한국지반신소재학회논문집제 17 권 1 호 2018 년 3 월 pp. 139 152 J. Korean Geosynthetics Society Vol.17 No.1 March 2018 pp. 139 ~ 152 DOI: https://doi.org/10.12814/jkgss.2018.17.1.139 ISSN: 2508-2876(Print) ISSN: 2287-9528(Online) 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 Estimation of Shear Strength of Discontinuous (bedding) Cut Sedimentary Rock Slope by Using Back Analysis 김창호 1, 김봉용 2, 박태완 3, 김태형 4 * Chang-Ho Kim 1, Bong-Yong Kim 2, Tae-Wan Park 3, Tae-Hyung Kim 4 * 1 Non-Member, Deputy General Manager, Korea Expressway Corp., 77 Hyeoksin 8-ro, Gimchon-si, Gyeongsanbuk-do 39660, Republic of Korea 2 Non-Member, Managing Director, DongIl Engrg. Consul. Co., Ltd., DongIl B/D, Songi-ro 30-gil 7, Songpa-gu, Seoul 05800, Republic of Korea 3 Non-Member, General Manager, Korea Expressway Corp., 77 Hyeoksin 8-ro, Gimchon-si, Gyeongsanbuk-do 39660, Republic of Korea 4 Member, Professor, Dept. of Civil Engre., Korea Maritime and Ocean Univ., 727 Taejoung-ro, Yeongdo-gu, Busan 4911,2 Republic of Korea ABSTRACT This study is an analysis of slope failure examples of cut sedimentary hills during construction road in Kyoungsang Basin, especially Yangsan Fault system (Ilkwang-Dongrae fault). This area involved a lot of hillslope failures compared to other areas during road construction. The exposed failure slopes were first face-mapped, and then back analyzed based on the limit equilibrium method to assess the shear strength parameters of discontinuity (bedding). The results of this analysis indicate that the shear strength parameters of discontinuity (bedding) are significantly smaller than those used in the design stage and presented in the existing works. The filling in the bedding and emerging groundwater may be decreasing strength parameters. Especially, the clay in the bedding plays a key role in the effect of the shear strength. The study also suggests that the bedding angle and the internal friction angle are proportional to each other. Using this relationship and knowing the bedding angle, the friction can easily be estimated. 요 본연구에서는경상분지퇴적암지대특히양산단층대 ( 일광동래단층대 ) 구간퇴적암비탈면에서도로시공시불연속면 ( 층리 ) 에서발생된파괴사례를분석하였다. 이지역의경우다른지역에비해시공중비탈면파괴사례가유독많이발생된지역이다. 노출된파괴비탈면에대한 Face Mapping 작성후한계평형법에의한역해석을통해불연속면 ( 층리 ) 의전단강도파라미터를산정하였다. 분석결과이지역불연속면 ( 층리면 ) 비탈면경우기존설계전단강도파라미터값및문헌제시값과비교했을때상당히작게산정되는것으로나타났다. 이것은층리면에존재하는잔존물과지하수의유출등에의한영향으로볼수있는데, 특히점토와같은풍화잔존물이불연속면의전단강도에감소에영향을미친것으로판단된다. 그리고마찰각은층리면각과서로비례하는경향을보여두변수사이에관계식을제시하였다. 