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문제 정의
- 본 연구에서는 배수형 천층터널 주변의 흐름 거동에 대한 모형실험과 함께 수치 해석적 모델링을 실시하여 모형실험의 수치 해석적 재현가능성을 확인하고, 실험과 수치해석결과를 비교하여 실험결과의 일반화 및 다양한 수리경계조건에 대한 분석도구를 확보하고자 하였다. 해석에는 유한요소법을 근간으로 하는 범용 해석프로그램인 MIDAS GTS를 사용하였다.
- 본 연구에서는 천층터널 주변의 흐름거동을 모형실험을 통하여 파악해보고 이를 수치 해석적으로 모사하여 실제 흐름거동의 수치 해석적 재현성을 만족하는 가장 적절한 수리경계조건을 제시하고자 한다.
- 앞서 모형실험 또는 현장조건에 근접한 수치해석 모델링을 위한 경계조건에 대해서 알아보았다. 그림 8은 수치해석 결과 각 Case별 유선벡터이다.
가설 설정
- 해석에 사용한 물성치는 표 3과 같이 실제 모형실험에 사용된 재료의 값과 동일하게 적용하였다. 배수재(filter)의 투수 계수 kf는 원활한 배수를 위해 지반의 투수계수 ks와 동일하거나 커야하나 수치해석상의 여유를 주고자 10배로설정하였다.
- 따라서 Case 1은 좌.우측 경계 및 모델 바닥의 수리경계조건을 간극수압의 변화가 없는 것으로 설정하였고 Case 2는 흐름이 없는 수리경계조건으로 설정하였다.
- 또한 배수재 투수성이 라이닝보다 작아지는 경우 이때 발생하는 간극수압은 배수재에 작용하게 된다. 이를 고려하여 지반-라이닝 -배수재의 투수계수를 ks<kt< %로 취함으로서 배수 시스템이 설계 개념대로 원활히 작동하여 흐름 저항이 없고, 간극수압의 영향이 무시할 만큼 작다고 가정한 것이다. 이 경우 터널주면 전 영역에서 지하수 유출이 발생하며, 간극수압은 0이 된다(그림 6의 (a)).
- 0D)로 구분하였다. 자유수면은 실제 모형실험과 동일하게 정상류 흐름으로 가정하였고, 해석에 시용된 유한요소망은 그림 7과 같다.
- 굴착변위가 수반되지 않는 실험임을 감안하여 침투해석에 선형 투수 계수 모델을 사용하였고 지반 및 배수재는 4절점의 등 매개변수 요소를 사용하여 모델링하였다. 침투해석시 지반 내부 및 외부의 경계조건이 시간에 따라 변화하지않으므로 정상류흐름 해석을 하였고 평면변형 조건을 가정한 단순화된 2차원 모델링을 하였다. 터널단면은 원형 터널을 선정하였고, 터널중심축을 기준으로 좌우대칭임을 고려하여 반단면 해석을 수행하였다.
- 지하수 흐름은 방사형 흐름과 비방사형 흐름으로 구분할 수 있으며, 방사형 흐름은 침투 방향과 유선이 동일하지만 비방사형 흐름은 지름 방향과 접선방향의 유속성분을 갖는다. 하지만 터널 주변 지하수 흐름거동에 관한 많은 연구가 그림 1(a)와 같이 흐름 유형을 단순화한 방사형 흐름으로 가정하고 있다. Harr(1962)는 터널 주변을 방사형 흐름으로 이상적인 가정을 함으로서 이를 기초로 유량 및 수리특성을 이론적으로 모사하였다.
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