우리나라의 화강풍화토 지반의 사면붕괴 형태는 대부분 절토사면에서 발생하는 경우가 많고 풍화작용의 영향을 받는 표층부 지반 안정성을 파악하는 것이 중요하다. 표층부에서 채취한 시료를 이용하여 기본 물성시험 및 점착력과 내부마찰각 시험을 수행하였고, 현장조사 결과를 토대로 자연사면의 안정성 검토를 수행여 형태별 패턴(쐐기형, 무한사면형, 유한사면형)을 분류 하였다. 또한 분류된 패턴별로 수치해석을 수행하였으며 그 결과를 토대로 최소안전율과 사면경사각의 관계를 개괄적인 안정도 추정에 기초 자료로서 제공하고자 하였다. 본 연구에서 산정된 강도정수들은 몇 개의 특정사면의 경우에 대한 것으로서 모든 사면의 안정해석에 그대로 적용 가능한 것은 아니다. 그러나 현실적으로 모든 경사면과 강도정수에 대해서 실험을 실시하는 것은 어려울 뿐만 아니라 비용면에서도 불가능한 실정이다. 따라서 사면안정에 영향을 미치는 단위중량, 점착력, 내부마찰각의 변화와 사면 경사각의 변화에 따른 위험도 평가를 정립하기 위해서는 수치모델링과 같은 방법을 사용하여 현장조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 패턴별 위험도 평가기준이 작성된다면 대단히 유용할 것이다. 따라서 대표적인 사면형태(TYPE-I~IV)와 사면경사각에 강도정수를 적용하여 최소 안전율을 제시한다면 자연사면의 간이 안정해석이 가능 할 것으로 사료된다.
우리나라의 화강풍화토 지반의 사면붕괴 형태는 대부분 절토사면에서 발생하는 경우가 많고 풍화작용의 영향을 받는 표층부 지반 안정성을 파악하는 것이 중요하다. 표층부에서 채취한 시료를 이용하여 기본 물성시험 및 점착력과 내부마찰각 시험을 수행하였고, 현장조사 결과를 토대로 자연사면의 안정성 검토를 수행여 형태별 패턴(쐐기형, 무한사면형, 유한사면형)을 분류 하였다. 또한 분류된 패턴별로 수치해석을 수행하였으며 그 결과를 토대로 최소안전율과 사면경사각의 관계를 개괄적인 안정도 추정에 기초 자료로서 제공하고자 하였다. 본 연구에서 산정된 강도정수들은 몇 개의 특정사면의 경우에 대한 것으로서 모든 사면의 안정해석에 그대로 적용 가능한 것은 아니다. 그러나 현실적으로 모든 경사면과 강도정수에 대해서 실험을 실시하는 것은 어려울 뿐만 아니라 비용면에서도 불가능한 실정이다. 따라서 사면안정에 영향을 미치는 단위중량, 점착력, 내부마찰각의 변화와 사면 경사각의 변화에 따른 위험도 평가를 정립하기 위해서는 수치모델링과 같은 방법을 사용하여 현장조건의 다양한 변화에 대응할 수 있는 패턴별 위험도 평가기준이 작성된다면 대단히 유용할 것이다. 따라서 대표적인 사면형태(TYPE-I~IV)와 사면경사각에 강도정수를 적용하여 최소 안전율을 제시한다면 자연사면의 간이 안정해석이 가능 할 것으로 사료된다.
Our country's leading granite weathered soil of the ground slope failures that occur in cutting slope most cases, it does not require in-depth to the shear strength most of the surface layer is affected by weathering (1~2 m) at a shallow depth close to the ground, it is important to identify the rel...
