[논문]소형 및 실규모 급경사지 실험을 통한 계측관리기준 개발을 위한 실험적 연구: 모관흡수력을 기준으로

송효성; 이영학; 이승재; 김재정

doi:10.9720/kseg.2023.4.555

[국내논문] 소형 및 실규모 급경사지 실험을 통한 계측관리기준 개발을 위한 실험적 연구: 모관흡수력을 기준으로
Experimental Study on Establishing Measurement Management Criteria for Soil Slope Failure by Using Reduction-Scale and Full-Scale Slope Experiments: Based on Matric Suction 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.33 no.4, 2023년, pp.555 - 571

송효성 (국립재난안전연구원 방재기준평가센터 지반재난연구팀) , 이영학 (국립재난안전연구원 방재기준평가센터 지반재난연구팀) , 이승재 (국립재난안전연구원 방재기준평가센터 지반재난연구팀) , 김재정 (국립재난안전연구원 방재기준평가센터 지반재난연구팀)

초록
AI-Helper

우리나라는 연평균 강수량의 70%에 달하는 여름철 강우로 인해 산사태가 자주 발생하고 있으며, 이로 인한 피해 완화를 위해서는 정확한 예측기법이 필요하다. 본 연구에서는 화강암 풍화토를 이용하여 소형 및 실규모 실험을 통한 계측관리기준 수립 가능성을 모색하였다. 실험은 모관흡수력을 중점으로 강우 침투로 인한 지반 특성 변화와 사면붕괴 패턴을 분석하였으며, 이 결과를 기초로 불포화 무한사면 안정성 해석을 수행하였다. 안전율이 1 미만으로 떨어지는 조건에서 붕괴도달 시간을 산정한 결과, 소형 실험의 경우 약 17분 전, 실규모 실험의 경우 약 6.5시간 전으로 산사태 예측이 가능한 경향을 나타냈다. 이러한 연구 결과는 화강암 풍화토의 특성을 고려한 계측관리기준을 확립하는데 유용한 자료로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to South Korea's concentrated summer rainfall, constituting 70% of the annual total, landslides frequently occur during the rainy season, necessitating accurate prediction methods to mitigate associated damage. In this study, a reduced-scale and full-scale slope was configured using weathered granite soil to find the possibility of establishing measurement management criterias through landslide reproduction. The experiment focused on matric suction, analyzing changes in ground properties and failure patterns caused by rainfall infiltration. Subsequently, an unsaturated infinite slope stability analysis was conducted. By calculating the failure time when the safety factor falls below 1 for each experiment, landslide prediction was demonstrated to be possible, approximately 17 minutes prior for the reduction-scale experiment and 6.5 hours for the full-scale experiment. These findings provide useful data for establishing Korean soil slope measurement management criteria that consider the characteristics of weathered granite soil.

Keyword

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Panoramic view of the landslide model test device (reduction-scale).
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the landslide model test device (reduction-scale).
그림 Fig. 3. Panoramic view of the landslide model test device (full-scale).
그림 Fig. 4. Schematic diagram of the landslide model test device (full-scale).
표 Table 1. Landslide model test device specifications
표 Table 2. Physical property of weathered granite soil
그림 Fig. 5. Grain size distribution curve of the soil used in model tests.
그림 Fig. 6. SWCC of the soil used in model tests (Song and Song, 2023).
표 Table 3. Experimental conditions of the model slopes for the landslide model tests
그림 Fig. 7. Landslide failure characteristic (retrogressive faiIure).
그림 Fig. 8. Landslide failure characteristic (progressive failure).
표 Table 4. Fitting parameter of SWCC for the weathered granite soil (Song and Song, 2023)
그림 Fig. 9. Landslide failure characteristic (1st experiment).
그림 Fig. 10. Landslide failure characteristic (2nd experiment).
그림 Fig. 11. Infiltration time by VWC location.
그림 Fig. 12. Changes in representative matric suction and volumetirc water content (reduction-scale).
그림 Fig. 13. Changes in representative matric suction and volumetric water content (full-scale).
그림 Fig. 14. Changes in representative suction stress.
그림 Fig. 15. Changes in representative factor of safety.
표 Table 5. Landslide detection time through experiments
그림 Fig. 16. Detection time using matric suction.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