이식을이용하여노출된층리면각을알면쉽게전단강도마찰각을손쉽게산정할수있다. Keywords : Discontinuous (bedding), Back analysis, Yangsan fault system, Shear strength, Filling (clay), Bedding angle 지 Received 27 Feb. 2018, Revised 25 Mar. 2018, Accepted 26 Mar. 2018 *Corresponding author Tel: +82-51-410-4465; Fax: +82-51-410-4460 E-mail address: kth67399@kmou.ac.kr (T. H. Kim) 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 139
1. 서 론 부려지고 다양한 방향으로 역전되어 불연속면 형태로 발 전된다. 암반절취 비탈면의 안정에 영향을 미치는 요소로는 암 자생적으로 층리와 같은 이방성을 가진 퇴적암은 풍화 종, 풍화, 지질구조의 특성 등의 내적인 요인과 강우, 융해, 에도 민감한데 풍화 이전에는 화강암과 거의 대등한 강도 지진, 발파 등의 외적인 요인을 들 수 있다. 이들 중 암반 를 보이지만 시공과정과 유지관리 기간 동안 암반이 풍화 비탈면의 내적인 요인들이 비탈면안정에 커다란 영향을 환경에 놓이게 되면 높은 이방성 특성에 의해 공학적 성질 주는 주요인으로 작용할 수 있으므로 암반의 내적 요인들 이 급격히 변화되는 현상을 보인다. 특히 퇴적암 중에서 에 대한 지질학적 구분과 공학적인 특성을 파악하는 것은 이암과 셰일 같은 쇄설성 퇴적암은 미세한 층리구조도 같 매우 중요한 일이다(Aydan et al., 1989). 특히 암반 비탈 이 발달되어 있어 풍화의 정도가 크게 나타나는 것으로 알 면과 같은 급경사지에서 불연속면의 특성 파악이 중요하 려져 있다(Lee and Kim, 2004, 1998; Kim et al., 2017). 다. 왜냐하면 비탈면의 불안정요인이 주로 단층, 층리, 절 Table 1은 부산 울산간 고속도로 건설 현장(Fig. 1)에 리 등과 같은 불연속면의 기하학적 및 역학적 특성에 크게 서 조사된 불연속면이 층리인 경우에 대한 파괴 사례를 파 기인되기 때문이다(Lee and Kim, 2004). 괴유형별로 정리한 결과이다(Korea Expressway Corporation, 특히 퇴적암이 존재하는 지역에서는 층리라는 불연속 2008). 이 지역에서는 공사 중 비탈면 파괴가 많이 발생되 면으로 인한 비탈면 파괴가 많이 발생되는 경향을 보인다. 었는데 그 이유는 이 지역이 오래된 퇴적암 지층으로 이천 층리란 퇴적 시기에 입자의 크기 및 방향, 광물학적 및 화 리층 및 울산층으로 이루어졌으며 퇴적암의 특성상 층리 학적인 요소의 변화에 의해 형성된 퇴적암의 면구조이다 라는 불연속면이 많이 존재하기 때문으로 알려졌다(Son (Park, 2002). 층리는 지구조 운동에 의하여 경사지고 구 et al., 2000). 특히 이 지역 퇴적암은 주로 흑색 암회색 적 Table 1. Failure types of discontinuous with bedding plane (Korea Expressway Corporation, 2008) Failure section nos. Planar Toppling Circular Wedge The others 41 20 8 9 3 1 Percentage (%) 48.8 19.5 22.0 7.3 2.4 Ulsan fault Con. ending point 9th Con. sec. 8th Con. sec. 7th Con. sec. Moryang fault Design 5th Con. sec. 4th Con. sec. Yangsan fault Total disance(l=47-23km) 6th Con. sec. 3rd Con. sec. 2nd Con. Dongrae 1st Con. sec. Ilgwang fault Con. starting point Fig. 1. Busan-Ulsan expressway and its surrounding fault systems 140 한국지반신소재학회논문집 제17권 제1호
색 회록색의셰일및이암으로구성되어있으므로셰일및이암은암질의특성상풍화진행속도가빠르므로절토비탈면절취시타지역에비하여비탈면붕락의빈도가높으며, 암반의절리의빈도도높은특성을보이는것으로알려져있다 (You, 2002; Park, 2002; Kim et al., 2002; Kim et al., 2017). 부산 울산간고속도로건설현장에서는일반적으로시행되는절차에따라시공전암반절취비탈면의비탈면안정해석을위해불연속면에대한전단강도파라미터산정을실시하였다 (Korea Expressway Corporation, 2001). 암반비탈면의안정성평가에있어서가장중요한요소는비탈면의기하학적형상과불연속면의분포상황으로서, 비탈면의안정성을정량적으로평가하기위해서는불연속면의전단강도파라미터를선정하는것이매우중요하다. 