평면변형조건의 벽체에 작용하는 토압은 벽체의 형태에 따라 많은 연구가 수행되어 거의 통일된 방법이 설계에 사용되고 있다. 그러나, 일반적으로 지중연속벽(diaphragm wall)공법에 의해 시공되는 원형수직구 벽체에 작용하는 토압은 정지토압을 적용하여 설계하고 있어 안전측이지만 과다한 단면설계를 수행하고 있다. 본 연구에서는 사질토지반에 설치된 원형수직구의 지반-구조물 상호작용에 의해 강성벽계에 작용하는 평형토압을 산정하기 위해 변형구속범의 적용을 제안하였다. 또한, 원통형벽체 모형실험을 통하여 벽체에 작용하는 토압분포를 확인하였다. 실험결과 토압은 주동토압보다 약 1.4배 크고 정지토압보다 0.8배 작았으며, 변형구속법에 의한 예측값과 전반적으로 잘 일치하였다.
평면변형조건의 벽체에 작용하는 토압은 벽체의 형태에 따라 많은 연구가 수행되어 거의 통일된 방법이 설계에 사용되고 있다. 그러나, 일반적으로 지중연속벽(diaphragm wall)공법에 의해 시공되는 원형수직구 벽체에 작용하는 토압은 정지토압을 적용하여 설계하고 있어 안전측이지만 과다한 단면설계를 수행하고 있다. 본 연구에서는 사질토지반에 설치된 원형수직구의 지반-구조물 상호작용에 의해 강성벽계에 작용하는 평형토압을 산정하기 위해 변형구속범의 적용을 제안하였다. 또한, 원통형벽체 모형실험을 통하여 벽체에 작용하는 토압분포를 확인하였다. 실험결과 토압은 주동토압보다 약 1.4배 크고 정지토압보다 0.8배 작았으며, 변형구속법에 의한 예측값과 전반적으로 잘 일치하였다.
On plane strain condition, many researchers have investigated the earth pressure according to the shape of wall, and standardized method has been applied to the design of the retaining wall. But on cylindrical diaphragm wall, at-rest earth pressure has been generally used. Even though this method is...
On plane strain condition, many researchers have investigated the earth pressure according to the shape of wall, and standardized method has been applied to the design of the retaining wall. But on cylindrical diaphragm wall, at-rest earth pressure has been generally used. Even though this method is on conservative side, it may lead to over-design. In this paper, the application of convergence confinement method to the calculation of the earth pressure acting on the cylindrical diaphragm wall of a shaft was suggested. In addition, a model test was carried out to investigate the distributions of earth pressure. Model test results show that the earth pressures of diaphragm wall are about 1.4 times larger than active earth pressure and about 0.8 times less than at-rest earth pressure.
On plane strain condition, many researchers have investigated the earth pressure according to the shape of wall, and standardized method has been applied to the design of the retaining wall. But on cylindrical diaphragm wall, at-rest earth pressure has been generally used. Even though this method is on conservative side, it may lead to over-design. In this paper, the application of convergence confinement method to the calculation of the earth pressure acting on the cylindrical diaphragm wall of a shaft was suggested. In addition, a model test was carried out to investigate the distributions of earth pressure. Model test results show that the earth pressures of diaphragm wall are about 1.4 times larger than active earth pressure and about 0.8 times less than at-rest earth pressure.
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문제 정의
이는 안전측일 수는 있으나 최적 설계를 위한 합리적인 방법은 되지 못한다. 따라서, 본 연구에서는 지반에 대하여 상대적으로 강성이 큰 원형 벽체에 작용하는 지반-구조물 상호작용에 의한 평형 토압 산정 방법을 제안하고 모형실험을 통하여 그 적용성을 검증하고자 한다.
본 연구에서는 사질토 지반의 원형수직구에 설치된 강성흙막이벽에 작용하는 평형토압을 산정하는 방법으로서 변형구속법의 적용을 제안하였고, 이를 검증하기 위해 원통형벽체 모형실험을 실시하였다. 이상의 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 절에서는 원형수직구의 강성읅막이 벽체에 작용하는 평형토압을 예측하는 변형구속법의 적정성을 확인하기 위해 모형실험을 실시하였다. 원통형벽체 표면에 변형률게이지를 접선방향으로 부착하여 굴착에 따른 접선방향 변형률을 측정하였고, 이를 토압으로 환산하는 과정을 거쳤다.
