토사 비탈면 안정성 검토 가이드(건기시 조건, Soilworks)

이번 글에서는 토사와 풍화암으로 이루어진 가상의 비탈면을 그려보고 마이다스아이티의 Soilworks 프로그램을 이용해 건기시 검토를 하는 방법을 설명 드리겠습니다. 비탈면 검토는 건기시, 우기시, 지진시 이렇게 세가지 조건을 검토하여 허용 안전율 이상이 되면 안정하다고 판단합니다. 추후에 우기시, 지진시 검토를 이어서 설명 드릴텐데요. 수위 적용 방법, 지진계수 적용 등 차이가 있을 뿐이고 기본적인 사항은 건기시 검토와 같습니다. 집중해주세요!

CAD프로그램이나 Soilworks는 유료 프로그램입니다. 그래서 아쉽지만 집에서 혼자서 연습하기는 어려우실 것입니다. 그렇지만 비탈면이 해석되는 과정에 대한 이해는 도움드릴 수 있다고 생각합니다. 설계회사에 취직하셔서 실무에 들어간 분들을 당장 필요하신 내용이니 천천히 따라와 주세요!

1. 검토단면 그리기

검토 단면은 캐드(CAD)라는 소프트웨어를 사용합니다. 도면을 작성할 때 사용하는 벡터 스케일 기반의 프로그램이죠. 물론 Soilworks의 작업창도 캐드와 비슷한 기능을 가지고 있습니다. 선을 그리고, 자르고, 기본적인 기능과 명령어가 거의 동일하죠. 우리가 검토할 비탈면은 캐드에 그려져 있기 때문에 캐드를 이용해 검토단면을 그리고 Soilworks에 불러오는 것이 더 효율적입니다.

캐드에서 검토단면을 그릴 때 불필요한 선은 지우고 꼭 필요한 선만 남깁니다. 이때 남겨야할 선은 다음과 같습니다.

비탈면 계획선, 계획선 외의 지반선, 수위선(필요시), 보강재(필요시), 구조물 외곽선, 지층선

이번 검토는 보강이 없는 건기시 비탈면 검토니까 비탈면 계획선, 계획선 외의 지반선, 지층선만 남겨서 단면을 그리는 모습을 보여드리겠습니다.

먼저 비탈면 하단에 좌로 10m, 아래로 10m 선을 그리고 단면의 전체 폭(영상에서는 40m로 설정) 만큼 오른쪽으로 선을 그려서 단면의 형상을 잡아 줍니다.
단면이 잘 폐합되도록 선을 연장시켜주시고, 불필요한 글자들을 지워 줍니다.
도로 형상도 검토에는 불필요하니까 지워주고 삐져나온 지반선과 지층선을 잘라서 단면을 완성합니다.
(여기는 개인적인 의견입니다.)전체 레이어를 기본적인 '0'으로 맞춰주고 색상도 도면층으로 맞춰 통일시켜줍니다.
완성된 단면을 복사(Ctrl+c) 하고 새로운 도면창을 만들어 붙여넣기(Ctrl+v) 합니다. 그리고 명령어 창에 "0,0"을 입력해 주면 단면 좌측하단 끝이 0,0으로 위치합니다.
저장을 눌러서 DXF파일로 저장합니다. 버전은 2013, 2010 중에 아무거나 상관없습니다. (Soilworks에서는 DWG파일도 불러올 수 있다고 되어 있고 예전에는 그렇게 사용했었습니다. 그런데 언젠가 업데이트되고나서 DWG를 불러오면 아무것도 안뜨더군요..ㅠ DXF 2013년버전은 언제나 잘 들어갑니다.)

2. Soilworks에 검토단면 불러오기

해석 프로그램에 검토단면을 불러오는 방법은 아래와 같습니다. 간단하니 잘 따라오세요.

1. 라이센스 인증을 하고 Slope 모듈을 선택합니다.

2. 초기변수 정의 창이 뜨면 확인을 누릅니다.

3. 오른쪽 상단 Soilworks 로고 버튼을 누르고 > 가져오기 > 캐드파일 선택합니다.

4. 불러오기 창에서 파일 형식을 DXF로 변경하고 만들어둔 검토단면을 선택 > 열기 눌러줍니다.

5. 데이터 범위관련 메세지 뜨면 확인을 눌러줍니다. (이 메시지가 떠야 잘 불러온 겁니다.)

6. 검토단면 불러오기 성공! 쉽죠?

