본 연구는 기존에 제안된 무한사면 안정해석식을 바탕으로 불포화토 내에 강우침투 시 지표로부터 시간에 따른 토층의 포화깊이비를 새로운 변수로 삽입하여 무한사면 안정해석 수정식을 제안하고자 하였다. 이를 위해 기존에 고려하지 못했던 시간에 따른 포화깊이비와 지표하 흐름 깊이의 개념을 새로이 도입하였으며, 유사동력학적 습윤지수 이론에서 도출되는 해석대상 지역의 유효상부기여면적, 지표하흐름 깊이, 포화깊이비를 계산하고, 이를 토대로 시간에 따른 포화깊이비를 반영한 무한사면 안정해석을 수행하도록 하였다. 이를 통해 실질적인 시간에 따른 강우의 변화양상과 사면 안전율 변화를 계산할 수 있게 되었다. 한편, 본 연구에서는 Park et al. (2011 a)가 실시한 불포화토 칼럼시험을 통한 강우침투 속도분석 결과를 바탕으로 본 연구에서 제안한 식을 이용하여 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 이 해석을 통해 편마암 풍화토의 토층 내 강우 침투속도를 고려하여 포화깊이비가 변화함에 따른 안전율의 변화를 파악할 수 있었다. 해석결과에 의하면, 연속강우의 경우 안전율이 1.3 이하로 감소하는 시간이 강우강도 20 mm/h 조건에서 2.86 ~ 5.38시간이고, 강우강도 50 mm/h 조건에서는 1.34 ~ 2.92시간으로 나타났다. 반복강우의 경우, 안전율이 1.3 이하가 되는 시간은 강우조건별로 3.27 ~ 5.61시간으로 나타났다. 따라서, 토층 내 강우침투속도 차이에 따른 포화깊이비 변화를 고려한 무한사면의 안전율 변화 파악이 가능하였다.
본 연구는 기존에 제안된 무한사면 안정해석식을 바탕으로 불포화토 내에 강우침투 시 지표로부터 시간에 따른 토층의 포화깊이비를 새로운 변수로 삽입하여 무한사면 안정해석 수정식을 제안하고자 하였다. 이를 위해 기존에 고려하지 못했던 시간에 따른 포화깊이비와 지표하 흐름 깊이의 개념을 새로이 도입하였으며, 유사동력학적 습윤지수 이론에서 도출되는 해석대상 지역의 유효상부기여면적, 지표하흐름 깊이, 포화깊이비를 계산하고, 이를 토대로 시간에 따른 포화깊이비를 반영한 무한사면 안정해석을 수행하도록 하였다. 이를 통해 실질적인 시간에 따른 강우의 변화양상과 사면 안전율 변화를 계산할 수 있게 되었다. 한편, 본 연구에서는 Park et al. (2011 a)가 실시한 불포화토 칼럼시험을 통한 강우침투 속도분석 결과를 바탕으로 본 연구에서 제안한 식을 이용하여 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 이 해석을 통해 편마암 풍화토의 토층 내 강우 침투속도를 고려하여 포화깊이비가 변화함에 따른 안전율의 변화를 파악할 수 있었다. 해석결과에 의하면, 연속강우의 경우 안전율이 1.3 이하로 감소하는 시간이 강우강도 20 mm/h 조건에서 2.86 ~ 5.38시간이고, 강우강도 50 mm/h 조건에서는 1.34 ~ 2.92시간으로 나타났다. 반복강우의 경우, 안전율이 1.3 이하가 되는 시간은 강우조건별로 3.27 ~ 5.61시간으로 나타났다. 따라서, 토층 내 강우침투속도 차이에 따른 포화깊이비 변화를 고려한 무한사면의 안전율 변화 파악이 가능하였다.
This study proposes a modified equation to calculate the factor of safety for an infinite slope considering the saturation depth ratio as a new variable calculated from rainfall infiltration into unsaturated soil. For the proposed equation, this study introduces the concepts of the saturation depth ...
