지반물성 Home > SoilWorks > 사면(Slope) > 한계평형법 > 재질속성 > 지반물성

항목	내용
기능	한계평형법을 수행하기 위해 지반재료의 물성을 정의하기 위한 기능입니다.
적용모듈	터널   사면   침투   기초   동해석   압밀
호출	메인메뉴 : 한계평형법 > 재질속성 > 지반물성 - 모델정보 - Context Menu 호출 (면, 혹은 요소망세트 상에서 Context Menu 호출 시) - 작업트리 - Context Menu 호출 (작업트리 > 재질속성 > 지반특성 에서 Context Menu 호출 시) Command Line : GroundMaterial 을 입력합니다.

지반재질 정의

데이터

• 입력된 지반물성이 표시됩니다.
• 데이터를 선택해 수정할 수 있습니다.

일반

• ID
  • 지반물성 데이터의 번호가 표시됩니다.
  • 사용자가 지반물성을 정의하는 순서대로 번호가 부여됩니다.
• 이름
  • 지반물성 데이터의 이름을 입력합니다.
• 색상
  • 우측의 를 클릭하여해당 지반물성 데이터가 정의된 요소의 색깔을 정의합니다.
• 모델종류
  • 모델의 종류를 선택합니다.
  • 선택한 모듈에 따라서 선택할 수 있는 모델종류가 다르며, 선택한 모델종류에 따라서 입력할 수 있는 지반물성도 활성화 / 비활성화로 구분됩니다.
  • 한계평형법에는 'Mohr Coulomb (LEM)', 'Generalized Hoek-Brown (LEM)', 'SHANSEP (LEM)' 모델종류를 사용할 수 있습니다.

일반파라미터

• 습윤단위중량 (Υt)
  • 지반재료의 습윤단위중량을 입력합니다.
• 포화단위중량 (Υsat)
  • 지반재료의 포화단위중량을 입력합니다.
• 점착력 (C)
  • 지반재료의 점착력을 입력합니다.
• 내부마찰각 (Φ)
  • 지반재료의 내부마찰각을 입력합니다.

추가 파라미터

• 선택한 모델종류에 따라서 변하는 지반물성 데이터를 입력합니다.

Mohr Coulomb (LEM)

• 한계평형 사면안정 해석을 위한 Mohr Coulomb 모델입니다.

  

• 점착력증가

  • 점착력의 증감량

• 비등방조건

  • 우측의 곡선입력을 클릭하면 비등방함수 정의 대화상자를 호출합니다.

  • 비등방함수 정의

    • 비등방성조건 함수를 입력합니다.
    
    • 이름
      • 비등방성 함수의 이름을 입력합니다.
    • 각도 (deg)
      • 각도를 입력합니다.
    • C (kN)
      • 점착력을 입력합니다.

• 비선형옵션

  • 우측의 곡선입력을 클릭하면 비선형함수 정의 대화상자를 호출합니다.

  • 비선형함수 정의

    • 비선형 함수를 입력합니다.
    
    • 이름
      • 비선형 함수의 이름을 입력합니다.
    • σ (kN/m 2 )
      • 압축응력을 입력합니다.
    • τ (kN/m 2 )
      • 전단응력을 입력합니다.

• 수위 미고려

  • 수위 미고려를 체크하면 해당 지층은 수위선 지정 여부와 관계 없이 수위가 없는 것으로 계산 됩니다.

• 간극수압계수

  • 간극수압계수는 해당 지층의 포화상태를 계수 값으로 입력 받아 간극수압 계산에 반영 합니다.

  • 간극수압계수(\(r_u\) )는 아래와 같이 계산합니다.

    \[ \begin{aligned} r_u &= \frac{r_w \cdot z}{r_t \cdot h} \end{aligned} \]

    • \(h\): 토층 높이
    • \(z\): 포화된 높이
    • \(r_t\): 습윤단위중량
    • \(r_w\): 물의 단위중량

  • 위와 같은 식으로 부터 전체 포화된 지층의 간극수압계수는 '1'이 아니라 대략 '0.5' 정도에서 형성 됩니다.