최종적으로는 각 실험 장치별 실험 결과를 토대로 불포화 무한사면 안정해석법을 활용하여 안정해석을 수행하였다. 이 결과를 기초로 모관흡수력에 의한 비탈면 붕괴예측 시점을 추정하여 계측관리기준 수립에 관한 근거 마련을 목적으로 하고 있다.
본 연구에서는 습윤전선이 하강함에 따른 불포화 무한사면의 안전율과 실제 붕괴 특성을 분석하여 급경사지 붕괴를 탐지할 수 있는 계측관리기준 수립 근거를 마련하기 위해 소형 및 실규모 급경사지 실험을 수행하였다. 이를 위해 국내에서 산사태가 가장 빈번하게 발생하는 화강암 풍화토를 사용하여 모형실험을 수행하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 강우침투에 따른 토사 비탈면의 붕괴 특성을 규명하고 계측관리기준 수립을 위한기초 자료를 구축하기 위해 소형 급경사지 실험 장치(길이 2.1 m, 높이 0.5 m, 폭 0.4 m) 및 실규모 급경사지 실험 장치(길이 21 m, 높이 2.5 m, 폭 4 m), 그리고 인공강우를 활용하여 강우 침투에 따른 토사 비탈면의 붕괴를 재현하고, 실험별 붕괴 특성과 비교 ‧ 분석하였다. 모형사면 내에 설치한 체적함수비 및 모관흡수력 센서를 통해 강우가 침투함에 따른 지반재료의 특성을 시간 별로 기록하였으며, 붕괴 양상을 분석하기 위해 실험 전체 과정을 촬영장비로 모니터링 하였다.
5 m, 폭 4 m), 그리고 인공강우를 활용하여 강우 침투에 따른 토사 비탈면의 붕괴를 재현하고, 실험별 붕괴 특성과 비교 ‧ 분석하였다. 모형사면 내에 설치한 체적함수비 및 모관흡수력 센서를 통해 강우가 침투함에 따른 지반재료의 특성을 시간 별로 기록하였으며, 붕괴 양상을 분석하기 위해 실험 전체 과정을 촬영장비로 모니터링 하였다. 최종적으로는 각 실험 장치별 실험 결과를 토대로 불포화 무한사면 안정해석법을 활용하여 안정해석을 수행하였다.
본 연구에서는 토사 비탈면의 표층붕괴를 재현하기 위해 소형 및 실규모 급경사지 실험장치를 활용하였으며(NDMI, 2019), 강우 침투에 따른 지반특성 변화 및 비탈면 붕괴특성을 살펴보고자 하였다. 먼저 소형 급경사지 실험장치는 크게 모형토조, 강우재현장치 그리고 계측장치로 구성되어 있다(Fig.
살수장치는 1단 5열의 4 m 높이에 설치된 노즐로 노즐의 위치를 이동시킬 수 있으며 강우 조절부의 펌프압을 조절함에 따라 10 mm/hr부터 140 mm/hr까지 재현할 수 있다. 계측장치는 강우가 침투함에 따른 지반특성 변화를 관찰하기 위해 모관흡수력 센서 및 체적 함수비 센서를 사용하였고, 지표면의 움직임을 측정하기 위해 지표변위계를 사용하였다. 모든 계측 센서는 데이터 로거를 통해 계측값들을 불러들일 수 있으며 본 연구에서는 1초당 1개의 데이터를 수집하였다.
강우 조절부는 강우 노즐의 회전속도 및 회전지체시간, 펌프압력 그리고 노즐 형태 등의 조건에 따라 10 mm/hr부터 160 mm/hr의 강우강도 조절이 가능하다. 계측장치는 소형 급경사지 실험장치와 마찬가지로 강우가 침투함에 따른 지반특성 변화를 측정하기 위한 모관 흡수력과 체적함수비 센서를 사용하였고, 지표의 움직임을 측정하기 위해 지표변위계를 사용하였다. 이 또한 마찬가지로 1초당 1개의 데이터를 수집하여 데이터 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 국내에서 산사태 발생빈도가 가장 높은 화강암 풍화토를 이용하여 모형사면을 조성하였다. 실내토질시험을 통해 도출된 공학적 ‧ 물리적 특성은 Table 2와 같으며, 입도분포곡선은 Fig.
한편, 자연 사면은 증발 및 모세관 현상 등에 의해 일정량의 수분을 포함하고 있으므로, 습윤과정(wetting path)을 통해 산출된 불포화 함수특성의 적용이 자연 사면에서의 침투거동 예측에 근사한 결과를 재현할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 사면구성에 활용한 시료의 물리 ‧ 역학적 특성을 반영(USCS: SP-SW)하여 습윤과정에 의해 도출된 불포화 함수특성을 적용하였다(Fig. 6, Table 4).
실험이 진행되면서 Fig. 2와 같이 심도별로 설치된 체적함수비 센서를 통해 실험조건별 강우가 침투하는 것을 확인하였고, 붕괴가 발생한 후 촬영된 실험 영상을 토대로 토사비탈면의 붕괴 발생 특성을 분석하였다. 소형 급경사지 실험은 총 8회 실시되었으며, 실험에서 나타난 대표적인 붕괴유형은 후퇴성 붕괴(retrogressive failure)와 전진형 붕괴(progressive failure)의 두 가지 유형으로 나타났다.
본 연구에서는 강우가 침투함에 따른 지반재료의 변화 특성을 파악하기 위해 체적함수비 센서와 모관흡수력 센서를 설치하였고 지표면에는 지표변위계 센서를 설치하였다. Fig.
실규모 급경사지 실험

