불포화 풍화토 사면의 모관흡수력 분포에 대한 지반조건과 강우강도의 영향 Influence of Soil Characteristic and Rainfall Intensity on Matric Suction of Unsaturated Weathered Soil Slope원문보기
본 연구에서는 강우 침투에 의한 사면의 모관흡수력 분포특성을 분석하기 위하여 수리학적-역학적 특성을 고려한 동시연계해석을 수행하였다. 이를 위해, 국내 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선(SWCC)을 산정하였으며, 이를 토대로 지반조건, 강우특성, 사면경사에 따른 모관흡수력의 변화를 관측하였다. 그 결과, 강우강도가 증가함에 따라 사면내의 모관흡수력은 급격히 감소하는 경향이 나타났으며, 사면 경사에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 강우강도보다 포화투수계수가 작은 지반은 표층에서 포화가 쉽게 일어나는 것을 확인하였으며, 다층으로 존재하는 경우에도 사면표층 지반의 수리학적 특성이 모관흡수력 분포에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 강우 침투에 의한 사면의 모관흡수력 분포특성을 분석하기 위하여 수리학적-역학적 특성을 고려한 동시연계해석을 수행하였다. 이를 위해, 국내 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선(SWCC)을 산정하였으며, 이를 토대로 지반조건, 강우특성, 사면경사에 따른 모관흡수력의 변화를 관측하였다. 그 결과, 강우강도가 증가함에 따라 사면내의 모관흡수력은 급격히 감소하는 경향이 나타났으며, 사면 경사에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 강우강도보다 포화투수계수가 작은 지반은 표층에서 포화가 쉽게 일어나는 것을 확인하였으며, 다층으로 존재하는 경우에도 사면표층 지반의 수리학적 특성이 모관흡수력 분포에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
The monolithically coupled finite element analysis for a deformable unsaturated soil slope is performed to investigate matric suction distribution on a soil slope subjected to rainfall infiltration, which can consider the hydraulic-mechanical characteristics for the analysis. The soil-water characte...
The monolithically coupled finite element analysis for a deformable unsaturated soil slope is performed to investigate matric suction distribution on a soil slope subjected to rainfall infiltration, which can consider the hydraulic-mechanical characteristics for the analysis. The soil-water characteristic curves (SWCC) are experimentally determined to estimate three types of hydraulic properties of domestic areas. Based on the physical properties, the distribution of matric suction is investigated by considering the major factors, such as soil conditions, rainfall intensities, and slope angles. It is found from the results of this study that the matric suction rapidly decreases with an increase in rainfall intensity, regardless a slope angle. The slope surface is more easily saturated when its saturated hydraulic conductivity is smaller than rainfall intensity, and for the case of multi-layered soil slope, hydraulic characteristics of slope surface has a significant influence on matric suction distribution.
The monolithically coupled finite element analysis for a deformable unsaturated soil slope is performed to investigate matric suction distribution on a soil slope subjected to rainfall infiltration, which can consider the hydraulic-mechanical characteristics for the analysis. The soil-water characteristic curves (SWCC) are experimentally determined to estimate three types of hydraulic properties of domestic areas. Based on the physical properties, the distribution of matric suction is investigated by considering the major factors, such as soil conditions, rainfall intensities, and slope angles. It is found from the results of this study that the matric suction rapidly decreases with an increase in rainfall intensity, regardless a slope angle. The slope surface is more easily saturated when its saturated hydraulic conductivity is smaller than rainfall intensity, and for the case of multi-layered soil slope, hydraulic characteristics of slope surface has a significant influence on matric suction distribution.
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문제 정의
그러므로 불포화 지반의 함수특성곡성은 체적함수비와 모관흡수력 관계의 곡선으로 표현한다. 따라서 본 절에서는 우리나라의 산지의 대부분을 차지하고 있는 화강풍화토 지반의 함수특성곡선을 산정하기 위해 서울, 김해, 여주지역의 풍화토를 대상으로 실험을 수행하였으며, 실험장치와 실험방법은 다음과 같다.