Our country's leading granite weathered soil of the ground slope failures that occur in cutting slope most cases, it does not require in-depth to the shear strength most of the surface layer is affected by weathering (1~2 m) at a shallow depth close to the ground, it is important to identify the reliability. Based on the result obtained in actual field investigation, the field slope type was classified by each type of wedge slope, Infinite slope, finite slope -I and finite slope -II, and the slope stability was examined respectively. In addition, using the numerical analysis results, the relationship between the slope inclination angle and safety factor was analyzed and it tried to offer basic data to which the stability in the field slope was able to be estimated by analyzing the safety factor change of the slope according to the slope type. In this study, classified into four types of natural slope, safety factor estimation method by slope types is proposed through the numerical analysis. However, some limit exists in generalizing in this research because it does not test various case studies. Therefore, the case study of a wide range of various sypes to assess the safety of various types slope can be made, accommodate a wide range of field conditions reasonable risk evaluation criteria may be derived.
Our country's leading granite weathered soil of the ground slope failures that occur in cutting slope most cases, it does not require in-depth to the shear strength most of the surface layer is affected by weathering (1~2 m) at a shallow depth close to the ground, it is important to identify the reliability. Based on the result obtained in actual field investigation, the field slope type was classified by each type of wedge slope, Infinite slope, finite slope -I and finite slope -II, and the slope stability was examined respectively. In addition, using the numerical analysis results, the relationship between the slope inclination angle and safety factor was analyzed and it tried to offer basic data to which the stability in the field slope was able to be estimated by analyzing the safety factor change of the slope according to the slope type. In this study, classified into four types of natural slope, safety factor estimation method by slope types is proposed through the numerical analysis. However, some limit exists in generalizing in this research because it does not test various case studies. Therefore, the case study of a wide range of various sypes to assess the safety of various types slope can be made, accommodate a wide range of field conditions reasonable risk evaluation criteria may be derived.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 산림청에서 조사·관리하고 있는 산사태 발생 우려지역 중 5개소를 선정하여 사면붕괴와 관계되는 몇 가지 정수를 도출하고 안정해석을 통한 사면형태에 따른 위험도 평가를 실시하여 위험도 평가 기법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 전라남도와 전라북도지역에 위치한 산사태 발생 우려지 현장에서 채취한 시료를 토대로 실내시험을 수행하여 기본 물성값과 강도정수를 산출하였고, 현장의 대표단면 4개소에 대해 안정성 검토를 수행하였다.
가설 설정
수치모델 단면의 토질 특성은, 이 연구에서 수행한 현장 조사 결과의 평균치를 이용하여 각 사면형태별 상부풍화토층의 하부 0.5m에 풍화암층이 존재하고 하부 2.0m에 연암층이 존재하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
3과 같이 분류하였다. Fig. 3에 나타낸 것처럼 사면상부에서 사면선단을 향해 쐐기형으로 풍화토층이 분포하는 것을 Type-Ⅰ(쐐기형), 경사면을 따라 평행하게 풍화토층이 분포하는 것을 Type-Ⅱ(무한사면형), 사면 상부의 풍화토층이 깊고 사면선단을 통과하는 풍화토층이 분포하는 것을 Type-Ⅲ(유한사면형 Ⅰ), 사면 상부의 풍화토층이 얕고 사면 하부에서 풍화토층이 깊어지는 형태를 Type-Ⅳ(유한사면형 Ⅱ)로 분류하였다.
아래 Table 2에 나타낸 것처럼 사면길이를 일반적인 사면의 길이 60m로 설정하고 사면의 높이를 사면 경사각의 변화에 따라 변화시켜 단면을 구성하였다. 또한 상부, 하부 풍화토층의 강도정수 실험값의 평균값을 적용하고 풍화암과 연암층은 기존의 경험 값(한국 도로공사 설계 실무요령)을 적용하였다.
앞 절에서 분류한 사면 형태별 안정해석을 Geo-Slope 사가 개발한 Slope-W를 이용하여 수치모델링 해석을 실시하였다. 이 연구에서는 우선 각각의 형태별로 사면의 경사각이 안전율에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig 4~7에 나타낸 바와 같이 현장조사에서 얻어진 산지 사면의 경사각이 15°~25° 사이에 분포하고 있음을 고려하여, 이 연구에서는 경사각의 변화를 15°, 20°, 25°, 30°,35°의 5가지 경우로 유형화 하고, 사면형태 Type-Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ에 대해 수치모델링 해석을 수행하였다.
