[논문]사면의 지반 열화로 인한 안정성 평가에 관한 연구

한영철

doi:10.7843/kgs.2018.34.12.83

사면의 지반 열화로 인한 안정성 평가에 관한 연구
A Study on the Evaluation of Stability due to Ground Deterioration of Slope 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.12, 2018년, pp.83 - 92

한영철 (연세대학교)

초록
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사면 구조물은 시간이 경과함에 따라 대상지반에서 각종 열화 현상이 진행되어 내구성의 저하로 인한 붕괴가 발생할 수 있으며, 사용 연한을 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 이러한 지반 열화에 따른 사면안정에 대한 접근방안은 지반의 물리적 특성 및 기하학적인 구조에 국한하여 분석하는 기존의 한계 평형 해석과는 또 다른 개념이라 할 수 있다. 본 연구에서는 사면의 열화 특성과 관련하여 각종 문헌 조사를 통하여 비교분석을 수행하고, 전단강도 저감에 대한 최적의 제안식들로서 지수함수, 로그함수 및 역쌍곡선 함수를 제시하고, 열화에 취약한 양산 단층대의 셰일층에서 붕괴가 발생한 경부고속철도 절토사면을 대상으로 사례분석을 실시하였다. 본 연구에서는 사례분석을 통하여 향후 열화로 인한 사면 안전성과 관련하여 정량적인 평가를 위한 최적의 강도 저하 곡선을 도출하고 한계평형해석에 의한 안정해석을 할 수 있는 접근 방법을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The lapse of time may cause in the slope structure various deterioration phenomenon progresses in the ground of slope, and collapse due to deterioration of strength, resulting in a decrease in the service life. The approach to slope stability due to the ground deterioration is a different concept from the existing limit equilibrium analysis, which is limited to the physical characteristics and geometrical structure of ground. In this study, we conducted a comparative analysis of various literature studies related to the slope failure characteristics and behaviors to presented the optimal formulas for shear strength reduction, such as the exponential function, the logarithmic function and the inverse hyperbolic function. And then a case study was performed on cut slope of Gyeongbu High Speed Rail construction site along the Yangsan fault zone, where the slope failure of shale layer vulnerable to deterioration occurred. As a result, it was confirmed that landslide occurred due to reduction of shear strength by deterioration, as safety factor is approx. 1.0 at the time when the slope failure occurred. Based on the comprehensive case study, as a quantitative approach to the evaluation of slope stability due to deterioration of ground, finally we propose a method for evaluating slope stability with optimal strength reduction curves.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Shear strength reduction of Shimajiri mudstone due to deterioration (Shinjo and Ito, 1989)
그림 Fig. 2. slope failure in cut slope of rail road
그림 Fig. 3. Subsurface profile and sectional plan
그림 Fig. 4. Computed variation of cohesion (c) envelope with time due to deterioration
표 Table 1. Material properties and input data (before slope excavation)
그림 Fig. 5. Computed envelopes of slope failure and safety factors
그림 Fig. 6. Computed variation of safety factor envelopes with time due to deterioration
그림 Fig. 7. Relationship between cohesion and safety factor

