태풍에 의해 발생된 파랑하중에 의해 방파제, 안벽 등과 같은 해안구조물 하부의 해저지반 침하가 발생될 수 있다. 만약 해저지반이 모래인 경우, 잔류과잉간극수압발생과 반복적인 파랑하중에 의해 해저지반의 침하현상이 더 발생될 확률이 높아질 것이다. 그러나 대부분의 해안구조물은 설계에서 파랑하중을 정적상태의 등분포하중으로 구조물에만 작용하는 것으로 가정하고 있지만 실제로는 동적인 파랑하중이 구조물과 해저지반에 동시에 작용한다. 따라서 본 연구에서는 시간에 따른 실제파압을 고려하고, 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용하는 것으로 고려하였다. 수치해석 결과 파랑하중이 구조물과 해저지반에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 시간에 따른 해저지반의 변형거동이 해석되었으며 해저지반에서 유효응력의 변화와 유효응력경로의 변화를 분명하게 확인할 수 있었다.
태풍에 의해 발생된 파랑하중에 의해 방파제, 안벽 등과 같은 해안구조물 하부의 해저지반 침하가 발생될 수 있다. 만약 해저지반이 모래인 경우, 잔류과잉간극수압발생과 반복적인 파랑하중에 의해 해저지반의 침하현상이 더 발생될 확률이 높아질 것이다. 그러나 대부분의 해안구조물은 설계에서 파랑하중을 정적상태의 등분포하중으로 구조물에만 작용하는 것으로 가정하고 있지만 실제로는 동적인 파랑하중이 구조물과 해저지반에 동시에 작용한다. 따라서 본 연구에서는 시간에 따른 실제파압을 고려하고, 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용하는 것으로 고려하였다. 수치해석 결과 파랑하중이 구조물과 해저지반에 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 시간에 따른 해저지반의 변형거동이 해석되었으며 해저지반에서 유효응력의 변화와 유효응력경로의 변화를 분명하게 확인할 수 있었다.
Seabed settlement underneath a coastal structure may occur due to wave loading generated by storm surge. If the foundation seabed consists of sandy soil, the possibility of the seabed settlement may be more susceptible because of generation of residual excess pore-water pressure and cyclic mobility....
Seabed settlement underneath a coastal structure may occur due to wave loading generated by storm surge. If the foundation seabed consists of sandy soil, the possibility of the seabed settlement may be more susceptible because of generation of residual excess pore-water pressure and cyclic mobility. However, most coastal structures, such as breakwater, quay wall, etc., are designed by considering wave load assumed to be static condition as an uniform load and the wave load only acts on the structure. In real conditions, however, the wave load is dynamically applied to seabed as well as the coastal structure. In this study, therefore, a real-time wave load is considered and which is assumed acting on both the structure and seabed. Based on a numerical analysis, it was found that there exists a significant effect of wave load on the structure and seabed. The deformation behavior of the seabed according to time was simulated, and other related factors such as the variation of effective stress and the change of effective stress path in the seabed were clearly observed.
Seabed settlement underneath a coastal structure may occur due to wave loading generated by storm surge. If the foundation seabed consists of sandy soil, the possibility of the seabed settlement may be more susceptible because of generation of residual excess pore-water pressure and cyclic mobility. However, most coastal structures, such as breakwater, quay wall, etc., are designed by considering wave load assumed to be static condition as an uniform load and the wave load only acts on the structure. In real conditions, however, the wave load is dynamically applied to seabed as well as the coastal structure. In this study, therefore, a real-time wave load is considered and which is assumed acting on both the structure and seabed. Based on a numerical analysis, it was found that there exists a significant effect of wave load on the structure and seabed. The deformation behavior of the seabed according to time was simulated, and other related factors such as the variation of effective stress and the change of effective stress path in the seabed were clearly observed.
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문제 정의
(5) 본 연구에서는 사질토 지반에 해상구조물이 건설될 경우 파랑에 의해 발생될 수 있는 침하량을 수치해석을 통해 산정한 것이다. 향후 이와 유사한 조건에 건설되는 해양구조물의 설계에서 파랑의 동적하중에 의해 발생되는 구조물의 수평 및 수직(침하) 변위량도 설계 허용 값의 평가에 반영되어야 할 것으로 판단된다.
