본 연구에서는 1g 진동대 실험을 통해 지진시 액상화 지반에 근입된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 크기 및 위상 변화를 분석하였다. 건조 사질토 지반에 설치된 말뚝의 경우 말뚝 상부 하중 관성력의 영향으로 지표면 가까이에서 동적 토압이 크게 작용하고 깊이가 깊어질수록 동적 토압이 감소하는 데 비해, 액상화 지반에 설치된 말뚝의 경우 동적 토압의 크기 및 발생 양상은 지반 내에 발생한 과잉간극수압의 크기 및 발생 양상과 유사하였으며, 관성력의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 또한, 건조 사질토 및 포화 사질토에서 액상화가 발생하지 않는 경우 말뚝에 작용하는 동적 토압과 상부 하중의 관성력은 서로 반대 방향으로 작용하다가, 액상화 발생시에는 지표면 가까이에서 동일한 방향으로 작용하는 것으로 나타났으며, 액상화 후에는 관성력 영향이 소멸되어 동적 토압 크기가 크게 감소하였다. 끝으로 액상화 발생시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분의 크기는 안벽 구조물의 동적 수압을 산정하는 Westergaard 식으로 산정한 값의 약 50% 정도였다.
본 연구에서는 1g 진동대 실험을 통해 지진시 액상화 지반에 근입된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 크기 및 위상 변화를 분석하였다. 건조 사질토 지반에 설치된 말뚝의 경우 말뚝 상부 하중 관성력의 영향으로 지표면 가까이에서 동적 토압이 크게 작용하고 깊이가 깊어질수록 동적 토압이 감소하는 데 비해, 액상화 지반에 설치된 말뚝의 경우 동적 토압의 크기 및 발생 양상은 지반 내에 발생한 과잉간극수압의 크기 및 발생 양상과 유사하였으며, 관성력의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다. 또한, 건조 사질토 및 포화 사질토에서 액상화가 발생하지 않는 경우 말뚝에 작용하는 동적 토압과 상부 하중의 관성력은 서로 반대 방향으로 작용하다가, 액상화 발생시에는 지표면 가까이에서 동일한 방향으로 작용하는 것으로 나타났으며, 액상화 후에는 관성력 영향이 소멸되어 동적 토압 크기가 크게 감소하였다. 끝으로 액상화 발생시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분의 크기는 안벽 구조물의 동적 수압을 산정하는 Westergaard 식으로 산정한 값의 약 50% 정도였다.
In this study, the magnitude and phase variation of dynamic earth pressure acting on a pile in liquefiable soils were analyzed using a series of 1g shaking table tests. In the case of a pile in dry sand, the value of the dynamic earth pressure was the highest near the surface due to the inertia forc...
In this study, the magnitude and phase variation of dynamic earth pressure acting on a pile in liquefiable soils were analyzed using a series of 1g shaking table tests. In the case of a pile in dry sand, the value of the dynamic earth pressure was the highest near the surface due to the inertia force of the upper load on the pile and it decreased as the depth of the pile got lower. On the other hand, for a pile in liquefiable sand, the magnitude and shape of the dynamic earth pressure were similar to those of the excess pore pressure and was largely affected by the deformation of soils. Furthermore, the inertia force of the upper load and the dynamic earth pressure acted in opposite directions in cases of dry sand and saturated sand where low excess pore pressure had developed. However, after liquefaction, those force components near surface acted unfavorably in the same direction. Finally, the Westergaard’s solution was modified and proposed as a method to evaluate the magnitude of dynamic earth pressure acting on a pile during liquefaction.