본 연구에서는 불포화 풍화토 사면에 침투하는 강우에 대하여 지반특성, 강우특성 그리고 사면경사를 고려한 사면의 침투거동특성을 분석하였다. 이에 국내의 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선을 결정하고, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 사면 내 모관흡수력의 변화 분포를 관측하였다.
본 연구에서는 우리나라 산악지역에 분포하는 화강풍화토를 대상으로 김해, 서울, 여주지역에서 채취한 3가지 흙 시료들에 대해 함수특성곡선 실험을 수행하였다. 실험 시료는 통일분류법상 SP, SW 계열로 확인되었으며 모든 시료에서 4번 체 통과율이 90%이상, 200번체 통과율이 1%미만으로 나타났다.
본 연구에서는 침투와 흙의 거동 해석을 동시에 수행하고 간극수압과 변형이 연계된 유한요소해석을 수행하였으며, 불포화토의 수리학적 특성을 대표하는 함수특성곡선 실험을 통해 국내 주요산지에 분포되어 있는 불포화 풍화토의 특성범위를 결정하였다. 이를 바탕으로 강우조건, 지반조건, 사면경사에 따른 불포화 풍화토 사면의 침투해석을 수행하여 지반 내 모관흡수력의 변화를 관측하고자 한다.
가설 설정
4와 같이 사면높이가 10m로 일정하며, 사면의 경사는 30°, 45°, 60°로 변화시켜가면서 모관흡수력에 미치는 영향을 분석하였다. 사면 전체 영역은 등방(isotropic)인 지반으로 가정하였으며, 좌우측면과 하부 경계면은 불투수 경계조건으로 이에 수직한 방향으로는 공기와 물의 흐름이 발생하지 않는다고 가정하였다. 또한 좌우측면은 수평방향 변위를, 하부 경계면은 연직방향의 변위를 구속하였다.
초기 지하수위는 건기 시를 가정하여 사면 바닥에서 3m 높이에서부터 7°경사를 가지고 선형적으로 증가하는 것으로 설정하였으며, 지하수위 상부인 불포화토 영역에서 높이에 따라 최대 모관흡수력을 -75kPa로 가정하였다(Rahardjo et al., 2007; Rahardjo et al., 2010).
제안 방법
습윤과정을 통해 함수특성곡선을 산정하는 것이 실제 지반공학적인 문제와 유사한 방법이지만 건조과정 이후에 습윤과정을 모사해야 하기 때문에 상당한 시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 건조과정을 통해 함수특성곡선을 산정하였다. 이력현상을 갖는 함수특성곡선은 약 2kPa정도의 모관흡수력 차이를 보이며(Huang et al.
지금까지는 균질한 단일 층에 대해 침투해석을 수행하였으나, 실제 현상에서는 성토나 자연퇴적에 의해 다층으로 지반이 조성되어 있는 경우가 흔하다. 따라서 본 연구에서도 사면표층을 따라 약 2m두께만큼 지반의 종류를 구분하여 침투해석을 수행하였다(Fig. 9). 사면 내부(element A)에서의 시간에 따른 모관흡수력의 변화는 Fig.
함수특성곡선은 풍화토 시료의 상대밀도에 따라 매우 민감하게 변하기 때문에(이규현등, 2007) 본 실험에서는 시료의 최소단위중량(γmin)과 최대단위중량(γmax)을 산정하고 50% 상대밀도에 해당하는 시료량을 결정하였다. 또한 균등한 다짐을 위해 3단 다짐법을 이용하였으며, 상향침투를 이용하여 시료를 포화시켰다.
