라이닝 작용수압과 유입량은 지하수 수위 아래 혹은 하 해저터널 설계시 중요하게 고려되어야할 수리요소이다. 이 요소들은 수심, 심도, 수리경계조건의 영향을 받는다. 본 논문에서는 각 설계요소가 라이닝하중과 유입량에 미치는 영향을 수치해석적 도구를 이용하여 살펴보았다. 수심영향해석은 심도 30 m에 건설된 마제형 터널에 대하여 수심과 라이닝/지반 상대투수계수 비를 다양하게 변화시켜 조사하였고, 심도영향 해석은 수심 60 m의 터널에 대하여 심도 및 라이닝/지반 상대투수계수 비를 변화시켜 해석하였다. 해석결과 수리경계조건과 상관없이 수심 및 심도가 증가함에 따라 지반하중이 증가하였다. 이는 배수터널은 침투력의 영향으로, 비배수 터널은 정수압의 영향으로 수두가 증가함에 따라 지반하중이 증가함을 보여준 것이다. 수심, 심도의 증가에 따라 유입량은 선형적으로 증가하였으며, 라이닝/지반 상대투수계수비와 유입량관계는 펼쳐진 S자 곡선(stretched S-curve)형태로 나타남을 확인하였다.
라이닝 작용수압과 유입량은 지하수 수위 아래 혹은 하 해저터널 설계시 중요하게 고려되어야할 수리요소이다. 이 요소들은 수심, 심도, 수리경계조건의 영향을 받는다. 본 논문에서는 각 설계요소가 라이닝하중과 유입량에 미치는 영향을 수치해석적 도구를 이용하여 살펴보았다. 수심영향해석은 심도 30 m에 건설된 마제형 터널에 대하여 수심과 라이닝/지반 상대투수계수 비를 다양하게 변화시켜 조사하였고, 심도영향 해석은 수심 60 m의 터널에 대하여 심도 및 라이닝/지반 상대투수계수 비를 변화시켜 해석하였다. 해석결과 수리경계조건과 상관없이 수심 및 심도가 증가함에 따라 지반하중이 증가하였다. 이는 배수터널은 침투력의 영향으로, 비배수 터널은 정수압의 영향으로 수두가 증가함에 따라 지반하중이 증가함을 보여준 것이다. 수심, 심도의 증가에 따라 유입량은 선형적으로 증가하였으며, 라이닝/지반 상대투수계수비와 유입량관계는 펼쳐진 S자 곡선(stretched S-curve)형태로 나타남을 확인하였다.
One of the most important design concerns for undersea tunnels is to establish design water load and flow rate. These are greatly dependent on the hydraulic factors such as water head, cover depth, hydraulic boundary conditions. In this paper, the influence of the hydraulic design factors on the gro...
One of the most important design concerns for undersea tunnels is to establish design water load and flow rate. These are greatly dependent on the hydraulic factors such as water head, cover depth, hydraulic boundary conditions. In this paper, the influence of the hydraulic design factors on the ground loading and the inflow rate was investigated using the coupled finite element method. A horse shoe-shaped tunnel constructed 30 m below sea bottom was adopted to evaluate the water head effect considering various water depth for varying hydraulic conditions and relative permeability between lining and ground. The effect of cover depth was analysed for varying cover depth with the water depth of 60 m. The results were considered in terms of pore water pressure, ground loading and flow rate. Ground loading increases with an increase in water head and cover depth without depending on hydraulic boundary conditions. This points out that in leaking tunnels an increase in water depth increases seepage force which consequently increases ground loading. Furthermore, it is identified that an increase in water head and cover depth increases the rate of inflow and a decrease in the permeability ratio reduces the rate of inflow considerably.
One of the most important design concerns for undersea tunnels is to establish design water load and flow rate. These are greatly dependent on the hydraulic factors such as water head, cover depth, hydraulic boundary conditions. In this paper, the influence of the hydraulic design factors on the ground loading and the inflow rate was investigated using the coupled finite element method. A horse shoe-shaped tunnel constructed 30 m below sea bottom was adopted to evaluate the water head effect considering various water depth for varying hydraulic conditions and relative permeability between lining and ground. The effect of cover depth was analysed for varying cover depth with the water depth of 60 m. The results were considered in terms of pore water pressure, ground loading and flow rate. Ground loading increases with an increase in water head and cover depth without depending on hydraulic boundary conditions. This points out that in leaking tunnels an increase in water depth increases seepage force which consequently increases ground loading. Furthermore, it is identified that an increase in water head and cover depth increases the rate of inflow and a decrease in the permeability ratio reduces the rate of inflow considerably.
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문제 정의
대하여 터널과 지반의 수리 .구조적 상호관계를 확인하여 해저터널의 거동 특성 및 설계개념 확립을 도모하고자 하였다.
라冃닝 투수조건에 따른 유입특성을 조사하기 위하여, 부분투수성조건에 대한 영향특성을 조사하였다. 그림 12는 수리경계조건에 따라 수심 및 심도변화에 따른 유입량을 정규화 하여 나타낸 것이다.