일반적으로실시되는암반의전단강도파라미터산정법은기존문헌자료, 시추코아에대한절리면전단시험및암석실험, 지표지질조사 ( 암반의불연속면특성 ) 등의결과를비교검토하여전단강도파라미터를산정하고있다 (Hoek and Bray, 1981; Barton, 1973, 1974; You, 2002; Halakatevakis et al., 2010; Hoek, 1990; Hoek and Brown, 1997; Hoek et al., 2002). 하지만실제시공에서는예상보다많은구역에서암사면의파괴가발생하였다 (Korea Expressway Corporation, 2008). 이것은설계시참조한기존문헌자료대부분이경상분지퇴적암의특성을반영하지못하였고, 설계시예측과실제시공하는과정중에나타난현장지질조건이현재의지반조사의기술적인한계로지중에있는불연속면 ( 층리 ) 의특성을명확하게판정할수없기때문이다. 불연속면 ( 층리 ) 의틈새두께가보통수 mm에서수 cm로미세한경우가대부분이라시추조사등지반조사시그존재여부를확인하는것이매우힘들다는한계성도가지고있다. 그래서본연구에서는 Table 1에언급된부산 울산간고속도로건설공사중파괴된비탈면중에서 30개사면 ( 대부분평면및원호파괴 ) 에대한역해석을통해층리와관련된불연속면의전단강도파라미터산정을시도하였다. 총 30개의비탈면파괴사례에대한분석이이루어진점과경상분지퇴적암을대상으로, 그리고단층이나절리가아닌층리불연속면을연구대상으로한것은기존연구와차별되는점이다. 암반비탈면파괴에대해역해석으로부터비탈면파괴시불연속면전단강도산정에대해서는이전에도수행되었다 (Coates et al., 1965; Whitman and Bailey, 1967, Lin et al., 2014; Lv et al., 2017). 이들은대부분암반비탈면파괴에대한역해석 (FEM or LEM) 으로부터비탈면파괴시암반의전단강도파라미터에대해연구하였다. 본연구에서는붕괴가발생된비탈면을완전히노출시켜먼저 Face mapping을통해암석및불연속면 ( 층리 ) 을가능한한정밀하게조사후한계평형에의한비탈면안정성해석을다시하는역해석기법에의해불연속면의전단강도파라미터를추정하는연구를수행하였다. 연구결과는기존에설계시사용하고있는산정결과와비교되었으며, 또한층리면각과마찰각의상관관계식도도출하였다. 2. 기존설계적용암반의전단강도파라미터산정 2.1 설계적용암반의전단강도파라미터산정암반비탈면불연속면에대한설계전단강도파라미터산정은기존문헌자료검토, 시추코아에대한절리면전단시험및암석실험, 지표지질조사 ( 암반의불연속면특성 ) 및강도제안식활용등의결과를종합적으로검토하여전단강도파라미터를산정하였다. 기존방법에의한전단강도파라미터산정과정을살펴보면다음과같다. 2.1.1 기존문헌자료기존문헌자료에의한암반불연속면의전단강도파라미터 ( 점착력, 마찰각 ) 산정에는 Table 2와같은제시된값을참고로활용하고있다. 이외 Hoek and Bray(1981), Barton(1973), Wyllie and Mah(2004) 등이제안한값을설계시참고하고있다. 2.1.2 실내암석시험기반암불연속면의강도정수산정을위해서는전단시험이필요하다. 이시험은시편을채취하기위해수세식시추조사를시행함에따라일반적으로불연속면내수 mm 내지수 cm 되는점토또는파쇄물의채취가불가능하여엄밀히따지면설계시불연속면에대한전단시험은현실적으로불가능함에따라대상구간의실시설계시에는관련식에의해강도정수를산정하여적용하였다 2.1.3 전단강도제안식에의한전단강도파라미터산정 ( ) 식 (1) 은절리면전단강도에가장큰영향을미치는요 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 141
Table 2. Shear strength of filled discontinuities in rock and filling materials (Modified from Barton, 1974) Type Clays Clay shale Diorite, granodiorite and porphyry Limestone Schists, quartzite and siliceous schists Description Peak strength Residual strength c (kpa) ( ) c (kpa) ( ) Overconsolidated, slips, joints and minor shears 0.0-180.0 12.0-18.5 0.0-3.0 10.5-16.0 Triaxial tests 60.0 32.0 - - Stratification surfaces - - 0.0 19.0-25.0 Clay gouge (2% clay, PI = 17%) 0.0 26.5 - - 6 mm clay layer 100.0 13.0-14.0 10~20 mm clay filling 50.0-200.0 17.0-21.0 < 1 mm clay filling 0.0 13.0 100-15 mm thick clay filling Stratification with thin clay Stratification with thick clay 30.0-80.0 610.0-740.0 380.0 32.0 41.0 31.0 - - Table 3. Unconfined compressive and joint compressive strengths of rocks (Korea Expressway Corporation, 2001) Boring hole Unconfined compressive strength (kg/cm 2 ) Joint compressive strength JCS (kg/cm 2 ) CB-3 910 228 CB-4 1920 480 CB-5 650 163 CB-6 1020 255 CB-7 660 165 CB-8 810 203 CB-9 620 155 CB-10 600 150 CB-13 1030 258 CB-14 240 240 CB-15 740 185 CB-16 570 143 * Adopted the reduction factor = 1, considering joins inside core. Average and adopted values in design Average =214 kg/cm 2 Adopted value =200 kg/cm 2 소인불연속면의거칠기계수 (JRC) 를반영하기위해 Barton (1973) 이제안한것으로이식을이용하여마찰각을산정하였는데연구대상지역의마찰각은 30 로평가되었다. log log (1) 여기서, = 유효수직응력, JRC= 절리거칠기계수 (joint roughness coefficient), JCS= 절리면압축강도 (joint compressive strength), = 기본마찰각 (basic friction angle) 으로암의풍화를고려하지않은것이다. 따라서, 절리면의마찰각산정은식 (1) 에나타난여러변수들을산정하므로써가능하다. 유효수직응력 ( ) 은해석단면및깎기높이에따라일정치않은값이지만대략 20m이상의깎기부에대해안정성평가를실시하였기때문에평균높이를 25m로가정하여산정하였다. 따라서, 유효수직응력은 2.5t/m³ 25m = 62.5 t/m²(=625kpa) 으로산정되었다. 거칠기계수 JRC는 profile gage에의해절리면의요철을측정하고, 이를 profile chart와비교하여산정하였다 (Barton, 1973). Profile gage에의해측정한 JRC는각위치별로다소차이를나타내며 4 20의값을가지는것으로나타났는데, 안전을고려해 JRC=4로산정하였다. 절리면압축강도 (JCS) 는절리면에대한점하중시험결과로부터산정하거나무결암의일축압축강도 ( ) 에감소계수를적용하여산정하였다. 본구간에대해서는무결암의일축압축강도에감도계수를적용하여절리면압축강도를산정하였는데, 아래의식 (2) 에나타난바와같이감도계수는 4를적용하였다 (Hoek and Bray, 1981). (2) 여기서, 는무결암의일축압축강도이다. 식 (2) 를적용하여산정된절리면의압축강도는 Table 3과같다. 다음기본마찰각 는두개의평행하고매끈한면사이 142 한국지반신소재학회논문집제 17 권제 1 호
Table 4. Basic friction angle of sandstone and shale (Korea Expressway Corporation, 2001) Rock type Value φ b ( ) Reference 26 ~ 35 (dry) Barton and Croubey (1977) Sandstone 25 ~ 33 (wet) Barton and Croubey (1977) 35 ~ 45 Hoek (1981) 25 ~ 35 Hoek (1981) Shale 19 ~ 32 Barton (1974) 27 Hoek and Bray (1981) Table 5. Shear strength parameters of bedding plane used in design of the Busan-Ulsan expressway Case Strength parameter Cohesion(kPa) Friction angle( ) Bedding plane without Filling 50 30 Bedding plane with Filling 50 25 의마찰각으로서, 본구간에분포하는사암및셰일에대하여기존에제안된기본마찰각은 Table 4와같다. Table 4에나타난바와같이기본마찰각은사암의경우 25 45 의값을가지며셰일의경우에는 19 35 의값을가진다. 따라서셰일및사암에대한기본마찰각은셰일의기본마찰각에대한평균값을적용하여 27 로산정하였다. 2.2 전단강도산정결과 설계적용암반의전단강도파라미터산정 (2.1 절참조 ) 을참고하고본연구구간에분포하는암반은주로사암또는셰일의경암및연암으로서 풍화된퇴적암의불연속면 으로가정하여점착력은약 50kPa으로산정되었다. 한편, 층리면내에점토분이극히소량발견된구간에대해서는 점토광물함유량이상대적으로적은교란되지않은흙또는절리암반 을적용해마찰각은 25 로산정되었다. 상기와같이본연구구간의암반비탈면안정성평가를위해산정된층리면의전단강도를요약하면 Table 5와같다. 3. 불연속면이층리인비탈면붕락역해석분석사례 역해석은노출비탈면에대해 Face mapping을통해암석및불연속면 ( 층리 ) 을가능한한정밀하게조사후실시되었다. 