This study proposes a modified equation to calculate the factor of safety for an infinite slope considering the saturation depth ratio as a new variable calculated from rainfall infiltration into unsaturated soil. For the proposed equation, this study introduces the concepts of the saturation depth ratio and subsurface flow depth. Analysis of the factor of safety for an infinite slope is conducted by the sequential calculation of the effective upslope contributing area, subsurface flow depth, and the saturation depth ratio based on quasi-dynamic wetness index theory. The calculation process makes it possible to understand changes in the factor of safety and the infiltration behavior of individual rainfall events. This study analyzes stability changes in an infinite slope, considering the saturation depth ratio of soil, based on the proposed equation and the results of soil column tests performed by Park et al. (2011 a). The analysis results show that changes in the factor of safety are dependent on the saturation depth ratio, which reflects the rainfall infiltration into unsaturated weathered gneiss soil. Under continuous rainfall with intensities of 20 and 50 mm/h, the time taken for the factor of safety to decrease to less than 1.3 was 2.86-5.38 hours and 1.34-2.92 hours, respectively; in the case of repeated rainfall events, the time taken was between 3.27 and 5.61 hours. The results demonstrate that it is possible to understand changes in the factor of safety for an infinite slope dependent on the saturation depth ratio.
This study proposes a modified equation to calculate the factor of safety for an infinite slope considering the saturation depth ratio as a new variable calculated from rainfall infiltration into unsaturated soil. For the proposed equation, this study introduces the concepts of the saturation depth ratio and subsurface flow depth. Analysis of the factor of safety for an infinite slope is conducted by the sequential calculation of the effective upslope contributing area, subsurface flow depth, and the saturation depth ratio based on quasi-dynamic wetness index theory. The calculation process makes it possible to understand changes in the factor of safety and the infiltration behavior of individual rainfall events. This study analyzes stability changes in an infinite slope, considering the saturation depth ratio of soil, based on the proposed equation and the results of soil column tests performed by Park et al. (2011 a). The analysis results show that changes in the factor of safety are dependent on the saturation depth ratio, which reflects the rainfall infiltration into unsaturated weathered gneiss soil. Under continuous rainfall with intensities of 20 and 50 mm/h, the time taken for the factor of safety to decrease to less than 1.3 was 2.86-5.38 hours and 1.34-2.92 hours, respectively; in the case of repeated rainfall events, the time taken was between 3.27 and 5.61 hours. The results demonstrate that it is possible to understand changes in the factor of safety for an infinite slope dependent on the saturation depth ratio.
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문제 정의
, 1999). 그러나, 본 연구에서는 강우량과 강우지속시간에 따른 토층의 포화깊이비를 반영한 무한사면 안정해석 수 정식을 제안함으로써 실질적인 강우의 시간에 따른 변화양상과 사면 불안정성을 연계할 수 있게 되었다. 특히, 우리나라와 같이 토층의 심도가 얕은 조건에서는 집중강우시 지표로부터 강우침투와 토층의 포화가 빠른 시간에 발생하게 되며, 이를 통해 강우강도 및 강우지속시간에 따라 급격한 사면 붕괴가 발생하는 조건에서는 불포화 토층내 시간별 강우의 영향을 중요하게 고려한 사면안정해석이 이루어져야 한다.
본 연구는 기존에 제안된 무한사면 안정해석식을 바탕으로 불포화토 내에 강우침투 시 지표로부터 시간에 따른 토층의 포화깊이비를 새로이 고려한 무한사면 안 정해석 수정식을 제안하였다. 이를 위해 기존에 고려하지 못했던 시간에 따른 포화깊이비와 지표하 흐름 깊이의 개념을 새로이 도입하였다.
본 연구에서는 강우량과 강우지속시간에 따른 급경사지의 안정성 변화를 해석하기 위하여 유사동력학적 습윤지수 이론에서 도출되는 포화깊이비를 적용하여 새로운 형태의 무한사면 안정해석 수정식을 제안하였다. 유사동력학적 습윤지수를 이용해 포화깊이비를 산정하기 위해서는 우선적으로 대상 격자에 영향을 미치는 상부기여면적의 분석이 선행되어야 하며, 이를 위해 대상 지역의 지반정수와 강우강도 및 배수시간을 고려해야 한다.
