[논문]진동대 실험을 통한 암반비탈면의 변위 거동 특성

윤원섭; 강종철; 박연준

doi:10.21289/ksic.2020.23.2.245

진동대 실험을 통한 암반비탈면의 변위 거동 특성
Displacements Behavior of Rock Slope by Shaking Table Test 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.2/1, 2020년, pp.245 - 254

윤원섭 (창신대학교 토목공학과) , 강종철 (경호엔지어링) , 박연준 (수원대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the so far little-researched characteristics of the behaviors of rock slopes at the time of an earthquake. For the selection of the rock block, a proper model was formed by applying the similarity in consideration of the roughness and strength of the rock slope(10m) on the site, and shaking table tests were carried out according to seismic excitement acceleration, and seismic waves. In the case of the inclination angle of the joint plane of 20°, the long period wave at 0.3g or more at the time of the seismic excitement surpassed the length of 100mm, the permissible displacement (0.01H, H:slope height), which brought about the collapse of the rock; the short period wave surpassed the permissible displacement at 0.1g, which caused the collapse of the slope. The rock slope was close to a rigid block and a structure more vulnerable to the long period wave than to the short period wave. It collapsed in the short period wave even at the seismic amplitude smaller than the maximum design acceleration in Korea.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Flow chart of research performance
그림 Fig. 2 The front view of the experimental device
그림 Fig. 3 Mimetic diagram of the experimental device
그림 Fig. 4 Seismic waves applied to tests
표 Table 1. Seismic waves applied to tests
그림 Fig. 5 Material of rock block
그림 Fig. 6 Formation process to model test
표 Table 2. Application of similarity law to model test
그림 Fig. 7 Constructions of rock block
그림 Fig. 8 Location of the instrument
표 Table 3. Result of displacement with long-period wave
그림 Fig. 9 Result of displacement with long-period wave
그림 Fig. 10 Result of displacement with short-period wave
그림 Fig. 11 파형에 따른 변위결과 분석
표 Table 4. Result of displacement with short-period wave

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 암반비탈면에 작용하는 지진하중을 모사하기 위해 단주기, 장주기를 적용한 진동대 실험을 실시하였다. 또한, 인공 암반비탈면의 기울기는 표준경사를 가정하여 1:05(63°) 를 적용하였으며, 암반비탈면의 대표적인 파괴형태인 평면파괴조건으로 가정하여 지진시 거동을 분석하였다.
본 연구는 암반비탈면의 지진 시 평면파괴 거동특성을 분석하기 위해 진동대 실험을 수행하였다. 암반비탈면의 평면파괴 절리는 문헌자료를 참고하여 활동 가능면과 비탈면의 경사의 주향이 20°이내의 평면파괴 발생확률이 높은 경우를 가정하였다.
본 연구에서는 연구 실적이 미비한 지진분야 중 암반비탈면의 거동 특성에 대해 연구하였다. 상사율을 고려하여 암반비탈면 높이 10m를 기준으로 거칠기와 강도 등을 고려하여 모형을 형성하였으며, 가진 가속도, 지진파 종류에 따른 진동대 모형실험을 실시하였다.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 암반비탈면에 작용하는 지진하중을 모사하기 위해 단주기, 장주기를 적용한 진동대 실험을 실시하였다. 또한, 인공 암반비탈면의 기울기는 표준경사를 가정하여 1:05(63°) 를 적용하였으며, 암반비탈면의 대표적인 파괴형태인 평면파괴조건으로 가정하여 지진시 거동을 분석하였다. 또한, 암반비탈면은 절리간격 및 응력의 상사 모델이 적용된 재료를 진동대에 설치한 후, 지진하중을 발생시켜 축소된 강체블록의 가속도 증폭과 동적 변위를 계측함으로써 지진하중과 평면파괴 조건에 대한 암반비탈면의 파괴특성을 분석하였다.
암반비탈면의 평면파괴 절리는 문헌자료를 참고하여 활동 가능면과 비탈면의 경사의 주향이 20°이내의 평면파괴 발생확률이 높은 경우를 가정하였다. 또한, 절리면의 거칠기는 입력지진파의경향을 파악하기 위함므로 거칠기는 JRC=0으로가정하여 진동대 실험을 수행하였다. 암반비탈면 모형은 실제 비탈면 높이 10m를 모형 토조의 상사비(1/20)를 적용하여 형성하였다.
본 연구는 암반비탈면의 지진 시 평면파괴 거동특성을 분석하기 위해 진동대 실험을 수행하였다. 암반비탈면의 평면파괴 절리는 문헌자료를 참고하여 활동 가능면과 비탈면의 경사의 주향이 20°이내의 평면파괴 발생확률이 높은 경우를 가정하였다. 또한, 절리면의 거칠기는 입력지진파의경향을 파악하기 위함므로 거칠기는 JRC=0으로가정하여 진동대 실험을 수행하였다.
연구에서는 암반비탈면의 지진 시 안정성을 분석하기 위해 평면파괴 조건을 가정하여 진동대 모형실험을 실시하였다. 파괴면의 기울기 20°에대한 모형을 형성한 후 장주기와 단주기의 지진파를 가속도 0.