그래서 본 연구에서는 이와 같은 기존의 방법을 개선한 파랑에 의한 해저지반의 동적영향을 고려한 해석이 이루어졌다. 즉, 산정된 실시간 동적 파압이력을 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용시켜 파랑-구조물-해저지반간의 상호작용을 고려한 지반해석을 실시하여 시간에 따른 구조물의 거동과 지반의 누적침하량, 과잉간극수압비, 유효응력경로 등이 검토 되었다.
초기 평균유효 응력과 축차응력은 # 와# 로 나타낸다. 본 연구에서 사용된 모델은 비배수 반복하중시 반복 변형량의 증가를 모사할 수 있다. 본 유효응력해석은 반복하중에 의해 발생하는 구조물의 손상 에 대한 수많은 수치해석을 통해 증명되었다(Sawada et al.
본 연구에서는 태풍 통과 후 발생된 급속 침하를 규명하기 위해 수치해석 프로그램을 이용하여 파압산정과 이 결과를 이용한 지반해석이 이루어졌다. 그 결과 다음과 같은 결론을 유추할 수 있었다.
제안 방법
2002년부터 방파제 공사 중 수압식파고계(self-recording wave gauge)를 설치하여 파고와 파향을 관측하였다. 본 현장 의 파고 계측지점의 위치는 방파제 전면 500 m에 위치하여 제체에 의한 반사등의 영향을 최소화시켰다.
2002년부터 방파제 공사 중 수압식파고계(self-recording wave gauge)를 설치하여 파고와 파향을 관측하였다. 본 현장 의 파고 계측지점의 위치는 방파제 전면 500 m에 위치하여 제체에 의한 반사등의 영향을 최소화시켰다. Fig.
그래서 본 연구에서는 이와 같은 기존의 방법을 개선한 파랑에 의한 해저지반의 동적영향을 고려한 해석이 이루어졌다. 즉, 산정된 실시간 동적 파압이력을 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용시켜 파랑-구조물-해저지반간의 상호작용을 고려한 지반해석을 실시하여 시간에 따른 구조물의 거동과 지반의 누적침하량, 과잉간극수압비, 유효응력경로 등이 검토 되었다. 이를 위해 파압계산은 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)를 사용하여 산정하였으며, 지반-구조물 동적해석은 흙의 탄소성 거동의 응력-변형률 관계를 잘 모사하는 다중 전단 메커니즘모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다(Towata and Ishihara, 1985; Iai et al.
파랑하중 동적해석을 위해 3D-NIT를 이용하여 산정한 파압을 지반-구조물 동적 거동에 대한 해석에 시간이력하중으로 적용시켰다. 지반경계조건은 하부경계조건과 좌우경계조건으로 나눈다.
하부경계조건으로는 수직·수병변위를 구속시켰으며 좌우경계조건으로는 수직변위만 허용시키고 수평변위는 구속시켜 모델링 하였다.
대상 데이터
, 1992a). 대상구조물은 00항 적용된 혼성방파제를 선택하였다.
현재 기존 연구에서는 동적해석에서 방파제 제체의 임의 절점 몇 군데의 파압을 산정하여 등가파압으로 보정한 값을 사용하고 있다. 본 연구에서는 3D-NIT를 이용하여 산정한 실시간 파압을 절점에 대하여 파압 시계열자료를 출력하여 지반해석프로그램의 입력 자료로 사용하였다. 파압 결과는 각 요소 1~30에 대해 구할 수 있다.
62 m이며, 이 지역의 기초지반의 성층 상태는 지표로부터 해성퇴적토층, 기반암의 풍화암층 및 연암층으로 구성된다. 본 연구의 주 대상지반인 해성퇴적토 층은 해수에 의해 운반 퇴적되어 형성된 지층으로서 약 10 m 내외의 두께로 분포하고 있으며, 토성은 세립 내지 중립의 모래(SP), 실트질 모래(SM)로 구성되어 있으며 부분적으로 다 량의 조개껍질 및 실트를 함유하고 있다. 표준관입시험에 의 한 N치는 9∼35의 범위로서 위치 및 심도에 따라 다소 변화 하나 전반적으로는 보통 조밀함 내지 조밀한 상태의 상대밀도를 나타낸다.
