비탈면 안정해석과 SoilWorks를 활용한 안정성 검토

목차
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1. 비탈면 안정 해석의 개요

비탈면 안정해석 과업은 단순히 절토사면에 대한 안전진단 과업은 물론, 토목 구조물 설계 시, 건축물 설계 시(택지 확보 등), 재해영향평가 과업 시, 최근에는 산불로 인한 등산로 재건과업에도 적용되는 등 그 적용 범위가 상당히 넓은 과업입니다.

일반적으로 비탈면 안정해석은 프로그램을 활용한 한계평형해석을 적용하는데, 한계평형해석은 해당 지반의 지반 정보와 학부 수준의 전공지식만 있으면 누구나 손쉽게 신뢰할 수 있는 해석결과를 확인할 수 있다는 장점이 있습니다.

오늘은 해당 과업에서 가장 대표적으로 사용되는 마이다스아이티의 SoilWorks 를 활용하여 과업수행 과정을 자세하게 설명드리도록 하겠습니다.

1-1 한계평형해석(Limit Equilibrium Method)

한계형형해석

한계평형해석(LEM)은 말 그대로, 구조물이나 지반이 막 무너질 것 같은 '한계 상태'에 있다고 가정하고, 지반의 활동력과 저항력을 분석해서 안정성을 평가하는 방법입니다

한계평형해석은 비탈면 위에 형성된 그리드의 각 절점을 기준으로 가상의 원호파괴면을 형성하여 각각의 안전율을 산정합니다. 이후 각각의 원호파괴면에 대한 안전율 중 최소 안전율을 산정하고, 그 최소 안전율이 기준 안전율보다 높을 시 해당 비탈면이 안정적이라고 추정하는 방식입니다.

1-2 한계평형해석의 장점

① . 이해가 쉽고 직관적이다

활동력과 저항력을 비교하는 직관적인 해석법으로 계산 로직이 명확해서 결과를 추적하거나 해석하기가 쉽습니다. 따라서 학부 수준에서도 쉽게 배우거나 적용할 수 있고, 토목 분야뿐만 아니라 비토목분야(산림분야 등)에서도 적극적으로 활용되는 실용적인 해석법입니다.

② . 경험적 설계 기준과 잘 연결된다

한계평형해석은 이미 비탈면 안정해석에 중점적으로 쓰이고 있으므로 경험적 데이터가 풍부하고, 설계기준에서 안전율이 명확하게 요구되어 명확한 사용이 가능합니다.

③ . 해석 프로그램에서 적용이 용이하다

지반의 기울기, 침투해석결과 등을 고려한 수십, 수백개의 안전율을 프로그램이 자동으로 계산을 해주고, Fellenius, Bishop, Janbu, Spencer 등 다양한 방법이 있어 상황에 맞게 선택 가능

한계평형해석을 활용한 비탈면 안정해석 과업의 경우 프로그램을 활용하여 수행하는 것이 일반적입니다. 오늘은 해당 과업의 가장 대표적인 프로그램인 마이다스아이티의 SoilWorks를 활용한 과업수행 과정을 보여드리도록 하겠습니다.

2. 비탈면 안정해석 프로그램 _ SoilWorks

SWS 모듈

마이다스아이티 SoilWorks는 국내 대표적인 종합 지반 2차원 단면해석 프로그램입니다. 비탈면, 침투, 동해석 등 8가지 모듈로 구성이 되어있고, 이 중 수행하시는 과업에 맞게 필요한 모듈만 도입하여 사용하실 수 있는 프로그램입니다.

그 중 오늘 보여드리는 비탈면과 침투 두 가지 모듈을 활용하면 비탈면 안정해석 및 댐·제방·저수지 안전진단 과업에 필요한 모든 데이터를 확인하실 수 있습니다.

