1조(사태방지하조)
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 폭우 시 사면안정을 위한 토목섬유와 배수시설의 최적 방안 연구
영문 : A Study on the Optimum Method of Geosynthetics composite and Drainage Facilities for the Stabilization of Slopes in Heavy Rain
과제 팀명
1조(사태방지하조)
지도교수
문영일 교수님
멘토교수
박도원 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 토목공학과 2015XXX0** 김**(팀장)
서울시립대학교 교통공학과 2019XXX0** 김**
서울시립대학교 토목공학과 2017XXX0** 이**
서울시립대학교 토목공학과 2019XXX0** 김**
서론
개발 과제의 개요
폭우 시 산사태 발생 위험성이 높은 구로구 길훈아파트 개웅산의 사면 안정성과 지오셀 복합 체(복합토목섬유) 및 배수 공법(수평배수공)의 사면안정공법을 적용한 사면의 안정성을 침투해 석 및 사면안정해석 시뮬레이션을 통해 비교하고자 한다.
개발 과제 요약
◇ 집중 강우시 사면 안정을 위한 지오셀 복합체(복합토목섬유)와 배수 및 사면안정(수평배수 공, Soil Nailing)공법을 활용한 최적 배수 시스템을 연구한다.
◇ 사면 지지력 향상을 위한 지오셀과 집중 강우의 침투를 막기 위한 강한 차수성을 가진 지 오멤브레인의 결합체인 복합토목섬유(지오셀 복합체)를 활용하여 높은 사면 안전율을 얻는 것 을 목적으로 한다.
◇ 배수공법인 수평배수공과 사면 안정공법인 Soil Nailing 공법을 통해 사면을 고정하고 침 투수 배출을 통해서 지하수위를 일정 수준으로 유지하고 안전율을 유지 및 증가시킴으로써 미 래 이상기후에 대한 추가적인 대비 가능성을 확보한다.
개발 과제의 배경
◇ 수도권 전역에 호우경보가 발효된 8월 8일에 서울특별시 동작구 신대방동 일대는 최고 시 간당 141.5mm라는 강우량으로 이전의 서울시 1시간 최다 강우량 공식 기록 1위였던 118.5mm(1942년 8월 5일, 서울 종로구 송월동에서 측정됨)을 80년만에 경신했다.
◇ 일 강수량은 381.5㎜로, 그 이전까지 서울 일 강수량 공식 최고치인 354.7㎜(1920년 8월 2일)를 102년만에 뛰어넘는 수치였다.
◇ 같은 시점, 구로구 개봉2동에서는 역대 기록적 폭우에 의해 개웅산 끝자락 토사가 무너져 약 600m 떨어진 인근의 길훈아파트와 반지하를 집어삼키는 산사태 피해가 발생하였다.
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개발 과제의 목표 및 내용
◇ 폭우 시 산사태 발생 위험성이 높은 구로구 길훈아파트 개웅산 사면의 안정성과 복합토목 섬유 및 배수공법(수평배수공)의 사면안정공법을 적용한 사면의 안정성을 침투해석 및 사면안 정해석 시뮬레이션을 통해 비교하고자 한다.
◇ 앞서 상기한 최적배수공법이 기존 사면의 보강된 녹화공법보다 안전율 증가 및 시간에 따 른 유지 측면의 비교를 통한 우수성을 증명하고자 한다.
◇ 최적배수공법과 기존 녹화공법의 시공비용을 비교하여 경제적 활용 가능성이 높음을 제시 하고자 한다.