특히, 무한사면으로 분류되는 자연사면을 대상으로 한 안정성해석 방법들은 강우가 매우 중요한 인자임을 인지하고 있지만, 실질적으로 안정성 해석의 인자로 반영하고 있지 못하고 있다. 최근과 같은 강우패턴의 갑작스런 변화조건에서는 시간에 따른 강우의 영향을 사면 안정성 해석에 반드시 반영하여야 하므로, 본 연구에서는 강우량과 강우지속시간에 따른 토층의 포화깊이비를 반영한 새로운 개념의 무한사면 안정해석 수정식을 제안하였다. 기존의 무한사면 안정해석식에서는 시간에 따른 강우의 영향을 직접적으로 반영할 수 없었으며, 일부 연구에서는 강우에 따른 습윤지수를 고려하는 시도를 하였다(Beven and Kirkby, 1979; Burt and Butcher, 1985; Pack et al.
가설 설정
본 연구에서는 지표하 흐름 깊이를 산정하기 위해 평균 강우침투속도를 이용하여 사면 안전율을 계산하였다. 먼저 강우침투속도시험 결과를 활용하여 연속강우 시 풍화토별 단위중량 변화에 따른 사면의 안전율 변화 양상을 알아보기 위해서, 임의의 사면을 가정하여 분석을 수행하였다. 해석을 위하여 설정한 사면은 사면경사 35o ,토층두께 100 cm의 기하학적 특성과 점착력 0.
먼저 강우침투속도시험 결과를 활용하여 연속강우 시 풍화토별 단위중량 변화에 따른 사면의 안전율 변화 양상을 알아보기 위해서, 임의의 사면을 가정하여 분석을 수행하였다. 해석을 위하여 설정한 사면은 사면경사 35o ,토층두께 100 cm의 기하학적 특성과 점착력 0.5 kg/cm2 ,내부마찰각 25o의 역학적 특성을 보이는 사면으로 가정 하였다.
제안 방법
, 2002). 기존 무한사면 안정해석식을 수정하여 본 연구에서 제시한 무한사면 안정해석식은 크게 흙의 단위중량이 아닌 전체밀도에 대한 물의 밀도비와 토층의 깊이에 대한 강우 침투시 침윤선의 깊이 변화를 이용하였다. 특히 이를 통해 사면의 표층에서부터 실제 토층의 깊이에 대한 강우 침투수의 포화깊이비를 적용하여 기존의 무한사면 안정해석식에서 고려하지 못한 강우지속 시간에 따른 강우침투와 그에 의한 사면 안전율 변화를 산정하였다.
또한 강우의 침투를 고려하지 않고 지하수위 상승의 영향에 주안점을 두고 전단면에 작용하는 수압 (u)을 사용해 왔지만 본 연구에서는 지표면을 대상으로 강우 침투와 강우지속시간을 고려한 토층 내에서 침윤 선의 깊이(Dwf)를 중요 변수로 설정하였다. 따라서, 강우 조건에 따른 토층사면 내에서의 침투양상인 침윤선 변화를 고려함으로써 강우량 및 강우지속시간 등의 강우 특성을 적용해 실질적인 사면안정성 평가가 가능한 수정된 무한사면 안정해석식을 다음과 같이 제안하였다.
이는 실질적으로 강우의 침투특성을 보여주는 것으로 무한사면에서 천층 파괴 내지 표층 파괴 등과 같은 산사태 발생원인을 파악하는데 중요한 부분이다. 또한 강우의 침투를 고려하지 않고 지하수위 상승의 영향에 주안점을 두고 전단면에 작용하는 수압 (u)을 사용해 왔지만 본 연구에서는 지표면을 대상으로 강우 침투와 강우지속시간을 고려한 토층 내에서 침윤 선의 깊이(Dwf)를 중요 변수로 설정하였다. 따라서, 강우 조건에 따른 토층사면 내에서의 침투양상인 침윤선 변화를 고려함으로써 강우량 및 강우지속시간 등의 강우 특성을 적용해 실질적인 사면안정성 평가가 가능한 수정된 무한사면 안정해석식을 다음과 같이 제안하였다.
