강우강도를 고려한 사질토지반의 침투능 산정기법에 관한 연구 :Estimation method of infiltration capacity considering rainfall intensity in sandy soil

정지수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 정지수 (상지대학교, 상지대학교 대학원)

지도교수: 이승호

발행연도: 2016

저작권: 상지대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

최근 국내에서는 과거 강우량을 초과하는 예상치 못한 강우가 태풍과 집중호우를 통해 전국적으로 많이 발생하고 있는 실정이며, 이로 인해 자연재해로 인한 사망자가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 자연재해 사망자 중 급경사지 재해로 인한 사망자는 기타 재해 사망자보다 그 비율이 급속히 증가하고 있다.
세계 기상·기후 전문가들의 전망에 따르면, 지구온난화와 기후변화의 영향으로 2100년이면 지구촌이 현재보다 2.0~3.8℃, 강수량은 3%정도 증가할 것이라고 예견하고 있다는 것이다. 국내 연구 결과만 살펴봐도, 최근 여름철 강수패턴이 변하고 있는 것으로 나타났다. 30년 동안 기상청 57개 관측소에서 관측된 강우자료를 보면, 여름철 평균 강수량이 1976~85년에는 661 mm로 크게 증가했음을 알 수 있다. 특히 1996년 이후에는 매년 여름철 강수량이 800mm를 초과하여 , 과거에 비해 강수량이 자체가 다소 증가한 것을 알 수 있다. 또한 하루 강수량 80 mm 이상의 호우가 내린 날이 1954~63년 동안에는 연평균 1.6일에서 1994~2003년에는 2.3일로 늘어났다는 기상연구소의 연구결과도 이를 뒷받침해주고 있다.
사면 붕괴에 대한 해석은 지반특성과 여러 가지 복합적인 인자들로 인해 정확한 해석은 어려운 것이 사실이다. 지속적으로 발생하는 사면재해로 인하여 사면재해 발생 원인을 규명하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있지만, 사면 붕괴의 가장 중요한 요소인 강우특성 및 강우로 인한 침투능에 따른 사면 안정성 평가는 미흡한 실정이다.
강우에 의한 지반내의 침투 과정은 물의 중력과 표면장력에 의한 모세관 현상에 의해 흙의 표면으로부터 침투하며, 침투된 물은 지반내 흙 공극에 직접적인 영향을 미친다. 침투된 물은 연직방향으로 흘러감에 따라 지반내의 흙은 포화에 이르게 되며, 공극이 포화됨에 따라 지반내의 침투능이 변하게 되어 침투량은 감소하게 된다. 침투능이란 주어진 지반 조건에서 어떤 지면을 통해 물이 침투할 수 있는 최대율(㎜/hr)을 말하며, 침투능 지배인자들은 지반의 초기조건과 강우침투에 의해 모두 연속적인 거동을 나타낸다. 그러나 기존의 지반침투공식들은 현장의 조건과는 다른 불연속적 침투거동을 고려한 식으로, 지반 침투량을 산정하기 위한 다양한 경험식 및 이론식이 제시되어 있다.
본 연구에서는 주문진표준사를 이용하여 단위중량별 정수위 투수시험을 통한 투수계수를 산정하였으며, 투수계수와 강우강도의 영향을 고려하여 침투능 및 침투량을 산정할 수 있는 강우강도별 일차원 침투실험을 실시하였다. 실험결과를 바탕으로 사질토지반에서의 기존 경험식의 적용성을 분석하였다.
사질토지반에서 적용할 수 있는 합리적인 침투능 산정기법을 제시하기 위하여 실내실험결과를 분석한 결과, 단위중량이 감소함에 따라 침투속도는 증가하는 경향을 보였으며, 강우강도가 증가함에 따라 침투속도 또한 증가하는 것으로 나타났다. 또한 본 논문에서 제안한 초기침투능 감소상수(α계수)를 적용한 침투능 변화 곡선에 대하여 비교?분석한 결과 시간에 따른 침투능 변화가 거의 일치하는 것으로 나타났다.
따라서, 본 연구에서는 침투능 및 침투량 산정시 널리 사용되고 있는 Horton 경험식이 사질토지반에서는 적용이 어려운 점을 개선하여 침투능 산정 모형을 제안하였으며, 실내투수실험으로 얻어진 포화투수계수 값을 활용하여 보다 합리적이고 간편하게 시간 변화에 따른 침투능을 산정할 수 있을 것으로 판단된다.

