대부분 사면파괴는 장마기간의 집중호우로 인해 발생하고 있다. 일정시간 강우가 지속되면, 지반의 함수비가 증가되고 모관흡수력이 감소되기 때문에 사면의 안전율은 저하된다. 지하수위 변화로 해석되는 안전율 설계기준은 실제 사면에서 일어나는 현상들을 설명하기에 부족함이 많이 있기 때문에 사면의 관리, 설계, 그리고 시공하는 문제에 있어서 불포화지반의 침투거동을 정확히 예측하여 사면의 불안정성을 평가하는 것이 요구된다. 일반적으로 강우에 의해 사면전체가 포화되는 것이 아니라 강우시간이 지속됨에 따라 얕은 깊이부터 포화되고, 모관흡수력은 급격히 감소한다. 이 상태가 지속되면 지반의 강도가 감소하여 대부분 얕은 파괴 또는 표층파괴 형태로 사면붕괴가 시작된다. 본 논문에서는 전통적인 사면의 건기와 우기시 사면안정해석과 불포화지반의 침투해석을 연계한 사면안정해석을 이론식과 수치해석의 검증을 통하여 포화토와 불포화토의 차이점을 실제 현장사면에 적용하여 비교분석하였다.
대부분 사면파괴는 장마기간의 집중호우로 인해 발생하고 있다. 일정시간 강우가 지속되면, 지반의 함수비가 증가되고 모관흡수력이 감소되기 때문에 사면의 안전율은 저하된다. 지하수위 변화로 해석되는 안전율 설계기준은 실제 사면에서 일어나는 현상들을 설명하기에 부족함이 많이 있기 때문에 사면의 관리, 설계, 그리고 시공하는 문제에 있어서 불포화지반의 침투거동을 정확히 예측하여 사면의 불안정성을 평가하는 것이 요구된다. 일반적으로 강우에 의해 사면전체가 포화되는 것이 아니라 강우시간이 지속됨에 따라 얕은 깊이부터 포화되고, 모관흡수력은 급격히 감소한다. 이 상태가 지속되면 지반의 강도가 감소하여 대부분 얕은 파괴 또는 표층파괴 형태로 사면붕괴가 시작된다. 본 논문에서는 전통적인 사면의 건기와 우기시 사면안정해석과 불포화지반의 침투해석을 연계한 사면안정해석을 이론식과 수치해석의 검증을 통하여 포화토와 불포화토의 차이점을 실제 현장사면에 적용하여 비교분석하였다.
Most of slope failures are triggered by heavy rainfall during rainy season. If the rain keeps on for the season, the water content of the ground increases and its matric suction decrease, and then the safety factor of soil slope gets lower. The change of water table level for soil slope stability do...
Most of slope failures are triggered by heavy rainfall during rainy season. If the rain keeps on for the season, the water content of the ground increases and its matric suction decrease, and then the safety factor of soil slope gets lower. The change of water table level for soil slope stability dose not describe the behavior of the soil slope in real situation, hence it may be necessary to modify the design standard for slope stability in association with rain infiltration. For correct design, economical construction, and maintenance of a soil slope, unsaturated flow analysis is needed for estimation of slope instability regarding water infiltration and soil behavior on unsaturated soil slopes. The entire soil slope cannot be saturated by prolonged rainfall and wetting band depth (saturated zone) just deepens from slope surface, hence the cause of the shallow surface slide is the wetting band depth depending on rainfall duration and intensity. Therefore, the paper presents the differences between theoretical equation and numerical analysis for wetting band depth on soil surface and its safety factor, and compares the slope stability obtained from unsaturated flow analysis with that obtained from conventional slope stability analysis.
Most of slope failures are triggered by heavy rainfall during rainy season. If the rain keeps on for the season, the water content of the ground increases and its matric suction decrease, and then the safety factor of soil slope gets lower. The change of water table level for soil slope stability dose not describe the behavior of the soil slope in real situation, hence it may be necessary to modify the design standard for slope stability in association with rain infiltration. For correct design, economical construction, and maintenance of a soil slope, unsaturated flow analysis is needed for estimation of slope instability regarding water infiltration and soil behavior on unsaturated soil slopes. The entire soil slope cannot be saturated by prolonged rainfall and wetting band depth (saturated zone) just deepens from slope surface, hence the cause of the shallow surface slide is the wetting band depth depending on rainfall duration and intensity. Therefore, the paper presents the differences between theoretical equation and numerical analysis for wetting band depth on soil surface and its safety factor, and compares the slope stability obtained from unsaturated flow analysis with that obtained from conventional slope stability analysis.
