줄말뚝이 설치된 지반에서 지반의 측방변형에 의한 지반아칭발생시 말뚝주변지반의 파괴는 지반아칭영역중 외부아 치의 정상부에서 정상파괴가 발생될 때부터 시작하여 말뚝전면의 패기부에서 캡파괴가 발생될 때까지 진행된다. 따라서, 측방변형지반속 줄말뚝에 작용하는 측방토압은 정상파괴와 캡파괴 모두의 경우를 검토할 필요가 있다. 정상파괴시의 측방토압 산정식은 원주공동확장이론을 적용하여 제안할 수 있다. 이 제안식을 검토한 결과 말뚝에 작용하는 측방토압은 주변지반의 내부마찰각, 점착력 및 수평토압과 말뚝직경 및 말뚝설치간격에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 그리고, 캡파괴에 의한 측방토압과 정상파괴에 의한 측방토압의 이론식을 이용하여 줄말뚝에 작용하는 측방토압 범위를 정의할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 캡파괴와 정상파괴시 측방토압의 이론치과 모형실험으로부터 구한 실험치를 비교 검토하였다. 모형실험에서 얻은 캡파괴와 정상파괴의 실험치는 제안된 각 이론의 이론치와 잘 일치하고 있으므로, 제안된 이론식의 합리성을 확인할 수 있다.
줄말뚝이 설치된 지반에서 지반의 측방변형에 의한 지반아칭발생시 말뚝주변지반의 파괴는 지반아칭영역중 외부아 치의 정상부에서 정상파괴가 발생될 때부터 시작하여 말뚝전면의 패기부에서 캡파괴가 발생될 때까지 진행된다. 따라서, 측방변형지반속 줄말뚝에 작용하는 측방토압은 정상파괴와 캡파괴 모두의 경우를 검토할 필요가 있다. 정상파괴시의 측방토압 산정식은 원주공동확장이론을 적용하여 제안할 수 있다. 이 제안식을 검토한 결과 말뚝에 작용하는 측방토압은 주변지반의 내부마찰각, 점착력 및 수평토압과 말뚝직경 및 말뚝설치간격에 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 그리고, 캡파괴에 의한 측방토압과 정상파괴에 의한 측방토압의 이론식을 이용하여 줄말뚝에 작용하는 측방토압 범위를 정의할 수 있다. 또한, 본 논문에서는 캡파괴와 정상파괴시 측방토압의 이론치과 모형실험으로부터 구한 실험치를 비교 검토하였다. 모형실험에서 얻은 캡파괴와 정상파괴의 실험치는 제안된 각 이론의 이론치와 잘 일치하고 있으므로, 제안된 이론식의 합리성을 확인할 수 있다.
In case of the lateral movement accurring at soft ground where a row of piles are installed, the crown failure at external arch zone of soil arching is firstly developed, and the cap failure at wedge zone in front of piles is lastly developed. Therefore, the lateral earth pressure acting on a row of...
In case of the lateral movement accurring at soft ground where a row of piles are installed, the crown failure at external arch zone of soil arching is firstly developed, and the cap failure at wedge zone in front of piles is lastly developed. Therefore, the lateral earth pressure acting on a row of piles due to soil movement should be calculated in each condition of crown and cap failures around piles. A theoretical equation of crown failure can be proposed using a cylindrical cavity expansion theory. The theoretical equation of crown failure is mainly affected by two factors. One is related to soil properties such as internal friction angle, cohesion and horizontal pressure, and the other is related to pile factors such as diameter, installation interval. Meanwhile, the yield range of lateral earth pressure is established in the estimation of theoretical equation based on crown and cap failures around piles. The theoretical values based on crown and cap failures are compared with the experimental values. The experimental values are located in the range proposed by theoretical values. Thus, it is confirmed that the theoretical values proposed in the study are very reasonable.