본 시험에서는 강우강도, 연속강우와 반복강우, 불포화토의 단위중량 조건을 각각 변화 시켰으며, 이에 따른 강우침투속도를 산정하였다(Tables 1 & 2). 먼저 연속강우는 강우강도 20 mm/h와 50 mm/h의 두 가지 조건으로 시험을 수행하였으며, 그 이유는 소방방재청의 산사태 주의보 및 경보기준에 근거하여 강우조건을 설정하였다. 강우지속시간은 두 가지의 강우강도 모두 총 강우량이 200 mm가 되도록 설정하였다.
본 시험에서는 강우강도, 연속강우와 반복강우, 불포화토의 단위중량 조건을 각각 변화 시켰으며, 이에 따른 강우침투속도를 산정하였다(Tables 1 & 2).
특히, 우리나라와 같이 토층의 심도가 얕은 조건에서는 집중강우시 지표로부터 강우침투와 토층의 포화가 빠른 시간에 발생하게 되며, 이를 통해 강우강도 및 강우지속시간에 따라 급격한 사면 붕괴가 발생하는 조건에서는 불포화 토층내 시간별 강우의 영향을 중요하게 고려한 사면안정해석이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 제안된 무한사면 안정해석식을 이용하여 Park et al. (2011 a) 가 산정한 편마암 풍화토 내 강우침투속도 결과를 바탕으로 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 이 해석을 통해 토층 내 강우 침투속도를 고려하여 포화깊이비가 변화함에 따른 무한사면의 안전율 변화를 파악하였다.
이를 위해 기존에 고려하지 못했던 시간에 따른 포화깊이비와 지표하 흐름 깊이의 개념을 새로이 도입하였다. 본 연구에서는 제안한 식을 이용한 사면안전율 변화를 산정하기 위하여 편마암 풍화토 칼럼시험을 통해 획득한 강우침투속도를 바탕으로 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 해석 결과 편마암 풍화토의 연속강우의 경우 안전 율이 1.
본 연구에서는 지표하 흐름 깊이를 산정하기 위해 평균 강우침투속도를 이용하여 사면 안전율을 계산하였다. 먼저 강우침투속도시험 결과를 활용하여 연속강우 시 풍화토별 단위중량 변화에 따른 사면의 안전율 변화 양상을 알아보기 위해서, 임의의 사면을 가정하여 분석을 수행하였다.
이는 우리나라 집중호우 시 일 평균 강우량이 210 mm이고, 특히 국내 자연사면 산사태가 연속강우 200 mm 이상일 경우 급격히 산사태가 증가하는 경향에 근거하였다(KIGAM, 2000). 불포화토의 칼럼 내 단위중량은 편마암 시료를 채취한 강원도 인제군 덕산리 지역의 현장단위중량을 기준으로 칼럼 내에서 시료성형이 가능한 최소 건조단위 중량과 최대 건조단위중량 조건으로 설정하였다. 이러한 조건에 따라 측정된 체적함수비를 이용하여 계산으로 구한 강우침투속도는 Tables 1 및 2와 같다(Park et al.
앞 절에서 제안한 포화깊이비를 고려한 무한사면 안정해석식을 이용하여 편마암 풍화토 내 강우침투에 따른 사면 안전율의 변화를 파악하기 위하여 편마암 풍화 토의 강우침투속도를 산정하였다. 강우침투속도의 산정은 Park et al.
여기서 분자와 분모를 제거하고, 식 (3)의 포화깊이비와식 (5)의 전체 밀도에 대한 물의 밀도의 비를 대입하여아래와 같이 식을 정리하여 본 연구에서 새로이 제안하였다.
(2011 a) 가 산정한 편마암 풍화토 내 강우침투속도 결과를 바탕으로 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 이 해석을 통해 토층 내 강우 침투속도를 고려하여 포화깊이비가 변화함에 따른 무한사면의 안전율 변화를 파악하였다.
본 연구는 기존에 제안된 무한사면 안정해석식을 바탕으로 불포화토 내에 강우침투 시 지표로부터 시간에 따른 토층의 포화깊이비를 새로이 고려한 무한사면 안 정해석 수정식을 제안하였다. 이를 위해 기존에 고려하지 못했던 시간에 따른 포화깊이비와 지표하 흐름 깊이의 개념을 새로이 도입하였다. 본 연구에서는 제안한 식을 이용한 사면안전율 변화를 산정하기 위하여 편마암 풍화토 칼럼시험을 통해 획득한 강우침투속도를 바탕으로 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다.
