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사용 중인 단독 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동
Behaviour of single piles and pile groups in service to adjacent tunnelling conducted in the lateral direction of the piles 원문보기

한국터널지하공간학회논문집 = Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, v.14 no.4, 2012년, pp.337 - 356  

이철주 (강원대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 사용 중인 단독말뚝 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널굴착에 의한 말뚝의 거동을 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 유발된 말뚝-지반 경계면에서의 전단응력전이를 미끄러짐(slip)을 고려할 수 있는 접촉요소(interface element)를 이용하여 분석하였다. 본 연구는 말뚝-지반경계면에서의 전단응력, 말뚝의 축력 및 지반 및 말뚝의 변형에 대한 분석을 포함한다. 탄성이론에 근거한 기존의 연구는 말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자들을 적절히 고려하지 못하여 말뚝의 거동을 명확하게 분석할 수 없는 것으로 나타났다. 터널굴착으로 유발된 말뚝-지반 사이에서의 전단응력전이로 인하여 말뚝인접 지반의 전단응력 및 말뚝의 축력분포가 크게 변하는 것으로 나타났는데, 터널 springline 상부에서는 하향의 마찰력이 발생하였으며, 그 하부에서는 상향의 저항력이 발현되어 말뚝에는 압축력이 발생하였다. 경계면에서의 전단응력 발현정도는 말뚝-지반의 상호거동에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 군말뚝의 축력분포에 대한 분석결과 단독말뚝에 비해 터널굴착의 영향을 덜 받는 것으로 나타났다. 터널굴착으로 유발된 말뚝의 침하와 관련된 말뚝의 겉보기 지지력 감소는 크지 않은 것으로 분석되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Three-dimensional (3D) numerical analyses have been performed to study the behaviour of single piles and grouped piles to adjacent tunnelling in the lateral direction of the pile. In the numerical analyses, the interaction between the tunnel, the pile and the soil next to the piles and shear transfe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 사용 중인 단독말뚝 및 군말뚝의 측면으로 실시되는 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 고급 3차원 유한요소해석을 실시하여 분석하였다. 수치해석 결과를 탄성이론 및 β-방법 등 기존의 연구와 비교 분석하였다.
  • 이에 본 연구에서는 사용 중인 단독말뚝 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널건설로 인해 유발된 말뚝의 거동을 3차원유한요소해석을 실시하여 분석하였다. 본 연구에서 수행된 수치해석은 크게 기존연구와의 비교를 위한 2차원조건의 탄성해석 및 3차원조건의 탄소성해석으로 구분할 수 있다.

