비탈면 안정해석 기법과 유지관리를 위한 계측자료 해석기법은 다양하게 제시되어 있지만 두 기법을 연계할 수 있는 방안은 제시되지 않았다. 본 연구에서는 진행성 파괴에 대한 비탈면 안정해석과 계측기반의 유지관리를 통합할 수 있는 해석기법을 제안하였다. 시간 열화에 의한 비탈면의 붕괴과정은 강도감소계수를 적용한 지반강도정수를 이용하여 정량화하고, 비탈면 붕괴 시 까지의 안전율과 파괴범위를 산정하였다. 변위는 누적 변위 곡선과 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선으로 정량화하여 유지관리 기법과 연계하였다. 제안된 절차로 해석을 수행한 결과, 누적 변위 곡선을 이용한 비탈면의 파괴모델은 기존 연구와 동일하게 3차 다항모델로 산정되었다. 붕괴 시점 예측에 적용되는 변위 역속도의 취성재료에서는 1차 직선식, 연성재료에서는 3차 다항식으로 감소되어 Fukuzono(1985)의 제안식과 일치하였으며 붕괴사례와도 유사한 거동을 나타내었다.
비탈면 안정해석 기법과 유지관리를 위한 계측자료 해석기법은 다양하게 제시되어 있지만 두 기법을 연계할 수 있는 방안은 제시되지 않았다. 본 연구에서는 진행성 파괴에 대한 비탈면 안정해석과 계측기반의 유지관리를 통합할 수 있는 해석기법을 제안하였다. 시간 열화에 의한 비탈면의 붕괴과정은 강도감소계수를 적용한 지반강도정수를 이용하여 정량화하고, 비탈면 붕괴 시 까지의 안전율과 파괴범위를 산정하였다. 변위는 누적 변위 곡선과 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선으로 정량화하여 유지관리 기법과 연계하였다. 제안된 절차로 해석을 수행한 결과, 누적 변위 곡선을 이용한 비탈면의 파괴모델은 기존 연구와 동일하게 3차 다항모델로 산정되었다. 붕괴 시점 예측에 적용되는 변위 역속도의 취성재료에서는 1차 직선식, 연성재료에서는 3차 다항식으로 감소되어 Fukuzono(1985)의 제안식과 일치하였으며 붕괴사례와도 유사한 거동을 나타내었다.
Even if the various data analyzing methods were suggested to examine the measured slope behaviors, it is difficult to find methods or procedures for connecting the analyzed results of slope stability and measured slope data. This research suggests the analyzing methods combing the stability analysis...
Even if the various data analyzing methods were suggested to examine the measured slope behaviors, it is difficult to find methods or procedures for connecting the analyzed results of slope stability and measured slope data. This research suggests the analyzing methods combing the stability analysis and measured data based on progressive failure of slope. Slope failure analysis by time degradation were calculated by strength parameters composed of strength reduction coefficients, also which were compared to the measured data according to the variations of safety factor and displacement of slopes. The accumulated displacement curve were shown as 3rd degree polynomials by suggested procedures, which was the same as before researches. The reverse displacement velocity curves were shown as linear function for prediction of brittle slope failures, also they were shown as 3rd degree polynomials for ductile slope failures, which were the same as the suggested equation by Fukuzono (1985) and they were very similar behaviors to the in-situ failure cases.
Even if the various data analyzing methods were suggested to examine the measured slope behaviors, it is difficult to find methods or procedures for connecting the analyzed results of slope stability and measured slope data. This research suggests the analyzing methods combing the stability analysis and measured data based on progressive failure of slope. Slope failure analysis by time degradation were calculated by strength parameters composed of strength reduction coefficients, also which were compared to the measured data according to the variations of safety factor and displacement of slopes. The accumulated displacement curve were shown as 3rd degree polynomials by suggested procedures, which was the same as before researches. The reverse displacement velocity curves were shown as linear function for prediction of brittle slope failures, also they were shown as 3rd degree polynomials for ductile slope failures, which were the same as the suggested equation by Fukuzono (1985) and they were very similar behaviors to the in-situ failure cases.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 유한요소해석을 이용한 비탈면의 진행성 거동해석과 계측기반의 유지관리를 통합할 수 있는 해석기법을 제안하는 것이다. 시간 열화로 인해 유발되는 진행성 파괴 거동을 유한요소해석으로 해석하고 변위 결과를 정량화하여 유지관리 기법과의 연계절차를 제시하였다.
