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문제 정의
- 본 연구에서는 사질토 지반에 설치한 원형수직터널에서 아칭효과로 인해 발생하는 토압의 거동특성을 분석하고자 원심모형실험을 수행하였다. 실험의 종류 및조건은 표 1에 나타낸 바와 같이 직경 6.
- 이에 본 연구에서는 사질토 지반에 설치한 원형수직 터널에서 아칭효과로 인해 발생하는 토압의 거동특성을 실규모 차원으로 보다 정량화하기 위하여 직경 6.0m, 높이 15.0m의 원형 수직터널을 대상으로 원심모형실험(centrifuge test)을 2회 반복 수행하였으며, 그 결과를 기존의 아칭이론식(김도훈 등 2009)과 비교하였다.
제안 방법
- 굴착효과를 위한 벽체의 이동(변위)제어는 변속모터를 이용하여 주동변위(δ/H, δ:수평변위, H:수직터널 높이)를 모사하였으며, 이때의 벽체의 이동속도는 1mm/140sec로 설정하였다.
- 이를 위해 상단 및 하단 수직구를 분리하고, 각 단의 수직구 벽체는 3개 부분으로 분리하여 직경이 줄어들 수 있도록 제작하였다. 또한 수직구 벽체에는 총 8개의 소형 토압계를 상단과 하단의 중앙에 부착 하여 토압의 변화를 측정할 수 있도록 하였다.
- 5cm가 된다. 본 연구에서는 배면지반이 충분이 이완될 만큼 최대 30cm까지 주동변위를 허용하였다.
- 본 연구에서는 원심모형실험(centrifuge model test)을통해 굴착단계에 따른 원형수직터널의 토압 거동특성을 분석하였으며, 아칭현상을 반영한 이론토압식과 실험결과를 비교하였다. 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 사질토 지반에 설치한 원형수직터널에서 아칭효과로 인해 발생하는 토압의 거동특성을 분석하고자 원심모형실험을 수행하였다. 실험의 종류 및조건은 표 1에 나타낸 바와 같이 직경 6.0m, 높이 15m 의 원형수직터널을 1/75로 축소 모형화하여 2회 반복실 험을 실시하였다. 지반 굴착에 따른 토압의 거동을 분석하기 위하여 수직벽체는 2단으로 분리하였으며, 상단과 하단에 각각 4개의 토압계를 설치하여 토압을 측정하였다.
- 아울러, 최종 실험 후 지반 내부 소성영역의 확인을 위해 층별로 색소를 넣어 실험 후 지반의 변형상태를 확인하였다.
- 원형수직터널의 굴착단계별 토압의 거동 측정을 위해 2단으로 구성된 모형 수직터널 벽체에 주동변위(δ /H, δ:수평변위, H:수직터널 높이)를 일으켜 수직터널의 굴착효과를 모사하였다.
- 이때 상단 수직터널의 굴착효과는 배면지반이 충분히 이완될 만큼 주동변위(δ/H)를허용하여 토압을 측정한 후, 하단 수직터널에 주동변위를 허용하였다.
- 이때의 수평토압은 수직터널의 상하단 굴착시 수평토압이 수렴하기 시작하는 주동변위(δ/H=0.2×10-2)의 토압을 바탕으로 이론토압식과 비교하였다.
- 실험을 위해 그림 3과 같이 소형토조(가로 70cm × 세로 40cm × 높이 20cm)를 steel로 제작하였으며, 원형수 직구의 벽체는 최대 2단까지 굴착 단계모사가 가능하도록 제작하였다. 이를 위해 상단 및 하단 수직구를 분리하고, 각 단의 수직구 벽체는 3개 부분으로 분리하여 직경이 줄어들 수 있도록 제작하였다. 또한 수직구 벽체에는 총 8개의 소형 토압계를 상단과 하단의 중앙에 부착 하여 토압의 변화를 측정할 수 있도록 하였다.
- 0m, 높이 15m 의 원형수직터널을 1/75로 축소 모형화하여 2회 반복실 험을 실시하였다. 지반 굴착에 따른 토압의 거동을 분석하기 위하여 수직벽체는 2단으로 분리하였으며, 상단과 하단에 각각 4개의 토압계를 설치하여 토압을 측정하였다. 굴착효과를 위한 벽체의 이동(변위)제어는 변속모터를 이용하여 주동변위(δ/H, δ:수평변위, H:수직터널 높이)를 모사하였으며, 이때의 벽체의 이동속도는 1mm/140sec로 설정하였다.
- 지반 조성은 강사기를 이용하였다. 지반의 균질성을 확인하기 위하여 소형토조내의 상단부터 5cm 간격으로 알루미늄캔을 4개씩 매설하였으며, 실험종료 후 개개의 무게를 측정하여 단위중량과 함수비를 확인함으로써 일정한 지반조성을 확인하였다.
- 지반 조성은 강사기를 이용하였다. 지반의 균질성을 확인하기 위하여 소형토조내의 상단부터 5cm 간격으로 알루미늄캔을 4개씩 매설하였으며, 실험종료 후 개개의 무게를 측정하여 단위중량과 함수비를 확인함으로써 일정한 지반조성을 확인하였다. 이때 지반의 평균 단위중량은 12.
- 지반조성과 계측장비 구축을 완료한 후, 원심모형실 험장치의 중력장을 75G level까지 가속하여 지반조성에 따른 토압계의 검증을 실시하였다. 초기 토압과 정지토압(Ko)을 이용하여 검증한 결과, R2은 99.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 실험장치는 원심재하장치(centrifuge loading device), 소형토조(small size soil container), 모형 수직구(model vertical shaft), 지반조성을 위한 강사기(sand rainer)와 중력가속도장에서 모형 수직구 벽체의 변위를 제어하기 위한 모터장치(motor & gear reducer) 로 구분할 수 있다.
