불포화 사면에서는 강우시 침투가 일어나고 포화가 됨에 따라 불안정해진다. 불포화토의 유효응력의 관점에서는, 모관흡수력이 감소하면 유효응력이 감소하고 동시에 전단강도도 감소하여 사면 안정성이 저해된다. 본 연구에서는 불포화토의 유효응력을 흡수응력으로 기술하는데 초점을 둔다. 그리고 유한요소응력장에서 안전율을 계산하여 실제 사면의 붕괴를 시뮬레이션한다. 하동 및 포항지역의 풍화토 지층에 대하여 실내실험을 수행하여 불포화 물성을 분석하였다. 그리고 불포화 사면의 침투 해석을 수행하고 응력해석과 안정해석을 통하여 실제 붕괴를 재현하였다. 따라서 불포화 유효응력 원리에 근거하여, 실제 사면의 안정성을 성공적으로 평가할 수 있었다. 유효응력 개념이 강우 침투를 고려한 사면 설계의 실무에 적용될 수 있음을 입증하였다.
불포화 사면에서는 강우시 침투가 일어나고 포화가 됨에 따라 불안정해진다. 불포화토의 유효응력의 관점에서는, 모관흡수력이 감소하면 유효응력이 감소하고 동시에 전단강도도 감소하여 사면 안정성이 저해된다. 본 연구에서는 불포화토의 유효응력을 흡수응력으로 기술하는데 초점을 둔다. 그리고 유한요소응력장에서 안전율을 계산하여 실제 사면의 붕괴를 시뮬레이션한다. 하동 및 포항지역의 풍화토 지층에 대하여 실내실험을 수행하여 불포화 물성을 분석하였다. 그리고 불포화 사면의 침투 해석을 수행하고 응력해석과 안정해석을 통하여 실제 붕괴를 재현하였다. 따라서 불포화 유효응력 원리에 근거하여, 실제 사면의 안정성을 성공적으로 평가할 수 있었다. 유효응력 개념이 강우 침투를 고려한 사면 설계의 실무에 적용될 수 있음을 입증하였다.
Unsaturated slopes experience infiltration during rainfall and become unstable when saturated. On the viewpoint of unsaturated effective stress, as matric suction decreases, both effective stress and shear strength decrease, which declines slope stability consequently. This study is focused on descr...
Unsaturated slopes experience infiltration during rainfall and become unstable when saturated. On the viewpoint of unsaturated effective stress, as matric suction decreases, both effective stress and shear strength decrease, which declines slope stability consequently. This study is focused on describing effective stress based on suction stress. The actual slope failures are simulated to calculate factors of safety in the field of finite element stress. In the residual soils of Hadong and Pohang, unsaturated properties are evaluated by laboratory tests. For unsaturated slopes, analyses of infiltration, stress and stability were performed to simulate actual failures. Based on unsaturated effective stress principle, the stability of actual slopes could be evaluated successfully. It is verified for the effective stress concept to be applicable to the engineering practice on slope design which considers infiltration by rainfall.
Unsaturated slopes experience infiltration during rainfall and become unstable when saturated. On the viewpoint of unsaturated effective stress, as matric suction decreases, both effective stress and shear strength decrease, which declines slope stability consequently. This study is focused on describing effective stress based on suction stress. The actual slope failures are simulated to calculate factors of safety in the field of finite element stress. In the residual soils of Hadong and Pohang, unsaturated properties are evaluated by laboratory tests. For unsaturated slopes, analyses of infiltration, stress and stability were performed to simulate actual failures. Based on unsaturated effective stress principle, the stability of actual slopes could be evaluated successfully. It is verified for the effective stress concept to be applicable to the engineering practice on slope design which considers infiltration by rainfall.
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문제 정의
하지만 여러 가지 이유로 이러한 기록들은 보전되지 못하고 있는 실정이어서, 지반공학 관례의 기술적인 개선이 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 실제 붕괴사면을 대상으로 사면 설계의 관례를 개선하는 데 중점을 두고 있다.
따라서 응력해석을 통하여 지층의 유효응력의 변동을 분석하는 절차를 포함할 필요가 있다. 본 연구에서는 유한요소 응력장에서 안전율을 계산하여 엄밀한 안정성 해석을 수행하였다. 특히 불포화토의 유효응력 이론을 실제에 적용하여 불포화 사면의 안정을 평가하는 기법에 초점을 두고 있다.
가설 설정
Fig. 7(b)의 사면붕괴 시 흡수응력은 파괴면 주변에서 -5kPa 이상인 영역이 확장되고 있다.
안정해석에 적용하는 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하는 것이 합리적이지만, 아직 해석코드에 불포화토 유효응력에 관한 정식화가 구현되지 않아서 적용할 수 없었다. 탄성계수는 변위에는 크게 영향을 끼치지만 전응력에는 크게 영향을 주지 않는다고 가정하였다.
4(b)와 같이 평가되었으며, 예비 해석과정에서 계수 연구를 통하여 포화투수계수를 설정하였다. 풍화암에 대하여, 함수특성곡선은 잔류토와 동일하게 가정하였다. 풍화암의 투수계수곡선은 잔류토의 투수계수와 동일하게 가정하였으며, Table 2에 정리하였다.
