본 연구에서는 한계평형해석에 근거하는 Talren97과 SoilWorks 그리고 유한요소해석에 근거하는 Midas GTS를 이용하여 비탈면의 최소안전율을 비교 분석하였다. 해석 변수로는 비탈면 높이, 소단조건, 지반정수, 지하수위, 비탈면 경사이며 지하수위를 제외한 모든 변수들에 대한 해석은 건기와 우기로 나누어 수행하였다. 그 결과 동일한 이론을 기반으로 하는 Talren97과 SoilWorks에 의한 비탈면 최소안전율은 동일한 값을 나타내어 프로그램간의 차이는 없는 것으로 확인되었다. 한계평형해석에 비하여 유한요소해석 결과가 다소 높은 안전율을 나타내었으며 평균적으로 약 2.4% 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 그러나 한계평형해석과 유한요소해석의 결과 값 차이는 실무에서는 무시할 수 있는 범위이므로 프로그램 및 해석방법에 따른 비탈면 안전율의 차이는 없는 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 한계평형해석에 근거하는 Talren97과 SoilWorks 그리고 유한요소해석에 근거하는 Midas GTS를 이용하여 비탈면의 최소안전율을 비교 분석하였다. 해석 변수로는 비탈면 높이, 소단조건, 지반정수, 지하수위, 비탈면 경사이며 지하수위를 제외한 모든 변수들에 대한 해석은 건기와 우기로 나누어 수행하였다. 그 결과 동일한 이론을 기반으로 하는 Talren97과 SoilWorks에 의한 비탈면 최소안전율은 동일한 값을 나타내어 프로그램간의 차이는 없는 것으로 확인되었다. 한계평형해석에 비하여 유한요소해석 결과가 다소 높은 안전율을 나타내었으며 평균적으로 약 2.4% 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 그러나 한계평형해석과 유한요소해석의 결과 값 차이는 실무에서는 무시할 수 있는 범위이므로 프로그램 및 해석방법에 따른 비탈면 안전율의 차이는 없는 것으로 판단되었다.
This research compared and analyzed safety ratio of slope with Talren97 and SoilWorks based on limit equilibrium analysis and Midas GTS based on finite element analysis. For the analysis variables, there are slope height, berm condition, soil parameter, groundwater level, slope inclination. All of s...
This research compared and analyzed safety ratio of slope with Talren97 and SoilWorks based on limit equilibrium analysis and Midas GTS based on finite element analysis. For the analysis variables, there are slope height, berm condition, soil parameter, groundwater level, slope inclination. All of slope stability analysis were performed by dividing into dry season and rainy season. As the result of the analysis of Talren97 and SoilWorks based on same theory, safety ratio of slope shows same value, so there was no difference between the programs. In comparison with limit equilibrium analysis, the result of finite element analysis showed somewhat high ratio of safety and it was higher by about 2.4% averagely. The difference between the result of limit equilibrium analysis and that of finite element analysis is in the range which can ignored in practical work.
This research compared and analyzed safety ratio of slope with Talren97 and SoilWorks based on limit equilibrium analysis and Midas GTS based on finite element analysis. For the analysis variables, there are slope height, berm condition, soil parameter, groundwater level, slope inclination. All of slope stability analysis were performed by dividing into dry season and rainy season. As the result of the analysis of Talren97 and SoilWorks based on same theory, safety ratio of slope shows same value, so there was no difference between the programs. In comparison with limit equilibrium analysis, the result of finite element analysis showed somewhat high ratio of safety and it was higher by about 2.4% averagely. The difference between the result of limit equilibrium analysis and that of finite element analysis is in the range which can ignored in practical work.
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문제 정의
이와 같이 비탈면 안정성 평가를 위하여 한계평형해석과 유한요소해석이 일반적으로 이용되어지고 있지만 두 해석 방법의 결과를 비교 · 분석한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 한계평형해석과 유한요소해석에 의한 비탈면 안전율을 비교 · 분석하고자 한다. 한계평형해석은 Talren97과 Soilworks를 이용하였고 유한요소해석은 Midas GTS를 이용하여 동일 비탈면에 대한 비탈면 안정 해석을 수행하고 그 결과를 비교 · 분석하였다(Ryu, 2013).
제안 방법
비탈면 안정 해석에 사용한 변수로는 비탈면 높이, 소단조건, 지반정수, 지하수위 조건, 비탈면 경사(구배)이며, 지하수 위 조건을 제외한 모든 변수에 대한 해석은 건기와 우기로 나누어 수행하였다. 우기시 해석은 지표면까지 완전 포화되는 조건에서 수행하였고, 비탈면을 구성하는 지반의 기본 강도 정수 값은 c = 10 kN/m2, φ = 30o이며 비탈면 구배는 1 : 1.
5는 지하수위 조건에 따른 해석 모델을 나타내고 있다. 지하수위가 지표면에서 비탈면 높이의 25%(5 m), 50%(10 m), 75%(15 m), 100%(20 m) 위치에 있는 경우를 상정하여 해석을 수행하였다.
한계평형해석에 근거하는 Talren97과 SoilWorks 그리고 유한요소해석에 근거하는 Midas GTS를 이용하여 동일 조건의 비탈면에 대한 안정성 해석을 수행하여 그 결과를 비교 · 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
일반적으로 동일한 조건에서 비탈면 높이가 높아짐에 따라 비탈면의 안정성은 저하되므로 비탈면 높이를 10 m, 15 m, 20 m, 30 m로 설정하여 해석을 수행하였다. Fig.