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문제 정의
따라서 기존에 설계 기준인 건기·우기시의 설계와 침투해석을 이용한 불포화토의 설계기준을 비교해 보고자 한다.
본 논문에서는 침투해석을 고려한 무한사면해석과 실제사면에 적용하여 안정해석을 수행함으로써, 가장 현장상태에 접근하는 공학적 해석을 통한 효율적인 설계의 필요성을 강조하고자 한다.
사면의 장기적인 안정성 확보를 위해 보강공법에 대한 예를 들어 경제적이고 실용적인 결과를 확인 해 보고자 한다. 사면의 보강공법에는 계단식옹벽+Rock Anchor 공법, 비탈면 경사완화 공법, Shotcrete+Soil Nailing공법 등이 있다.
가설 설정
(2) 국내사면 설계에 일반적으로 해석되고 있는 우기시 지하수위 조건은 강우에 의해 지하수위가 지표면까지 상승한다고 가정한다. 따라서 사면의 활동파괴 면이 얕은 파괴보다는 심부에서 발생되는 것으로 검토되고 있지만, 불포화 침투해석 결과에 따르면 강우지속시간에 따라 포화깊이가 형성되고 얕은 파괴가 일어나는 포화층이 확인되기 때문에 단순 지하수위의 변화에 따른 안전율 기준만으로는 현장에서 발생하고 있는 강우와 사면의 수리-역학적 관계를 적절하게 해석하고 있지 않음을 알 수 있었다.
한계평형해석을 이용하여 무한사면의 안정해석을 건기와 우기로 나누어 비교하였다. 기존의 해석결과를 확인하기 위해 우기시 지하수위 적용조건은 지표면에 적용한다고 가정하고 Fig. 3(b)에 나타내었다. 해석결과 국토해양부(MLTMA, 2011) 비탈면 설계기준 안전율(FS=1.
침투해석시 강우지속시간은 1, 3, 4, 10시간의 4가지 조건에 따른 포화깊이를 산정, 간극수압이 -2kPa까지 100%포화로 가정하고 Fig. 11에 굵은 선으로 표시하였다.
한계평형해석을 이용하는 사면 안정해석은 건기와 우기로 나누어 비교하였으며, 우기시 지하수위 적용조건은 표층에 적용한다고 가정하여 Fig. 9(b)에 나타내었다. 국토해양부(2011) 비탈면 설계 기준 안전율(FS=1.
해석에 사용된 무한사면 경사는 1:1.5(약 34°도)이고, 사면의 두께는 18.03m으로 가정하였다.
제안 방법
Fig. 1과 같은 무한사면에서 포화두께와 지반물성을 적용하여 Skempton and DeLory(1957)가 제안한 무한사면 안전율 방정식과 수치해석결과를 비교하였다. 수치 해석에서 사용한 무한사면의 지반물성과 침투해석에서 확인한 포화깊이를 이용하여 비교·분석하였다.
2에 각각 표시하였고 함수특성곡선에 사용되는 계수들은 Table 3에 나타내었다. 강우가 지속되면서 사면의 표층부터 점차적으로 포화되기 때문에 포화층과 불포화층으로 나누어서 사면안정해석을 수행하였다.
식 (2)를 이용하여 포화깊이와 강우지속시간을 계산하고 수치해석으로 얻었던 결과들과 비교하였다. 또한 포화두께와 지반물성에 의한 이론적인 Skempton and DeLory(1957)제안식을 사용하여 강우지속시간에 따른 포화깊이를 계산하여 안전율을 비교하였다(Table 5, Fig. 7).
불포화 침투해석결과를 고려하여 침투해석 결과값에서 포화층이라고 구분지었던 -2kPa까지 사면의 포화깊이를 확인하고 한계평형해석을 연계하여 계산하였다(Fig. 5). 그 결과 대부분의 파괴면이 포화된 지반에서 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.
불포화 침투해석의 결과를 토대로 포화깊이를 확인 하고 한계평형해석을 이용해 사면의 안전성해석을 수행하였다. 포화층을 보다 쉽게 구분하기 위해 서로 다른 색으로 표시하고 최소안전율을 Fig.
수치 해석에서 사용한 무한사면의 지반물성과 침투해석에서 확인한 포화깊이를 이용하여 비교·분석하였다.
5 × 10-6m/sec)와 강우지속시간은 4시간이다. 이를 토대로 침투해석, 사면안정해석 및 보강을 실시하였다.
침투해석 시 강우지속시간은 2.4, 4, 8, 16시간의 4가지 조건에 따른 포화깊이를 유한요소해석으로 확인하였다. 특히 포화상태에 가까운 간극수압 -2kPa를 100% 포화로 가정하여 포화깊이를 Fig.
