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- 50764), 그리고 Fredlund & Xing의 추정식을 이용한 불포화 투수계수를 사용하였다. 경계조건은 컬럼의 벽면은 불투수층으로 가정하고 지표면에 각 적용 강우 강도를 재현하여 실험조건과 동일하게 재현하였다.
- 실내 강우침투실험 결과의 검증을 위하여 수치해석 프로그램인 GEO-SLOPE사의 SEEP/W를 사용하였으며, 해석단면은 실내모형컬럼과 동일한 높이 100cm와 폭 28cm을 사용하였다. 수치해석의 초기 간극수압의 분포는 컬럼 하부에서 60kPa, 컬럼의 상부 지표면에서는 70kPa의 선형적인 분포를 갖는 것으로 가정하였다. 침투 해석에서 수리학적 물성치로 포화투수계(2.
- 침투 흐름을 해석하기 위하여 제안된 일차원 침투모델인 Green & Ampt 모델과 폰딩을 고려하는 Mein & Larson 모델에서는 침투시 상부로부터 완전 포화되어 습윤전선이 하부로 진행한다고 가정하였다.
제안 방법
- (1) 침투속도의 산정을 위한 방법으로는 강우의 침투시 깊이별 계측센서의 변화시간을 이용한 침투속도, 강우의 시작시간과 침투유출이 처음 발생한 시간을 이용한 침투속도, 컬럼을 통과하여 유출되는 시간당 유출량으로부터 산정한 침투속도와 수치해석 결과에 의한 침투속도를 비교하였다. 각 방법으로 산정된 침투속도는 비교적 잘 일치하며, 강우강도의 증가에 따라 침투속도가 거의 선형적으로 증가함을 보였다.
- 각 컬럼의 조립은 플랜지(flange) 부분에 오링 삽입 후 볼트나 사를 결속하여 침투수의 유출을 방지하였다. 각각의 실험은 깊이별 초기 간극수압 분포양상이 일정하게 수렴한 후 강우를 재현하였다. 인공강우의 재현은 수압게이지를 이용하여 강우강도의 조절이 가능하였으며, 12시간 강우지속시간동안 강우강도의 오차범위는 ±5mm/hr로 확인되었다.
- 그림 7은 강우강도에 따른 침투속도(seepage velocity)의 변화를 나타내기 위하여 실내 강우침투실험에서 산정한 침투속도와 수치해석으로부터 구한 침투속도를 나타내었다. 간극수압과 전기저항의 변화에 의한 침투 속도 산정은 10cm 간격으로 설치된 계측센서의 구간별 침투속도이며, 초기 침투유출에 의한 침투속도는 컬럼 하부에서 첫 유출이 발생한 시점으로부터 산정하였다. 그러나 침투유출량에 의한 침투속도는 컬럼 전 단면을 통과하여 나오는 유출속도이므로 식(Vs= V/ (n∙S)) 를 이용하여 침투속도를 계산하였다.
- 강우강도 60mm/hr에 대한 실내실험결과와 수치해석 결과를 그림 6에 나타내었다. 간극수압의 변화에 따른 습윤전선의 진행은 실내실험과 수치해석에서 비교적 벽면은 불투수층으로 가정하고 지표면에 각 적용 강우 강도를 재현하여 실험조건과 동일하게 재현하였다.
- 강우의 침투시 시간에 따른 깊이별 간극수압의 변화와 포화도를 측정하기 위하여 텐시오미터(tensiometer)와 전기저항 탐침봉(electrical resistance probe)을 설치하였다. 본 침투실험에서 사용된 텐시오미터는 Soil moisture사의 Small-tip 텐시오미터(2100F)이며, 몸체에 연결된 얇은 튜브 끝 부분의 세라믹 팁을 통하여 1분 간격으로 깊이별 간극수압을 획득하였다.
- 또한 컬럼 상부 지표면에서 침투되지 않고 표면 유출되는 강우의 유량 측정이 가능하며 컬럼을 통과한 하부 침투유량의 측정이 가능하다. 계측센서는 컬럼의 벽면을 통하여 원형 단면의 중심부에 위치시켜 정확한 결과를 얻고자 하였으며, 볼트를 이용하여 센서 삽입구의 침투수 누출을 방지하였다. 센서의 연직방향 위치는 컬럼 하부 5cm 높이부터 10cm 간격으로 좌우 각 10개씩 삽입되어 있다.
