IEG 환경지질연구정보센터

KSEG Conference / April 7 - 9, 2011 / Jeju / Korea

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선행 강우 효과를 적용한 불포화 사면의 안정성 해석 Slope stability analysis of unsaturated soils

with matric suction

김 대 훈 Dae-Hoon Kim^1)*, 백 환 조 Hwan-Jo Baek¹⁾, 김 경 만 Kyung-Man Kim¹⁾, 김 동 휘 Dong-Hui Kim¹⁾, 이 미 선 Mi-Sun Lee¹⁾

1)

강원대학교 에너지․자원공학과, Dept. of Energy․Resources Engineering, Kangwon National University

* 교신저자:

[email protected]

주요어: 불포화토, 초기흡수력, SLOPE/W, SEEP/W

1. 서론

불포화 사면에 대한 강우침투는 선행 강우 효과를 나타내는 지반의 초기 흡수력의 분포에 영 향을 받고 지반의 모관 흡수력은 500kPa까지 실제 자연 현상에 의해 나타날 수 있다. 이인모 등(2003)은 모관 흡수력을 측정하는 장비 중에 하나인 Soilmoisture사의 Jet-fill tensiometer와 체적 함수비를 측정하는 장비 중에 하나인 Cambell 사의 CS615를 이용해서 우기시 현장에서 대상 지 반의 모관 흡수력과 체적함수비에 대한 데이터를 계측한 사례가 있다. 계측한 결과를 보면 우 기시 모관 흡수력이 3-20kPa사이에 집중됨을 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 이인모 등(2003) 에 의해 측정된 우기시 실제 지반의 모관 흡수력을 기반으로 강우 침투시 선행 강우 효과를 나 타내는 초기 흡수력을 5, 10, 20kPa로 설정하여 선행 강우가 지반의 침투 특성 및 사면 안정성 에 미치는 영향에 대해 분석하였다.

2. 수치해석 및 결과

수치해석에 사용된 시료의 기본 물성 및 불포화토 이론과 관련된 지반 물성은 표 1, 표 2, 그림 1, 그림 2와 같다.

표 1. 시료의 기본 물성

Density Liquid Limit (%) Plastic Limit (%) Passing of # 200 (%)

2.649 N.D. N.D. 2.26

표 2. 시료의 지반 물성

Unit weight,

(t/m

) Cohesion, c (kPa)

(°)

(°)

1.75 1.8 38 18

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그림 1. 시료의 함수 특성 곡선 그림 2. 시료의 불포화 투수 곡선

수치해석을 실시하기위해 먼저 강우 침투해석 프로그램인 GEO-SLOPE사의 SEEP/W를 이용하 여 1:1.2의 경사를 갖고 전체 폭 38m, 높이가 20m인 단층 무한 토사사면을 형성하고 초기 흡수 력은 각각 5, 10, 20kPa로 설정하였으며 강우의 빠른 침투를 위해 시료의 포화투수계수를 강우 강도로 선택하여 침투해석을 실시하였다. 계속해서 GEO-SLOPE사 SLOPE/W를 이용하여 SEEP/W의 초기 흡수력 변화에 따른 각각의 침투해석 결과를 연동 해석하여 시간 변화에 따른 사면 안정성 해석을 실시하였다.

그림 3. 초기 흡수력이 5kPa일 때 포화대 형성시 침투해석 및 사면 안정성 해석 결과

그림 4. 초기 흡수력이 10kPa일 때 포화대 형성시 침투해석 및 사면 안정성 해석 결과

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그림 5. 초기 흡수력이 20kPa일 때 포화대 형성시 침투해석 및 사면 안정성 해석 결과

그림 6. 초기 흡수력 변화 및 강우 침투 시간에 따른 사면 안정성 해석 결과

강우 침투해석 결과 강우 침투시 선행 강우 효과를 나타내는 초기 흡수력이 높아짐에 따라

포화대 형성 시간이 지연되고 포화대 깊이가 낮아짐을 확인 할 수 있었다. 초기 흡수력이 5kPa

일 경우 3시간, 초기 흡수력이 10kPa의 경우 5시간, 초기 흡수력이 20kPa의 경우 10시간이 경

과 후 포화대가 형성됨을 확인 할 수 있었다. 다음으로 사면 안정성 해석 결과 초기 흡수력이

높을수록 포화대가 형성되기 전까지 안전율이 비교적 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었고 포

화대가 형성되면서 초기 흡수력에 관계없이 사면의 안전율이 떨어지는 결과를 확인 할 수 있었

으며, 세 조건 모두 지반이 완전히 포화된 48시간 이후에는 안전율이 비슷하게 나타남을 확인

할 수 있었다. 또한 초기 흡수력이 10kPa인 경우 5, 10시간, 초기 흡수력이 20kPa인 경우 10,

24, 36시간에서 초기 흡수력이 5kPa인 경우보다 안전율이 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 이

는 초기 흡수력이 높을수록 초기 침투 속도가 떨어져 강우가 사면내로 원활히 침투하지 못하고

사면 상단에 저류하여 간극수압이 커지기 때문으로 판단되며 이 근거로써 각각의 수치해석 결

과에서 살펴보면 포화대가 형성되는 시점별로 초기 흡수력이 5kPa인 경우 간극수압이 약

1.5kPa, 초기 흡수력이 10kPa인 경우 간극수압이 약 2kPa, 초기 흡수력이 20kPa인 경우 간극수

압이 약 4kPa로 나타났다.

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3. 결론

강우 침투해석 결과 강우 침투시 선행 강우 효과를 나타내는 초기흡수력이 높아짐에 따라 포화 대 형성 시간이 지연되고 포화대 깊이가 낮아짐을 확인 할 수 있었다.

사면 안정성 해석 결과 초기 흡수력이 높을수록 포화대가 형성되기 전까지 안전율이 비교적 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 세 조건 모두 지반이 완전히 포화된 이후에는 안전율 이 비슷하게 나타남을 확인 할 수 있었다. 또한 강우 침투 속도에 비해 초기 흡수력이 높을 경 우 강우가 사면내로 원활히 침투하지 못하고 사면 상단에 저류하면서 간극수압이 커져 사면의 안정성에 큰 영향을 끼치는 것을 확인할 수 있었다.

연구 결과 사면 설계시 선행 강우 효과를 나태는 초기 흡수력 변화를 고려한다면 보다 안전 하고 신뢰성 있는 설계가 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌

이인모, 조우성, 김영욱, 성상규, 2003, 풍화토 사면에서 강우로 인한 간극 수압 변화에 대한 실험연구,

한 국지반공학회논문집

Fredlund, D. G., and xing, 1994, Equations for the Soil-Water Characteristic Curve,

Canadian Geotechnical Journal

Vanapalli, S. K., Fredlund, D. G., Pufahl, D.E. and Clifton, A. W., 1996, Model for the prediction pf shear strength with respect to soil suction,

Canadian Geotechnical Journal