보관 전문가 내용 및 심각한 위험: 이 기사는 원문의 경사 안정성, 기호, 공식 및 다이어그램에 대한 역사적 설명을 보존합니다. 이는 지반 공학 연구, 굴착 또는 제방 프로젝트, 안정성 계산, 배수 계획, 산사태 평가 또는 작업 지침이 아닙니다. 불안정한 경사면에 사람, 건물, 도로가 갑자기 묻힐 수 있습니다. 관찰된 균열, 돌출, 탁한 물, 갑작스러운 침하 또는 변위는 위험 지역에서 벗어나야 하는 이유로 간주되어 긴급 전문 평가를 받아야 합니다.
Savo Kusić는 오늘 목재 창, 목재-알루미늄 창, 맞춤형 창, 문 및 견적 요청에 중점을 둡니다. 이 문서는 기술 자료실로 남아 있으며 지반공학 설계, 감독 또는 토공사 실행을 제안하지 않습니다.
절토, 제방, 운하 등 건설된 토공사의 경우 최종 경사면이 붕괴되는 경우가 있습니다. 그리고 인공적인 작업이 없는 자연 경사면은 갑자기 큰 힘으로 또는 매우 느리게 움직일 수 있습니다. 이러한 현상은 토양의 물리적 특성과 개별 사례의 조건으로부터 안정성을 평가하는 것을 목표로 오랫동안 지질학적, 지구 역학적 연구의 주제였습니다.
지구 질량의 이동 원인
인조 흙이든 자연 흙이든 모든 흙의 안정성 조건은 흙의 외부 힘과 흙의 내부 저항 사이에 균형이 있어야 한다는 것입니다. 외부 힘은 주로 토양 자체의 무게이며, 이는 일반적으로 유일한 외부 힘이고, 그 다음에는 경사면에 영구적이거나 이동하는 다른 외부 하중이 작용합니다. 내부 저항은 속박된 흙에서는 응집력과 마찰력으로 구성되며, 속박되지 않은 흙에서는 마찰로만 구성됩니다.
그림. 1. 느슨한 토성토의 경사
완전히 느슨한 토양(예: 건조하고 압축된 모래)으로 만들어진 높이 _h_의 제방을 관찰하면 해당 제방의 경사가 수평에 대해 각도 β로 기울어져 있음을 확인할 수 있습니다(그림 1). 각도 β의 크기는 입자 크기, 입자 모양 및 압축과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 동일한 다짐의 동일한 비결합 재료를 사용하여 제방 높이 _h_를 h1, h2 등으로 늘리면 각도 β는 변하지 않고 제방 경사는 무제한 높이 _h_까지 동일한 경사로 유지됩니다. 주어진 느슨한 토양의 경우 자연 경사각 β는 경사 높이 _h_와 무관합니다. 비결합 토양에 대한 각도 β의 크기는 내부 토양 마찰 각도 ψ에 따라 달라지며 이보다 약간 작거나 β ≤ ψ와 같다고 가정됩니다.
그림. 2. 경계토의 절토경사
우리가 경계 토양에서 만들어진 절개를 관찰하면, 경계 토양의 내부 저항이 건조한 모래에는 존재하지 않는 응집력에 의해 증가한다는 사실로 인해 절개 경사가 더 강한 경사 1:m, 즉 더 큰 각도 β에서 유지된다는 것을 알 수 있습니다(그림 2). 마른 황토와 같은 특정 유형의 토양에서 응집력은 토양이 수직으로 절단된 면, 즉 각도 β = 90°로 유지될 수 있을 정도로 내부 저항을 증가시킬 수 있습니다. 그러나 경계토의 절토 높이 _h_를 h1, h2 등으로 증가시키면 절토 경사면의 경사각 β를 줄여야 경사면이 안정적으로 유지됩니다. 주어진 경계 토양에서 절단 경사의 각 경사각 β에 대해 하나의 임계 높이 _hc_가 있습니다. 이 높이를 초과하면 경사면 _AB_가 균형을 유지하지 못하고 슬라이딩 표면 _CD_에서 미끄러지게 됩니다(그림 3). 미끄러짐은 외력, 흙 덩어리의 자중 및 내부 저항 사이의 균형이 교란되어 발생했으며, 이는 더 이상 증가된 외력, 즉 경사면 높이_h_의 증가로 인한 흙 덩어리의 무게 증가에 저항하기에 충분하지 않았습니다.