불연속면이층리인비탈면파괴사례 (Table 1 참조 ) 에대해역해석이이루어졌다. 평면파괴와원호파괴사례각각에대한역해석예는다음과같다. 3.1 평면파괴역해석예해당구간은부산 -울산간고속도로 7공구 STA.0+900 1+040( 부산 ) 이다. 해당공구의비탈면설계는연장이 140m 이고최대비탈면고가 27.437m (STA.1+000) 이다 (Fig. 2). 설계시적용된경사는토사구간 (1:1.2), 발파암 (1:0.7) 이다. 최대비탈면고에해당하는위치 (STA.1+000) 이며절토비탈면의주향 / 경사는 N02E/55SE( 경사방향 / 경사각 ; 92/55, 1:0.7구배적용 ) 로설계되었다 (Fig. 2). 3.1.1 파괴후조사결과파괴후지질을검토해본결과절취비탈면의대부분을차지하고있는기반암은암회색 청회색사암과셰일이교호하며호층을이루고있는비교적단조로운지층현황을보였다. 종점측일부에서는유문암질로판단되는산성암맥이층리의방향과유사한방향으로관입되어있는것이조사되었다 (Figs. 3 and 4). 암반의상태는대부분의비탈면에서층리및절리가발달되어있고, 폭 3m 소단상부비탈면및일부표토층을제외하고는대체적으로연암이상의양호한지반으로이루어졌다. 좀더상세하게살펴보면암석의강도가대체적으로 Strong Very Strong 하며, 일부폭 3m 소단상부비탈면및표토층은 Weak Very Weak 한것으로나타났다. 암석의풍화도는대체적으로 Moderately weathered Fresh하며, 일부 3m 소단상부비탈면및표토층은 Highly Weathered Completely Weak한것으로나타났다 (Figs. 3 and 4). 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 143
Fig. 2. Cross sectional view in design at STA.1+000 Fig. 3. Geological strata and discontinuous planes in the target slope Fig. 4. Distribution of discontinuous planes at the target slope near starting point 144 한국지반신소재학회논문집제 17 권제 1 호
Fig. 5. Detailed distribution of discontinuous planes Fig. 6. Detailed distribution of discontinuous planes 층리면의굴곡은 Planar Undulating 및 Smooth Rough하고, 간혹약 1 2mm의방해석으로코팅되어있는것으로조사되었다. 층리면의틈새는약 1 2mm 이격되어있으며, 점토가존재하고있으며층리면을따라간혹지하수가누출되고있다 (Figs. 4, 5, 6). 방향은조사위치에따라 N37 58E/30 41SE로서절토비탈면의방향과유사한방향을가지며, 비탈면에대하여약 35 어긋나있 는것으로조사되었다. 3.1.2 파괴원인조사소규모파괴형태는불연속면의상태가불량하고연속성이길며비탈면과유사한방향의층리면에따른평면파괴로서비탈면의장기적인안정성을고려하고층리면의상태및연속성그리고방향성을고려할경우규모가큰평 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 145
Fig. 7. Cross sectional view of slope failure at STA.1+000 면파괴형태의파괴가발생할것으로판단하였다 (Fig. 7). 3.1.3 역해석방법비탈면이이미붕괴가발생된상태이므로현행안전율 1.0을기준으로한계평형해석을실시하였다. 사용된프로그램은프랑스의 TERRASOL사에서개발한 TALREN을이용하였다. 이프로그램은한계평형상태에서지반파괴면을고려하는고전적인사면안정방법 (Slope Stability Method) 에근거를두고있으며복잡한기하경사와원호및비원호지반파괴면을해석할수있다 (Baek et al., 2002; Kim, 2004). 해석단면은설계에적용된비탈면과동일한단면을사용하였다. 다만층리면의경사각은조사된층리면의평균경사각 35 를적용하였다. 그리고층리면을따라예상되는평면파괴블록의높이는 13.0m를적용하였다. 3.2 원호파괴역해석예해당구간은부산~울산간고속도로 3공구 STA.2+600 2+960( 울산 ) 이다. 해당공구의비탈면설계상황을보면연장이 360m이고최대비탈면고가 56.37m이다. 최대비탈면고에해당하는위치 (STA.2+820) 에대한설계횡단면도는 Fig. 8과같다. 설계절토비탈면의주향 / 경사는 N27E/63NW( 경사각 / 경사방향 ; 63/297, 1:0.5경사적용 ) 으로계획되었다. 설계시적용된경사는토사구간 (1:1.2 1.5), 리핑암 (1:1.0), 발파암 (1:0.5) 이다. Fig. 8. Cross sectional view of slope adopted in design 3.2.1 파괴후조사결과본구역절토비탈면의대부분을차지하고있는기반암은경상계백악기퇴적암류에해당하는이천리층으로서암석의종류는암회색사암및담회색 회백색이암이호층을이룬다. 비탈면상부는대체적으로풍화에약한이암으로구성되어있다 (Fig. 9). 비탈면하부는풍화에강한사암으로구성되어있는것으로조사되었다. 그리고다수의단층이비탈면전체구간에서발달하고있으며, 비탈면일부구간에서는중성암맥이관입되어있는것으로조사되었다. Fig. 9을보면비탈면하부에서상부로갈수록풍화가심하고암질이불량해지는전형적인지반상태를보인다. 특이한점은비탈면중앙부에발달한단층면을경계로하 146 한국지반신소재학회논문집제 17 권제 1 호
