Soil Nailing으로 보강된 사면안정 해석시 프로그램에 대한 전문적인 지식과 숙련된 기술이 필요하며, 해석시 많은 시간과 경제적 손실이 따르게 된다. 본 연구에서는 이러한 손실을 절약하고자 하였다. 네일링으로 보강된 사면안정해석에 강도감소법을 적용한 MIDAS GTS 프로그램을 사용한 후 그 결과를 도표화 하였다. 작성된 도표들은 신속한 사면재해 방지에 활용 가능하다. 네일의 간격, 입사각, 사면의 형태와 토질 정수를 변화시키며 구한 사면 안전율을 분석한 결과, 네일의 입사각이 $10{\sim}20^{\circ}$일 때 네일의 간격은 0.8~1.2m 사이일 때 효과적으로 나타났다. 사면의 경사가 1:0.5, 1:1, 1:2일 때 본 연구에서 제시한 안정도표와 Singh의 안정도표 값의 오차가 각각 3.45%, 8.65%, 4.35%,로 나타났다.
Soil Nailing으로 보강된 사면안정 해석시 프로그램에 대한 전문적인 지식과 숙련된 기술이 필요하며, 해석시 많은 시간과 경제적 손실이 따르게 된다. 본 연구에서는 이러한 손실을 절약하고자 하였다. 네일링으로 보강된 사면안정해석에 강도감소법을 적용한 MIDAS GTS 프로그램을 사용한 후 그 결과를 도표화 하였다. 작성된 도표들은 신속한 사면재해 방지에 활용 가능하다. 네일의 간격, 입사각, 사면의 형태와 토질 정수를 변화시키며 구한 사면 안전율을 분석한 결과, 네일의 입사각이 $10{\sim}20^{\circ}$일 때 네일의 간격은 0.8~1.2m 사이일 때 효과적으로 나타났다. 사면의 경사가 1:0.5, 1:1, 1:2일 때 본 연구에서 제시한 안정도표와 Singh의 안정도표 값의 오차가 각각 3.45%, 8.65%, 4.35%,로 나타났다.
The analysis for stability of slope reinforced with soil nails need professional knowledge and skilled technology for program. So we spend a lot of money and time. In this study, we try to save it. After we analyzed the stability of reinforced slope with MIDAS GTS using shear strength reduction tech...
The analysis for stability of slope reinforced with soil nails need professional knowledge and skilled technology for program. So we spend a lot of money and time. In this study, we try to save it. After we analyzed the stability of reinforced slope with MIDAS GTS using shear strength reduction technique, we made charts by result. Charts created in the stydy can be used rapidly in slope disaster prevention. We try to analyze stability of slopes when we changed nail spacing, nail angle, slope type, properties of soil. We obtained relationship as follows; 1) The safety factor appears effectively when the nail angle is $10{\sim}20^{\circ}$. 2) The safety factor appears effectively when the nail spacing is 0.8~1.2m. 3) The error of Singh's and suggested chart are 3.45, 8.65, 4.35% when the slope are 1:0.5, 1:1, 1:2.
The analysis for stability of slope reinforced with soil nails need professional knowledge and skilled technology for program. So we spend a lot of money and time. In this study, we try to save it. After we analyzed the stability of reinforced slope with MIDAS GTS using shear strength reduction technique, we made charts by result. Charts created in the stydy can be used rapidly in slope disaster prevention. We try to analyze stability of slopes when we changed nail spacing, nail angle, slope type, properties of soil. We obtained relationship as follows; 1) The safety factor appears effectively when the nail angle is $10{\sim}20^{\circ}$. 2) The safety factor appears effectively when the nail spacing is 0.8~1.2m. 3) The error of Singh's and suggested chart are 3.45, 8.65, 4.35% when the slope are 1:0.5, 1:1, 1:2.
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문제 정의
또한 한계평형이론은 사면의 파괴거동에 대한 자세한 정보를 제공하지 못할 뿐만 아니라 실제 사면의 파괴가 발생하는 위치를 알 수 없으며 지하에 터널을 가진 사면의 안정해석 경우 적용이 불가능한 방법이다. 따라서 본 연구에서는 강도감소법을 적용한 프로그램을 이용하여 산정된 결과를 정리 분석한 후 향후 사면안정 해석 시 사면의 경사, 높이, 지반조건만으로 개략적인 안전성을 예측 가능하게 함으로써 실시설계 이전에 계획 단계에서 고도의 전문지식 없이 별도의 기본적인 정수값으로 안정성을 확보할 수 있는 자료를 제안해보고자 한다.