데이터처리
본 연구에서는 한계평형해석과 유한요소해석에 의한 비탈면 안전율을 비교 · 분석하고자 한다. 한계평형해석은 Talren97과 Soilworks를 이용하였고 유한요소해석은 Midas GTS를 이용하여 동일 비탈면에 대한 비탈면 안정 해석을 수행하고 그 결과를 비교 · 분석하였다(Ryu, 2013).
이론/모형
비탈면 안정해석을 위한 유한요소법의 해석 방법에는 강도감소법과 간접법이 있다. 본 연구에서는 강도감소법을 이용하였다. 강도감소법은 비탈면 구성재료의 전단강도를 서서히 감소시켜 계산이 수렴되지 않는 지점까지 해석을 수행하여 그 시점을 비탈면의 파괴로 간주하고 그 때의 최대 강도 저하율을 비탈면의 최소안전율로 간주하는 방법이다(Madasit, 2013).
한계평형법의 해석방법에는 Fellenius의 방법(1927), Bishop의 방법(1955), Janbu의 방법(1957, 1968), Spencer의 방법(1967) 등이 있다. 한계평형해석 프로그램인 Talren97과 SoilWorks를 이용한 해석에서는 Bishop의 방법을 이용하였다(Madasit, 2013).
성능/효과
1. 동일한 이론을 기반으로 하는 Talren97과 SoilWorks에 의한 해석 결과, 동일 조건 비탈면의 최소 안전율은 거의 동일한 값을 나타내어 프로그램별 오차는 없는 것으로 확인되었다.
2. Midas GTS에 의해 수행된 유한요소해석 결과의 안전율이 Talren97과 SoilWorks에 의해 수행된 한계평형해석 결과의 안전율보다 평균적으로 약 2.4% 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 힘의 평형조건에 대한 가정 차이에 기인한 결과로 판단된다.
18과 19는 비탈면 구배에 따른 해석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 비탈면 구배에 따른 해석 결과, 유한요소법에 의한 안전율이 한계평형법에 의한 안전율보다 미미하게 높기는 하나 거의 유사한 값을 나타내었다.
14와 15는 건기 및 우기시 비탈면 높이에 따른 해석 결과를 나타낸 그래프이다. 비탈면 높이가 10 m, 15 m인 경우에는 유한요소법에 의한 안전율이 한계평형법에 의한 안전율보다 다소 높게 나타났으며, 높이가 높아질수록 두 해석간의 안전율 차이는 미미한 것으로 나타났다.
3. 유한요소해석과 한계평형해석의 결과 값의 오차범위는± 5% 이내이므로 실용상 정해에 가까운 값으로 판단되며, 프로그램 및 해석방법에 따른 비탈면 안전율 차이는 없는 것으로 판단되었다. 따라서 응력이나 변위에 대한 검토가 필요한 경우에는 유한요소해석을 수행해야 하지만 최소안전율을 확인하고자 하는 경우에는 Bishop 방법에 의한 한계평형해석만으로도 충분한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한계평형해석이란?
비탈면 안정 해석의 대표적인 이론은 한계평형법과 유한요소법이다. 한계평형해석은 활동면을 따라 발생하는 전단응력과 비탈면 구성 재료의 전단강도를 분석하여 비탈면의 안정성을 평가하는 방법으로써 일반적으로 설계에 이용되고 있는 방법이다. 최근에는 비탈면의 붕괴거동에 대해 분석하고 비탈면의 진행적 파괴에 대한 적절한 계측위치 및 계측관리 값을 사전에 파악할 수 있는 유한요소법을 이용한 해석이 부각되고 있다.
비탈면 안정 해석의 대표적인 이론은 무엇인가?
비탈면 안정성 검증을 위해 많은 이론들이 연구되었고 그러한 이론을 근거로 하는 프로그램들이 개발되어 상용화되고 있다. 비탈면 안정 해석의 대표적인 이론은 한계평형법과 유한요소법이다. 한계평형해석은 활동면을 따라 발생하는 전단응력과 비탈면 구성 재료의 전단강도를 분석하여 비탈면의 안정성을 평가하는 방법으로써 일반적으로 설계에 이용되고 있는 방법이다.
Midas GTS에 의해 수행된 유한요소해석 결과의 안전율이 Talren97과 SoilWorks에 의해 수행된 한계평형해석 결과의 안전율보다높게 나온 이유는?
4% 높게 나타나는 것으로 확인되었다. 이는 힘의 평형조건에 대한 가정 차이에 기인한 결과로 판단된다.
참고문헌 (8)
Bishop, A.W. (1955). The use of slip circle in the stability analysis of Earth Slopes. Geotechnique, 5(1), 7-17.
Fellenius, W. (1927). Erdstatische Berechnungen. revised edition, W. Ernst u. Sons, Berlin.
Janbu, N. (1957). Earth pressure and bearing capacity calculations by generalized procedure of slices. Proceedings of 4th international conference, SMFE, London, 2, 207-212.
Janbu, N. (1968). Slope stability calculations. Soil Mechanics and Foundation Engineering Report, The Technical University of Norway, Trondheim.
Midasit (2013). Analysis Reference (in Korean).
Midasit (2013). Verification Manual SoilWorks (in Korean).
Spencer, E. (1967). A method of analysis of the stability of embankments assuming parallel inter-slice forces. Geotechnique, 17(1), 11-26.
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