그림. 3. 점착성 지반에서 미끄러지는 경사면
위로부터 토양의 자연 경사 각도는 주어진 토양에 대한 상수 값으로 채택될 수 없습니다. 왜냐하면 다른 모든 조건에서의 값은 경사 높이에 따라 달라지고 이 높이가 증가함에 따라 감소하기 때문입니다. 그러나 낮은 높이의 경사면에는 내부 토양 마찰 각도 Φ에 따라 일정한 값으로 채택되는 경우가 많습니다.
예를 들어 내부 토양 저항이 감소하는 경우 절단 높이_h_를 높이지 않고도 평형 교란이 발생할 수도 있습니다. 결합된 토양의 내부 저항 요소인 응집력과 마찰은 매우 가변적이며 토양 내 수분의 양에 따라 달라집니다. 따라서 많은 경우 미끄러짐의 원인은 물에 결합된 토양의 과포화인데, 이는 토양이 더 이상 어떤 경사면에서도 스스로 지탱할 수 없고 자체 무게로 인해 미끄러질 수 있을 정도로 커질 수 있습니다.
그림. 4. 미끄럼면 형성으로 인한 흙의 미끄러짐
내부 저항의 감소로 인해 흙이 미끄러지는 다양한 사례가 있는데, 여기서는 몇 가지 특징적인 사례를 언급하겠습니다.
슬라이딩 표면 교육
투수성 토양 표층 아래 경사면에 불투수성 점토층이 있는 경우(그림 4a), 또는 점토층에 경사진 모래층이 있는 경우(그림 4b) 대기 또는 지표수가 도달할 수 있는 경우(예: 방치된 배수로에서) 산사태가 발생할 수 있습니다. 더 많은 양의 물이 투수층을 통해 점토층으로 전달되어 강하게 젖어 상층이 미끄러지는 표면의 저항이 감소합니다.
절단으로 인한 균형 혼란
철도 및 도로 건설 중 절단 절단은 이전 균형 상태를 방해합니다. 절단 프로파일에서 토양은 지지 없이 유지되고 중력으로 인해 아래쪽으로 이동하는 경향이 있기 때문입니다. 이러한 경향을 상쇄할 만큼 토양의 내부 저항이 충분히 크면 평형 상태가 유지될 수 있으며, 이는 절토가 절개 방향으로 강하게 경사진 층으로 구성되어 있는 경우에도 가능합니다.
그림. 5. 층토의 절개로 인한 지형의 미끄러짐
그러나 불투수토와 투수토층을 교대로 절단할 경우(그림 5), 투수토가 용출되고 불투수토가 젖어 미끄러짐이 발생할 가능성이 있습니다.
토양 불균일
투수성 토양으로 만들어진 제방에 있는 불투수성 물질의 얇은 층인 소위 점토 렌즈(그림 6)도 다량의 물이 닿아 미끄러지는 표면을 형성할 경우 미끄러짐을 일으킬 수 있습니다.
그림. 6. 불균일한 구성으로 인한 제방 미끄러짐 사례
서리의 영향
서리의 영향으로 표면층에 물이 얼음 렌즈 형태로 축적됩니다. 해동하는 동안 얼음 렌즈는 물로 변하여 토양이 서리 작용 깊이까지 과포화되어 결과적으로 액체 덩어리가 되어 안정성을 잃습니다.
이 경우는 얼음 수정체 형성에 많은 시간이 걸리기 때문에 서리 위험이 있는 토양과 서리 지속 시간이 긴 경우에만 발생합니다.
지하수 수위 저하
지중 작업 등으로 지하수위가 영구적으로 낮아지면 토양이 건조해지고, 팽창이 큰 점토인 경우 균열이 나타납니다. 더 많은 양의 지표수와 대기수가 유입되어 토양을 적시고 내부 저항을 감소시키며 이로 인해 산사태가 발생할 수도 있습니다.
그 밖에도 지형이 미끄러지는 경우가 많이 있으므로, 응집된 토양은 특정 상황에서 내부 저항을 어느 정도 잃거나 외부 힘의 영향으로 움직일 수 있다고 생각할 수 있습니다.
