화강암류 암석은 일반적으로 절리 발달이 미약하고 단층파쇄대가 잘 발달하지 않는 등 공학적으로 양질의 암석에 해당된다. 그러나 산학지구 붕괴 비탈면을 구성하는 지반은 화강암류로 구성되었음에도 불구하고, 깊은 토사층을 가지며, 불연속면이나 단층 등의 지질구조는 거의 관찰되지 않고, 표층붕괴가 발생한 형태에 해당된다. 본 비탈면의 안정성 고찰을 위해 3가지 경우(현재 단면, 최초 설계 단면, 수정 설계 단면)에 대한 강우지속시간과 간극수압 변화, 안전율 등에 관한 해석을 수행하였다. 강우 지속시간이 길어질수록 지하수위는 높이 20 m까지 상승하는 것으로 나타났으며, 최초 설계단계 단면의 2일 지속강우 기간에는 안전율이 확보되는 것으로 확인되지만, 4일 강우지속기간 동안에는 허용안전율을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 수정 설계 단면에서는 4일 강우지속기간에도 안전율이 확보되므로 산학 지구는 1:1.8 경사도로 절취하는 것이 영구적인 안정성을 확보하는 방안이라고 판단된다.
화강암류 암석은 일반적으로 절리 발달이 미약하고 단층파쇄대가 잘 발달하지 않는 등 공학적으로 양질의 암석에 해당된다. 그러나 산학지구 붕괴 비탈면을 구성하는 지반은 화강암류로 구성되었음에도 불구하고, 깊은 토사층을 가지며, 불연속면이나 단층 등의 지질구조는 거의 관찰되지 않고, 표층붕괴가 발생한 형태에 해당된다. 본 비탈면의 안정성 고찰을 위해 3가지 경우(현재 단면, 최초 설계 단면, 수정 설계 단면)에 대한 강우지속시간과 간극수압 변화, 안전율 등에 관한 해석을 수행하였다. 강우 지속시간이 길어질수록 지하수위는 높이 20 m까지 상승하는 것으로 나타났으며, 최초 설계단계 단면의 2일 지속강우 기간에는 안전율이 확보되는 것으로 확인되지만, 4일 강우지속기간 동안에는 허용안전율을 만족하지 못하는 것으로 확인되었다. 수정 설계 단면에서는 4일 강우지속기간에도 안전율이 확보되므로 산학 지구는 1:1.8 경사도로 절취하는 것이 영구적인 안정성을 확보하는 방안이라고 판단된다.
Granitoid rocks are generally high-quality rock from a geotechnical perspective, because they rarely contain systematic joints or fragmented fault zones. Although the rock type at the Sanhak site is granite, a collapsed slope has a deep soil layer and shows no residual structures such as discontinui...
Granitoid rocks are generally high-quality rock from a geotechnical perspective, because they rarely contain systematic joints or fragmented fault zones. Although the rock type at the Sanhak site is granite, a collapsed slope has a deep soil layer and shows no residual structures such as discontinuities or faults; surface avalanches from this slope can be observed in several places. To study the stability of this slope, we investigated rainfall duration, variation in pore-water pressure, and the factor of safety considering three cases (current cross-section, initial planning cross-section, revised planning cross-section). With increasing duration of rainfall, the groundwater level rises, up to 20 m in height from ground surface. In the initial planning cross-section, safety was secure for rainfall of 2 days duration, but inadequate for rainfall of 4 days duration. In the revised planning cross-section, however, safety factors were secure for rainfall of 4 days duration. Therefore, to ensure permanent stability at the Sanhak site, a slope degree of 1:1.8 should be maintained during cutting.
Granitoid rocks are generally high-quality rock from a geotechnical perspective, because they rarely contain systematic joints or fragmented fault zones. Although the rock type at the Sanhak site is granite, a collapsed slope has a deep soil layer and shows no residual structures such as discontinuities or faults; surface avalanches from this slope can be observed in several places. To study the stability of this slope, we investigated rainfall duration, variation in pore-water pressure, and the factor of safety considering three cases (current cross-section, initial planning cross-section, revised planning cross-section). With increasing duration of rainfall, the groundwater level rises, up to 20 m in height from ground surface. In the initial planning cross-section, safety was secure for rainfall of 2 days duration, but inadequate for rainfall of 4 days duration. In the revised planning cross-section, however, safety factors were secure for rainfall of 4 days duration. Therefore, to ensure permanent stability at the Sanhak site, a slope degree of 1:1.8 should be maintained during cutting.
