[논문]역해석을 통한 퇴적암 절취비탈면 불연속면(층리)의 전단강도 추정

김창호; 김봉용; 박태완; 김태형

doi:10.12814/jkgss.2018.17.1.139

역해석을 통한 퇴적암 절취비탈면 불연속면(층리)의 전단강도 추정
Estimation of Shear Strength of Discontinuous (bedding) Cut Sedimentary Rock Slope by Using Back Analysis 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.17 no.1, 2018년, pp.139 - 152

김창호 (Korea Expressway Corp.) , 김봉용 (DongIl Engrg. Consul. Co., Ltd.) , 박태완 (Korea Expressway Corp.) , 김태형 (Dept. of Civil Engre., Korea Maritime and Ocean Univ.)

초록
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본 연구에서는 경상분지 퇴적암지대 특히 양산단층대(일광동래단층대) 구간 퇴적암 비탈면에서 도로 시공 시 불연속면(층리)에서 발생된 파괴사례를 분석하였다. 이 지역의 경우 다른 지역에 비해 시공 중 비탈면파괴 사례가 유독 많이 발생된 지역이다. 노출된 파괴 비탈면에 대한 Face Mapping 작성 후 한계평형법에 의한 역해석을 통해 불연속면(층리)의 전단강도 파라미터를 산정하였다. 분석 결과 이 지역 불연속면(층리면) 비탈면 경우 기존 설계 전단강도 파라미터 값 및 문헌제시 값과 비교했을 때 상당히 작게 산정되는 것으로 나타났다. 이것은 층리면에 존재하는 잔존물과 지하수의 유출 등에 의한 영향으로 볼 수 있는데, 특히 점토와 같은 풍화잔존물이 불연속면의 전단강도에 감소에 영향을 미친 것으로 판단된다. 그리고 마찰각은 층리면각과 서로 비례하는 경향을 보여 두 변수사이에 관계식을 제시하였다. 이 식을 이용하여 노출된 층리면각을 알면 쉽게 전단강도 마찰각을 손쉽게 산정할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is an analysis of slope failure examples of cut sedimentary hills during construction road in Kyoungsang Basin, especially Yangsan Fault system (Ilkwang-Dongrae fault). This area involved a lot of hillslope failures compared to other areas during road construction. The exposed failure slopes were first face-mapped, and then back analyzed based on the limit equilibrium method to assess the shear strength parameters of discontinuity (bedding). The results of this analysis indicate that the shear strength parameters of discontinuity (bedding) are significantly smaller than those used in the design stage and presented in the existing works. The filling in the bedding and emerging groundwater may be decreasing strength parameters. Especially, the clay in the bedding plays a key role in the effect of the shear strength. The study also suggests that the bedding angle and the internal friction angle are proportional to each other. Using this relationship and knowing the bedding angle, the friction can easily be estimated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 경상분지 퇴적암지대 특히 양산단층대 (일광동래단층대) 구간에서 퇴적암 비탈면에서 도로 시공 시 불연속면(층리)에서 발생된 파괴사례를 분석하였다. 붕괴가 발생된 비탈면 전체를 노출시켜 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후비탈면 안정성 해석을 다시 하는 역해석기법에 의해 불연속면의 전단강도 파라미터를 추정하였다.
이들은 대부분 암반비탈면 파괴에 대한 역해석(FEM or LEM)으로부터 비탈면 파괴 시 암반의 전단강도 파라미터에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 붕괴가 발생된 비탈면을 완전히 노출시켜 먼저 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후 한계평형에 의한 비탈면 안정성 해석을 다시 하는 역해석 기법에 의해 불연속면의 전단강도 파라미터를 추정하는 연구를 수행하였다. 연구 결과는 기존에 설계 시 사용하고 있는 산정 결과와 비교 되었으며, 또한 층리면각과 마찰각의 상관관계식도 도출하였다.

