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깊이별 지반특성변화가 강우침투에 의한 사면표층 파괴에 미치는 영향
Effect of Depth-Variant Soil Properties on Shallow Failure of Slope during Rain Infiltration 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.30 no.6, 2014년, pp.41 - 49  

박가현 (서울대학교 건설환경공학부) ,  김지영 (서울대학교 공학연구소) ,  정충기 (서울대학교 건설환경공학부) ,  김경석 (한국도로공사)

초록

집중강우 시에는 사면의 얕은 심도에서 파괴가 빈번하게 발생한다. 사면의 표층 지반은 심도에 따라서 조밀해지는 특성이 있으며 지반의 투수특성과 강도특성도 달라지므로 강우시 사면의 얕은 심도에서 발생하는 파괴의 원인분석과 안정해석은 이러한 지반특성 변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 사면의 표층 부근의 지반특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자 하였으며, 표층 근처에서 심도에 따라 구한 지반특성 값을 적용하는 방식에 따라 강우침투와 사면안정해석 결과의 차이를 비교해 보았다. 실제 강우시 파괴가 발생한 사면을 대상으로 사면의 표층에서 심도별로 시료를 채취하여 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다. 해석결과 깊이별 지반의 특성 변화를 고려한 경우와 단일지층으로 가정하여 고려하는 방식에 따라 간극수압 분포, 예상파괴면, 안전율 변화에 차이가 있는 것으로 나타났으며, 깊이별 지반 특성 변화를 고려하는 경우가 실제 파괴거동과 유사한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 강우침투에 의한 표층파괴현상을 규명하고자 하는 경우 지반의 심도별 지반특성 변화를 고려할 필요가 있음을 의미한다.

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Intensive rainfall causes frequent slope failures at the shallow depths of slopes. Because soil layers at shallow depths of slopes usually become dense, and its permeability and soil strength vary according to depth, forensic studies and stability analyses of shallow slope failure need to consider t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 풍화토 사면은 깊이가 깊어짐에 따라 조밀해지며, 비록 20cm 라는 얕은 깊이에서도 투수특성 및 강도특성이 달라진다. 본 연구에서 이러한 투수특성 및 강도특성의 변화가 사면의 파괴 형상과 안전율에 영향을 크게 미치는 것을 확인하였다. 따라서 사면안정해석을 실시할 때에는 얕은 깊이라 하더라도 깊이에 따라 변화하는 지반의 특성을 반영하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
  • 심도에 따른 지반특성의 변화는 강우 침투에 따른 사면의 안정성에 큰 영향을 미치지만 기존의 사면 안정성에 관한 연구에서는 이러한 지표부근의 지반 특성 변화를 고려하지 않고 단일의 층으로 가정하여 해석하는 사례가 대부분이었다. 본 연구에서는 사면의 표층부근의 심도별 전단강도 및 투수특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자하였으며, 표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과가 어떻게 차이가 나는지를 비교하였다. 이를 위해 실제 강우시 파괴가 발생한 사면에 대하여 사면의 표층에서 심도별로 불교란 시료를 채취하고 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다.