In this study, the magnitude and phase variation of dynamic earth pressure acting on a pile in liquefiable soils were analyzed using a series of 1g shaking table tests. In the case of a pile in dry sand, the value of the dynamic earth pressure was the highest near the surface due to the inertia force of the upper load on the pile and it decreased as the depth of the pile got lower. On the other hand, for a pile in liquefiable sand, the magnitude and shape of the dynamic earth pressure were similar to those of the excess pore pressure and was largely affected by the deformation of soils. Furthermore, the inertia force of the upper load and the dynamic earth pressure acted in opposite directions in cases of dry sand and saturated sand where low excess pore pressure had developed. However, after liquefaction, those force components near surface acted unfavorably in the same direction. Finally, the Westergaard’s solution was modified and proposed as a method to evaluate the magnitude of dynamic earth pressure acting on a pile during liquefaction.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 1g 진동대 실험을 통해 액상화시 말뚝-지반 구조물에서 지반 변형에 의한 운동학적 작용력 및 말뚝 상부 하중에 의한 관성력이 각각 말뚝 기초에 미치는 영향을 분석하고자 하였으며, 이와 더불어 말뚝에 작용하는 관성력과 동적 토압 사이의 위상 관계를 평가하고자 하였다. 또한, 액상화 지반에 근입된 말뚝의 내진 설계시 적용 가능한 동적 토압의 크기를 산정하기 위해, 안벽 구조물의 동적 수압을 계산하는 데 사용되는 Westergaard 식(Westergaard, 1933)을 이용하여 액상화 시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 크기를 산정하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 입력지진파의 가속도 크기와 진동수, 그리고 말뚝 상부 하중의 크기 등을 달리하면서 총 30번의 1g 진동대 실험을 수행하였다. 길이 194cm, 폭 44cm, 높이 60cm의 토조를 이용하여 실험을 수행하였으며, 모형 말뚝을 물, 건조 사질토, 포화 사질토의 세 가지 지반에 설치하여 말뚝에 작용하는 토압의 크기 및 위상 관계를 평가하였다.
본 연구에서는 입력지진파의 가속도 크기와 진동수, 그리고 말뚝 상부 하중의 크기 등을 달리하면서 총 30번의 1g 진동대 실험을 수행하였다. 길이 194cm, 폭 44cm, 높이 60cm의 토조를 이용하여 실험을 수행하였으며, 모형 말뚝을 물, 건조 사질토, 포화 사질토의 세 가지 지반에 설치하여 말뚝에 작용하는 토압의 크기 및 위상 관계를 평가하였다. 물에 말뚝을 설치한 경우의 실험은 액상화 지반에서 말뚝에 작용하는 동적 토압과 유체 내에서 말뚝에 작용하는 동적 수압을 비교하기 위해 수행하였고, 건조 사질토에 말뚝을 설치한 경우의 실험은 과잉간극수압이 발생하지 않는 지반의 말뚝에 작용하는 동적 토압을 측정하기 위하여 수행하였으며, 지진시 발생하는 과잉간극수압이 말뚝에 미치는 영향을 평가하기 위하여 포화 사질토 지반에 말뚝을 설치하여 실험을 수행하였다.
길이 194cm, 폭 44cm, 높이 60cm의 토조를 이용하여 실험을 수행하였으며, 모형 말뚝을 물, 건조 사질토, 포화 사질토의 세 가지 지반에 설치하여 말뚝에 작용하는 토압의 크기 및 위상 관계를 평가하였다. 물에 말뚝을 설치한 경우의 실험은 액상화 지반에서 말뚝에 작용하는 동적 토압과 유체 내에서 말뚝에 작용하는 동적 수압을 비교하기 위해 수행하였고, 건조 사질토에 말뚝을 설치한 경우의 실험은 과잉간극수압이 발생하지 않는 지반의 말뚝에 작용하는 동적 토압을 측정하기 위하여 수행하였으며, 지진시 발생하는 과잉간극수압이 말뚝에 미치는 영향을 평가하기 위하여 포화 사질토 지반에 말뚝을 설치하여 실험을 수행하였다.