AI 본문요약
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제안 방법

당 지역의 사면파괴 원인을 지하수 침투로 인한 셰일층의 열화로 추정하여 전 항의 각종 열화에 따른 제안식 들을 이용하여 종합 분석을 수행하였다. 단, 열화가 진행됨에 따라 점착력은 점진적으로 감소하나, 상대적으로 내부마찰각은 변화가 없는 것으로 간주하였다.
본 연구에서 사면의 열화 특성과 관련하여 광범위한 문헌 조사를 통하여 비교분석을 수행하고, 전단강도 저감에 대한 최적의 제안식들을 선정하여 열화에 취약한 세일층을 대상으로 사례분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
4의 열화에 따른 점착력(c)의 저감 곡선으로부터 역 쌍곡선 함수가 평균값을 나타내므로 이들의 값을 입력치로 적용하였다. 사면 해석 시 전단 파괴면은 실제 발생한 형상과 유사하게 복합사면(Composite slip surface)으로 안전율을 산정하였으며, 최소 안전율을 갖는 얕은 심도(shallow slip)와 층리를 따라 복합 단면의 전단 파괴면을 갖는 깊은 심도(deep slip)에 대하여 해석을 수행하였다. 특히 사면 붕괴 후의 파괴면에서 지하수의 유출이 발생하지 않았기 때문에 지하수위는 고려하지 않았다.
열화 따른 사면의 거동 해석은 셰일(S.W.R., 단층각력대)층을 대상으로 Fig. 4의 열화에 따른 점착력(c)의 저감 곡선으로부터 역 쌍곡선 함수가 평균값을 나타내므로 이들의 값을 입력치로 적용하였다. 사면 해석 시 전단 파괴면은 실제 발생한 형상과 유사하게 복합사면(Composite slip surface)으로 안전율을 산정하였으며, 최소 안전율을 갖는 얕은 심도(shallow slip)와 층리를 따라 복합 단면의 전단 파괴면을 갖는 깊은 심도(deep slip)에 대하여 해석을 수행하였다.
(4) 열화로 인한 사면 안정성 평가 방안으로 사례분석을 통한 해석 결과로부터 정량적 접근방안이 제안되었다. 즉, 사면 굴착 시 초기 강도 정수(점착력 및 내부 마찰각)를 기준하여 사면 굴착 완료 후에 임의 시간 간격을 갖고 최소 2회 이상에 걸쳐 시료를 채취하고, 전단강도 시험을 실시하여 강도 정수를 구하고, 이를 통하여 본 고에서 제시된 제안식(지수 함수, 로그 함수 및 역 쌍곡선 함수)에 대하여 입력 매개 변수(상수)를 도출하여 상호 비교･분석을 실시하고, 이로부터 진행속도를 유추하여 한계 평형 해석에 의해 정량적인 사면 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단되었다.
즉, 사면 굴착 시 초기 강도 정수(점착력 및 내부 마찰각)를 기준하여 사면 굴착 완료 후에 임의 시간 간격을 갖고 최소 2회 이상에 걸쳐 시료를 채취하여 전단강도 시험을 실시하여 강도 정수를 구하고, 이를 통하여 각종 제안식(지수 함수, 로그 함수 및 역쌍곡선 함수)의 입력 매개 변수(상수)를 도출하여 상호 비교･분석을 실시하도록 한다. 또한 이로부터 진행속도를 유추하여 한계 평형해석에 의해 정량적인 사면 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
단, 열화가 진행됨에 따라 점착력은 점진적으로 감소하나, 상대적으로 내부마찰각은 변화가 없는 것으로 간주하였다. 해석 방법은 단층 셰일층(slight weathered rock; SWR)의 점착력(c)을 감소시켜 입력치를 결정하였으며, 사면 파괴 후(굴착 후 263일)의 지반의 점착력(c)에 대하여 실제 측정된 자료가 없으므로 한계평형해석으로 안전율이 1.0인 상태의 점착력(c)을 시행착오(trial and error)법으로 역산하여 사면 파괴시의 강도계수(X)와 점착력(c_t)를 5.4kPa로 추정하여 경과시간(t)에 대한 안전율(S.F.)을 분석하였다.

대상 데이터

0을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 대상 사면은 열화로 인한 지반의 전단 강도 저하로 사면 붕괴가 발생한 것으로 추정할 수 있다. 특히 열화로 인한 점착력의 저하와 안전율은 Fig.
양산 단층대를 통과하는 대구～부산 간 경부고속철도 2단계 건설 노선의 절토 사면에서 공사 중에 붕괴가 빈번하게 발생하였으며, 이러한 지역 중 대표적인 00-0공구 토공 00구간에 대하여 사례분석을 수행하였다. 본 구간의 지질분포는 하양층군내의 진동층(Jindong Fm.)에 속해 있고, 양산단층으로 인한 단층 각력대(Fault brecciazone)로서 열수 변질된 자색 셰일이 두껍게 분포하고 있으며, 부분적으로 얇은 사암이 협재되어 있다. 사면 파괴는 2007년 2월 10일경 굴착을 사면 하단까지 완료한 이후 2007년 10월 31일에 하부에서 rock anchor를 설치하는 중에 발생하였으며(폭 38.
양산 단층대를 통과하는 대구～부산 간 경부고속철도 2단계 건설 노선의 절토 사면에서 공사 중에 붕괴가 빈번하게 발생하였으며, 이러한 지역 중 대표적인 00-0공구 토공 00구간에 대하여 사례분석을 수행하였다. 본 구간의 지질분포는 하양층군내의 진동층(Jindong Fm.

이론/모형

장기적인 사면의 안정성과 관련하여 열화에 대한 예측기법은 아직도 명확한 해법이 없으나 각종 문헌 및 계측자료로부터 매개변수를 도출하고 전항에서 제시한 각종 경험식을 토대로 하여 열화에 따른 경시변화에 대한 추이를 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열화에 따른 사면 안정성에 대한 사례 분석을 위하여 셰일층에서 사면 붕괴가 발생한 지역을 대상으로 국내에서 실용적으로 사용되고 있는 Slope-W 프로그램(Geo-Slope, 2018)을 이용하여 열화 따른 사면의 거동 해석을 수행하였으며, 지반재료의 거동은 Mohr-Coulomb(MC) 파괴 기준으로 한계평형해석(Morgenstern-Price method)을 실시하였다.

