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습윤상태를 고려한 불포화 토사사면의 불안정성 해석
Instability Analysis of Unsaturated Soil Slope Considering Wet Condition 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.4, 2013년, pp.1489 - 1498  

김용민 (연세대학교 토목환경공학과) ,  김재홍 (연세대학교 기후변화 적응형 사회기반시설 연구센터)

초록
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본 연구에서는 불포화 사면에서 선행강우의 영향을 고려하고자 지반의 초기 포화도를 3가지(36, 51, 77%)로 설정하여 수리학적-역학적 동시 유한요소해석(monolithically coupled finite element analysis)을 수행하였다. 선행강우에 의한 불포화 사면의 불안정성은 사면 내 모관흡수력 분포와 사면표층의 변위를 통하여 확인할 수 있다. 또한 Drucker-Prager model의 항복경계기준(trial failure criterion)을 적용하여 강우 침투에 의한 불포화 사면의 탄성 및 소성거동을 파악하였다. 그 결과, 선행강우에 의한 지반의 초기 포화도가 클수록 강우에 의한 변위가 크게 발생하며 모관흡수력 또한 감소한다. 특히, 모관흡수력은 지반이 건조할수록 빠르게 감소하며, 초기에 동일한 모관흡수력을 갖는 사면표층에서 포화도가 작은 지반일수록 더 빠른 모관흡수력 감소를 보였다. 풍화토의 탄성과 소성거동을 구분하기 위해 사용된 Drucker-Prager model을 통해 사면 파괴가 시작되는 항복경계지점을 확인 할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The monolithically coupled finite element analysis for a deformable unsaturated soil slope is performed to investigate the effect of antecedent rainfall which is assumed by initial conditions varying degree of saturation (36, 51, 77%) in finite element analysis. The distributions of matric suction a...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 일반적으로 강우로 인한 사면의 불안정성은 침투수로 인한 표층 포화로부터 시작된다. 그래서 사면의 표층의 상단(A element)과 하단(B element)의 모관흡수력의 변화를 비교하고자 하였다. 각 요소에서 측정한 모관흡수력은 4개의 절점(node)에서 얻은 평균값을 사용하여 도시하였다.
  • 본 연구에서는 서울지역에 분포하는 화강풍화토를 채취해 3가지 흙 시료들에 대해 함수특성곡선 실험을 수행하였다. 각 시료의 기본적인 물리적 특성들은 Table 1에 정리하였으며, Figure 2에 시료에 대한 입도분포곡선을 도시하였다.
  • 함수특성곡선(soil-water characteristic curve)은 불포화 지반의 수리학적 특성과 역학적 특성을 결정하는 고유한 물성이라 할 수 있으며, 대부분 실내 실험을 통해 체적함수비에 따른 모관흡수력의 관계로 나타낼 수 있다. 본 절에서는 우리나라의 산지의 대부분을 차지하고 있는 화강풍화토 지반의 함수특성곡선을 산정하기 위해 서울 내 여러 지역의 풍화토를 대상으로 실험을 수행하였으며, 실험장치와 실험방법은 다음과 같다.

가설 설정

  • Figure 4와 같이 사면높이가 20m로 일정하며, 사면의 경사는 40°로 결정하고 사면 전체 영역은 등방(isotropic)인 지반으로 가정하였으며, 좌우측면과 하부 경계면은 불투수 경계조건으로 이에 수직한 방향으로는 공기와 물의 흐름이 발생하지 않는다고 가정하였다.
  • 강우특성은 강우강도와 지속시간으로 나눌 수 있는데, 강우강도는 일상에서 자주 발생되는 20mm/hr로 지반을 포화시킬 수 있는 크기로 설정하여 얕은 사면파괴를 유발할 가능성이 있는 조건이다. 강우지속시간은 강우강도에 의해 사면 표층부가 임의 깊이까지 완전 포화될 수 있는 24시간으로 가정하였다.
  • 그래서, 토립자를 연속체로 가정하는 유한요소해석에서 ftr ≥ 0 (trial failure function) 의미는 소성거동이 시작하는 순간으로 가정할 수 있다.
  • 잔류체적함수비는 모관흡수력이 큰 조건에서 측정할 수 있기 때문에 실험장비 및 실험여건의 제한으로 잔류체적함수비를 확인하지 못하여 ‘0’으로 가정하였다.
  • 또한 좌우측면은 수평방향 변위를, 하부 경계면은 수평과 연직방향의 변위를 구속하였다. 초기 지하수위는 건기 시를 가정하여 사면 바닥에서 10m 높이에서 수평하게 위치하였고, 지하수위 상부인 불포화토 영역에서 높이에 따라 최대 모관흡수력을 60kPa, 최소 20kPa로 가정하였다(Kim et al., 2012). Table 3은 해석에 사용된 강도정수와 흙의 물리적 성질을 나타내고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
함수특성곡선은 무엇인가? 함수특성곡선(soil-water characteristic curve)은 불포화 지반의 수리학적 특성과 역학적 특성을 결정하는 고유한 물성이라 할 수 있으며, 대부분 실내 실험을 통해 체적함수비에 따른 모관흡수력의 관계로 나타낼 수 있다. 본 절에서는 우리나라의 산지의 대부분을 차지하고 있는 화강풍화토 지반의 함수특성곡선을 산정하기 위해 서울 내 여러 지역의 풍화토를 대상으로 실험을 수행하였으며, 실험장치와 실험방법은 다음과 같다.
우리나라의 산지의 대부분을 차지하고 있는 지반은 무엇인가? 함수특성곡선(soil-water characteristic curve)은 불포화 지반의 수리학적 특성과 역학적 특성을 결정하는 고유한 물성이라 할 수 있으며, 대부분 실내 실험을 통해 체적함수비에 따른 모관흡수력의 관계로 나타낼 수 있다. 본 절에서는 우리나라의 산지의 대부분을 차지하고 있는 화강풍화토 지반의 함수특성곡선을 산정하기 위해 서울 내 여러 지역의 풍화토를 대상으로 실험을 수행하였으며, 실험장치와 실험방법은 다음과 같다.
GCTS SWC-150 장비는 무엇을 이용하여 함수특성곡선을 측정 할 수 있는가? Figure 1에 나타낸 바와 같이 압력조절장치(pressure panel), 부피측정장치(volume tube), 세라믹디스크(HAVE disks)등으로 구성되어 있는 GCTS SWC-150 장비(Pham and Fredlund, 2004) 를 이용하여 실내실험을 수행하였다. Pressure chamber의 높은 압력을 이용하여 장시간 실험을 통해 함수특성곡선을 측정 할 수 있으며, 화강풍화토 실험에 적합한 실트질모래용(300~500kPa) 세라믹디스크를 사용하였다. 포화된 시료에 공기압을 가하여 불포화상태로 만들어 배출된 간극수의 부피는 pressure cell 밑 부분에 연결된 2개의 뷰렛을 통해 산정할 수 있다.
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참고문헌 (23)

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