Recently reclamation land is largely developed to utilize the land according to economic growth. The soil of landfill is soft, low shear strength, which makes it difficult to use the equipment. A large movement is occurred on the utility tunnel under construction. The inclined land with high water l...
Recently reclamation land is largely developed to utilize the land according to economic growth. The soil of landfill is soft, low shear strength, which makes it difficult to use the equipment. A large movement is occurred on the utility tunnel under construction. The inclined land with high water level and underground facilities are widely distributed and the excess pore water pressure may occur under construction similarly to this study. Some different conditions are made to design result, such as 4m of soil piling near the construction area, heavy rainfall during 2nd excavation that may cause flow liquefaction. To analyze the cause of transverse lateral movement, Three dimensional analysis are performed to four load cases, which is original design condition, flow liquefaction by heavy rainfall, unsymmetric lateral soil pressure, and both of them simultaneously. Ten steps of full construction stage, 1st excavation for utility tunnel, construction of utility tunnel, 1st refill, piling soil from 1m to 4 m, 2nd excavation for drainage culvert, liquefaction around the utility tunnel, construction of drainage culvert and 2nd refill, are take into account to investigate the cause of movement.
Recently reclamation land is largely developed to utilize the land according to economic growth. The soil of landfill is soft, low shear strength, which makes it difficult to use the equipment. A large movement is occurred on the utility tunnel under construction. The inclined land with high water level and underground facilities are widely distributed and the excess pore water pressure may occur under construction similarly to this study. Some different conditions are made to design result, such as 4m of soil piling near the construction area, heavy rainfall during 2nd excavation that may cause flow liquefaction. To analyze the cause of transverse lateral movement, Three dimensional analysis are performed to four load cases, which is original design condition, flow liquefaction by heavy rainfall, unsymmetric lateral soil pressure, and both of them simultaneously. Ten steps of full construction stage, 1st excavation for utility tunnel, construction of utility tunnel, 1st refill, piling soil from 1m to 4 m, 2nd excavation for drainage culvert, liquefaction around the utility tunnel, construction of drainage culvert and 2nd refill, are take into account to investigate the cause of movement.
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문제 정의
본 연구는 매립지반 기반시설의 시공 중에 발생한 지하공동구의 이동현상에 대한 원인을 분석하기 위하여 현장의 시공과정을 각 조건별로 3차원 수치모델링하여 시공 환경 별 해석을 실시하였다.
본 연구는 매립지반상에 대단위 택지조성을 위한 기반시설의 시공 중에 발생한 지하공동구의 대변위(최대 1.97m 측방이동)에 대한 각 시공환경 별 수치해석적 분석을 통해 원인을 밝힘으로서 연약지반의 설계기술 및 시공기술의 발전을 도모한다.
가설 설정
4 m의 층으로 나누어 시공 단계별 3차원 모델링을 수행한다. 토질의 파괴이론은 지반의 해석 시 가장 널리 사용되고 있는 Mohr-Coulomb의 이론에 따르며, 재료적 비선형성은 Elasto-Plasic으로 가정한다. 지반의 경계조건은 모델링의 하단부의 수직이동과 측면의 수평이동을 구속하였으며, 액상화의 경계조건은 지반고에 따른 수두를 적용한다.
제안 방법
이를 검증하기 위하여 시공조건을 최초 설계상태, 지반의 액상화 상태, 토사적재에 의한 편토압상태 및 지반 액상화와 토사적재에 의한 편토압이 동시에 작용된 상태로 구분하여 해석을 수행하였다. 각 경우에 대하여 시공단계별 해석을 수행하였으며, 측방이동의 원인으로 판단되는 토사적재에 의한 편토압과 흐름의 액상화가 동시에 작용된 경우 1차 터파기와 지하공동구 시공, 1차 되메우기, 토사적재, 2차 터파기, 공동구 주변의 액상화, 우수암거 설치 및 2차 되메우기의 시공과정을 따라 각각 측방변위를 구하였다. 이의 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
구조물의 모델링은 지반을 해당구간의 종방향길이인 68 m를 Box Segment의 간격인 3.4 m의 층으로 나누어 시공 단계별 3차원 모델링을 수행한다. 토질의 파괴이론은 지반의 해석 시 가장 널리 사용되고 있는 Mohr-Coulomb의 이론에 따르며, 재료적 비선형성은 Elasto-Plasic으로 가정한다.
기존 설계에 적용되었던 지반 물성치를 기준으로 매립 층은 사질토, 퇴적층은 점성토의 값을 추가 조사된 N치를적용하였으며, 풍화토와 풍화암은 기존의 설계에 사용된 값을 적용하였다. 이에 따라 지표면을 기준면으로하여 지층에 따라 작용된 값은 다음과 같다(Table 5).
