[논문]측방유동에 관한 경험식 및 수치해석의 비교

김대규

측방유동에 관한 경험식 및 수치해석의 비교
Comparisons of Empirical Methods with Numerical Analysis on Lateral Flow in Soft Soils 원문보기

본 연구에서는 교대 및 교각의 측방유동에 대하여, 경험식과 수치해석 결과를 비교, 분석하였다. 연구결과, Tschebotarioff 제안식과 측방유동지수 판정법이 다른 결과를 나타내어 경험식만으로 측방유동 가능성을 판단할 수 없었다. 수치해석결과, 성토사면 선단 하부지반에서의 측방변위는 심도에 따라 감소하였으며, 연약층 상부 1/3위치에서 최대 측방변위가 발생하였다. 최대침하는 사면선단부에서 발생하였으며 선단부에서 13m 떨어진 위치에서 미소한 최대융기가 발생하였다.

In this paper, the results of empirical methods and the numerical analysis were compared and investigated on the lateral displacement due to embankment in soft soil. The empirical methods gave different results so the possibility of lateral displacement could not be determined only by the empirical methods. The numerical analysis could be used so effectively that its result showed useful lateral and vertical displacements with depth and distance.

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문제 정의

본 절에서는 유한 요소 해식 프로그램(PENTAGON 3D)을 이용하여 도로 부 성토 시 단계별 성토 하중에 따른 교 대 인접 교각에서의 변위 및 응력 상태를 파악함으로써 성토 하중이 인접 교각의 측방 유동에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.

가설 설정

해석 시에는 교각부 지반 강도(Cu=0.8t/m2)가 상대적으로 작고, 성토고(7.8m)가 높으며, 사면안정 해석 결과 안 전율이 낮은 A2 ~ P4 지반에 대한 단면을 대표단 면으로 가정하였다. 교대 부의 실제 성토 과정은 총 3단계로 각 단계별 95%의 압밀이 이루어질 때까지 존치시킨 후, 다음 단계 성토를 시공하게 되므로 해석 시에도 3단계 성토로 시공단계를 모형화하였다.

제안 방법

8m)가 높으며, 사면안정 해석 결과 안 전율이 낮은 A2 ~ P4 지반에 대한 단면을 대표단 면으로 가정하였다. 교대 부의 실제 성토 과정은 총 3단계로 각 단계별 95%의 압밀이 이루어질 때까지 존치시킨 후, 다음 단계 성토를 시공하게 되므로 해석 시에도 3단계 성토로 시공단계를 모형화하였다.
교대의 측방 유동을 방지하기 위하여 교대 배면의 성토 시 단계별 성토를 실시하고 최종 계획 고까지의 성토완 료 후 연약지반의 강도가 충분히 증가되는 95% 압밀 시까지 방치한 다음 교대 구조물을 시공하는 것으로 계획되어 있으므로 이에 준하여 연약지반의 강도를 산정한다.
현재 교대 하부 연약지반은 SCP 공법을 적용하여 교 대 배면(적용 길이 Al, A2 모두 40m)과 전면(적용 길이 Al 15m, A2 16m)에 대하여 지반을 보강한 상태이므로 교대 하부지반은 복합지반 거동을 하게 된다. 따라서, SCP 타설(1.4mxl.4m)로 인하여 변화된 물성을 산정한 후, 초기 단계의 물성으로 입력하고, 성토 하중에 의한 압 밀 효과를 고려하기 위하여 각 성토단계에 따라 압밀 (95%) 에 따른 증가된 강도 정수를 산정하여 단계별로 물 성을 변화 시켜 해석을 수행하였다. 점토층의 모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였다.
본 연구에서는 국내 연약지반 시공 현장을 선정하여 교 대 및 교각의 측방 유동 가능성을 경험 식을 활용하여 판정하였으며, 그 결과를 수치해석과 비교, 분석하였다. 연 구결과는 합리적 측방 유동 분석법의 기본 자료로 활용될 수 있다.

대상 데이터

본 해석지 역은 국내 고속도로 건설공사 중 한 교량 지 역으로 현재 교대 측방 유동을 방지할 목적으로 Sand Compaction Pile(SCP, 모래 다짐 말뚝)을 시공하고 단계별 성토 후 95%의 압밀이 진행되어 지반을 강화시킨 후, 재 굴토하여 교대를 시공하는 것으로 계획되어 있다. 현장 시 공시 교대 부 및 도로 부 단계별 성토 과정(교대 설치 이전) 과 동시에 교대에 인접한 P1 및 P4의 교각이 시공되도록 계획되어 있다.

이론/모형

4m)로 인하여 변화된 물성을 산정한 후, 초기 단계의 물성으로 입력하고, 성토 하중에 의한 압 밀 효과를 고려하기 위하여 각 성토단계에 따라 압밀 (95%) 에 따른 증가된 강도 정수를 산정하여 단계별로 물 성을 변화 시켜 해석을 수행하였다. 점토층의 모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였다. 표 6은 입력자료를 정리한 것이다.

성능/효과

경험식에 따른 측방 유동 가능성 검토 결과 A1 및 A2 모두 Tschebotarioff 식에서는 측방 유동에 대해 안정한 것으로 나타났으나, 측방 유동지수에서는 불안정한 것으로 나타났다. 경험식에 의한 측방 유동판정은 측방 유동의 발 생 가능성을 개략적으로 판단하는 지표가 되나 본 검토 결 과만으로는 측방 유동 가능성을 판정하기 곤란하므로 유한요소해석을 통한 측방 유동 검토의 필요성이 있다.
경험식에 의한 교각의 측방 유동 검토 결과, 교각 pi 및 P4 모두 Tschebotarioff 제안식에 대하여는 안정하나, 측방 유동지수 법에서는 불안정한 것으로 판정되므로, 경 험식만으로 측방유동 가능성을 판단할 수 없다.
따라서, 교대 부 및 도로 부 성토 시 교대 인접 교각(P1 및 P4) 은 측방 유동 양이 10mm 이내로 현 상태로서는 교각의 보수 또는 지반의 보강이 필요하지 않을 것으로 판단된다. 또한 유한요소해석을 통한 응력 해석 결과, 성토 체 사면 선단에서 교각 방향 지반의 경우, 연약 점토층 약 10m 정도까지 전단응력이 매우 작게 발생하였으며, 성토 체 하 단부와 사면부에 전단응력이 집중 발생되어 SCP로 보강된 성토 체 하부지반에서 성토 하중으로 인한 전단응력을 지지하게 되는 SCP의 지반보강 효과를 확인할 수 있었다.
성토 단계에 따른 교각 하부에서의 측방변위 검토 결과, 최대 측 방변위는 성토 완료 후 연약층 상부에서 9mm, 하부에서는 5mm~6mm 발생하여 교대의 전체적 수평이동이 확인되었다.

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