강우시 불포화 준설토로 형성된 제방의 사면안정성 변화에 대한 수치해석적 연구 Numerical Study on the Variation of Slope Stability for the Embankment Formed by Unsaturated Dredging Soils during Rainfall원문보기
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측하고 이를 토대로 사면안정해석을 수행하였다. 준설토로 구성된 제방의 불포화 지반정수를 산정하기 위하여 실험으로 구한 흡입응력과 직접전단시험으로 구한 점착력 및 내부마찰각을 이용하였다. 강우에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측한 결과 강우초기와 지속시간 1시간 경과 후 제방 상부에 강우의 침투로 인하여 습윤전선이 하강하며, 이후 강우 지속시간이 길어짐에 따라 지하수위는 지속적으로 상승하였다. 강우 발생이후 에는 지하수위가 일정한 깊이로 분포되고 있으며, 시간이 경과할수록 지하수위는 점차 하강하였다. 강우에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 고려하여 사면안정해석을 수행한 결과 강우로 인한 침투가 발생됨에 따라 사면안전율은 급격히 감소하며, 강우지속시간이 24시간일 때 사면안전율이 가장 낮게 나타났다. 강우 발생이후에는 지반내 모관흡수력이 회복됨에 따라 사면안전율이 증가함을 알 수 있다.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측하고 이를 토대로 사면안정해석을 수행하였다. 준설토로 구성된 제방의 불포화 지반정수를 산정하기 위하여 실험으로 구한 흡입응력과 직접전단시험으로 구한 점착력 및 내부마찰각을 이용하였다. 강우에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측한 결과 강우초기와 지속시간 1시간 경과 후 제방 상부에 강우의 침투로 인하여 습윤전선이 하강하며, 이후 강우 지속시간이 길어짐에 따라 지하수위는 지속적으로 상승하였다. 강우 발생이후 에는 지하수위가 일정한 깊이로 분포되고 있으며, 시간이 경과할수록 지하수위는 점차 하강하였다. 강우에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 고려하여 사면안정해석을 수행한 결과 강우로 인한 침투가 발생됨에 따라 사면안전율은 급격히 감소하며, 강우지속시간이 24시간일 때 사면안전율이 가장 낮게 나타났다. 강우 발생이후에는 지반내 모관흡수력이 회복됨에 따라 사면안전율이 증가함을 알 수 있다.
In this study, the variation of wetting front and ground water level at the embankment constructed in the Saemangeum area were predicted considering rainfall duration times and the slope stability analysis of the embankment was carried out according to prediction results of wetting front and ground ...
In this study, the variation of wetting front and ground water level at the embankment constructed in the Saemangeum area were predicted considering rainfall duration times and the slope stability analysis of the embankment was carried out according to prediction results of wetting front and ground water level. The embankment was formed by dredging soils. A suction stress, a cohesion and a frictional angle of dreding soils measured by soil tests were applied to estimate the unsaturated soil properties. According to the analysis results of the wetting front and the ground water level for various rainfall duration time, the wetting front began to descend from the upper part of embankment at the beginning time of rainfall and after 1 hour of rainfall duration time. After that, the ground water level continued to ascend as the rainfall duration time was getting longer. After rainfall, the ground water level was distributed at a certain depth, and the ground water level was gradually descending as time goes by. According to the slope stability analysis of the embankment considering the variation of the wetting front and the ground water level, the safety factor of slope was rapidly reduced as the rainfall began to infiltrate into the ground, and the minimum safety factor of slope was estimated after 24 hours of rainfall duration time. Meanwhile, the safety factor of slope was increased with regaining the matric suction in the ground after rainfall.
In this study, the variation of wetting front and ground water level at the embankment constructed in the Saemangeum area were predicted considering rainfall duration times and the slope stability analysis of the embankment was carried out according to prediction results of wetting front and ground water level. The embankment was formed by dredging soils. A suction stress, a cohesion and a frictional angle of dreding soils measured by soil tests were applied to estimate the unsaturated soil properties. According to the analysis results of the wetting front and the ground water level for various rainfall duration time, the wetting front began to descend from the upper part of embankment at the beginning time of rainfall and after 1 hour of rainfall duration time. After that, the ground water level continued to ascend as the rainfall duration time was getting longer. After rainfall, the ground water level was distributed at a certain depth, and the ground water level was gradually descending as time goes by. According to the slope stability analysis of the embankment considering the variation of the wetting front and the ground water level, the safety factor of slope was rapidly reduced as the rainfall began to infiltrate into the ground, and the minimum safety factor of slope was estimated after 24 hours of rainfall duration time. Meanwhile, the safety factor of slope was increased with regaining the matric suction in the ground after rainfall.
