목 차

목 차

1. 개요 ···1

□ 연구목적 ···1

□ 연구범위 ···1

2. 연구 수행 내용 ···2

□ 이론적 배경 및 선행 연구 ···2

□ 구체적인 연구활동 및 과정 ···6

3. 연구 결과 및 시사점 ···10

□ 연구 결과 ···10

□ 연구 소감 및 반성 ···21

4. 홍보 및 사후 활용 ···21

5. 참고문헌 ···21

그림 목차

그림 1. 사면 파괴의 종류 ···2

그림 2. 평사투영에 의한 암반 사면의 안정성 평가 ···2

그림 3. 연구지역의 위치도 ···11

그림 4. A ~ C 지점의 Roc-Plane 분석 결과 ···16

그림 5. A 지점 Phase 분석 결과 ···18

그림 6. B 지점 Phase 분석 결과 ···19

표 목차 [표 1] RMR 평가 기준표 ···4

[표 2] 연구의 진행 과정 ···5

[표 3] 여러 산사태의 뉴스 보도 ···6

[표 4] 사전 연구 및 기능 습득 ···7

[표 5] 야외 활동 ···7

[표 6] 실내실험 및 분석 ···8

[표 7] A 지점의 사면 정보 및 평사투영 ···11

[표 8] B 지점의 사면 정보 및 평사투영 ···12

[표 9] C 지점의 사면 정보 및 평사투영 ···13

[표 10] A ~ C 지점의 평사투영 결과 ···13

[표 11] A ~ C 지점의 평사투영 해석 ···14

[표 12] A ~ C 지점의 Roc-Plane 값 ···15

[표 13] 대표 암석의 역학적 특성 ···16

[표 14] 해석에 적용한 지반 물성 값 ···16

[표 15] RMR 평가 결과 ···17

[표 16] 수치 해석에 조건과 안전율 ···17

[표 17] 수치 해석의 결과 ···19

1. 개요

□ 연구목적

○ 본 STEAM R&E 프로그램은 암반사태를 예방하기 위하여 사면의 안정도를 해석해 나가는 과정에서 인문학적인 요소, 수리과학적인 요소, 공학적인 요소들을 융합하고자 하는 프로젝트 중심의 활동이다.

○ 이 활동을 통해 암반사면의 안정성을 확보하는 과정에 필요한, 암반 사면의 수치들을 측정하는 방법과, 그 수치들을 수리 물리학적으로 해석하 여 암반사면의 안정도를 측정하는 과정에서 수학 및 과학적 사고를 기른다.

○ 지리 및 지질학적인 환경에 해당하는 자연환경에 대한 이해와 그것 을 활용하는 인간의 활동과정, 또 그 활동을 하는 인간을 위한 안정성 확보와 방재시스템 구축에 과학기술이 활용됨을 이해한다.

○ 탐구 과정을 통해 과학적 원리를 이해, 측정기기의 사용, 프로그램의 이용 방법을 습득을 하며 과학자가 탐구에 임하는 자세와 창의적 산출물을 제작하면서 과학자에게도 인문학 적이고 예술적인 감성이 필요함을 안다.

□ 연구범위

○ STEAM은 과학, 공학, 기술, 미술, 수학을 모두 포함하고 있는 용어이 다. 사태의 예방을 위한 사면의 안정도를 해석하기 위해서는 기초 지식으로 지구과학의 내용적인 분야가 필요하고 나아가 토양, 지질, 토목 등의 전문적 인 지식들도 필요하게 된다. 또한, 사면의 운동성을 판단하기 위하여 수리물 리학적인 요소가 사용되기도 한다. 직접 현장에 나가서 여러 가지 측정도구 를 이용하면서 기술, 공학 등 전 범위에 걸쳐 연구한다. 암반사면의 안정도 를 측정하기 위해서 암반사면의 마찰계수, 압축강도 등을 조사하여 공학적 으로 계산하고, 또, 암반사면의 파괴를 잘 표현하고 홍보할 수 있는 창의적 산출물도 구상하고자 하였다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 사면의 파괴 종류 : 사면의 붕괴현상은 자연적인 원인과 인위적인 행위에 의하여 일어나며, 이러한 원인들이 복합적으로 작용되어 실제로 나타나는 붕괴의 형태는 대단히 복잡하다. 그러나 학자들에 의해 분류된 일반적인 파괴의 종류는 그림 1과 같이 네 가지의 형태로 표현될 수 있다.

