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가설 설정
- 시추공에서 촬영된 BIPS 영상에 근거하여 TCR = 100%경우를 가정하고 RQD 분석을 수행하였다. 시추공 CB-1경우에는 전체 시추구간에서의 RQD = 87.
- BIPS 영상해석에 근거하여 도출된 불연속면의 위치 및 방향성 자료와 절리면 전단실험을 수행하여 획득한 전단강도 계수를 이용하여 사면해석을 수행하였다. 절리면 관찰이 시추공 내부에서 수행되어서 연장성 측정이 매우 곤란하기 때문에 절리 영속성을 무한대로 가정하고 블록해석 및 횡단면 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 지중변위계는 상대적으로 지보량이 작은 20 m 소단 상부지역 2개소에 설치되었다. 20 m 소단 상부지역의 사면거동을 고찰하기 위하여 시추공 CB-2 내에 2 m 간격으로 지중경사계 센서를 설치하였다. 또한 사면암반에 형성되는 지하수위를 측정하여 사면거동해석에 활용하기 위하여 시추공 CB-1 및 CB-2최하단에 지하수위계를 설치하였다.
- 본 연구에서는 암반붕락이 유발된 상부지역에 해석영역을 설정하였다(그림 8). BIPS 영상해석에 근거하여 도출된 불연속면의 위치 및 방향성 자료와 절리면 전단실험을 수행하여 획득한 전단강도 계수를 이용하여 사면해석을 수행하였다. 절리면 관찰이 시추공 내부에서 수행되어서 연장성 측정이 매우 곤란하기 때문에 절리 영속성을 무한대로 가정하고 블록해석 및 횡단면 해석을 수행하였다.
- 사면 암반의 암석학적 및 구조적 특성을 분석하기 위하여 2개 지점에서 시추작업을 수행하였다(그림 1 참조). CB-1 지점에서는 20 m 소단 상부에서 표층 심도 25 m까지 시추작업을 수행하였으며, CB-2 지점에서는 개착면 상부지역 표고 55 m 지점에서 표층 심도 47 m까지 시추작업을 수행하였다.
- 개착과정에서 연쇄적으로 붕락된 사면의 파괴거동을 고찰하기 위하여 지반구조 조사결과에 의거한 사면해석을 수행하였으며, 계측작업을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 개착사면 지반에는 심한 풍화대가 심도별로 협재되어 있으며, 단층과 절리들이 연계되어 붕락이용이한 소규모 블록들을 형성시킬 수 있는 확률이 증폭되었다.
- 지중변위계 RE를 이용하여 측정된 지중변위 변화양상을 그림 23에 도시하였다. 개착면 내부 수평심도 20 m 지점을 고정점으로 가정하고 심도 8 m, 6 m, 4 m, 2 m 지점까지 설치된 측정봉을 이용하여 획득된 자료를 이용하여 변형률을 산정하였다. 계측일 140일 이전까지 수평심도 4 m 이상인 지점에서의 지중변위는 표면～4 m 심도구간에 비해 매우 미약하다.
- 개착사면 내부 암반의 심도별 수평적 거동양상을 측정하기 위하여 시추공 CB-2 내부에 2 m 간격으로 경사계 센서를 설치하였다(그림 20 참조). 각 지점에서의 지중경사계 센서는 개착면에 대하여 도로 방향(x-방향) 및 좌측 방향(y-방향)으로의 수평 변위량을 제공한다.
- 본 연구에서는 연쇄적인 붕락거동이 발생된 개착사면에서 절리 분포 및 지반구조 특성을 BIPS 영상해석 결과에 의거하여 결정론적으로 분석하고, 사면붕락 양상에 대한 지반역학적 속성을 횡단면 해석기법을 이용하여 고찰하였다. 개착사면 보강지 구역에 계측 시스템을 설치하고 자료해석을 수행하여 추가 거동양상을 분석하였다.
- 개착사면 암반의 구조적 특성을 분석하기 위하여 시추공 CB-1과 CB-2(그림 1 참조)에서 BIPS 영상을 촬영하여 불연속면의 방향성과 시추공 내에서의 위치를 산정하였다. 시추공 CB-1 경우 표층심도 2.
