 수 있다. 즉, 사면의 조건이나 우기 및 건기 조건보다는 구성토질이 사면안정성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 분석할 수 있다.
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