[국내논문]강우에 의한 암반사면 파괴 해석 사례 연구를 통한 해석방법 적용성 검토 Review of Applicability of Analysis Method based on Case Study on Rainfall-Induced Rock Slope Failure원문보기
암반은 암석재료 자체의 역학적 성질과 암반내에 분포하는 불연속면의 기하학적 특징에 의해 그 역학적 특성이 좌우된다. 암반사면의 경우에는 불연속면에 의해 특히 파괴면의 위치와 파괴후의 거동 등이 달라진다. 본 논문에서는 불연속면의 규모에 따라 암반사면의 파괴형태가 달라지는 점을 고려하여, 원호파괴와 평면파괴 안정해석을 위한 2개의 3D 해석방법을 개발하고 실제 사면에 적용하여 그 적용성을 검토하였다. 결과, 원호파괴의 경우, 자연건조상태에서는 안정하지만 강우에 의해 표층 함수비가 증가하면 불안정해지는 해석 결과를 얻었다. 평면파괴의 경우도 강우에 의해 불연속면 자체의 마찰각이 감소하는 영향에 의해 건조상태보다 불안정해지는 결과가 나타났다. 이상의 해석 결과로부터 실제 사면에서의 현상을 잘 반영하는 것으로 보아, 개발된 해석방법이 사면안정성 검토 또는 유지관리의 목적으로 적용가능하다고 판단된다.
암반은 암석재료 자체의 역학적 성질과 암반내에 분포하는 불연속면의 기하학적 특징에 의해 그 역학적 특성이 좌우된다. 암반사면의 경우에는 불연속면에 의해 특히 파괴면의 위치와 파괴후의 거동 등이 달라진다. 본 논문에서는 불연속면의 규모에 따라 암반사면의 파괴형태가 달라지는 점을 고려하여, 원호파괴와 평면파괴 안정해석을 위한 2개의 3D 해석방법을 개발하고 실제 사면에 적용하여 그 적용성을 검토하였다. 결과, 원호파괴의 경우, 자연건조상태에서는 안정하지만 강우에 의해 표층 함수비가 증가하면 불안정해지는 해석 결과를 얻었다. 평면파괴의 경우도 강우에 의해 불연속면 자체의 마찰각이 감소하는 영향에 의해 건조상태보다 불안정해지는 결과가 나타났다. 이상의 해석 결과로부터 실제 사면에서의 현상을 잘 반영하는 것으로 보아, 개발된 해석방법이 사면안정성 검토 또는 유지관리의 목적으로 적용가능하다고 판단된다.
Behavior of rock mass depend on the mechanical properties of intact rock and geometrical property of discontinuity distributed in rock mass. In case of rock slope, particularly, location of slope failure surface and behavior after failure are changed due to discontinuities. In this study, two 3D slo...
Behavior of rock mass depend on the mechanical properties of intact rock and geometrical property of discontinuity distributed in rock mass. In case of rock slope, particularly, location of slope failure surface and behavior after failure are changed due to discontinuities. In this study, two 3D slope stability analysis methods were developed for two different failure types which are circular failure and planar failure, considering that failure type of rock slope is dependent on scale of discontinuity which was then applied to real rock slope to review the applicability. In case of circular failure, stable condition was maintained in natural dry condition, which however became unstable when the moisture content of the surface was increased by rainfall. In case of planar failure, rock slope become more unstable comparing to dry condition which is attributable to decrease in friction angle of discontinuity surface due to rainfall. Viewing analysis result above, analysis method proved to have well incorporated the phenomenon occurred on real slope from the analysis result, demonstrating its applicability to reviewing the slope stability as well as to maintaining the slope.
Behavior of rock mass depend on the mechanical properties of intact rock and geometrical property of discontinuity distributed in rock mass. In case of rock slope, particularly, location of slope failure surface and behavior after failure are changed due to discontinuities. In this study, two 3D slope stability analysis methods were developed for two different failure types which are circular failure and planar failure, considering that failure type of rock slope is dependent on scale of discontinuity which was then applied to real rock slope to review the applicability. In case of circular failure, stable condition was maintained in natural dry condition, which however became unstable when the moisture content of the surface was increased by rainfall. In case of planar failure, rock slope become more unstable comparing to dry condition which is attributable to decrease in friction angle of discontinuity surface due to rainfall. Viewing analysis result above, analysis method proved to have well incorporated the phenomenon occurred on real slope from the analysis result, demonstrating its applicability to reviewing the slope stability as well as to maintaining the slope.