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문제 정의
본 연구에서는 Fredlund 등(1977)에 의해 제안된 식 (1)에서 모관흡수력의 영향을 나타내기 위한 부가적인 내부 마찰각(Φb)을 구하기 위하여 Lu 등(2006)와 Lu 등(2010)에 의해 제안된 흡입응력을 활용하고자 한다.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 단면을 대상으로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위를 산정하고 SLOPE/W를 이용하여 한계평형해석을 수행하고자 한다. 그림 6은 본 연구의 방수제 단면에 대한 수치해석 단면을 나타낸 것이다.
이와 같이 그림 4에서와 같이 실험을 통하여 산정한 흡입응력과 직접전단시험으로 구한 점착력 및 내부마찰각을 토대로 식 (2)를 이용하여 불포화 전단강도를 산정할 수 있다. 본 연구에서는 지표면으로부터 2m 깊이까지의 불포화 전단강도를 검토하고자 하였으며, 지표면에서 깊이가 증가할수록 부의 간극공기압이 증가함을 고려하여 모관흡수력과 전단강도의 상관관계 범위를 결정하였다.
제안 방법
(2) 대상지역 준설토에 대한 불포화 내부마찰각을 산정한결과 Φb는 17.9o로 나타났으며, 흙-함수특성곡선을 이용하여 산정한 흡입응력과 직접전단시험으로 구한 점착력 및 내부마찰각을 활용하였다.
그림 6은 본 연구의 방수제 단면에 대한 수치해석 단면을 나타낸 것이다. 각종 실험으로 통하여 구한 지반정수 및 van Genutchen 방법으로 구한 불포화관련 계수를 해석시 입력자료로 활용하였으며, 지하수위는 현장에서 계측한 결과를 토대로 설정하였다.
이와 같이 선정된 불포화 지반정수를 토대로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 새만금지역 방수제 단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 그리고 침투해석결과를 이용하여 강우시 포화깊이의 증가에 따른 사면안정성을 한계평형해석 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 해석하였고 해석결과로부터 강우지속시간에 따른 새만금지역 방수제 사면의 안정성 변화를 분석하여 그 결과를 제시하고자 한다.
이를 위하여 전술한 바와 같이 재방재료인 준설토에 대한 불포화 지반정수를 산정하였으며, 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 퇴적층, 풍화암층 및 연암층의 지반정수는 대상구간에 대한 지반조사보고서에서 제시된 값을 적용하였다.
대상지역의 제방재료인 준설토의 불포화 특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song 등, 2012)를 활용하였다. 본 시험장치를 이용하여 준설토의 모관흡수력과 간극수량을 측정하였으며, 이를 토대로 흙-함수특성곡선을 산정하였다(송영석 등, 2011). 그림 3은 van Genuchten(1980)의 방법을 이용하여 흙-함수특성곡선을 예측한 결과이다.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 단면을 대상으로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 강우지속시간에 따른 침투깊이를 산정하고 SLOPE/W를 이용하여 한계평형 해석을 수행하였다. 이를 위하여 새만금지역의 방수재료를 대상으로 불포화지반의 고유 특성인 흙-함수특성곡선을 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하여 측정하였다.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측하고 이를 토대로 사면안정해석을 수행하였다. 준설토로 구성된 제방의 불포화 지반정수를 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하였다.