이는 국토해 양부(2011)기준에 모두 부합하지 못해 보강이 필요 하다. 침투해석을 고려한 불포화토 설계보강을 했을 때 얼마나 효율적인지는 비교를 통해 확인하였다. 강우지속시간에 따라 비탈면의 취약부분을 찾을 수 있었기 때문에 적절한 보강이 가능하며 적용했던 실제 사면에서 침투해석 후 보강공법이 기존 보강시보다 25%의 공사비 절감을 확인할 수 있었다.
사면의 보강공법에는 계단식옹벽+Rock Anchor 공법, 비탈면 경사완화 공법, Shotcrete+Soil Nailing공법 등이 있다. 하지만 본 연구에서는 추가적인 절취작업의 어려움 등으로 인한 Rock Anchor로 보강하여 비탈면 파괴를 억지하는 방법을 적용하였다. 따라서 기존에 설계 기준인 건기·우기시의 설계와 침투해석을 이용한 불포화토의 설계기준을 비교해 보고자 한다.
한계평형해석을 이용하여 무한사면의 안정해석을 건기와 우기로 나누어 비교하였다. 기존의 해석결과를 확인하기 위해 우기시 지하수위 적용조건은 지표면에 적용한다고 가정하고 Fig.
성능/효과
(1) 수치해석과 이론식의 안전율 해석결과, 사면의 안전율은 포화깊이에 영향을 크게 받는다. 수치해석에 의한 결과에서 강우지속시간이 길어질수록 포화 깊이가 증가함을 자세히 확인할 수 있었으며 이론식의 제한성을 확인하였다.
(3) 실제 검토대상 사면을 해석하였을 때, 건기와 우기시 안전율은 각각 1.330과 0.552이다. 이는 국토해 양부(2011)기준에 모두 부합하지 못해 보강이 필요 하다.
(4) 불포화 침투해석결과 강우지속시간에 따라 포화깊 이는 깊어진다. 따라서 사면을 설계하고 시공하는 단계와 기존의 사면을 관리하는 문제에 있어 침투 깊이를 정확히 예측하고 불포화토의 특성과 침투특성을 연관지어 사면의 안정성을 해석하는 접근이 절실히 필요하다.
Fig. 6에서 알 수 있듯이, 수치해석 프로그램과 Skempton and DeLory(1957)의 제안식을 사용해서 안전율을 구해본 결과 사면의 안전율은 포화깊이의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다. 강우지속시간이 2.
침투해석을 고려한 불포화토 설계보강을 했을 때 얼마나 효율적인지는 비교를 통해 확인하였다. 강우지속시간에 따라 비탈면의 취약부분을 찾을 수 있었기 때문에 적절한 보강이 가능하며 적용했던 실제 사면에서 침투해석 후 보강공법이 기존 보강시보다 25%의 공사비 절감을 확인할 수 있었다.
6에서 알 수 있듯이, 수치해석 프로그램과 Skempton and DeLory(1957)의 제안식을 사용해서 안전율을 구해본 결과 사면의 안전율은 포화깊이의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었다. 강우지속시간이 2.4시간일 때의 안전율은 상당한 차이(FS=1.583과 2.801)를 보이고 있었지만 4시간 이후에는 제안식과 수치해석 모두 포화깊이가 1m이상이 되면서 사면안전율이 급감하는 것을 알 수 있다.
5). 그 결과 대부분의 파괴면이 포화된 지반에서 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 2.
(2) 국내사면 설계에 일반적으로 해석되고 있는 우기시 지하수위 조건은 강우에 의해 지하수위가 지표면까지 상승한다고 가정한다. 따라서 사면의 활동파괴 면이 얕은 파괴보다는 심부에서 발생되는 것으로 검토되고 있지만, 불포화 침투해석 결과에 따르면 강우지속시간에 따라 포화깊이가 형성되고 얕은 파괴가 일어나는 포화층이 확인되기 때문에 단순 지하수위의 변화에 따른 안전율 기준만으로는 현장에서 발생하고 있는 강우와 사면의 수리-역학적 관계를 적절하게 해석하고 있지 않음을 알 수 있었다.
따라서 수치해석에 의한 포화깊이 산정과 이에 따른 안전율 해석은 Skempton and DeLory(1957)의 제안식과 비교할 때 적절한 방법으로 판단된다.
