강우침투에 따른 화강풍화토 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정해석

Abstract

본 연구에서는 절토사면에서 얕은파괴의 발생원인과 특성을 규명하고자 우리나라의 강우특성에 따른 한계투수계수를 산정하고 화강풍화토로 구성된 균질한 절토사면에서 가상파괴면까지의 수평거리, 사면의 경사각, 사면높이 그리고 강우로 인한 포화깊이 등에 따른 해석을 수행하고 그 결과를 비교․분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 우리나라의 지역별 강우특성을 고려한 한계투수계수는 Pradel & Radd의 적용대상지역보다 5.5～6.5배 정도 크게 산정되었으며 이는 화강풍화토로 구성된 절토사면의 일반적인 토질특성을 고려할 때 강우에 의한 침투수가 포화깊이에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다. 국내의 지역별 강우특성을 고려한 최대 한계투수계수가 7.16×10-4cm/sec의 값으로 나타났으며 이에 대응하는 한계강우강도는 25.8mm/hr, 최소 강우지속시간은 7.2시간으로 나타났다. 따라서, 최대 한계투수계수 이하의 값을 갖는 화강풍화토로 구성된 절토사면에서 한계강우강도 이하의 강우가 최소 강우지속시간보다 오랫동안 지속될 때에는 포화깊이에 따른 얕은파괴의 검토가 중요하게 고려되어져야 할 것으로 여겨진다. 높이 10m 이상의 화강풍화토 절토사면에서 가상파괴면이 발생하는 수평거리를 변화시키면서 안정해석을 실시한 결과 강우를 고려하지 않는 경우와 강우침투를 고려한 경우 모두 수평파괴범위 2m 내외에서 안전율이 증가 또는 일정하게 변화하는 변곡점이 나타났다. 따라서 화강풍화토 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정해석시 수평파괴범위 2m 내외에서 안정검토를 중요하게 고려해야 할 것으로 여겨진다. 강우침투로 인한 포화깊이 변화에 따른 해석을 실시한 결과 포화깊이 1m 내외에서 안전율이 급격히 감소하는 경향을 보였다. 따라서 강우침투를 고려한 절토사면의 얕은파괴에 대한 안정해석시 포화깊이가 1m 내외에서의 안정검토를 중요하게 고려해야 할 것으로 여겨진다. 강도정수 변화에 따른 얕은파괴의 해석결과 동일한 사면경사각에서 점착력과 내부마찰각 변화에 따른 안전율의 증가는 선형적인 관계를 보였으며, 경사각이 커질수록 내부마찰각의 증가에 따른 안전율의 증가율이 작아지고 점착력의 증가에 따른 안전율의 증가율은 커지는 것으로 나타났다. 또한, 강우침투를 고려한 안정해석시에 강우를 고려하지 않는 해석에 비해 내부마찰각의 증가에 따른 안전율의 증가율이 2.0～4.0% 정도 더 작게, 점착력의 증가에 따른 안전율의 증가율이 0.3～2.0% 정도 더 크게 나타나 내부마찰각의 증가보다 점착력의 증가에 따른 안전율의 증가율이 더 큼을 알 수 있었다. 강우침투에 의한 포화깊이의 증가는 대절토사면의 얕은파괴에 대한 안정성을 저하시키는 것으로 나타났다. 또한 얕은파괴에 대한 안정성을 높이기 위해 사면의 경사를 완화시켜도 안전율이 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다.|The objective of this study was to evaluate the causes and characteristics of shallow failure in cut slopes. For this purpose, we calculated critical permeability coefficient according to the rainfall characteristic of Korea, analyzed horizontal distance from homogeneous cut slopes composed of weathered granite soil to hypothetical failure surface, the inclination angle of slopes, the height of slopes, and the depth of saturation by rainfall, and compared the results. Conclusions drawn from this study are as follows. The critical permeability coefficient in consideration of Korean rainfall characteristic by area was 5.5～6.5 times higher than the areas subject to the application of Pradel & Radd, and it was found that, considering the general soil characteristic of cut slopes composed of weathered granite soil, infiltration water by rainfall may affect the depth of saturation. The maximum critical permeability coefficient in consideration of Korean rainfall characteristic by area was 7.16×10-4cm/sec, the corresponding critical rainfall intensity was 25.8mm/hr, and the minimum rainfall duration was 7.2 hours. Accordingly, if rainfall below the critical rainfall intensity continues longer than the minimum rainfall duration in a cut slope composed of weathered granite soil below the maximum critical permeability coefficient, shallow failure according to the depth of saturation needs to be considered seriously. When stability analysis was performed with varying horizontal distance at which hypothetical failure surface takes place in over 10m high cut slopes of weathered granite soil, both in case rainfall and rainfall infiltration were considered an inflection point appeared, at which the safety rate increased or changed uniformly within 2m of the range of horizontal failure. This suggests that stability within 2m of the range of horizontal failure should be examined carefully in stability analysis on the shallow failure of weathered granite soil cut slopes. In the results of analysis according to change in the depth of saturation by rainfall infiltration, the safety rate decreased sharply at around 1m of saturation depth. This suggests that stability at around 1m of saturation depth should be examined carefully in stability analysis on the shallow failure of cut slopes in consideration of rainfall infiltration. In the results of analyzing shallow failure according to change in the strength parameter, the increase of safety rate showed a linear relation with change in cohesion and internal friction angle at the same inclination angle. That is, the larger the inclination angle was, the smaller the rate of increase in the safety rate according to the increase in internal friction angle was and the larger the rate of increase in the safety rate according to the increase in cohesion was. Furthermore, compared to analysis without considering rainfall, stability analysis that considered rainfall infiltration showed 2.0～4.0% lower rate of increase in the safety rate according to the increase in internal friction angle, and 0.3～2.0% higher rate of increase in the safety rate according to the increase in cohesion. This shows that the rate of increase in the safety rate according to the increase of cohesion is higher than that according to the increase of internal friction angle. An increase in the depth of saturation by rainfall infiltration appeared to lower stability against the shallow failure of high cut slopes. In addition, even if a cut slope was made less steep in order to increase stability against shallow failure, the safety rate did not increase markedly.