최근에 연약지반개량공사에서 연직배수공법은 가장 많이 사용하는 공법 중 하나이다. 그러나 개량을 위한 배수재의 시공시에 지반 교란이 발생하여 스미어 존이라는 교란영역을 발생시킨다. 이렇게 발생된 스미어 존의 특징은 그 영역내의 투수계수가 감소하여, 설계시 예상한 압밀진행이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 발생 된다는 점이다. 스미어 존의 크기는 압밀도에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 설계인자이나, 기존에 수행되는 설계에서는 연구에 의해서 제안된 안전측의 값을 일률적으로 적용하여 설계를 수행하고 있다. 그러나 이러한 방법으로 산정된 스미어 존의 크기는 설계 특성상 불확실성에 대한 과대설계로 진행되어 경제적인 측면에서 큰 손실을 가져올 수 있게 된다. 따라서 이번 연구에서는 3차원수치해석을 수행하여 스미어 존의 크기에 대한 특성을 분석하고 스미어 존 내부의 투수계수 변화를 고려할 수 있는 스미어 존의 환산크기 결정방법을 제안하여 실제 설계에서 투수계수의 변화에 대한 고려가 가능하도록 하였다.
최근에 연약지반개량공사에서 연직배수공법은 가장 많이 사용하는 공법 중 하나이다. 그러나 개량을 위한 배수재의 시공시에 지반 교란이 발생하여 스미어 존이라는 교란영역을 발생시킨다. 이렇게 발생된 스미어 존의 특징은 그 영역내의 투수계수가 감소하여, 설계시 예상한 압밀진행이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 발생 된다는 점이다. 스미어 존의 크기는 압밀도에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 설계인자이나, 기존에 수행되는 설계에서는 연구에 의해서 제안된 안전측의 값을 일률적으로 적용하여 설계를 수행하고 있다. 그러나 이러한 방법으로 산정된 스미어 존의 크기는 설계 특성상 불확실성에 대한 과대설계로 진행되어 경제적인 측면에서 큰 손실을 가져올 수 있게 된다. 따라서 이번 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 스미어 존의 크기에 대한 특성을 분석하고 스미어 존 내부의 투수계수 변화를 고려할 수 있는 스미어 존의 환산크기 결정방법을 제안하여 실제 설계에서 투수계수의 변화에 대한 고려가 가능하도록 하였다.
The vertical drain method recently being used in Korea is divided into the sand drain method, the pack drain method, the paper drain method, and the PBD method according to the drainage. However, these methods generate the disturbed zone called the smear zone when the drainage is penetrated into the...
The vertical drain method recently being used in Korea is divided into the sand drain method, the pack drain method, the paper drain method, and the PBD method according to the drainage. However, these methods generate the disturbed zone called the smear zone when the drainage is penetrated into the in-situ ground. The characteristics of the smear zone generated cause the problems that the coefficient of permeability decreases and the consolidation time becomes longer than expected in the design. Although the size of the smear zone is a very important factor directly influencing the degree of consolidation, in the existing studies, the general value for the size of the smear zone proposed has been used in the design. However, the size of the smear zone proposed by the existing studies cause a loss of economical efficiency because of the inaccuracy of the design. Hence, in this study, the characteristics on the size of the smear zone were analyzed by carrying out the three dimensional numerical analysis and the method to determine the conversion size of the smear zone considering the change of the coefficient of permeability was proposed in order to consider the change of the coefficient of permeability in the actual design.
The vertical drain method recently being used in Korea is divided into the sand drain method, the pack drain method, the paper drain method, and the PBD method according to the drainage. However, these methods generate the disturbed zone called the smear zone when the drainage is penetrated into the in-situ ground. The characteristics of the smear zone generated cause the problems that the coefficient of permeability decreases and the consolidation time becomes longer than expected in the design. Although the size of the smear zone is a very important factor directly influencing the degree of consolidation, in the existing studies, the general value for the size of the smear zone proposed has been used in the design. However, the size of the smear zone proposed by the existing studies cause a loss of economical efficiency because of the inaccuracy of the design. Hence, in this study, the characteristics on the size of the smear zone were analyzed by carrying out the three dimensional numerical analysis and the method to determine the conversion size of the smear zone considering the change of the coefficient of permeability was proposed in order to consider the change of the coefficient of permeability in the actual design.
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문제 정의
따라서 본 수치해석을 통하여 맨드렐의 관입 및 인발시 발생하는 스미어 존의 발생영역을 파악하고자 한다.