칼럼시험은 인공강우 공급장치, 토조칼럼 및 센서부, 데이터 획득장치로 구성된 시험장치를 이용하여 정량펌프를 통해 편마암 불포화토로 구성된 토조칼럼 내에 강우를 주입하는 방법으로 진행되었다. 토조칼럼 내에는 5개의 TDR 센서가 강우침투에 따른 체적함수비를 일정 시간 간격으로 측정하고, 이를 통해 칼럼내 강우침투속도를 파악할 수 있다(Park et al.
기존 무한사면 안정해석식을 수정하여 본 연구에서 제시한 무한사면 안정해석식은 크게 흙의 단위중량이 아닌 전체밀도에 대한 물의 밀도비와 토층의 깊이에 대한 강우 침투시 침윤선의 깊이 변화를 이용하였다. 특히 이를 통해 사면의 표층에서부터 실제 토층의 깊이에 대한 강우 침투수의 포화깊이비를 적용하여 기존의 무한사면 안정해석식에서 고려하지 못한 강우지속 시간에 따른 강우침투와 그에 의한 사면 안전율 변화를 산정하였다. 지표하 흐름깊이와 포화깊이비는 분석대상 격자의 토층 깊이와 밀접한 관계를 갖는다.
이론/모형
앞 절에서 제안한 포화깊이비를 고려한 무한사면 안정해석식을 이용하여 편마암 풍화토 내 강우침투에 따른 사면 안전율의 변화를 파악하기 위하여 편마암 풍화 토의 강우침투속도를 산정하였다. 강우침투속도의 산정은 Park et al. (2011 a, 2011 b)가 실시한 칼럼시험을 통한 편마암 풍화토의 강우침투속도 결과를 이용하였다.
성능/효과
3 이하로 감소하는 시간이 짧아졌다. 그리고, 흙의 단위중량이 같은 조건인 GnC2와 GnC5, GnC3와 GnC6를 비교해 보아도 각각 2.87시간과 1.34시간, 5.38시간과 2.92시간으로 강우강도가 증가할수록 안전율이 1.3 이하가 되는 시간이 짧아지는 양상을 보였다(Fig. 3 (a)).
2 & 3). 동일한 흙의 단위중량 조건에서 강우강도를 각각 20 mm/h, 50 mm/h로 조절하여 시험한 결과를 보면, 흙의 단위중량 1.35 g/cm3 조건인 GnC1, GnC4가 각각 2.86시간, 1.54시간으로 강우강도가 증가할수록 안전율이 1.3 이하로 감소하는 시간이 짧아졌다. 그리고, 흙의 단위중량이 같은 조건인 GnC2와 GnC5, GnC3와 GnC6를 비교해 보아도 각각 2.
3 이하가 되는 시간이 짧게 나타났다. 본 연구에서 제안한 식에 따르면 강우침투에 따른 안전율의 변화는 강우침투속도와 흙의 단위중량 변화에 의해 주로 좌우되는데, 반복강우 시험에서는 흙의 단위중량 값을 동일하게 적용하였기 때문에 안전율의 감소는 강우침투 속도에 좌우되어 나타났다고 할 수 있다. 이는 토층의 단위중량과 강우조건에 따라 강우 침투속도의 차이가 발생하고, 이로 인해 포화깊이비의 변화 시간이 서로 다르기 때문으로 판단된다.
2). 연속강우의 경우 강우 시간에 따른 안전율의 변화는 흙의 단위중량이 감소할수록, 강우강도가 증가할수록 빨라지는 것을 확인할 수 있다(Fig. 2 (a)).
한편, GnC2와 GnC6의 경우 토질조건과 강우강도가 다름에도 불구하고 안전율 감소 기울기가 유사하고, 안 전율 1.3 이하로 변하는 시간의 경우도 각각 2.87시간, 2.92시간으로 차이가 매우 적게 나타났다(Figs. 2 (a) &3 (a)).