비점착성 토양은 경사면의 경사각이 토양의 내부마찰각보다 작은 한 안정적입니다. 이러한 유형의 토양에서는 경사각이 내부 마찰각보다 큰 경우에만 미끄러짐이 발생합니다. 다만, 점토질 토양에 비결합재로 성토를 할 경우 점토질이 미끄러져 성토가 무너질 수 있어 안정성 확인이 필요합니다.
흙사면의 안정성 테스트
슬라이딩 표면 형태
쿨롱은 외부 힘과 내부 토양 저항 사이의 균형 조건을 그의 방정식
τ ≤ c + σ tgф
여기서 _τ_는 토양 전단 응력, c는 응집력, _σ_는 슬라이딩 표면의 수직 응력, ф는 내부 마찰 각도입니다.
흙의 내부저항, 응집력 c, 마찰력 σ tgψ이 흙의 전단응력에 저항할 만큼 충분하지 않으면 흙 내부의 미끄럼면에서 미끄럼이 발생합니다. 슬라이딩 표면에는 토양의 물리적 특성, 성층, 습도, 외부 하중 및 기타 요인에 따라 다양한 형태가 있습니다.
다음의 일반적인 슬라이딩 케이스는 위치에 따라 다릅니다.
그림. 7. 전형적인 산사태 사례
a) 컷의 수직 측면 슬라이딩. 상하수도 등 수직면을 파서 만든 수로의 경우(그림 7a), 토양의 물성에 따라 달라지는 임계높이_hc_를 초과하면 표면의 미끄러짐_ADC_이 발생합니다. 이러한 미끄러짐은 일반적으로 수로의 전체 길이를 따라 발생하지 않고 국지적으로 발생하며 이는 토양의 고르지 못한 전단 강도로 설명됩니다.
b) 부분 경사 미끄러짐(그림 7b). 이러한 미끄러짐은 봄철 철도 및 도로 절단 시 종종 나타나며 토양이 물로 과포화되어 발생합니다.
c) 밤에 미끄러지는 슬로프 (그림 7c). 절토나 제방의 전체 경사면을 다리_C_까지 미끄러지는 것입니다.
d) 발 밑으로 미끄러지는 경사 (그림 7d). 절단 또는 제방의 전체 경사면과 기초 아래의 토양이 미끄러지는 것입니다. 이 슬라이드는 처음 기술한 스웨덴인의 이름을 따서 지반 골절 또는 스웨덴 골절이라고도 합니다.
미끄럼면의 형상에 관해서는 유착토의 미끄러짐면이 직선이 아니고 곡면이라고 주장할 수 있을 뿐입니다. 어떤 저자들은 원형 호(Fellenius), 대수 나선(Rendulić) 또는 이러한 곡선의 조합(Brinch Hansen)을 슬라이딩 표면의 모양으로 채택합니다.
물 여과가 경사면 안정성에 미치는 영향
사면 앞에 N1(그림 8) 수위의 외부 물이 있으면 경사면 뒤의 흙에 물의 흐름이 발생하여 공극 내 물의 내부 압력이 발생하고 이로 인해 고체 입자 간의 마찰이 감소하고 흙의 전단 응력이 증가합니다.
사면 앞의 수위_N1_가 일정하면 물기둥_H*γW_가 토양 공극에 수압을 발생시켜 고체 입자 간의 마찰을 감소시켜 사면 미끄러짐의 위험이 증가합니다. 그러나 수위 _N1_가 일정하면 물기둥의 압력 _H*γW_에 의해 고체 입자가 토양 내부로 밀려나므로 경사면 미끄러짐의 위험이 어느 정도 줄어듭니다. 이 경우 경사면 앞에 일정한 수위_N1_가 있어 하류 경사면이 미끄러질 위험이 있습니다. 왜냐하면 토양의 물 여과 작용으로 인해 고체 입자가 하류 경사면 바깥쪽으로 밀려나기 때문입니다.
그림. 8. 여과가 토양 경사면의 안정성에 미치는 영향
외부 수위가 _N1_에서 _N2_로 급격히 떨어지면 상류 경사면의 안정성이 위협받습니다. 이 경우 공극 속의 내부수가 상류 경사면 바깥쪽으로 흘러 고체 입자를 그쪽으로 밀어냅니다.