In case of the lateral movement accurring at soft ground where a row of piles are installed, the crown failure at external arch zone of soil arching is firstly developed, and the cap failure at wedge zone in front of piles is lastly developed. Therefore, the lateral earth pressure acting on a row of piles due to soil movement should be calculated in each condition of crown and cap failures around piles. A theoretical equation of crown failure can be proposed using a cylindrical cavity expansion theory. The theoretical equation of crown failure is mainly affected by two factors. One is related to soil properties such as internal friction angle, cohesion and horizontal pressure, and the other is related to pile factors such as diameter, installation interval. Meanwhile, the yield range of lateral earth pressure is established in the estimation of theoretical equation based on crown and cap failures around piles. The theoretical values based on crown and cap failures are compared with the experimental values. The experimental values are located in the range proposed by theoretical values. Thus, it is confirmed that the theoretical values proposed in the study are very reasonable.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 말뚝주변지반에서 발생되는 정상파괴가 발생하기 시작할 때의 측방토압에 대하여 연구하고자 한다. 이는 곧 지반아치가 형성된 후 파괴가 진행되는 제일 초기단계를 이르는 것이라 생각할 수 있다.
그리고, 새롭게 제안된 측방토압식의 고찰을 통하여 측방토압에 영향을 미치는 지반 및 말뚝에 관한 요소를 분석한다. 마지막으로 모형실험에 의한 실험치와 캡파괴에 의한 이론치 및 정상파괴에 의한 이론치를 서로 비교검토함으로써 말뚝에 작용하는 측방토압의 거동을 분석하고, 제안식의 타당성을 확인하고자 한다.
이미 Matsui, Hong & Ito(1982)은 말뚝전면 쐐기부에서의 캡파괴를 고려하여줄 말뚝에 작용하는 측방토압을 산정한 바 있다. 나아가본 연구에서는 기존의 모형실험결과를 이용하여 지반변형거동을 재분석하고 정상파괴시 줄말뚝에 작용하는 측방토압에 대하여도 고찰하고자 한다.
있음을 알 수 있다. 즉 지반의 강도특성을 나타내는 내부마찰각。및 점착력 C와 말뚝의 설치상태를 나타내는 말뚝증심간격과 말뚝직경 d(=D\ — D[), 그밖에 지반변형에 저항흐]는 수평토압 处가 포함되어있다 여기서 이들 각각의 요소에 의한 영향을 조사하여 제안된 식의 특성을 검토하여 보고자 한다. 우선, 이들 요소 중 수평토압 处의 영향에 대하여서는 제안식인 식 (8) 및 (15)로부터 알 수 있는 바와 같이 2가 处 의 일차식 형태로 되어 있으므로 측방토압 b는 수평토압处의 증가에 대하여 선형적으로 증가한다.
캡파괴 및 정상파괴에 의한 이론치와 모형실험에 의한 실험치를 서로 비교검토함으로써 말뚝에 작용하는 측방토압의 범위를 산정하고, 제안식의 타당성을 확인하고자 한다. 실험치로는 모래와 점토에 대하여 기존에 수행된 모형실험결과(Matsui, Hong & Ito, 1982)를 이용한다.
이 논문은 2003년도 중앙대학교 학술연구비 지원에 의한 연구(원주공동확장이론을 이용한 말뚝에 작용하는 측방토압 산정)결과임을 밝히며 동 학교에 감사의 뜻을 전하는 바이다.
가설 설정
그러나, 이들 방법에는 말뚝과 지반사이의 상호작용이 고려되지 않아 정확한 토압의 값을 산정하지 못하였다 한편, Ito & Matsui(1975) 및 Matsui, Hong & Ito(1982)는 말뚝과 지반 사이의 상호작용을 고려한 측방변형지반속 줄말뚝에 작용하는 측방토압을 제안한 바 있다. 이 측방토압식은 지반아칭중 말뚝전면부의 쐐기영역에서 주로 발생되는 캡파괴를 가정하여 유도제안된 식이다. 그러나, 실제로 말뚝주변에서 지반의 파괴는 지중에 형성된 지반아치 영역중 외부아치의 천장부에서 파괴가 먼저 진행되어 말뚝주변부의 캡쐐기부로 발전하게 된다.
본 연구에서는 말뚝주변지반에서 발생되는 지반아치의 정상부에 항복을 정상파괴로 가정하여 새로운 측방토압 이론식을 제안하였다 이는 말뚝전면 캡부분에서의 항복을 다룬 캡파괴시의 측방토압이론식을 다룬 이전 연구와 일련의 연구선상에서의 연구에 해당한다. 그리고, 캡파괴 및 정상파괴에 대한 측방토압의 이론치 및 실험치를 서로 비교검토함으로써 말뚝에 작용하는 측방토압의 범위를 산정하고, 제안식의 타당성을 검토하였다.