2g의 정현파를 이용하였다. 기본 입력 하중 주파수는 10Hz로 하였는데, 몇 가지 실험에서는 입력 하중 주파수의 영향을 알아보기 위해 2, 3, 5Hz의 주파수에 대해서도 실험을 수행하였다. 또한, 말뚝 상부 하중에 의한 관성력이 말뚝 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 경우에 따라 상부 하중의 질량을 0, 3.
기본 입력 하중 주파수는 10Hz로 하였는데, 몇 가지 실험에서는 입력 하중 주파수의 영향을 알아보기 위해 2, 3, 5Hz의 주파수에 대해서도 실험을 수행하였다. 또한, 말뚝 상부 하중에 의한 관성력이 말뚝 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 경우에 따라 상부 하중의 질량을 0, 3.8, 7.6kg 등으로 하여 실험을 수행하였다. 입력 가속도의 진동지속시간은 물과 건조토의 경우에는 5초로 하였고, 포화토의 경우에는 과잉간극수압의 발생을 위해 8초간 진동을 가하였다.
6kg 등으로 하여 실험을 수행하였다. 입력 가속도의 진동지속시간은 물과 건조토의 경우에는 5초로 하였고, 포화토의 경우에는 과잉간극수압의 발생을 위해 8초간 진동을 가하였다. 그리고, 표 1의 case 3i의 경우에는 입력 가속도 크기가 서서히 증가될 때 과잉간극수압과 말뚝에 작용하는 동적 토압의 변화를 살펴보기 위하여, 입력 가속도 크기를 0.
말뚝 하부는 토조에 고정시켜 암반에 근입된 말뚝을 모사하고자 하였으며, 모형 지반 내 말뚝의 근입 깊이는 50cm이다. 본 실험에서는 진동대 실험에 일반적으로 사용되는 스트레인 게이지, 변위계, 간극수압계, 가속도계 이외에 그림 2와 같은 직경 4mm의 초소형 토압계 4개를 말뚝에 깊이별로 부착하여 말뚝에 작용하는 동적 토압을 직접 측정하였다. 그림 3은 실험에 사용된 입력 가속도 시간이력을 실험 조건별로 보여주고 있다.
조밀한 건조토 지반(Dr≈80%)은 진동대 위에서 진동을 가하여 조성하였으며, 느슨한 건조토 지반(Dr≈38%)은 강사장치를 이용하여 조성하였다.
느슨한 포화토 지반(Dr≈25%)은 수중에서 1mm의 체를 통과시켜서 조성하였으며, 중간 조밀한 포화토 지반(Dr≈54%)은 지반 위 5cm의 수위를 유지하면서 일정한 높이에서 젖은 흙을 떨어뜨리는 방법으로 조성하였다.
(2004)의 안벽 구조물에 작용하는 하중 분석 연구에 의하면, 안벽 구조물에 작용하는 동적 토압은 그림 4와 같이 진동 성분과 비진동 성분으로 분리할 수 있는데, 이 경우 비진동 성분은 배면 지반에서의 과잉간극수압의 크기에 따라 변화한다. 본 연구에서도 말뚝에 작용하는 동적 토압을 주파수 필터링 방법을 이용하여 진동하는 성분(동적 성분)과 비진동 성분(정적 성분)으로 분리하고 과잉간극수압에 따른 비진동 성분의 변화를 분석하였다. 결과 그래프 상의 F는 fluctuating component(진동 성분)을 의미하고 NF는 non-fluctuating component(비진동 성분)을 의미한다.
al.(2004)의 안벽구조물의 동적 토압 연구 방법과 같이 상부 하중 가속도 방향의 반대 방향에 토압계를 말뚝에 부착하여 실험을 수행하고 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 1g 진동대 실험을 수행하여 지반의 액상화 여부에 따라 말뚝에 작용하는 동적 토압의 크기 및 위상변화를 분석하였다.
(3) 액상화가 발생한 지반에 근입된 말뚝의 동적 토압을 계산하기 위하여, 안벽 구조물에 작용하는 동적 수압을 산정하는 Westergaard 식의 적용 가능성을 검토하였다. 그 결과 액상화 지반에 근입된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분은 Westergaard 식에 의한 계산값의 약 50% 정도인 것으로 나타났다.