- 개착사면에서 붕괴가 발생된 중앙 구간에 계측기를 설치하고 자동화 계측시스템을 구축하였다(그림 16 참조). 계측기가 설치된 사면구간은 20 m 소단을 기준으로 하부에는 옹벽 + 앵커보강, 상부에는 록볼트 + 숏크리트 보강이 완료되어 있다.
- 20 m 소단 상부지역의 사면거동을 고찰하기 위하여 시추공 CB-2 내에 2 m 간격으로 지중경사계 센서를 설치하였다. 또한 사면암반에 형성되는 지하수위를 측정하여 사면거동해석에 활용하기 위하여 시추공 CB-1 및 CB-2최하단에 지하수위계를 설치하였다.
- , 2003) 또는 BIPS 영상해석기법(Raax, 1997)을 활용하여 사면 내부에서의 불연속면 분포와 지반구조를 정량적으로 분석하여 개착사면의 점진적인 슬라이딩 방향을 고찰하는 연구(조태진 외, 2004) 및 개착면에서의 표출성을 검토하고 개별 절리면의 잠재적 거동성을 고찰하여 계측 결과를 해석하는 연구(조태진 외, 2006)가 수행되어졌다. 본 연구에서는 연쇄적인 붕락거동이 발생된 개착사면에서 절리 분포 및 지반구조 특성을 BIPS 영상해석 결과에 의거하여 결정론적으로 분석하고, 사면붕락 양상에 대한 지반역학적 속성을 횡단면 해석기법을 이용하여 고찰하였다. 개착사면 보강지 구역에 계측 시스템을 설치하고 자료해석을 수행하여 추가 거동양상을 분석하였다.
- 블록파괴 양상이 집중되어 있는 해석사면 중앙부에 횡단면을 설정하고, 횡단면 상에 분포된 개착면 심도 5 m 정도의 쐐기블록에 대한 안정성을 분석하였다(그림15). 절리면 전단시험을 수행하여 측정된 사면체블록의 잔류전단강도 # = 32°를 적용시킬 경우 건조시기에도 안전율이 0.
- 사면 암반의 암석학적 및 구조적 특성을 분석하기 위하여 2개 지점에서 시추작업을 수행하였다(그림 1 참조). CB-1 지점에서는 20 m 소단 상부에서 표층 심도 25 m까지 시추작업을 수행하였으며, CB-2 지점에서는 개착면 상부지역 표고 55 m 지점에서 표층 심도 47 m까지 시추작업을 수행하였다.
- 시추공 CB-1 및 CB-2 구역에서의 불연속면 군집성을 추출하고 대표 방향성을 산정하였다. 시추공 CB-1에서 측정된 불연속면 방향성에 대해서 콘각 = 15°를 적용하여 군집 알고리즘(Mahtab and Yegulalp, 1982)을 이용한 해석을 수행한 결과 2개의 불연속면 군(이하‘절리군’으로 지칭)이 형성되었다(그림 4(a)).
- 시추공 CB-1 및 CB-2에서 추출한 코어시료를 이용하여 암석의 물리적 및 역학적 특성을 분석하고 결과를 표 1과 표 2에 수록하였다. 공극율의 경우 사암, 셰일, 역암에서는 퇴적암의 일반적인 범주 내인 2.
- 시추공 CB-1 및 CB-2에서 회수된 코어에서 4개 절리시료를 추출하여 전단강도 특성을 분석하고, 결과를 표 3에 수록하였다. 프로파일 게이지를 이용하여 측정된 절리면 거칠기(JRC)는 역암과 사암에서는 8～14, 셰일에서는 6～8 정도를 나타낸다.
- 시추공 CB-1에서 회수된 시추코어를 이용하여 사면암반의 지질구조 특성 분석을 수행하였다. 심도 1～24 m 구간에서는 역암, 사암 및 셰일층이 혼재되어 있으며, 심도 19 m 지점의 자색 셰일층 내에는 암맥이 형성되어 있다(그림 3(a)).
