불포화토 – 사면안정

- 수평적 침윤선
- 집중호우 : 토층내 간극수압 급격히 증가
- 우리나라 : 자연사면 내 토층의 두께가 2m 이내로 얇음.
- 토층 내 강우침투로 인한 침윤선과 파괴면이 일치
- 사면안정 : 강우, 강우지속시간, 토층내 침투속도, 포화깊이
- 무한사면 : 사면경사, 점착력, 내부마찰각
- 시간 당 포화깊이를 통해, 침투 속도를 통해 안전율을 변화시키면서 안정성 검토.

- 집중호우
* 지반내 침투 - 모관흡수력(matric suction, ua-uw) – 전단강도 증가 – 감소 (모관흡수력 감소 및 지반의 포화)

모관흡수력, 불포화토 관련 참조 :
https://huedor2.tistory.com/804

* 지표면 부근 투수특성 변화로 일시적인 지하수위 – 안전율 감소 or 파괴
* Peak 강우 강도 후 안전율 회복
- 해석 : 간극수압 분포, 한계평형기법, 침투해석 (함수특성, 투수계수 등 고려), SEEP/W, SLOPE/W, GeoStudio
- 지표면까지 포화로 가정하는 비현실적인 보수적 설계기준(실제 현장과 맞지 않는)을 효율적으로 변경하기 위해 임계포화깊이를 산정하는 것이 중요.
- 입력값 : 강우강도, 강우지속시간, 토질정수, 투수계수
- Wetting Band (습윤대) : 포화깊이 (간극수압을 가정하여 수치해석으로 Band 를 형성). 강우시간에 따라 습윤대가 커지면(깊어지면) 안전율이 작아지는 그래프. 강우는 사면에 수직으로 침투. 포화층, 불포화층을 나누어 계산.

공식과 비교해볼 수 있다.
- 건기 안전율 1.5, 우기 안전율 1.3, 지진 등 1.2 이하
- 보강 : Anchor, Shotcrete, 경사완화공법, Soil Nailing, 계단식옹벽 등
- 침투 깊이를 수치화/모델화 하여 예측하고 설계에 반영하여 불포화

침투력 흡인력 참조 : https://huedor2.tistory.com/m/771


불포화토와 포화토의 차이
- 간극수의 영향을 고려하지 않으나 실제로 고려가 필요하고 모세관 현상 등의 작용으로 포화토와는 다른 거동특성
- 부분포화(Partially saturated), 불포화(unsaturated) 라고 부름.
- 모관흡수력의 존재 여부가 가장 큰 차이.

사면
- 하부 배수가 발생하는 경우 윗부분의 불포화 현상. 모관흡수력(흡인력 존재), 겉보기 마찰력

불포화토의 함수특성곡선
- 함수특성곡선 : w(%)-흡인력(kPa) 곡선

1) 포화함수비에서 흡인력이 증가해도 물이 간극에서 유출되지 않는다.
2) Air Entry Value (AEV, 공기함입치, 보통 20kPa?) 를 초과하면서 공기 유입에 따라 물이 유출되고 흡수력이 같이 증가하게 됨.
3) AEV, 잔류함수량을 구하는 것이 목적.
4) 잔류함수비는 열에 의해서만 제거 가능.

불포화토의 전단특성
식 하나로 설명이 가능하고,

모관흡수력 ua – uw 는 내부마찰각이 아닌 겉보기마찰각을 사용한다.
겉보기 마찰각은 함수비/잔류함수비의 관계에 따라 내부마찰각과의 관계를 가질 수 있으며,
내부마찰각의 tan 값의 반정도가 된다고 볼 수 있음.

불포화토의 전단강도는 실험을 통해 얻기가 어렵다. (시간/장비/불포화상태의 구현)

이를 통해 강우 전/후의 사면의 안정을 수치해석으로 계산할 수 있으며,
그에 따른 대책 및 피해 정도를 예측할 수 있다.

Bishop 응력
- 수직응력과 모관흡수력의 선형적 조합.
- Bishop 의 유효응력
p = (p-ua) + K (ua-uw)
변수K 를 포화도로 볼 수 있고, 1인 경우 일반 전단특성과 동일.
- 축차응력 q 와 Bishop 응력의 비례관계.

상향, 하향 수두차에 따라 침투력 발생

izrw : 면적당 침투력
irw : 체적당 침투력

icr = rsub/rw = Gs-1 / 1+e

Matric Suction (흡인력) – 모관상승.
- 정적다짐시험
- 압밀시험
- 불포화토의 응력특성. (전단강도를 좌우함.) 간극에 물과 공기를 포함. 지하수 변동의 영향을 받음.
- 건조밀도와 비례
- 포화토속의 간극압 – 간극수압 (Ua – Uw) : 표면장력/최대공극
- 흙수분 시험을 통해 측정.

모관상승력, 흡인력, Matric Suction 을 이해하는 좋은 그림

공기를 불어넣으며 물이 배출되는 것을 관찰하는 시험.
AEV (공기함입치)
구속을 시키고 공기압을 유지하면서,
배압을 감소시키면, 그 차이만큼이 흡인력이 되고,
배수량을 통해 함수비 감소를 계산한다.
Y 축은 단순 함수비가 아닌 체적함수비로, 계산식이 학자들마다 다르다. (Theta 로 표기.)

함수특성곡선은 여기서 참조
불포화토의 전단특성 함수특성곡선 - https://huedor2.tistory.com/m/804