제안 방법
이는 곧 지반아치가 형성된 후 파괴가 진행되는 제일 초기단계를 이르는 것이라 생각할 수 있다. 이를 위하여 먼저 Matsui, Hong & Ito(1982)에 의하여 수행된 기존의 줄말뚝에 작용하는 측방토압에 대한모형실험 결과를 토대로 말뚝주변의 지반파괴형상을 조사한다. 조사된 지반파괴형상을 토대로 원주 공동확장이론을 적용하므로서 줄말뚝에 작용하는 측방토압 산정식을 새롭게 정립한다.
조사된 지반파괴형상을 토대로 원주 공동확장이론을 적용하므로서 줄말뚝에 작용하는 측방토압 산정식을 새롭게 정립한다. 그리고, 새롭게 제안된 측방토압식의 고찰을 통하여 측방토압에 영향을 미치는 지반 및 말뚝에 관한 요소를 분석한다. 마지막으로 모형실험에 의한 실험치와 캡파괴에 의한 이론치 및 정상파괴에 의한 이론치를 서로 비교검토함으로써 말뚝에 작용하는 측방토압의 거동을 분석하고, 제안식의 타당성을 확인하고자 한다.
모형실험에서 줄말뚝 주변지반의 변형거동을 살펴보기 위하여 지반에 표시한 표점들의 이동한 상태를 유리판을 통하여 연속적으로 사진촬영을 실시하였다(Matsui, Hong & Ito, 1982). 이들 사진으로부터 표점들이 이동한 경로를 정리하면 그림 3과 같이 나타낼 수 있다.
그리고, 캡파괴 및 정상파괴에 대한 측방토압의 이론치 및 실험치를 서로 비교검토함으로써 말뚝에 작용하는 측방토압의 범위를 산정하고, 제안식의 타당성을 검토하였다. 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
이론/모형
그러나, 실질적으로 지반파괴는 아칭영역중 외부아치의 천정부에서 발생하는 정상파괴(crown failure)에서부터 시작된다. 이때의 측방토압을 산정하기 위하여 원주공동확장이론(Timoshenko & Goodier, 1970)을 적용하였다.
그림 4의 지반아칭에서 아칭천정부의한 요소를 해석하기 위해 극좌표 평형방정식을 이용하였다. 아칭천정부에서는 수평방향만을 고려하며 아칭밴드내의 응력을 모두 동일하다고 하면 * = 0으로 간주할 수 있다.
한다. 실험치로는 모래와 점토에 대하여 기존에 수행된 모형실험결과(Matsui, Hong & Ito, 1982)를 이용한다.
성능/효과
정리하였다. 실험결과 성토지지말뚝위 성토지반이 어떤 파괴형태로 발생될 것인가는 말뚝사이의 간격과 성토고의 상대적인 크기에 의존함을 알 수 있었다. 즉, 성토고가 말뚝캡보 간격에 비하여 충분히 높으면 말뚝캡보사이에 지반아칭이 발생되나, 성토고가 충분히높지 않은 경우는 펀칭파괴현상이 발생되었다.
실험결과 성토지지말뚝위 성토지반이 어떤 파괴형태로 발생될 것인가는 말뚝사이의 간격과 성토고의 상대적인 크기에 의존함을 알 수 있었다. 즉, 성토고가 말뚝캡보 간격에 비하여 충분히 높으면 말뚝캡보사이에 지반아칭이 발생되나, 성토고가 충분히높지 않은 경우는 펀칭파괴현상이 발생되었다. 따라서, 성토지지말 뚝위의 지반파괴형태를 지반아칭이 발생되는 경우의 지반아칭파괴(soil arching failure)와 펀칭파괴 현상이 발생되는 경우의 펀칭전단파괴(punching shear failure)로 구분된다.
(1) 지반아칭영역의 외부아치 전체에 작용하는 토압( 弓)은 균일하게 분포한다.
