선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구의 목표는 원심모형실험을 통하여 최근 문제가 되고 있는 제방 안전성 평가에 대한 적용성을 확인하는 것이다. 그 중 제방 붕괴 원인 중 큰 비중을 차지하는 파이핑현상에 대해 연구하였다. 그리하여 제체 하부 지반에 제체 조성지반과 투수계수 차이가 많이 나는 투수층이 존재하는 제방에서의 파이핑 현상을 원심모형시험기를 이용하여 모사하고 동일한 조건으로 수행되어진 수치해석 결과 값과 비교함으로써 원심모형시험기의 적용성을 확인해보았다.
- 그리고 축소모형실험 또한 응력상태나 실제 거동특성을 반영하긴 힘들다. 그리하여 본 연구에서는 이러한 단점들을 보완하기 위하여 원심모형실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 국내 제방 붕괴의 대표적 원인 중 하나인 파이핑 현상에 대해 살펴보았으며, 원심모형실험을 이용하여 제방의 파이핑 현상에 의한 파괴 과정 모사를 통해 원심모형실험의 적합성을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 과거 파이핑 현상이 발생하였던 김포제방의 주요 특성을 나타내는 대표 단면을 선정하여 연구를 수행하였다.
- 본 연구의 목표는 원심모형실험을 통하여 최근 문제가 되고 있는 제방 안전성 평가에 대한 적용성을 확인하는 것이다. 그 중 제방 붕괴 원인 중 큰 비중을 차지하는 파이핑현상에 대해 연구하였다.
- 원심모형실험의 목적은 원형의 응력상태를 축소모형을 통하여 그대로 재현하는 것이다. Ng상태 원심모형실험에서 모형 대 원형의 길이의 상사비가 1:N이 되고 변위의 상사비역시 1:N이 된다.
- 첫 번째는 원형과 같은 투수계수의 시료를 사용하되 점도가 N배 큰 유체를 사용하는 것이고, 또 하나는 유체로 물을 그대로 사용하되 시료의 투수계수를 1/N배하는 방법이다. 하지만 본 논문에서는 실대형 모델과 축소 모형의 시간에 따른 침투 속도에 영향으로 인한 파이핑 현상이 아닌 이질 매질층 간의 투수 계수 차이에 의한 파이핑 현상을 모사하는 것이 목적이다. 그리하여 일반 유체인 물을 사용하고 현장과 동일한 투수계수가 아닌 제체와 제체 하부지반 그리고 전석층간의 투수계수 차이로 인해 발생하는 파이핑 현상을 모사하였다.
가설 설정
- 1의 값을 갖는다. 따라서, 본 해석에서는 한계동수구배를 1이라 가정하고, 1을 넘을 경우 파이핑이 발생했다고 판단한다.
제안 방법
- 30분간 60g 조건에서 가속시키고 제체의 침하를 안정화시킨 다음 솔레노이드 벨브를 제어하여 제외지 쪽에 물의 공급이 가능하도록 하였으며, 수위는 간극수압계 P9와 설치된 비디오 카메라 영상을 통해 유지 및 조절하였다. 계획된 홍수위로 수위를 유지시켜주면서 시간에 따른 간극 수압의 변화를 측정하고, 측정된 수압의 변화와 비디오 카메라 영상을 통하여 파이핑 현상의 발생을 확인 하였다.
- 원심모형 실험은 다음과 같이 총 4단계 과정으로 수행하였다. ① 원심모형 실험을 위한 제방 및 기초지반 모델링② 시험체의 60g 조건하에서의 가속 및 안정화 ③ 홍수위모사를 위한 물 공급 및 수위 상승 ④ 수위 유지를 통한 파이핑 현상을 모사하였다.
- 30분간 60g 조건에서 가속시키고 제체의 침하를 안정화시킨 다음 솔레노이드 벨브를 제어하여 제외지 쪽에 물의 공급이 가능하도록 하였으며, 수위는 간극수압계 P9와 설치된 비디오 카메라 영상을 통해 유지 및 조절하였다. 계획된 홍수위로 수위를 유지시켜주면서 시간에 따른 간극 수압의 변화를 측정하고, 측정된 수압의 변화와 비디오 카메라 영상을 통하여 파이핑 현상의 발생을 확인 하였다.