516) 와 비슷한 파괴면 형상을 보였지만 3시간후 부터 포화층의 두께가 1m이상이 넘어가면서 급격하게 안전율이 감소되었다. 또한 침투해석에서 보여주듯이 포화되는 지층에서 위험구역을 예측할 수 있으며 강우지속시간이 지속되면서 파괴형상과 사면의 안전율을 확인할 수 있었다(Fig. 12).
, 2004). 불포화 침투해석결과, 시간이 지남에 따라 지표면부터 점차적으로 사면과 거의 평행하게 포화깊이가 깊어짐을 확인할 수 있다. 해석 시 강우는 사면에 수직으로 침투되며 지반내 초기조건으로 주었던 지하수위에서 최대모관상승고(Max Negative Pressure Head)는 0.
(1) 수치해석과 이론식의 안전율 해석결과, 사면의 안전율은 포화깊이에 영향을 크게 받는다. 수치해석에 의한 결과에서 강우지속시간이 길어질수록 포화 깊이가 증가함을 자세히 확인할 수 있었으며 이론식의 제한성을 확인하였다. 특히 포화깊이가 1m이상으로 깊어지게 되면 안전율이 급감하며 2가지 해석결과가 유사하게 나타남을 알 수 있었다.
그 결과 대부분의 파괴면이 포화된 지반에서 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 2.4시간과 4시간의 경우 포화깊이가 1m 이내이기 때문에 깊은 파괴형태로 포화깊이가 사면의 안전율에 크게 영향을 미치지 못하였지만 강우지속시간이 지속되어 포화두께가 2m 이상으로 깊어지면서 파괴면의 형태가 얕은파괴일 때 최소안전율을 찾을 수 있는 결과를 얻었다. Fig.
3(b)에 나타내었다. 해석결과 국토해양부(MLTMA, 2011) 비탈면 설계기준 안전율(FS=1.5) 기준 적용시에 건기시(FS=1.516)는 안정하지만 우기시(FS=0.749)는 불안정하다는 해석결과를 Fig. 3에서 보여주고 있다. 따라서 우기시는 보강설계가 필요하다.
후속연구
이러한 해석을 통해 가장 취약한 지점을 찾아 부분 보강설계나 최적설계를 유도할 수 있으며 최고로 불안한 상태인 우기시 지표면까지 포화로 가정하여 결정한 보강설계보다 경제적이고 실용적인 설계가 이루어 질 것이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2011년 국내 사면파괴의 유형별 관측 비중은 어떠한가?
최근 우리나라의 강우특성은 강우량이 늘고 있음에도 강우일수는 줄어들어 집중호우 형태의 비가 내리고 있으며, 또한 대부분의 사면파괴가 이 기간에 일어나고 있다. 2011년에는 국내 81개 관측소 기준으로 토석류 41개소(50.6%), 자연사면 붕괴 18개소(22.2%), 인공사면 붕괴 22개소(27.2%)로 발표되었다(Hwang, 2012).
사면파괴가 발생하는 원인은 무엇인가?
대부분 사면파괴는 장마기간의 집중호우로 인해 발생하고 있다. 일정시간 강우가 지속되면, 지반의 함수비가 증가되고 모관흡수력이 감소되기 때문에 사면의 안전율은 저하된다.
최근 우리나라의 강우특성은 어떠한가?
최근 우리나라의 강우특성은 강우량이 늘고 있음에도 강우일수는 줄어들어 집중호우 형태의 비가 내리고 있으며, 또한 대부분의 사면파괴가 이 기간에 일어나고 있다. 2011년에는 국내 81개 관측소 기준으로 토석류 41개소(50.
참고문헌 (8)
GeoStudio, Version 8.0, User's guide, International Ltd., Calgery,Canada, 2012.
Green, W. H. and Ampt, C. A. (1911), "Studies on soil physics, I. Flow of air and water through soils." J. Agric. Sci., 4, pp.1-24.
Hwang, H., Jun, K., and Yune, C. (2012), "Site Investigation on Slope Hazard and Triggering Factors of 2011 in Korea", Journal of Korean Geotechnical Society (KGS) National Conference, pp.13-18.
Kim, J (2002), "Stability Analysis on Unsaturated Weathered Infinite Slopes based on Rainfall-induced Wetting", Master Thesis, Yonsei University.
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Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTMA, 2011), "Design Standard for Slope Stability in Construction", 건설공사비 탈면설계기준, South Korea.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Probability Rainfall Table (MLTMA-PR, 2011), "www.k-idf.re.kr".
Skempton. A. W. and DeLory, F. A. (1957), "Stability of natural slopes in London clay." Proc. 4th Int. Conf. on Soil Mech. and Found. Engrg., Vol.2, pp.378-381.
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