Fig. 9. Geological strata and weathering rate in the target slope Fig. 10. Detailed distribution of discontinuous planes at target slope 여좌 우측구간의지반현황이서로상이한것을알수있다. 지반의강도는비탈면상부는대체적으로불량 (Extremely weak Moderately strong) 하고, 하부는양호 (Strong Very strong) 한전형적인암반상태를보이고, 단층면을경계로하여좌측구간이우측보다불량한상태의지반이넓게분포하는것으로조사되었다. 비탈면의풍화도는상부는대체적으로불량 (Residual soil Moderately weathered) 하고, 하부는양호 (Slightly weathered Fresh) 한전형적인지반상태를보이고, 단층면을경계로하여좌측구간은우측보다불량한상태의지반이넓게분포하는것으로조사되었다. 지반의강도와풍화도는서로밀접한관련이있는요소로서로일치되는상태를확인할수있었다. 해당비탈면에대한층리 (bedding plane), 절리 (joint), 단층 (fault) 등의불연속면이조사되었다 (Fig. 10). 조사결과층리면은저각도로비탈면과유사한방향이며, 하부일부층리면에는연약화된점토층이약 1 5cm 두께로존재하고있는것으로조사되었다. 주향과경사는 N14E/07NW, N33E/07NW, N26E/07NW, N34E/05NW, N23E/05NW, N53E/04NW, N45E/02NW, N08E/07NW( 점토존재 ), N12E/ 09NW( 점토존재 ), N14E/07NW( 점토존재 ) 인것으로나타났다. 절리의경우불량한지반인이암으로구성된비탈면상부의절리면상태는토사등이코팅되었거나, 풍화가심한불량상태로나타났고, 양호한지반인사암으로구성된비탈면하부절리면상태는대체적으로양호한것으로조사 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 147
Fig. 11. Emerging groundwater from clay filled bedding plane clay at E section Fig. 12. Detailed weathering rate and fault developed at 'G' section 되었다. 절리면의주향및경사는 N22W/38SW, N86W/ 74SW, N88W/ 82SW, N10E/76SE, N22W/36SW, N65W/ 63SW, N64W/62SW, N02W/37SW, N62E/83SE, N11E/38NW, N26W/42SW, N60E/84SE인것으로나타났다. 본검토비탈면에서조사된단층은 N22 35W/52 68NE 및 N50 52E/74 78SE의 2가지방향을가지는것으로조사되었다. Fig. 11은 Fig. 10의 E 영역을확대한것으로층리에서점토의존재를확인할수있다. 또한층리면을따라지하수가누출되는것으로나타났다. 나머지영역 A, B, C, D에서도약 5cm 두께의점토가존재하는층리면을확인할수있다. Fig. 12는 Fig. 10의 G 영역을확대한것으로역시절리면의존재를확인할수있다. 특히풍화된절리면과토사가코팅된절리면이동일지역에같이존재하는것을볼때불연속면의상태가매우불량한것을알수있다. 3.2.2 파괴원인조사발생한파괴형태는원호파괴로비탈면중앙부에발달한단층대및단층좌측부의지반불량, 절취에따른응력해방으로인한절리면에서의인장균열과점토층의상호작용에의한것으로판단된다. Figs. 9 12을통해지반불량을확인할수있다. 이와같은지반상태는설계시예상하지못한것으로판단된다. 또한 Fig. 13의보이는인장균열이비탈면붕락영역에도존재하였을것으로추정되어인장균열이비탈면붕락의원인임을추측할수있다. 인장균열은암반비탈면의안정성은큰영향을미친다 (Hoek and Bray, 1981). Fig. 13. Whole situation at slope failure site 3.2.3 역해석방법비탈면이이미붕괴가발생된상태이므로현행안전율 1.0을기준으로 TALREN을이용하여한계평형해석을수행하였다. 해당사면의지반상태는설계와비교시유사하나, 3m 소단 (20m위치) 위치에서연약화된점토층리면이존재하는것으로조사되었다. 그리고점토층이존재하는층리면을따라지하수가누출되는것으로나타났다. 본검토구간에서최대비탈면고에해당하는 STA.2+740 단면을적용하여안정성검토를수행했다 (Fig. 14). 4. 역해석결과및분석제 3장의언급된사례를보면층리면내점토및파쇄된암편의존재하는것을알수있다. 이런층리면내잔존물이암반의전단강도에영향을미쳤을것으로판단된다. 148 한국지반신소재학회논문집제 17 권제 1 호