제안 방법

또한, 인공 암반비탈면의 기울기는 표준경사를 가정하여 1:05(63°) 를 적용하였으며, 암반비탈면의 대표적인 파괴형태인 평면파괴조건으로 가정하여 지진시 거동을 분석하였다. 또한, 암반비탈면은 절리간격 및 응력의 상사 모델이 적용된 재료를 진동대에 설치한 후, 지진하중을 발생시켜 축소된 강체블록의 가속도 증폭과 동적 변위를 계측함으로써 지진하중과 평면파괴 조건에 대한 암반비탈면의 파괴특성을 분석하였다.
모형형성이 마무리되면, 단주기와 장주기 형태의 지진파를 0.05g, 0.1g, 0.15g, 0.2g, 0.3g의 지진파 크기로 가진하여 암반블록의 파괴특성을 분석하였다. 블록의 크기는 상사율(1/20)에 맞췄으며, 암반비탈면 높이는 10m로 하였다.
본 실험에서는 장주기파, 단주기파의 파형 특성을 고려하여 2가지 지진파에 대해서 분석하였다. 암반비탈면의 진동대 실험에서 적용된 가속도 시간이력을 나타내는 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato)의 시간이력은 Table 1, Fig.
본 연구는 지진 시 암반비탈면의 변위거동 특성에 대한 실험연구로 실험 결과에 따른 비탈면의 붕괴기준은 국내에서 일반적으로 적용되고 있는 변위기준을 적용하였다. 수평변위 기준은δ_h,max =H(비탈면 높이)×1%이므로 비탈면 높이가10m일 경우 허용수평변위는 100mm로 적용하여 암반비탈면의 지진 시 안정성을 판단하였다.
본 연구에서는 연구 실적이 미비한 지진분야 중 암반비탈면의 거동 특성에 대해 연구하였다. 상사율을 고려하여 암반비탈면 높이 10m를 기준으로 거칠기와 강도 등을 고려하여 모형을 형성하였으며, 가진 가속도, 지진파 종류에 따른 진동대 모형실험을 실시하였다. 실험 결과를 정리 분석하면 다음과 같다.
실험에 적용된 입력지진파는 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato)를 적용하였다. 암반비탈면 축소 모형을 형성하고, 분석 위치별로 계측기(변위계)를 설치하여 지진파 종류와 크기에 따른 변위를 측정하였다. 측정된 계측결과를 비교 분석하여 지진 시 안정성을 분석하였다.
암반비탈면을 제작된 토조 안에 상사율 1/20이되도록 제작하였다. 암반비탈면내 존재하는 평면파괴 절리면 경계로 암반비탈면을 분리하였으며, 절리면과 자중에 의해서만 고정되도록 거친 절리면을 제작하였다. 제작된 모형에 대표적인 장주기와 단주기 지진파를 가진하였고, 이를 모형 진동대 장비에 입력하여 지진파를 모사하였다.
암반비탈면내 존재하는 평면파괴 절리면 경계로 암반비탈면을 분리하였으며, 절리면과 자중에 의해서만 고정되도록 거친 절리면을 제작하였다. 제작된 모형에 대표적인 장주기와 단주기 지진파를 가진하였고, 이를 모형 진동대 장비에 입력하여 지진파를 모사하였다. 1/20의 상사율을 고려하여 제작된 진동대 모형실험 전경은 Fig.
수행한 직접전단시험은 크게 두 가지이다. 첫번째 조건은 실험이 수행되는 동안 각각 7가지의 일정한 전단속도로 전단변위가 발생되도록 하여전단속도에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보았으며, 두 번째 조건은 전단변위가 발생되는 중간에 3가지 형태의 순간적인 전단속도 변화가 마찰특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 실험 결과 수직응력과 전단속도의 변화에 따른 편평한 화강암의 마찰계수 변화는 가해진 수직응력 수준에 영향을 받았으며, 전단속도의 변화가 마찰거동에 영향을 미치기 시작하는 전이속도는 수직응력이 증가하면 낮아졌고, 전단속도가 느릴수록 stick-slip 거동에 서의 응력 저하 폭이 커졌다.
진동대 모형실험에서는 일반적으로 실제의 암반 비탈면에 대한 축소모형을 고려하여야 한다. 축소된 암반 블록과 원형사이의 크기관계(상사법칙)은 합리화하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 Iai(1989) 가 제안한 상사법칙을 고려하여 진동대 모형을 형성 후 실험을 실시하였으며, 지진 가속도 크기를고려하여 암반비탈면의 평면파괴 절리거동 양상을 파악하였다.