가설 설정

설계적용 암반의 전단강도 파라미터 산정(2.1절 참조) 을 참고하고 본 연구 구간에 분포하는 암반은 주로 사암 또는 셰일의 경암 및 연암으로서 “풍화된 퇴적암의 불연속면”으로 가정하여 점착력은 약 50kPa으로 산정되었다.
유효수직응력(σn)은 해석단면 및 깎기높이에 따라 일정치 않은 값이지만 대략 20m이상의 깎기부에 대해 안정성 평가를 실시하였기 때문에 평균높이를 25m로 가정하여 산정하였다.

제안 방법

거칠기계수 JRC는 profile gage에 의해 절리면의 요철을 측정하고, 이를 profile chart와 비교하여 산정하였다(Barton, 1973). Profile gage에 의해 측정한 JRC는 각 위치별로 다소 차이를 나타내며 4∼20의 값을 가지는 것으로 나타났는데, 안전을 고려해 JRC=4로 산정하였다.
그래서 본 연구에서는 Table 1에 언급된 부산∼울산간 고속도로 건설 공사 중 파괴된 비탈면 중에서 30개 사면 (대부분 평면 및 원호파괴)에 대한 역해석을 통해 층리와 관련된 불연속면의 전단강도 파라미터 산정을 시도하였다.
그리고 점토층이 존재하는 층리면을 따라 지하수가 누출되는 것으로 나타났다. 본 검토구간에서 최대 비탈면고에 해당하는 STA.2+740 단면을 적용하여 안정성 검토를 수행했다(Fig. 14).
역해석은 노출 비탈면에 대해 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후 실시 되었다. 불연속면이 층리인 비탈면파괴 사례(Table 1 참조) 에 대해 역해석이 이루어졌다. 평면파괴와 원호파괴 사례 각각에 대한 역해석 예는 다음과 같다.
본 연구에서는 경상분지 퇴적암지대 특히 양산단층대 (일광동래단층대) 구간에서 퇴적암 비탈면에서 도로 시공 시 불연속면(층리)에서 발생된 파괴사례를 분석하였다. 붕괴가 발생된 비탈면 전체를 노출시켜 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후비탈면 안정성 해석을 다시 하는 역해석기법에 의해 불연속면의 전단강도 파라미터를 추정하였다. 연구결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
비탈면이 이미 붕괴가 발생된 상태이므로 현행 안전율 1.0을 기준으로 한계평형해석을 실시하였다. 사용된 프로그램은 프랑스의 TERRASOL사에서 개발한 TALREN을 이용하였다.
암반 비탈면 불연속면에 대한 설계 전단강도 파라미터 산정은 기존문헌자료 검토, 시추코아에 대한 절리면 전단 시험 및 암석실험, 지표지질조사(암반의 불연속면 특성) 및 강도제안식 활용 등의 결과를 종합적으로 검토하여 전단강도 파라미터를 산정하였다. 기존 방법에 의한 전단강도 파라미터 산정 과정을 살펴보면 다음과 같다.
역해석은 노출 비탈면에 대해 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후 실시 되었다. 불연속면이 층리인 비탈면파괴 사례(Table 1 참조) 에 대해 역해석이 이루어졌다.
본 연구에서는 붕괴가 발생된 비탈면을 완전히 노출시켜 먼저 Face mapping을 통해 암석 및 불연속면(층리)을 가능한 한 정밀하게 조사 후 한계평형에 의한 비탈면 안정성 해석을 다시 하는 역해석 기법에 의해 불연속면의 전단강도 파라미터를 추정하는 연구를 수행하였다. 연구 결과는 기존에 설계 시 사용하고 있는 산정 결과와 비교 되었으며, 또한 층리면각과 마찰각의 상관관계식도 도출하였다.
기반암 불연속면의 강도정수 산정을 위해서는 전단시험이 필요하다. 이 시험은 시편을 채취하기 위해 수세식 시추조사를 시행함에 따라 일반적으로 불연속면내 수 mm 내지 수 cm 되는 점토 또는 파쇄물의 채취가 불가능하여 엄밀히 따지면 설계 시 불연속면에 대한 전단시험은 현실적으로 불가능함에 따라 대상구간의 실시 설계 시에는 관련 식에 의해 강도정수를 산정하여 적용하였다
절리면압축강도(JCS)는 절리면에 대한 점하중시험 결과로부터 산정하거나 무결암의 일축압축강도(σc)에 감소 계수를 적용하여 산정하였다.
점착력은 층리면각에 무관하게 거의 일정한 값을 보여 주는 반면 층리면각과 마찰각 사이에는 서로 비례하는 경향을 보여 두 변수사이에 관계식을 제시하였다. 이 관계식은 현장에서 비교적 조사가 쉬운 층리면각을 활용하는 것이므로 비교적 신속하고 간편하게 비탈면의 안정 판단에 필요한 마찰각을 산정할 수 있다.
7)이다. 최대 비탈면고에 해당하는 위치(STA.1+000)이며 절토비탈면의 주향/경사는 N02E/55SE(경사방향/경사각; 92/55, 1:0.7구배적용)로 설계되었다(Fig. 2).