본 논문에서는 변위-간극수압 연계 수치해석법(coupled finite element analysis)을 이용하여 다양한 수리 경계조건에 대하여 터널과 지반의 수리 .구조적 상호관계를 확인하여 해저터널의 거동 특성 및 설계개념 확립을 도모하고자 하였다.
본 논문에서는 터널과 지반의 수리 상호작용에 대하여 다양한 위치적 요소와 수리경계조건이 미치는 영향을 수치 해석적 방법으로 알아보고자 하였다. 그림 2는 본 연구에 사용된 해저터널 및 지층의 형상을 나타낸
본 연구에서는 수치해석적 도구를 이용하여 고수압조건에 있는 해저터널에 대한 수리.구조적 거동특성을 살펴보았다 이때 영향 인자로 수리경계조건, 심도 수심이 고려되었다.
가설 설정
변화시켜 4가지의 수심에 대하여 모델링한 것이다. 또한 그림 3(b)는 대심도 조건하의 경암층에 건설되는 해저터널로 심도가 50 m~150 이로 변화하는 것으로 3가지의 해석 케이스를 설정하였으며 수심은 60 m로고정하였다. 또한 수리경계조건의 영향을 조사하기 위하여, 2개의 극단적인 조건(완전배수 비배수)과 3가지의 부분배수 조건에 대하여 해석을 수행하였다 부분 배수 조건은 라이닝의 투수계수 k1과 지반의 투수계수 ks 의상 대투수계수 비(kl/ks)를 #이로 변화시켜 모사화 하였다.
1) 심도가 증가함에 따라 방사형으로 터널 내 유입이 발생한다.
확인하였다. 비배수터널의 간극수압 분포는 정수압을 보일 것이다. 그러나 배수터널의 주변 지반에서의 간극수압 분포는 수리경계조건에 따라 달라질 것이다.
" data-before="것이다" data-ocr-fix="">것이다. 터널은 폭과 높이가 7.2 이인 원형에 가까운 마제형 터널로서 라이닝 두께는 0.2 m로 설정하였다 모델 경계조건에 의한 영향을 배제하기 위해서 모델링의 폭은 터널 지름의 약 28배인 200 m로 하였다 그림 2에 보이는 바와 같이 지반은 4가지 지층으로 이루어져 있으며, 지반의 구성모델은 선형 등방탄성과 비연합(non-associated) Mohr-Coulomb 모델을 시용하였고 투수모델은 등방 선형으로 가정하였다. 해석은 Biot's 압밀이론을 기초로 하는 변위-간극수압 연계 수치해석을 수행하였다(Potts and Zdravkovic, 1999).
제안 방법
또한 그림 3(b)는 대심도 조건하의 경암층에 건설되는 해저터널로 심도가 50 m~150 이로 변화하는 것으로 3가지의 해석 케이스를 설정하였으며 수심은 60 m로고정하였다. 또한 수리경계조건의 영향을 조사하기 위하여, 2개의 극단적인 조건(완전배수 비배수)과 3가지의 부분배수 조건에 대하여 해석을 수행하였다 부분 배수 조건은 라이닝의 투수계수 k1과 지반의 투수계수 ks 의상 대투수계수 비(kl/ks)를 #이로 변화시켜 모사화 하였다. 라이닝과 지반의 상대투수계수 비의 저하는 실제터널에서 배수시스템의 기능저하나 흐름의 제약으로 인한 영향을 반영한 것이다.
심도와 수리경계조건이 터널 지반하중에 미치는 영향을 확인하기 위하여 그림 7과 같이 심도에 따른 비 배수 시 지반하중과 비배수/배수 지반하중 비를 확인하였다. 심도의 증가는 총 수두의 증가를 야기하므로 그림 7(a) 와 같이 지반하중도 크게 변화함을 보였다 반면, 비배수 /배수조건의 지반흐)중 비는 심도의 영향을 거의 받지 않고 그림 7(b)와 같이 약 120% 이내로 나타남을 보였다 위 두 가지 현상으로 미루어 볼 때 수리 경계조 건보다 총 수두가 지반하중 증가를 야기함을 알 수 있다.
해저터널에서 주변지반의 흐름특성을 파악하기 위하여 간극수압분포를 확인하였다. 비배수터널의 간극수압 분포는 정수압을 보일 것이다.
이론/모형
해석은 Biot's 압밀이론을 기초로 하는 변위-간극수압 연계 수치해석을 수행하였다(Potts and Zdravkovic, 1999). 라이닝과 지반의 수리 상호작용을 모델링하기 위하여 구조적 거동과 수리거동을 하는 조합요소를 이용하였다(Shin et al., 2005).
2 m로 설정하였다 모델 경계조건에 의한 영향을 배제하기 위해서 모델링의 폭은 터널 지름의 약 28배인 200 m로 하였다 그림 2에 보이는 바와 같이 지반은 4가지 지층으로 이루어져 있으며, 지반의 구성모델은 선형 등방탄성과 비연합(non-associated) Mohr-Coulomb 모델을 시용하였고 투수모델은 등방 선형으로 가정하였다. 해석은 Biot's 압밀이론을 기초로 하는 변위-간극수압 연계 수치해석을 수행하였다(Potts and Zdravkovic, 1999). 라이닝과 지반의 수리 상호작용을 모델링하기 위하여 구조적 거동과 수리거동을 하는 조합요소를 이용하였다(Shin et al.