또한 본 해석에서는 Fig. 4와 같이 사면높이가 10m로 일정하며, 사면의 경사는 30°, 45°, 60°로 변화시켜가면서 모관흡수력에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 침투와 흙의 거동 해석을 동시에 수행하고 간극수압과 변형이 연계된 유한요소해석을 수행하였으며, 불포화토의 수리학적 특성을 대표하는 함수특성곡선 실험을 통해 국내 주요산지에 분포되어 있는 불포화 풍화토의 특성범위를 결정하였다. 이를 바탕으로 강우조건, 지반조건, 사면경사에 따른 불포화 풍화토 사면의 침투해석을 수행하여 지반 내 모관흡수력의 변화를 관측하고자 한다.
지배방정식은 물체에 작용하는 모든 힘들은 평형을 이룬다는 평형방정식(balance equation)과 물체의 질량이 시간에 따라 변하지 않는다는 질량보존의 법칙(balance of mass)을 기본가정으로 하고 있다. 불포화 지반의 유한요소해석을 위하여 침투에 의한 지반의 거동과 수리학적-역학적(hydro-mechanical) 특성을 동시에 고려하여 해석할 수 있는 수치해석 코드를 구성하였으며 지배방정식은 다음과 같다(Kim, 2010).
이 곡선의 형태를 결정짓는 중요한 요소는 공기 함입치(air-entry value)와 잔류체적함수비(residual volumetric water content)로 나눌 수 있다. 불포화 풍화토의 특성을 산정하기 위하여 다양한 입도분포, 다짐함수비, 간극비를 가진 시료를 서울, 여주, 김해 지역에서 채취하여 실험하였으며, 입도분포와 간극비를 인위적으로 조성하여 추가 실험을 수행하여 함수특성곡선을 표현하였다. Fig.
토립자의 입경이 비교적 크고 균등한 사질토질의 여주풍화토는 작은 모관흡수력의 변화에도 큰 체적함수비의 변화를 보이고, 사질토질에 비해 입경이 작은 실트질이나 점토질을 포함하는 서울 시료는 동일한 모관흡수력의 변화에 따른 체적함수비의 변화가 적고 사질토질에 비하여 큰 잔류함수비를 갖는다. 실험데이터는 van Genuchten(1980)의 함수특성곡선 식을 이용하여 통일분류법상 SP에 해당하는 서울지역(Type A)과 SW에 해당하는 여주, 김해 지역(Type B)의 함수특성곡선으로 구분하였다. Table 2에 나타낸 바와 같이 함수특성곡선의 공기 함입치는 Type A지반이 Type B지반보다 약 6.
본 연구에서는 불포화 풍화토 사면에 침투하는 강우에 대하여 지반특성, 강우특성 그리고 사면경사를 고려한 사면의 침투거동특성을 분석하였다. 이에 국내의 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선을 결정하고, 유한요소해석 프로그램을 이용하여 사면 내 모관흡수력의 변화 분포를 관측하였다. 본 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
지반조건, 강우특성, 사면경사에 따른 불포화 풍화토 사면의 모관흡수력 분포변화를 분석하기 위해서 3장에서 제시한 동시해석 프로그램을 이용하여 침투해석을 수행하였다. 지반조건은 2장에서 언급한 바와 같이 국내 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선 실험을 통해 Type A와 Type B로 지반을 구분하였다.
함수특성곡선은 풍화토 시료의 상대밀도에 따라 매우 민감하게 변하기 때문에(이규현등, 2007) 본 실험에서는 시료의 최소단위중량(γmin)과 최대단위중량(γmax)을 산정하고 50% 상대밀도에 해당하는 시료량을 결정하였다.
대상 데이터
지반조건, 강우특성, 사면경사에 따른 불포화 풍화토 사면의 모관흡수력 분포변화를 분석하기 위해서 3장에서 제시한 동시해석 프로그램을 이용하여 침투해석을 수행하였다. 지반조건은 2장에서 언급한 바와 같이 국내 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선 실험을 통해 Type A와 Type B로 지반을 구분하였다. 강우특성은 강우강도와 지속시간으로 나눌 수 있는데, 강우강도는 일상에서 자주 발생되는 10mm/h와 얕은 사면파괴를 유발할 가능성이 큰 30mm/h, 50mm/h를 사용하였다(정상섬 등, 2009).