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문제 정의
이러한 특징에 기초하여 본 논문에서는 불연속면의 기하학적 특성을 반영하여 원호파괴 해석 방법과 평면파괴 해석 방법을 각 각 개발하여 실제 사면에 적용하여 그 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 사면에 분포하는 불연속면의 특징을 고려 하여 구축된 사면안정시스템을 실제 사면 파괴가 발생한 도로사면에 적용하여 그 타당성을 검증하였다. 먼저 불연속면 이 불규칙적으로 무수히 발달한 지역은 원호파괴의 안정해 석법을 적용하여 해석을 수행하였다.
가설 설정
8(a)와 같이 표층의 중심을 관통하는 원호의 형태가 아닌 표층의 표면에 파괴면이 위치하며, 이러한 토석류의 특징은 Fig. 8(b)의 해석결과와 일치하고 있다.
제안 방법
검증으로 기반암이 다 른 2개소를 선정하여 원호파괴와 표층붕괴에 대한 안전율을 계산하였다.
따라서 먼저, 넓은 범위에서 요소크기 10 m 메쉬로 해석을 수행하여 불안정하다고 판단되는 영역을 대상으로 요소크기 1 m 메쉬로 해석의 정확도를 높여서 해석하였다.
먼저 불연속면 이 불규칙적으로 무수히 발달한 지역은 원호파괴의 안정해 석법을 적용하여 해석을 수행하였다.
이들의 데이터를 이용하여 기존의 해석방법이 사용하고 있는 이미 정해진 파괴면의 안전율(SF: Safety Factor)을 산정하는 것이 아닌, 대상사면의 내부 전체를 탐색하면서 수많은 파괴면 후보의 안전율을 계산함으로써 위험개소와 그때의 파괴면, 파괴방향 등을 추출하는 해석방법을 개발하였다.
이러한 단점을 극복하고자, 본 연구에서는 수치지형 데이터를 이용하여 3차원의 사면형상과 불연속면, 지층 등을 가시화하여 3차원 사면안정 해석방법을 개발하였다.
이러한 목적으로 본 연구에서는 암반사면의 안정성에 큰 영향을 미치는 불연속면의 기하학적 특성 중 그 규모(규칙성, 밀도 등)를 고려하여 2개의 3차원 사면 안정 해석방법을 개발하였다.
이를 근거로 강우중의 함수비 증가에 따른 재료강도의 저하를 고려하여 사면안정해석을 실시하였다.
한편, 지질도의 동부의 보라색으로 표시된 이암으로 형성된 지역은 불연속면의 방향이 불규칙적으로 무수히 발달하고 있어 토사산지와 같은 산사태와 토석류의 형태로 사면파괴가 발생했으므로 원호파괴에 대한 안정해석법을 적용하여 안정성을 평가하였다.
현지조사로부터 절리의 방향성을 조사한 후, 그 중 우세한 세 방향의 절리의 주향/경사데 이터를 임의로 설정하였으며, 그 방향은 (N70W/28S), (N143W/40ES), (N154W/40E)이다.
이렇게 작성된 사면 모델링은 Fig. 2와 같이 사각형의 요소로 나누어 유한요소 해석을 통해 사면안정성 해석을 수행한다.
먼저, 해석대상지역을 요소크기 10 m 메쉬로 분할하여 자연건조상태에서 원호파괴에 대한 안정해석을 실시하였다.
서부 조립현무암지역 및 동부 이암 우세지역의 사면을 대상으로 각각 원호파괴와 평면파괴에 대한 안전율을 계산하였다. 특히, 국내의 경우, 강우가 사면파괴의 주요요인이 되므로 동일지역에 대해서 함수비의 변화에 의한 안전율도 구하여 2개의 결과를 비교, 검토한다.
