3차원 수치해석을 이용한 점토지반에 설치된 석션파일 인발 시 발현되는 전단응력에 관한 연구 A Study on the Side Shear Developed during Pullout of Suction Pile in Clays using 3D Numerical Analysis원문보기
본 논문에서는 석션파일의 인발거동을 조사하기 위해 유한차분법 상용 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 석션파일의 인발지지력을 전통적인 지지력 식을 이용하여 구하고, 이 값을 파일의 직경, 길이, 그리고 주변 점토의 비배수 전단강도를 변수로 하는 수치해석을 통한 해석 값과 비교하였다. 총 24개의 수치해석 결과를 바탕으로 석션파일의 인발파괴는 석션파일의 배수조건뿐만 아니라 파일의 제원과 주변 지반의 물성값에 의해 형태가 결정되는 것으로 밝혀졌다. 수치해석 결과로부터 석션파일 내부 주면에 발현되는 전단응력을 구하여 활동파괴와 인장파괴 중 어떤 파괴가 발생할 것인지를 결정하는데 사용하였다. 외부주면의 전단응력과 관계없이 높은 내부 전단응력을 얻은 경우 수치해석 내에서 활동파괴가 발생하는 경우가 많았으며, 이는 전통적인 지지력 공식으로부터 얻은 예측과 잘 맞았다.
본 논문에서는 석션파일의 인발거동을 조사하기 위해 유한차분법 상용 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 석션파일의 인발지지력을 전통적인 지지력 식을 이용하여 구하고, 이 값을 파일의 직경, 길이, 그리고 주변 점토의 비배수 전단강도를 변수로 하는 수치해석을 통한 해석 값과 비교하였다. 총 24개의 수치해석 결과를 바탕으로 석션파일의 인발파괴는 석션파일의 배수조건뿐만 아니라 파일의 제원과 주변 지반의 물성값에 의해 형태가 결정되는 것으로 밝혀졌다. 수치해석 결과로부터 석션파일 내부 주면에 발현되는 전단응력을 구하여 활동파괴와 인장파괴 중 어떤 파괴가 발생할 것인지를 결정하는데 사용하였다. 외부주면의 전단응력과 관계없이 높은 내부 전단응력을 얻은 경우 수치해석 내에서 활동파괴가 발생하는 경우가 많았으며, 이는 전통적인 지지력 공식으로부터 얻은 예측과 잘 맞았다.
This paper presents the pullout behavior of suction pile using finite difference method; and the commercial software, FLAC3D, was employed for the numerical analyses. The ultimate pullout capacity of suction pile was predicted using conventional equations, and the results were compared with the resu...
This paper presents the pullout behavior of suction pile using finite difference method; and the commercial software, FLAC3D, was employed for the numerical analyses. The ultimate pullout capacity of suction pile was predicted using conventional equations, and the results were compared with the results from numerical analyses with varying pile diameter, pile length, and the undrained shear strength of clays. Based on the results from 24 analyses, it was found that the failure pattern depends not only on the drainage condition of suction pile, but also on the pile dimensions and the material properties of surrounding soils. The developed side shear (DSS) along the internal surface of the suction pile was collected from numerical analyses, which was used to classify the failure type between sliding failure and tensile failure. Regardless of the external DSS, the high internal DSS tends to result in sliding failure in the numerical analyses, which conforms well to the estimation from conventional equations.
This paper presents the pullout behavior of suction pile using finite difference method; and the commercial software, FLAC3D, was employed for the numerical analyses. The ultimate pullout capacity of suction pile was predicted using conventional equations, and the results were compared with the results from numerical analyses with varying pile diameter, pile length, and the undrained shear strength of clays. Based on the results from 24 analyses, it was found that the failure pattern depends not only on the drainage condition of suction pile, but also on the pile dimensions and the material properties of surrounding soils. The developed side shear (DSS) along the internal surface of the suction pile was collected from numerical analyses, which was used to classify the failure type between sliding failure and tensile failure. Regardless of the external DSS, the high internal DSS tends to result in sliding failure in the numerical analyses, which conforms well to the estimation from conventional equations.
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문제 정의
이는 석션파일과 주변 지반의 배수조건을 결정하기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 배수조건 이외에 지반의 강도나 석션파일의 세장비 등과 같은 다른 영향도 고려되어야 하기 때문이다. 본 논문에서는 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 인발하중에 의해 석션압이 발생하지 않는 경우, 즉 제시된 이론에 의하면 활동파괴로 가정하여 해석하는 경우에 비배수 전단강도와 석션파일의 세장비를 변화시켜 인발파괴의 형상이 적절한지 조사해 보고 석션파일 내부에 발현되는 전단응력과 활동파괴의 연관성에 대해 분석해 보고자 한다.