- 본 연구에서는 실제 사면에서 얕은 파괴가 주로 발생 하는 풍화토층의 시료를 대상으로 강우강도를 달리하여 실내침투실험을 수행함으로써 침투속도의 산정방법에 따른 비교와 침투특성 분석을 하였으며, GEO-SLOPE사의 침투류 수치해석 프로그램인 SEEP/W를 사용하여 비교･검증을 수행하였다.
- 또한 이상기후로 인하여 강우의 형태가 집중적, 국지적으로 나타나는바 사면 안정에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 풍화토층을 대상으로 실내 강우침투실험을 수행함으로써 사면 안정성 해석에 있어서 중요한 요인인 강우강도에 따른 지반 내의 강우 침투속도 산정 및 침투특성을 파악하고 수치해석을 이용한 침투해석 결과와 비교 및 검증을 수행하였다.
- 불포화 지반 내의 강우 침투 특성을 파악하기 위하여 원형 컬럼을 이용한 실내 강우침투실험을 수행하였다. 그림 1은 실내 강우침투실험 개요도와 실험 전경을 나타낸다.
- 포화도를 추정하기 위한 전기저항의 측정은 AC 전압 발생기에서 일정 전압을 인가하고, 배전 상자(switching box)에서 각 깊이의 탐침봉마다 일정시간 간격으로 인가된 전압을 순차적으로 분배하여 준다. 실험시 배전상자는 전기저항을 동시에 측정함으로써 발생하는 전기적 간섭 효과를 제거하기 위하여 사용되었으며, 각 탐침봉의 전기 저항을 측정하여 시간에 따른 깊이별 포화도를 추정한다.
- 침투실험을 위한 준비과정은 먼저 포화도 50%에 해당하는 중량 함수비 15%로 초기 성형을 하였으며, 성형된 시료는 각 20cm 높이의 컬럼을 조립하여 동일한 습윤밀도를(γt = 16.7kN/m3 ) 가지도록 다짐하였다.
대상 데이터
- 본 침투실험에서 사용된 시료는 석회암 지역에 해당하는 강원도 삼척 지역의 시료가 사용되었다. 시료의 채취시 현장 사면에서 표토층을 제거한 풍화토층을 대상으로 하였으며, No.
- 강우의 침투시 시간에 따른 깊이별 간극수압의 변화와 포화도를 측정하기 위하여 텐시오미터(tensiometer)와 전기저항 탐침봉(electrical resistance probe)을 설치하였다. 본 침투실험에서 사용된 텐시오미터는 Soil moisture사의 Small-tip 텐시오미터(2100F)이며, 몸체에 연결된 얇은 튜브 끝 부분의 세라믹 팁을 통하여 1분 간격으로 깊이별 간극수압을 획득하였다. 깊이별 포화도의 변화를 추정하기 위하여 사용된 전기저항 탐침봉은 크게 스테인 리스 강봉과 동축케이블, 강봉을 고정시키는 세라믹 볼트로 구성되어 있다.
- 본 침투실험에서 사용된 시료는 석회암 지역에 해당하는 강원도 삼척 지역의 시료가 사용되었다. 시료의 채취시 현장 사면에서 표토층을 제거한 풍화토층을 대상으로 하였으며, No. 4 체를 통과한 시료를 사용하였다.
- 그림 1은 실내 강우침투실험 개요도와 실험 전경을 나타낸다. 실험시 사용된 컬럼의 높이는 100cm(5 segments) 이며, 강우 재현을 위해 사용된 노즐의 제한된 분사범위와 컬럼 내부벽면의 영향을 최소화하기 위하여 28cm의 직경으로 제작되었다. 또한 컬럼 상부 지표면에서 침투되지 않고 표면 유출되는 강우의 유량 측정이 가능하며 컬럼을 통과한 하부 침투유량의 측정이 가능하다.
데이터처리
- 실내 강우침투실험 결과의 검증을 위하여 수치해석 프로그램인 GEO-SLOPE사의 SEEP/W를 사용하였으며, 해석단면은 실내모형컬럼과 동일한 높이 100cm와 폭 28cm을 사용하였다. 수치해석의 초기 간극수압의 분포는 컬럼 하부에서 60kPa, 컬럼의 상부 지표면에서는 70kPa의 선형적인 분포를 갖는 것으로 가정하였다.
이론/모형
- 침투 해석에서 수리학적 물성치로 포화투수계(2.35×10-5m/s), 함수특성곡선(#, a=2.9893, n=3.8329, m=0.50764), 그리고 Fredlund & Xing의 추정식을 이용한 불포화 투수계수를 사용하였다.