관련 기술의 현황
◇ 토목섬유 (점착력 강화 및 차수성 강화를 통한 사면안정)
(1) 클레이라이너
- 지오멤브레인 또는 지오텍스타일 사이에 낮은 수분전달성을 가진 토양성분인 벤토나이트를 채우고 니들펀칭, 스티치 본딩 또는 접착제로 부착시킨 후 롤의 형태로 생산
- 수송과 취급이 편리하여 적당한 복합차수재로 사용
- 교통, 환경과 토목 기술 분야로 광범위하고 빠른속도로 확산
(클레이라이너)
(2) 지오멤브레인(차수성 증가를 위한 토목섬유) - 토목구조물에서 기체 및 액체의 차단 기능을 확보하는 Sheet형의 고분자 제품 - 주로 쓰레기 매립지에서의 유동성 기체 및 액체가 유출하는 것을 방지하고 수로 및 담수저 장, 터널방수 등에 이용 - 주요소재 : PVC와 HDPE, CSPE 및 CPE 등 - 종류: flat type 및 circular type
(지오멤브레인)
(3) 지오셀
- 3차원 구조적 특징에 의해 효율적인 토립자 구속효과를 발휘하는 특징을 가지고 있으며, 벌 집모양의 3차원 형태로 제작된 단위 셀 안에 속채움재를 넣고 다짐함으로써 복합구조체의 강 성 등 공학적 특성을 증대시켜 연약지반의 전단강도 및 지지력을 극대화시킨 방법이다.
- 외력에 대하여 흙과 지오셀의 마찰저항, 이웃한 셀의 수동저항과 셀의 원형 응력 등에 의해 서 연약지반보강 효과가 있다. (한국토목섬유학회논문집 “지오셀 특성변화에 따른 하중 지지력 연구” 초록 중)
- 연약지반보강 : 토사가 격벽에 의하여 구속되면 마치 격벽이 토체의 주변을 둘러싸고 있는 벽체의 형태로 작용하며 주변 셀에서도 이에 대응하는 수평응력으로 격벽을 밀어내고 있기 때문에 격벽은 중립위치에 있게 되어 자립성을 유지하며 셀에 채워진 흙은 마치 슬래브 형 태로 작용하여 하중분산효과를 얻을 수 있으며 수직방향의 변위를 구속하고 일반적인 지반 파괴 개념을 개선하여 지반 지지력을 향상시킬 수 있다. (한국지반환경공학회 논문집 제4권 “모래지반에서 모형 지오셀에 의한 보강효과” 논문)
- 사면보강 : 지오셀은 식재된 식물의 뿌리를 감싸고 보호하며, 뿌리주변의 흙을 구속하여 침 식에 대한 저항성을 증대시켜, 강우시 우수가 내부로 침투하는 것을 감소시켜 식생의 상부 로 흐르게 하며, 급경사면의 경우 수분의 함유량을 증대시켜 불투수성 지반의 수분증발을 억제시킨다. (”강우시 지오셀 보강사면의 안정성 평가에 대한 연구” 논문 중)
- 주요소재 : 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)
(지오셀)
◇ 배수 공법 및 사면안정 공법
(1) 수평배수공 - 비탈면내부 지하 침투수를 추출하기 위한 기본적 공법이다. - 장점: 시공 간편하며 비용이 저렴하다. - 단점: 토석류에 의한 배수구 막힐 가능성이 있다.
(2) Soil Nailing 공법 - 지반에 보강재(철근)을 삽입하여 흙과 보강재 사이의 마찰력, 보강재의 인장응력과 전단응력 등에 대한 저항력으로 흙과 Nail의 일체화 및 지반안정 공법을 말한다. - 장점 : 지반 자체를 벽체로 이용하여 안정성이 높은 옹벽 구축가능 - 단점 : 벽면 배수를 위한 공사가 어렵고 지하수의 영향에 대한 검토가 어려움
시장상황에 대한 분석
기존 제품을 통한 새로운 기술제시
◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체)
- 지오셀 + 차수성 토목섬유(GCL(Geosynthetic Clay Liner) or 지오멤브레인)인 지오셀 복 합체를 의미한다.
- 지오셀은 기존의 2차원 토목섬유(지오그리드, 지오텍스타일)과는 다른 벌집모양 3차원 구조 를 가진다.
- 지오셀 구조체의 강성 등 공학적 특성을 증대시켜 지반의 전단 강도 및 지지력을 극대화할 수 있다. - 모래, 자갈 재료를 이용해 셀을 형성하여 사면에 작용되는 외부하중을 지지 및 안정성을 향 상시킨다.
◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체) + 배수시설(수평배수공) + 사면안정공법(Soil Nailing) - 지오셀을 통해 지반의 전단 강도 및 지지력을 극대화한다.