실규모 급경사지 실험에도 마찬가지로 심도에 따라 체적함수비 센서와 모관흡수력 센서를 설치하였고, 지표면에는 지표변위계 센서를 설치한 후 강우가 침투함에 따른 지반재료의 변화 특성을 파악하였다. Fig.
이를 위해 국내에서 산사태가 가장 빈번하게 발생하는 화강암 풍화토를 사용하여 모형실험을 수행하였다. 또한 강우가 침투함에 따른 지반 특성 변화를 파악하고 불포화토의 특성을 분석하기 위해 체적함수비계와 모관흡수력계를 설치한 후 토사비탈면 붕괴를 재현하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 흡입응력 기반 무한사면 안정해석을 수행하였으며, 각 실험별 계측관리기준을 제시하였다.
또한 강우가 침투함에 따른 지반 특성 변화를 파악하고 불포화토의 특성을 분석하기 위해 체적함수비계와 모관흡수력계를 설치한 후 토사비탈면 붕괴를 재현하였다. 그리고 실험 결과를 바탕으로 흡입응력 기반 무한사면 안정해석을 수행하였으며, 각 실험별 계측관리기준을 제시하였다. 구체적인 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

계측장치는 강우가 침투함에 따른 지반특성 변화를 관찰하기 위해 모관흡수력 센서 및 체적 함수비 센서를 사용하였고, 지표면의 움직임을 측정하기 위해 지표변위계를 사용하였다. 모든 계측 센서는 데이터 로거를 통해 계측값들을 불러들일 수 있으며 본 연구에서는 1초당 1개의 데이터를 수집하였다. 강우 침투에 따른 지반특성 변화를 관찰하기 위해 설치된 체적함수비 센서는 지표면으로부터 수직으로 0.
3). 모형토조는 총 길이 21 m, 높이 2.5 m 그리고 폭 4 m이며, 토조는 3개로 분리되어 각 토조별로 각도조절이 가능한 가변형 구조이다. 하단부 토조는 0~5°, 중단부 토조는 0~15° 그리고 상단부 토조는 15~40°로 경사조절이 가능하다.
본 연구에서는 습윤전선이 하강함에 따른 불포화 무한사면의 안전율과 실제 붕괴 특성을 분석하여 급경사지 붕괴를 탐지할 수 있는 계측관리기준 수립 근거를 마련하기 위해 소형 및 실규모 급경사지 실험을 수행하였다. 이를 위해 국내에서 산사태가 가장 빈번하게 발생하는 화강암 풍화토를 사용하여 모형실험을 수행하였다. 또한 강우가 침투함에 따른 지반 특성 변화를 파악하고 불포화토의 특성을 분석하기 위해 체적함수비계와 모관흡수력계를 설치한 후 토사비탈면 붕괴를 재현하였다.