3. SoilWorks를 활용한 비탈면 안정해석 _ 건기시, 우기시, 지진시

비탈면 안정해석의 경우 건기시, 우기시, 지진시의 세가지 경우를 각각 판단하고, 우기시의 경우에는 정상류(초기수위 시)와 비정상류(강우강도를 고려한)해석결과를 각각 확인해야 합니다. 아래는 SoilWorks를 활용한 비탈면 안정해석 과정입니다.

3-1. 건기시 및 지진시 _ 비탈면 모듈을 활용한 해석

건기시 및 지진시의 경우, 비탈면 모듈로 해석이 가능합니다.

①. 지반 단면 형성하기

프리미엄 프로모션 메일 혜택설명 (810 x 410 px) (810 x 255 px) (3) SoilWorks는 캐드기반 프로그램으로 캐드 파일이 자유롭게 호환됨은 물론이고, 명령어나 인터페이스 등이 상당히 흡사합니다. 따라서 캐드에서 작도하신 지반의 단면 라인을 프로그램으로 불러들여 "면 자동생성" 기능을 이용하면 클릭

한 번으로 폐합된 선을 자동으로 인식하여 면으로 바꾸어줍니다.

②. 지반 물성 부여하기

aaaaaa "지반물성" 탭에서 지반물성을 정의할 수 있습니다. 위 그림과 같이 단위중량, 점착력, 내부마찰각에 관한 정보를 입력하고 지반정보를 추가하시면 작업트리에 해당 지반물성이 포함되고

프리미엄 프로모션 메일 혜택설명 (810 x 410 px)

작도하신 지반층을 선택하여 드래그 앤 드랍으로 지반 물성을 부여하실 수 있습니다.

③. 경계 조건 형성하기 _ 그리드와 원호접선 그리기

프리미엄 프로모션 메일 혜택설명 (810 x 410 px) (810 x 255 px) (1) 위 영상과 같이 한계평형해석을 위한 그리드와 원호접선을 각각 그릴 수 있습니다. 프로그램 상 한계평형해석은 각각의 그리드의 절점에서 원호접선에 접하게끔 가상의 원호파괴면을 형성하고 각각의 안전율을 산정합니다.

실무적으로 원호접선과 그리드를 형성하는 과정에서 어려움을 겪는 경우는 거의 없고, 더욱 정교한 안전율을 확인하는 방법 등은 마이다스아이티의 교육지원을 통해 충분히 익히실 수 있습니다.

④. 해석케이스 형성하기

마지막으로 해석에 포함 될 지반물성과 경계조건을 "해석에 사용할 데이터" 섹션으로 넣어주는 방식으로 해석케이스를 형성할 수 있고, 이로써 해석에 필요한 과정은 마쳤습니다.

⑤. 지진시 해석 _ 지진하중 추가하기

지진시는 수평지진계수(Kh)를 입력하여 모사할 수 있습니다. 비탈면 내진 설계기준에 의하면 아래와 같이 수평지진계수를 산정할 수 있습니다.

여기서 a max는 지표면의 최대가속도 값으로 지진구역계수(Z) × 지반계수(S) × 위험도(중요도)계수(I)로 산정합니다. 일반적으로 지반의 특성을 바탕으로 판단하는 지반계수(S)는 지반의 조건에 따라 S1~S6으로 나누어지는데 국내 대부분의 비탈면 과업은 S2 일반지반으로 지반 계수는 통상적으로 1을 사용하고 있습니다.

지진구역계수(Z)와 위험도 계수는 위의 표와 같이 나누어져 있습니다. 위험도 계수의 경우 해당 구조물이 사회적 중요 기반시설인지, 사회시설인지 등의 기준에 따라 재현주기를 구분하지만, 통상적으로 비탈면의 경우 1,000년 재현주기의 1.40을 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 수평지진계수는 과업지시에의 내용에 따라 달라질 수 있겠지만, 강원 북부와 제주지역을 제외하면 일반적으로 "0.077" 값을 사용하고 해당값을 프로그램 "정적지진하중" 기능에 입력하여 주시면 됩니다.