못이 흙 시료에 미치는 영향은 못 주변부를 제외하고 크지 않았음을 확인하였다. 이 연구에서는 Fig. 1에서 보인 바와 같이 직경이 30×30cm인 아크릴판에 7mm 정도의 못 구멍을 내고 이 구멍을 통하여 못 (16.7cm)을 정적으로 관입 시킨 후 이를 그림과 같이 채취하여 즉시 시료를 랩으로 감아 함수비의 변화를 방지한 후 실험실로 반입하여 실내시험을 수행하였다.
일반적으로 사용되고 있는 화강토의 sampling 방법과 trimming 방법을 소개하면 다음 Table 1과 같다. 이 연구에서는 못을 박아 채취하는 방법과 hand trimming법 등을 병행하여 사용하였으며, 화강토의 경우 조립토가 다량 함유되어 있어 성형시 작은 충격에나 흔들림에도 쉽게 교란되어 파괴되기 때문에 교란의 영향을 최소화 하기 위해 못 내부의 원형시료를 채취하였다. 이 방법에 의하면 간극비 0.
이 연구에서는 우선 각각의 형태별로 사면의 경사각이 안전율에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig 4~7에 나타낸 바와 같이 현장조사에서 얻어진 산지 사면의 경사각이 15°~25° 사이에 분포하고 있음을 고려하여, 이 연구에서는 경사각의 변화를 15°, 20°, 25°, 30°,35°의 5가지 경우로 유형화 하고, 사면형태 Type-Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ에 대해 수치모델링 해석을 수행하였다.
이 연구에서는 전남과 전북지역에 위치한 산사태 위험 사면을 대상으로 실시한 총 9개소의 화강풍화토 사면을 중심으로 일반화된 풍화토층의 분포와 사면 경사와의 관계로부터 4개의 패턴으로 사면형태를 Fig. 3과 같이 분류하였다. Fig.
대상 데이터
네 번째 지점은 전라북도 무주군 일대에서 5개 사면을 선택하여 시료를 채취하였다. 무주군은 우리나라 내륙지방 중심부를 점유한 대표적인 산간지역으로 연 평균 강수량 1,300mm이다.
대상지 선정은 산림청에서 수행중인 “산사태 발생 우려지역 실태조사” 용역 대상지 중 전라남도와 전라북도를 중심으로 위험계류가 형성되어 있고, 유역내 위험사면이 존재하는 곳으로 4개 지역을 선정하였으며 지형도와 지질도를 분석하여 현장답사를 통해 풍화가 진행중인 토심이 얕은 사면과 어느 정도 진행되어 토심이 중간정도인 사면, 그리고 풍화가 상당히 진행되어 토심이 깊은 사면을 각각 선정하였다.
두 번째 지점은 전라남도 담양군 대덕면으로, 연 강수량 1,290mm(기상청제공)내외로 다우지역이다.
세 번째 지점은 전라남도 보성군 대곡리 2개소에서 채취 하였으며 주변 지형이 경사가 급한 전형적인 산지 사면을 선택하였으며 연 강수량 1,490mm로 열대성 저기압의 영향권을 받아 고온 다습한 지역이다.
첫 번째 지점은 전라북도 남원시 이백면으로 북동부, 동부, 남동부가 소백산맥에 속하는 해발고도 1,000m 이상의 산지이며, 연강수량은 1,660mm(기상청제공)로 다우지역에 해당된다.
성능/효과
각 사면에서의 안정해석 결과는 지형적인 요인과 지반 물성값 사이에 상호관계가 있음을 확인할 수 있었다. 특히 사면 경사각과 단위중량이 증가할수록 안전율이 점점 감소하는 경향을 보였고 점착력과 내부마찰각이 증가할수록 안전율이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
무한사면형인 Type-Ⅱ에서의 안전율이 가장 크게 나타났고 Type-Ⅰ, Ⅲ, Ⅳ는 비교적 낮게 나타났다. 단위중량이 커질수록 안전율이 조금씩 감소하는 경향을 보였고, 점착력과 내부마찰각이 증가함에 따라 안전율도 증가하는 결과를 나타냈다.