준설토로 구성된 제방의 불포화 지반정수를 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하였다. 사면안정 해석결과를 토대로 강우지속시간에 따른 새만금지역 방수제 제방사면의 안정성 변화를 분석하였으며, 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 강우지속시간에 따른 침투깊이를 산정하고 SLOPE/W를 이용하여 한계평형해석을 수행하고자 한다. 이를 위하여 전술한 바와 같이 재방재료인 준설토에 대한 불포화 지반정수를 산정하였으며, 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
연구대상지역에서 채취된 준설토를 대상으로 각종 토질시험(비중시험, 입도시험, 다짐시험, 직접전단시험, 흙-함수특성곡선측정시험 등)을 수행하였다. 토질시험결과 대상지역에서 채취된 준설토의 비중은 2.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 단면을 대상으로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 강우지속시간에 따른 침투깊이를 산정하고 SLOPE/W를 이용하여 한계평형 해석을 수행하였다. 이를 위하여 새만금지역의 방수재료를 대상으로 불포화지반의 고유 특성인 흙-함수특성곡선을 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하여 측정하였다. 특히, 불포화지반에 대한 흡입응력을 직접 구하여 불포화 강도정수를 선정하였다.
새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 강우지속시간에 따른 침투깊이를 산정하고 SLOPE/W를 이용하여 한계평형해석을 수행하고자 한다. 이를 위하여 전술한 바와 같이 재방재료인 준설토에 대한 불포화 지반정수를 산정하였으며, 표 2와 같이 나타낼 수 있다. 그리고 퇴적층, 풍화암층 및 연암층의 지반정수는 대상구간에 대한 지반조사보고서에서 제시된 값을 적용하였다.
특히, 불포화지반에 대한 흡입응력을 직접 구하여 불포화 강도정수를 선정하였다. 이와 같이 선정된 불포화 지반정수를 토대로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 새만금지역 방수제 단면에 대한 침투해석을 수행하였다. 그리고 침투해석결과를 이용하여 강우시 포화깊이의 증가에 따른 사면안정성을 한계평형해석 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 해석하였고 해석결과로부터 강우지속시간에 따른 새만금지역 방수제 사면의 안정성 변화를 분석하여 그 결과를 제시하고자 한다.
한편, Lu 등(2004, 2006)는 Terzaghi(1943) 및 Bishop(1959)의 유효응력 공식을 확장하여 불포화토의 응력상태를 표현할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 유효응력 산정공식은 입자상호간에 발생하는 물리화학적 응력, 표면장력에 의한 모관응력 및 흙의 구조에 따른 응력을 고려하고 있다. 이를 정리하면 식 (2)와 같은 불포화토의 전단 강도 공식을 유도할 수 있다.
본 연구에서는 새만금지역의 방수제 제방단면을 대상으로 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 예측하고 이를 토대로 사면안정해석을 수행하였다. 준설토로 구성된 제방의 불포화 지반정수를 산정하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하였다. 사면안정 해석결과를 토대로 강우지속시간에 따른 새만금지역 방수제 제방사면의 안정성 변화를 분석하였으며, 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
이를 위하여 새만금지역의 방수재료를 대상으로 불포화지반의 고유 특성인 흙-함수특성곡선을 자동 흙-함수특성곡선 측정장치를 이용하여 측정하였다. 특히, 불포화지반에 대한 흡입응력을 직접 구하여 불포화 강도정수를 선정하였다. 이와 같이 선정된 불포화 지반정수를 토대로 상용프로그램인 SEEP/W를 이용하여 새만금지역 방수제 단면에 대한 침투해석을 수행하였다.
표 3은 부안지역의 강우자료를 이용하여 확률 강우량으로 나타낸 것이다. 표에서 보는 바와 같이 2년에서부터 200년까지의 강우 재현기간을 고려하여 계산하였다. 일반적으로 장마나 태풍 등에 의한 대부분의 집중강우의 강우지속시간은 2일 이내이다.
09인 것으로 조사되었다. 한편, 채취된 준설토에 대한 직접전단실험을 수행하여 강도정수를 구하였다. 그림 2는 직접전단시험으로부터 구한 연직응력과 전단응력의 관계를 도시한 것이다.
그림 9는 강우지속시간에 따른 침투깊이와 지하수위를 고려하여 대상사면에 대한 사면안정해석을 수행한 결과이다. 해석 대상 제방에 대하여 강우강도를 고려하지 않은 초기 조건(건기 시)과 강우강도를 고려한 우기 시(지속시간 1시간, 12시간, 24시간)에 대한 사면안정 해석을 수행하였다. 그림에서 보는 바와 같이 강우지속시간이 증가함에 따라 제방의 사면안전율은 감소하는 것으로 나타났다.