대상 데이터

설계 시 적용된 경사는 토사구간(1:1.2∼1.5), 리핑암(1:1.0), 발파암(1:0.5)이다.
2). 설계 시 적용된 경사는 토사구간(1:1.2), 발파암(1:0.7)이다. 최대 비탈면고에 해당하는 위치(STA.
8과 같다. 설계 절토비탈면의 주향/경사는 N27E/63NW(경사각/경사방향; 63/297, 1:0.5경사 적용)으로 계획되었다. 설계 시 적용된 경사는 토사구간(1:1.

데이터처리

비탈면이 이미 붕괴가 발생된 상태이므로 현행 안전율 1.0을 기준으로 TALREN을 이용하여 한계평형해석을 수행하였다. 해당 사면의 지반상태는 설계와 비교 시 유사하나, 3m 소단(20m위치) 위치에서 연약화된 점토 층리면이 존재하는 것으로 조사되었다.

이론/모형

0을 기준으로 한계평형해석을 실시하였다. 사용된 프로그램은 프랑스의 TERRASOL사에서 개발한 TALREN을 이용하였다. 이 프로그램은 한계평형상태에서 지반파괴면을 고려하는 고전적인 사면안정방법(Slope Stability Method) 에 근거를 두고 있으며 복잡한 기하경사와 원호 및 비원호 지반파괴면을 해석할 수 있다(Baek et al.
사용된 프로그램은 프랑스의 TERRASOL사에서 개발한 TALREN을 이용하였다. 이 프로그램은 한계평형상태에서 지반파괴면을 고려하는 고전적인 사면안정방법(Slope Stability Method) 에 근거를 두고 있으며 복잡한 기하경사와 원호 및 비원호 지반파괴면을 해석할 수 있다(Baek et al., 2002; Kim, 2004).