특히 사면 경사각과 단위중량이 증가할수록 안전율이 점점 감소하는 경향을 보였고 점착력과 내부마찰각이 증가할수록 안전율이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 금번 조사대상 지역의 경우 전체적으로 토층두께가 얕고 사면경사가 작아 안전율이 비교적 크게 나타났다.
단 못을 타입할 때 판을 타격하지 않도록 주의하고 못 만을 타입하는 것이 중요하다. 못이 흙 시료에 미치는 영향은 못 주변부를 제외하고 크지 않았음을 확인하였다. 이 연구에서는 Fig.
9은 사면형태별 최소안전율과 사면경사각의 관계를 나타낸 것으로 Type-Ⅰ(쐐기형)은 경사각이 증가할수록 안전율의 감소경향이 가장 크게 나타났으며, Type-Ⅱ(무한사면형)의 해석 단면은 토층과 기반암층이 평행한 조건으로 사면경사각이 증가할수록 안전율은 감소하는 경향을 나타내었다. 상부 토심이 깊고 하부 토심이 쐐기형으로 변화하는 Type-Ⅲ에서는 안전율이 가장 작게 나타났으며 이 또한 사면 경사각이 커질수록 안전율이 감소하는 반비례적인 경향을 나타냈다.
이 논문에서 수치모델링을 통해 얻어진 안전율은 최소안전율 1.3을 기준으로 각각 사면에 적용된 강도정수값이 동일한 경우, Type-Ⅰ의 사면에서는 경사각이 약 28°, Type-Ⅱ는 약 35°, Type-Ⅲ은 약 27°, Type-Ⅳ 의 사면에서는 22°를 초과하면 산사태 발생 위험이 있는 것으로 판명되었다.
특히 사면 경사각과 단위중량이 증가할수록 안전율이 점점 감소하는 경향을 보였고 점착력과 내부마찰각이 증가할수록 안전율이 커지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 금번 조사대상 지역의 경우 전체적으로 토층두께가 얕고 사면경사가 작아 안전율이 비교적 크게 나타났다.
한국도로공사 설계기준의 건기시 안전율(Fs=1.30)을 만족하는 기준은 사면형태와 경사각에 따라 각각 차이를 보이는데 Type-Ⅰ(쐐기형)의 경우 사면경사 25°일 때 안전율 1.276으로 기준을 만족하지 못하고, Type-Ⅱ(무한사면형)의 경우 35°까지 모두 만족하는 것으로 해석되었다. 또한 Type-Ⅲ, IV(유한사면형 Ⅰ, Ⅱ)의 경우 25°일 때 각각 안전율 1.
후속연구
193으로 기준을 만족하지 못하였다. 강우조건을 고려한다면 잠재적인 안전율 저하로 사면이 파괴될 가능성이 있는 것으로 판단되며 이 연구에서 수행한 강도정수가 모든 사면을 대표하는 것은 아니므로 다양한 강도정수의 변화와 사면경사각과의 관계에 대한 수치모델링이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
이와 같이 사면 형태에 따른 사면경사와 안전율의 관계로 부터 산사태에 영향을 미치는 매개변수를 활용한다면 자연사면의 간이 위험성 예측이 가능할 것으로 사료된다.
참고문헌 (6)
Athapaththu, A. M. R. G., Takashi, T., Kazuaki, S., and Seiji, K., 2007, A lightweight dynamic cone penetrometer for evaluation of shear strength of natural masado slopes, Doboku Gakkai Ronbunshuu C, 63(2), 403-416.
Ntergovermental Pannel on Climate Change (IPCC), 2001, IPCC-3 Third Assessment Report (TAR), Climate Change 2001: The Scientific Basis-Contribution of Working Group I., 882p.
National Emergency Management Agency (NEMA), 2002, Disaster Yearbook 2002, 619p.
Takashi, T., Athapaththu, A. M. R. G., Seiji, K., and Kazuaki, S., 2011, Estimation of in-situ shear strength parameters of weathered granitic (Masado) slopes using lightweight dynamic cone penetrometer, Soils and foundations, 51(3), 497-512.
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