대상 데이터

지표면 도달시 장주기파 성분이 주를 이룰 경우는 연약한 매질을 통과한 경우이며, 단주기파 성분이 주를 이룰 경우는 암반과 같은 단단한 매질을 통과한 경우이다. 국내에서 가장 인접한 지역인 일본에서 발생한 장주기파(Hachinohe)와 단주기파(Ofunato)의 실제 지진기록을 본 연구에서 적용하였으며, 이 지진파는 국토교통부 및 해양수산부 등의 정부기관에서 대표적인 단주기와 장주기파로 적용할 것을 제시하고 있어 적용하였다.
본 연구에 적용된 지진파는 실제 일본에서 측정된 지진파이다. 지진은 일반적으로 진앙지에서부터 전파되면서 지반의 특성에 따라서 파의 성분이 증폭과 감쇠가 이루어지게 된다.
실험에 적용된 입력지진파는 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato)를 적용하였다. 암반비탈면 축소 모형을 형성하고, 분석 위치별로 계측기(변위계)를 설치하여 지진파 종류와 크기에 따른 변위를 측정하였다.

데이터처리

Park and Jeon(2006)은 진동하중을 받는 암석절리면의 마찰 거동을 파악하기 위하여 경사면에 대한 진동대 시험장치를 구축하였고, 다양한 동적 하중 조건하에서 암석 블록의 미끄러짐 거동 특성을 분석하였다. 또한, 이론적인 암석 블록의 미끄러짐 거동을 만족하는 블록거동 프로그램을 작성하고, 진동하중에 의해 미끄러지는 암석 블록의가속도 및 변위 계측결과를 개발된 프로그램에서 계산된 결과와 비교하여 암석 절리면의 동적 마찰각을 산정하였다(Park and Jeon, 2006).
암반비탈면 축소 모형을 형성하고, 분석 위치별로 계측기(변위계)를 설치하여 지진파 종류와 크기에 따른 변위를 측정하였다. 측정된 계측결과를 비교 분석하여 지진 시 안정성을 분석하였다.