본 연구의 목적은 유한요소법에 의한 진행성 비탈면 안정해석과 현장계측기반의 유지관리를 통합할 수 있는 해석 절차를 제안하기 위한 것으로 제안된 해석절차에 따라 연성및 취성지반의 비탈면을 통합 분석하였다. 비탈면 안정해석 결과를 계측기반의 유지관리 기법에 적용한 결과를 요약정리하면 아래와 같다.
가설 설정
(4) Step 4 : 유한요소해석에서는 비탈면의 초기지중응력을 산정하는 것이 중요하며, 지반조사자료를 토대로 k0조건에서 산정하게 된다.
(9) Step 9 : 변위 속도 곡선은 비탈면의 유지관리 단계에 서의 관리기준으로 활용될 수 있으며 비탈면 안정해석 단계에서 이를 이용하여 관리기준을 설정할 수 있다.
Case 2의 해석조건은 점착력이 없는 취성재료로 지반을 가정하였다. 진행성 파괴에 의한 붕괴 거동의 차이를 판단 하기 위해, Case 1과 동일한 비탈면 기하형상에 지반의 강도정수만을 달리하여 해석하였다.
제안 방법
이후 응력해석법으로 안전율을 산정하고 해석된 변위 결과를 누적 변위 곡선, 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선으로 정량화하였다. 둘째로 해석결과를 토대로 변위 계측자료의 분석기법인 통계적 공정관리 기법에 적용 하여 관리한계를 설정하고 변위 역속도 곡선을 이용한 붕괴예측기법과의 연계절차를 제시하였다. 마지막으로 해석기법의 검증을 위해 진행성 파괴에 대한 거동을 Fukuzono(1985) 가 제안한 역속도 방정식과 비교･검증하였다.
3과 같다. 먼저 응력해석법으로 안전율을 산정하고 비탈면 상부의 변위로 누적 변위 곡선과 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선을 작도하였다. Fig.
응력해석법은 간편법인 한계평형해석과 고등해석인 유한요소해석의 장점을 조합한 해석법이다. 먼저, 유한요소법을 수행하여 비탈면의 응력상태를 해석하고 한계평형법의 가상활동면들에 대한 안전율을 산정하게 된다. 그리고 한계 평형해석의 가상활동면 중에 최소안전율과 임계단면을 산정 하는 방식이다.
본 연구에서 제안된 통합해석절차는 유한요소해석을 이용한 진행성 파괴 거동을 정량화하여, 계측기반 유지관리에 적용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 이러한 과정에 대한 추가적인 연구를 통해 제안된 해석기법의 정확성과 신뢰성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
6은 본 연구결과로 제시된 계측자료 해석절차를 나타낸 것이다. 본 연구에서 제안된 해석과정은 통계적 공정 관리 기법의 관리기준, 누적 변위 곡선의 파괴모델, 변위 속도 곡선의 관리단계 및 붕괴 시점을 예측하기 위한 변위 역속도 곡선에 대한 파괴예측 기법을 연계 수행하도록 되어있다.
본 연구에서 제안된 해석절차에 따라 심도별 누적 변위 곡선을 이용한 통계적 공정관리 기법을 적용하여 관리한계를 선정할 수 있다. 심도별 누적 변위 곡선에서 각 강도감소계수 단계별로 통계적 공정관리기법을 적용하여 # 관리도를 작성하면 Fig.
본 연구에서는 먼저 진행성 파괴 거동은 강도감소계수로 정량화하였으며 각각의 강도감소 단계에서 비선형 정적해 석을 수행하였다. 이후 응력해석법으로 안전율을 산정하고 해석된 변위 결과를 누적 변위 곡선, 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선으로 정량화하였다.
유한요소해석에 적용된 모델은 Mohr-coulomb 모델을 사용하며, 유한요소해석을 위해 내부마찰각, 점착력, 팽창각, 탄성계수, 포아송비 및 단위중량이 필요하나 항복과정에서 발생되는 체적변화를 나타내는 팽창각은 안전율을 산정하는 비탈면 안정해석에서는 중요성이 떨어진다(Griffiths & Lane, 1999). 본 연구에서는 팽창각을 0으로 적용하며 항복과정에서의 체적변화가 일정하도록 하였다. 적용된 지반 물성치는 Table 1의 Case 1과 같이 점착력 10kPa, 내부마찰각 30°이다.