- 그 다음, 원심모형실험의 결과를 토대로 수치모델을 이용하여 파이핑 현상 발생을 확인하였다. 수치해석 결과의 동수경사 값을 이용하여 더욱더 정확하게 파이핑 현상을 확인할 수 있었으며, 결과 또한 원심모형실험과 일치하는 것을 알 수 있었다.
- 그리고 자갈층, 모래층, 전석층 하부 실트층, 전석층, 그리고 실트층 순으로 각각의 시료를 제작하고 제방을 축조하였다.
- 전석층을 통해 물의 흐름을 확인할 수 있는 간극수압계 P5의 수두가 증가하는 시점을 시점(B)로 결정하였다. 그리고 전석층 하부 실트층에 위치한 간극수압계 P1의 압력수두가 증가하는 시점을 시점(C), 마지막으로 전석층에 위치한 간극수압계의 수두가 급격히 증가하여 피이핑 현상이 발생하였다고 판단되는 시점을 시점(D)로 결정하였다. 간극수압계를 통해 얻어진 수압(bar)은 압력 수두(m)로 변환하여 표시하였다(그림 6(a),(b)).
- 그리고 전석층의 경우, 0.3m×0.5m 직사각 메쉬를 사용하였고, 제방 제체 경사는 삼각 메쉬를 사용하였다.
- 6m이다. 그리고 제내지 쪽 컨테이너 높이 12cm에 구멍을 뚫어 현장의 초기 지하수위 유지 및 배수가 가능하도록 하였다.
- 그리고 파이핑 현상 발생 과정에 이르기까지 전석층의 존재에 의한 효과 및 주변 지반과의 침투현상 차이를 비교하기 위하여 전석층 아래의 실트층에도 간극수압계(P1-P4)를 설치하였으며, 이를 바탕으로 전석층에 위치하는 간극수압계 결과값과 비교할 수 있도록 하였다.
- 우선, 예전의 파이핑 현상의 발생으로 붕괴 직전이었던 김포제방에 대한 자료를 바탕으로 제체 내에 투수계수가 큰전석층을 포함한 제방 단면을 결정하고 원심모형실험을 통해 파이핑 현상을 모사하였다. 그리하여 간극수압계를 통한 전석층과 전석층 아래 부분에서의 수압 분포와 재내지 쪽의 모니터링을 통하여 파이핑 현상을 확인하였다. 기존 연구 결과에서 나타난 바와 같이 전석층과 제내지 쪽 지표면과 거리가 가장 짧은 부분에서 파이핑 현상이 발생하는 것을 확인하였다.
- 하지만 본 논문에서는 실대형 모델과 축소 모형의 시간에 따른 침투 속도에 영향으로 인한 파이핑 현상이 아닌 이질 매질층 간의 투수 계수 차이에 의한 파이핑 현상을 모사하는 것이 목적이다. 그리하여 일반 유체인 물을 사용하고 현장과 동일한 투수계수가 아닌 제체와 제체 하부지반 그리고 전석층간의 투수계수 차이로 인해 발생하는 파이핑 현상을 모사하였다. 모형 제방을 이루는 시료는 자갈층, 모래층, 실트층, 전석층으로 이루어져있다.
- 그 중 제방 붕괴 원인 중 큰 비중을 차지하는 파이핑현상에 대해 연구하였다. 그리하여 제체 하부 지반에 제체 조성지반과 투수계수 차이가 많이 나는 투수층이 존재하는 제방에서의 파이핑 현상을 원심모형시험기를 이용하여 모사하고 동일한 조건으로 수행되어진 수치해석 결과 값과 비교함으로써 원심모형시험기의 적용성을 확인해보았다.
- 기존 연구 결과에서 나타난 바와 같이 전석층과 제내지 쪽 지표면과 거리가 가장 짧은 부분에서 파이핑 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 기존의 수치해석으로만 확인하였던 실제 제방의 파이핑 현상을 실험적으로 확인하였다.