Fig. 14. Cross section of back analysis at STA.2+740 Table 6은 30개파괴된비탈면에대한역해석결과이다. 4.1 잔존물영향경상분지특히양산단층대구간의층리가발달된붕괴 된암반비탈면 30개에대한역해석분석결과에대한전단강도파라미터값은 Table 6과같다. 점착력은 5 30 kpa, 마찰각은 5 30 의범위를갖는것으로해석되었다. Table 5의실시설계시이지역에적용한값은점착력 50kPa, 마찰각 25 30 이다. 층리에점토잔존물이존재하는경우점착력 50kPa, 마찰각 25 를적용하였다. Table 6의역해석을통해분석된결과잔존물이있는경우이지역층리불연속면의전단강도파라미터값은점착력 5 30kPa( 평균 14kPa), 마찰각 5 30 ( 평균 18.5 ) 로 Table 5의실시설계시적용한값과비교해보면, 점착력의경우평균값대비최대약 72% 정도마찰각의경우평균값대비약 26 정도낮게산정됨을알수있다. 따라서경상분지의암반비탈면처럼층리면에잔존물을포함하고있는경우일반문헌에서사용되는전단강도파라미터값 Table 6. Results of back analysis on shear strength parameters and bedding plane angles of bedding plane filled with clay and rock fragments Case no. Unit weight Back analysis (kn/m 3 ) Cohesion (kpa) Friction angle ( ) Bedding plane angle ( ) 1 24 12 5 10 2-12 5 7 3 24 12 5 7 4-18 25 27 5-18 25 27 6-10 20 33 7-18 25 30 8-10 20 24 9-10 20 32 10-5 15 25 11-20 30 35 12-10 25 35 13-10 15 28 14-20 15 28 15-10 15 28 16-20 25 30 17-10 20 30 18 19 10 10 13 19 19 10 10 13 20 24 20 17 23 21 20 15 17 24 22-10 17 23 23-20 10 10 24-20 26 28 25-30 28 30 26-30 28 34 27-10 20 33 28 20 18 25 30 29 24 10 17 25 30-5 20 21 Range 19 24 5 30 5 30 7 35 Average 21.8 14 18.5 24.8 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 149
Fig. 15. Relationship between the friction angle and cohesion in failed rock slopes to ground types including the data obtained from the sedimentary rock existed in Gyeongsang basin(yangsan fault system) (Modified after Hoek and Bray, 1974) 을사용하면시공중비탈면파괴의위험성을많이내포함을알수있다. 그러므로본연구지역과유사한지역에서안정성분석에기존문헌자료값 (Table 2) 의적용시에는주의가요구된다. 잔존물이암반의전단강도에미치는영향은 Barton(1974), Hoek and Bray(1974, 1981) 에의해이미언급되었다. Fig. 15는 Hoek and Bray(1974) 가제시한결과에본연구결과를같이도시한것이다. 그림에서검정색원이본연구결과이다. 기존결과 ( 하얀색원 ) 과비교해보면층리에잔존물이존재하는경상분지퇴적암불연속면의경우점착력은약간크게나타나고마찰각이상대적으로작은것을알수있다. 이것은 3장에서조사된것처럼이지역암반비탈면의풍화가심하고불연속면이토사로코팅되어있고층리면에풍화잔존물인점토가존재하기때문이다. 또한점토잔존물이존재하는층리면을따라지하수가누출되는영역도있어마찰각이상대적으로작게나타났다. 4.2 층리면각을활용한전단강도파라미터추정 Table 6을보면점착력은층리면각에무관하게거의일정한값 ( 평균 14kPa) 을보여주고있다. 반면층리면각과 마찰각사이에는서로관련성이있음을알수있다. 층리면의각도가마찰각과서로비례하는경향을보인다. 마찰각 (friction angle) 은흙속에작용하는수직응력과전단저항의관계를표시하는직선과횡축이이루는각을말하고, 층리면각 (bedding plane angle) 은지각현상으로이루는순수층리면각도를말하고이론적으로암반불연속면의전단강도파라미터에층리면의각도는영향을미치지않는다. 하지만 Table 6을보면층리면각과마찰각사이에서로비례하는경향을보임을알수있다. 이것은층리면의각도가큰경우전단응력의증가로마찰각이크게발현되고반면층리면의각도가작은경우마찰각이작게발현되기때문으로판단된다. 층리면각도와마찰각의관계는 Fig. 16과같다. y축을마찰각으로 x를층리면각으로정하고 x 및 y축에기입하여추세선을나타내면식 (3) 과같다. y(φ)=a + x tan α (3) 추세선을연장하여상수 a값을그래프에서구하면 0.3933 이되고 α( 기울기 ) 는 0.7311로관련식을정리하면최종적으로다음과같은경험식 (4) 가산출된다. 150 한국지반신소재학회논문집제 17 권제 1 호