- 시추공 CB-2에서 회수된 절리 시험편을 이용하여 측정된 절리면 잔류전단강도 #= 32°에 의거하여 평사투영해석을 수행하였다.
- 국지적인 보강작업에도 불구하고 개착부 중앙지역에서 3 차례 붕락현상이 발생하였다. 영구적인 안정성 확보를 위해 중앙지역에 계단식 옹벽을 포함하여 록앵커 등을 설치하였으며, 추가적인 거동 예측을 위해 자동계측시스템이 설치되었다.
- 개착면 상부에 분포된 평면파괴 유발 절리들이 블록 거동의 활동면 역할을 수행하여 대규모 붕락 현상이 유발되었다. 이와 같은 붕락 양상은 개착면에 설정된 횡단면 해석을 수행하여 분석되었다. 보강이 완료된 사면은 도로면 좌측 방향으로의 거동이 발생되지만 계측일 500일 이후에 수렴되는 양상이어서 사면 안정성은 확보된 것으로 판단되었다.
- 평사투영도상의 불연속면 극점 분포를 이용하여 1% contour 면적(A1%)과 최대 집중도(Cmax)를 산정하고 불연속면의 defect pattern(Read et al., 2003)을 규명하였다. 시추공 CB-1 경우에는 A1% = 30%, Cmax = 7.
- 풍화 및 변질에 의한 2차 변질광물 및 점토광물의 형성과 종류를 파악하기 위하여 시추공 CB-2 3개 지점에서 시료를 채취하고 X-선 회절(X-Ray Diffraction, XRD)분석을 실시하였다. 시추공 CB-2의 21.
대상 데이터
- 0 m구간에서 총 140개 불연속면이 관찰되었다. 공내영상에 기록된 불연속면 자취선의 두께에 의거하여 판별된 개구성 불연속면은 38개이며, 폐쇄성 불연속면은 102개이다. 시추공 CB-2 경우 표층심도 2.
- 9)를 유지하고 있다. 본 연구에서는 암반붕락이 유발된 상부지역에 해석영역을 설정하였다(그림 8). BIPS 영상해석에 근거하여 도출된 불연속면의 위치 및 방향성 자료와 절리면 전단실험을 수행하여 획득한 전단강도 계수를 이용하여 사면해석을 수행하였다.
- 연구대상 사면(그림 1, 2 참조)은 연장 350 m, 높이 55 m인 대규모 개착사면이다. 기반암은 사암과 셰일 등의 퇴적암으로 구성되어 층리가 발달되어 있고, 국지적으로 관입된 화강암은 풍화대를 형성하고 있다.
- 일반적으로 사면거동에 가장 큰 영향을 끼치는 자연적 인자인 강우량을 측정하기 위하여 우량계를 20 m 소단에 설치하였다. 지중변위계는 상대적으로 지보량이 작은 20 m 소단 상부지역 2개소에 설치되었다. 20 m 소단 상부지역의 사면거동을 고찰하기 위하여 시추공 CB-2 내에 2 m 간격으로 지중경사계 센서를 설치하였다.
- 해석 대상 사면은 20 m 소단을 기준으로 하부지역과 상부지역으로 구분된다. 하부지역은 옹벽 + 락앵커가 설치되어 있으며, 경사는 54.
이론/모형
- Mohr-Coulomb 파괴이론에 근거한 절리면의 전단강도 계수인 점착력(cohesion)과 마찰각(friction angle)을 서보제어전단시험기를 활용하여 측정하였다. 4개 절리시료에서 공통적으로 점착력은 매우 미미하였다.
- (1985)을 위시한 수많은 학자들에 의해 연구되었으며, 절리면 내의 팽윤성 점토광물의 존재성과 사면 안정성에 대한 영향이 황 등(1999)에 의해 조사되었다. 개착사면 설계를 위한 예비적 안정성 해석기법으로는 반구투영법(Hoek and Bray, 1974)에 의거한 도시적 해석, RocPlane 또는 Talren 모델을 사용한 수치해석적 평면 및 원형파괴 해석, Swedge 모델 등을 사용하여 개착면에 형성 가능한 쐐기블록들에 대한 해석들이 사용되었다. 최근에는 개착사면에서의 현실적인 안정성 해석을 수행하기 위하여 DOM 시추기법(Yoon et al.