함수특성곡선 산정을 위하여 시료의 모관흡수력을 조절할 수 있는 GCTS SWC-150 장비(Pham and Fredlund, 2004)를 이용하였으며, Fig. 1과 같이 압력조절장치(pressure panel), 하중재하장치(Loading shaft), 부피측정장치(Volume tube), 압력셀(pressure chamber), 세라믹디스크(HAVE disks)등으로 구성되어 있다. Pressure chamber는 실험장치 안에 세라믹디스크를 이용하여 높은 압력과 장시간 실험을 통해 함수특성곡선을 측정할 수 있도록 한다.
이론/모형
임을 가정할 수 있다. 결과적으로 수리학적-역학적 흙의 거동을 비선형 접근 방법인 반 내재적 방법(semi-implicit time integration)으로 결과를 도출하였다(Kim, 2010).
유한요소 해석을 위하여 흙의 변위와 내부 간극수압을 계산할 수 있는 비선형 약형(coupled nonlinear weak form)을 유도하기 위해 가중잔류항법(method of weighted residual)을 적용하였으며, 2가지 미지수에 대해 행렬함수(matrix form) 형태인 유한요소 방정식으로 표현하기 위해서 형상함수(shape function)를 적용하였다. 각 요소(element)들이 가지고 있는 내력(internal force)과 외력(external force) 벡터들의 평형조건에 의하여 계산 값들을 누적시키면 연계된 비선형 포물선 미분방정식(coupled nonlinear parabolic partially differential equation)을 전체 요소에 대해 Eq.
성능/효과
(1) 강우 시, 사면내부의 모관흡수력은 강우강도가 증가함에 따라 감소하는 비율이 증가하여 빠른 시간에 사면 표층지반을 포화시키며, 사면을 구성하는 불포화 지반의 수리학적 특성에 따라 사면 내부를 포화시키는 시간을 지연시킴을 알 수 있었다.
(2) 강우강도가 지반의 포화투수계수보다 큰 경우, 사면의 경사에 따른 모관흡수력의 변화는 미미하며, 모관흡수력은 경사에 의한 영향보다는 지반의 수리학적 특성과 강우강도가 흙의 강도에 큰 영향을 미친다.
(3) 지반의 포화투수계수가 강우강도보다 큰 경우에는 모관흡수력이 감소하는 시간은 빠르나, 포화투수계수가 강우강도보다 작은 경우에는 표층지반의 포화가 먼저 발생한다. 결과적으로, 투수계수가 작은 지반에서 포화가 쉽게 일어나는 것을 의미하며, 다층지반에서도 모관흡수력의 변화는 원지반의 특성보다는 사면표층 지반 특성에 따라 크게 좌우된다.
Fig. 7(a)에서와 같이 사면 내부(element A)에서의 모관흡수력은 투수계수가 강우강도보다 큰 Type B(ks = 5.12 x 10-5 m/sec)지반에서 빠르게 감소하였으며, Type A(ks = 4.67 x 10-6 m/sec)지반에서는 강우가 시작된 18시간 이후에 모관흡수력이 감소하기 시작하였다. 최종적으로는 투수계수가 강우강도보다 작은 Type A지반에서 먼저 포화가 발생하였다.
8은 사면 상부지반의 각 요소에서 발생한 최종 수직변위를 도시한 것이다. Type A지반의 변위가 Type B지반보다 최대 8mm 크게 발생하였으며, 사면 표층에서 멀어질수록 변위가 증가하는 경향을 나타냈다. 변위는 강우에 의해 침투가 발생하면서 초기 간극률이 변하게 되고 간극률의 변화는 지반의 함수특성곡선과 불포화투수계수 등을 변화시키며, 요소(element)의 강성행렬(stiffness matrix)계산에 영향을 미치기 때문에 지반조건에 따라 변위 발생 정도가 다르게 나타났다.