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문제 정의
현 조사 단면 A와 당초 계획된 단면 B는 강우지속에 따른 간극수압 분포형태는 크게 달라지지 않지만, A단면의 경우 2일간 지속시 기준에는 안전율을 만족하지 못하고, B단면의 경우는 강우지속 4일 경과시 비탈면 설계기준에 부합되지 않으므로, 장기적인 안정화 관점에서 적절치 못한 상황이라고 할 수 있다. 따라서 Fig. 15와 같이 비탈면 경사각을 더 완화시킴으로서 강우지속시간 2일과 4일에서도 모두 안정화될 수 있는 경우를 찾고자 하였다. 반복적인 시뮬레이션을 통하여 변경 계획된 C단면(1:1.
따라서 이에 대하여 정확한 물길을 찾는 것은 현실적으로 어려운 상황이라고 할 수 있다. 본 논문에서는 정밀조사, 현황도 작성, 붕괴 발생 특성을 고려한 전면적인 재검토를 수행함으로서 최적의 안정화된 비탈면을 설계하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 최초 계획된 산학 지구의 단면은 높이 5 m 마다 소단을 설치하고, 노출될 지반의 강도를 고려하여 2소단 하단부는 1:0.
본 연구에서는 산학 지구에 대한 현장정밀조사를 통하여 나타난 구간별 지반공학적, 지질학적, 수리학적 특성을 통하여 비탈면 안정성 관점에서 그 의미를 살펴보고자 한다. 또한 SEEP/W를 활용하여 강우 지속시간에 따른 비탈면 침투 거동을 살펴 보았고, 이를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 안전율을 산출하였다.
또한 SEEP/W를 활용하여 강우 지속시간에 따른 비탈면 침투 거동을 살펴 보았고, 이를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 안전율을 산출하였다. 상기 정밀조사 및 안정성 해석을 통하여 산학 지구의 안정화 방안을 위한 대책공법 결정 과정에 대하여 소개하고자 한다.
제안 방법
83×10−6m/s 를 적용하였다. SEEP/W를 사용하여 시간경과시 강우가 침투되어 지하수위가 형성되는 양상을 확인하였으며, 이 결과를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 각각의 경우에 대한 안전율을 산출하였다.
강우강도는 본 지역의 강우기록자료 중, 가장 많은 강우량을 기록한 속초기상청 자료로부터 취득하여, 최대강우량을 1.0×10−5m/s로 적용하였다.
이 결과는 건기시에 수행한 시추조사로서 이 결과를 적용하였을 때, 우기시의 비탈면 안전율을 검토하는 것은 현실적이지 못한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 강우침투를 고려한 해석 접근을 하였고, 조사 당시의 노출단면, 최초 계획 단면, 수정된 계획단면 세 가지 경우에 대하여 SEEP/W와 SLOPE/W를 이용하여 안정성을 해석하였다. 각각의 경우에 대하여 2일간 지속강우, 4일간 지속강우시에 대한 침투해석 결과, 4일간 강우 지속시에는 지표면에서는 임시적인 지하수위선이 형성되고, 하부 쪽에는 축적되어진 강수로 법면부를 따라 거의 높이 20 m까지 지하수위가 상승된 상태를 보여준다.
본 연구에서는 산학 지구에 대한 현장정밀조사를 통하여 나타난 구간별 지반공학적, 지질학적, 수리학적 특성을 통하여 비탈면 안정성 관점에서 그 의미를 살펴보고자 한다. 또한 SEEP/W를 활용하여 강우 지속시간에 따른 비탈면 침투 거동을 살펴 보았고, 이를 바탕으로 SLOPE/W를 이용하여 안전율을 산출하였다. 상기 정밀조사 및 안정성 해석을 통하여 산학 지구의 안정화 방안을 위한 대책공법 결정 과정에 대하여 소개하고자 한다.
②의 경우는 현실적인 상황에 근접할 수 있는 고려 방법이지만, 습윤대에서는 동일한 간극수압비를 어느 정도 수준으로 적용할 것인지에 대하여는 경험적인 인자에 의존할 수 밖에 없다. 본 연구에서는 강우강도에 의한 지반에서의 침투거동을 먼저 해석하고 이를 통해 얻어진 간극수압을 적용한 침투해석으로 비탈면에 대한 안정해석을 실시하였다. 침투해석을 통한 비탈면안정해석은 건설공사 비탈면 설계기준(MLTM, 2011)의 기준인 F.