안정도표를 이용하여 보강이 필요하거나 불안전한 사면으로 판정되었을 때 안정도표와 같이 보강도표를 활용할 수 있다. 본 연구에서는 사면보강 공법중의 하나인 soil nailing을 이용한 보강도표를 작성하여 재해의 위험성이 있는 곳에서의 사면보강을 신속하게 계산하고 판단할 수 있다.
가설 설정
이들 대부분의 범용 해석 프로그램과 안정해석 도표는 아직까지도 한계평형이론에 근거하고 있다. 한계평형법은 가상파괴면을 따르는 모든 위치에서의 안전율을 동일한 것으로 간주하며, 강도정수는 응력-변형률 거동에 독립적이고 가상파괴면을 따르는 토체는 강체로서 가정을 한다. 그러나 가상파괴면을 따르는 모든 점에서 안전율이 동일한 경우는 모든 절편들이 파괴 직전에 있는 경 우로서, 국부적인 안전율은 파괴면을 따라서 변화하며, 일부 절편들에서 안전율은 파괴면을 따라서 변화하므로 일부 절편들에서 안전율은 다를 수 있다[10].
제안 방법
본 연구에서는 강도감소법을 이용하여 수치해석을 실시하였으며, 네일의 간격, 입사각, 사면의 형태와 토질 정수를 변화시키며 구한 사면 안전율을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 강도감소법이 적용된 MIDAS GTS를 이용하여 무보강 사면에 대해 수치해석 후 그 결과에 의해 사면안정도표를 제시하고, Soil Nailing으로 보강한 사면에 대해 네일의 수평입사각과 간격을 조절하여 사면보강도표를 제시하며, 제시된 사면안정도표와 Singh의 도표를 비교분석 하였다.
사면 해석시 공학적으로 안전하다고 판단하는 안전율 1과 실제 설계시 적용되고 있는 안전율 기준에 근거하여 안전율 1미만은 사면붕괴구간, 안전율 1과 1.5사이는 보강필요구간, 안전율 1.5이상은 사면안정구간으로 설정하였다.
사면형상은 1:0.5, 1:1, 1:2 3가지로 설정하 였으며, 네일의 수평 입사각도는 10°, 20°, 30°로 변화시켜가며 해석을 실시하였다.
안정수 별로 내부마찰각 10°, 20°, 30°(3 case)를 적용하여 총 45개의 지반정수를 해석에 적용하였다.
지반정수는 국내 사면을 이루고 있는 토질 중 가장 많이 접할 수 있는 지반 물성치를 적용하여 점착력(c) 과 단위중량(γ)을 변화시켜가며 안정수(#)와 내부 마찰각(Φ)를 조합하여 실행하였다.
해석의 방법은 사면의 형태와 토지 정수 값을 토대로 무보강 사면의 안전도표에서 안전율을 찾은 후 안정값에 미치지 못할 경우 쏘일 네일링 공법을 적용한 보강도표를 통해 안전율을 계산할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
네일의 간격은 0.6m, 0.8m, 1.0m, 1.2m, 1.4m로 변화시켜가며 해석을 실시하였고, 네일의 종류는 가장 일반적으로 시공되고 있는 이형철근 SD30을 적용하였으며 물성치는 [표 2]와 같다.
안정수 별로 내부마찰각 10°, 20°, 30°(3 case)를 적용하여 총 45개의 지반정수를 해석에 적용하였다. 주어진 지반조건으로부터 안정수의 범위를 0.005～0.15까지 나타낼 수 있으며, 관측치로부터 참값을 알기 위해 최소 3개 이상의 데이터 값들을 사용하였다. 사면형상은 1:0.
이론/모형
한계평형법은 Hultin(1916)이 원호활동면에 대한 안정계산을 절편법으로 최초로 시도하였다. Fellenius(1927)[3]와 Taylor(1937)[7]는 한계평형법을 이용하여 사면의 안정 문제를 해석적으로 풀이하여 안정수를 제시하였고, Singh(1970)[6]는 Taylor의 사면안정 해석기법을 이용하여 여러 가지 내부마찰각에 대하여 안전율의 그래프를 제시하였다.
성능/효과
1. 지반의 강도정수와 단위중량 그리고 사면의 높이와 경사를 알면 본 연구에서 제시한 안정도표[그림 1]과 보강도표[그림 5]를 이용하여 신속한 사면 재해 방지를 위한 설계가 요구되는 경우에 유용하게 이용될 수 있다.
2. Soil Nailing 보강사면에서 네일의 입사각이 증가할수록 보강효과가 크게 나타났으며 네일의 간격은 0.8 ～ 1.2m 사이에서 가장 효과적으로 나타났다.
3. Singh과 본 연구의 안전율 비교시 1:0.5 사면에서는 3.45%, 1:1 사면에서는 8.65%, 1:2 사면에서는 4.35%의 오차를 보여 1:0.5, 1:2 사면의 경우 안전율이 상대적으로 근사하게 나타났다.