  • 간극수압계수를 사용한 지층은 수위함수나 수위값의 지정여부 및 위치와 관계 없이 무조건 입력한 간극수압계수 값으로 간극수압을 계산 합니다.

• \(q_s\)값 (kN/m²)

  • 지반의 \(q_s\) 값을 입력합니다.

  • \(q_s\) 값은 Nail/Pile 구조특성 중 인장/전단 적용방법으로 Nail 또는 Nail/Pile을 사용했을 경우에 필요한 값으로, 아래 식과 같이 Nail/Pile과 주변 지반 사이의 인발력을 계산하기 위한 값입니다.

    \[ \begin{aligned} \text{인발력} &= q_s \cdot \pi \cdot 2R \cdot L_{in} \end{aligned} \]

    • \(q_s\): 지반의 \(q_s\) 값
    • \(R\): 등가반경
    • \(L_{in}\): 파괴면 바깥으로 삽입된 길이

• 한계토압(\(p_l\)) (kN/m²)

  • 지반의 한계토압 값을 입력합니다.
  • 한계토압 값은 Nail/Pile 구조특성 중 인장/전단 적용방법으로 Pile 또는 Nail/Pile을 사용했을 경우에 필요한 값으로, 지반에 삽입된 Pile의 전단력을 계산하기 위한 값입니다.
  • 한계토압은 PMT(Pressure Meter Test)를 통해 얻어지며, 시험값이 없는 경우 설계기준 상 명시된 기준 값들을 활용합니다.
  • (예를 들면, 구조물기초설계기준해설, 2009, 280p 해설 표 4.2.9, 319p 해설 표 5.2.10 등)

• 수평지반탄성계수(\(K_{sB}\)) (kN/m²)

  • 지반의 수평지반탄성계수 값을 입력합니다.
  • 수평지반탄성계수 값은 Nail/Pile 구조특성 중 인장/전단 적용방법으로 Pile 또는 Nail/Pile을 사용했을 경우에 필요한 값으로, 지반에 삽입된 Pile의 전단력을 계산하기 위한 값입니다.
  • 수평지반탄성계수는 PMT(Pressure Meter Test)를 통해 얻어지며, 시험값이 없는 경우 설계기준 상 명시된 탄성계수 기준 값 및 식을 활용합니다.

Generalized Hoek-Brown (LEM)

• 암반 비탈면의 비선형 강도 거동을 반영하는 Generalized Hoek-Brown 파괴기준 모델입니다.
• LEM(한계평형해석)에서 안전율은 재료모델에 따른 전단강도에 직접 의존하며, Mohr-Coulomb의 전단강도가 일반적이지만 특수한 지반 조건을 반영하기 위해서는 고급 모델이 필요합니다.

• 일축압축강도(σci), 지질강도정수(GSI), 재료상수(mi), 교란도 계수(D)를 입력하여 암반의 파괴기준을 고려한 한계평형해석을 수행할 수 있습니다.

  

• 일축압축강도 (\(\sigma_{ci}\))

  • 무결암(intact rock)의 일축압축강도를 입력합니다.
• 지질강도정수 (GSI)
  • 암반의 상태를 나타내는 지질강도지수(Geological Strength Index)를 입력합니다.
  • 'GSI 테이블'을 체크하면 함수 테이블을 정의하여 깊이별 값의 증감을 모사할 수 있습니다.
• 재료상수 (mi)
  • 무결암의 재료상수를 입력합니다.
  • 'mi 테이블'을 체크하면 함수 테이블을 정의하여 깊이별 값의 증감을 모사할 수 있습니다.
• 교란도 계수 (D)
  • 발파 손상이나 응력 이완에 의한 암반의 교란 정도를 입력합니다.
  • 0(무교란) ~ 1(교란)의 범위로 입력합니다.

• GSI / mi 테이블

  • 'GSI 테이블' 또는 'mi 테이블'을 체크하고 우측의 곡선입력을 클릭하면 Hoek Brown Function 함수 정의 대화상자를 호출합니다.
  • 두 테이블은 동일한 함수 정의 대화상자를 사용하며, 깊이별 GSI 값 또는 mi 값을 각각의 함수로 정의합니다.

