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문제 정의
- 산정하였다. 모형실험시 계산된 지반거동을 구조물 하부지반에 발생시켜 지반 및 구조물의 정성적이고정량적인 거동을 고찰 분석하였으며, 또한 지반거동에따른 구조물의 손상정도를 규명하고자 하였다.
- 본 실험에서 지반침하는 건물의 강성등의 변화에 따라 하부지반의 거동이 매우 달라지므로 건물이 없는 경우의 침하를 적용시켜 지반과 건물의 상호거동 등을 평가 연구하엿다.
- 본 연구에서 수행한 실험은 터널 굴착시 막장 진행에 따른 greenfield 상태에서 지반의 침하량을 이론적으로 계산하여, 그 계산된 지반 침하량을 지상의 인접 구조물에 적용할 때 발생되는 구조물의 손상영향을 분석 평가하기 위한 것이다. 또한, 터널막장 위치로부터 구조물 중심까지의 이격거리, 구조물의 길이, 터널 굴진축과 구조물의 교차각 변화등에 따른 구조물의 손상 영향에 대하여 실험적으로 고찰하여 이를 정량적으로 분석하였다.
가설 설정
- 터널 굴착에 따른 인접구조물의 손상영향 평가를 위해 사질토 지반에서 직경 10 m의 단선 원형터널을 굴착 심도 10 m로 가정하여 터널 막장의 진행에 따른 침하량을, 터널 횡단면에 대해서는 Peck(1969)과 Schmidt(1969) 가 경험적으로 제시한 Gauss 정규확률 분포 곡선으로 터널 종단면에 대해서는 Attewell and Woodman(1982) 이 경험적으로 제시한 누적정규분포곡선으로 값을 산정하여 지반침하로 적용하였다.
제안 방법
- 2. 터널막장 진행에 따른 구조물의 편심거리(E)와 교차각(SA)이 고려된 처짐비에 의한 정규화 각변위 (6/(M))를 통하여 계측된 구조물의 각변위로 구조물의 처짐비를 산정할 수 있는 관계식(식 (1)〜 (6))을 제안하였다. 제안된 관계식은 터널막장 진행에 따른 각변위로 구조물의 처짐비 산정이 가능하며, 시공중 발생가능한 손상수준을 평가함으로써 인접구조물의 손상 발생전의 보완대책의 여부를 평가하는데 활용될 수 있다.
- 구조물의 손상평가 인자로서는 침하량, 각변위, 수평변형율, 처짐비등의 영향인자들을 고려하여 이들의 상호관계를 통해 구조물의 손상정도를 평가 예측하였다.
- 구조물의 형상비(L/h)와 편심거리(E)에 따른 구조물의 손상거동을 굴착단계에 따라 비교 평가하였으며, 이를위해 각변위(B)와 수평변형율(#)의 관계 도표를 통해 분석하였다. 그림 7을 보면, 막장이 진행됨에 따라구조물의 손상정도는 구조물의 형상비(L/h)와 편심거리 (E)의 영향으로 인하여 보통손상수준에서 매우 심각한수준 정도까지로 변화되고 있음을 알 수 있다.
- 모형실험을 수행하였다. 굴착단계에 따른 지반과 구조물의 상호거동 변화 손상평가 인자들에 의한 영향, 구조물의 손상메카니즘 평가, 구조물 손상도표에 의한 평가 등을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다
- 도심지에서 터널굴착에 의한 단계별 지반거동을 평가하여 인접한 구조물의 형상비(L/h), 이격거리(X), 편심 거리(E), 교차각(SA)에 따른 구조물의 손상거동변화를 규명하고자 모형실험을 수행하였다. 굴착단계에 따른 지반과 구조물의 상호거동 변화 손상평가 인자들에 의한 영향, 구조물의 손상메카니즘 평가, 구조물 손상도표에 의한 평가 등을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다
- 측정하였다. 또한 굴착단계에 따른 균열양상을 측정하기 위해 균열경을 사용하여 굴착단계별로 균열의 크기와 변화를 확인하였다.
- 위한 것이다. 또한, 터널막장 위치로부터 구조물 중심까지의 이격거리, 구조물의 길이, 터널 굴진축과 구조물의 교차각 변화등에 따른 구조물의 손상 영향에 대하여 실험적으로 고찰하여 이를 정량적으로 분석하였다.
