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문제 정의
- 본 연구에 사용된 시료의 물리적 특성을 파악하기 위한 실내시험을 하였다. 시료의 대표성과 균질성을 확보하기 위해 교란시료는 붕괴된 비탈면 내에서 잔류토를 채취하였고, 불교란 시료의 경우 비탈면 외곽에서 불교란 시료채취기로 채취하였다.
- 본 연구에서는 퇴적암을 기반으로 하는 풍화잔적토를 대상으로 강우특성을 고려한 불포화 잔적토의 비탈면 안정성을 검토하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 먼저 불포화토의 기본물성 획득을 위한 실내시험 및 분석을 하고 함수특성시험과 불포화 삼축압축시험을 수행하여 불포화토의 거동특성을 연구하였다. 또 실제 붕괴된 비탈면을 대상으로 침투해석과 안정해석을 수행하여 풍화 잔적토에 대하여 강우특성을 고려한 비탈면의 안정성을 검토하였다.
- 입도분석은 세립분이 많은 것을 감안하여 시료를 물로 씻은 후 조립분 시료는 체분석시험, 세립분 시료는 비중계시험을 실시하였다. 또 현장들밀도 시험을 실시하여 습윤밀도와 건조밀도를 구하고 시료의 자연함수비를 구하였다.
- 이에 경북 포항시 동해면 약전지역에서 퇴적암을 기반으로 하는 풍화 잔적토를 대상으로 사례해석을 수행하였다. 먼저 불포화토의 기본물성 획득을 위한 실내시험 및 분석을 하고 함수특성시험과 불포화 삼축압축시험을 수행하여 불포화토의 거동특성을 연구하였다. 또 실제 붕괴된 비탈면을 대상으로 침투해석과 안정해석을 수행하여 풍화 잔적토에 대하여 강우특성을 고려한 비탈면의 안정성을 검토하였다.
- 비탈면의 안전율이란 비탈면이 활동하려고 하는 힘과 활동에 저항하려는 힘의 비율, 즉 주어진 활동면에 대해서 흙의 전단강도를 현재의 전단응력으로 나눈 값을 말한다. 본 연구에서는 SEEP/W프로그램으로 침투해석한 결과를 바탕으로 불포화 상태를 고려할 수 있는 한계평형해석 프로그램인 SLOPE/W를 이용하여 비탈면의 안정해석을 수행하였다.
- 불포화토의 체적함수비 및 모관흡수력에 따른 강도 변화를 측정하기 위해 일반 삼축압축시험기를 불포화토의 시험 조건에 맞도록 개량하였다. 시험 장비는 일본 SEIKEN사에서 제작한 DTC-367L 모델의 자동화 진동 삼축압축 시험기로서 압력셀, 축하중 가압장치, 체적변화 측정장치 등으로 구성되어 있다.
- 041이다. 습윤과정에서 얻은 시험성과를 비탈면 침투해석에 적용하였다.
- 가압장치로 사용되는 상부 배수라인은 레귤레이터로 조절하면서 공기압을 가할 수 있도록 되어 있고, 하부 배수라인으로는 압밀 및 전단 시 시료내부에서 배수되는 간극수를 배출한다. 시료 내에 공기압과 간극수압을 유입시켜 시료가 일정한 포화도에 이르게 한 뒤 시료가 평형 상태에 도달하면, 변형률을 제어하면서 각종 측정장치를 사용하여 전단시험을 하였다.
- 이 때 토립자가 유실되지 않도록 눈금 75μm의 황동제 망을 위아래에 놓고 시료용기의 뚜껑과 밑판 이음부에 그리이스를 바른 뒤 꼭 조여 물이 새지 않도록 하였다.
- 시료의 대표성과 균질성을 확보하기 위해 교란시료는 붕괴된 비탈면 내에서 잔류토를 채취하였고, 불교란 시료의 경우 비탈면 외곽에서 불교란 시료채취기로 채취하였다. 입도분석은 세립분이 많은 것을 감안하여 시료를 물로 씻은 후 조립분 시료는 체분석시험, 세립분 시료는 비중계시험을 실시하였다. 또 현장들밀도 시험을 실시하여 습윤밀도와 건조밀도를 구하고 시료의 자연함수비를 구하였다.
- 직접전단시험(Direct shear test)은 전단상자의 단면적 3,571 mm2 , 두께 24mm의 시료에 대하여, 전단속도 1mm/min의 변형률 제어방식으로, 수직하중 50, 100, 150kPa을 재하하면서 각각 교란시료와 불교란 시료를 포화 상태에서 시험하였다.