네일의 길이비가 증가함에 따라 안전율이 증가함을 알 수 있다. 네일 길이비의 값이 입사각과 네일 간격에 따른 안전율과 비교 시 상대적으로 낮게 나타났으며 입사각과 네일의 간격 조절을 통한 보강이 좀 더 효과적일 것이라 사료된다.
네일의 간격을 넓게 할수록 안전율이 낮아지며 내부 마찰각이 큰 지반일수록 안전율의 하락폭이 큰 것을 알 수 있다. 설계기준상 네일 간격을 3.
네일의 간격을 넓게 할수록 안전율이 낮아지며 내부 마찰각이 큰 지반일수록 안전율의 하락폭이 큰 것을 알 수 있다. 설계기준상 네일 간격을 3.5m 이내로 제한하고는 있으나 현장여건과 경제성을 고려해 볼 때 0.8 ～ 1.2m로 시공하는 것이 적절할 것으로 예상된다.
후속연구
본 연구는 토사면에 Soil Nailing 보강을 통한 사면안정 도표를 제안하였는데, 추구 다양한 사면안전 보강법에 대한 안정도표 연구와 암사면에 대한 안정도표로 연구영역을 확장할 필요가 있다.
본 연구에서 제시한 안정도표[그림 1]과 보강도표[그림 5]를 활용한다면 수평입사각과 간격을 결정하여 긴급검토나 상시검토에 적용하여 보다 신속하게 소일네일링 보강사면에 대한 안정성 검토가 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유한요소방법은 무엇인가?
유한요소방법은 사면의 각 지점의 힘 평형 조건과 적합조건, 구성방정식 및 경계조건을 모두 만족시키는 정밀한 근사해법으로 실제와 가까운 파괴형상을 구현하고 현장 조건을 좀 더 잘 반영할 수 있는 해석이며, 사면의 최소안전율 계산과 사면의 파괴거동을 자세히 분석할 수 있는 수치해석 방법이다. 특히, 사면의 파괴활동에 대한 사전의 가정 없이 자동적으로 파괴과정을 묘사할 수 있는 방법이다.
유한요소방법으로 사면안정 해석을 수행하는 방법은 어떻게 나눌 수 있는가?
유한요소방법으로 사면안정 해석을 수행하는 방법으로는 크게 두 가지로 강도 감소법을 사용하는 직접법과 계산된 응력값을 이용하여 기존의 한계해석법과 혼합 하여 안전율을 분석하는 간접법으로 나눌 수 있다. 직접법인 강도감소법에서는 전단강도(c, Φ)를 서서히 감소시켜 가면서 계산이 수렴되지 않는 지점까지 해석을 수행하여 그 시점을 사면의 파괴로 간주하고 그 때의 최대 강도 저하율을 사면의 최소안전율로 생각한다.
재해의 위험성이 많은 곳의 사면안정성을 조사하고 계산하는데 많은 시간과 비용이 들어 어떤 방법들이 이용되었는가?
재해의 위험성이 많은 곳의 사면안정성을 조사하고 계산하는데 많은 시간과 비용이 사용된다. 따라서 안정도표를 이용하여 빠르고 간략하게 안정성을 검증하는 방법들이 이용되었다. 안정도표를 이용하여 보강이 필요하거나 불안전한 사면으로 판정되었을 때 안정도표와 같이 보강도표를 활용할 수 있다.
참고문헌 (12)
F. Cai and J. Luo, "Reinforcing mechanism of anchors in slope : A numerical comparison of results of LEM and FEM," international Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol.27, pp.549-564, 2003.
W. Fellenius, ""Erdstatische Berechnungen mitReibung und kohasion(Adhasion) und unterAnnahme kreis-zylinderischer Gleitflachen," Ernst, Berrli, 1927.
R. A. Jewell and M. J. Pedley, "Soil nailing design - The role of bending stiffness," Ground Eng, Vol.22, No.10, pp.30-36, 1990.
T. Matsui and K. C. San, "Finite element slope stability analysis by shear strength reduction technique," Japanese Soils and Foundations, Vol.32, No.1, pp.59-70, 1992.
A. Singh, "Sheare Strength and Stability of Man-Made Slopes," ASCE, No.6, pp.1879-1892, 1970.
D. W. Taylor, "Stability of Earth Slopes," Journal of Boston Society of Civil Engineers, Vol.24, No.3, pp.197-246, 1937.
O. C. Zienkiewiez, C. Humpheson, and R. W. Lewis, "Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics," Geotechnique, Vol.25, No.4, pp.671-689, 1975.
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