사면에서 발생하는 파괴 종류를 예측하는 것은 사면과 불연속면간의 주향 경사관계와 실내실험을 통해 토질 및 암반의 내부물성치(내부마찰각 등) 를 측정하여 Stereo-net에 투영함으로써 가능하다.(그림 2)

a b

c d

그림 1. 사면 파괴의 종류

(a: 원호파괴, b: 평면파괴, c: 쐐기파괴, d: 전도파괴[토플링])

∙

∙

∙∙

∙

∙

∙

∙

∙

∙

∙

∙ ∙

∙

∙

① ②

③

⑤

④ 1

2 3

4

5

마찰각 6

Cone 전도파괴

Envelope Daylight

Envelope

사면의 자세

(1) 파괴형태와 불연속면의 극점분포 : 각 지역에 불연속면의 Pole이 위치하면 다음과 같이 안정성이 평가됨.

① 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 큰 Daylight로서 불안정한 지역 ② 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 작은 Daylight로서 안정한 지역 ③ 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 작으며 Daylight도 아닌 안정한 지역 ④ 지역 : 전도파괴의 위험성이 잠재된 불안정한 지역

⑤ 지역 : 불연속면의 경사각이 마찰각보다 크더라도 Daylight나 전도파괴 영역이 아니므로 안정한 지역

여기서 6개의 불연속면 중에서 평면파괴의 가능성이 있는 불연속면 은 ‘3’이며, 쐐기파괴의 가능성이 있는 불연속면은 ‘2’와 ‘3’및

‘3’과 ‘4’의 조합면이지만 실제로 불연속면 ‘3’에 대한 평면파괴 보다는 덜 위험하다. 전도파괴의 가능성이 있는 불연속면은 ‘6’이다.

○ 암반의 강도 정수

암반사면의 안정성 해석은 암반 내 절리면의 분포상태 및 전단강도의 파악을 통해 이뤄지므로 이에 대한 몇 가지 수식을 제시하면 다음과 같다.

- 전단강도와 수직응력의 관계식

  

_

_

^

 : 전단 강도,  : 수직 응력, ^와 ^{는 상수}



_

  tan

^{ }

_

^{  }

 : 내부마찰각 - 점착력에 대한 관계식

   tan 

_

_

^

 : 점착력,  : 상수

내부마찰각( )와 점착력() 은 암반의 특성을 알려주는 강도 정수로 서 암반사면에서의 안정도 여부를 판단하고 안전율을 추정하는 데에 기본 적인 물리량으로 활용된다.

○ RMR평가법

현장에서 측정 가능한 요소인 암질의 종류, 풍화상태, 신선암의 단축 압축강도, 절리와 층리의 간격, 연속성, 주향과 경사방향, 지하수의 유입정 도를 측정한 후 이를 평가하여 수치로 정량화 시키는 방법이다. 야외조사 평가기준들에 대해 공식적으로 사용되어지는 분류기준(표 1)을 토대로 정 량화하였다.

분류기준 특성치 구분 및 평점

R1

시료강도 (kg/cm²)

점하중강도지수 일축압축강도

100 40 20 10 일축압축강도 이용 2500 1000 500 250 100 30

R1 평점 15 12 7 4 2 1 0

R2 암질표시율(RQD) % 90 75 50 25

R2 평점 20 17 13 8 3

R3 절리면 간격(Js) cm 200 60 20 6

R3 평점 20 15 10 8 5

R4 절리면 상태(Jc)

연장 길이(m) < 1 1～3 3～10 10～20 > 20

평 점 6 4 2 1 0

분리폭(mm) 밀착 <0.1 0.1～1.0 1～5 > 5

평 점 6 5 4 1 0

거칠기 매우거침 거침 약간거침 매끄러움 아주

매끄러움

평 점 6 5 3 1 0

충진물두께(mm) 없음 견고< 5 견고> 5 연약< 5 연약 충진물>

5

평 점 6 4 2 2 0

풍화도 신선함 약간풍화 중간풍화 심한풍화 완전풍화

평 점 6 5 3 1 0

R5

지하수 상태

유입량(l/분) 수압/응력 비

0 10 25 125 (터널 10m 당) 0 0.1 0.2 0.5

건습 상태 건조 습윤 젖음 소유출 대량 유출(흐름)

