강우조건별 지하수위 변화를 고려한 풍화토 비탈면의 안정성 평가 :Evaluation of slope stability with weathered soils considering the ground water table variation by the rainfall conditions

김규형

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김규형 (대진대학교, 대진대학교 대학원)

지도교수: 이강일

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

강우조건별 지하수위 변화를 고려한 풍화토 비탈면의 안정성 평가

김규형 토목환경공학과 2019.01 학위논문

2018

강우사상을 고려한 화강풍화토 비탈면의 안정성 평가

김규형 , 황의필 , 이강일 한국재난정보학회 논문집 2018.01 학술저널

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본 연구는 강우 발생시간 동안의 강우량 및 강우조건을 분석하고 신뢰성이 높은 결과를 유추하기 위하여 국내 비탈면 공사시 가장 흔히 분포하는 풍화토 비탈면을 대상으로 강우로 인한 불안정한 요인이 무엇인지를 분석하고자 강우조건을 달리하여 모형시험과 수치해석을 실시하여 강우가 비탈면의 안정에 미치는 영향을 분석 하였다.
모형시험에 적용한 강우조건은 6시간 동안 강우량 300mm의 강우조건(균등한 강우조건, 중간에 집중 강우조건. 초기에 집중 강우조건 및 후미에 집중 강우조건)을 적용하였다. 이러한 극한강우조건을 적용한 이유는 강우조건별로 모형시험 단면을 파괴시켜서 어떤 강우조건 및 지속시간에서 지하수위 변화에 따라 비탈면 파괴가 발생하는지를 관찰하기 위해서이다. 모형시험 결과, 비탈면유실이나 비탈면내 균열의 시작은 초기에 집중 강우조건인 Case 3에서 가장 빠르게 발생하였으며, 비탈면붕괴는 비탈면의 형상에 따라 달라질 수 있지만 동일한 비탈면조건(단면, 강도특성)에서 지하수위가 최대 상승한 시기에 발생하였다. 이를 통해 초기 강우강도가 클수록 비탈면 유실 가능성이 높아지고 지하수위가 높을수록 붕괴 가능성이 높아진다는 것을 알 수 있었다.
수치해석은 모형시험 단면과는 별개의 실제 비탈면에 대하여 수치해석기법을 통해 강우가 비탈면 거동에 미치는 영향을 분석하고자 다양한 높이의 비탈면을 모델링하여 강우조건에 의한 침투해석과 연동한 비탈면 안정해석을 실시하였다. 침투해석 및 비탈면의 안정해석 결과, 강우조건별 지하수위 상승량은 초기에 집중 강우조건인 Case 3에서 지하수위 상승량이 가장 크게 나타났으며 안정해석 결과는 가장 작게 분석되었다. 또한 강우조건에 따른 지하수위는 비탈면 높이가 높을수록 지하수위 상승량이 작은 것으로 분석되었으며 비탈면의 높이 변화에 따른 강우조건별 지하수위 상승량 및 안전율은 비탈면의 높이와는 상관이 없는 것으로 분석되었다.
따라서 모형시험 및 수치해석을 통해서 비탈면의 침식 및 붕괴 그리고 안전율이 가장 불안정한 강우조건은 초기에 강우가 집중되는 Case 3로 나타났다. 그러나 현재의 국내 우기시 비탈면의 안정성 평가는 균등한 강우조건인 Case 1을 적용하여 침투해석으로 부터 결정된 지하수위를 적용하고 있으므로 향후 비탈면의 우기시 안전율 평가는 강우조건 등을 달리하여 강우가 비탈면 거동에 미치는 영향 등에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

This study tried to examine the amount of rainfall and rainfall conditions for the duration off rain, and, to get reliable findings, it analyzed what unstable conditions are caused by rainfall on slopes composed of soil of
weathered rock, the most frequently discovered environment while doing slope construction in Korea. It performed model tests and numerical analysis under different rainfall conditions, and tried to discover the effects of rainfall on stability of slopes.
The rainfall conditions applied in the model tests were 300mm precipitation for 6 hours (rainfall of equal strength, heavy rainfall in the middle of the period, heavy rainfall at the beginning, and heavy rainfall at
the end of the period). The reason why such extreme conditions are applied is to destroy sections of slope, and observe how change of underground water level causes destruction of slope under what conditions
of rainfall and the duration of time. Model tests showed that slope loss and cracks on slope surface start the most rapidly in Case 3 - heavy rainfall at the beginning. While breaking of slope surface can vary depending on
the formation of the surface, under the same slope conditions (vertical section and strength of the slope), it occurs when the underground level goes up highest. So, it was found that the heavier the initial rainfall is, and
the higher the underground water level is, the more likely the slope can break.
Numerical analysis was applied to real slopes, and used to analyze the effect of rainfall on movement of sloped. By modeling slopes in various heights, this study performed slope stability analysis linked to penetration analysis depending on various rainfall conditions. Penetration analysis and slope stability analysis proved that, in Case 3 heavy rainfall at the beginning, underground water level was the highest, and slope was the least stable. And, the higher the slope is, the smallest underground water level goes up. It was found that underground water level rise and safety of slope are not related with height of slope.
Accordingly, model tests and numerical analysis proved that the rainfall condition where erosion and collapsibility of slope is the highest and the safety rate is the highest is Case 3. But, the stability evaluation on slope under rain is based on the condition of Case 1 where rain falls in equal amount to the end, and it is applied to penetration analysis and underground water level. Thus, it seems to be necessary that future the
stability evaluation on slope under rain consider the effects of different rainfall conditions on the movement of slope.