대상 데이터
표 1에는 본 연구에서 수행한 1g 진동대 실험 내용이 요약되어 있다. 입력 가속도는 우리 나라를 포함한 중약진 지진대의 설계 지진가속도 크기와 유사한 0.1g와 0.2g의 정현파를 이용하였다. 기본 입력 하중 주파수는 10Hz로 하였는데, 몇 가지 실험에서는 입력 하중 주파수의 영향을 알아보기 위해 2, 3, 5Hz의 주파수에 대해서도 실험을 수행하였다.
그림 1에는 각 지반 조건별 실험 모형의 단면 및 계측기의 설치 위치 등이 나타나 있다. 본 연구에서 사용한 2개의 모형 말뚝은 직경 14mm, 두께 1mm, 길이 550mm의 알루미늄관으로 제작하였으며, 제원은 표 2에 보인 것과 같다. 말뚝 하부는 토조에 고정시켜 암반에 근입된 말뚝을 모사하고자 하였으며, 모형 지반 내 말뚝의 근입 깊이는 50cm이다.
진동대 실험에 사용된 흙은 주문진 표준사이며, 이 흙의 물성값은 표 3에 요약되어 있다. 조밀한 건조토 지반(Dr≈80%)은 진동대 위에서 진동을 가하여 조성하였으며, 느슨한 건조토 지반(Dr≈38%)은 강사장치를 이용하여 조성하였다.
이론/모형
이에 본 연구에서는 1g 진동대 실험을 통해 액상화시 말뚝-지반 구조물에서 지반 변형에 의한 운동학적 작용력 및 말뚝 상부 하중에 의한 관성력이 각각 말뚝 기초에 미치는 영향을 분석하고자 하였으며, 이와 더불어 말뚝에 작용하는 관성력과 동적 토압 사이의 위상 관계를 평가하고자 하였다. 또한, 액상화 지반에 근입된 말뚝의 내진 설계시 적용 가능한 동적 토압의 크기를 산정하기 위해, 안벽 구조물의 동적 수압을 계산하는 데 사용되는 Westergaard 식(Westergaard, 1933)을 이용하여 액상화 시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 크기를 산정하고자 하였다.
그림 12와 그림 13은 건조 사질토 및 포화 사질토에서 각각 상부 하중의 크기에 따라 말뚝에 작용하는 깊이별 최대 동적 토압 및 말뚝과 지반의 깊이별 최대 변위를 보여주고 있다. 말뚝 변위는 스트레인게이지를 부착한 말뚝으로부터 구한 깊이별 모멘트 값에 대하여 cubic spline 방법을 이용해 깊이별 모멘트 분포 곡선을 구한 후, 이를 두 번 적분하는 방법으로 말뚝 변위를 산정하였다. 지반 변위는 지반에 설치한 가속도 계측값에 대하여 말뚝 변위 계산시와 마찬가지로 cubic spline 방법을 이용해 깊이별 가속도 분포 곡선을 구한 후, 이를 두 번 적분하는 방법으로 계산하였다.
말뚝 변위는 스트레인게이지를 부착한 말뚝으로부터 구한 깊이별 모멘트 값에 대하여 cubic spline 방법을 이용해 깊이별 모멘트 분포 곡선을 구한 후, 이를 두 번 적분하는 방법으로 말뚝 변위를 산정하였다. 지반 변위는 지반에 설치한 가속도 계측값에 대하여 말뚝 변위 계산시와 마찬가지로 cubic spline 방법을 이용해 깊이별 가속도 분포 곡선을 구한 후, 이를 두 번 적분하는 방법으로 계산하였다.