이론/모형

모형사면 내에 설치한 체적함수비 및 모관흡수력 센서를 통해 강우가 침투함에 따른 지반재료의 특성을 시간 별로 기록하였으며, 붕괴 양상을 분석하기 위해 실험 전체 과정을 촬영장비로 모니터링 하였다. 최종적으로는 각 실험 장치별 실험 결과를 토대로 불포화 무한사면 안정해석법을 활용하여 안정해석을 수행하였다. 이 결과를 기초로 모관흡수력에 의한 비탈면 붕괴예측 시점을 추정하여 계측관리기준 수립에 관한 근거 마련을 목적으로 하고 있다.

성능/효과

결과적으로, 자연사면을 형성하고 있는 지반 환경은 암반 돌출부, 지형경사, 토질 분포 등 다양한 조건이 존재하므로, 상기의 결과들은 지반지형 및 지질조건에 따라 사면에서 충분히 발생할 수 있는 붕괴형태를 이해하는데 도움이 되는 중요한 시사점을 제공한다고 사료된다.
전체적으로 체적함수비 센서 결과에 대한 각 사면위치에 따른 침투도달 시간을 고찰하면, 실규모에서 관찰된 침식 및 세굴 결과와 이로 인한 토층 내 물길 형성으로 인한 파이핑 파괴가 하부사면에 발생했다는 결과와 어느정도 일치성을 가지므로 개연성이 있으며, 강우량은 사면에 침투하기보다 주로 사면 표층으로 유출되었다는 결과가 설득력을 가질 것으로 판단된다.
모관흡수력의 경우 체적함수비와 마찬가지로 포화영역에 도달함에 따라 급격하게 약 0 kPa로 수렴하였다. 또한 모관흡수력은 체적함수비에 비해 별다른 전조현상 없이 급격하게 수렴하는 것도 확인할 수 있었다. 또한 붕괴가 발생하면서 체적함수비의 경우는 급격하게 높아지는 경우와 낮아지는 경우를 확인할 수 있었지만, 모관흡수력의 경우 붕괴가 발생한 후에도 계속 수렴된 값이 나타나는 것을 확인하였다.
5 m 깊이(하부사면)에서 포화영역에 도달한 후 1차 실험은 11시간 16분, 2차 실험은 10시간 17분 후에 붕괴가 발생하였다. 모관흡수력도 소형 급경사지 실험과 마찬가지로 전조현상 없이 급격하게 0 kPa에 가깝게 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 같은 심도에 설치된 체적함수비와 모관흡수력 센서를 비교했을 때 모관흡수력 센서가 먼저 반응을 하는 것을 알 수 있었지만 체적함수비의 경우 점진적으로 증가하다가 수렴하는 것을 알 수 있었다.
(1) 소형실험에 의한 실험 결과는 전진형 및 후퇴성 붕괴유형으로 나타났다. 이 중에서 전진형 붕괴 형태는 75%로 가장 많았는데, 이는 사면 바닥에 도달된 침투수가 토체 내 급격한 수압상승을 초래하여 강도저하 유발에 따른 붕괴로 분석되었다.
(2) 체적함수비 센서에 의한 침투도달 시간을 추적한 결과, 실규모 실험의 사면중앙에서 관찰된 침식 및 세굴현상이 하부사면에 토층 내 물길 형성으로 인한 파이핑 파괴로 이어졌다는 추정과 일치하는 결과를 나타내었다. 따라서, 실험관찰과 계측에 의한 결과는 현상 문제를 규명할 수 있는 근거로서 유효한 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구는 한정된 지형, 지반 및 강우 조건에 특정하여 수행된 실험으로 향후 다양한 조건에서의 실험을 수행할 예정이며, 실험과 실제 자연사면 및 급경사지 붕괴위험지구에 계측기 추가 설치를 통한 데이터 확보에 집중할 예정이다. 이로부터 주의 ‧ 경계 ‧ 심각 시점을 예측할 수 있는 기술개발을 통해 한국형 계측관리기준 수립에 대한 공학적 근거를 마련할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (20)