  • Hoek Brown Function 함수 정의

    
    • 이름
      • 함수의 이름을 입력합니다. 정의된 함수는 좌측의 함수 목록에 표시됩니다.
    • 깊이 (m)
      • 값이 변화하는 깊이를 입력합니다.
    • Value
      • 해당 깊이에서의 GSI 값 또는 mi 값을 입력합니다.
    • 입력한 데이터는 우측 그래프에서 깊이에 따른 값의 분포로 확인할 수 있습니다.
    • 수위 미고려 / 간극수압계수
      • 'Mohr Coulomb (LEM)'의 수위 미고려 / 간극수압계수 항목과 동일한 기능입니다. 상단의 설명을 참조하시기 바랍니다.

• Generalized Hoek-Brown 파괴기준

  • GHB 모델에서는 절편 수직응력에 대해서 아래 주응력곡선으로부터 전단강도를 산정합니다.

    \[ \begin{aligned} \sigma'_1 &= \sigma'_3 + \sigma_{ci} \left( m_b \frac{\sigma'_3}{\sigma_{ci}} + s \right)^a \\ m_b &= m_i \, \exp\left( \frac{GSI - 100}{28 - 14D} \right) \\ s &= \exp\left( \frac{GSI - 100}{9 - 3D} \right) \\ a &= \frac{1}{2} + \frac{1}{6} \left( e^{-GSI/15} - e^{-20/3} \right) \end{aligned} \]

    • \(\sigma_{ci}\): 일축압축강도
    • \(GSI\): 지질강도지수(Geological Strength Index)
    • \(m_i\): 무결암(intact rock) 재료상수
    • \(D\): 교란도 계수 (0(무교란) ~ 1(교란))

  ※ 참고문헌 : Hoek, E., Carranza-Torres, C. and Corkum, B. (2002), "Hoek-Brown failure criterion – 2002 edition", Proceedings of NARMS-TAC 2002, Toronto, Vol. 1, pp. 267–273.

• 파라미터 참고 입력값

  • GSI와 mi 파라미터의 참고 입력값은 아래와 같습니다.

  GSI	암반 상태
  80–100	무결 / 괴상
  60–80	블록성 (양호)
  40–60	매우 블록성
  <40	교란 / 붕괴 / 층상

  mi	암종
  17	사암
  29–32	화강암
  12	석회암
  25	현무암/안산암
  12±3	편암
  28	편마암
  6–7	실트/셰일
  20	규암
  4	이암
  9	대리암/백운암

  ※ 참고문헌 : Hoek, E. and Brown, E.T. (1997), "Practical estimates of rock mass strength", International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 34, No. 8, pp. 1165–1186. / Marinos, P. and Hoek, E. (2000), "GSI: A geologically friendly tool for rock mass strength estimation", Proceedings of GeoEng2000, Melbourne.

• GHB 모델은 암반을 위해 개발된 모델이므로 토사 비탈면에 적용하는 것은 부적합하지만, 풍화암·연약암 등 암반-토사 전이대 지반에서도 유효한 접근이 될 수 있습니다.

SHANSEP (LEM)

• 연약지반 점성토 비탈면의 비배수 전단강도를 응력이력(OCR) 기반으로 산정하는 SHANSEP(Stress History And Normalized Soil Engineering Properties) 모델입니다.

• 깊이별로 변화하는 비배수 전단강도(τ = Su)를 τ/σ 비율로 직접 정의하거나, S, M, OCR 값을 입력하여 전단강도를 자동 계산할 수 있습니다.

• 산정방법

  • 비배수 전단강도의 산정방법을 '직접입력'과 '자동계산' 중에서 선택합니다.

• 직접입력

  
  • τ/σ 비율
    • 연직 유효응력에 대한 비배수 전단강도의 비율(τ/σ)을 입력합니다.
  • τ 및 σ 테이블
    • 체크하고 우측의 곡선입력을 클릭하면 SHANSEP Function 함수 정의 대화상자를 호출합니다.
    • 시험값 등으로부터 연직 유효응력(σv)별 비배수 전단강도(τ)를 함수 형태로 적용할 수 있습니다.