이상과 같은 검토결과, 말뚝에 작용하는 측방토압의 발생기구는 여러가지 요소에 의하여 복잡하게 영향을 받고 있음을 확인할 수 있으며, 본 제안식은 말뚝간의 간격과 말뚝주변지반의 소성상태를 합리적으로 고찰할 수 있다고 판단된다.
7 이하인 경우에는 캡파괴시 측방토압이 정상파괴시 측방토압보다 큰 것으로 나타났으며, 간격비가 작을수록 측방토압의 차이는 더 커지는 것으로 나타났다. 즉, 동일한 간격비에서는 기존의 캡파괴시 측방토압이 정상파괴시 측방토압보다 크게 산정되고 있음을 알 수 있다. 이러한 이유는 말뚝에 작용하는 측방토압이 지반의 초기변형에 의한 정상파괴부터 항복변형에 의한 캡파괴까지 진행되는 동안 계속해서 증가하기 때문이다.
그리고, 그림중 검은원은 캡파괴시 측방토압 실험치(Experimental Value 1)를 나타낸 것이고, 흰원은 정상파괴시 측방토압 실험치(Experimental Value 2)를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 캡파괴 및 정상파괴시 측방토압 실험치는 모두 이론곡선에 매우 근접하여 위치하고 있으므로, 제안된 이론식의 합리성을 확인할 수 있다. 따라서, 소성변형지반속의 말뚝에 작용하는 측방토압은 초기탄성 영역에서는 선형적인 거동을 보이다가 지반아치의 정상파괴 발생시의 제1항복상태를 시작으로 지반아치의 캡파괴 발생시의 제2항복상태까지 항복영역을 지나 극한상태에 도달하는 것으로 판단된다.
그림에서 보는 바와 같이 캡파괴 및 정상파괴시 측방토압 실험치는 모두 이론곡선에 매우 근접하여 위치하고 있으므로, 제안된 이론식의 합리성을 확인할 수 있다. 따라서, 소성변형지반속의 말뚝에 작용하는 측방토압은 초기탄성 영역에서는 선형적인 거동을 보이다가 지반아치의 정상파괴 발생시의 제1항복상태를 시작으로 지반아치의 캡파괴 발생시의 제2항복상태까지 항복영역을 지나 극한상태에 도달하는 것으로 판단된다. 한편, 말뚝의 간격비가 증가할수록 정상파괴의 이론곡선과 캡파괴의 이론 곡선의 범위가 점점 좁아지다가 말뚝간격비 0.
따라서, 소성변형지반속의 말뚝에 작용하는 측방토압은 초기탄성 영역에서는 선형적인 거동을 보이다가 지반아치의 정상파괴 발생시의 제1항복상태를 시작으로 지반아치의 캡파괴 발생시의 제2항복상태까지 항복영역을 지나 극한상태에 도달하는 것으로 판단된다. 한편, 말뚝의 간격비가 증가할수록 정상파괴의 이론곡선과 캡파괴의 이론 곡선의 범위가 점점 좁아지다가 말뚝간격비 0.9이상이 되면 거의 동일해지는 것으로 나타났다. 이것은 말뚝간격비 0.
(1) 줄말뚝이 설치된 측방변형지반에서 지반아칭발생시 말뚝주변지반의 지반파괴는 아칭영 역중 외부아치의 정상부에서 정상파괴가 먼저 발생되면서 시작되어 말뚝전면의 쐐기부에서 캡파괴가 발생때까지 항복영역이 진행된다.
(3) 제안된 이론식에 의한 측방토압은 주변지반의 내부마찰각, 점착력, 수평토압 및 말뚝직경이 증가함에 따라 증가하며, 말뚝설치간격이 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.
항복범위를 정의할 수 있다. 모형실험에서 얻은 캡파괴 및 정상파괴시 실험치는 이 범위와 모두 일치하고 있으므로 제안된 이론식의 합리성을 확인할 수 있다.
후속연구
따라서, 모형실험에 의한 측방토압과 지반변위량 사이의 곡선으로부터 캡파괴 및 정상파괴시 말뚝에 작용하는 측방토압 실험치를 구할 수 있다. 그리고, 캡파괴에 의한 측방토압과 정상파괴에 의한 측방토압사이를 줄말뚝에 작용하는 측방토압의 항복범위로 설정할 수 있을 것이다.
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