[논문]낙석 특성을 고려한 낙석 시뮬레이션 해석 연구

이종현; 구호본; 박혁진; 배규진

문제 정의

현재 국내에서 주로 사용되고 있는 낙석방지 울타리는 약 50kJ까지의 낙석에너지를 흡수할 수 있는 것으로 보고되고 있다(한국도로공사, 1992). 따라서, 50kJ을 국내에서 시공중인 낙석방지시설의 흡수 가능 에너지로 보고, 낙석 시뮬레이션프로그램을 이용하여 본 연구대상 절토사면에서의 낙석 형상 및 규모별 운동에너지, 낙하속도 및 도약 높이에 대한 분석을 실시하고, 대책방안인 낙석방지울타리의 효율적인 설치를 위한 검토를 실시해 보았다.
본 연구에서는 형상과 규모에 따른 낙석의 특성별로 그 운동과 영향 요인을 고찰하고, 선정된 대상 사면에 대해 낙석 시뮬레이션 프로그램을 수행하여 낙석 특성별 운동에너지 분포와 낙하속도, 도약높이 등에 대한 분석과 연구를 수행하였다. 또한, 연구대상 절토사면의 대책 방안인 낙석방지울타리의 효율적인 설치를 위해 낙석의 운동에너지와 도약높이 등을 활용하는 방안을 검토하였다.
앞 절의 낙석 해석 결과를 토대로 연구대상 절토 사면의 낙석 형상과 규모를 변수로 하였을 때 발생되는 낙석의 운동에너지와 낙하속도, 그리고 도약높이에 대한 경향을 파악하고자 한다. 본 연구에서 실시한 낙석 운동의 분석에는 최대, 최소 그리고 평균의 결과값 가운데 평균값을 이용하였다.

가설 설정

낙석의 규모는 각 형상별로 7종류를 선정하였으며, 절토사면 하부로부터 1m의 이격거리를 가지고 2.5m의 낙석방지울타리가 설치된 것으로 가정하여 모사를 수행하였다. 본 연구에서 사용된 낙석 시뮬레이션 프로그램인 RockFalle 각각의 입력변수에 대하여 지정된 범위 내에서 여러 값들을 변화시켜 가며 입력하여 통계적으로 처리가 되어진다.

제안 방법

낙석의 형상을 구형으로 가정한 경우에는 지름을 각각 0.290m, 0.370m, 0.400m, 0.450m, 0.460m, 0.520m, 0.540m로 달리함으로써 낙석의 무게를 총 7종류로 구분하였으며, 낙석의 형상을 원통형으로 가정한 경우에는 지름 : 두께의 비를 각각 0.200m : 0.810m, 0.260m : 1.000m, 0.300m : 0.950m, 0.340m : 1.050m, 0.370m : 0.950m, 0.400m : 1.170m, 0.410m : 1.250m로 달리함으로써 낙석의 무게를 총 7종류로 구분하였다. 또한, 낙석의 형상을 판형으로 가정한 경우에는 지름 : 두께의 비를 각각 0.
5m를 상회하여 도로로 유입되는 것으로 분석되었다. 따라서, 낙석방지울타리의 설치 위치를 1.2m, 1.5m, 2.0m 거리로 이동 설치하여 낙석 시뮬레이션 해석을 반복 실시하였다.
250m로 달리함으로써 낙석의 무게를 총 7종류로 구분하였다. 또한, 낙석의 형상을 판형으로 가정한 경우에는 지름 : 두께의 비를 각각 0.500m : 0.130m, 0.750m : 0.120m, 0.924m : 0.100m, 1.150m : 0.092m, 1.200m : 0.090m, 1.250m : 0.120m, 1.323m : 0.120m로 달리함으로써 낙석의 무게를 총 7종류로 구분하였다. 이와 같이, 낙석의 형상과 규모를 달리함으로써 해석을 수행한 각각의 경우에 대해 낙석의 운동에너지, 낙하속도, 도약높이 등을 다음의 표 1, 2, 3에 정리하였다.
연구를 수행하였다. 또한, 연구대상 절토사면의 대책 방안인 낙석방지울타리의 효율적인 설치를 위해 낙석의 운동에너지와 도약높이 등을 활용하는 방안을 검토하였다.
본 연구에서 사용된 입력자료는 대부분 현장조사를 통해 획득되었으며, 현장조사를 통해 획득이 불가능한 반발계수나 회전 마찰계수 등은 참고문헌 등을 참고하여 결정하였다. 회전 마찰 계수의 경우 Losenhausen(1978)에 의해 추정되고 제시된 값을 사용하였으며, 반발계수의 경우는 Spang에 의해 제안된 값을 사용하였다.