3. 검토단면에 물성치 부여하기

물성치를 부여하려면 설계지반정수 산정을 해야합니다. 그래서 이 전 글에서 토사와 풍화암 물성치 이야기를 한 것이죠. 토사는 풍화토로 가정하고 물성치를 다음과 같이 적용하도록 하겠습니다.

풍화토 : 단위중량 = 19kN/㎥, 점착력 = 25kPa, 내부마찰각 = 30˚
풍화암 : 단위중량 = 20kN/㎥, 점착력 = 30kPa, 내부마찰각 = 33˚

물성치를 부여하는 방법도 아래의 순서대로 따라해보세요.

1. 상단 탭의 한계평형법 선택 > 지반물성 버튼 클릭

2. 모델종류 LEM으로 선택 > 이름 풍화토 입력 > 지층 색상 변경 > 물성치 입력 > 추가버튼 클릭

3. ID '2'입력 > 모델종류 LEM인지 확인 > 이름 풍화암 입력 > 지층 색상 변경 > 물성치 입력 > 추가버튼 클릭 > 닫기

4. 왼쪽 사이드에 작업창에 물성치가 추가된 것을 확인할 수 있습니다.

상단의 버튼을 누르는 방법 명령창에 단축키를 입력하는 방법

5. 면을 생성하는 방법은 다음 두 가지가 있습니다.

①상단 탭의 기하형상 선택 > 면 자동생성 클릭

②명령창에 단축키 'ss' 입력 > 엔터

6. 면이 생성된 모습입니다. 아직 물성치 부여 전입니다. 이제 입력했던 물성치를 부여해보겠습니다. 부여하는 방법은 아래 영상을 보고 따라하시면 됩니다.

자 이제 물성치 부여까지 다 했습니다. 본격적으로 검토하는 방법을 알려드리겠습니다.

4.원호파괴면 경계 작성하기

활동면의 범위를 정해주는 작업입니다. "원호활동 경계를 생성한다."고 말합니다. 방법은 영상으로 알려드리겠습니다.

영상에서 보이 듯이 그리드의 한 점이 원호활동의 중심점이 되는 것이고, 접선에 접하는 원호를 그려서 원호활동에 대한 안전률을 계산합니다. 즉 그리드의 점의 갯수와 접선의 갯수를 곱한 수만큼 원호활동의 경우의 수가 나오는 것입니다. 그렇게 계산을 하고 그 중 가장 안전율이 작은 값을 프로그램이 자동으로 찾아 줍니다.

이제 해석케이스를 생성하고 검토를 돌려서 어떻게 결과가 나오는지 보겠습니다.

5. 해석케이스 작성하고 해석 돌리기

역시 영상으로 배워보겠습니다.

해석케이스 생성은 입력된 데이터 중 해석에 사용할 데이터를 선택해서 내가 원하는 조건의 해석 케이스를 만드는 작업입니다. 입력된 '레이어세트', '경계세트', '하중세트'를 전부 오른쪽에 넣어주고 상단의 단추를 눌러 해석방법, 사면방향, 초기수위 조건을 설정합니다.

이번에는 간편법으로 유명한 Bishop방법을 사용했고, 건기시 조건이기 때문에 초기수위는 선택하지 않았습니다.

검토를 돌려보니, 최소 안전율의 중심점이 그리드의 끝에 있었기 때문에 그리드를 다시 넓게 그려 줬습니다. 다시 돌린 결과 건기시 최소 안전율 2.184가 나왔음을 확인할 수 있었습니다.

다른 점을 눌러보면 그 점에서의 최소 안전율, 원호활동면 등을 확인할 수도 있습니다.

6. 마무리하며

이번 글에서 다소 복잡할 수 있지만 사진과 영상을 통해서 건기시 비탈면 검토를 수행하는 방법을 배웠습니다. 다음은 우기시, 지진시가 남았습니다. 해당 검토를 하기 위해서는 지하수위에 대한 기준, 지진계수 선정 방법 등 또 새로운 것을 배워야 합니다. 힘내시고 같이 차근차근 하면 해내실 수 있습니다.

마지막으로 건시시 안전율 2.184가 안정한 것인지 판단을 어떻게 할까요? 역시 설계기준에 안전율에 대한 기준이 나와있습니다.

건기시는 지하수가 없는 것으로 해석하며 안전율이 1.5 이상이면 안전한 것입니다. 따라서 오늘 검토한 2.184는 안전한 것이죠~!! 그럼 수고하셨습니다.

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