성능/효과
- GW2 지점에서는 센서 위치가 GW1 지점에 비해 13 m 하부에 위치하고 있어 전반적으로 13 m 정도 높은 지하수위를 형성하고 있다. 2개 지점의 고도 차이와 지하수위 계측치를 비교할 때 강우량이 매우 제한적인 기간 동안의 지하수위는 도로면 상부 7～8 m 구간에 형성되는 것으로 고찰되며, 강우량 증가에 의해 도로면 상부 25～30 m 고도까지 지하수위가 상승된다.
- Mohr-Coulomb 파괴이론에 근거한 절리면의 전단강도 계수인 점착력(cohesion)과 마찰각(friction angle)을 서보제어전단시험기를 활용하여 측정하였다. 4개 절리시료에서 공통적으로 점착력은 매우 미미하였다. 마찰각은 절리 암반의 풍화상태와 거칠기에 의한 영향이 복합적으로 반영되어 일정한 경향을 형성하지는 않으나, 시추공 CB-1에서는 23～27°, CB-2에서는 37.
- 절리군 대표 방향성은 상대적으로 낮은 경사각에 기인하여 평면파괴 영역 외부에 위치하나(그림 9), 극점들이 집중적으로 분포되는 지점이 파괴영역에 근접되어 있어 평면파괴가 유발될 잠재성이 높은 것으로 고찰된다. 개별 절리들의 극점 위치를 고려하면 총 8개 절리면이 평면파괴를 유발시킬 수 있으며, 전도파괴에 대한 잠재성을 지닌 절리면은 분포하지 않는 것으로 분석되었다. 시추공 상부에서 관찰된 평면파괴를 유발시킬 수 있는 절리면들은 개착면에 표출되어, 평면파괴를 유발시킬 수 있다(그림 10 참조).
- 30 m 심도구간에서는 석영, 고령토, 일라이트 및 몬모릴로나이트(montmorillonite)가 발견되었다. 결과적으로 팽윤성 점토광물이 분포하는 시추공 CB-2구역에서는 강우나 지하수 유동에 의해 사면 안정성이 상당 수준 저하되었을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 붕락 양상은 개착면에 설정된 횡단면 해석을 수행하여 분석되었다. 보강이 완료된 사면은 도로면 좌측 방향으로의 거동이 발생되지만 계측일 500일 이후에 수렴되는 양상이어서 사면 안정성은 확보된 것으로 판단되었다.
- 시추공 CB-1에서 측정된 불연속면 방향성에 대해서 콘각 = 15°를 적용하여 군집 알고리즘(Mahtab and Yegulalp, 1982)을 이용한 해석을 수행한 결과 2개의 불연속면 군(이하‘절리군’으로 지칭)이 형성되었다(그림 4
- 개착면 중앙부에는 연쇄적으로 슬랩블록이 형성되어 있으며, 좌측부와 중앙 상부지역에 독자적인 슬랩블록들이 분포한다(그림 13). 연쇄적으로 형성된 슬랩블록들은 동일 기저선을 공유하며, 전체적으로 안전율 0.7～1.5 사이에서 한계평형상태에 접근된 상태인 것으로 고찰되었다.
- 개착사면 지반에는 심한 풍화대가 심도별로 협재되어 있으며, 단층과 절리들이 연계되어 붕락이용이한 소규모 블록들을 형성시킬 수 있는 확률이 증폭되었다. 특히 개착 표면보다 내부 구역에서의 개구성 절리비율이 증가하고, 절리면 내에 팽윤성 점토광물이 협재되어 블록거동의 잠재성이 확대되었다. 개착면 상부에 분포된 평면파괴 유발 절리들이 블록 거동의 활동면 역할을 수행하여 대규모 붕락 현상이 유발되었다.
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