성능/효과

본 검토비 탈면에서 조사된 단층은 N22∼35W/52∼68NE 및 N50∼52E/74∼78SE의 2가지 방향을 가지는 것으로 조사되었다.
비탈면의 풍화도는 상부는 대체적으로 불량(Residual soil∼Moderately weathered)하고, 하부는 양호(Slightly weathered∼Fresh)한 전형적인 지반상태를 보이고, 단층면을 경계로 하여 좌측구간은 우측보다 불량한 상태의 지반이 넓게 분포하는 것으로 조사되었다.
소규모 파괴형태는 불연속면의 상태가 불량하고 연속성이 길며 비탈면과 유사한 방향의 층리면에 따른 평면파괴로서 비탈면의 장기적인 안정성을 고려하고 층리면의 상태 및 연속성 그리고 방향성을 고려할 경우 규모가 큰 평면파괴 형태의 파괴가 발생할 것으로 판단하였다(Fig. 7).
암석의 풍화도는 대체적으로 Moderately weathered∼Fresh하며, 일부 3m 소단 상부 비탈면 및 표토층은 Highly Weathered∼Completely Weak한 것으로 나타났다(Figs. 3 and 4).
역해석을 통해 분석된 잔존물이 층리에 존재하는 경우 전단강도 파라미터 값과 실시 설계 시 적용한 값을 비교해 보면, 점착력의 경우 평균값 대비 최대 약 72%정도 마찰각의 경우 평균값 대비 약 26°정도 낮게 산정되었다.
절리의 경우 불량한 지반인 이암으로 구성된 비탈면 상부의 절리면 상태는 토사 등이 코팅되었거나, 풍화가 심한불량상태로 나타났고, 양호한 지반인 사암으로 구성된 비탈면 하부 절리면 상태는 대체적으로 양호한 것으로 조사되었다. 절리면의 주향 및 경사는 N22W/38SW, N86W/ 74SW, N88W/ 82SW, N10E/76SE, N22W/36SW, N65W/ 63SW, N64W/62SW, N02W/37SW, N62E/83SE, N11E/38NW, N26W/42SW, N60E/84SE인 것으로 나타났다. 본 검토비 탈면에서 조사된 단층은 N22∼35W/52∼68NE 및 N50∼52E/74∼78SE의 2가지 방향을 가지는 것으로 조사되었다.
절리의 경우 불량한 지반인 이암으로 구성된 비탈면 상부의 절리면 상태는 토사 등이 코팅되었거나, 풍화가 심한불량상태로 나타났고, 양호한 지반인 사암으로 구성된 비탈면 하부 절리면 상태는 대체적으로 양호한 것으로 조사되었다. 절리면의 주향 및 경사는 N22W/38SW, N86W/ 74SW, N88W/ 82SW, N10E/76SE, N22W/36SW, N65W/ 63SW, N64W/62SW, N02W/37SW, N62E/83SE, N11E/38NW, N26W/42SW, N60E/84SE인 것으로 나타났다.
조사결과 층리면은 저각도로 비탈면과 유사한 방향이며, 하부 일부 층리면에는 연약화된 점토층이 약 1∼5cm 두께로 존재하고 있는 것으로 조사되었다.
좀 더 상세하게 살펴보면 암석의 강도가 대체적으로 Strong∼Very Strong 하며, 일부 폭 3m 소단 상부 비탈면 및 표토층은 Weak∼Very Weak 한 것으로 나타났다.
조사결과 층리면은 저각도로 비탈면과 유사한 방향이며, 하부 일부 층리면에는 연약화된 점토층이 약 1∼5cm 두께로 존재하고 있는 것으로 조사되었다. 주향과 경사는 N14E/07NW, N33E/07NW, N26E/07NW, N34E/05NW, N23E/05NW, N53E/04NW, N45E/02NW, N08E/07NW(점토 존재), N12E/ 09NW(점토 존재), N14E/07NW(점토 존재)인 것으로 나타났다.
지반의 강도는 비탈면 상부는 대체적으로 불량(Extremely weak∼Moderately strong)하고, 하부는 양호(Strong∼Very strong)한 전형적인 암반상태를 보이고, 단층면을 경계로 하여 좌측구간이 우측보다 불량한 상태의 지반이 넓게 분포하는 것으로 조사되었다.
파괴 후 지질을 검토해본 결과 절취비탈면의 대부분을 차지하고 있는 기반암은 암회색∼청회색 사암과 셰일이 교호하며 호층을 이루고 있는 비교적 단조로운 지층현황을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발생한 파괴형태는 어떤 것인가?	발생한 파괴형태는 원호파괴로 비탈면 중앙부에 발달한 단층대 및 단층 좌측부의 지반 불량, 절취에 따른 응력해방으로 인한 절리면에서의 인장균열과 점토층의 상호 작용에 의한 것으로 판단된다. Figs.
	층리는 무엇인가?	특히 퇴적암이 존재하는 지역에서는 층리라는 불연속면으로 인한 비탈면 파괴가 많이 발생되는 경향을 보인다. 층리란 퇴적 시기에 입자의 크기 및 방향, 광물학적 및 화학적인 요소의 변화에 의해 형성된 퇴적암의 면구조이다 (Park, 2002). 층리는 지구조 운동에 의하여 경사지고 구부려지고 다양한 방향으로 역전되어 불연속면 형태로 발전된다.
	불연속면의 특성 파악이 중요한 이유는 무엇인가?	특히 암반 비탈면과 같은 급경사지에서 불연속면의 특성 파악이 중요하다. 왜냐하면 비탈면의 불안정요인이 주로 단층, 층리, 절리 등과 같은 불연속면의 기하학적 및 역학적 특성에 크게 기인되기 때문이다(Lee and Kim, 2004).

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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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