R5 평점 15 10 7 4 0

[표 1] RMR 평가 기준표

□ 연구주제의 선정

○ 지구과학 수업의 일환으로 학교 앞에 노출된 자연 노두를 관찰하고 있었다. 기본적인 관찰과 측정 작업을 하고 있는 동안 한국토지주택공사 직원들이 현장에 나와 안전상의 문제를 이유로 오랜 시간 동안 관찰하는

것을 지양해 달라는 부탁을 하고 가는 것이었다. 이 과정에서 학생들은 자신들도 사면의 안정도를 판단할 수 있는지를 질의해 왔다.

○ 학교 인근에서 관찰할 수 있는 자연적인 암반사면의 상태를 관찰하고 측정도구 및 프로그램을 이용하여 사면의 안정도를 탐구해 가는 과정은 학생들에게 다양한 과학적 사고, 기술의 습득, 공학적인 계산과정, 그리고 이를 종합적으로 판단하는 사고력의 향상을 가져올 것이라 판단하여 STEAM R&E의 연구 과제로 선정하였다.

단계 소주제 주요 연구 내용 (학)학생주도, (교) 교사,

(자)자문교수 문제

인식 사태의 피해 사태로 인한 피해(뉴스 시청)

문제인식 및 탐구목표 설정

사태피해자료 검색(학)

문제인식(학)

문제 해결

지형도 이해 지형도의 정보 이해하기 3차원공간 이해(학) 사면에 작용하는

힘

힘의 정의

사면에 작용하는 힘

사면 파괴 종류와 물리적 인 이해(자)

사면의 작용하는 힘(학) 지층의 주향과

경사 및 사면의 안정도 판단

클리노미터의 사용법

스테레오 넷의 공간 이해

안정도 해석

클리노미터사용법(교)

스테레오넷 사용법(교)

안정도 해석(자, 학)

문제

해결 수치 해석

암반 사면의 특성 이해

암반 강도와 절리면 측정(슈미트 햄머 사용법과 RMR 분류법

수치 해석의 기법과 안정도 해석 프로 그램(DIPS, Roc-Plane, Phase) 사용법

암반사면 특성 이해(자)

야외조사(자, 교, 학)

암반분류(자, 학)

수치해석 프로그램 사용 법과 이해(자, 학)

문제 해결

사태 파괴에 대 한 홍보물 제작

도미노 효과를 이용한 홍보물 제작

파괴의 종류 표현하는 입체구조물 제작

도미노효과 홍보물 제작(학)

입체구조물 제작(학)-진행중 제작 /

발표

발표자료 제작 연구결과 / 모형과 설명문 제작 보고서 작성(학, 교, 자) 발표회 발표회(학교 자체 대회, 학회 등) 발표자료 제작 및 논문

투고 준비(학, 교, 자) [표 2] 연구의 진행 과정

□ 구체적인 연구 활동 및 과정

○ 문제인식 : 여러 가지 사면 피해 기사를 검색, 문제인식의 계기 - 활동시기 : 5~6월

[우면산 산사태]

2011년 7월 27일 서울 서초구 우면산 에 산사태가 일어났다. 이날 집중호 우로 우면산 인근 마을 120세대 중 60세대가 토사에 고립되었고, 공원 안에 저수지가 범람하였다.

출처: 머니투데이 [춘천 산사태]

2011년 7월 27일 춘천시 신북음 천전 리 소양강댐 인근에서 산사태가 발생 하였다.

출처: 뉴시스 [밀양 산사태]

2011년 7월 10일 남부지방을 중심으 로 호우특보가 내려진 가운데 밀양시 에서 산사태로 토사가 가옥 3채를 덮 쳐 2명이 숨지고 2명이 실종됐다.