- 차수성 토목섬유를 지오셀에 결합한 복합토목섬유를 활용하여 지표로부터 침투되는 강우를 차단함으로써 지하수위의 상승을 억제시킨다.
- 배수시설을 통해 지하수위를 저하시킨다.
- 기존 사면에 적용된 Soil Nailing의 효과를 검증하고 새로운 공법과 복합 적용하여 높은 안 전율 향상을 도모한다.
- 기존의 보강공법과 비교하여 안전율을 증대시키고 시간에 따른 안전율 유지가 가능해진다.
시장성 분석
◇ 법면 녹화공법
(1) Seeding(거적덮기, Core-net) - 우수시 법면(비탈면) 보호기능이 미흡하다. - 건조 시 발아율이 저조하여 이에 따라 폭우에 따른 강풍예상지역 적용이 불리하다.
(2) 식생매트 - 시공면을 고르게 하기 위해 철저한 시공관리에 따른 관리비용이 증가한다. - 표층부 연속체이기 때문에 부분 파손 시 전체 파손으로 연결된다. - 앙카핀 이상의 세굴에 저항성이 없다.
(3) 녹생토 - 표층구속범위가 다른 공법에 비해 작아 안정성이 떨어진다. - 식생쇠퇴, 표층토 안정제 내구성이 악화될 경우 침식저항성이 감소한다.
◇ 복합토목섬유(지오셀 복합체) + 배수시설(수평배수공) + 사면안정공법(Soil Nailing)
- 지오셀 + 차수성 토목섬유를 활용한 복합토목섬유를 활용하여 표층으로부터의 강우 침투 차 단과 지반강도와 전단성 증가를 동시에 접목하는 제품은 현 시장에선 나와 있지 않은 제품 이다.
- 복합토목섬유를 통한 식생 쇠퇴 및 표층토에 따른 내구도 변화가 작기 때문에 장기적인 관 리 비용이 감소할 가능성이 높다.
- 경제적으로 저렴한 수평배수공 및 Soil Nailing 공법을 함께 활용하여 강우 지반 침투에 따 른 지하수위 상승을 최대한 배제할 수 있고 사면 고정성까지 확보하여 장기적인 사면안정효과 의 유지가 가능할 것이다.
사회성 분석
◇ 폭우에 의한 사면 불안정을 통한 산사태 피해를 겪은 도시 주민들의 사회적 불안함을 새로 운 사면안정공법을 통해 해소할 가능성을 제시한다.
◇ 사면에 대한 단순한 토목섬유인 지오셀과 차수성 토목섬유에 대한 각각의 공법이 아닌 복 합토목섬유(지오셀 복합체)라는 새로운 사면안정공법에 제안 및 가능성 검토에 기여한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ QGIS를 통해 Kakao Steet Map과 산사태 위험지도(산림청)를 중첩하여 현재 산사태 발생가능성이 높은 지역과 이를 통해 피해 받을 가능성이 높은 지역에 대한 직관적인 위험도를 파악한다.
◇ 복합토목섬유를 통해 지반의 전단강도와 강도를 증대시키고 강우에 대한 표층의 차수를 강화함으로써 지반의 안정성을 높이는데 기여한다.
◇ 배수공법(수평배수공)을 통해 지반에 침투된 강우를 배수함으로써 지하수위 상승을 막는데 기여한다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
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설계
설계사양
제품의 요구사항
공법의 적용
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공법별 요구사항
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제품 평가내용
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개념설계안
QGIS 및 산사태 위험지도를 활용한 사면 불안정 지역 예측
내용
복합토목섬유와 배수공법을 활용한 사면 안정방안
내용
SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정해석 계획
내용
상세설계 내용
사면 불안정 지역 선정 및 실험 사면 생성
QGIS, CAD 파일 생성(3가지 사면 제시)
내용
실험강우량 산정
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해석에 필요한 물성치 산정
내용
SEEP/W, SLOPE/W 프로그램을 이용한 침투해석 및 사면안정 해석
해석 이론과 계산
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SEEP/W 침투해석 시뮬레이션 및 결과
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SLOPE/W 사면안정 시뮬레이션 및 결과
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경제성 분석
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