가설 설정

  • 경계면에서의 거동은 한계 상대변위(limiting shear displacement) 및 마찰계수(interface friction coefficient), μ의 영향을 받는다, 여기서, μ는 tan(δ′) 이고, δ′는 말뚝과 지반 사이의 마찰각인데 본 연구의 경우 0.75Φp로 가정하였다.
  • 군말뚝의 경우 2×2 말뚝을 가정하였고 말뚝간의 거리는 1.5 m이며(말뚝사이의 간격: 3D) 기초판으로 연결되지 않은 말뚝 및 기초판으로 연결된 말뚝을 고려하였다.
  • 5 m이며(말뚝사이의 간격: 3D) 기초판으로 연결되지 않은 말뚝 및 기초판으로 연결된 말뚝을 고려하였다. 기초판으로 연결된 군말뚝의 경우 기초판은 지표면과 접촉되지 않은 것으로 가정하였다. 군말뚝내 각 말뚝의 위치는 그림 2b에 나타나 있다.
  • 해석 그리드의 바닥은 핀 그리고 측면은 롤러로 지지된 조건하에서 해석을 실시하였다. 모든 해석은 배수조건하에서 실시되었으며, 지하수위는 지표면에 존재하는 것으로 가정하여 터널굴착으로 인한 인근지반의 지하수위의 저하 가능성은 고려하지 않았다.
  • 말뚝-지반 경계면의 거동은 ABAQUS 프로그램에서 제공하는 interface 요소를 이용하여 모사하였으며, Lee(2001)을 참조하였다. 본 연구에서는 3 mm의 상대변위 발생 시 최대마찰력이 발생하는 것으로 가정하였다. 경계면에서의 거동은 한계 상대변위(limiting shear displacement) 및 마찰계수(interface friction coefficient), μ의 영향을 받는다, 여기서, μ는 tan(δ′) 이고, δ′는 말뚝과 지반 사이의 마찰각인데 본 연구의 경우 0.
  • 수치해석에서 가정한 탄성계수가 24 MPa인 지반의 가능한 최소 및 최대 내부마찰각을 각각 30°, 40°으로 가정하고, 말뚝-지반 경계면에서의 마찰각을 내부마찰각의 75%로 취하면 등방조건 하에서 β값은 0.41, 0.58로 평가할 수 있다.
  • 수치해석에서는 말뚝의 근입효과 및 이로 인한 지반의 응력변화는 고려하지 않았기 때문에 본 연구에서 가정한 말뚝은 현장타설말뚝의 거동과 유사하다고 가정할 수 있다. 해석 G 및 E의 경우 기존 탄성이론에 근거한 연구와의 비교를 위하여 Kitiyodom et al.
  • (2009)은 탄성이론을 이용하여 터널굴착으로 인해 말뚝에 유발된 변형이나 축력분포를 분석하였다. 이에 대한 비교를 위하여 수치 해석에서 터널의 굴착은 평면변형률(plane strain) 조건에서 한번에 실시되는 것으로 가정하였으며, 터널라이닝은 고려하지 않았다(해석 G and E)(Kitiyodom et al., 2005). 또한 터널 굴착 이전 말뚝 두부에는 상재하중을 작용시키지 않았다.
  • 즉 터널굴착 이전의 말뚝축력은‘0’으로 가정하였다.
  • 각 터널의 굴착은 1 m의 길이로 실시되었으며 200 mm의 두께를 가지는 숏크리트 라이닝을 전단계에서 실시된 굴착면에 적용시켜 터널지보재의 설치를 모델링하였다. 즉 터널의 비지지거리는 모든 터널굴착 단계에서 1 m로 가정하였다.
  • 지반의 물성치는 Pun and Ho(1996)의 연구결과를 참고로 하여 한계상태마찰각(Φc’) 35°를 적용했으며, 팽창각 5°을 가정하였다.
  • 본 연구에서는 총 7회의 해석이 실시하였으며 각 해석의 특징은 표 1에 요약되어 있다. 터널의 굴착은 연약지반에서 실시되는 SCL(sprayed concrete lining) 터널공법(ICE 1996, Thomas 2009)으로 실시되는 것으로 가정하였다. 해석 그리드의 바닥은 핀 그리고 측면은 롤러로 지지된 조건하에서 해석을 실시하였다.
  • 5 m이다. 터널중심부의 위치는 단독말뚝의 중심에서 횡방향으로 4.5 m 혹은 6.0 m(0.75D, 1.0D)에 위치하고 있는 것으로 가정하였다. 군말뚝의 경우 2×2 말뚝을 가정하였고 말뚝간의 거리는 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 연구에서 터널굴착이 인근 말뚝에 미치는 영향을 과하게 평가하게 될 것이라고 판단한 이유는 무엇인가? (2009)의 축력은 약간 작은 값은 예측하고 있다. 그러나 탄성이론에 의한 말뚝축력 평가의 경우 앞서 언급한 터널굴착과 관련된 여러 지배인자를 적절히 반영하지 못하기 때문에, 터널굴착이 인근 말뚝에 미치는 영향을 과하게 평가하게 될 것으로 판단된다.
기존 연구들이 가지는 실제 터널의 시공과 관련된 몇 가지 인자들을 고려할 수 없다는 문제의 사례를 설명하시오 그러나 기존연구의 대부분은 실제 터널의 시공과 관련된 몇 가지 인자들을 고려할 수 없다는 문제를 내포하고 있다. Lee et al.(2010) 이 논의한 바와 같이 기존 연구의 대부분은 터널굴착 이전에 사용 중인 말뚝의 두부에 설계하중을 작용시키지 않으며, 터널굴착이 2차원 평면 변형율(plane strain) 조건에서 실시된다고 가정하여 3차원 조건으로 실시되는 단계별 터널굴착을 적절히 모사하지 못하며, 또한 주요 터널지보재인 터널라이닝을 고려하지 않는 등 많은 문제점을 안고 있다. 또한 지중에 인공구조물이 존재하지 않는 Greenfield 지반조건에서 터널의 굴착으로 유발된 지반의 변형을 이용하는 탄성해법은 말뚝이 지중에 존재하는 경우 발생하는 구속 효과로 인한 지반변위의 감소를 적절히 고려할 수 없다는 문제를 가지게 된다. 한편 Lee(2001)는 탄성이론은 말뚝-지반 경계면에서의 전단응력전이 현상을 제대로 분석할 수 없음을 보인바 있다. 특히 기존 연구의 대부분은 터널굴착에 의한 말뚝축력 및 말뚝변위의 분포만을 단순하게 나열하는 수준으로 연구를 수행하였다. 그러나 말뚝의 거동에 직접적인 영향을 미치는 말뚝-지반 경계면에서의 전단 응력 전이 과정에 대해서 충분히 명확하게 규명하지 못하였다. 따라서 터널굴착에 의해 유발된 말뚝의 거동을 올바르게 분석하기 위해서는 터널의 단계별 시공 및 말뚝-지반 경계면에서의 소성항복(plastic yielding)에 따른 미끄러짐(slip)을 적절히 고려할 수 있는 고급 3차원해석이 필요한 실정이다.
β-방법 적용시 주의해야할 사항은 무엇인가? β-방법은 말뚝에 작용하는 축력분포 평가에 대한 예비평가 시 적절히 사용할 수 있다. 그러나 전단응력의 평가 시 전단강도가 말뚝전체 구간에서 모두 발현되었다고 가정하기 때문에 이 방법은 말뚝에 발생할 수 있는 최대축력의 값을 제시하는 것이므로 유의해야 할 것이다. 즉 말뚝의 축력을 올바르게 평가하기 위해서는 터널굴착으로 인한 지반변형과 말뚝-지반 경계면에서 전단강도의 발현 정도를 적절히 반영할 수 있어야 할 것이다.
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참고문헌 (38)

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