출처: 연합뉴스 [표 3] 여러 산사태의 뉴스 보도

○ 사전 연구 및 기능 습득 : 연구에 필요한 이론적 배경과 기능 습득 [실내 활동]

- 활동시기 : 6~7월

- 소요금액 : 여비- 133,800원, 간식비- 60,250원

과정 연구 활동 결과의 이용 야외

정밀조사

∙불연속면의 상태 조사

∙지형변화, 수목성장상 태, 인장균열 현황, 지 하수 분포현황 등

ㆍ암질 및 기반암에 분포하는 불연속면상태

ㆍ사면붕괴 및 활동면 파악 ㆍ야외조사 기법(자문활동) [표 5] 야외 활동

과정 연구 활동 결과의 이용

이론적 배경 지식

습득

ㆍ암반사면 파괴의 종류

ㆍ물리적 원리와 이론적 배경 지식 습득(자문활동)

스테레오넷 사용법

∙ Stereo-Net

ㆍ스테레오 넷을 이용한 3차원 공간 이해

ㆍ사면의 안정도 및 예상 가능 한 파괴의 종류 파악

힘의 정의에 대한 학습

ㆍ사면에 작용하는 힘에 대 한 이해(자문활동)

ㆍ물질의 종류에 따른 작용력 의 변화파악(자문활동)

[표 4] 사전 연구 및 기능 습득

[야외 활동]

- 활동시기 : 5~9월

- 소요금액 : 기자재- 2,000,000원, 실험소모품- 439,000원, 실험장치- 1,360,000원, 여비- 55,000원, 간식비- 103,040원, 회의비- 153,500원, 자문수당-100,000원,도서구입- 324,000원, 지도수당- 1,200,000원

방향성조사

∙클리노미터

ㆍ불연속면의 방향성을 자북 을 기준으로 측정

반발도

∙슈미트 해머

ㆍ불연속면의 강도특성을 암 반용 Rock Tester로 반발도 를 측정하여 일축압축강도 환산

거칠기

∙프로파일 게이지

ㆍ불연속면의 거칠기를 측정 하여 사면의 크기 효과를 고 려하여 조도를 정량화 함으 로서 강도정수를 산정

절리면 간격

ㆍ절리면의 간격을 측정하여 암반사면의 파괴 위험성이 있는 암반파괴의 종류를 조 사할 수 있다.

항목 연구 내용 결과의 이용

점재하 실험

∙암반의 일축압축 강도 측정 을 위한 점재하 실험

ㆍ암반의 기본적인 물리적 특성 파악

[표 6] 실내실험 및 분석 [실내실험 및 분석]

- 활동시기 : 10~11월

- 소요금액 : 재료비-1,509,810원, 여비- 35,000원, 자문수당- 900,000원, 회의비- 157,200원, 간식비 : 98,700원, 지도수당-900,000원

암성의 실내강도 측정 실험

ㆍ암반의 일부를 이용하여 실내에서 암성의 강도를 측정(자문활동)

Kinematic 분석

ㆍ스테레오 넷을 활용하여 연구 지역 사면의 안정도 및 파괴의 종류 파악

DIPS

∙ DIPS 프로그램

ㆍ사면의 기하학적 안정성 해석(자문활동)

Roc-Plane

∙ Roc-plane 프로그램

ㆍ사면에 작용하는 힘의 종 류와 안정도 해석, (3D 및 2D 자료 보여 줌, 자문활 동)

사면 수치 해석

∙ Phase 프로그램

ㆍ연구지역 암반절개사면 수치 해석(안전률과 파괴 가능성, 자문활동)

3. 연구 결과 및 시사점 □ 연구 결과

○ 연구 과정 요약

연구 과정을 크게 3가지로 요약하면, 사전지식 학습(자문활동), 현장 조사 탐방(침산 공원, 각산 69지역의 사면), 자료해석(실내 실험 결과 및 프로그램 분석)으로 요약할 수 있다.

사전지식 학습과정은 자문 교수의 강의를 통해 기본적으로 사면을 연구할 때에 살펴보는 지반의 물리적인 성질, 운동학적 안정, 한계평형에 대해서 배웠고, 특히 한계평형에서 마찰각과 점착력에 대해 보다 자세히 배움으로써 사면연구를 하는 데에 있어서 기초적인 지식을 쌓을 수 있었다.

야외조사는 직접 현장에 야외조사를 나가 그 지역의 사면에 대한 정보를 수집하여 얻은 정보들(주향, 경사, 거칠기, 암반의 강도, 절리면 간격, 지하수의 유입 등.)과 현장에서 채취한 암석시료를 대상으로 실내에 서 암석의 강도실험을 실시하여 현장 암반의 강도특성을 유추함으로써 그 지역의 사면이 과연 안정한가에 대해서 해석을 할 수 있다.