수치해석에 사용된 조파수로의 규모는 길이 1750 m, 높이 60 m이며, 조파수로의 전면과 후면 끝에는 약 500 m 폭의 감쇠대(sponge layer)를 설정하였다. 감쇠대는 반사에 의한 중복파를 없애기 위해 도입하였다.
이론/모형
3D-NIT는 자유표면해석모델에 VOF법을, 난류해석에는 k-ε모델을 각각 적용하였고, 기초방정식은 3차원비압축성의 점 성유체를 대상으로 한 연속식 및 Navier-Stokes방정식을 PBM (Porous Body Model)에 근거하여 확장한 다음의 식 (1)~(4) 로 주어진다.
본 해석은 다중 전단메카니즘모델(Towata and Ishihara, 1985; Iai et al., 1992a)이 적용된 유한요소 해석법을 이용하여 실시되었다. 토질물성치는 “00항 방파제 축조실시설계 용역보고서”를 근거하여 선정되었으며 Table 2와 같다.
설계파 산정을 위해 심해설계파 제원을 광역모형 설계파 제원으로 PARANS-II 모형을 이용하여 산정하였다. 광역모형으로 산정한의 값을 TIWAM모형 상세역 해석에 적용한 결과 00외항 서방파제는 NW계열과 NNW계열의 파랑이 지배적인 것으로 나타났다.
광역모형으로 산정한의 값을 TIWAM모형 상세역 해석에 적용한 결과 00외항 서방파제는 NW계열과 NNW계열의 파랑이 지배적인 것으로 나타났다. 이 들 두 수치모형인 PARANS-II 모형과 TIWAM모형을 통해 3D-NIT에 적용할 설계파를 산정하였다.
즉, 산정된 실시간 동적 파압이력을 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용시켜 파랑-구조물-해저지반간의 상호작용을 고려한 지반해석을 실시하여 시간에 따른 구조물의 거동과 지반의 누적침하량, 과잉간극수압비, 유효응력경로 등이 검토 되었다. 이를 위해 파압계산은 3D-NIT(Three-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)를 사용하여 산정하였으며, 지반-구조물 동적해석은 흙의 탄소성 거동의 응력-변형률 관계를 잘 모사하는 다중 전단 메커니즘모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다(Towata and Ishihara, 1985; Iai et al., 1992a). 대상구조물은 00항 적용된 혼성방파제를 선택하였다.
흙에 대한 유효응력모델은 다중전단메커니즘모델을 이용하였다(Towata and Ishihara, 1985; Iai et al., 1992a). Fig.
성능/효과
(1) 본 수치해석에서 산정된 시간이력파압(Fig. 9)에서 볼 수 있는 바와 같이 일부 정수면 위를 제외하고 파압이 시간에 따라 재하와 제하가 반복적으로 구조물에 작용하는 것을 나타났다. 그리고 케이슨과 사석마운드 뿐만 아니라 방파제 전면 해저지반에도 상당량의 동하중이 작용하는 것으로 나타났다.
(2) 지반해석을 수행한 결과 시간에 따른 침하량 곡선에서 파압에 의해 지반의 침하경향이 분명히 발생함을 알 수 있어 파의 영향이 존재함을 확인할 수 있다. 파압분포와 연관해서 침하결하를 살펴보면, 평상시 파 조건에서 지반의 침하는 일어나지 않다가 시간이 경과에 따라 파압이 증가하면 침하가 발생함을 알 수 있다.
(3) 시간변화에 따른 모래지반의 과잉간극수압비 변화(Figs. 12, 13참조)에서 지반내의 위치에 따라 다소 차이가 있으나 과잉간극수압비가 0.4에서 0.9까지 증가되어 지반내의 유효응력이 감소하고 이로 인한 지반의 강성이 저하되어 침하발생에 기여를 하는 것으로 나타났다.
(4) 유효응력 경로를 보면 과잉간극수압의 증가함에 따라 지반의 유효응력이 감소되어 Mohr-Coulomb 파괴선에 근접함에 따라 지반의 강도가 약화된 것을 알 수 있다.