대상 데이터

5(63。)로 절취된다는 점을 고려한다면, 본 연구대상 절 토사 면은 국도 주변에서 쉽게 관찰되어지는 전형적인 규모라 할 수 있다(한국건설기술연구원, 1999). 대상 절토 사면은 화강암질 편마암으로 구성되어 있으며, 슈미트 해머의 타격 값으로 추정된 일축압축강도는 약 54MPa을 보이고 있다. 구성암반의 상태를 판단하기 위해 현장조사를 통해 획득한 불연속면의 자료를 토대로 계산된 RMR 값과 SMR 값은 각각 52와 43.
02이다. 시뮬레이션에 사용된 낙석은 구형(sphere), 원통형(cylinder), 판형(plate)의 형상을 이용하였으며, 초기속도는 0.1m/sec로 회전하면서 굴러 떨어지기 시작한 것으로 추정하였다.
연구대상 절토사면은 주로 암반으로 구성되어 있으며, 구배가 일정하지 않고 굴곡이 심한 편이다. 따라서, 반발계수와 회전 마찰계수는 암반의 특성을 나타내는 수치를 선정하였으며, 그 값은 각각 0.
연구대상으로 선정된 절토사면은 국도 29호선 상의 전라남도 화순군 이양면에 위치하고 있다. 절토 사면의 연장은 180m이며, 높이는 15m로 1:0.

데이터처리

파악하고자 한다. 본 연구에서 실시한 낙석 운동의 분석에는 최대, 최소 그리고 평균의 결과값 가운데 평균값을 이용하였다.

이론/모형

반발계수나 회전 마찰계수 등은 참고문헌 등을 참고하여 결정하였다. 회전 마찰 계수의 경우 Losenhausen(1978)에 의해 추정되고 제시된 값을 사용하였으며, 반발계수의 경우는 Spang에 의해 제안된 값을 사용하였다.