자료해석(실내 실험 결과)과정은 암반 사면의 활동에 대한 안정성을 해석할 수 있는 프로그램을 사용하여 해석하였다. 암반사면의 안정성 해석 을 위해서는 DIPS, Roc-Plane 및 Phase 등 3종류의 프로그램을 사용하였다.

DIPS는 Streo-net를 활용하는 프로그램으로써 사면의 운동학적 안정 성을 분석하여 사면의 활동 가능성을 평가하는데 사용하였다. Roc-Plane 은 암반의 평면파괴가 발생할 때, 암반이 분리되는 모습을 3D 또는 2D로 보여주고, 파괴면에 작용하는 힘의 방향과 크기를 볼 수 있다. Phase 는 수치해석(Numerical Analysis)기법을 활용하여 암반사면의 안정성을 분 석하는 프로그램이다. 이 프로그램은 해석 대상 암반사면을 일정한 망 (Grid)으로 구획한 후, 해석을 통해 사면의 안정 정도를 의미하는 안전율을 계산할 수 있다.

그림 3. 연구지역의 위치도 ○ 연구 결과

1) 현장 조사 및 평사투영법 결과 당초 학교 부근 신서혁신단지의 절개사면을 연구 대상으로 하고자 하 였으나 안정상의 문제로 인해 접근에 어려움이 있어서 연구 대상을 침산공 원의 자연 사면 3곳(A ~ C 지점)으로 하였다(그림 3).

침산공원의 A ~ C 지점의 암반 사면에 불연속면에 의한 암반의 파괴 형태를 분석하기 위하여 평사투영해 석을 실시하였으며, A ~ C 지점의 주 향과 경사 등 사면에 대한 정보를 습 득하고 이를 Dips 프로그램을 이용하 여 평사투영을 하였다. 불연속면군 극점들의 분포 및 사면에 대한 대원은 다음의 표 7~10과 같이 나타난다.

전 경 불연속면의 Stereonet [표 7] A 지점의 사면 정보 및 평사투영

구분 So J1 J2 방향 22/104 85/20 80/290 간격(cm) 35~70 50~70 40~70

연장성(m) 10 10 10

거칠기(JRC) 6~8 8~10 6~8

벽면강도(Kgf/㎠) 430 540 600 틈새(cm) 0.1~0.5 0.5~2 0.1~0.5

충진물 None None None

풍화도 HW~MW HW~MW HW~MW

지하수 dry dry dry

특성 bedding joint joint 암종 sandstone sandstone sandstone

전 경 불연속면의 Stereonet [표 8] B 지점의 사면 정보 및 평사투영

구분 So J1 J2

방향 25/82 85/30 80/308 간격(cm) 10~20 20~30 30~50

연장성(m) 10 10 10

거칠기(JRC) 8~10 6~8 6~8 벽면강도(Kgf/㎠) 990 900 820

틈새(cm) 0.1~0.5 0~0.1 0.1~0.2

충진물 None None None

풍화도 MW~SW MW~SW MW~SW

지하수 dry dry dry

특성 bedding joint joint 암종 sandstone sandstone sandstone

전 경 불연속면의 Stereonet [표 9] C 지점의 사면 정보 및 평사투영

구분 So J1 J2 J3

방향 10/170 80/102 85/296 80/45

간격(cm) 9 100 23 13

연장성(m) 10 10 10 10

거칠기(JRC) 8~10 2~4 0~2 4~6 벽면강도(Kgf/㎠) 35 17 27.2 23.4

틈새(cm) 0 1 0 0

충진물 None None None None

풍화도 MW MW MW MW

지하수 dry dry dry dry

특성 bedding joint joint joint 암종 sandstone sandstone sandstone sandstone

A 지점 B 지점 C 지점

[표 10] A ~ C 지점의 평사투영 결과

A 지점의 평사투영해석 결과를 살펴보면 평면 파괴의 경우 파괴발 생 가능영역에 암반의 층리면(So)의 극점이 사면의 내부마찰각에 나타나 지 않기 때문에 파괴가 발생할 가능성이 낮다. 하지만 평면파괴 영역과 내부마찰각 경계에 위치하고 있어 파괴될 가능성이 있다. 쐐기파괴의 경 우 층리면(So)와 절리면 J1의 교차선이 파괴발생 가능영역에 포함되어 있기 때문에 파괴될 가능성이 있다는 것을 알 수 있다. 전도파괴의 경우는 파괴발생 가능영역에 절리군의 극점이 나타나지 않는 것으로 보아 파괴될 가능성이 매우 낮다는 것을 알 수 있다.