본 연구에서는 유한요소 프로그램인 SEEP/W의 침투해석결과를 이용하여 SLOPE/W를 활용한 비탈면 안정해석을 수행하였다. 비탈면 안정해석시, 강수의 영향을 고려하는 방법에는 ① 수위면을 비탈면 지표면까지 적용시켜 그 수두만큼의 정수압이 작용하는 것으로 보는 방법이 있고, 다른 방법으로는 ② 지반의 포화 습윤대의 두께를 산정하고 간극 수압비를 적용시켜 안정해석을 실시하는 방법이 있다.
비탈면 안정 검토시 사용한 지반의 물성치는 공내 재하시험, 경험식, 역해석 등을 고려하여 단위중량은 1.9 t/m3, 내부마찰각 30°, 점착력 2.0 t/m2을 적용하였다.
앞서 언급했듯이, 원래 절취 계획 단면은 2일간의 강우지속시간을 기준으로 B단면 형태로 계획하였다. 하지만 Fig.
10과 같이 설정하였다. 조사 당시의 단면(A단면), 최초 안정화 계획에 따른 단면(B단면)에 대한 안정성 검토를 수행하였고, 최종적으로 수정된 안정화 계획의 단면(C 단면)에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 토층에서 강우에 의한 침투해석을 고려하기 위하여 강우강도 조건은 flux(m/sec)로 설정하였다.
13은 최초 안정화 계획단계에서 비탈면을 안정화시키는 방안으로 B단면은 5 m 마다 소단을 적용하고, 총 5개의 소단을 적용하는 것으로 계획되었다. 최초 설계 내용에 따르면 2소단 하단부는 1:0.7 경사도, 2소단 상단부 지반은 1:1.2~1:1.5 경사도로 절취하는 방안으로 안정화를 시도하고자 하였다. B단면에 대하여 앞선 해석과 동일방식으로 안정성 검토를 수행한 결과 시간이 경과함에 따라 지표면 근처에서의 임시적인 지하수위가 형성되며, 법면부를 따라 높이 20 m 지점까지 지하수위가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
대상 데이터
92~150 m 구간은 산학지구 상단부에 추가적으로 적용하여야 할 추가 토공을 위하여 공사차량의 진입로로 활용되고 있었다. 공사 차량 진입로는 호우기시 상단부로부터 유입되는 유수의 이동 통로에 해당되었으며, 상부로부터의 유수의 영향으로 깊이 1~2 m의 깊은 골이 파여 있었다. 골은 0.
본 연구대상 비탈면은 행정구역상 고성군 현내면 산학리에 위치하므로, 기술의 편의상 “산학 지구”라고 명명하였다.
산학 지구는 총연장 150 m이며, 3개의 소단이 조성되어 있다(Figs. 4~5). 산학 지구의 최대 높이는 32 m이며, 첫 번째 소단은 높이 15 m 지점에 위치하고, 소단 폭은 5.
연구 지역은 강원도 북동부 고성군 간성읍 상리와 고성군 현내면 대진리를 잇는 국도 7호선 왕복 4차선 도로공사구간에 해당되며, 본 도로는 휴전선을 경유하여 북한의 금강산으로 향하는 주요 간선도로에 해당된다. 본 연구대상 비탈면은 행정구역상 고성군 현내면 산학리에 위치하므로, 기술의 편의상 “산학 지구”라고 명명하였다.
이론/모형
동일지반에 대한 X-선 회절 분석 결과에 의하면(Jeoung et al, 2011), 본 비탈면을 구성하는 지반은 카올리나이트를 10~20%를 함유하는 것으로 확인되었으므로, 이에 대한 불포화토 투수계수는 Kim(2010)의 제안값인 5.83×10−6m/s 를 적용하였다.
침투해석을 통한 비탈면안정해석은 건설공사 비탈면 설계기준(MLTM, 2011)의 기준인 F.S ≥ 1.3를 적용하여 검토하였다.
성능/효과
5 경사도로 절취하는 방안으로 안정화를 시도하고자 하였다. B단면에 대하여 앞선 해석과 동일방식으로 안정성 검토를 수행한 결과 시간이 경과함에 따라 지표면 근처에서의 임시적인 지하수위가 형성되며, 법면부를 따라 높이 20 m 지점까지 지하수위가 상승하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 강우침투를 고려한 해석 접근을 하였고, 조사 당시의 노출단면, 최초 계획 단면, 수정된 계획단면 세 가지 경우에 대하여 SEEP/W와 SLOPE/W를 이용하여 안정성을 해석하였다. 각각의 경우에 대하여 2일간 지속강우, 4일간 지속강우시에 대한 침투해석 결과, 4일간 강우 지속시에는 지표면에서는 임시적인 지하수위선이 형성되고, 하부 쪽에는 축적되어진 강수로 법면부를 따라 거의 높이 20 m까지 지하수위가 상승된 상태를 보여준다. 이 결과를 바탕으로 산출한 안전율에서는 수정 계획 단면에서만이 허용안전율 기준을 만족하는 것으로 확인된다.