따라서 수치해석을 통하여 스미어 존 내부에서 반경방향의 투수계수의 분포 경향이 압밀도에 미치는 영향을 주요변수를 변화시켜가며 변수분석을 수행하여, 주로 사용되 고 있는 압밀도 산정방법에 적용이 가능한 스미어 존의 환산크기를 산정하는 방법을 제안하여, 모형 및 현장실험을 통하여 스미어 존의 크기를 결정하는데 참고자료로 활용하고자 한다.
실제로 연직배수재 타설시 발생하는 투수계수의 분포변화형상을 고려하여 이와 동일한 압밀도를 갖는 단일 투수계수의 스미어 존의 크기를 알아보고자 하였다. 이번 연구에서는 이러한 환산 스미어 존의 크기를 수치해석을 통하여 알아보고자 단일 투수계수를 적용하여 1.
제안 방법
그러나 맨드렐의 관입을 최대한 유사하게 수치해석으로 모델링하기 위하여 맨드렐은 Frame요소로 하여 맨드렐의 형상을 그대로 모델링 하였으며, 인터페이스를 잘못 고려할 경우에는 오히려 실제 발생하는 간극수압의 값보다 해석결과가 작게 나타날 가능성이 있다고 생각되므로, 맨드렐의 인터페이스는 고려하지 않고 지중에 관입된 상태를 모델링 한 후에 각 해석단계별로 일정한 침하량을 유지할 수 있도록 하중을 조정하여 재하하였다.
따라서 이번 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 스미어 존의 크기에 대한 특성을 분석하고 스미어 존 내부의 투수계수 변화를 고려할 수 있는 스미어 존의 환산크기 결정방법을 제안하여 실제 연직배수재의 설계에서 가장 많이 적용되고 있는 Hansbo(1979)가 제안한 식에 직접적으로 적용하여 투수계수의 변화에 대한 고려가 가능하도록 하였다.
또 이를 적용하여 압밀도를 계산하는 수치해석 프로그램을 개발하였다.
배수재의 각 영역은 각각의 배수재로 배수되는 것으로 가정하여 경계조건은 물의 이동이 없는 것으로 하였으며 배수가 연직방향으로 되는 것을 방지하기 위하여 상부의 지표면도 물의 배수가 발생하지 않도록 경계조건을 입력하였다.
스미어 존의 모델링은 배수재를 중심으로 방사형으로 커지도록 모델링을 하였으며, 그 크기는 0.5D로 하여 전체적인 지름이 배수재의 지름만큼씩 커지도록 모델링을 하였다.
압밀연동해석을 수행할 경우, 원지반과 스미어 존의 물성치의 차이로 인하여 간극수압의 차이가 발생할 가능성이 있으므로 연동해석을 수행하지 않고, 시간의존 해석을 수행하면서 해석 초기값을 일정하게 입력하는 방법을 적용하였다.
요소 모양은 Hexahedron으로 하였으며, 배수심도는 해석시간을 고려하여 1m로 하였고, 배수재의 설치간격이 2m인 경우를 모델링 하였다.
다만 배수재로부터 멀어질수록 투수계수의 감소폭이 완만하게 유지되도록 하여 ZONE 2의 형태에 따른 영향도 분석하도록 하였다.
본 분석에서 관입되는 맨드렐은 원형으로 하여 치수효과를 평가하였다. 수치해석에 적용된 관입되는 맨드렐의 직경이 100mm이며, 모형지반의 크기는 10m이기 때문에 맨드렐 직경에 대한 모형지반의 직경의 거리비는 100정도이다.
본 연구에서는 스미어 존 내부에서 반경방향으로 투수계수가 변화하는 경향이 압밀도에 미치는 영향을 고려한 수치해석을 수행하였으며, 해석결과에 의한 변수분석의 결과를 근거로 하여 설계시 주로 사용되고 있는 압밀도 산정방법에 적용이 가능한 스미어 존의 환산크기를 산정하는 방법을 제안하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이번 분석에서는 VisualFEA를 사용하여 3차원 침투해석을 수행하였으며, 스미어 존의 크기는 1.0 ~ 10.0D까지 1.0D간격으로 변화하는 것으로 모사하였다.
이번 연구에서는 이러한 환산 스미어 존의 크기를 수치해석을 통하여 알아보고자 단일 투수계수를 적용하여 1.0 ~ 6.0D까지의 크기를 갖는 스미어 존에 대한 압밀도와 투수계수의 변화를 거리별로 적용하여 구한 압밀도를 그림 7에 나타내었다.
이론/모형
모형지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며, 지반의 요소는 Tetrahedron, 맨드렐은 Frame으로 모델링하였다.