본 연구에서는 가정한 대변위의 원인을 분석하기 위해 다음과 같은 해석조건(Case)에 대해 각각 3차원 수치해석을 실시한다(Table 3). 각 Laod Case에 대한 하중은 Table 2의 하중단계에 따라 구조물의 굴착단계에서 제거되는 지반요소의 경계면에 대한 Residual Force를 계산하고 단계별 하중재하 시에 적용된다.
시공 순서는 1차 터파기후 지하공동구를 시공하였으며, 되메우기를 실시하였다. 이 후 우수암거 시공을 위한 2차 터파기가 실시되었으며, 암거의 시공 후 2차 되메우기가 실시되었다.
시공과정은 초기 설계에서는 1차 터파기 후 지하공동구를 설치하고 1차 되메우기를 실시한 후, 2차 터파기를 실시하여 우수암거를 설치하는 것으로 설계되었다. 그러나 시공과정 중 지하공동구에 근접하여 대량의 토사적재가 발생하였고, 2차 터파기의 시공 중에 집중호우로 인해 지하 공동구 주변에 과잉간극수압이 발생될 조건이 형성되었다.
그러나 시공과정 중 지하공동구에 근접하여 대량의 토사적재가 발생하였고, 2차 터파기의 시공 중에 집중호우로 인해 지하 공동구 주변에 과잉간극수압이 발생될 조건이 형성되었다. 이를 검증하기 위하여 시공조건을 최초 설계상태, 지반의 액상화 상태, 토사적재에 의한 편토압상태 및 지반 액상화와 토사적재에 의한 편토압이 동시에 작용된 상태로 구분하여 해석을 수행하였다. 각 경우에 대하여 시공단계별 해석을 수행하였으며, 측방이동의 원인으로 판단되는 토사적재에 의한 편토압과 흐름의 액상화가 동시에 작용된 경우 1차 터파기와 지하공동구 시공, 1차 되메우기, 토사적재, 2차 터파기, 공동구 주변의 액상화, 우수암거 설치 및 2차 되메우기의 시공과정을 따라 각각 측방변위를 구하였다.
토질의 파괴이론은 지반의 해석 시 가장 널리 사용되고 있는 Mohr-Coulomb의 이론에 따르며, 재료적 비선형성은 Elasto-Plasic으로 가정한다. 지반의 경계조건은 모델링의 하단부의 수직이동과 측면의 수평이동을 구속하였으며, 액상화의 경계조건은 지반고에 따른 수두를 적용한다.
해석에 적용된 지반의 물성치는 실시설계 당시에 설계에 적용된 물성치와 추가 조사를 통해 확인된 현장의 지반조건을 고려해 다음과 같은 물성치를 이용하여 해석을 실시하였다. 단, 지반의 액상화에 대한 물성치의 적용은 지반의 상황에 따라 크게 달라질 수 있으므로 구조물의 변위 결과에 따라 역 추정하여 정한 값이다.
이론/모형
해석프로그램은 3차원 시공단계별 해석이 가능한 지반 전용 프로그램인 Pentagon-3D11)를 이용하였다.
성능/효과
1) 지하공동구에서 발생된 1.97 m의 측방이동은 공동구 측으로 접근하면서 토사적재에 의한 편토압과 2차 터파기와 집중호우에 따른 과잉간극수압에 의해 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 편토압, 또는 과잉간극수압의 발생 등의 개별조건에 의해서는 대형 변위가 발생되지 않는 것으로 나타났다.
1. 추가조사에 의해 지반조건을 분석한 결과 매립층과 퇴적층사이에 사질토 성분의 연약지반에 분포되어 있다.
2) 수치 해석적 시산법을 통해 교란상태의 지반의 조건은 체적탄성계수가 13.56 kPa, 전단탄성계수가 6.768 kPa으로 나타났으며, 이는 일시적으로 흐름 액상화가 발생한 것으로 볼 수 있다.
2. 1단계 공동구 설치 후 2단계 우수 암거설치 전에 3~4 m 두께의 토사 및 사석 등이 공동구 측으로 접근하면서 토사 적재가 이루어졌으며, 우수암거를 축조하기 위한 터파기가 이루어질 시점에는 근접한 지점까지 적재가 이루어진 상황이었다. 또한 우기에 의해 다량의 강우가 집중되었다.
2. 지하수위가 대체적으로 높고, 우수암거의 시공당시의 터파기로 인해 공동구를 기준으로 지하수위가 높게 형성되어 있었을 가능성이 많다.