South Korea has recently experienced recurrent record-breaking rainfall that was caused by increasing typhoons and torrential rains, which have resulted in increasing casualties by natural hazards. The casualties attributed to slope failures have been particularly increasing compared with those resulting from other disasters.
Meteorologists in the world have anticipated that Earth’s surface temperatures could rise between 2°C and 6°C by 2010 due to global warming and climate changes, which may result in an increase of precipitation up to 3%. Past research on precipitation in country has shown noticeable changes in the pattern of rainfall. Rainfall data recorded at 57 no. meteorological stations for the past 30 years demonstrate that average summer rainfall had increased up to 661mm through 1976 and 1985. In particular, summer rainfall has appeared to exceed 800 mm since 1996, which indicates a steady growth of the rainfall per se. This can be attested by Korean national institute of meteorological science whose study has shown an increase in number of days with heavy downpour over 80mm per hour from 1,6 days between 1954 and 1963 to 2.3 days between 1994 and 2003. As such devastating disasters induced by slope failures are envisaged unless slope disaster management is systematically organized.
Slope failure analysis entails proper understanding of various factors as well as the characteristics of ground conditions, which are difficult to achieve due to technological limits. Despite a number of past studies to clarify possible factors triggering slope failures, the impact of rainfall characteristics and infiltration rate, which are the key to estimation of slope stability in wet condition, on slope failures still remains unclear.
Infiltration is caused by two forces: gravity and capillary action. Infiltrated water is directly associated with pores in a soil medium. Once water has infiltrated the soil it percolates down to the ground water table, or becomes part of the subsurface runoff process, eventually making the soil saturated. As pores are filled with water, the infiltration capacity becomes moderate so as to decrease the amount of infiltration. The infiltration capacity is defined as the maximum rate (mm/hr) that water can enter a soil in a given condition. Factors governing infiltration capacity continuously vary depending upon the early conditions of the soil and rainfall infiltration throughout the event. However, existing equations for the estimation of infiltration are only available at certain intervals, which do not exactly suit the actual continuous behavior. Likewise, empirical and theoretical equations have been suggested to estimate the amount of infiltration with limitation.
This study has estimated permeability against various unit weights of soil based on constant head permeability tests using Jumunjin standard silica sand. One dimensional infiltration tests were conducted to estimate the infiltration capacity and the amount of infiltration taking into account the permeability and rainfall intensity. The applicability of existing empirical equations for the estimation of infiltration to granular soils was verified on the basis of the test results.
As a result of a suite of laboratory tests undertaken to suggest a rational method for the estimation of infiltration capacity, it is found that the infiltration rate tends to increase as the soil unit weight decreases while it tends to increase as the rainfall intensity increases. Comparative analyses for infiltration curves employing the reduction constant of initial infiltration capacity (α coefficient) that was suggested in this study has reasonably captured the time dependent variation of infiltration capacity.
Consequently this study has presented an experimental model for the estimation of infiltration capacity to improve the Horton infiltration capacity curve that has been widely used for estimation of the infiltration capacity and amount of infiltration for its application to sandy soils. The presented model is considered facilitating simple and reasonable estimation of the time dependent variation of infiltration capacity utilizing the saturated coefficient of permeability that was estimated from a suite of laboratory tests.

목 차
목 차 ⅰ
그 림 차 례 ⅳ
표 차 례 ⅶ
국문요약 ⅷ
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구동향 2
1.3 연구내용 및 방법 4
제 2 장 이론적 배경 5
2.1 불포화토의 기본이론 5
2.1.1 불포화토의 기본구조 5
2.1.2 표면장력 9
2.1.3 모관흡수력 11
2.2 불포화토의 수리?역학적 특성 13
2.2.1 함수특성곡선 13
2.2.2 불포화 투수특성 18
2.2.3 흡입응력특성곡선 22
2.3 불포화토 침투이론 25
2.3.1 Green-Ampt 모델 25
2.3.2 습윤대 방법 26
2.3.3 Pradel and Raad 모델 26
2.3.4 Mein and Larson 모델 27
2.3.5 Chu 모델 28
제 3 장 강우침투 실험 29
3.1 정수위 투수시험 29
3.1.1 투수계수 산정 방법 29
3.1.2 정수위 투수시험 결과 30
3.2 일차원 원형토조실험 31
3.2.1 일차원 원형토조실험 개요 31
3.2.2 컬럼토조 장비 32
3.2.3 강우재현 장치 33
3.2.4 시료 물성치 35
3.2.5 시험방법 36
3.3 강우침투 실험 결과 39
제 4 장 침투능 산정방법 적용성 분석 49
4.1 침투능 산정 개요 49
4.1.1 침투량 측정방법 49
4.1.2 침투지수법에 의한 침투능 산정방법 50
4.1.3 Horton의 침투능 산정방법 51
4.1.4 Philip 침투능 산정방법 53
4.1.5 Green and Ampt 침투능 산정방법 55
4.2 침투능 산정방법 적용성 검토 결과 56
제 5 장 강우침투능 산정기법 제안 58
5.1 실내시험 결과 분석 58
5.1.1 침투속도 결과 분석 58
5.1.2 침투능 산정 결과 62
5.2 Horton 경험식과 실험결과 비교 분석 74
제 6 장 결 론 79
참고문헌 81
ABSTRACT 84

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