성능/효과
- (2) 강우 침투시 포화도의 변화양상으로 습윤전선의 상부는 완전 포화상태가 아닌 부분 포화상태로 진행됨을 보였다. 따라서 완전포화로 가정하는 침투 이론식에 비하여 실제 지반에서의 습윤전선은 빠르게 향후 지역별 또는 특성별 풍화토층을 대상으로 강우의 침투특성 분석에 대한 자료를 축적하여 강우시 사면 붕괴에 대한 예･경보 시스템 구축이 가능할 것으로 판단된다.
- 각 그래프에서 깊이별 초기 값은 시료 성형 후 안정화 상태(일반적으로 12시간 이상 경과 후)에서 간극수압과 포화도의 분포양상이다. 각 강우 강도별 실험 모두 컬럼의 상부영역으로 갈수록 부의 간극수압은 커지며 포화도는 약간 감소하는 것을 볼 수 있다. 각 실험마다 동일한 조건을 갖도록 불포화 풍화토층을 모사하고자 하였으나 60mm/hr의 강우강도 실험에서 컬럼 하부의 초기 간극수압과 포화도가 다른 실험들에 비하여 다소 초기 함수량이 적게 나타났다.
- (1) 침투속도의 산정을 위한 방법으로는 강우의 침투시 깊이별 계측센서의 변화시간을 이용한 침투속도, 강우의 시작시간과 침투유출이 처음 발생한 시간을 이용한 침투속도, 컬럼을 통과하여 유출되는 시간당 유출량으로부터 산정한 침투속도와 수치해석 결과에 의한 침투속도를 비교하였다. 각 방법으로 산정된 침투속도는 비교적 잘 일치하며, 강우강도의 증가에 따라 침투속도가 거의 선형적으로 증가함을 보였다. 그러나 컬럼 하부의 시간당 유출량으로 산정된 침투속도는 강우의 침투에 따른 간극비 변화가 적절히 고려되지 않아 다소 낮은 침투속도를 보여주었다.
- 각 강우 강도별 실험 모두 컬럼의 상부영역으로 갈수록 부의 간극수압은 커지며 포화도는 약간 감소하는 것을 볼 수 있다. 각 실험마다 동일한 조건을 갖도록 불포화 풍화토층을 모사하고자 하였으나 60mm/hr의 강우강도 실험에서 컬럼 하부의 초기 간극수압과 포화도가 다른 실험들에 비하여 다소 초기 함수량이 적게 나타났다.
- 강우강도의 증가에 따라 침투속도가 증가하는 경향을 보였으며, 실내실험과 수치해석의 침투속도는 30mm/hr, 60mm/hr 강우강도에서 좋은 결과를 보여주었다. 다만, 80mm/hr의 강우강도에서는 실내실험의 침투속도가 수치해석 결과에 비하여 비교적 빠르게 나타났다.
- 간극수압의 변화에 따른 습윤전선의 진행은 실내실험과 수치해석에서 비교적 잘 일치하며, 수치해석의 결과에서 0의 간극수압에 도달하지 않는 것은 그림 6(b)의 포화도의 결과에서 강우 침투시 부분적으로 포화되었기 때문이다. 실내실험의 간극률을 이용하여 추정한 시간에 따른 포화도의 변화는 실내실험과 수치해석 모두 약 70%의 포화도를 보여준다. 그림 6(c)는 컬럼을 통과한 유량으로 산정한 유출 속도(discharge velocity)로 실내실험과 수치해석의 결과는 비슷한 값을 보여주었다.
- 인공강우의 재현은 수압게이지를 이용하여 강우강도의 조절이 가능하였으며, 12시간 강우지속시간동안 강우강도의 오차범위는 ±5mm/hr로 확인되었다.
후속연구
- (2) 강우 침투시 포화도의 변화양상으로 습윤전선의 상부는 완전 포화상태가 아닌 부분 포화상태로 진행됨을 보였다. 따라서 완전포화로 가정하는 침투 이론식에 비하여 실제 지반에서의 습윤전선은 빠르게 향후 지역별 또는 특성별 풍화토층을 대상으로 강우의 침투특성 분석에 대한 자료를 축적하여 강우시 사면 붕괴에 대한 예･경보 시스템 구축이 가능할 것으로 판단된다.
- 75) 보다 다소 큰 값을 보였다. 유출속도비는 지반의 수리특성과 밀접한 관련이 있으며 이에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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