대상 데이터
대상지역의 제방재료인 준설토의 불포화 특성을 조사하기 위하여 자동 흙-함수특성곡선 시험장치(Song 등, 2012)를 활용하였다. 본 시험장치를 이용하여 준설토의 모관흡수력과 간극수량을 측정하였으며, 이를 토대로 흙-함수특성곡선을 산정하였다(송영석 등, 2011).
새만금 방수제 동진 1공구의 방수제는 길이가 5400m, 폭이 24m로 시공예정이다. 대상지역의 지층구성은 지표면으로부터 사질토층이 약 30m두께로 존재하고 있으며, 사질토층 중간에 약 1-5m두께의 점토층이 혼재되어 있다. 그리고 사질토층 하부에는 풍화토층 혹은 풍화암층이 존재한다(박경호 등, 2011).
본 연구에서는 대상지역의 인근에 위치한 부안지역의 강우자료를 활용하였다. 표 3은 부안지역의 강우자료를 이용하여 확률 강우량으로 나타낸 것이다.
본 연구에서의 해석대상단면은 방수제 공사구간 가운데 Zone-C1구간으로서 상부로부터 사질토층, 풍화암층 및 연암층으로 구성되어 있으며, 상부 사질토층의 경우 최대 23.6m 두께로 존재하고 있다. 이와 같은 지반위에 새만금 준설토를 이용하여 높이 7.
연구대상지역은 새만금 방수제 동진 1공구 가운데 방수제 공사구간이다. 새만금 방수제 동진 1공구의 방수제는 길이가 5400m, 폭이 24m로 시공예정이다. 대상지역의 지층구성은 지표면으로부터 사질토층이 약 30m두께로 존재하고 있으며, 사질토층 중간에 약 1-5m두께의 점토층이 혼재되어 있다.
연구대상지역은 새만금 방수제 동진 1공구 가운데 방수제 공사구간이다. 새만금 방수제 동진 1공구의 방수제는 길이가 5400m, 폭이 24m로 시공예정이다.
데이터처리
그림 5는 지표면으로부터 2m 깊이를 고려하여 20kPa까지의 모관흡수력과 앞서 계산한 불포화 전단강도의 상관관계를 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모관흡수력과 불포화 전단강도는 비선형적인 관계를 나타내고 있으며 이를 직선화하여 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석결과를 토대로 본 직선의 기울기를 산정할 수 있으며, 이는 식 (1)에서의 Φb가 된다.
이론/모형
강우강도와 지속기간의 상관식으로는 보통 Japanese형, Talbot형, Sherman형의 세 가지 제안식이 주로 사용된다. 본 침투해석에서는 식 (3)에서 나타낸 Sherman형 제안식을 사용하였다.
성능/효과
(1) 대상지역 준설토에 대한 강도정수를 산정한 결과 점착력은 2kPa, 내부마찰각은 33.5°이다.
(3) 부안지역의 강우자료와 Sherman형 제안식을 이용하여 강우재현기간에 따른 강우강도를 산정할 수 있다. 재현기간을 100년으로 가정할 경우 대상지역의 확률 강우량은 12.
(4) 강우초기와 지속시간 1시간 경과 후 제방 상부에 강우의 침투로 인하여 습윤전선이 하강하며, 이후 강우 지속 시간이 길어짐에 따라 지하수위는 지속적으로 상승한다. 강우 발생이후 지하수위가 일정한 깊이로 분포되고 있으며, 시간이 경과할수록 지하수위는 점차 하강한다.
(5) 강우에 따른 침투깊이와 지하수위 변화를 고려하여 사면안정해석을 수행한 결과 강우로 인한 침투가 발생됨에 따라 사면안전율은 급격히 감소하며, 강우지속시간이 24시간일 때 사면안전율이 가장 낮게 나타났다. 강우발생이후에는 지반내 모관흡수력이 회복됨에 따라 사면안전율이 증가함을 알 수 있다.