이상, 불연속면의 분포상황을 고려하여 개발된 사면안정해석법을 실제 사면에 적용하여 그 타당성과 유효성을 확인 하였다.
파괴가 예측된 지점에 대해서는 보다 상세한 안정성을 평가하기 위해 노란색 선으로 표시된 영역을 요소 크기 1m 메쉬로 분할하여 해석을 실시하였다. 그 결과 최소안전율을 나타내는 파괴면과 그 단면도를 Fig.
함수비의 변화를 기준으로 자연건조상태와 강우 중 상태를 고려하여 원호파괴에 대한 사면안정해석을 실시한다.
대상 데이터
평면파괴해석의 대상영역은 실제 평면파괴가 발생한 지역인 서부 조립현무암 지역이다.
이론/모형
본 연구에서 개발한 안정해석방법은 범용수치해석소프트웨어 Mathmatica를 적용하였다.
사면안정해석에는 Hovland (1977)가 제안한 극한평형법을 적용하였다.
연속성이 강한 대규모의 불연속면이 규칙적으로 발달하고 있는 암반사면에서는 암반블록에 대한 평면파괴의 안정해석 법을 적용하였다. 검증에서는 평면파괴의 해석에 있어서도 자연건조상태보다는 습윤상태에서 안전율이 낮아졌으며, 강우 중에 불연속면을 따라 미끄러지는 평면파괴에 대해서도 불안정한 결과를 얻었다.
성능/효과
그 결과, 원호파괴해석의 자연건조상태에서는 안정하다고 판단되는 지점이라도, 강우에 의해 표층의 함수비가 증가하면 불안정해질 가능성이 있는 것을 확인할 수 있었다.
2개의 경우에 있어서 평면 파괴가 발생한 위험지점과 미끄러지는 방향(그림의 화살표 방향), 파괴체적은 동일하며, 최소안전율에는 근소한 차이가 있었다.
두 경우 모두 최소 안전율에서 차이가 크지 않은 것은 재료 정수를 정확한 값이 아닌 값을 설정했기 때문에 나온 결과이며, 만약 내부마찰각을 35o로 높게 설정하면 안전율도 1.28의 결과를 얻어 안전측에 있는 것을 확인하였다.
이상의 해석결과로부터, 대상영역에서 토석류의 체적물이 잔존하고 있는 지역은, 이후 다시 토석류가 발생할 가능성이 있으므로, 집중강우가 있는 여름철은 지속적인 유지관리가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
표층 붕괴란?
여름철 집중강우 시 표층이 얇은 사면에서는 표층붕괴의 형태로 사면파괴가 발생하기 쉽다. 표층 붕괴는 주로 자연 사면에서 발생하는 사면파괴로 느슨해져있는 토층이나 풍화 암층, 또는 토층과 풍화암층이 혼재되어 있는 붕적층의 미 고결물질이 강우에 의해 계곡을 따라 이동하는 현상을 의미 한다. 이 표층붕괴는 주로 집중강우나 해빙기 등의 급격한 물의 침투에 의해 발생한다.
평면파괴은 어떤 형태인가?
평면파괴는 암반에 있는 여러 방향의 불연속면의 조합으로 파괴면이 결정되어 불연속면을 따라서 암반블록이 미끄러져 내려오는 파괴의 형태이다. 이 때, 파괴체의 미끄러지 는 힘이 그에 저항하는 힘보다 큰 경우 파괴가 발생한다.
분할법의 단점을 보완하기 위해 본 연구에서 개발한 내용은?
따라서 사면 붕괴 전 대책공법을 위해 시행하는 안정해석의 목적을 위해서는 다소 부족하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자, 본 연구에서는 수치지형 데이터를 이용하여 3차원의 사면형상과 불연속면, 지층 등을 가시화하여 3차원 사면안정 해석방법을 개발하였다. 먼저 수치지형도의 좌표와 표고데이터를 이용하여 사면형상을 작성한 후, 시추 자료와 현지조사를 통해 각각 지층과 불연속면을 모델링한다.
참고문헌 (11)
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