성능/효과
(2) 지반의 강도에 따른 전단변형률의 분포를 분석한 결과 스미어 존의 크기는 지반의 강도가 강할수록 커지는 경향을 나타냈다.
(3) 이격거리별 수평투수계수와 도시한 k20직선과 만나는 점에서의 스미어 존의 크기가 환산크기이다.
따라서 현장 및 실내 모형토조실험의 결과가 있는 경우, 기존에 제안된 다양한 이론식을 사용하여 설계에 적용 할 수 있는 스미어 존의 환산크기는 이번 연구에서 제안한 방법과 같은 순서에 의해서 결정이 가능할 것으로 판단된다.
이번 수치해석의 결과를 토대로 하여 스미어 존의 환산 크기를 산정하면 그림과 같이 배수재로부터 1.0D 이상 이격된 지점에서 측정된 스미어 존의 투수계수와 원지반의 투수계수의 차이의 20%에 해당하는 값(k20)을 스미어 존의 투수계수에 더하여 준 값으로 평행한 직선을 작도하고(그림 8 참고), 이 직선이 투수계수 변화곡선과 만나는 부분의 스미어 존의 크기가 수치해석결과로 나타난 스미어 존의 환산크기와 유사한 것으로 나타났다.
후속연구
(3) 본 연구에서는 연직배수재 타설시 발생하는 투수계수의 분포변화형상을 고려하여 이와 동일한 압밀도를 갖는 단일 투수계수의 스미어 존의 크기를 결정하는 방법을 제안하였으며, 본 연구에서 제안된 환산 스미어 존의 크기를 구하는 방법을 토대로 현장에서 맨드렐관입시 발생하는 수평투수계수를 측정하여 수평투수계수의 분포를 구한 후 환산 스미어 존의 크기를 구하면 보다 효과적인 설계가 수행 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스미어 존의 크기는 무엇에 영향을 미치는 인자인가?
이렇게 발생된 스미어 존의 특징은 그 영역내의 투수계수가 감소하여, 설계시 예상한 압밀진행이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 발생 된다는 점이다. 스미어 존의 크기는 압밀도에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 설계인자이나, 기존에 수행되는 설계에서는 연구에 의해서 제안된 안전측의 값을 일률적으로 적용하여 설계를 수행하고 있다. 그러나 이러한 방법으로 산정된 스미어 존의 크기는 설계 특성상 불확실성에 대한 과대설계로 진행되어 경제적인 측면에서 큰 손실을 가져올 수 있게 된다.
스미어 존의 특징은?
그러나 개량을 위한 배수재의 시공시에 지반 교란이 발생하여 스미어 존이라는 교란영역을 발생시킨다. 이렇게 발생된 스미어 존의 특징은 그 영역내의 투수계수가 감소하여, 설계시 예상한 압밀진행이 원활히 이루어지지 않는 문제점이 발생 된다는 점이다. 스미어 존의 크기는 압밀도에 직접적으로 영향을 미치는 중요한 설계인자이나, 기존에 수행되는 설계에서는 연구에 의해서 제안된 안전측의 값을 일률적으로 적용하여 설계를 수행하고 있다.
본 연구에서는 스미어 존 내부에서 반경 방향으로 투수 계수가 변화하는 경향이 압밀도에 미치는 영향을 고려한 수치해석을 수행하였으며, 해석결과에 의한 변수분석의 결과를 근거로 하여 설계시 주로 사용되고 있는 압밀도 산정방법에 적용이 가능한 스미어 존의 환산크기를 산정하는 방법을 제안한 연구의 결과는?
(1) 지반의 점착력이 커질수록 전단변형률 값이 커지는 것으로 나타났으며 수렴되는 거리비는 5 ~ 15 정도로 나타나 지반의 강도에 의하여 변화가 큰 것으로 나타났으며, Onoue 등(1991) 및 Madhav 등(1993)이 제안한 스미어 존의 크기의 범위와 같은 경향을 나타내고 있다.
(2) 지반의 강도에 따른 전단변형률의 분포를 분석한 결과 스미어 존의 크기는 지반의 강도가 강할수록 커지는 경향을 나타냈다.
(3) 본 연구에서는 연직배수재 타설시 발생하는 투수계수의 분포변화형상을 고려하여 이와 동일한 압밀도를 갖는 단일 투수계수의 스미어 존의 크기를 결정하는 방법을 제안하였으며, 본 연구에서 제안된 환산 스미어 존의 크기를 구하는 방법을 토대로 현장에서 맨드렐관입시 발생하는 수평투수계수를 측정하여 수평투수계수의 분포를 구한 후 환산 스미어 존의 크기를 구하면 보다 효과적인 설계가 수행 될 것으로 판단된다.
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