성능/효과
그림 12는 수리경계조건에 따라 수심 및 심도변화에 따른 유입량을 정규화 하여 나타낸 것이다. 그림 12(a)와 같이 심도가 일정할 때 수심변화와 상관없이 라이닝/지반 상대 투수 계수 비-정규화 유입량 관계는 한 개의 펼쳐진 S 자곡선(stretched S-curve)의 그래프로 나타났다. 또한 그림 12(b)와 같이 수심이 일정할 때에도 심도에 상관없이 한 개의 곡선이 형성되었다 두 곡선에서 라이닝/지반 상대 투수 계수 비가 0.
그림 12(a)와 같이 심도가 일정할 때 수심변화와 상관없이 라이닝/지반 상대 투수 계수 비-정규화 유입량 관계는 한 개의 펼쳐진 S 자곡선(stretched S-curve)의 그래프로 나타났다. 또한 그림 12(b)와 같이 수심이 일정할 때에도 심도에 상관없이 한 개의 곡선이 형성되었다 두 곡선에서 라이닝/지반 상대 투수 계수 비가 0.1 보다 커지면 유량변화는 완만해지며, 1.0에 접근해서는 큰 변화를 보이지 않는다 이는 라이닝/지반 상대투수계수비가 0.1 이상일 경우 지반을 통과한 만큼만의 유량이 유입되는 자유유입(free drainage) 상태와 유사해짐을 보인 것이다.
3) 지반하중은 수리경계조건보다 총 수두에 지배적인 영향을 받는다.
4) 지반하중에 대한 수압의 하중구성비는 상대 투수 계수 비의 영향을 받는다.
5) 터널의 총 수두 증가에 따라 유입량은 선형적으로 증가한다.
6) 해저터널의 경우 전수두가 매우 커 완전배수형으로 설계하는 것이 어려우므로 투수계수 제어를 통한 수리.구조적 최적배분의 설계개념이 필요하다.
7) 수리경계조건에 따른 지반하중의 차이는 미소하지만 터널 내 유입량은 수리경계조건의 영향을 지배적으로 받는다.
또한 그림 10에서 라이닝이 불투수성이거나, 투수성이 작을 때는 수압의 하중구성비가 100%를 넘어 터널라이닝과 지반사이에서 인장상태가 발생함을 확인할 수 있다 이러한 거동은 총 수두가 50-70 m이상의 터널에서 나타났다. 그러나 지반/라이닝 상대투수계수 비가 0.
수심이 증가할수록 지반 하중이 확연히 증가함을 알 수 있다. 또한 수심의 변화와 상관없이 터널의 우각부에서 지반하중이 급격히 증가하여 최대 하중이 작용함을 확인할 수 있다. 그림 6(b)는 각각의 수심조건에서 비배수 터널의 지반 하중이 배수 터널의 지반하중에서 차지하는 비율을 나타낸 것이다.
이는 심도증가로 인해 증가하는 수압의 크기보다 지반하중의 증가량이 더 크기 때문이라 판단된다. 또한 총 수두가 110 m 일 때 심도가 큰 터널에서 곡률반경이 큰 인버트부에서 부분적으로 수압의 하중구성비가 100%가 넘는 것을 확인할 수 있다. 이것은 라이닝과 주변 지반 간에 인장력이 발생함을 의미하는 것으로 지반이 인장력에 대한 저항성이 적기 때문에 터널 라이닝과 지반의 분리 가능성을 시사하는 것으로 이해할 수 있다.
01일 때 수심 및 심도 변화에 따른 수압과 수압/지반하중 비를 나타낸 것이다. 수압은 수심 및 심도가 증가함에 따라 증가하는 특성을 보였으나, 수압이 하중에 차지하는 비율은 수심은 증가할수록 심도는 감소할수록 커짐을 알 수 있다. 이는 심도증가로 인해 증가하는 수압의 크기보다 지반하중의 증가량이 더 크기 때문이라 판단된다.
(2002)은 배수 조건으로 설계된 터널의 경우에도 배수재의 압착과 폐색으로 배수시스템의 수리기능저하가 발생하고, 이것으로 인해 터널 내 유입이 저해되고 있다고 보고하였다. 이러한 점을 미루어 볼 때 버배수 및 배수 터널은 장기적으로 초기의 설계개념이 유지되지 않음을 확인할 수 있다. 또한 Curtis et al.
후속연구
이것은 라이닝과 주변 지반 간에 인장력이 발생함을 의미하는 것으로 지반이 인장력에 대한 저항성이 적기 때문에 터널 라이닝과 지반의 분리 가능성을 시사하는 것으로 이해할 수 있다. 그러나 라이닝과 지반 간 거동을 전면접착(fu11 contact)으로 모델링함에 따른 인장력 발생인지 실제거동이 이와 같을지는 보다 심층적 연구가 필요하다.
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