성능/효과

1. 절리면 경사가 20°인 경우 장주기파가 가진 시 0.3g이상에서 암반비탈면의 허용 변위량(0.01H, H:비탈면의 높이)인 100mm를초과하여 암반의 붕괴되었으며, 단주기인 경우에는 0.1g에서 허용 변위량을 초과하여 비탈면의 붕괴되었다.
2. 암반비탈면의 경우 강체 구조물로 장주기에 비해 단주기에 취약하였으며, 단주기에서는 국내 기반암(S_B 지반) 기준 내진 1등급 설계최대 가속도인 0.154g보다 작은 지진파에서도 붕괴가 발생되었다.
3. 국내에서 발생된 지진파는 대부분 지속시간이 짧고, 고주파수의 단주기파가 주로 발생되므로 지진 발생 시 암반비탈면이 취약한구조물이며, 이에 대한 대비가 필요하였다.
첫번째 조건은 실험이 수행되는 동안 각각 7가지의 일정한 전단속도로 전단변위가 발생되도록 하여전단속도에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보았으며, 두 번째 조건은 전단변위가 발생되는 중간에 3가지 형태의 순간적인 전단속도 변화가 마찰특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 실험 결과 수직응력과 전단속도의 변화에 따른 편평한 화강암의 마찰계수 변화는 가해진 수직응력 수준에 영향을 받았으며, 전단속도의 변화가 마찰거동에 영향을 미치기 시작하는 전이속도는 수직응력이 증가하면 낮아졌고, 전단속도가 느릴수록 stick-slip 거동에 서의 응력 저하 폭이 커졌다. 순간적인 전단속도 변화에 따른 정상 상태에서의 마찰계수 변화를 살펴보면 순간적인 속도의 증가에 따라 마찰계수가 감소하는 속도 연화 현상이 나타났으며, 느린 전단속도에서 전단속도의 변화에 따른 마찰계수의 감소폭이 빠른 전단속도에서의 변화에 따른 감소폭보다 크게 나타나는 것으로 보고하였다(Park et al.
11은 장주기파와 단주기파의 실험결과를 비교한 결과이다. 실험결과 변위는 장주기에 비해 단주기에서 가진 가속도의 증가에 따른 변위의 증가가 컸으며, 단주기에서는 0.1g이하의 가진 가속도에서도 암반 블록의 탈락에 따른 붕괴가 발생되어 단주기에 취약한 시설물로 분석되었다.