가설 설정
5~2m의 일정 깊이로 굴착을 하고 난 후 토류콘크리트를 타설하여 양생되기까지 지반은 벽체 안쪽으로 밀리게 되므로 주동변위가 발생하게 된다. 반면 그림 1의 (b)와 같이 diaphragm wall의 경우 지반을 굴착하기 전에 지중에 강성이 상대적으로 큰 콘크리트 벽체를 시공한 후 굴착을 수행하게 되므로 지반이완은 미소하게 발생할 것이다. 즉, 엄지말뚝과 토류판 또는 토류벽콘크리트를 사용하는 벽체의 경우는 굴착과 벽체 설치를 반복함으로써 주변지반 변위가 상당히 크게 발생하므로 주동 토압 조건이 될 것이며, diaphragm wall과 같은 지중연속벽은 지중에 벽체 시공 후 굴착을 함으로써 주변 지반의 변위를 거의 허용하지 않을 것이고 벽체 강성도 상대적으로 크므로 벽체강성과 지반강성에 따른 지반-구조물 상호작용에 의한 평형토압 조건이 될 것이다.
제안 방법
(1) 지반의 탄소성 거동을 모사하는 변형구속법을 이용하여 강성흙막이벽에 작용하는 평형토압분포를 깊이별로 산정하는 방법을 제안하였다. 원형수직구 주변지반이 탄성범위 내에 있을 경우에는 직접 작용토압을 계산할 수 있으나 소성범위 내에 있을 경우에는 시행오차법에 의한 계산이 필요하다.
OmS 일정하게 유지하였다. 깊이별로 모래 포설 전에 알루미늄 캔을 층당 2개씩 총 5층에 매설한 후 단위중량을 측정하여 상대밀도의 균질성을 확인하였다. 지반의 탄성계수는 3개 시료의 CU 실험 결과에서 평균값을 취했으며 할선탄성계수이다.
0이다. 따라서 원통형벽체의 형상비를 고려하여 아크릴 파이프의 직경과 높이가 H/R=40~8.0인 범위에 포함되게 벽체를 제작하였다.
모형지반 조성시 토조내부의 육안관찰을 위하여 전면판은 투명한 아크릴 판으로 제작하였으며 강재를 보강하여 변형을 억제하도록 하였다. 특정 깊이에서 발생하는 변형률과 토압분포를 즉정하기 위해 벽체는 15cm씩 5등분하여 각 요소에 변형률 게이지를 부착하였다.
특정 깊이에서 발생하는 변형률과 토압분포를 즉정하기 위해 벽체는 15cm씩 5등분하여 각 요소에 변형률 게이지를 부착하였다. 변형률게이지는 15cm 높이마다 3개씩 부착하고 각각 120° 각도를 이루도록 하였다. 측정 및 데이타 수집 장치는 이동식 TDS-303(TML portable data logger) 데이타로거를 사용하였다.
높이 75cm의 크기로 제작되었다. 실험 중 발생할 수 있는 토조의 변형을 방지하기 위하여 두께 lOmni의 강판을 두 겹으로 설치하여 외형을 제작하였고 측면을 철편으로 보강하였다(그림 3).
위해 모형실험을 실시하였다. 원통형벽체 표면에 변형률게이지를 접선방향으로 부착하여 굴착에 따른 접선방향 변형률을 측정하였고, 이를 토압으로 환산하는 과정을 거쳤다.
설치하였다(그림 3(b) 참조). 토조에 모래를 강사한 후 피스톤을 천천히 하강시키면서 벽체 변형률을 측정하여 굴착단계에 따른 변형률 변화 및 토압 분포를 측정할 수 있도록 하였다. 피스톤은 토조 하부에 설치된 유압잭으로 상승, 하강이 가능하도록 제작하였다.
대상 데이터
모형벽체는 그림 3(c), (d)와 같이 수직구 형상을 모사하였으며 외경 23cm, 내경 22.4cm, 두께 3mm, 높이 75cm의 아크릴로 제작하였다. 일반적으로 토사지반에 시공되는 원형수직구는 반경 5m내외, 깊이 20~40m이고 이를 벽체형상비로 환산하면 H/R=4.
측정 및 데이타 수집 장치는 이동식 TDS-303(TML portable data logger) 데이타로거를 사용하였다. 모형지반 조성을 위해 사용된 모래는 한강 하류에서 채취하여 공기 중에서 햇빛에 건조시킨 모래를 사용하였으며 사용된 모래의 입도분포 및 물리적 특성은 그림 5 및 표 2와 같다.
본 연구에서 실험에 사용된 토조는 가로 85cm, 세로 85cm, 높이 75cm의 크기로 제작되었다. 실험 중 발생할 수 있는 토조의 변형을 방지하기 위하여 두께 lOmni의 강판을 두 겹으로 설치하여 외형을 제작하였고 측면을 철편으로 보강하였다(그림 3).
사용된 모래는 입경 1.0皿이하이고 중량 백분율이 85%이상인 비교적 가는 모래이며, 세립분이 거의 없는 깨끗하고 비교적 둥근 입자와 모난 입자가 적당히 섞인 모래로서 통일분류법상 SP로 분류되었다. 모형지반은 모래 커튼 방법을 이용한 모래포설법으로 조성하였으며 낙하고는 l.