- 스크류잭을 이용하여 정확한 지반의 침하량을 유발시키기 위하여 디지털식 변위 측정기(정밀도: Q001 mm) 를 사용하였으며, 지반침하에 따른 구조물의 거동을 측정하기 위하여 그림 계측을 사용하여 구조물 및 지반의 변화를 측정하였다. 또한 굴착단계에 따른 균열양상을 측정하기 위해 균열경을 사용하여 굴착단계별로 균열의 크기와 변화를 확인하였다.
- 실험조건으로는 터널굴착시 막장의 위치변화, 구조물의 형상, 터널 굴진축과의 편심, 터널굴진축과 구조물의 교차각(skew angle)등을 변화시켰으며, 이에 따른 실험 결과를 분석하였다.
- 위치로부터 구조물 중심까지의 이격거리, 구조물의 길이, 터널굴진축과 구조물의 교차각등의 변화에 따라 실험을 수행하였다.
- 발생할 수. 있는 지표침하 거동 예측결과를기반으로 예측할 수 있는 지상 건물의 손상평가 인자들인 뒤틈각, 처짐비, 건물의 최대침하량, 부등침하량, 수평변형율을 도입하여 기존의 보수적인 해석방법을 좀더 발전시켜 3차원적으로 표현하고자 하였다.
- 주문진 표준사를 사용하였다. 조적식구조물 벽체하부와 기초지반 사이에 구조물의 기초는 강성을 무시할 정도로 최소로 하여 지반과 유사하게 거동하게 하기위해 모르타르를 얇게 타설하여 연성기초로 제작 하였다.
- 터널굴착시 인접한 구조물의 높이(h)에 대한 구조물의 길이(L)비(형상비, L/h)에 따른 구조물의 손상 거동변화를 평가하기 위하여, 대표적으로 형상비(L/h)가 1.0, 2.0, 3.0인 조건에서 터널 굴착단계에 따른 지반 및 구조물의 거동, 균열형상 거동평가 인자등을 상호 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 모형실험 벽체에 사용될 벽돌은 현재 현장에서 사용하는 시멘트형 표준벽돌규격인 190 mmX90 mmX57 mm 를 적용하여 본 벽돌의 약 1/4로 축소해서 자체 제작하였다. 모형실험에 사용된 벽돌의 규격은 길이 48 mmX 폭 23 mmX높이 15 mm이며, 벽돌제작은 배합비를 달리하여 현장에서 사용되는 표준형 벽돌의 강도와 단위 중량을 고려하여 표 2와 같이 선정하였다.
- 모형실험에 사용된 벽돌의 규격은 길이 48 mmX 폭 23 mmX높이 15 mm이며, 벽돌제작은 배합비를 달리하여 현장에서 사용되는 표준형 벽돌의 강도와 단위 중량을 고려하여 표 2와 같이 선정하였다.
- 본 실험에서 적용된 지반은 사질토이며, 사용된 모래는 주문진 표준사를 사용하였다. 조적식구조물 벽체하부와 기초지반 사이에 구조물의 기초는 강성을 무시할 정도로 최소로 하여 지반과 유사하게 거동하게 하기위해 모르타르를 얇게 타설하여 연성기초로 제작 하였다.
- 선정할 필요가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 석고와 모래의 혼합비 변화에 따라 인장강도 시험을 수행하여 모형실험에 사용될 줄눈재를 선정하였다 줄눈 재료의 특성치를 보면 표 3과 같다.
이론/모형
- 터널굴착시 막장이 진행됨에 따라 발생되는 지반침하량을 터널 횡단면은 Peck과 Schmidt(1969)가 제시한 정규확률 분포곡선으로 터널 종단면은 Attewell 등(1982) 이 경험적으로 제시한 누적 정규분포곡선으로 지표침하량을 산정하였다. 모형실험시 계산된 지반거동을 구조물 하부지반에 발생시켜 지반 및 구조물의 정성적이고정량적인 거동을 고찰 분석하였으며, 또한 지반거동에따른 구조물의 손상정도를 규명하고자 하였다.
성능/효과
- 1. 터널굴착에 따른 인접구조물의 손상수준 평가시에는 터널막장 진행위치(X/D), 구조물의 형상비(L/h), 편심거리(E), 교차각(SA)에 따라 구조물의 손상수준은 현저히 다르게 나타나는 것을 확인하였으며, 특히 구조물의 sagging과 hogging 영역을 구분하여 보다 세밀하고 구체적인 평가가 이루어 져야 할것이다.