공사 차량 진입로는 호우기시 상단부로부터 유입되는 유수의 이동 통로에 해당되었으며, 상부로부터의 유수의 영향으로 깊이 1~2 m의 깊은 골이 파여 있었다. 골은 0.5~0.7 m 간격으로 깊이 파여 있는 상태로, 공사 차량 진입로로서 원활한 사용이 쉽지 않을 것으로 판단되었다(Fig. 9).
두 번째 붕괴 구간은 48~65 m 구간으로서, 붕괴의 형태는 “중간 깊이 활동”으로 분류가능하고 “비탈면내형 활동파괴” 및 “원호형 활동파괴”에 해당된다. 두 번째 붕괴부의 상단부는 잔존 지반 내 다수의 우류침식구조 및 물길 발달로 인하여 추가 이탈될 가능성이 매우 큰 상태였다. 특히 우측부(58 m 지점) 물길 내에는 직경 약 1 m 크기의 원형 핵석이 발견된다.
(2011)의 공학적 연구에 의하면, 국내외 다른 지역의 화강풍화토와는 달리 노상토지지력비시험(CBR, California Bearing Ratio)의 결과값이 10 이상을 만족하지 못하여 현지토를 직접사용하는 것은 도로토공재료로서 적합하지 못함을 제시한 바 있다. 또한 X선 회절분석 결과에 의하면 점토광물의 함량이 대부분 20%를 상회하고 있어 쉽게 비탈면 불안정성을 유발할 수 있고, 토사가 쉽게 유실되는 지반으로 언급하였다.
15와 같이 비탈면 경사각을 더 완화시킴으로서 강우지속시간 2일과 4일에서도 모두 안정화될 수 있는 경우를 찾고자 하였다. 반복적인 시뮬레이션을 통하여 변경 계획된 C단면(1:1.8 경사도, 높이 7 m 마다 소단 조성)에 침투해석에 의한 수압의 분포는 단면 A, B같이 2일 경과시까지는 특별히 지하수위의 변화가 없다가, 강우지속시간 4일 경과시 지하수위가 법면부를 따라 상승하는 것을 확인할 수 있다.
4 m에 위치하는 것으로 확인한 바 있다. 이 결과는 건기시에 수행한 시추조사로서 이 결과를 적용하였을 때, 우기시의 비탈면 안전율을 검토하는 것은 현실적이지 못한 것으로 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 강우침투를 고려한 해석 접근을 하였고, 조사 당시의 노출단면, 최초 계획 단면, 수정된 계획단면 세 가지 경우에 대하여 SEEP/W와 SLOPE/W를 이용하여 안정성을 해석하였다.
각각의 경우에 대하여 2일간 지속강우, 4일간 지속강우시에 대한 침투해석 결과, 4일간 강우 지속시에는 지표면에서는 임시적인 지하수위선이 형성되고, 하부 쪽에는 축적되어진 강수로 법면부를 따라 거의 높이 20 m까지 지하수위가 상승된 상태를 보여준다. 이 결과를 바탕으로 산출한 안전율에서는 수정 계획 단면에서만이 허용안전율 기준을 만족하는 것으로 확인된다.
본 논문에서는 정밀조사, 현황도 작성, 붕괴 발생 특성을 고려한 전면적인 재검토를 수행함으로서 최적의 안정화된 비탈면을 설계하는 것을 목적으로 연구를 진행하였다. 최초 계획된 산학 지구의 단면은 높이 5 m 마다 소단을 설치하고, 노출될 지반의 강도를 고려하여 2소단 하단부는 1:0.7로, 2소단 상단부지반은 1:1.2~1:1.5 경사도로 절취하는 것으로 계획되었으나, 굴착 결과 대부분 토사로 구성됨에 따라 상기 경사도에 따른 절취는 비탈면 유지관리 측면에서 적절치 못하다고 판단하여 현장조사 결과와 안정성 해석 등을 바탕으로 1:1.8의 경사도로 절취하는 계획을 새롭게 수립하게 되었다.