- 그리고 자갈층, 모래층, 전석층 하부 실트층, 전석층, 그리고 실트층 순으로 각각의 시료를 제작하고 제방을 축조하였다. 다짐 나무를 이용하여 다지는 방법으로 다짐 및 사면의 경사를 조절하였다. 각 층마다 부피와 목표 다짐밀도로부터 무게를 계산하여 각 다짐 층별 단위중량을 일치시키도록 하였다(그림 4(a), (b)).
- 더불어 실험 도중 제방 상태와 수위를 알 수 있도록 4대의 비디오 카메라를 이용하여 실시간으로 관찰할 수 있게 하였다.
- 본 연구에서 수행한 원심모형실험을 통해 모형 제방의 제외지 측에서 발행하는 파이핑 현상을 확인하였다. 수위 상승 후 파이핑 현상이 발생하기까지 제방 내에서 측정한 수두변화 상태에서 특이한 현상이 나타나는 네 개의 시점을 설정하여 결과를 분석하고 파이핑 현상 발생 과정을 추정하였다.
- 김포 제방에서 발생한 파이핑 현상의 주요 원인으로는 시공 당시 예측하지 못한 전석층의 존재를 지목할 수 있다. 본 연구의 원심모형실험 모델에서도 제체 밑의 전석층과 같이 제체와 투수계수 차이가 큰 투수층을 삽입하여 제방에서 파이핑 현상을 이상적으로 모사하였다. 모형의 단면은 김포제방의 파이핑 현상 분석 사례(한성길, 1992)에 따른 김포제방의 단면(서울지방국토관리청, 1991)을 토대로 계획하였다.
- 그림 7은 사건에 따른 수두 변화의 분포를 나타낸 것이다. 수압 분포 변화를 알아보기 쉽게 하기 위해등고선 형태로 나타내었으며 간극수압계 센서가 설치된 위치에서의 수두값을 전체 단면에 대하여 표시하였다. 물이 투입되고 전석층과 전석층 아래로의 수두가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서 수행한 원심모형실험을 통해 모형 제방의 제외지 측에서 발행하는 파이핑 현상을 확인하였다. 수위 상승 후 파이핑 현상이 발생하기까지 제방 내에서 측정한 수두변화 상태에서 특이한 현상이 나타나는 네 개의 시점을 설정하여 결과를 분석하고 파이핑 현상 발생 과정을 추정하였다. 물 투입 직후를 시점(A)로 결정하였다.
- 모형 제방을 이루는 시료는 자갈층, 모래층, 실트층, 전석층으로 이루어져있다. 실제 김포제방 파이핑 현상이 발생한 당시의 현장 시료를 구할 수 없어 투수계수 차이가 나는 특징을 이용하여 시료를 제작하였다. 투수계수가 가장 큰 전석층은 주문진 표준사를 이용하였다.
- 투수계수가 가장 큰 전석층은 주문진 표준사를 이용하였다. 실트층과 모래층은 주문진 표준사와 Silica silt(SIL-CO-SIL #106, U.SSilica Company)를 각각 1:2, 1:1 비율로 섞어 제작하였다. 각 시료의 투수계수는 KS F 2322-95에 명시된 흙의 투수계수 시험을 통해 얻었으며 각 시료의 물성치는 표 1에 나타나있다.
- 우선, 예전의 파이핑 현상의 발생으로 붕괴 직전이었던 김포제방에 대한 자료를 바탕으로 제체 내에 투수계수가 큰전석층을 포함한 제방 단면을 결정하고 원심모형실험을 통해 파이핑 현상을 모사하였다. 그리하여 간극수압계를 통한 전석층과 전석층 아래 부분에서의 수압 분포와 재내지 쪽의 모니터링을 통하여 파이핑 현상을 확인하였다.