본 절에서는 지반특성이 연성거동 및 취성거동인 경우를 분리하여 제안된 해석절차에 따라 비탈면 안정해석을 수행 하였다.
따라서 본 연구의 목적은 유한요소해석을 이용한 비탈면의 진행성 거동해석과 계측기반의 유지관리를 통합할 수 있는 해석기법을 제안하는 것이다. 시간 열화로 인해 유발되는 진행성 파괴 거동을 유한요소해석으로 해석하고 변위 결과를 정량화하여 유지관리 기법과의 연계절차를 제시하였다.
이러한 모델들을 비탈면에서 일반화된 기법으로 적용하기 어려워 Fukuzono(1985)는 시간 경과에 따라 지반 변위가 변화하는 특성을 역속도와 시간과의 관계로 표현하는 역속도 곡선을 제안하였다. 이 역속도 모델은 인공 산사태를 재현한 실대 형실험을 수행하여 가속도의 변화를 계측한 자료를 이용하여 유추되었다. 붕괴 시점은 변위 속도가 증가하면서 역속도 관계가 0이 되어가는 추세선을 형성하게 되므로 Fukuzono 는 붕괴 시점을 Eq.
따라서 비탈면의 유지 관리 단계에서 계측자료를 토대로 붕괴 시점을 예측하기 위해서는 역속도 곡선의 패턴에 대한 설계단계의 해석이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 진행성 파괴에 대한 해석 절차를 제시하고, 계측자료 기반의 유지관리기법과 연계가 가능하도록 해석절차를 수립하였다.
본 연구에서는 먼저 진행성 파괴 거동은 강도감소계수로 정량화하였으며 각각의 강도감소 단계에서 비선형 정적해 석을 수행하였다. 이후 응력해석법으로 안전율을 산정하고 해석된 변위 결과를 누적 변위 곡선, 변위 속도 곡선, 변위 역속도 곡선으로 정량화하였다. 둘째로 해석결과를 토대로 변위 계측자료의 분석기법인 통계적 공정관리 기법에 적용 하여 관리한계를 설정하고 변위 역속도 곡선을 이용한 붕괴예측기법과의 연계절차를 제시하였다.
하지만 비탈면의 공학적 특성과 계측자료 기반의 해석기법이 명확하지 않아 이를 개선하고자 유지관리 기법에 대한 연구들이 수행되었다(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 2006; Yoo, 2006; Korea Expressway Corporation, 2009). 주로 통계적 공정관리기법을 활용하여 이상 거동의 발생 유무를 판단하고 계측자료의 이상 영역의 거동은 누적 변위량으로 파괴모델을 선정하였다.
(8) Step 8 : Step 7 과정을 통해 비탈면의 최대변위 발생 지점의 누적 변위 곡선을 산정한 후 비탈면 계측계획과 연계하여야 한다. 즉 해석결과를 이용한 변위속도 곡선으로 비탈면의 파괴모델을 만들며, 비탈면 유지 관리단계에서 계측된 변위 자료의 누적 변위 곡선과 상호비교하게 된다.
Case 2의 해석조건은 점착력이 없는 취성재료로 지반을 가정하였다. 진행성 파괴에 의한 붕괴 거동의 차이를 판단 하기 위해, Case 1과 동일한 비탈면 기하형상에 지반의 강도정수만을 달리하여 해석하였다. 지반 물성치는 Table 1의 Case 2와 같이 점착력 0kPa, 내부마찰각 40°이며, Fig.
대상 데이터
비탈면의 진행성 거동해석을 위해 해석 비탈면은 유한비 탈면으로 높이는 10.0m이고, 표준경사도인 1:1.2로 하여 기하형상과 요소망을 생성하였다(Fig. 1).
데이터처리
둘째로 해석결과를 토대로 변위 계측자료의 분석기법인 통계적 공정관리 기법에 적용 하여 관리한계를 설정하고 변위 역속도 곡선을 이용한 붕괴예측기법과의 연계절차를 제시하였다. 마지막으로 해석기법의 검증을 위해 진행성 파괴에 대한 거동을 Fukuzono(1985) 가 제안한 역속도 방정식과 비교･검증하였다.