- 3. 구조물의 형상비(L/h), 시공진행단계, 이격거리(X), 편심거리(E) 변화에 따라 손상수준이 추적 가능한수평변형율(#)과 처짐비(A/L), 각변위(B)와 수평변형율(%) 손상도표를 제안하였으며, 구조물의 형상 비에 따른 굴착 시공단계별 손상수준을 예측할 수 있는 방향성을 확인할 수 있었다. 그리고 굴착 진행 단계에 따른 구조물의 손상 거동 평가시 인접 구조물이 밀집된 도심지 굴착에서는 보다 안전하고 보수적인 평가가 나타나는 각변위와 수평변형율에 의한 손상도표를 활용하는 것이 보다 안전할 것으로 판단된다.
- 4. 모형실험시 구조물에 발생된 균열의 손상수준을손상도표에서 평가해 본 결과, 균열손상 수준이 적용된 평가가 각변위와 수평변형율만 적용된 손상수준보다 안전측으로 평가되는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 각변위와 수평변형율 뿐만 아니라균열이 고려된 손상평가를 수행하는 것이 보다 바람직할 것으로 판단된다.
- 0인 경우 구조물의 수직변위는 sagging 영역과 hogging 영역으로 나뉘어지며, sagging 영역에서는 15%, hogging 영역에서는 25%가 지반변위에 비해 작게 발생되며, 이들 영역에서의 구조물의 거동이 지반 거동에 비해 작게 평가됨을 알 수 있다. 그리고 막장 위치가 구조물 전방 -0.5D에서 구조물의 직하부 통과후 1.5D로 진행할수록 구조물의 수직변위는 지반 변위에 비해 50%, 25%, 14%로 점차 작게 나타났으며, 이는 막장이 진행됨에 따라 구조물의 거동이 점차 지반 거동과 유사하게 거동됨을 알 수 있다 그리고 형상비가 1.0 인 경우에는 구조물의 수직변위는 sagging 영역내에 발생되며 막장위치에 따른 구조물의 수직변위는 지반 변위에 비해 약 8~10% 정도 작게 나타나 막장진행에 따른 거동 차이가 그다지 크지 않았으며, 구조물의 거동 또한 초기 지반거동이 발생되는 단계부터 지반거동에 따라 민감하게 거동되는 것으로 나타났다. 이는 초기 막장 진행에 따른 지반거동은 형상비가 큰 구조물 전체에 영향을 미치지 못하므로 지반거동영역밖의 구조물의 강성으로 지반거동에 저항함으로써 구조물의 거동이 작게 발생되었으며 형상비가 작은 구조물은 발생되는 지반 거동 내에 위치하므로 막장진행 초기부터 지반거동에 따른 영향을 크게 받게 된다.
- 안정적으로 형성시켜야 한다. 또한, 모형실험중 형상비(L/h)가 3.0인 조건에 대하여 3회 반복실험을 수행하여 반복성에 따른 결과 차이를 비교해 본 결과, 구조물의 거동과 균열패턴은 유사하게 나타나, 조적구조물의 균질성과 반복실험에 의한 실험 결과의 신뢰도를 확인할 수 있었다.
- 스크류 잭은 총 13개를 사용하여 지반의 침하를 유발시킬 수 있으며, 스크류잭 사이에 변위측정기를설치하여 정확한 침하량 적용이 가능하게 하였다 또한침하장치 외곽에는 guide beam을 사용하여 벽체 형성시 전도되는 것을 방지하였다.
후속연구
- 그러므로 터널굴착등의 지반굴착 공사시 인접 구조물의 안정성 평가는 점차 그 중요성이 대두되고 있으며 최근에는 지반굴착시 지반거동과 인접구조물의 상호 거동에 대한 수치해석, 모형실험, 현장계측결과에 의한 연구가 이루어지고 있으며, 구조물의 형상, 위치, 굴착공정 변화등의 다양한 조건 및 지반/구조물의 상호작용에 따른 구조물의 거동 및 손상정도를 사전에 예측하여 필요시 대책을 마련하는 체계적인 연구가 필요할 것이다.