성능/효과
(1) 건조 사질토의 경우, 말뚝 상부 하중 관성력이 지반 변형에 의한 힘보다 말뚝에 작용하는 동적 토압에 큰 영향을 주었으며, 포화 사질토의 경우, 액상화 발생시 말뚝에 작용하는 동적 토압은 상부 하중의 크기에 영향을 받지 않고, 말뚝 주변 지반의 과잉간극수압 및 지반 변형에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
(2) 건조 사질토의 경우, 지표면에서 가장 가까이에서는 말뚝 상부 하중의 관성력과 말뚝에 작용하는 동적 토압 사이에 180도의 위상차가 발생하였으며, 깊이가 깊어짐에 따라 위상차가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 그러나, 포화 사질토의 경우에는 액상화가 발생하기 이전에는 동적 작용력 사이의 위상 관계가 건조 사질토의 경우와 유사한 양상을 보였으나, 액상화가 발생한 이후에는 흙의 유동성이 증가하면서 지표면 가까이에서의 동적 토압이 관성력과 동일한 방향으로 작용하며, 깊이가 깊어지면서 말뚝 상부 하중의 관성력과 동적 토압은 90도 정도의 위상 차이를 보인다.
(3) 액상화가 발생한 지반에 근입된 말뚝의 동적 토압을 계산하기 위하여, 안벽 구조물에 작용하는 동적 수압을 산정하는 Westergaard 식의 적용 가능성을 검토하였다. 그 결과 액상화 지반에 근입된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분은 Westergaard 식에 의한 계산값의 약 50% 정도인 것으로 나타났다.
이 그림에서 보면, 물에 설치된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분이 Westergaard 해의 약 20% 정도이며, 액상화 지반에 설치된 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분은 Westergaard 해의 약 50% 정도인 것으로 나타났는데, 그 이유는 원형인 말뚝의 형상 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 액상화 발생시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분은 Westergaard 해의 50% 값을 이용하여 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 액상화 지반에 근입된 말뚝의 내진 설계시 고려하여 설계하는 것이 합리적인 것으로 생각된다. 그러나, 이 결과는 지반 구속압이 아주 작은 1g 진동대 실험을 통해 얻은 것이므로, 추후 현장 구속압을 재현할 수 있는 원심모형실험을 이용하여 검증할 필요가 있다.
후속연구
따라서, 액상화 발생시 말뚝에 작용하는 동적 토압의 진동 성분은 Westergaard 해의 50% 값을 이용하여 산정할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 액상화 지반에 근입된 말뚝의 내진 설계시 고려하여 설계하는 것이 합리적인 것으로 생각된다. 그러나, 이 결과는 지반 구속압이 아주 작은 1g 진동대 실험을 통해 얻은 것이므로, 추후 현장 구속압을 재현할 수 있는 원심모형실험을 이용하여 검증할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지진시 말뚝 기초의 피해는 무엇에 의해 일어나는 것인가?
, 2000)을 이용하여, 여러 연구자들이 수행한 바 있다. 지진시 말뚝 기초의 피해는 지반-말뚝 상호 작용에 의한 지반 운동학적 작용력과 상부 구조물의 관성력에 의해 일어나는 것으로 알려져 있다(Tokimatsu, 2005). 그러나, 액상화 발생시 이러한 운동학적 효과와 관성 효과가 말뚝 기초에 미치는 영향에 대한 정량적 분석은 아직까지 미흡하다.
액상화로 인한 흙의 강도와 강성의 감소가 어떻게 말뚝의 파괴가 일어나게 하는가?
액상화 가능성이 있는 지반에 근입된 말뚝은 지진시 과잉간극수압의 영향으로 복잡한 거동을 보인다. 액상화로 인한 흙의 강도와 강성의 감소는 액상화 지반에 근입된 말뚝에 큰 모멘트와 전단력을 발생시킴으로써 말뚝의 파괴가 일어나게 하는 것으로 알려져 있으며, 과거 1964년 Niigata, 1964년 Alaska, 그리고 1995년 Kobe 지진 등에서 이와 같은 액상화로 인한 말뚝 피해 사례가 많이 보고되었다.
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