B 지점의 평사투영해석 결과를 살펴보면 평면 파괴의 경우 역시나 파괴발생 가능영역에 암반의 층리면(So)의 극점이 사면의 내부마찰각에 점시되지 않아 파괴가 발생할 가능성이 낮다. 하지만 평면파괴 영역과 내부마찰각 경계에 위치하고 있어 파괴될 가능성이 있다. 쐐기파괴의 경 우 절리면의 교차선이 파괴발생 가능영역에 포함되지 않고, 전도파괴의 경우도 파괴발생 가능영역에 절리군의 극점이 나타나지 않는 것으로 보아 파괴의 가능성이 매우 낮다는 것을 알 수 있다.

C 지점의 평사투영해석 결과를 살펴보면 평면 파괴의 경우 역시나 파괴발생 가능영역에 암반의 층리면(So)의 극점이 사면의 내부마찰각에 점시되지 않아 파괴가 발생할 가능성이 낮다. 상대적으로 A와 B 지점에 비하여 가장 안전한 지점이다.

A 지점

(1) 사면 방향

: 65/82 (2) 주불연속면군 - So : 22/104 - J1 : 85/20 - J2 : 80/290

(2) 내부 마찰각 : 30°

예상 파괴유형 비고

평면 전도 쐐기

△ X O

O : 가능성 보임

△ : 국부적 발생 X : 가능성 없음

[표 11] A ~ C 지점의 평사투영 해석

B 지점

(1) 사면 방향

: 78/65 (2) 주불연속면군 - So : 25/82 - J1 : 85/30 - J2 : 80/308

(3) 내부 마찰각 : 30°

예상 파괴유형

평면 전도 쐐기 비고

△ X X

O : 가능성 보임

△ : 국부적 발생 X : 가능성 없음

C 지점

(1) 사면 방향 : 75/190

(2) 주불연속면군 - So : 10/170 - J1 : 80/102 - J2 : 85/296 - J3 : 80/45

(3) 내부 마찰각 : 30°

예상 파괴유형

평면 전도 쐐기 비고

X X X O : 가능성 보임

△ : 국부적 발생 X : 가능성 없음

2) Roc-Plane 분석 결과 : Roc-Plane은 암반파괴가 일어나 암반이 분리되는 모습을 3D 또는 2D로 보여주고, 불연속면에 작용하는 힘을 볼 수 있다. A ~ C 지점에 작용하는 힘의 종류와 크기를 분석해 보았다.(표 12와 그림 4)

세 지역모두 기준 안전율보다 높은 안전율을 가지고 있어서, 안전하다. A지역의 경우 추진력이 가장 커서 위험해보이기도 한다.

하지만, 위에서 작용하는 무게가 커서 마찰력에 의해서 안전율의 기 준보다는 더 높을 것을 알 수 있다.

[표 12] A ~ C 지점의 Roc-Plane 값

A 지점 B 지점 C 지점

A 지점 B 지점

C 지점

그림 4. A ~ C 지점의 Roc-plane 분석결과

3) 강도정수의 산정 : 본 연구 지역에 대한 현지 지반의 강도정수 중 토사는 연구 지역을 포함하는 광역 지질조사 및 시추조사 결과와 문헌 자료를 비교하여 얻은 값을 사용하였다. 또한 암반의 경우 지표지질조사 및 실내시험 결과를 토대로 기존의 문헌자료와 비교하여 안전성을 확보하 기 위한 관점을 강조하여 지반정수의 개략적인 값을 산정하였다.

암석명 일축압축강도 (kgf/㎠)

인장강도 (kgf/㎠)

탄성계수 (kgf/㎠)

포아손비 내부마찰각 (°) 사 암 200~1,700 20~250 0.5~8.0×10⁵ 0.1~0.25 25~35 셰 일 100~1,600 20~100 1.0~4.0×10⁵ 0.1~0.3 15~30 이암(3기) 5~500 1~30 0.01~0.5×10⁵ 0.1~0.35 5~25 석회암 40~2,500 10~250 1.0~8.0×10⁵ 0.1~0.3 35~50

(2000년, 토목기술자를 위한 암반공학, 한국지반공학회 편) [표 13] 대표 암석의 역학적 특성

이 지역에 분포하는 지반의 물성 값을 종합하면 표 14와 같다.