풍화암에 대하여, 함수특성곡선은 잔류토와 동일하게 가정하였다. 풍화암의 투수계수곡선은 잔류토의 투수계수와 동일하게 가정하였으며, Table 2에 정리하였다.
제안 방법
(1) 하동사면 및 포항사면의 잔류토 사면에 대한 조사를 수행하여 현장기록 및 불포화 물성을 획득하였다. 불포화 전단강도는 함수특성으로부터 흡수응력을 산정하여 포화토와 동일한 파괴규준으로 정의할 수 있었다.
본 연구에서는 하동과 포항지역 절개사면에서 일어난 실제 붕괴사례를 중심으로 불포화토의 유효응력에 기반한 사면붕괴 기구(mechanism)를 재현하였다. 대상지역에 대하여 시료를 채취하고 불포화 물성을 실험적으로 획득하였으며, 실제 강우기록을 고려하여 현장상황을 재현하여 강우 침투에 의한 사면 안정성 변동을 재현하였다. 이를 토대로, 강우시 침투를 고려한 안정 해석기법이 실용적으로 실무에 적용할 수 있음을 입증하였다.
본 연구에서는 불포화 유효응력에 기반한 (1) 풍화토 지층의 실내실험 및 분석, (2) 불포화토 사면 침투 해석 (3) 실제 붕괴사례에 대한 불포화 사면안정해석으로 구성되었다.
본 연구에서는 하동과 포항지역 절개사면에서 일어난 실제 붕괴사례를 중심으로 불포화토의 유효응력에 기반한 사면붕괴 기구(mechanism)를 재현하였다. 대상지역에 대하여 시료를 채취하고 불포화 물성을 실험적으로 획득하였으며, 실제 강우기록을 고려하여 현장상황을 재현하여 강우 침투에 의한 사면 안정성 변동을 재현하였다.
이러한 안정성 변동을 유효응력에 기반한 불포화 안정성 해석을 통하여 분석할 수 있었다. 본 연구의 해법은 유한요소(FE) 응력장에서 절편에 작용하는 힘 분포에 대하여 안전율을 계산한다. 이러한 해법은 한계평형법(LE)에 비하여 해의 엄밀도를 높일 수 있다.
2와 같이 요소망을 적절하게 세분화하였다. 부정류에 대하여, 유량 경계조건은 실제 강우기록을 지표면에 적용하였다. 사면의 경사부 표면에서는 지하수가 유출될 수 있도록 설정하였다.
삼축시험에서는 포화조건에서 직접전단시험을 수행하였다. 불포화조건에서는 모관흡수력을 조절하여 삼축시험을 수행하였다. 시료는 현장 함수비 및 밀도 하에서 정적다짐으로 교란시료를 재성형하여 수행하였다.
특히 함수특성곡선으로부터 비선형적인 불포화 전단강도를 설정하면, 식 (2)의 흡수응력이 동일하게 적용된다. 시간에 따른 안전율 변동을 평가하기 위하여, 현장 파괴면을 고려하고 예비해석을 통하여 고정적인 활동면을 설정하였다.
불포화조건에서는 모관흡수력을 조절하여 삼축시험을 수행하였다. 시료는 현장 함수비 및 밀도 하에서 정적다짐으로 교란시료를 재성형하여 수행하였다. Fig.
이러한 안정성 변동을 유효응력에 기반한 불포화 안정성 해석을 통하여 분석할 수 있었다. 본 연구의 해법은 유한요소(FE) 응력장에서 절편에 작용하는 힘 분포에 대하여 안전율을 계산한다.
사면의 경사부 표면에서는 지하수가 유출될 수 있도록 설정하였다. 측면의 수두 경계는 현장 상황과 지하수위 정보(Web page, Integrated Groundwater Information Service)를 고려하여 설정하였다. 예비해석을 통하여 최소안전율을 나타내는 활동면을 파악하였으며, 현장에서 관찰된 형태와 유사하게 전반적인 활동이 일어났다.
이를 토대로, 강우시 침투를 고려한 안정 해석기법이 실용적으로 실무에 적용할 수 있음을 입증하였다. 특히 침투시 유효응력 변화가 불포화 사면의 붕괴를 일으키는 기구를 입증하였다. 이를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
대상 사면들은 도로 현장의 절토사면으로, 지층은 풍화되어 불연속면을 매우 심한 빈도로 포함하고 있고, 사면의 상부는 잔류토층을 이루고 있다. 이와 같은 지질 형태는 대구경북을 중심으로 동남부 내륙에서 흔히 나타난다.
시료의 채취위치에 따라 불균질성을 보이기도 하여 충분한 양의 시험을 수행하여야만 대표적이고 일관된 시험성과를 획득할 수 있다. 잔류토층의 붕괴단면 외곽에서 교란시료 및 블록시료를 채취하였다. 대상현장에서는 시료의 일부에서 불연속면과 암편을 포함하였고, 제원이 긴 삼축시험시료의 경우에는 균질성을 확보하기 어려웠다.