- 이를 위하여 과거 파이핑 현상이 발생하였던 김포제방의 주요 특성을 나타내는 대표 단면을 선정하여 연구를 수행하였다. 이를 바탕으로 제방 관련 연구에서 수행된 수치해석과 축소모형실험 등의 단점을 보완할 수 있고 실제 제방의 거동을 확인 및 표현 할 수 있는 원심모형실험을 수행하여 제방 붕괴 관련 실험에서의 원심모형실험의 적용성을 알아보았으며 결과의 타당성을 검증하기 위해 수치해석결과 값과 비교해 보았다.
- 물 투입 직후를 시점(A)로 결정하였다. 전석층을 통해 물의 흐름을 확인할 수 있는 간극수압계 P5의 수두가 증가하는 시점을 시점(B)로 결정하였다. 그리고 전석층 하부 실트층에 위치한 간극수압계 P1의 압력수두가 증가하는 시점을 시점(C), 마지막으로 전석층에 위치한 간극수압계의 수두가 급격히 증가하여 피이핑 현상이 발생하였다고 판단되는 시점을 시점(D)로 결정하였다.
- 각 층마다 부피와 목표 다짐밀도로부터 무게를 계산하여 각 다짐 층별 단위중량을 일치시키도록 하였다(그림 4(a), (b)). 초기 지하수위를 유지하기 위해제방을 축조한 후, 자갈층으로 이어지는 연결호스를 이용하여 물을 주입하였으며, 실험 직전까지 제체 건조에 의한 균열을 방지하기 위해 물을 공급하고 높은 습도를 유지하였다.
- 그리고 제체 내의 침투 상황을 알아 볼 수 있도록 제방 제체 내에도 간극수압계 P10을 설치하였다. 침투된 물은 투수계수가 큰 전석층을 통해 흐를 것이 예상되므로 전석층 제외지 쪽에 간극 수압계 P5를 설치하였으며, 제내지 쪽의 배수나 침투가 예상되므로 제내지 측엔 총 3개의 간극수압계(P6-P8)를 설치하였다. 그리고 파이핑 현상 발생 과정에 이르기까지 전석층의 존재에 의한 효과 및 주변 지반과의 침투현상 차이를 비교하기 위하여 전석층 아래의 실트층에도 간극수압계(P1-P4)를 설치하였으며, 이를 바탕으로 전석층에 위치하는 간극수압계 결과값과 비교할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 원심모형실험결과 검증을 위해 침투해석 프로그림인 SEEP/W를 사용하였다. 해석 모델은 원심모형실험 조건을 원형(prototype) 조건으로 변환하여 모델링하였다. 재현할 제방은 총 연장 72m이며, 지반은 자갈층, 모래층 각4.
대상 데이터
- 메쉬의 크기는 일본 하천설계기준에서 제안하는 제체 높이의 1/10 이하로 결정하여 0.5m×0.5m 정사각메쉬를 사용하였다.
- 그리하여 일반 유체인 물을 사용하고 현장과 동일한 투수계수가 아닌 제체와 제체 하부지반 그리고 전석층간의 투수계수 차이로 인해 발생하는 파이핑 현상을 모사하였다. 모형 제방을 이루는 시료는 자갈층, 모래층, 실트층, 전석층으로 이루어져있다. 실제 김포제방 파이핑 현상이 발생한 당시의 현장 시료를 구할 수 없어 투수계수 차이가 나는 특징을 이용하여 시료를 제작하였다.
- 본 시험기의 플랫폼 크기는 1.2m × 1.2m × 1.2m이고 컨테이너의 크기는 1.2m × 0.45m × 0.7m이다.
- 본 실험에서 사용된 간극수압계는 GE Druck사의 PDCR 81 모델로 총 10개를 사용하였다. 우선 하천의 홍수위 모사시 수위상승을 확인하기 위해 제외지 쪽 실트층 가장자리에 간극수압계 P9를 설치하였다.
- 본 연구에서 원심모형실험을 위하여 사용되는 가속장치는 Beam 형태의 KOCED 원심모형시험기로서, 회전반경 5.0m, 유효반경 4.5m 크기의 시험기로써, 최대 2,400kg의 모형하중을 100g까지 가속이 가능하므로 최대 용량은 240g-tons이다(Kim 등, 2006).