구분 종류

단위중량 (t/m³)

탄성계수 (t/㎡)

인장강도 (t/㎡)

내부 마찰각φ ( °)

점착력 C (t/㎡)

포아손비

토사 1.8 10,000 10 20 1.5 0.30

암반 2.6 300,000 100 30 20.0 0.25

[표 14] 해석에 적용한 지반 물성 값

4) RMR 평가 결과 : 평면파괴가 국부적으로 발생할 가능성이 있는 A와 B 지점에 대해 RMR 평가를 실시하였다(표 15).

구 분 항 목 A 지점 B 지점

RMR

일축압축강도(MPa) 4 7

R.Q.D (%) 8 8

절리면 간격(m) 10 8

절리면 상태

연 장 (m) 1 1

분리폭 (mm) 4 1

거 칠 기 3 1

충 진 물 6 6

풍 화 도 3 3

지하수 상태 15 15

평점합계 54 50

RMR평가 등급 Ⅲ(양호) Ⅲ(양호)

[표 15] RMR 평가 결과

5) Phase 분석 결과

앞에서 살펴본 바와 같이 본 암반 사면의 층리 및 절리군이 여러 번에 걸쳐 간섭하는 가운데 강우에 의해 암반 내부의 간극수압이 증가할 경우 사면을 따라 파괴가 일어날 가능성이 A와 B지점에서 예측이 되었다.

따라서 본 연구에서는 Phase 프로그램을 이용하여 연구지역에 대한 수치 해석을 실시하였다.

Phase는 앞에서 기술한 강도정수를 입력 값으로 선정하였으며, 지층 은 지표지질조사 결과를 반영하여 토사와 암반으로 구분하였다. 해석조건 은 건기시, 우기시 그리고 지진시를 적용하여 수행하였으며 해석에 적용한 안전율 및 조건은 표 16과 같다.

구분 기준 안전율 참 조 적용안전율

건기 Fs＞1.5 - 지하수 미고려 1.5

우기 Fs＞1.2 - 안전측을 고려하여 지하

수위는 지표면에 위치 1.2

지진시 Fs＞1.1 - 지진계수 0.06g 적용

(100년 주기) 1.1

[표 16] 수치 해석에 적용된 조건과 안전율

가) A 지점

건기, 우기, 지진시의 조건하에서 해석결과 최저 안전율이 Fs 1.78~1.25로 기준안전율보다 높은 안전율을 보이는 것으로 나타났다.

건기시 Fs 1.78>1.50 ... OK 우기시 Fs 1.50>1.20 ... OK

지진시 Fs 1.25>1.10 ... OK

그림 5. A 지점 Phase 분석 결과 나) B지점

건기, 우기, 지진시의 조건하에서 해석결과 최저안전율이 Fs 2.49~1.89로 기준 안전율보다 높은 안전율을 보이는 것으로 나타났다.

건기시 Fs 2.49>1.50 ... OK 우기시 Fs 2.15>1.20 ... OK

지진시 Fs 1.89>1.10 ... OK

그림 6. B 지점 Phase 분석 결과

A, B 암반 사면에 대한 수치해석 결과를 종합하면 다음과 같다.

단 면 해석조건 허용 안전율

우기 기준(Fs) 유한요소법결과

안전율(Fs) 비 고 A 지점

건 기 1.50 1.78 안 정

우 기 1.20 1.50 안 정

지진시 1.10 1.25 안 정

B 지점

건 기 1.50 2.49 안 정

우 기 1.20 2.15 안 정

지진시 1.10 1.89 안 정

[표 17] 수치 해석에 결과

A와 B 지점 모두 건기, 우기, 지진 시 허용안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 암반 상태에서 안전율을 만족하지만, 현 암반 내 분포하 는 불연속면들의 상호작용에 의한 낙석이 발생할 수 있다.