- 16×10-9m/s이다. 초기 강우량이 적을 경우 부정류 해석에 영향을 미치는 것을 감안하여, 부정류 해석기간은 사면파괴 전 90일, 파괴 후 30일을 기준으로 2011년 4월 1일부터 7월 29일까지의 120일간으로 하였으며, 이 기간 동안의 누계강우량은 714.5mm이고, 강우현황은 Fig. 9와 같다.
- 투수계수는 van Genuchten 함수특성곡선으로부터 Mualem투수함수식에 의해 추정하는 방법으로 구한 투수계수를 예비해석 과정에서 계수연구를 통하여 산정한 값을 적용하였고 암반층의 투수계수는 k =1.0×10-7m/s를 적용하였다.
- 포화시료에 대하여, 75μm체 통과량 50% 이상의 세립토이고 통일분류법에 의한 MH에 해당되어 변수위 투수시험을 수행하였다.
- 함수특성시험은 셀 밑판에 공기함입 저항치가 높은 다공판을 설치하고 그 위에 포화된 시료를 올려놓은 뒤, 셀 내부에 공기압을 가하여 압력 크기에 따라 시료에서 추출되는 물의 양을 측정하여 음(-)의 간극수압을 측정하는 방법인 압력판 추출시험기를 이용하여 수행하였다. 압력판 추출시험 기의 구조는 크게 익스트랙터, 에어트랩, 발라스트 튜브, 뷰렛으로 구성되어 있는데 익스트랙터는 실린더 형태의 셀로서 셀 내부에 공기압을 주입할 수 있도록 레귤레이터와 연결되어 있고, 밑판에는 세라믹디스크가 있어 공기압에 따라 시료 내의 물이 밖으로 배출될 수 있도록 한 장치이다.
- 침투해석은 Geostudio 2007(Geo-slope사) 프로그램을 이용하여 수행하였다. 해석에 사용된 토사 층에 대하여 압력판 추출시험으로 구한 함수특성곡선과 RETC프로그램으로 구한 곡선맞춤변수를 적용하였다.
- 포화시료에 대하여, 75μm체 통과량 50% 이상의 세립토이고 통일분류법에 의한 MH에 해당되어 변수위 투수시험을 수행하였다. 현장에서 채취한 시료를 24시간 노 건조 시킨 다음, 자연함수비 조건으로 원통 용기 안에 넣고 균등하게 다짐봉으로 다져 현장밀도에 맞게 재 성형한 후, 세립분시료임을 감안하여 48시간 수조에 수침하였다. 또 흙 속에 있는 잔류 공기를 물속으로 확산시켜 완전히 포화시키기 위해 진공도 100kPa 정도의 진공펌프를 이용하여 수침감압방식으로 포화시켰다.
대상 데이터
- 시험 장비는 일본 SEIKEN사에서 제작한 DTC-367L 모델의 자동화 진동 삼축압축 시험기로서 압력셀, 축하중 가압장치, 체적변화 측정장치 등으로 구성되어 있다. 개량된 압력셀 하부 좌대에는 공기가 통과할 수 없도록 높은 공기 함입치를 갖는 6.35mm 두께의 500kPa 용 세라믹디스크를 포화시켜서 설치하고 상부 캡은 다공판을 사용하였다. 가압장치로 사용되는 상부 배수라인은 레귤레이터로 조절하면서 공기압을 가할 수 있도록 되어 있고, 하부 배수라인으로는 압밀 및 전단 시 시료내부에서 배수되는 간극수를 배출한다.
- 본 연구에 사용된 시료의 물리적 특성을 파악하기 위한 실내시험을 하였다. 시료의 대표성과 균질성을 확보하기 위해 교란시료는 붕괴된 비탈면 내에서 잔류토를 채취하였고, 불교란 시료의 경우 비탈면 외곽에서 불교란 시료채취기로 채취하였다. 입도분석은 세립분이 많은 것을 감안하여 시료를 물로 씻은 후 조립분 시료는 체분석시험, 세립분 시료는 비중계시험을 실시하였다.