예 ) 지진구역 Ⅰ 의 경우 : 0.11(Z) x 1(S) x 1.40(I) / 2g = 0.077

이 경우 부여된 지진은 "지진하중"으로 표현되어 있고, 마찬가지로 "해석에 사용할 데이터" 섹션으로 옮겨 주기면 지진하중을 고려한 비탈면안정해석, 즉 지진시 해석을 하실 수 있습니다.

⑥. 해석결과 확인

이 과정을 통해 각각의 원호파괴면 안전율 중 최소안전율을 즉각적으로 확인하실 수 있고, 그 외의 원호파괴면의 형상과 안전율도 확인하실 수 있습니다.

3-2. 우기시 _ 침투모듈의 활용과 비탈면 모듈과의 연동

우기시의 경우 침투해석을 하고, 그 해석 결과를 바탕으로 위에서 살펴보았던 비탈면 모듈을 연동하여 해석합니다.

일반적으로 2차원 지반 단면 침투해석의 경우, 전체 지반의 "유한요소 해석" 을 통해 침투 결과를 확인 하기 때문에 적절한 요소망을 형성하는 것이 중요합니다.

여기서 유한요소해석이란, 지반단면을 가상적으로 유한한 크기의 요소(Element)로 분할하고, 요소별로 각각 해석·취합하여 전체 집합체로서 지반을 해석하는 해석법입니다.

해석에 필요한 요소망은 Smart Mesh 기능을 이용하여 클릭 한번으로 생성 가능합니다. 또한 정밀한 해석을 위해 그 간격을 보다 좁게, 혹은 빠른 해석을 위해 그 간격을 보다 넓게 설정하는 등 사용자의 판단에 맞게 생성할 수 있습니다.

참고로 침투해석에 대한 유한요소해석의 경우에는 지반의 특정 부분에 가해지는 응력 등을 검토하는 것이 아니라, 균일한 조건에서 이루어지는 침투현황을 검토하는 것이기 때문에 균일한 요소망이 보다 정확한 해석값을 얻는데에 도움이 된다고 할 수 있습니다.

①. 지반 물성 부여하기

침투해석도 마찬가지로 "지반물성" 탭에서 지반물성을 정의할 수 있습니다. 비탈면 모듈과 물성을 부여하는 방법은 동일하며, 투수계수 정보를 입력하는 부분에서만 차이점이 있습니다.

②. 경계조건 형성

침투해석의 경우에도 해석을 위해서 기본적인 조건이라고 할 수 있는 경계 조건을 형성하여야 합니다.

침투모듈은 수행과업의 상황을 잘 모사할 수 있도록 경계조건의 기능들이 형성되어 있습니다. 특히 정상류해석(시간이력을 고려하지 않음)과 비정상류해석(시간이력을 고려)을 각각 해석 해야 하는 침투해석의 과업 특성을 잘 반영하고 있습니다.

오늘은 비탈면(절토사면)에 대한 안정성을 검토 하므로 초기수위 시(정상류)와 강우강도를 고려 시(비정상류), 이 두 가지 케이스에 대한 해석을 진행하고, 각각 수위선, 면유량 기능을 이용하여 모사하도록 하겠습니다.

ㄱ. 초기수위 모사하기

초기수위의 경우 시간의 흐름을 고려하지 않은 정상류 해석을 바탕으로 하기 때문에 고정된 선을 지정하여 수위를 모사할 수 있습니다.

ㄴ. 강우강도를 고려한 비탈면 모사 / 유출 모사

"면유량" 기능을 이용하면 강우강도를 고려한 침투 해석을 하실 수 있습니다. 실제로 비가 떨어지는 지표 부분을 선택하고, 일정 기간의 강우량을 단위에 맞게 넣어 주시면 해당 비탈에 대한 강우강도를 모사하실 수 있습니다.

강우강도에 대한 정보는 언제나 기상청의 공시된 자료에서 확인하실 수 있고 아래 링크를 클릭하시면 이동이 가능합니다.