성능/효과

5m를 상회하여 낙석의 도로 유입이 가능할 것으로 판단된다. 1.2m 이상의 이격거리를 갖는 낙석방지시설에 낙하하는 낙석은 이격이 증가함에 따라 도약높이가 감소하며, 모두 2.5m이하의 도약 높이를 가지고 있는 것으로 해석되었다. 또한, 이 때의 낙석 운동에너지는 이격거리가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있으나, 본 연구대상 절토사면에서 관찰되는 낙석의 무게가 260kg 정도로 조사되어 발생 운동에너지가 약 20kJ 내외로 1.
대상 절토 사면은 화강암질 편마암으로 구성되어 있으며, 슈미트 해머의 타격 값으로 추정된 일축압축강도는 약 54MPa을 보이고 있다. 구성암반의 상태를 판단하기 위해 현장조사를 통해 획득한 불연속면의 자료를 토대로 계산된 RMR 값과 SMR 값은 각각 52와 43.5로 암반의 상태는 양호한 것으로 판단되었다.
그림에서 보는 바와 같이 유사한 낙석 규모를 보일 때, 낙석 형상별 운동에너지는 원통형이 가장 크며, 그 다음이 구형, 마지막으로 판형의 순으로 분석됨을 확인할 수 있다. 국 내 낙석방지울타리의 흡수 가능 운동에너지를 50kJ로 보았을 때, 모든 형상의 약 700kg 이하의 낙석에 대해서는 낙석방지울타리의 기능을 충분히 발휘할 수 있는 것으로 분석되었다.
낙하속도는 2차원적인 감소 경향을 보임을 알 수 있다. 낙석 형상에 따른 도약높이는 동일 규모에서 구형, 판형, 원통형의 순으로 크며, 규모의 증가에도 거의 일정한 값을 보였다. 또한, 낙석방지울타리나 낙석방지 옹벽 등의 설치 시에는 낙석의 형상과 규모에 따라 야기되는 운동에너지와 도약높이 등의 관계를 고려하는 것이 효율적인 낙석 방지를 위해 반드시 필요한 사항임을 확인하였다.
않았다. 따라서, RMR 및 SMR의 값과 평사투영망을 이용한 안정해석 결과, 불연속면을 따라 발생하는 대규모의 파괴에 대해서는 안정한 것으로 판단된다. 그러나, 절토사면의 일부 구간에서 과발파로 인해 평균 0.
본 연구에서 사용된 낙석 시뮬레이션 프로그램인 RockFalle 각각의 입력변수에 대하여 지정된 범위 내에서 여러 값들을 변화시켜 가며 입력하여 통계적으로 처리가 되어진다. 따라서, 각 입력변수의 특성에 따라 10~30%까지의 범위 내에서 변화시켜가며 100회의 시뮬레이션을 반복하였으며, 해석 결과 값의 최대, 최소, 평균값을 제시하고 있다.
그림에서 보는 바와 같이 유사한 낙석 규모를 보일 때, 낙석 형상별 낙하속도는 원통형이 가장 크며, 그 다음이 구형, 마지막으로 판형의 순으로 분석된 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 낙석 형상별 규모에 따라 낙하속도 변화에 대한 추세선이 2차원적인 감소 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
그림에서 보는 바와 같이 유사한 낙석 규모를 보일 때, 낙석 형상별 도약높이는 구형이 가장 크며, 그 다음이 판형, 마지막으로 원통형의 순으로 분석된 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 낙석 형상별 규모에 따라 도약높이의 변화에 대한 추세선이 거의 일정한 상태에 있음을 알 수 있으며, 본 연구대상 절토 사면에서는 원통형의 낙석만이 2.5m 이하의 도약 높이를 보여 낙석방지울타리 내에 잔류할 수 있을 것으로 분석되었다.
또한, 낙석 시뮬레이션에 의한 분석 결과, 낙석 형상에 따른 운동에너지와 낙하속도는 동일 규모에서 원통형, 구형, 판형의 순으로 크며, 규모가 증가함에 따라 운동에너지는 선형적인 증가 경향을 보임을 알 수 있으며, 낙하속도는 2차원적인 감소 경향을 보임을 알 수 있다. 낙석 형상에 따른 도약높이는 동일 규모에서 구형, 판형, 원통형의 순으로 크며, 규모의 증가에도 거의 일정한 값을 보였다.
낙석 형상에 따른 도약높이는 동일 규모에서 구형, 판형, 원통형의 순으로 크며, 규모의 증가에도 거의 일정한 값을 보였다. 또한, 낙석방지울타리나 낙석방지 옹벽 등의 설치 시에는 낙석의 형상과 규모에 따라 야기되는 운동에너지와 도약높이 등의 관계를 고려하는 것이 효율적인 낙석 방지를 위해 반드시 필요한 사항임을 확인하였다.
5m이하의 도약 높이를 가지고 있는 것으로 해석되었다. 또한, 이 때의 낙석 운동에너지는 이격거리가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이고 있으나, 본 연구대상 절토사면에서 관찰되는 낙석의 무게가 260kg 정도로 조사되어 발생 운동에너지가 약 20kJ 내외로 1.2m에서 2.0m사이의 이격거리 내에서 충분히 낙석의 피해를 예방할 수 있을 것으로 판단된다.
먼저, 낙석의 형상별 운동에너지와 낙석 무게의 관계에 대한 분석을 실시한 결과, 그림 1과 같이 선형적인 증가 경향을 보이고 있는 것이 확인되었다. 그림에서 보는 바와 같이 유사한 낙석 규모를 보일 때, 낙석 형상별 운동에너지는 원통형이 가장 크며, 그 다음이 구형, 마지막으로 판형의 순으로 분석됨을 확인할 수 있다.
그러나, 불특정 암체의 탈락인 낙석에 대한 고려는 현재 큰 진전이 없는 상태이다. 본 연구를 통해서 낙석의 형상과 규모에 따라 야기되는 운동에너지와 낙하속도, 도약높이 등을 고려하는 것이 효율적인 낙석의 방지에 큰 도움이 됨을 알 수 있었다.
본연구에서 사용된 RockFall 프로그램은 현재까지 개발된 다른 어떤 프로그램보다 낙석에 영향을 주는 변수들을 많이 고려할 수 있으며 입력변수들을 확률변수로 설정, 일정 구간 내에서의 여러 값들을 반복적으로 추정하여 계산을 수행할 수 있다. 특히, 시뮬레이션의 결과 부분에서 평균 낙석의 운동에너지와 도약 높이를 사면의 각 지점에서 추정할 수 있으며 낙석방지울타리를 설정할 경우 지정된 지점에서 추정되는 운동에너지와 도약높이의 통계분포를 결과로 출력 가능하다.
이격거리 1.0m 일 때는 낙석 규모 약 1,000kg 정도에서 발생되는 운동에너지가 국내 낙석방지 울타리의 흡수 가능 에너지 범위 내에 분포함을 알 수 있으며, 이격거리 1.2m 일 때는 낙석 규모 약 700 k 정도에서 발생되는 운동에너지가 낙석방지울타리의 흡수 가능 에너지 범위 내에 분포하고, 이격거리 1.5m와 2.0m 일 때는 낙석 규모 약 500kg 정도에서 발생되는 운동에너지가 낙석방지울타리의 흡수 가능 에너지 범위 내에 분포하고 있음을 알 수 있다. 그림 5의 낙석방지울타리 설치 위치에 따른 낙석 무게별 도약높이의 분포를 살펴보면, 이격거리 1.
정밀 현장조사로부터 획득한 불연속면의 방향성을 하반구 등면적 투영망에 도시하여 평면 및 쐐기 파괴에 대한 안정성을 검토한 결과, 평면파괴와 쐐기파괴의 파괴가능 영역 내에 도시된 절리군은 관찰되지 않았다. 따라서, RMR 및 SMR의 값과 평사투영망을 이용한 안정해석 결과, 불연속면을 따라 발생하는 대규모의 파괴에 대해서는 안정한 것으로 판단된다.
본연구에서 사용된 RockFall 프로그램은 현재까지 개발된 다른 어떤 프로그램보다 낙석에 영향을 주는 변수들을 많이 고려할 수 있으며 입력변수들을 확률변수로 설정, 일정 구간 내에서의 여러 값들을 반복적으로 추정하여 계산을 수행할 수 있다. 특히, 시뮬레이션의 결과 부분에서 평균 낙석의 운동에너지와 도약 높이를 사면의 각 지점에서 추정할 수 있으며 낙석방지울타리를 설정할 경우 지정된 지점에서 추정되는 운동에너지와 도약높이의 통계분포를 결과로 출력 가능하다.

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