그림에서 보는 바와 같이 제방의 좌측사면은 강우가 종료된 이후 시간이 경과하여도 사면안전율은 변화가 없는 것으로 나타났다. 그러나 제방의 우측사면은 시간이 경과함에 따라 사면안전율이 미소하게 증가하는 것으로 나타났다. 한편 활동면이 지하수위 저면에서 발생하는 이유는 지하수위 상부의 불포화토층에서 모관흡수력의 작용에 의해 지반의 전단강도가 증가하였기 때문이라고 판단된다.
그림에서 보는 바와 같이 건기 시에 사면안전율이 가장 높으며, 강우로 인하여 침투가 발생됨에 따라 사면안전율은 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 강우지속시간이 24시간일 때 사면 안전율이 가장 낮게 나타났으나, 강우가 발생이후 사면안전율은 회복하는 것으로 나타났다. 이는 강우 발생이후 지 반내 모관흡수력이 회복됨에 따라 사면안전율이 증가한 것으로 판단된다.
그리고 모관흡수력에 따른 흡입응력은 건조 및 습윤과정에서 다른 경향을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 건조과정의 경우 모관흡수력이 60kPa일 때 까지 흡입응력은 증가하다가 이후 미소하게 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 습윤과정의 경우 모관흡수력이 증가함에 따라 흡입응력은 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
연구대상지역에서 채취된 준설토를 대상으로 각종 토질시험(비중시험, 입도시험, 다짐시험, 직접전단시험, 흙-함수특성곡선측정시험 등)을 수행하였다. 토질시험결과 대상지역에서 채취된 준설토의 비중은 2.69, 유효입경은 0.01mm, 곡률계수는 1.15, 균등계수는 8.09인 것으로 조사되었다. 한편, 채취된 준설토에 대한 직접전단실험을 수행하여 강도정수를 구하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
침투를 고려한 사면안정해석에 관한 국내외의 연구로 무엇이 있었는가?
침투를 고려한 사면안정해석에 관한 연구는 국내외에서 많이 진행되고 있다. 이를 살펴보면 강우로 인하여 지표면으로부터 침윤선의 하강깊이와 분포를 가정하여 한계 평형해석을 수행하는 방법(홍원표 등, 1996; 송영석 등, 2011), 불포화 지반의 일차원 침투이론(Lumb, 1975; Pradel 등, 1993)으로 침투해석을 수행하고 이를 토대로 한계평형해석을 수행하거나(김재홍 등, 2002), 유한요소해석을 수행하는 방법(Ng 등, 1998; Griffiths 등, 2005; 조성은 등, 2000; 김종렬 등, 2005), 상용프로그램인 SEEP/W로 부터 침투깊이를 산정하여 한계평형해석을 수행하는 방법(이강일 등, 2006; 한태곤 등, 2007) 등이 있다.
지반에 강우가 침투하게 되면 어떠한 영향을 주는가?
강우가 침투하게 되면 지반내 모관흡수력이 감소하게 되고 이로 인하여 전단강도가 감소하게 되어 파괴가 발생하게 된다(Ng 등, 1998; 조성은 등, 2000; 김재홍 등, 2002). Fredlund 등(1995)는 집중강우가 발생되더라도 지하수위의 높이는 대부분 수미터의 범위에서만 상승하므로 깊은 곳에 위치하고 있는 지하수위의 상승은 얕은 사면파괴에 큰 영향을 미치지 못한다고 보고한 바 있다.
강우로 인한 사면파괴는 무엇에 의해 발생한다고 알려져있었는가?
우리나라의 경우 대부분의 사면파괴는 우기에 집중적으로 발생되므로 강우가 사면붕괴의 주된 요인임을 알 수 있다. 일반적으로 강우로 인한 사면파괴는 지하수위 상승으로 인하여 사면지반내의 간극수압이 증가함으로서 발생되는 것으로 알려져 왔다. 그러나 실제로는 지하수위 상승에 의한 사면파괴보다는 강우의 침투로 인하여 습윤전선이 임계깊이까지 하강함에 따른 얕은 사면파괴가 주를 이루고 있다.
Bishop, A. W. (1959), "The principle of effective stress", Teknisk Ukeblad I Samarbeide Med Teknikk, Vol.106, No.39, pp.859-863.
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