그러므로 토양 사면이 물에 잠길 경우 사면의 안정성을 테스트할 때 물 여과 효과도 고려해야 합니다.
토양에서 물 여과의 효과는 여러 요인에 따라 달라지며, 그 중 가장 중요한 것은 토양의 투과성, 외부 물의 정수압, 외부 물 수준의 감소율 및 _토양의 균질성_입니다.
그림의 제방이 있다고 가정하면. 8 등방성 질량의 N1 레벨의 외부 물의 정수압의 영향으로 물은 성토의 공극을 통해 하류 경사 방향으로 흐르게 되며, 이로 인해 성토의 지하수위는 이동한 도로의 길이에 따라 감소합니다. 피에조미터 파이프 AA’, BB’ 및 _CC’_를 제방에 도입하면(그림 9) 정수압의 영향으로 간극수가 이 파이프로 유입되어 N1 수준으로 상승합니다. 이는 파이프의 수주 높이가 h1, h2 및 h3.
그림. 9. 등전위선과 전류선
임의로 선택한 평면 O-O와 관련된 수위 N1의 고도를 _h_로 표시하면 모든 3 지점 A, B 및 _C_에 대한 잠재적인 _h_는 동일합니다. 이 세 점을 연결하는 선이 _등전위선_입니다. 토양의 지하수는 그 선을 따라 흐를 수 없고 전위가 낮은 지점 방향으로만 흐를 수 있습니다.
비슷한 방법으로 동일한 질량으로 더 낮은 전위 h ― _Δh_를 갖는 점 D, E 및 _F_를 선택할 수 있습니다. 이 세 점을 연결하는 선은 전위 h ― _Δh의 등전위선입니다. 등전위선 _ABC_의 A 지점에서 등전위선 _DEF_의 무한히 가까운 지점 _D_까지의 물의 흐름은 최대 수력 낙하 imax 방향, 즉 최소 거리 Δlmin = AD 방향으로 존재합니다. 이는 물이 흐르는 선 _AD_가 두 등전위선에 수직임을 의미합니다. 왜냐하면
imax = Δh / Δlmin
여기서 _Δlmin_은 두 등전위선 모두에 수직입니다. 등전위선에 대한 법선은 투과성 물질의 물 흐름 방향이며 전류선이라고 합니다. 서로 직교하는 등전위선과 전류선의 공동체가 흐름 네트워크를 형성합니다.
흐름망은 질량투과도에 따라 모양이 다릅니다. 가장 일반적인 경우는 불투수성 토양, 즉 불투수성 토양에 투수성 덩어리로 만들어진 제방입니다(그림 10). 이 경우 외부 수위가 일정하면 유선은 포물선의 중간 부분에 위치합니다.
그림. 10. 불투수성 지반 위 투수성 제방의 유동망
상류 경사면에서 포물선은 경사면에 수직인 선과 연결되는데, 이는 등전위선을 나타냅니다. 왜냐하면 일정한 수위 N1 물은 경사면 아래로 흐르지 않기 때문입니다. 하류 경사면에서 포물선은 등전위선도 전류선도 아닌 경사면에 접선 방향으로 끝납니다. 제방 아래 불투수 토양의 표면은 제방 바닥의 물이 이 표면과 평행하게 흐르기 때문에 유선형입니다. 상단 부분에서 흐름 네트워크는 여과 작용을 받는 토양의 경계를 나타내는 ’침출선’이라는 기본 포물선으로 끝납니다. 이 한계 아래에서는 외부 물의 정수압 _H*γW_로 인해 토양이 여과 효과를 받는 반면, 그 위의 토양에는 여과가 없습니다. 침투선은 포화선이라고도 하는데, 그 아래의 토양은 물로 완전히 포화되고 그 위의 토양은 부분적으로 포화된 것으로 가정하기 때문입니다.
실제 경사 평가에는 조사, 층화, 강도 매개변수, 지표수, 레벨 변화, 배수, 지진, 굴착 또는 성토 단계, 인접 구조물 및 임시 조건이 포함되어야 합니다. 적절한 보호 장치 없이 굴착하거나 산사태 위험 구역에 진입하는 것은 일반적인 내용이나 경사면 자체의 모양에 따라 안전하지 않습니다.