[국내논문]치환율에 따른 안벽구조물 하부 SCP 복합지반의 응력분담비 Variation of Stress Concentration Ratio with Area Replacement Ratio for SCP-Reinforced Soils under Quay Wall원문보기
SCP공법(Sand Compaction Pile Method)은 안벽구조물 하부 지반이 연약할 경우에 압밀침하 속도를 증가시키고, 침하를 감소시키며, 지지력을 증대시키기 위하여 널리 적용되어 왔다. SCP 개량지반은 연약지반에 타설된 모래말뚝과 주변 연약지반으로 구성된 복합지반을 형성한다. 이와 같은 복합지반의 설계 및 해석 시 가장 중요한 요소는 치환율에 따른 응력분담비이다. 본 연구에서는 수치해석기법을 사용하여 복합지반에 대한 응력분담비 특성을 검토하였다. 치환율에 따른 응력분담비는 상수 값이 아니라 연약지반의 깊이, 압밀과정에 의존한다. 또한 하중재하 단계에 응력분담비는 복합지반의 응력전이 특성에 의하여 증가하며, 재하 완료 직후에는 치환율에 따라 2.5∼12의 값을 가진다. 그러나 과잉간극수압이 소산되어 점토지반의 유효응력이 증가되는 압밀과정 동안에는 감소하여 압밀 완료 후에는 치환율에 관계없이 2.5∼6정도 범위로 수렴한다.
SCP공법(Sand Compaction Pile Method)은 안벽구조물 하부 지반이 연약할 경우에 압밀침하 속도를 증가시키고, 침하를 감소시키며, 지지력을 증대시키기 위하여 널리 적용되어 왔다. SCP 개량지반은 연약지반에 타설된 모래말뚝과 주변 연약지반으로 구성된 복합지반을 형성한다. 이와 같은 복합지반의 설계 및 해석 시 가장 중요한 요소는 치환율에 따른 응력분담비이다. 본 연구에서는 수치해석기법을 사용하여 복합지반에 대한 응력분담비 특성을 검토하였다. 치환율에 따른 응력분담비는 상수 값이 아니라 연약지반의 깊이, 압밀과정에 의존한다. 또한 하중재하 단계에 응력분담비는 복합지반의 응력전이 특성에 의하여 증가하며, 재하 완료 직후에는 치환율에 따라 2.5∼12의 값을 가진다. 그러나 과잉간극수압이 소산되어 점토지반의 유효응력이 증가되는 압밀과정 동안에는 감소하여 압밀 완료 후에는 치환율에 관계없이 2.5∼6정도 범위로 수렴한다.
In order to accelerate the rate of consolidation settlement, to reduce settlement, and to increase bearing capacity for soft ground under quay, sand compaction pile method (SCP) has usually been applied. SCP-reinforced ground is composite soil which consists of the sand pile and the surrounding soft...
In order to accelerate the rate of consolidation settlement, to reduce settlement, and to increase bearing capacity for soft ground under quay, sand compaction pile method (SCP) has usually been applied. SCP-reinforced ground is composite soil which consists of the sand pile and the surrounding soft soil. One of main important considerations in design and analysis for SCP-reinforced soils is stress concentration ratio according to area replacement ratio. In this paper, the numerical analysis was conducted to investigate characteristics of stress concentration ratio in composite ground. It was found that stress concentration ratio of composite ground is not constant as well as depends on several factors such as area replacement ratio, depth of soft soil, and consolidation process. The values of stress concentration ratio increase during loading stage due to stress transfer of composite soil, and reach up to 2.5∼12 according to area replacement ratio at the end of construction. After the end of consolidation, however, these values are converged to 2.5 to 6.0 irrespective of area replacement ratio due to increase in effective stress of soft soil during consolidation process.
In order to accelerate the rate of consolidation settlement, to reduce settlement, and to increase bearing capacity for soft ground under quay, sand compaction pile method (SCP) has usually been applied. SCP-reinforced ground is composite soil which consists of the sand pile and the surrounding soft soil. One of main important considerations in design and analysis for SCP-reinforced soils is stress concentration ratio according to area replacement ratio. In this paper, the numerical analysis was conducted to investigate characteristics of stress concentration ratio in composite ground. It was found that stress concentration ratio of composite ground is not constant as well as depends on several factors such as area replacement ratio, depth of soft soil, and consolidation process. The values of stress concentration ratio increase during loading stage due to stress transfer of composite soil, and reach up to 2.5∼12 according to area replacement ratio at the end of construction. After the end of consolidation, however, these values are converged to 2.5 to 6.0 irrespective of area replacement ratio due to increase in effective stress of soft soil during consolidation process.
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문제 정의
본 연구에서는 SCP 및 점토지반 위에 포설된 사석이침하 및 응력분담비에 미치는 영향을 고려하기 위하여 사석을 해석에 포함시킴으로써 현장상태를 보다 정확히 모사하고자 하였다. 해석에 사용된 유한요소 프로그램은 CRISP(Britto 등, 1987)이고, Fig.
본 연구에서는 유한요소법을 이용한 수치해석기법을 적용하여 SCP 복합지반의 압밀시 유발되는 시간의존적인 비선형 거동특성을 파악하였다. 특히 모래말뚝과 주변 점토 지반의 응력 전이 거동으로부터 치환율에 따른 응력분담비의 특성에 대한 연구를 수행하였다.
거동특성을 파악하였다. 특히 모래말뚝과 주변 점토 지반의 응력 전이 거동으로부터 치환율에 따른 응력분담비의 특성에 대한 연구를 수행하였다.