데이터처리
4에서 보여준다. Fig. 4(a)에서 보여지듯이, 압력판추출 시험을 통하여 함수특성곡선을 획득하였고, RETC 프로그램을 이용하여 van Genuchten 모델로 회귀분석을 하였다(van Genuchten et al., 1991). 공기함입치 ub와 계수 n, 포화 체적함수비, 잔류함수비는 Table 2에 정리되었다.
이론/모형
불교란 시료의 투수계수는 함수특성곡선으로부터 Mualem 이론에 의하여 추정하는 방법을 이용하였다. 그 결과 Fig.
사면의 수리특성은 다음과 같은 Richards의 방정식으로 기술한다.
사면에서의 전응력, 모관흡수력, 흡수응력 분포로부터 유효응력을 계산하면, 사면의 안정은 불포화토의 전단강도와 유효응력 분포를 고려하여 계산할 수 있다. 해석 절차는 불포화 유동, 전응력 분포 및 안전율을 구하는 과정을 포함하며(Lu et al. 2013), GeoStudio 2007 코드의 응력해석 모듈(SIGMA/W, 2007), 침투해석 모듈(SEEP/W, 2007)과 사면안정해석 모듈(SLOPE/W, 2007)을 이용하여 수행하였다. 불포화 유동은 강우에 따른 정상류 및 부정류 해석에 의하여 수행한다.
성능/효과
(2) 침투해석을 수행한 결과 하동사면은 4개월간 누적 강우량: 1200mm 이상이 발생하였고, 과도한 강우로 인하여 지층내에 포화도와 간극수압이 증가하여 붕괴시에는 일부 영역은 완전 포화상태를 나타냈다. 포항사면은 3개월간 누적 강우량: 600mm 이상이 발생하여 포화도가 증가하는 것을 해석할 수 있었다.
정상류해석 후, 각 절편에서는 초기 간극수압이 -100에서 -40kPa까지 나타난다. 부정류해석에 의하여 간극수압은 점차로 증가하며, 활동면에서는 포화상태에 이루고 유효응력이 최대 80kPa 정도 감소하였다.
대상지역에 대하여 시료를 채취하고 불포화 물성을 실험적으로 획득하였으며, 실제 강우기록을 고려하여 현장상황을 재현하여 강우 침투에 의한 사면 안정성 변동을 재현하였다. 이를 토대로, 강우시 침투를 고려한 안정 해석기법이 실용적으로 실무에 적용할 수 있음을 입증하였다. 특히 침투시 유효응력 변화가 불포화 사면의 붕괴를 일으키는 기구를 입증하였다.
(3) 불포화토 유효응력에 기반하여 전단강도를 산정하고 유한요소응력장에서 유효응력을 계산하여 안전율을 산정하였다. 하동사면과 포항사면에서 붕괴시 안전율 1.0을 계산할 수 있었고, 한계평형법에 비하여 엄밀한 해석을 수행하였다. 이로부터 강우 침투 시 불포화토의 유효응력에 따른 사면의 안정성 해석기법을 검증할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흡수응력은 무엇인가?
2012)은 흡수응력(suction stress)을 제안하여 Bishop 유효응력을 일반화하였다. 흡수응력은 모관흡수력이 유효응력에 기여하는 정도를 정량적으로 표현한다. 불포화토의 전단강도는 수리적 특성과 연관이 있어서, 흡수응력은 함수특성곡선(soil water retention curve, SWRC)으로부터 구할 수 있다.
사면의 전응력은 어떤 요소에 영향을 받는가?
사면의 전응력은 주로 사면의 형상과 자중의 영향을 받는다. 선형 탄성 재료에서의 전응력에 대한 지배방정식은 선형 운동량의 보존법칙에서 나온다.
강우 침투로 인한 불포화 사면붕괴의 유효응력 해석 연구 결과는?
(1) 하동사면 및 포항사면의 잔류토 사면에 대한 조사를 수행하여 현장기록 및 불포화 물성을 획득하였다. 불포화 전단강도는 함수특성으로부터 흡수응력을 산정하여 포화토와 동일한 파괴규준으로 정의할 수 있었다.
(2) 침투해석을 수행한 결과 하동사면은 4개월간 누적 강우량: 1200mm 이상이 발생하였고, 과도한 강우로 인하여 지층내에 포화도와 간극수압이 증가하여 붕괴시에는 일부 영역은 완전 포화상태를 나타냈다. 포항사면은 3개월간 누적 강우량: 600mm 이상이 발생하여 포화도가 증가하는 것을 해석할 수 있었다.
(3) 불포화토 유효응력에 기반하여 전단강도를 산정하고 유한요소응력장에서 유효응력을 계산하여 안전율을 산정하였다. 하동사면과 포항사면에서 붕괴시 안전율 1.0을 계산할 수 있었고, 한계평형법에 비하여 엄밀한 해석을 수행하였다. 이로부터 강우 침투 시 불포화토의 유효응력에 따른 사면의 안정성 해석기법을 검증할 수 있었다.
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