이론/모형
대신에 변형률값이 미소한 경우 응력과 변형률간 관계식이 성립된다. 따라서 본 연구에서는 모형실험을 통하여 측정한 변형률을 Obert 등*(1967)이 제안한 thick-walled cylindrical theory의 응력-변형률 관계식을 사용하여 토압으로 환산하였다.
0皿이하이고 중량 백분율이 85%이상인 비교적 가는 모래이며, 세립분이 거의 없는 깨끗하고 비교적 둥근 입자와 모난 입자가 적당히 섞인 모래로서 통일분류법상 SP로 분류되었다. 모형지반은 모래 커튼 방법을 이용한 모래포설법으로 조성하였으며 낙하고는 l.OmS 일정하게 유지하였다.
변형률게이지는 15cm 높이마다 3개씩 부착하고 각각 120° 각도를 이루도록 하였다. 측정 및 데이타 수집 장치는 이동식 TDS-303(TML portable data logger) 데이타로거를 사용하였다. 모형지반 조성을 위해 사용된 모래는 한강 하류에서 채취하여 공기 중에서 햇빛에 건조시킨 모래를 사용하였으며 사용된 모래의 입도분포 및 물리적 특성은 그림 5 및 표 2와 같다.
성능/효과
(2) 변형구속법에 의한 예측토압과 모형실험에 의한 측정토압은 약간의 차이를 보이고 있으나 전반적으로 잘 일치하였다.
(3) 가장 하부의 토압이 상부의 토압보다 작게 측정되었는데 이는 지반과 모형토조 바닥면과의 마찰에 기 인한 것으로 판단된다. 그러나, 이러한 거동은 실제 지반의 '굴진면 효과'를 나타내는 것으로 굴진면이 모형토조 바닥부에 위치함으로써 토압을 굴착되지 않은 굴진면 부분이 지지함으로써 벽체에 작용하는 하중이 작은 것으로 판단할 수 있다.
(4) 변형구속법에 의한 평형토압은 52.5cm 깊이(0.7H) 를 기준으로 정지토압의 약 82%, 주동토압의 약 140%이었다. 결과적으로 제안된 평형토압을 적용함으로써 원형수직구에 설치되는 강성벽체(diaphragm wall) 설계시 주로 사용되는 정지토압보다는 경제적인 설계가 될 수 있으며, 주동토압을 적용하는 것은 불안전한 설계를 초래할 수 있음을 확인할 수 있다.
5cm 깊이를 기준으로 정지토압의 약 82%, 주동토압의 약 140%이었다. 결과적으로 제안된 평형토압을 적용함으로써 원형수직구에 설치되는 강성벽체(diaphragm wall) 설계시 주로 사용되는 정지토압보다는 경제적인 설계가 될 수 있으며, 주동토압을 적용하는 것은 불안전한 설계를 초래할 수 있음을 예상할 수 있다.
7H) 를 기준으로 정지토압의 약 82%, 주동토압의 약 140%이었다. 결과적으로 제안된 평형토압을 적용함으로써 원형수직구에 설치되는 강성벽체(diaphragm wall) 설계시 주로 사용되는 정지토압보다는 경제적인 설계가 될 수 있으며, 주동토압을 적용하는 것은 불안전한 설계를 초래할 수 있음을 확인할 수 있다.
보여주고 있다. 모형실험에서 측정된 토압은 변형 구속법으로 예측한 토압보다 다소 작으나 전반적으로 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 상부로부터 굴착이 진행됨에 따라 하부벽체에 작용하는 토압이 점차 증가함을 알 수 있다.
변형구속법에 의한 평형토압은 계측토압과 전반적으로 잘 일치하였으며 52.5cm 깊이를 기준으로 정지토압의 약 82%, 주동토압의 약 140%이었다. 결과적으로 제안된 평형토압을 적용함으로써 원형수직구에 설치되는 강성벽체(diaphragm wall) 설계시 주로 사용되는 정지토압보다는 경제적인 설계가 될 수 있으며, 주동토압을 적용하는 것은 불안전한 설계를 초래할 수 있음을 예상할 수 있다.
후속연구
것으로 판단된다. 다만, 벽체 하단부에서 '굴진면 효과'에 의해 감소되는 토압을 예측하기 위한 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 모형실험의 한계 등으로 인하여 실무적용을 위해서는 현장계측에 의한 추가적인 비교 연구가 필요하다.
다만, 벽체 하단부에서 '굴진면 효과'에 의해 감소되는 토압을 예측하기 위한 방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 모형실험의 한계 등으로 인하여 실무적용을 위해서는 현장계측에 의한 추가적인 비교 연구가 필요하다.
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