- 불포화토의 체적함수비 및 모관흡수력에 따른 강도 변화를 측정하기 위해 일반 삼축압축시험기를 불포화토의 시험 조건에 맞도록 개량하였다. 시험 장비는 일본 SEIKEN사에서 제작한 DTC-367L 모델의 자동화 진동 삼축압축 시험기로서 압력셀, 축하중 가압장치, 체적변화 측정장치 등으로 구성되어 있다. 개량된 압력셀 하부 좌대에는 공기가 통과할 수 없도록 높은 공기 함입치를 갖는 6.
- 이에 경북 포항시 동해면 약전지역에서 퇴적암을 기반으로 하는 풍화 잔적토를 대상으로 사례해석을 수행하였다. 먼저 불포화토의 기본물성 획득을 위한 실내시험 및 분석을 하고 함수특성시험과 불포화 삼축압축시험을 수행하여 불포화토의 거동특성을 연구하였다.
- 정상류 해석기간은 2011년 3월 1일부터 3월 31일까지의 1개월로, 누계 강우량은 16.5mm이고 강우강도는 6.16×10-9m/s이다.
데이터처리
- 압력판 추출시험으로 함수특성곡선을 구한 뒤 RETC 프로그램을 이용하여 van Genuchten모델로 회귀분석하여 맞춤변수를 구하였다. 자연상태에서 흙 입자 표면에 결합되어 있는 흡착수의 모관흡수력 한계가 3,100kPa임을 감안하면 SWRC에서의 잔류체적함수비 θr은 약 30% 임을 알 수 있다.
- 침투해석은 Geostudio 2007(Geo-slope사) 프로그램을 이용하여 수행하였다. 해석에 사용된 토사 층에 대하여 압력판 추출시험으로 구한 함수특성곡선과 RETC프로그램으로 구한 곡선맞춤변수를 적용하였다.
이론/모형
- 불포화토의 투수계수는 van Genuchten 모델에 의한 SWRC를 이용한 투수함수식(VG 모델)을 토대로 상대투수계수를 예측할 수 있다(VGM모델). 그러나 VGM모델은 모관흡수력이 매우 낮은 포화상태에서는 상대 수리전도도 kr값이 급격하게 감소하므로 모관흡수력의 전반적인 범위에서 수리 전도도를 크게 과소평가하는 경향이 나타난다.
- 또 포화상태 부근에서는 수리전도도가 급격히 변화하므로 수치적인 불안정성을 일으켜 해가 수렴하지 않거나 불규칙적인 진동이 일어난다. 이를 보완하기 위해 VGM모델을 이용하여 수정 투수계수를 산정하였다(수정VGM모델). 수정VGM모델은 모관흡수력이 낮을 때 수정곡선이 서서히 변화하고 포화상태에서는 1의 값을 유지하고 있으므로 수치적인 안정성을 개선할 수 있다(Lee et al.
성능/효과
- (1) 불포화토의 삼축압축시험 결과, 모관흡수력 증가에 따라 순체적응력과 축차응력이 증가하고 겉보기점착력도 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 포화토와 달리 불포화토에서는 모관흡수력이 증가하면 전단강도도 증가함을 알 수 있다.
- (2) 흡수응력 분석 결과, 세립토에서 삼축압축시험에 의한 값과 함수특성곡선에 의한 SSCC값이 모관 흡수력 100kPa의 부근에서 비교적 일치하였다.
- (3) 불포화토층의 강우침투해석 결과, 지표면 부근에서 강우의 영향을 크게 받고, 높은 음의 간극수압에서 적은 양의 강우에도 증가폭이 크게 나타났다. 또 일정깊이 이하의 심도에서 지하수위 상승을 제외하면 강우의 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
- (4) 불포화토층의 비탈면 안정해석 결과, 비탈면 파괴 발생일에서 안전율이 1.0 이하로 낮아지는 것을 확인할 수있었고 강우량에 따라 안전율이 변화하는 것을 볼 수 있는데, 이는 비탈면 파괴 원인으로 강우에 따른 모관흡수력의 감소로 인한 영향이 큼을 알 수 있다.
- (5) 비탈면에서 파괴면을 실제 파괴형상에 맞게 고정하여 안정 해석한 결과, 파괴면에서 간극수압의 변화 추이와 안전율의 변화추이가 유사하게 나타났다.
- (6) 불포화토의 모관흡수력이 증가하는 만큼 비탈면의 전단강도도 커지게 되므로 비탈면의 안전율도 전단강도 증가분만큼 커짐을 알 수 있다.