Bishop, A.W., 1959, The principle of effective stress, Technisk Ukeblad, 106(99), 859-863.
Chae, B.G., Lee, S.H., Song, Y.S., Cho, Y.C., Seo, Y.S., 2007, Characterization on the relationships among rainfall intensity, slope angle and pore water pressure by a flume test: In case of gneissic weathered soil, The Journal of Engineering？Geology, 17(1), 57-64 (in Korean with English abstract).
Cho, S.E., Lee, S.R., 2001, A comparative study of surficial stability analyses in unsaturated slopes, Journal of the Korean？Geotechnical Society, 17(4), 135-143 (in Korean with English abstract).
Fang, H., Cui, P., Pei, L.Z., Zhou, X.J., 2012, Model testing on rainfall-induced landslide of loose soil in Wenchuan？earthquake region, Natural Hazards and Earth System Sciences, 12(3), 527-533.

상세보기
Godt, J.W., Baum, R.L., Chleborad, A.F., 2006, Rainfall characteristics for shallow landsliding in Seattle, Washington,？USA, Earth Surface Processes and Landforms, 31(1), 97-110.

상세보기
Iverson, R.M., 2000, Landslide triggering by rain infiltration, Water Resources Research, 36(7), 1897-1910.

상세보기
Kim, J.H., Jeong, S.S., Park, S.W., Sharma, J., 2004, Influence of rainfall-induced wetting on the stability of slopes in？weathered soils, Engineering Geology, 75(3-4), 251-262.

상세보기
Kim, K.S., Song, Y.S., 2015, Geometrical and geotechnical characteristics of landslides in Korea under various geological？conditions, Journal of Mountain Science, 12(5), 1267-1280.

상세보기
Lu, N., Godt, J., 2008, Infinite slope stability under steady unsaturated seepage conditions, Water Resources Research,？44(11), 1-13.
Lu, N., Griffiths, D.V., 2004, Profiles of steady-state suction stress in unsaturated soils, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 130(10), 1063-1076.

상세보기
Lu, N., Likos, W.J., 2006, Suction stress characteristic curve for unsaturated soil, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 132(2), 131-142.

상세보기
Moriwaki, H., Inokuchi, T., Hattanji, T., Sassa, K., Ochiai, H., Wang, G., 2004, Failure processes in a full-scale landslide experiment using a rainfall simulator, Landslides, 1, 277-288.

상세보기
NDMI (National Disaster Management Research Institute), 2019, Development of steep slope disaster mitigation technology based on empirical experiments (II), 212p (in Korean with English abstract).
Ng, C.W.W., Shi, Q., 1998, A numerical investigation of the stability of unsaturated soil slopes subjected to transient？seepage, Computers and Geotechnics, 21(1), 1-28.
Song, H.S., Chae, B.G., Song, Y.S., Choi, J.H., Seo, W.G., Woo, I., 2019, Study on landslide flume tests using stability？analysis of the unsaturated infinite slope, The Journal of Engineering Geology, 29(4), 541-552 (in Korean with English？abstract).

원문보기 상세보기
Song, Y.S., Chae, B.G., Kim, W.Y., Seo, Y.S., 2006, Model test to predict the runout distance of landslide according to？hourly rainfall, Proceedings of the Korean Geotechnical Society Spring Conference, Seoul, 12-19 (in Korean with？English abstract).
Song, Y.S., Chae, B.G., Lee, J., 2016, A method for evaluating the stability of an unsaturated slope in natural terrain？during rainfall, Engineering Geology, 210, 84-92.

상세보기
Song, Y.S., Hong, W.P., Woo, K.S., 2012, Behavior and analysis of stabilizing piles installed in a cut slope during heavy？rainfall, Engineering Geology, 129-130, 56-67.

상세보기
Song, Y.S., Song, H.S., 2023, Experimental study to estimate the criteria for shallow landslides under various geological？conditions in South Korea, Environmental Earth Sciences, 82(23), 582.

상세보기
Terzaghi, K., 1943, Theoretical soil mechanics, John Wiley and Sons, 503p.

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