Friction angle ( ) 35 30 25 20 15 10 5 0 y(φ)=0.3933 + 0.7311x (4) 일반적으로암반비탈면의파괴가발생하거나해석을할경우불연속면 ( 층리면 ) 의전단강도파라미터를산출할경우시추조사등의시험을통해정확한값을산출하기가정말어렵다. 그래서경험치, 관련경험식, 참고문헌등을활용하여전단강도파라미터를추정하지만이또한절차가복잡하고많은시간이소요된다. 위에제시된경험식과현장에서비교적조사가쉬운층리각을활용할경우비교적신속하고간편하게비탈면의안정여부는판단할수있는마찰각을산정할수있을것이다. 물론이식은경상분지퇴적암지대특히양산단층대구간의암반비탈면에한정적으로적용된다. 5. 결론 y = 0.7311x + 0.3933 0 10 20 30 40 Bedding plane angle ( ) Fig. 16. Relationship between the friction angle and bedding plane angle of the sedimentary rock existed in Gyeongsang basin (Yangsan fault system) 본연구에서는경상분지퇴적암지대특히양산단층대 ( 일광동래단층대 ) 구간에서퇴적암비탈면에서도로시공시불연속면 ( 층리 ) 에서발생된파괴사례를분석하였다. 붕괴가발생된비탈면전체를노출시켜 Face mapping을통해암석및불연속면 ( 층리 ) 을가능한한정밀하게조사후비탈면안정성해석을다시하는역해석기법에의해불연속면의전단강도파라미터를추정하였다. 연구결과다음과같은결론을도출하였다. 역해석을통해분석된잔존물이층리에존재하는경우전단강도파라미터값과실시설계시적용한값을비교해보면, 점착력의경우평균값대비최대약 72% 정도마찰 각의경우평균값대비약 26 정도낮게산정되었다. 이결과를통해층리에잔존물이존재하는경우암반의전단강도파라미터에미치는영향을분명하게알수있다. 특히실시설계시에참고하는기존문헌자료의경우와비교해보면그차이가크게나타나경상분지의암반비탈면처럼층리면이잔존물을포함하고있는경우일반문헌에서사용되는전단강도파라미터값을사용하면시공중비탈면파괴의위험성을많이내포함을알수있다. 이것은기존문헌값이경상분지퇴적암의특성을반영하지못하기때문이다. 점착력은층리면각에무관하게거의일정한값을보여주는반면층리면각과마찰각사이에는서로비례하는경향을보여두변수사이에관계식을제시하였다. 이관계식은현장에서비교적조사가쉬운층리면각을활용하는것이므로비교적신속하고간편하게비탈면의안정판단에필요한마찰각을산정할수있다. Acknowledgement This research was supported by a grant (16CTAP- C117263-01) from Technology Advancement Research Program (TARP) funded by Ministry of Land, Infrastructure and Transportation of Korean government. References 1. Aydan, Ö., Shimizu, Y. and Ichikawa, Y. (1989), The Effective Filure Modes and Stability of Slopes in Rock Mass with Two Discontinuity Sets, Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol.22, No.3, pp.163-188. 2. Baek, Y., Koo, H. B. and Ryu, G.-J. (2002), A Study on the Stability Analysis and Countermeasure of Tunnel Portal Failure Slope - in Suanbo Hot Springs 1 and 2 Tunnel Failure Site, The Journal of Engineering Geology, Vol.27, No.4, pp.367-378. 3. Barton, N. R. (1973), Review of a New Shear Strength Criterion for Rock Joints, Eng. Geol., Vol.7, pp.287-332. 4. Barton, N. R. (1974), A Review of the Shear Strength of Filled Discontinuities in Rock, Norwegian Geotech. Inst. Publ. No. 105. 5. Barton, N. R. and Choubey, V. (1977), The Shear Strength of Rock Joints in Theory and Practice, Rock Mech. Vol. 10. No.1-2, pp.1-54. 6. Coates, D. F., Gyenge, M. and Stubbins, J. B. (1965), Slope Stability Studies at Knob Lake, Proceedings 3rd Canadian 역해석을통한퇴적암절취비탈면불연속면 ( 층리 ) 의전단강도추정 151
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