- 시험 모형이 놓이는 플랫폼은 회전팔의 끝단에 위치하며 지반 모형은 제방 실험을 하기 위해 만들어진 컨테이너에 제작되었다. 본 시험기의 플랫폼 크기는 1.
- 모형의 단면은 김포제방의 파이핑 현상 분석 사례(한성길, 1992)에 따른 김포제방의 단면(서울지방국토관리청, 1991)을 토대로 계획하였다. 실험 스케일은 1/60로 설정하고 실험 단면은 그림 3과 같이 제외지부터 제내지까지 120cm, 높이 31cm로 설정하였다. 원형 크기로 환산했을 경우, 길이 72m, 높이는 18.
- 본 실험에서 사용된 간극수압계는 GE Druck사의 PDCR 81 모델로 총 10개를 사용하였다. 우선 하천의 홍수위 모사시 수위상승을 확인하기 위해 제외지 쪽 실트층 가장자리에 간극수압계 P9를 설치하였다. 그리고 제체 내의 침투 상황을 알아 볼 수 있도록 제방 제체 내에도 간극수압계 P10을 설치하였다.
- 본 연구에서는 국내 제방 붕괴의 대표적 원인 중 하나인 파이핑 현상에 대해 살펴보았으며, 원심모형실험을 이용하여 제방의 파이핑 현상에 의한 파괴 과정 모사를 통해 원심모형실험의 적합성을 알아보고자 하였다. 이를 위하여 과거 파이핑 현상이 발생하였던 김포제방의 주요 특성을 나타내는 대표 단면을 선정하여 연구를 수행하였다. 이를 바탕으로 제방 관련 연구에서 수행된 수치해석과 축소모형실험 등의 단점을 보완할 수 있고 실제 제방의 거동을 확인 및 표현 할 수 있는 원심모형실험을 수행하여 제방 붕괴 관련 실험에서의 원심모형실험의 적용성을 알아보았으며 결과의 타당성을 검증하기 위해 수치해석결과 값과 비교해 보았다.
- 실제 김포제방 파이핑 현상이 발생한 당시의 현장 시료를 구할 수 없어 투수계수 차이가 나는 특징을 이용하여 시료를 제작하였다. 투수계수가 가장 큰 전석층은 주문진 표준사를 이용하였다. 실트층과 모래층은 주문진 표준사와 Silica silt(SIL-CO-SIL #106, U.
데이터처리
- 본 연구에서는 원심모형실험결과 검증을 위해 침투해석 프로그림인 SEEP/W를 사용하였다. 해석 모델은 원심모형실험 조건을 원형(prototype) 조건으로 변환하여 모델링하였다.
이론/모형
- SSilica Company)를 각각 1:2, 1:1 비율로 섞어 제작하였다. 각 시료의 투수계수는 KS F 2322-95에 명시된 흙의 투수계수 시험을 통해 얻었으며 각 시료의 물성치는 표 1에 나타나있다. 실제 김포제방의 경우와 같이 실트층의 투수계수가 모래층 투수계수와는 크게 차이나지 않으며 전석층 투수계수와는 많은 차이를 나타낸다.
- 본 연구의 원심모형실험 모델에서도 제체 밑의 전석층과 같이 제체와 투수계수 차이가 큰 투수층을 삽입하여 제방에서 파이핑 현상을 이상적으로 모사하였다. 모형의 단면은 김포제방의 파이핑 현상 분석 사례(한성길, 1992)에 따른 김포제방의 단면(서울지방국토관리청, 1991)을 토대로 계획하였다. 실험 스케일은 1/60로 설정하고 실험 단면은 그림 3과 같이 제외지부터 제내지까지 120cm, 높이 31cm로 설정하였다.