설계파 산정을 위해 심해설계파 제원을 광역모형 설계파 제원으로 PARANS-II 모형을 이용하여 산정하였다. 광역모형으로 산정한의 값을 TIWAM모형 상세역 해석에 적용한 결과 00외항 서방파제는 NW계열과 NNW계열의 파랑이 지배적인 것으로 나타났다. 이 들 두 수치모형인 PARANS-II 모형과 TIWAM모형을 통해 3D-NIT에 적용할 설계파를 산정하였다.
9)에서 볼 수 있는 바와 같이 일부 정수면 위를 제외하고 파압이 시간에 따라 재하와 제하가 반복적으로 구조물에 작용하는 것을 나타났다. 그리고 케이슨과 사석마운드 뿐만 아니라 방파제 전면 해저지반에도 상당량의 동하중이 작용하는 것으로 나타났다.
시간에 따른 침하량 곡선에서 파압에 의해 지반의 침하 분명히 발생함을 알 수 있어 파의 영향이 존재함을 확인할 수 있다. Fig.
C구간은 태풍 매미에 버금가는 큰 파랑이 케이슨에 작용한 시기이며 이 파랑하중에 의해 급격한 침하 가 발생하였던 것을 알 수 있다. 이처럼 침하량 계측 결과를 통해 사질토 지반에 해안구조물이 건설될 경우 탄성침하, 탄산염 모래 등의 재료특성으로 인한 크리프 침하, 그리고 파랑에 의한 침하가 동시에 발생함을 알 수 있다.
후속연구
(5) 본 연구에서는 사질토 지반에 해상구조물이 건설될 경우 파랑에 의해 발생될 수 있는 침하량을 수치해석을 통해 산정한 것이다. 향후 이와 유사한 조건에 건설되는 해양구조물의 설계에서 파랑의 동적하중에 의해 발생되는 구조물의 수평 및 수직(침하) 변위량도 설계 허용 값의 평가에 반영되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안구조물을 설치할 때 지반 해석에 있어 서 가장 중요한 문제점은?
장 등(1993)은 해안구조물을 설치할 때 지반 해석에 있어 서 가장 중요한 문제점으로 파랑의 존재를 제기하였다. 해안 구조물(해저지반포함)은 파랑에 의한 반복하중을 받는 특성을 가지므로 육상에서의 거동과는 상당히 다른 특징을 보이고, 파 랑으로 인해 제체 지반에는 간극수압이 발생하며, 이로 인해 제체는 보다 쉽게 동적거동을 일으키며 현저한 지반 변형을 가 져올 수 있다고 하였다.
어패류에 의해 형성된 탄 산염이 포함되어 구조물 시공 후 즉시침하 외에도 상당 시간 동안 침하가 계속적으로 발생하는 이유는?
일반적으로 모래지반에 구조물 시공 시 즉시침하가 지배적 이나, 00외항의 해안 모래의 경우는 어패류에 의해 형성된 탄 산염이 포함되어 구조물 시공 후 즉시침하 외에도 상당 시간 동안 침하가 계속적으로 발생하였다(Cho, 2007; Lee, 2011). 이는 하중재하 상태에서 탄산염 성분 모래의 파쇄와 이로 인 한 모래 입자의 재배열 때문이다. 이러한 이유로 기존의 탄 성침하를 이용한 그 침하량을 산정하는 것은 과소평가 될 수 있다.
대부분의 해안구조물은 설계에서 파랑하중을 어떻게 보고 있나?
만약 해저지반이 모래인 경우, 잔류과잉간극수압발생과 반복적인 파랑하중에 의해 해저지반의 침하현상이 더 발생될 확률이 높아질 것이다. 그러나 대부분의 해안구조물은 설계에서 파랑하중을 정적상태의 등분포하중으로 구조물에만 작용하는 것으로 가정하고 있지만 실제로는 동적인 파랑하중이 구조물과 해저지반에 동시에 작용한다. 따라서 본 연구에서는 시간에 따른 실제파압을 고려하고, 구조물뿐만 아니라 해저지반에도 작용하는 것으로 고려하였다.
참고문헌 (19)
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