Yoo(2006)는 비탈면의 유지관리를 위한 계측자료 기반의 통계적 의사결정 알고리즘을 제시하였다. 통계적 공정관리 기법을 적용하여 관리한계를 벗어나면 1차 점검을 수행 하고 회귀분석을 통해 비탈면 거동이 한계값을 나타내는 점근선에 근접하면 2차 점검을 수행토록 하였다.
이론/모형
계측자료 기반의 파괴모델과 비교하면 Han & Chang(2005)에 의해 제시된 느릅재 현장과 동일한 3차 다항모델로 산정되었다.
유한요소법을 이용한 비탈면의 진행성 파괴해석 및 계측 자료의 통합해석 단계는 총 10단계로 구성되며, 해석결과를 유지관리 기법에 적용하여 연계한다. 본 연구에서 제안된 비탈면 안정해석의 절차에 대한 상세한 설명은 아래와 같다.
유한요소해석에 적용된 모델은 Mohr-coulomb 모델을 사용하며, 유한요소해석을 위해 내부마찰각, 점착력, 팽창각, 탄성계수, 포아송비 및 단위중량이 필요하나 항복과정에서 발생되는 체적변화를 나타내는 팽창각은 안전율을 산정하는 비탈면 안정해석에서는 중요성이 떨어진다(Griffiths & Lane, 1999).
(2) Step 2 : 지반 물성치를 산정한다. 유한요소해석에 적용된 모델은 Mohr-coulomb 모델을 사용한다.
그리고 한계 평형해석의 가상활동면 중에 최소안전율과 임계단면을 산정 하는 방식이다. 유한요소해석을 수행할 때 지반재료의 구성 모델은 한계평형해석의 파괴규준과 동일한 Mohr-Coulomb의 항복규준을 사용하게 된다.
성능/효과
(1) 제안된 통합해석기법을 적용한 결과, 진행성 파괴과정을 정량화할 수 있었으며 해석결과로 누적 변위 곡선, 변위 속도 곡선 및 변위 역속도 곡선을 산정할 수 있었다.
(3) Case 1의 변위 역속도 곡선은 3차 다항식으로 y =- 0.9x3+ 5.2x2 - 9.6x + 5.9 나타났다. Fukuzono 제안식에서 A = 4.
(4) Case 2의 해석결과, 초기 지반 강도가 점착력 0kPa, 내부 마찰각 40°에서 내부마찰각이 21.5°일 때 파괴가 발생된 것으로 나타났다.
(5) Case 2의 변위 역속도 곡선은 Case 1과 달리 y =- 1.6x + 2.9의 1차 직선 형태를 보였으며, A = 2.05 및 α = 1.79로 계산되었다.
후속연구
본 연구에서 제안된 통합해석절차는 유한요소해석을 이용한 진행성 파괴 거동을 정량화하여, 계측기반 유지관리에 적용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 이러한 과정에 대한 추가적인 연구를 통해 제안된 해석기법의 정확성과 신뢰성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유한요소해석이란?
유한요소해석은 유지관리를 위한 계측시스템에 대하여 적절한 해석결과를 줄 수 있으며, 비탈면의 진행성 파괴 거동을 분석할 수 있는 방법이다(Duncan, 1996). 또한, 비탈면의 진행성 파괴는 유한요소해석을 통해 연구되어 왔으며, Zienkiewicz et al.
응력해석법이란?
응력해석법은 간편법인 한계평형해석과 고등해석인 유한요소해석의 장점을 조합한 해석법이다. 먼저, 유한요소법을 수행하여 비탈면의 응력상태를 해석하고 한계평형법의 가상활동면들에 대한 안전율을 산정하게 된다.
응력해석법의 과정은?
응력해석법은 간편법인 한계평형해석과 고등해석인 유한요소해석의 장점을 조합한 해석법이다. 먼저, 유한요소법을 수행하여 비탈면의 응력상태를 해석하고 한계평형법의 가상활동면들에 대한 안전율을 산정하게 된다. 그리고 한계 평형해석의 가상활동면 중에 최소안전율과 임계단면을 산정 하는 방식이다. 유한요소해석을 수행할 때 지반재료의 구성 모델은 한계평형해석의 파괴규준과 동일한 Mohr-Coulomb의항복규준을 사용하게 된다.
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