3. 공동구 암거의 선시공은 지하수의 흐름에 방해를 가져와 우수암거의 시공당시 우수암거 방향으로 흐르는 지하수가 공동구 배면에서 높은 압력수두를 형성하였을 가능성이 있다.
3. 토사 적재와 이를 위한 중장비에 의한 동하중이 지속적으로 지하공동구와 우수암거 주변지반에 작용되었다.
4. 우수암거의 시공당시 집중호우가 발생하였으며, 공동구의 반대편에 토사적재가 이루어져, 토사적재-공동구우수암거 터파기의 방향으로 사면이 형성되어 지하수의 흐름이 증가하였을 가능성이 많다.
5. 액상화 방지를 위한 동다짐, 중장비의 이동, 우수암거 구조물의 설치작업으로 인한 충격 등 액상화가 실현될수 있는 외부하중의 작용이 있었다.
97 m의 변위량을 나타 낼 수는 없다. 따라서 집중호우에 의한 수두차로 인해 발생된 지반의 교란과 토사적재에 의한 편토압이 동시에 작용될 때의 두 조건이 동시에 작용되었을 경우에만 가능한 것으로 나타났다.
97 m의 측방이동은 공동구 측으로 접근하면서 토사적재에 의한 편토압과 2차 터파기와 집중호우에 따른 과잉간극수압에 의해 발생되는 것으로 나타났다. 따라서 편토압, 또는 과잉간극수압의 발생 등의 개별조건에 의해서는 대형 변위가 발생되지 않는 것으로 나타났다.
준설매립 사질토의 액상화 방지를 위한 기초처리공법으로는 동다짐이 사용되었으며, 표준관입시험에 의한 개량 기준을 만족하고 있는 것으로 나타나 다짐에 의한 지반 개량이 발생된 것으로 나타났다.
현장 주변에 대해서는 추가 지반조사를 실시하였으며, 설계 당시의 지반조건에 비해 매립층과 퇴적층사이에 연약지반에 분포되어 있음을 보여 주고 있다.
후속연구
3) 본 경우에서 발생된 현상은 건설현장에서 쉽게 노출 되기 쉬운 조건으로 경사 지형 등의 편토압을 발생할 수 있는 조건에서 기존의 지하구조물 주변의 터파기 공사를 수행할 시에 집중호우 등에 의한 과잉간극수압이 발생되지 않도록 유의하여 시공하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흐름 액상화는 언제 발생하는가?
매립지반의 토질이 사질토를 다량 함유할 경우 액상화 현상에 의한 구조물의 변위가 유발될 수 있으며, 이러한 과정의 액상화는 흐름 액상화와 반복 유동이라는 두 그룹으로 나누어 설명될 수 있다. 이 중 흐름 액상화는 토질의 정적 평형상태를 위한 전단응력이 토질의 전단강도보다 클때 발생하며 일단 흐름 액상화가 진행되면 큰 변형이 발생하고 상당히 빨리 이동하며 먼 거리까지 이동한다. 또한 흐름 액상화는 지진이 아니더라도 발생할 수 있는 특징을 가지고 있다.
우리나라에서 해안개발의 필요성이 대두되면서 어떠한 노력을 하고 있는가?
경제성장과 더불어 공업용지 및 주거용지에 대한 수요가 점차 증가되고 있으나 산지가 전국토의 70%를 차지하고 있는 우리나라의 여건으로 볼 때, 합리적인 국토확장을 위하여 해안개발의 필요성이 점차로 높아지고 있다. 따라서 서해안과 남해안 일원의 해안연약지반의 매립을 통한 토지이용이 활발히 진행되고 있고 국제 업무단지로서 유리한 점으로 인해 대단위 주거단지, 산업단지, 도로, 항만, 철도 및 공항 등에 대한 투자가 지속적으로 이루어지고 있다.
흐름 액상화가 진행되면 어떠한 특징이 나타나는가?
매립지반의 토질이 사질토를 다량 함유할 경우 액상화 현상에 의한 구조물의 변위가 유발될 수 있으며, 이러한 과정의 액상화는 흐름 액상화와 반복 유동이라는 두 그룹으로 나누어 설명될 수 있다. 이 중 흐름 액상화는 토질의 정적 평형상태를 위한 전단응력이 토질의 전단강도보다 클때 발생하며 일단 흐름 액상화가 진행되면 큰 변형이 발생하고 상당히 빨리 이동하며 먼 거리까지 이동한다. 또한 흐름 액상화는 지진이 아니더라도 발생할 수 있는 특징을 가지고 있다.
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