목 차
국문요약 ⅰ
목 차 ⅲ
그림목차 ⅶ
표 목 차 ?
제 1 장 서 론 1
1.1 연구목적 1
1.2 연구동향 3
1.3 연구방법 5
제 2 장 강우시 불포화토 비탈면의 거동특성 8
2.1 강우시 비탈면의 안정해석 및 침투거동 특성 8
2.1.1 강우시 비탈면의 안정해석 방법 8
2.1.2 국내 강우특성 10
2.1.3 강우시 비탈면의 침투거동 특성 12
2.2 불포화토의 기본이론 및 특성 19
2.2.1 불포화토의 기본이론 19
2.2.2 함수특성곡선 25
2.2.3 불포화토 지반의 투수계수 35
2.2.4 불포화토 지반의 전단강도 43
제 3 장 강우재현 비탈면 모형시험 47
3.1 개요 47
3.2 모형시험 장치 47
3.2.1 모형시험 장치구성 47
3.2.2 모형토조 48
3.2.3 강우재현 장치 50
3.2.4 지하수위 측정 장치 51
3.2.5 저수조 및 유출량 측정 장치 51
3.3 모형시험조건 및 방법 53
3.3.1 모형비탈면 축소조건 53
3.3.2 모형시험재료 및 다짐조건 54
3.3.3 인공강우 재현조건 55
3.3.4 모형시험 방법 59
3.4 강우조건별 지하수위 분석 61
3.4.1 균등한 강우조건(Case 1) 61
3.4.2 중간에 집중 강우조건(Case 2) 64
3.4.3 초기에 집중 강우조건(Case 3) 67
3.4.4 후미에 집중 강우조건(Case 4) 70
3.4.5 비탈면붕괴 시간대 지하수위 변화 분석 73
3.5 지표 침투율 분석 74
3.6 모형비탈면 붕괴 현황분석 78
3.6.1 균등한 강우조건(Case 1) 붕괴 현황 78
3.6.2 중간에 집중 강우조건(Case 2) 붕괴 현황 79
3.6.3 초기에 집중 강우조건(Case 3) 붕괴 현황 81
3.6.4 후미에 집중 강우조건(Case 4) 붕괴 현황 83
제 4 장 강우조건별 비탈면 안정해석 85
4.1 개요 85
4.2 해석단면 및 경계조건 85
4.2.1 해석조건 85
4.2.2 해석단면 86
4.2.3 경계조건 88
4.2.4 강우강도 88
4.3 해석에 적용된 함수특성곡선 및 지반정수 89
4.3.1 함수특성곡선 89
4.3.2 지반정수 92
4.4 침투해석에 의한 지하수위 변화 분석 92
4.4.1 비탈면 높이가 10m인 경우 지하수위 변화 93
4.4.2 비탈면 높이가 15m인 경우 지하수위 변화 98
4.4.3 비탈면 높이가 20m인 경우 지하수위 변화 104
4.4.4 비탈면 높이가 25m인 경우 지하수위 변화 110
4.4.5 침투해석결과 분석 115
4.5 비탈면 안전율 분석 117
4.5.1 비탈면 높이가 10m인 경우 안전율 분석 117
4.5.2 비탈면 높이가 15m인 경우 안전율 분석 119
4.5.3 비탈면 높이가 20m인 경우 안전율 분석 121
4.5.4 비탈면 높이가 25m인 경우 안전율 분석 123
4.5.5 비탈면 안전율결과 분석 125
제 5 장 강우조건별 비탈면 안정성 분석 127
5.1 강우조건별 비탈면 붕괴형상 분석 127
5.2 강우조건별 지하수위 변화에 따른 비탈면 안전율 분석 131
5.3 강우조건별 비탈면 높이 변화에 따른 안전율 분석 131
제 6 장 결 론 133
참 고 문 헌 135
ABSTRACT 142
감사의 글 144

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