- 실험을 위해 그림 3과 같이 소형토조(가로 70cm × 세로 40cm × 높이 20cm)를 steel로 제작하였으며, 원형수 직구의 벽체는 최대 2단까지 굴착 단계모사가 가능하도록 제작하였다.
- 소형 토조내 지반조성에 사용한 시료는 주문진 표준사를 사용하였으나, 예비실험 결과 토압계센서의 직경 대비 모래의 입경비의 차이로 명확한 토압측정이 어려웠다. 이에 주문진 표준사보다 평균입경이 작은 세립분의 균등한 모래(SP)를 실험에 사용하였으며 그 특성은 표 3과 같다.
이론/모형
- 주동변위를 측정하기 위한 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)는 미국 Sensotec사의 M-5P 모델로써 수직구 벽체의 수평평위및 표층의 수직변위 측정에 사용하였다.
성능/효과
- (1) 원형수직터널의 굴착단계별 토압의 거동 측정을 위해 2단으로 구성된 모형 수직터널 벽체에 주동변위(δ/H)를 일으켜 수직터널의 굴착효과를 모사한 결과, 상단 굴착에 따른 상단부의 수평토압은 최대 50%(AP4) 가까이 토압이 저감하는 것으로 나타났 으며, 이때 하단부의 수평토압은 변화가 없었다.
- (2) 하단 굴착에 따른 하단부의 수평토압의 감소율은 굴착시점부터 토압이 수렴하기 시작하는 주동변위(δ/H:0.2×10-2)까지 최대 70%(AP8)에 가까운 토압이 감소하는 것으로 나타났다.
- (3) 상단부 굴착시보다 하단부 굴착시 토압의 저감이 더욱 커지는 것은 지반의 심도가 깊어질수록 굴착에 따른 수평토압의 감소율이 커지는 것으로 아칭 효과에 의한 하중재분배가 원인인 것으로 판단된다.
- (4) 특히, 하단부 굴착에 따른 주동변위가 발생하면서 상단부의 수평토압은 굴착시 감소했던 토압이 일부 회복하는 것으로 나타났으며, 수직터널 벽체 높이의 0.6%에 해당하는 주동변위가 발생할 경우 초기 Ko 수평토압의 크기까지 회복하는 것으로 나타났다.
- (5) 실험결과와 아칭현상을 반영한 이론토압식과 비교한 결과, 대부분의 수평토압은 이론토압식에 비하여 작거나 비슷한 값의 분포를 보이고 있으며, 모든 해석에서 원형 수직터널에 작용하는 전 수평토압은 초기 Ko 수평토압에 비해 약 70% 가까이 토압이 저감되는 것을 확인하였다. 이는 평면변형 조건의 옹벽에 작용하는 토압과 달리 원형구조물은 3차원 아칭효과가 토압의 거동을 지배하는 주인자임을 보여주는 것이다.
- 수직터널을 단계별로 굴착할 경우 상단 굴착으로 감소한 수평토압은 하단 굴착시 하중 재분배로 일부 토압을 상단으로 전이시켜 줄어든 수평토압을 회복시키고 있으며, 수직터널 높이의 0.6%에 해당하는 수평변위가 발생할 때 초기 Ko 수평토압의 크기까지 회복하는 것으로 나타났다.
- 아울러 주동변위 [0.6×10-2] 에서의 상단 수평토압의 회복률도 첫 번째 실험결과와 유사하게 굴착전 초기 토압까지 회복하는 것으로 나타났다.
- 그 이유는 실험에 사용한 소형토조의 재질이 강성이 강한 철(steel) 구조물로써 토압이완에 따른 하중의 재분배시 바닥부분에서 토압이 전이되지 못하고 rebound된 것이 원인인 것으로 판단된다. 아울러, 모든 해석에서 원형 수직터널에 작용 하는 전 수평토압은 초기 Ko 수평토압에 비해 약 70% 가까이 토압이 저감되는 것을 확인하였다.
- 위의 결과들을 종합해 볼 때, 하단 수직터널 굴착시 하단 수평토압(AP5∼AP8)은 초기 주동변위가 발생하였을 때 상단 수직터널의 수평토압 보다도 큰 기울기로 감소하고 있으며, 이때 수평토압의 감소율은 굴착시점부터 토압이 안정화 되기 시작하는 주동변위(δ/H:0.2×10-2) 까지 최대 70%(AP8) 가까이 토압이 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 지반의 심도가 깊어질수록 굴착에 따른 수평토압의 감소율이 커지는 것으로 아칭효과에 의한 하중재분배가 원인인 것으로 나타났다.
- 특히 굴착 후 토압이 안정화 되는 주동변위(δ/H:0.2×10-2)까지의 상단부 수평토압(AP1∼AP4)의 증가율은 10% ～ 30%로 나타나, 상단굴착시 감소했던 토압의 감소량이 일부 회복하고 있음을 알 수 있다.
- 하단 수직터널 굴착시 수평토압(AP5∼ AP8)은 초기 주동변위가 발생하였을 때 상단 수직터널의 수평토압 보다도 큰 기울기로 감소하고 있으며, 이때 수평토압의 감소율은 굴착시점부터 토압이 안정화 되기 시작하는 주동변위(δ/H:0.2×10-2)까지 최대 70%(AP8) 가까이 토압이 감소하는 것으로 나타났다.
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