본 연구에서는 제안한 식을 이용한 사면안전율 변화를 산정하기 위하여 편마암 풍화토 칼럼시험을 통해 획득한 강우침투속도를 바탕으로 토층의 포화깊이비를 고려한 사면안정해석을 실시하였다. 해석 결과 편마암 풍화토의 연속강우의 경우 안전 율이 1.3 이하로 감소하는 시간이 강우강도 20 mm/h 조건에서 2.86 ~ 5.38시간이고, 강우강도 50 mm/h 조건에서는 1.34 ~ 2.92시간으로 나타났다. 동일한 강우강도에서 흙의 단위중량이 감소할수록 안전율이 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 우리나라 하절기의 강우패턴은 어떤 모습을 보이는가?
최근 우리나라에서는 하절기의 강우패턴이 과거와는 달리 상당히 많은 양의 강우가 짧은 시간동안 내리는 양상을 보이고 있다. 예를 들어 2008년 경북 봉화군 춘양면 서벽리에서 발생한 대규모 산사태의 경우, 7월 25일 오후 9시경부터 약 2시간 동안 198.
최근 우리나라 하절기의 강우패턴이 변화된 것을 보여주는 사례는?
최근 우리나라에서는 하절기의 강우패턴이 과거와는 달리 상당히 많은 양의 강우가 짧은 시간동안 내리는 양상을 보이고 있다. 예를 들어 2008년 경북 봉화군 춘양면 서벽리에서 발생한 대규모 산사태의 경우, 7월 25일 오후 9시경부터 약 2시간 동안 198.5 mm의 집중적인 비가 내리고 이로 인해 서벽리 일대에서 약 200여개의 산사태가 발생하여 서벽리 마을의 70%가 산사태로 인한 피해를 입었으며, 4명이 사망하였다. 즉, 시간당 100 mm에 가까운 엄청난 양의 강우가 실제로 내린 것이다. 2009년의 경우 부산지역에서는 7월 7일과 16일의 2회에 걸쳐 각각 310 mm, 266.5 mm가 4시간~5시간 동안 집중적으로 내리는 현상이 발생하였으며, 특히 7월 16일 내린 강우로 부산시 연제구의 아파트 밀집지 배후 산지에서 길이 300여 m의 산사태가 발생하여 아파트 한개동의 지하층과 1층, 그리고 지하주차장이 토사에 매몰되었다. 2011년 7월 28일 오전 8시부터 9시까지 우면산 일대에는 시간당 최고 94 mm, 1일 301.5 mm의 극한강우가 내려 대규모의 산사태가 발생하였으며, 이로 인해 인근 주민 16명이 사망하고 많은 이재민이 발생하였다.
강한 강우강도와 일반 강우의 차이점은?
이와 같이 강한 강우강도로 비가 내릴 경우는 낮은 강우강도의 경우에 비해 불포화토내 강우의 침투양상이 다르며, 이로 인해 사면의 안정성도 급격히 변화하게 된다. 일반적으로 강우는 불포화토에 서서히 침투하면서 비교적 수평적 침윤선(wetting front)을 형성하게 되며 (Olivares and Picarelli, 2003; Springman et al., 2003; Xue and Gavin, 2008), 이에 따라 토층이 서서히 포화되다가 일정 시간이 경과하면서 완전포화되거나 또는 강우가 종료됨에 따라 포화도가 낮아지게 된다. 그러나, 집중강우 조건에서는 많은 양의 강우가 한꺼번에 토층에 침투하므로 토층내 간극수압이 급격히 증가하게 되고, 강우의 토층내 흐름이 균일하지 않고 특정방향을 따라 더 우세하게 발생하는 우선흐름(preferential flow)이 나타나기도 한다. 특히, 집중강우시에는 지하수위의 증가가 발생하기 이전에 지표로부터의 강한 침투로 인해 흙이 포화되는데 이 경우 불포화토 내 포화깊이가 중요하다. 즉, 강우량과 시간에 따라 토층의 포화깊이가 달라지게 되고, 이는 급경사지의 안정성에 직접적 영향을 미치게 된다.
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