산학 지구는 당초 계획에 따라 굴착을 진행하던 중, 최초 예상하였던 양질의 암선이 발견되지 않고 굴착 최하단부까지 토사가 그대로 노출된 형태에 해당된다. 토사 지반 내 강한 암반강도의 대형 핵석이 발견되기도 하지만, 이는 어떤 구간에 집중되어서 나타나는 것이 아니라, 기질지지(matrix-supported)형태로 산출되므로 산학 지구는 토사비탈면과 같은 거동이 우세하다는 것이 확인되었다. 산학 지구의 붕괴 형태는 표층붕괴이며, 경사면을 따라 침투하는 지표수와 소단부로 침투하는 유수에 의한 영향을 뚜렷이 받는 형태였다.
조사 당시의 단면(A단면), 최초 안정화 계획에 따른 단면(B단면), 수정된 안정화 계획의 단면(C단면)의 비탈면 검토결과를 Table 1로 종합적으로 나타내었다. 해석결과를 종합해 보면, 강우지속기간을 2일로 설계시에는 최초 계획하였던 B단면에서도 안정성을 확보할 수 있는 것으로 확인되나, 강우지속시간을 늘일 경우 불안정한 결과를 발생시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.
후속연구
이렇듯 토사비탈면에서 침투해석을 실시하지 않고, 강우시 임의의 지하수위를 반영하는 것은 설계자의 의도에 따라 과대 설계 또는 과소 설계가 되는 등 여러 가지 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 강우시 지하수위에 대한 침투해석을 연동함으로서 안정해석방법과 입력변수에 대한 불확실성을 줄일 수 있을 것이며, 강우지속시간 등을 고려한 지속적인 연구 결과의 축적을 통해, 비탈면 안정화방안을 선택함에 있어 최적의 경제성을 갖춘 공법 선정이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화강암류 암석은 무엇인가?
화강암류 암석은 일반적으로 절리 발달이 미약하고 단층파쇄대가 잘 발달하지 않는 등 공학적으로 양질의 암석에 해당된다. 그러나 산학지구 붕괴 비탈면을 구성하는 지반은 화강암류로 구성되었음에도 불구하고, 깊은 토사층을 가지며, 불연속면이나 단층 등의 지질구조는 거의 관찰되지 않고, 표층붕괴가 발생한 형태에 해당된다.
화강암류 암석의 장점은?
, 1998), 산학 지구는 주로 각섬석-흑운모 화강섬록암으로 이루어져 있다. 일반적으로 화강암류 암석은 좋은 품질을 가지는 암석, 풍화에 강한 암석, 절리 발달이 미약하고, 대규모 단층파쇄대가 잘 발달하지 않는 암석 등으로 알려져 왔으며, 비탈면 안정성 확보가 용이하고 터널을 굴착하거나 교량을 건설함에 있어서도 매우 유리한 암반으로 평가받아 왔다. 그러나 산학 지구를 구성하는 화강암류는 오랜 기간 동안 물리적, 화학적, 해양성 풍화에 노출되어 상당한 두께의 토층심도를 가지고 있어 일반적으로 화강암류 비탈면에서 나타나는 층상절리(sheeting joint) 발달에 의한 평면파괴, 화강풍화토의 표층유실 형태의 붕괴가 아니라, 심도 1 m 이상의 표층붕괴가 발생하였으며, 이러한 현상은 화강암류 비탈면에서는 잘 발견되지 않는 특이한 사례라고 할 수 있다.
SEEP/W의 침투해석결과를 활용하여 비탈면 안정해석시 강수의 영향을 고려하는 방법은?
본 연구에서는 유한요소 프로그램인 SEEP/W의 침투해석결과를 이용하여 SLOPE/W를 활용한 비탈면 안정해석을 수행하였다. 비탈면 안정해석시, 강수의 영향을 고려하는 방법에는 ① 수위면을 비탈면 지표면까지 적용시켜 그 수두만큼의 정수압이 작용하는 것으로 보는 방법이 있고, 다른 방법으로는 ② 지반의 포화 습윤대의 두께를 산정하고 간극 수압비를 적용시켜 안정해석을 실시하는 방법이 있다. ①의 경우, 현실적으로 지하수위가 지표면근처까지 위치해 있거나 또는 아주 오랜 기간 강우 지속시 가능한 접근이기 때문에 일반적인 경우에서 거의 발생되지 않는 상황이라고 할 수 있다.
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