    • SHANSEP Function 함수 정의

      
      • 이름
        • 함수의 이름을 입력합니다. 정의된 함수는 좌측의 함수 목록에 표시됩니다.
      • σv (kN/m²)
        • 연직 유효응력을 입력합니다.
      • τ (kN/m²)
        • 해당 연직 유효응력에서의 비배수 전단강도를 입력합니다.
      • 입력한 데이터는 우측 그래프에서 분포로 확인할 수 있습니다.

• 자동계산

  
  • S 계수
    • 정규압밀 상태의 강도비(정규압밀 강도비)를 입력합니다.
  • M 계수
    • 강도증가 지수를 입력합니다.
  • OCR
    • 과압밀비를 입력합니다.
  • OCR Table
    • 체크하고 우측의 곡선입력을 클릭하면 SHANSEP Function 함수 정의 대화상자를 호출합니다.
    • 깊이와 값을 정의하는 함수 테이블을 적용하여 깊이에 따른 OCR의 변화를 고려할 수 있습니다.

    • SHANSEP Function 함수 정의

      
      • 이름
        • 함수의 이름을 입력합니다. 정의된 함수는 좌측의 함수 목록에 표시됩니다.
      • 깊이 (m)
        • 값이 변화하는 깊이를 입력합니다.
      • OCR
        • 해당 깊이에서의 과압밀비를 입력합니다.
      • 입력한 데이터는 우측 그래프에서 깊이에 따른 값의 분포로 확인할 수 있습니다.

• 수위 미고려 / 간극수압계수

  • 'Mohr Coulomb (LEM)'의 수위 미고려 / 간극수압계수 항목과 동일한 기능입니다. 상단의 설명을 참조하시기 바랍니다.

• SHANSEP 파괴기준

  • SHANSEP 모델에서는 아래 정규화 강도식으로부터 비배수 조건(Φ=0)에서 깊이에 따라 변화하는 비배수 전단강도를 산정합니다.

    \[ \begin{aligned} \frac{S_u}{\sigma'_v} = S \cdot OCR^{\,m} \quad \rightarrow \quad S_u = \sigma'_v \cdot S \cdot OCR^{\,m} \end{aligned} \]

    • \(S_u(\tau)\): 비배수 전단강도
    • \(\sigma'_v\): 연직 유효응력
    • \(S\): 정규압밀 강도비
    • \(m(M)\): 강도증가 지수
    • \(OCR\): 과압밀비

  ※ 참고문헌 : Ladd, C.C. and Foott, R. (1974), "New design procedure for stability of soft clays", Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 100, No. GT7, pp. 763–786.

• 파라미터 참고값

  • 각 파라미터의 입력 범위는 아래와 같습니다.

  파라미터	입력 범위
  τ/σ 비율	0.1 ≤ τ/σ < 4
  S 계수	0.15 ≤ S ≤ 0.5
  M 계수	0.75 ≤ m ≤ 1
  OCR	1 ≤ OCR < 10

  ※ 입력 범위는 Ladd and Foott (1974)의 정규압밀 점토 시험결과에 기반한 프로그램 입력 제한값입니다.

데이터베이스

• 사용자가 지반물성을 편리하게 입력할 수 있도록 대표적인 물성에 대해 데이터베이스를 제공하기 위한 기능입니다.

• 클릭하는 경우 지반재질 데이터베이스 대화상자가 호출됩니다.

  

재료특성 분포

• 재질의 민감도와 확률론 관련 파라미터를 정의합니다.

  • 확률론적 해석
  
  • 재료 : LEM 재질만 선택할 수 있습니다 .
  • 파라미터 : Weight Density( 습윤단위중량 ), Cohesion( 점착력 ), Friction Angle( 내부마찰각 ), qs, pl( 한계토압 ), KsB( 수평지반탄성계수 ) 을 정의할 수 있습니다 .
    • ' 비등방조건 ' 을 체크한 경우 , 점착력 항은 정의할 수 없습니다 .
    • ' 비선형옵션 ' 을 체크한 경우 , 내부마찰각 항은 정의할 수 없습니다 .
    • ' 포화단위중량 ' 은 ' 습윤단위중량 ' 을 정의했을 때 , 일반 파라미터에서 입력한 두 값의 차 만큼을 고려하여 내부적으로 계산합니다 .