성능/효과

(1) 인공 사면의 경우에 열화와 관련된 공학적인 관점의 대상은 퇴적암 계열의 지반이며, 물에 취약한 셰일(shale), 증발암(evaporites), 석고(gypsum) 및 탄산염 계열의 암반(some carbonate rocks)등의 사면에서 화학적인 열화에 따른 강도 저하라 할 수 있다.
(3) 열화에 따른 사면 안정에 대한 사례분석을 위하여 사면 붕괴가 발생한 지역을 대상으로 최적의 제안 식에 대한 매개변수를 도출하고, 사면 안정해석을 수행한 결과 사면 굴착 이후에 지속적인 열화가 진행됨에 따라 안전율이 점차 저하되어 실제 사면 파괴가 발생한 시점(굴착 후 263일 경과)에서 안전율 1.0(얕은 심도)로서 열화로 인한 지반의 전단 강도 저하로 인하여 사면 붕괴가 발생한 것으로 확인할 수 있었다.
(4) 열화로 인한 사면 안정성 평가 방안으로 사례분석을 통한 해석 결과로부터 정량적 접근방안이 제안되었다. 즉, 사면 굴착 시 초기 강도 정수(점착력 및 내부 마찰각)를 기준하여 사면 굴착 완료 후에 임의 시간 간격을 갖고 최소 2회 이상에 걸쳐 시료를 채취하고, 전단강도 시험을 실시하여 강도 정수를 구하고, 이를 통하여 본 고에서 제시된 제안식(지수 함수, 로그 함수 및 역 쌍곡선 함수)에 대하여 입력 매개 변수(상수)를 도출하여 상호 비교･분석을 실시하고, 이로부터 진행속도를 유추하여 한계 평형 해석에 의해 정량적인 사면 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단되었다.
Fig. 5 및 Fig. 6에서 보는 바와 같이 굴착 후 깊은 심도 및 얕은 심도의 안전율은 각각 3.05 및 3.21로서 안정을 유지하였으나, 지속적인 열화가 진행됨에 따라 안전율이 점차 저하되어(본 연구에서는 역 쌍곡선 곡선)실제 사면 파괴가 발생한 시점인 굴착 후 263일 경과하여 각각 1.13 및 1.0을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 본 대상 사면은 열화로 인한 지반의 전단 강도 저하로 사면 붕괴가 발생한 것으로 추정할 수 있다.
본 연구에서 열화에 따른 강도 저감 특성 평가방안으로 제시된 제안식들에 대한 비교 분석 결과 지수 함수 곡선은 초기에 열화 진행 속도가 빠른 반면에 로그 함수는 상대적으로 완만한 곡선을 보이고 있는 것을 알 수 있으며, 역 쌍곡선함수는 이러한 경향과 상관없이 다양한 저감 곡선을 나타낸다고 할 수 있다. 이에 따라 사례 분석을 통한 열화로 인한 사면 안정해석 결과로부터 향후 열화에 취약한 사면에 대하여 다음과 같은 정량적 예측방안을 제안할 수 있다.
(1974)에 따르면 이암(mudstone)인 London clay 절토 사면의 붕괴와 관련하여 열화 정도를 달리한 다양한 시료에 대한 일축 압축시험 결과로부터 역쌍곡선 함수(inverse-hyperbolic function)가 가장 유효한 방법이라 주장하였다. 즉, 전단 강도는 시간이 경과함에 따라 역 쌍곡선 함수로 감소하며, 약 100년이 경과하면 완전 열화 상태(fully-softened condition)에 도달된다고 발표하였다. 이러한 연구로부터 연화로 인한 강도 열화는 다음과 같이 시간의 역 포물선 함수를 사용하여 원위치에서 완전 열화된 상태에 대한 강도 변수를 다음과 같이 보간법으로 나타낼 수 있다(Yoshida et al.

후속연구

즉, 사면 굴착 시 초기 강도 정수(점착력 및 내부 마찰각)를 기준하여 사면 굴착 완료 후에 임의 시간 간격을 갖고 최소 2회 이상에 걸쳐 시료를 채취하여 전단강도 시험을 실시하여 강도 정수를 구하고, 이를 통하여 각종 제안식(지수 함수, 로그 함수 및 역쌍곡선 함수)의 입력 매개 변수(상수)를 도출하여 상호 비교･분석을 실시하도록 한다. 또한 이로부터 진행속도를 유추하여 한계 평형해석에 의해 정량적인 사면 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반의 열화란?	지반의 열화는 시간이 경과함에 따라 지반의 공학적 특성이 저감되는 현상으로 풍화(weathering), 변질(alteration), 슬래킹(slaking), 용해(solution) 및 염분 용탈(salt leaching)등을 포함한다고 정의할 수 있으며, 전단 강도의 연화(softening)현상도 일종의 열화의 과정으로 간주된다(Yoshida et al., 1997).
	화학적 풍화에 특히 취약한 지반은?	, 2016). 특히 그라우팅으로 보강된 지반이나 이암, 세일, 이회암(marl) 혹은 석고질암(gypsiferous materials) 등과 같은 퇴적암(sedimentary rocks)은 물에 취약하므로 용탈이나 화학적 작용에 민감하다 할 수 있다(Tating et al., 2013a).
	사면 구조물의 열화현상이 진행되었을 때 발생하는 문제점은?	이와 같이 사면 구조물은 시간이 경과함에 따라 대상 지반에서 각종 열화 현상이 진행되어 내구성의 저하로 인한 붕괴가 발생할 수 있으며, 사용연한을 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 따라서 이러한 내용연수를 고려한 적절한 설계는 물론 공사 완료 후에 유지관리 차원에서도 열화로 인한 장기적인 사면의 거동 분석은 매우 중요하다 할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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