후속연구

따라서 정부와 지자체, 국민들 스스로가 지진에 대해 안일한 생각에서 벗어나 적극적인 대비와 예측, 대응에 대해 다양한 분야에서 준비가 필요한 시점이다. 내진설계기준의 개정 등 국가 차원의 대비가 있었으나, 지진파 생성 및 결정 등의 기준이 각 내진설계를 발주하는 기관마다 다양하고, 설계기준 정립 과정이 짧아 제대로 설계기준이 정립되지 않아 앞으로 더욱더 다양한 연구를 통해 국내 실정에 맞는 설계기준을 지속적으로 수정⋅ 보완을 이어나가야 할 것이다.
4. 따라서 암반비탈면에 대한 추가적인 모형실험과 현장 계측, 수치해석 등의 연구를 통해 지진 발생 시 암반비탈면의 붕괴를 미연에 방지할 필요가 있다. 특히, 현장에서 발생될수 있는 비탈면의 붕괴를 비교적 정확히 모델링할 수 있는 모형실험에 대한 연구가 많이 필요할 것으로 판단되며, 본 연구에서 수행되지 못한 최근 개정된 내진설계기준에따른 인공지진파 및 국내에서 발생된 지진파, 절리 기울기, 비탈경사, 절리면 특성 등에 따른 추가적인 연구가 필요하였다.
그러나 실제 현장에서는 이러한 안정조건을 만족하는 경우라도 비탈면의 붕괴가 빈번히 발생하고 있다. 따라서, 이러한 안정적인 비탈면 조건이라도 현장 지형 및 지반특성상 붕괴가 발생된 사례(Korea Expressway Corporation, 1994∼2000)를 중심으로 국내 암반 비탈면의 평면파괴 조건에 대한 추가적인 연구는 필요한 실정이다.
따라서 암반비탈면에 대한 추가적인 모형실험과 현장 계측, 수치해석 등의 연구를 통해 지진 발생 시 암반비탈면의 붕괴를 미연에 방지할 필요가 있다. 특히, 현장에서 발생될수 있는 비탈면의 붕괴를 비교적 정확히 모델링할 수 있는 모형실험에 대한 연구가 많이 필요할 것으로 판단되며, 본 연구에서 수행되지 못한 최근 개정된 내진설계기준에따른 인공지진파 및 국내에서 발생된 지진파, 절리 기울기, 비탈경사, 절리면 특성 등에 따른 추가적인 연구가 필요하였다.
또 최근 국내의 지진발생 횟수 및 지진규모가 증가하고 있으며, 고속도로, 고속철도 및 대규모단지조성공사 등으로 인한 인공 비탈면의 규모 및 개소가 증대되고 있는 상황으로 암반비탈면에 대한 다양한 연구가 필요한 실정이다. 하지만, 현재 비탈면에 대한 내진검토는 한계평형해석을 통한 지진가속도를 적용하여 안정성을 검토하고 있으며, 기반암 가속도 50%를 적용하는 근거가 미흡하고, 토사와 암반에 따라 가진 가속도 크기에 따른 거동이 상이할 수 있어 이에 대한 추가적인 연구는 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	암반비탈면의 내진거동 특성에 대한 평가방법은 무엇이 있는가?	기존에 암반비탈면의 내진거동 특성에 대한 평가방법은 대표적으로 뉴마크식(Newmark-type) 변위 해석법과 유한요소법 등의 동적해석 방법 등이 있다. 뉴마크식(Newmark) 활동블록 해석법은 진동하는 경사면에 놓인 강체블록의 상대적인 영구 변위와 지진으로 인한 비탈면의 영구 활동 변위와의 유사함을 이용한 간편 변위 해석법이다(Newmark, 1965).
	뉴마크식(Newmark) 활동블록 해석법은 무엇인가?	기존에 암반비탈면의 내진거동 특성에 대한 평가방법은 대표적으로 뉴마크식(Newmark-type) 변위 해석법과 유한요소법 등의 동적해석 방법 등이 있다. 뉴마크식(Newmark) 활동블록 해석법은 진동하는 경사면에 놓인 강체블록의 상대적인 영구 변위와 지진으로 인한 비탈면의 영구 활동 변위와의 유사함을 이용한 간편 변위 해석법이다(Newmark, 1965). 이 이론은 지반의 진동가속도가 항복가속도(yield cceleration)를 초과하게 되면 활동 강체블록이 움직이며, 활동 블록의 진동속도와 지반의 진동속도가 동일할 때까지 영구변형이 발생한다.

참고문헌 (8)

Hwang, Y. C., Consideration of the Plane- Failure Condition of Rock Slopes according to Failure Characteristics in Korea, Korea Expressway Corporation Research Institute, pp.295-304, 2002. (in Korean with English abstract)
Hook, E. and Bray, J., Rock Slope Engineering, Institution of Mining and Metallurg, 1981.
Korea Expressway Corporation Research Institute, Field Technical Advisory Review(Slope Area), Korea Expressway Corporation, 1994-2000. (in Korean with English abstract)
Newmark, N. M., Effects of earthquakes on dams and embankments, Geotechnique, Vol.15, No.2, pp.139-160, 1965.

상세보기
Park, B. K. and Jeon, S. W., Dynamic Frictional Behavior of Saw-cut Rock Joints Through Shaking Table Test, Journal of Korean Tunnel and Underground Space, Vol.16, No.1, pp.58-72, 2006. (in Korean with English abstract)
Park, B. K, Lee, C. S.. and Jeon, S. W., Characteristics of Velocity-Dependent Shear Behavior of Saw-cut Rock Joints at Different Shear Velocities, Journal of Korean Tunnel and Underground Space, pp.121-131, 2007. (in Korean with English abstract)
Park, G. U., Stability Analysis of Joint Rock Slope by Individual Element Method, Master's Thesis, Kang-Won National University, p.58, 2002. (in Korean with English abstract)
Patton, F.D., Multiple Modes of Shear Failures in Rock, Proceeding 1st Int. Conference Rock Mech, Vol.1, Lisbon, pp.509-513, 1966.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증