가설 설정

  • 사면 표층파괴에 영향을 미치는 심도는 최대 2m까지로 가정하였다. 모든 해석 조건에 대하여 2m 이상 깊이에 대해서는 0.4~0.6m에서 구한 투수 및 강도특성과 동일하다고 가정하고 해석을 수행하였다.
  • 깊이별 지반조건의 변화를 고려하는 방법에 따라 사면표층파괴의 안정성을 분석하기 위하여 해석조건을 다음과 같이 세가지 CASE로 나누어 해석을 실시하였다. 사면 표층파괴에 영향을 미치는 심도는 최대 2m까지로 가정하였다. 모든 해석 조건에 대하여 2m 이상 깊이에 대해서는 0.
  • 6m보다 깊은 심도에서는 시료 채취에 어려움이 있기 때문에 투수 및 강도특성을 가정할 수밖에 없다. 실내시험 결과, 0.4~0.6m의 포화단위중량이 1.98로 매우 크게 나타났으며, 깊이가 깊어지더라도 더 큰 단위중량을 가지기 어렵다고 판단하여 0.6~2.0m 물성값을 0.4~0.6m의 지반과 동일하다고 가정하여 해석하였다.
  • 그러나 오랜 시간 동안 노출된 실제 사면 표층의 지반은 깊이에 따라 조밀해 지는 경우가 많으며, 이로 인해 깊이에 따라 강도특성과 강우 침투에 영향을 주는 투수 특성이 달라지게 된다. 이에 착안하여 사면표층에서 발생하는 얕은 깊이의 파괴는 사면 표층의 깊이별 지반조건의 변화에 영향을 받게 될 것이라 예상하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사면의 표층 지반의 특징은 무엇인가? 집중강우 시에는 사면의 얕은 심도에서 파괴가 빈번하게 발생한다. 사면의 표층 지반은 심도에 따라서 조밀해지는 특성이 있으며 지반의 투수특성과 강도특성도 달라지므로 강우시 사면의 얕은 심도에서 발생하는 파괴의 원인분석과 안정해석은 이러한 지반특성 변화를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 사면의 표층 부근의 지반특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자 하였으며, 표층 근처에서 심도에 따라 구한 지반특성 값을 적용하는 방식에 따라 강우침투와 사면안정해석 결과의 차이를 비교해 보았다.
표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과의 차이를 비교하기위해 무엇을 하였는가? 본 연구에서는 사면의 표층부근의 심도별 전단강도 및 투수특성 변화가 강우시 사면의 안정성에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석해 보고자하였으며, 표층 근처에서 구한 값을 적용하는 방식에 따라 사면의 안정해석 결과가 어떻게 차이가 나는지를 비교하였다. 이를 위해 실제 강우시 파괴가 발생한 사면에 대하여 사면의 표층에서 심도별로 불교란 시료를 채취하고 전단강도와 투수특성 등 지반특성을 구하였으며, 파괴를 유발한 강우기록을 적용하여 침투해석과 안정해석을 실시하였다.
사면파괴의 발생과정은 무엇인가? 집중 강우 시 발생하는 사면파괴는 사면의 표층부분에서 발생하는 경우가 많은데, 이러한 얕은 깊이의 사면 파괴는 강우가 지반내로 침투되면서 모관흡수력(matric suction)으로 인해 일시적으로 증가되어 있던 지반의 전단강도가 감소하면서 발생하거나 표층 부근 지층의 투수특성 변화로 인해 일시적인 지하수위(perched water table)가 형성되어 파괴가 발생하는 것으로 알려져 있다 (Ng and Shi, 1998). 자연사면이나 장기간 노출된 절토사면은 표층부근의 퇴적이나 풍화로 인해 상대적으로 느슨한 상태로 존재하며 심도가 깊어짐에 따라 조밀해지는 지층구성을 갖는 경우가 많으며, 심도에 따라 지반의 전단강도와 강우침투에 영향을 주는 함수특성 및 투수특성이 달라지게 된다(Lee, 1991).
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참고문헌 (15)

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  4. Cho, S.E. and Lee, S.R. (2001), Instability of unsaturated soil slopes due to infiltration, Computers and Geotechnics, Vol.28, No.3, pp. 185-208. 

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  9. Kim, K.S. (2012), Analysis of Rainfall Characteristics inducing Shallow Failure of Road Cut Slope, PhD Thesis, Seoul national university. 

  10. Kim, J.M. (2002), A Fully Coupled Hydrogeomechanical Numerical Analysis of Rainfall Impacts on Groundwater Flow in Slopes and Slope stability, Journal of Korean Geotechnical Engineering, Vol. 18, No.6, pp.5-16. 

  11. Lee, I.K. (1991), Mechanical behavior of compacted decomposed granite soil, PhD Thesis, City university. 

  12. Ng, C. W. W. and Shi, Q. (1998), A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient seepage, Computers and Geotechnics, Vol.22, No.1, 1-28. 

  13. Oh, S.B., Mun, J.H., Kim, T.K., and Kim, Y.K. (2008), A Case Study of Rainfall-Induced Slope Failures on the Effect of Unsaturated Soil Characteristics, Journal of Korean Society of Civil Engineers, Vol.28, No.3C, pp.167-178. 

  14. Richards, L.A. (1931), Capillary conduction of liquids in porous mediums, Journal of Applied Physics, Vol.1, No.5, pp.318-333. 

  15. Van Genuchten, M.Th. (1980), A Closed-form Equation for Predicting the Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils, Soil Science. Society of America Journal, Vol.44, No.5, pp.892-898. 

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