성능/효과
- 그림 5는 간극 수압계 P9에서 측정된 수두 값으로 수위의 변화를 알 수 있다. 60g에서 안정화 된 뒤 물을 투입시켰으며 홍수위에 도달하여 솔레노이드 밸브 제어를 통해 수위가제방 및 하부 지반 내 물 흐름과 파이핑 현상 발생 시점에 이르기까지 일정하게 유지되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 그 결과 실제 원형실험결과와 전석층과 제내지 쪽 지표면과 거리가 가장 짧은 부분에서 파이핑 현상이 발생하였다. 그리고 동수구배의 크기 또한 전석층에서 가장 가까운 노드3731에서 가장 먼저 그리고 가장 큰 동수구배값을 나타내었으며 그 다음 양 옆의 노드 3771과 노드 3732의 동수구배가 1을 넘어선 것을 알 수 있다.
- 그리하여 간극수압계를 통한 전석층과 전석층 아래 부분에서의 수압 분포와 재내지 쪽의 모니터링을 통하여 파이핑 현상을 확인하였다. 기존 연구 결과에서 나타난 바와 같이 전석층과 제내지 쪽 지표면과 거리가 가장 짧은 부분에서 파이핑 현상이 발생하는 것을 확인하였다. 기존의 수치해석으로만 확인하였던 실제 제방의 파이핑 현상을 실험적으로 확인하였다.
- 7m이다. 본 시험기의 계측시스템은 계측용 컴퓨터를 원심모형시험기의 중앙부에 설치하여 장비와 함께 회전하도록 설치하고 있으며, Fiber Optic Rotary Joint(FORJ)를 이용한 컴퓨터 통신을 활용함으로써 효과적인 계측을 수행할 수 있고, 시험기 하단에 Fluid Rotary Joint가 설치되어 원심가속 중에 시험에 필요한 용수, 공압, 유압 등을 시험 토조로 공급할 수 있다.
- 본 연구를 통해 제체 상태뿐만이 아닌 제체 하부 지반조건 또한 제방의 안전성에 크게 영향을 주고 추후 제방 설계에 있어 충분히 고려되어야 할 사항임을 확인하였다. 그리고 원심모형실험과 수치해석 결과 비교를 통해 원심모형실험의 현업 적용성을 확인 하였으며 추후 제방 연구에 원심모형실험을 이용하여 다양한 실험과 현상을 신뢰성 있게 평가하고 예측할 수 있을 것이라 판단된다.
- 그 다음, 원심모형실험의 결과를 토대로 수치모델을 이용하여 파이핑 현상 발생을 확인하였다. 수치해석 결과의 동수경사 값을 이용하여 더욱더 정확하게 파이핑 현상을 확인할 수 있었으며, 결과 또한 원심모형실험과 일치하는 것을 알 수 있었다.
- 파이핑 현상도 마찬가지로 상향의 침투수가 제체나 기초 지반의 흙을 쓸고 나오는 현상이다. 실제 원심모형실험 결과에서의 파이핑 현상 발생은 간극수압계로 측정된 수압과 녹화된 비디오를 통해 확인할 수 있었다. 수치해석을 통해 얻은 결과에서는 한계동수구배를 이용한다.
- 366m를 넘어섰다. 실험 결과(그림 6(a))에서도 전석층에서의 간극수압계 센서의 결과 값이 급격히 증가하는 시점과 이론적인 Piping triggerpoint로 판단되는 파이핑 발생 시점이 거의 일치하는 것을 알 수 있었다.
- 그림 12는 원심모형실험 결과와 동일 사건에 따른 수두변화를 나타낸 것이다. 원심모형실험 결과와 동일하게 전석층의 수두가 먼저 증가하고 시차를 두고 전석층과 전석층 아래의 수두가 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 제체 상태뿐만이 아닌 제체 하부 지반조건 또한 제방의 안전성에 크게 영향을 주고 추후 제방 설계에 있어 충분히 고려되어야 할 사항임을 확인하였다. 그리고 원심모형실험과 수치해석 결과 비교를 통해 원심모형실험의 현업 적용성을 확인 하였으며 추후 제방 연구에 원심모형실험을 이용하여 다양한 실험과 현상을 신뢰성 있게 평가하고 예측할 수 있을 것이라 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.