○ 연구 결론

침산공원의 암반사면은 암반면과 토사면 등의 혼합사면으로 구성되 어 있다. 암반사면은 암반절리 발달에 따른 낙석발생의 가능성이 매우 높으며, 과거 낙석 발생으로 인한 뜬 돌이 사면의 전 구간에 산재하여 분포하고 있다, 또한 거주주택의 사면 하부에 밀집되어 있어 낙석 발생 시 위험에 노출되어 있다.

야외조사 결과, A~C 지점에 발달하는 불연속면의 요소는 층리와 절리 2개(A와 B지점) 혹은 3개(C 지점)의 형태로 분포한다. A 지점에서 층리는 22/104의 방향성을 보이며, 층리면은 약 35~70cm의 간격으로 분포 한다. 절리군 1은 85/20의 방향성을 보이며, 50~70cm로 분포한다. 절리군 2는 80/290의 방향성을 보이며, 40~70cm로 분포한다. B 지점의 층리는 25/82의 방향성을 보이며, 10~20cm의 간격으로 분포한다. 절리군 1은 85/30 의 방향성을 보이며, 20~30cm로 분포한다. 절리군 2는 80/308의 방향성을 보이며, 30~50cm로 분포한다. C 지점의 층리는 10/170의 방향성을 보이며, 9cm로 분포한다. 절리군 1은 80/102의 방향성을 보이며, 100cm의 간격으 로 분포한다. 절리군 2는 85/296의 방향성으로, 23cm의 간격으로 분포한 다. 절리군 3은 80/45의 방향성을 보이며, 13cm의 간격으로 분포한다.

평사투영 해석결과 연구지역의 암반 내의 마찰각의 영향으로 인하여 대규모 평면 파괴의 가능성이 낮을 것으로 판단된다. 그러나 층리면과 절리면의 간섭으로 인하여 소규모 평면 파괴 및 쐐기 파괴에 의한 낙석이 발생할 수 있다.

A와 B 지점의 경우, 수치해석결과 현 자연사면의 집중 호우 시와 지진시를 감안하여 수치해석결과 최소 안전을 1.25, 최대 1.89로 허용안전 을 범위에 해당하는 것으로 나타났다.

조사결과를 종합적으로 분석한 결과 본 연구지역 내에서 대규모의 사면 붕괴활동의 가능성은 높지 않은 것으로 판단된다. 하지만 층리면과 절리면의 상호 간섭으로 인하여 발생하는 소규모의 블록 형태의 낙석이 관찰되며, 향후 추가적인 낙석이 발생할 것으로 판단된다. 그러므로 낙석 에 대한 방지 대책이 필요할 것으로 판단된다.

□ 연구 소감 및 반성 ○ 연구 소감

- 대학에서 활동하는데 필요한 연구적 경험을 얻었음.

- 사면파괴에 대한 경각심과 연구에 대한 열의를 가지게 됨.

- 야외조사활동을 통해 자연을 관찰하는 관찰력과 측정도구를 활용 하여 자료를 수집하는 과정을 익히게 됨.

- 실내실험분석을 통해 실험도구를 사용하는 방법을 익히고 DIPS, Roc-Plane, Phase 등의 프로그램 사용방법을 익힘, 단순 학문 연구가 아닌 학문연구가 실제상황에서의 공학으로 응용되는 과정을 경험함.

- 도미노효과를 이용한 홍보물을 만들 때는 우리가 직접 설계하여 만들어 봄으로서 창의적인 사고력을 기를 수 있었음.

○ 반성

기존의 R&E 연구와 같은 실제적인 과학 연구 결과를 냄과 동시에 창의적 산출물도 제작해야 하는 과정에서 학생들의 수고가 많았음에도 그러나 창의적 산출물(도미노) 제작은 성공적인 결과를 이뤄내지 못한 것 이 아쉬움.

4. 홍보 및 사후 활용

교내 R&E 발표회에 참가(2012년 12월 27일 예정) 결과 홍보 지구과학교육학회(2013년 춘계) 학술발표회 포스터 발표 예정 5. 참고문헌

2000년, 토목공학기술자를 위한 암반공학, 한국지반공학회 2008년, 토질역학, 김기웅 문홍득, 구미서관

2007년, 흙의 전단강도와 사면안정, 조성하, 이엔지 북

2009년, 안전점검 및 정밀안전진단 세부사항 절토사면, 국토해양부 1998년, 사면안정화 설계실무 편람, 전성기, 도서출판 과학기술