> 기상청에서 수행과업의(지역별) 강우량 확인하기 <

물의 유출의 경우에는 "경계재조사" 기능을 이용하여 모사합니다. 비탈면의 경우 물이 유입되는 부분과 유출되는 부분이 지표로 같으므로, 위 사진과 동일한 지표라인을 선택하여 경계 재조사를 지정하여 주시면 됩니다.

③. 해석 케이스 형성하기

침투모듈도 비탈면 모듈과 같이 해석케이스를 형성해 줍니다. 다만, 비탈면의 경우 초기수위 시와 강우강도 고려시를 각각 보기보다, 그 연속성을 보는 것이 유의미합니다. 따라서 "시공단계 해석" 기능을 활용하면 두 가지 케이스를 연속적으로 확인할 수 있습니다.

④. 침투 해석 결과 확인

위 사진과 같이 각각의 시점에 대한 해석결과를 직관적으로 확인하실 수 있습니다.

⑤. 침투해석을 고려한 비탈면 안정해석 _ 침투모듈과 비탈면 모듈의 연계

위와 같은 침투해석 결과를 비탈면 모듈로 불러들여 "침투해석을 고려한 비탈면 안정해석"을 하는 것이 우기시 해석의 메커니즘입니다. 비탈면 모듈을 실행하여 "결과 연동" 기능을 이용하면 클릭 몇 번으로 침투 해석결과를 불러들일 수 있고, 이 해석 결과는 하중 값으로 확인하실 수 있습니다.

따라서 해석케이스를 생성할 때 하중에 포함된 침투 해석 결과를 포함시키면 위와 같은 "침투해석을 고려한 비탈면안정성 해석" 결과 (침윤선이 그려진 사면안정해석 결과)를 확인하실 수 있습니다.

4. 다양한 비탈면 형상에 대한 안정성 검토 _ 옹벽, 보강토, 보강재(네일,앵커 등)

비탈면의 형상과 환경이 다양한 만큼, 그 해석에 있어서 다양한 사례에 대한 검증은 필수적입니다. SoilWorks의 가장 큰 장점은 국산 프로그램으로 기술지원이나 교육지원이 활발하고, 그로 인해 국내 여러 케이스에 대한 경험적 자료가 많다는 것 입니다.

SoilWorks는 국내에서 가장 대표적으로 사용되는 프로그램이니 만큼 옹벽이나 보강토, 그 외에 여러 보강재가 포함된 비탈도 해석이 당연히 가능합니다. 뿐만 아니라 자체적인 보강토의 설계 및 해석과 더불어 비탈면 모듈로 연동·자동 모델링을 통해 즉각적인 전체 비탈면 안정성 검토도 지원합니다.

4-1 옹벽이 포함된 비탈면

위 사진과 같이 옹벽이 포함된 비탈면 단면 모델링을 통해서 비탈면 안정 해석이 가능합니다. 이 경우 일반적으로 옹벽형상에 콘크리트에 준하는 지반물성(점착력 800~1000 이상)을 부여함으로서 간단하게 모사가 가능합니다.

4-2 보강토가 포함된 비탈면

보강토의 경우에도 옹벽과 마찬가지로 형상을 모델링 하여 해석을 할 수 있습니다. 뿐만 아니라 SoilWorks의 자체적인 보강토 모듈을 통해서 보강토를 설계·해석 하고 자동으로 추출한 도면으로 비탈면 모듈로 즉각적인 연동이 가능합니다. 보강토 모듈에 대한 자세한 내용은 아래 링크로 이동하면 확인하실 수 있습니다.

> SoilWorks 보강토 블로그 바로가기 <

4-3 그 외 다양한 보강재를 고려한 비탈면 안정 해석

프로그램의 "구조부재" 기능에는 일반적으로 사용되는 네일, 앵커 등의 지반 보강재들이 탑재가 되어 있습니다. 해당 보강재를 선택하여 기본적인 제원값을 입력을 하면 작업트리에 추가되고, 앞선 지반 물성을 부여하듯 드래그 앤 드랍 방식으로 물성을 부여하면 모사가 가능합니다.