- 구조물의 형상비(L/h), 시공진행단계, 이격거리(X), 편심거리(E) 변화에 따라 손상수준이 추적 가능한수평변형율(#)과 처짐비(A/L), 각변위(B)와 수평변형율(%) 손상도표를 제안하였으며, 구조물의 형상 비에 따른 굴착 시공단계별 손상수준을 예측할 수 있는 방향성을 확인할 수 있었다. 그리고 굴착 진행 단계에 따른 구조물의 손상 거동 평가시 인접 구조물이 밀집된 도심지 굴착에서는 보다 안전하고 보수적인 평가가 나타나는 각변위와 수평변형율에 의한 손상도표를 활용하는 것이 보다 안전할 것으로 판단된다.
- 터널막장 진행시형상비에 따른 손상수준은 예측할 수 있는 손상수준은그림 7에 나타낸 것과 같이 예측할 수 있는 방향성을가지고 있으며, 이를 통해 막장진행 단계에 따른 손상수준을 예측하여 막장진행에 따른 구조물의 손상발생에대하여 사전에 평가할 수 있어 문제가 예상되는 경우에다양한 대책 등이 강구할 수 있는데 활용될 수 있다. 그리고 굴착진행 단계에 따른 구조물의 거동을 수평변형율과 처짐비에 의한 손상도표와 각변위와 수평변형율손상도표로 평가한 것을 비교해보면, 각변위와 수평변형율에 의한 손상도표에 의한 손상수준이 수평변형율과처짐비에 의한 손상수준에 비해 보다 크게 나타나며, 손상평가시 보다 안전하고 보수적인 평가를 위해서는 각 변위와 수평변형율에 의한 평가도표가 주로 활용되어야 할 것이다.
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3.3 균열크기가 고려된 구조물의 손상평가
손상도표에 의한 구조물의 손상수준 평가시 보수적이고 안전측으로 구조물을 평가하기 위해서는 각변위와수평변형율 관계도표가 주로 활용되어야 할 것으로 판단되었다
. 그리고 본 손상도표에서 막장진행 단계에 따라 구조물에 발생된 균열에 의한 손상수준을 그림 8에표시하여 평가해 보았다. - 이와같은 관계식은 막장진행 단계에 따른 구조물의 각변위와 처짐비의 관계를 형상비 조건에 따라 사전에 평가할 수 있으며, 형상비 및 편심거리에 따른 구조물의 각변위를 평가한 후 손상평가 인자로써 구조물의 처짐 비 평가시 이를 활용할 수 있을 것이다.
- 이와같은 관계식은 막장진행 단계에 따른 구조물의각변위와 처짐비의 관계를 형상비 조건에 따라 사전에평가할 수 있으며, 형상비 및 교차각에 따른 구조물의각변위를 평가한 후 손상평가 인자로써 구조물의 처짐비 평가시 이를 활용할 수 있을 것이다.
- 터널막장 진행에 따른 구조물의 편심거리(E)와 교차각(SA)이 고려된 처짐비에 의한 정규화 각변위 (6/(M))를 통하여 계측된 구조물의 각변위로 구조물의 처짐비를 산정할 수 있는 관계식(식 (1)〜 (6))을 제안하였다. 제안된 관계식은 터널막장 진행에 따른 각변위로 구조물의 처짐비 산정이 가능하며, 시공중 발생가능한 손상수준을 평가함으로써 인접구조물의 손상 발생전의 보완대책의 여부를 평가하는데 활용될 수 있다.
- 터널막장 진행시 형상비에 따른 손상수준은 그림 6에나타난 것과 같이 예측할 수 있는 방향성을 가지고 있으며, 이를 통해 터널 막장진행 단계에 따른 손상수준을예측하여 굴착에 따른 구조물의 손상발생에 대하여 사전에 평가할 수 있어 문제가 예상되는 경우에 다양한대책등이 강구될 수 있을 것이다.
- 한편, 터널막장 진행에 따른 균열거동은 막장이 진행됨에 따라 균열분포와 크기는 점차 확대되며, 특히 균열이 집중적으로 발생되는 부분은 수평변위가 최대로 발생되는 지점 및 지반거동의 sagging 영역과 hogging 영역의 구조물 부위에서 나타나고 있다 또한 굴착초기 발생된 균열을 중심으로 그 크기 및 분포범위가 점차 확대되어 초기에 균열이 발생된 본 손상 집중구간의 세밀하고 구체적인 평가가 필요할 것이다.
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