  • 분포 : 분포함수를 선택합니다.

    • Normal / Log Normal / Exponential / Uniform / Rayleigh / Gamma / Beta / Triangular 총 8개 타입입니다.
    • 각 분포함수 별 샘플은 아래를 참조하시기 바랍니다.
    
    
    

  • 평균 : 평균값을 입력합니다.

    • Uniform : 비활성화, \(\frac{Max+Min}{2}\) 자동계산

  • 표준편차 : 표준편차를 입력합니다.

    • 초기값은 Mean X 0.1 입니다.
    • Exponential : = Mean
    • Uniform : 비활성화, \((Max - Min) \times Pow(12.0, 0.5)\) 자동계산
    • Rayleigh : 초기값은 \(Mean \times Pow(\frac{4-pi}{pi}, 0.5)\)
    • Triangular : 비활성화, 고급 파라미터값 입력 후 자동계산

  • 최소값/최대값 : 최소/최대값을 입력합니다.

    • Normal, Log Normal, Beta, Gamma : 초기값은 \(Min = Mean - 3 \times Std.Dev\), \(Max = Mean + 3 \times Std.Dev\)
    • Rayleigh : \(Max = MIN(-2 \times \alpha^2 \times LN(0.25) + Mean \times 1.25, Mean + 30 \times Std.Dev)\)
    • Exponential : \(Max = \frac{-1}{\lambda} \times LN\left(\frac{0.001}{\lambda}\right) + \alpha\)

  • 상관계수 : 상관계수를 입력합니다 .

    • Material Parameter 중 Cohesion, Friction Angle 에만 고려할 수 있으며 , 동일 재질에서 두 값은 동일하게 적용됩니다 .
    • 입력범위는 -1.0 ~ 1.0 입니다 .

  • 고급파라미터 : 분포함수 타입에 따라 상세 파라미터를 정의하여 Mean / Std.

    • Dev 값 등을 계산합니다 .
    • Exponential / Rayleigh / Gamma / Beta / Triangular 타입만 가능합니다 .

  • 그래프보기 : 파라미터 별 입력한 데이터를 그래프로 확인합니다 .

    • Context Menu 를 클릭하면 'Enable Toolbar', 'Export to Excel' 기능을 사용할 수 있습니다 .
      

  • 민감도 해석

    
    • 재료 : LEM 재질만 선택할 수 있습니다 .
    • 파라미터 : Weight Density( 습윤단위중량 ), Cohesion( 점착력 ), Friction Angle( 내부마찰각 ), qs, pl( 한계토압 ), KsB( 수평지반탄성계수 ) 을 정의할 수 있습니다 .
      • ' 비등방조건 ' 을 체크한 경우 , 점착력 항은 정의할 수 없습니다 .
      • ' 비선형옵션 ' 을 체크한 경우 , 내부마찰각 항은 정의할 수 없습니다 .
      • ' 포화단위중량 ' 은 ' 습윤단위중량 ' 을 정의했을 때 , 일반 파라미터에서 입력한 두 값의 차 만큼을 고려하여 내부적으로 계산합니다 .
    • 평균 : 평균값을 입력합니다 .
    • 변화량 : 평균값으로부터 변화량을 입력합니다 .
    • 구간값 : 최소값 / 최대값을 계산하기 위한 구간 값을 입력합니다 .
      • Min = Mean - Delta x Step, Max = Mean + Delta x Step

• 클릭하는 경우 새로운 지반물성이 추가됩니다.

• 클릭하는 경우 작성된 지반물성이 변경됩니다.

• 클릭하는 경우 작성된 지반물성이 삭제됩니다.

• 키보드의 ESC를 클릭하는 경우 대화상자는 종료됩니다.