- 부정류 해석으로부터 비탈면 파괴일에서 a점의 간극수압은 (-)43에서 (-)1kPa로 변화하였고 d점의 경우 (+)4에서 (+)41kPa로 변화하여 각각 42, 37kPa의 증가량을 나타냈다. 강우 후에도 비탈면 내에서 침출수가 유출되어 표면이 습윤상태인 것을 현지에서 여러 차례 목격하였는데, 집중강우가 내릴 때에 비탈면 상부가 지하수위 상승으로 포화됨을 확인할 수 있었다. Fig.
- 12는 부정류해석 초기와 비탈면 파괴 시의 체적함수비를 나타낸 것이다. 강우초기에는 지하수위가 하부 지표면에 있었으나, 파괴 직전에 2일간 내린 230mm의 집중강우로 절취비탈면의 8m 높이까지 포화되고 모든 관찰점들에서 체적함수비는 39.9%로 포화되는 것으로 나타났다.
- 기본물성시험 결과 75μm체 통과량이 62.24%의 소성이 큰 모래질 실트로서, 배수성이 불량하며 균등계수가 크고 곡률계수가 0.69로 입도가 불량하다.
- (2012)은 국내 풍화토를 대상으로 흡수응력 특성 곡선을 구하고, 파괴규준이 유효응력에 의거하여 포화토 규준으로 유일하게 정의됨을 확인하였다. 또 전단강도로부터 구한 흡수응력특성곡선과 함수특성곡선으로부터 구한 흡수 응력특성곡선이 일치함을 확인하였다. 특히 실제 거동에서 유효응력에 의한 파괴규준이 모관흡수력에 상관없이 포화토 규준과 동일하고 유일하게 정의되므로 불포화지반 문제를 포화토와 동일한 이론과 해법으로 해결하는 것이 가능함을 증명하였다.
- 부정류 해석기간의 간극수압은 강우 시 지표에 가까운 a, b, c점에서 강우침투에 의한 영향을 크게 받는 것으로 나타났고, 비교적 깊은 d점은 지하수위 상승에 의한 영향을 받는 것으로 나타났다. 또 지표면에 가까울수록 간극수압의 변동 폭이 크고 강우가 종료된 뒤에는 해석초기의 형태로 회복되는 것을 확인할 수 있다.
- 모관 흡수력 200kPa에서 시험 값이 특성곡선 값보다 25% 정도 높고, 100kPa에서는 거의 유사한 것으로 나타났는데 75μm 체 통과율 50%의 세립토에서 삼축시험 결과와 함수특성곡선으로 부터 추정한 흡수응력특성곡선 값이 100kPa 부근에서 비교적 일치하는 것으로 나타났다.
- 부정류 해석기간의 간극수압은 강우 시 지표에 가까운 a, b, c점에서 강우침투에 의한 영향을 크게 받는 것으로 나타났고, 비교적 깊은 d점은 지하수위 상승에 의한 영향을 받는 것으로 나타났다. 또 지표면에 가까울수록 간극수압의 변동 폭이 크고 강우가 종료된 뒤에는 해석초기의 형태로 회복되는 것을 확인할 수 있다.
- 2∼(+)41kPa로 차이가 크게 나타났다. 비탈면 파괴일을 기준으로 모관흡수력에 따른 SSCC와 해석결과들을 비교하면, 점 a에서 d까지 모관흡수력 (-)1, (+)10, (+)26, (+)41kPa에서의 해석결과들은 (-)1, 11, 26, 41kPa이고 SSCC에서는 1, 10, 23, 36kPa로 나타났는데 두 방법이 서로 유사함을 알 수 있다.
- 안정해석 결과, 부정류 해석초기의 안전율은 1.76이고 비탈면 파괴 직전에는 1.28이었으나, 173mm의 집중강우로 안전율은 0.89까지 급격히 감소한 후에 파괴가 발생하였다. Fig.
- 또 전단강도로부터 구한 흡수응력특성곡선과 함수특성곡선으로부터 구한 흡수 응력특성곡선이 일치함을 확인하였다. 특히 실제 거동에서 유효응력에 의한 파괴규준이 모관흡수력에 상관없이 포화토 규준과 동일하고 유일하게 정의되므로 불포화지반 문제를 포화토와 동일한 이론과 해법으로 해결하는 것이 가능함을 증명하였다.
- 8°이었다. 포화토의 토질정수를 비교해 보면 점착 력의 경우 교란 시료보다 불교란 시료가 더 크고, 내부마찰각의 경우도 교란시료보다 불교란 시료가 크게 나타났다.
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