가설 설정
8(a)와 같이 깊이 z/HM(지표면 근처 적분점)의 점토지반에서 유효응력은 상재호}증 재하완료 후에 감소됨을 알 수 있으며, 이와 같이 감소된 유효응력은 Fig. 8(b)와 같이 z/H=Q25 부근의 모래 말뚝의 유효 응력 증가로 전이됨을 알 수 있다. 모래말뚝지반으로유효응력이 전이되는 이유는 모래말뚝과 점토지반의 강성도, 변형특성, 압밀특성 등의 차이로 인하여 부등침하가 일어나고, 이로 인하여 모래말뚝과 점토지반사이에서 전단응력 이 발생하므로 응력이 전이되는 것으로 사료된다.
포설된 후에 강성 안벽이 설치된다. 기존의 문헌 연구를 고찰하면 SCP가 타설된 점토지반을 등 변형율(equal strain)이나 자유 변형율(free strain) 상태로 가정하여 해석하였으며(Alamgir 등, 1996; 김 등, 2000), 가정된 변형율 조건에 따라 응력분담비도 상당히 달라지게 된다.
경제조건으로 좌 . 우측면에서는 횡 변위가 구속되었으며, 하부는 선단 지지층까지 SCP가 관입 되었다고 가정하여 연직변위를 구속하였으며 , 안벽구조물의 해수면 아래에 존재하므로 사석 상부에 지하수위가 존재하는 것으로 가정하였다. 따라서 사석의 상부면은 간극수압이 0이다.
099 m정도이다. 케이슨 및 상치구조물 거치에 의한 안벽 상재하중(g)은 10일 동안 200 kPa 하중이 사석에 작용하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
해석에 사용된 유한요소 프로그램은 CRISP(Britto 등, 1987)이고, Fig. 4(a)와 같은 원통형 실린더 지반에 축대칭 압밀해석을 적용하여 거동해석을 수행하였다. 해석에 사용된 축대칭 유한요소망은 Fig.
그러나 안벽하부 지반에 타설된 SCP 복합지반의 광범위한 해석영역을 3차원 유한요소망으로 모델하여 해석하기 위해서는 많은 시간과 노력이 요구된다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 1에 표시된 안벽 하부 SCP 복합지반 중에서 하나의 SCP가 영향을 미치는 원통형 실린더 지반을 해석 대상지반으로 선정하였다(Fig. 4).
유한요소법을 사용한 수치해석기법을 이용하여 치환율에 따른 응력분담비의 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 본 수치해석에서는 부산신항만의 SCP 설계시 적용된 지반물성치를 사용하였다.
대상 데이터
따라서 사석의 상부면은 간극수압이 0이다. 또한 해석에 사용된 대상지반의 높이 R = 5 m이고, SCP설치간격은 2.1 m로서 하나의 원통형 실린더의 등가 영향직경은 2.273 m(De= 1.13s)이다. 따라서 축대칭 유한요소망의 반경은 1.
유한요소법을 사용한 수치해석기법을 이용하여 치환율에 따른 응력분담비의 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 본 수치해석에서는 부산신항만의 SCP 설계시 적용된 지반물성치를 사용하였다.
Table 2는 축대칭 비선형 압밀해석시 사용된대상지반의 물성치이다. 해석에 사용된 지반 물성치는 부산신항의 SCP 설계시 적용된 값과 동일하게 사용하였다 (부산신항만(주), 1999). 부산신항만 보고서에 의하면 지반특성은 현장실험(시추조사, SPT, 공내재하시험, 베인전단시험, CPTU 등)과 실내시험(물리시험, 역학시험, 압밀시험)올 실시하여 산정되었다.
이론/모형
대부분의 기존 수치해석 연구에서 사용한 해석모델을 살펴보면, 복합지반이 균질하고 탄성이라고 가정하던지(Alamgir 등, 1996), 점토지반을 등방탄성이나 Mohr- Coulomb의 탄소성 모델(김 등, 2000; 홍 등, 2003), 혹은 등변형율과 자유변형조건을 부과하여 Cam-clay 모델 (Jung 등, 2001) 등을 사용하여 거동특성을 고찰하였다. SCP가 타설된 복합지반은 안벽구조물 하중 작용시 주변 점토지반에서 생선된 과잉 간극수압이 소산함에 따라 시간 의존적인(time-dependent) 비선형 압밀거동 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 연약 점토지반에서 시간경과에 따른 압밀 거동 시 복합적인 응력전이 특성은 모래말뚝과 점토 지반의 강성도, 변형특성 , 압밀특성 , 치환율 등에 의존한다.
안벽 구조물 하중 재하시 복합지반에서 유발되는 압밀진행에 따른 응력-변형 거동특성을 비교적 정확히 모사하기 위하여 모래말뚝 지반은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델, 점토지반은 수정 Cam-clay 모델, 사석은 탄성모델을 각각사용하였다. Table 2는 축대칭 비선형 압밀해석시 사용된대상지반의 물성치이다.
성능/효과
(1) 모래말뚝 주변 점토지반에서 압밀이 진행됨에 따라점토지반에서 모래말뚝으로 응력 전이가 유발되며, 치환율이 커짐에 따라 모래말뚝 지반으로 전이되는 유효응력은감소한다.
(2) 안벽 구조물 하중재하 완료 직후에는 치환율이 증가함에 따라 응력분담비는 감소하는 경향이 있으며, 치환율에 따라 2.5~12의 값을 가진다. 그러나 압밀 완료 후에는 치환율에 상관없이 2.
(3) 안벽 구조물과 같은 상재하중이 작용시 모래말뚝의상단부분에서 많은 응력증가가 유발되고, 특히 정규화된깊이 (z/H)가 0.1~0.4인 부근에서 유효응력 증가가 큼을 알수 있다. 이 부분의 응력분담비도 응력전이 특성에 의하여 큰 값을 가진다.
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