(3) 지반의 포화투수계수가 강우강도보다 큰 경우에는 모관흡수력이 감소하는 시간은 빠르나, 포화투수계수가 강우강도보다 작은 경우에는 표층지반의 포화가 먼저 발생한다. 결과적으로, 투수계수가 작은 지반에서 포화가 쉽게 일어나는 것을 의미하며, 다층지반에서도 모관흡수력의 변화는 원지반의 특성보다는 사면표층 지반 특성에 따라 크게 좌우된다.
Cho and Lee(2001)의 연구결과에서는 포화투수계수가 강우강도보다 작을 때 사면 표층에서의 모관흡수력이 급격히 감소하여 먼저 포화가 발생한다고 보고하고 있다. 그렇지만 본 연구결과에서는 초기 모관흡수력(0~24시간)이 투수계수가 큰 Type B 지반에서 빠르게 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 모관흡수력의 변화는 지반조건에 따라 다르게 나타나며, 불포화 지반의 투수계수와 함수특성곡선의 공기함입치, 잔류체적함수비, 포화체적함수비에 크게 의존하기 때문에 침투해석 시 사용된 함수특성곡선의 차이로 인해 모관흡수력의 감소경향이 상이하게 나타난 것으로 판단된다.
본 연구에서는 우리나라 산악지역에 분포하는 화강풍화토를 대상으로 김해, 서울, 여주지역에서 채취한 3가지 흙 시료들에 대해 함수특성곡선 실험을 수행하였다. 실험 시료는 통일분류법상 SP, SW 계열로 확인되었으며 모든 시료에서 4번 체 통과율이 90%이상, 200번체 통과율이 1%미만으로 나타났다. 각 시료의 기본적인 물리적 특성들은 Table 1에 정리하였으며, Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강우 시 사면안정 해석은 무엇을 이용하였는가?
기존의 강우 시 사면안정 해석은 지하수위를 기준으로 저면부는 포화상태로, 지하수위상부는 건조 상태로 가정 한 후 주로 한계평형법을 이용하였으나, 이러한 해석은 불포화 사면 파괴의 주요한 원인이 되는 영향인자들을 적절히 고려할 수 없기 때문에 침투로 인한 불포화 사면의 거동 변화를 합리적으로 고려하기가 어렵다. 따라서 불포화토의 침투거동을 해석적으로 접근하려는 연구가 진행되어 왔다 (Lam et al.
강우 침투에 의한 사면의 모관흡수력 분포특성을 분석하기 위해 수리학적-역학적 특성을 고려한 동시연계해석을 수행한 결과는 무엇인가?
이를 위해, 국내 3가지 지역에서 채취한 풍화토를 대상으로 함수특성곡선(SWCC)을 산정하였으며, 이를 토대로 지반조건, 강우특성, 사면경사에 따른 모관흡수력의 변화를 관측하였다. 그 결과, 강우강도가 증가함에 따라 사면내의 모관흡수력은 급격히 감소하는 경향이 나타났으며, 사면 경사에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 또한 강우강도보다 포화투수계수가 작은 지반은 표층에서 포화가 쉽게 일어나는 것을 확인하였으며, 다층으로 존재하는 경우에도 사면표층 지반의 수리학적 특성이 모관흡수력 분포에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
강우 시 사면안정 해석의 문제점은 무엇인가?
기존의 강우 시 사면안정 해석은 지하수위를 기준으로 저면부는 포화상태로, 지하수위상부는 건조 상태로 가정 한 후 주로 한계평형법을 이용하였으나, 이러한 해석은 불포화 사면 파괴의 주요한 원인이 되는 영향인자들을 적절히 고려할 수 없기 때문에 침투로 인한 불포화 사면의 거동 변화를 합리적으로 고려하기가 어렵다. 따라서 불포화토의 침투거동을 해석적으로 접근하려는 연구가 진행되어 왔다 (Lam et al.
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