이 연구에서는 3차원 수치해석 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 점성토에 설치된 석션파일을 연직방향으로 인발하는 경우 발생하는 인발파괴 형태와 전단응력에 대해 연구했다. 인발파괴 시점에서 석션파일 내부에 발생하는 전단응력 발현율을 분석하고 기존에 제시된 인발지지력 예측 식과 비교･검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
파일의 인발하중은 석션파일 상판의 중심점에서 윗방향으로 재하되었으며, 수치해석 수행 시 응력이 집중될 수 있는 부분의 격자망은 작게 하여 응력집중현상을 완화하고자 하였다.
가설 설정
Eq. (1)과 (2)에서 보이듯이 석션파일의 수중 자중과 파일 외부의 주면지지력은 동일한 값이다. 따라서 석션파일 내부의 주면지지력(Qs,i)과 관내토의 무게와 지반 자체의 인장력의 합(Ws′+Qt)에서 지지력의 차이가 발생한다(Table 4 참조).
석션파일의 강도는 주변 점성토 지반에 비해 상당히 강하기 때문에 파괴는 항상 지반에서 발생하게 된다. 따라서 석션파일의 경우에는 콘크리트 물성값을 갖는 탄성체로 가정하였다. 석션파일에 사용된 물성값은 콘크리트의 값을 사용하였으며, 탄성계수는 23 GPa, 포아송비는 0.
제안 방법
또한 경계면 요소는 인장강도와 전단강도, 그리고 전단강도를 초과하는 경우에 발생하게 되는 연직유효응력의 증가를 나타내는 팽창 각에 의해 강도가 결정되고, 변위를 나타내기 위해 연직방향과 전단방향 강성값이 사용된다. 본 연구에서는 경계면요소의 강도 정수들은 주변 지반의 강도와 동일한 값을 사용하였으며, 강성은 수직 방향과 접선방향으로 주변 지반의 탄성계수의 10배를 사용하였다(Itasca, 2009).
Table 3은 수치해석에 사용된 석션파일의 직경, 길이, 그리고 주변 지반의 비배수 전단강도를 보여주고 있다. 본 연구에서는 총 3종류의 변수를 이용하여 파일의 세장비를 변화시켰으며, 비배수 전단강도는 10, 20, 30 kPa로 변화시켜 가면서 연구를 수행했다.
그러나 연직 인장에 대한 석션파일의 지지 메커니즘도 단순하지 않다. 연직 인발하중에 대한 파일의 인발거동은 석션파일의 상단에서의 배수조건에 따라 배수상태, 부분배수상태, 비배수상태로 구분하여 해석한다. 그러나 석션파일의 배수조건은 파일 상단에서 물이 자유롭게 통과하도록 유도했는지의 여부에 따라 정해지기도 하지만, 파일 상단을 밀폐시켰다 하더라도 파일 주변의 지반 투수성이 크면 배수상태가 될 수도 있다.
이 연구에서는 3차원 수치해석 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 점성토에 설치된 석션파일을 연직방향으로 인발하는 경우 발생하는 인발파괴 형태와 전단응력에 대해 연구했다. 인발파괴 시점에서 석션파일 내부에 발생하는 전단응력 발현율을 분석하고 기존에 제시된 인발지지력 예측 식과 비교･검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
지반 구성 모델은 내부마찰각 0°, 비배수 전단강도는 10, 20, 30 kPa로 증가하도록 설정하였으며, 해석을 단순화하기 위하여 깊이에 따른 강도 변화를 고려하지 않았다.
대상 데이터
따라서 석션파일의 경우에는 콘크리트 물성값을 갖는 탄성체로 가정하였다. 석션파일에 사용된 물성값은 콘크리트의 값을 사용하였으며, 탄성계수는 23 GPa, 포아송비는 0.17, 단위중량은 23 kN/m3를 사용하였다. 지반과 석션파일은 여덟 개의 절점으로 이루어진 육면체 요소로 구성되어 있으며, 석션파일과 지반의 경계면에서는 경계면 요소를 도입하여 활동과 벌어짐 현상을 모사할 수 있었다.
2는 FLAC3D에서 생성한 석션파일과 지반의 제원과 형상을 보여주고 있다. 수치해석은 대칭성을 이용하여 3차원 반단면 모델을 만들었으며, 석션파일은 직경 10 m 길이 10 m로 생성되었다. 석션파일의 직경은 변수연구에서 5, 7, 9, 10, 13, 15 m로 변화하며, 길이는 10, 15, 20 m로 변하게 된다.
지반 구성 모델은 내부마찰각 0°, 비배수 전단강도는 10, 20, 30 kPa로 증가하도록 설정하였으며, 해석을 단순화하기 위하여 깊이에 따른 강도 변화를 고려하지 않았다. 포아송비는 0.495, 탄성계수는 30 MPa이며, 전체단위중량은 18 kN/m3로 해상점토를 모사하였다. 석션파일의 강도는 주변 점성토 지반에 비해 상당히 강하기 때문에 파괴는 항상 지반에서 발생하게 된다.
데이터처리
석션파일의 인발력을 측정하기 위해 유한차분법 프로그램인 FLAC3D(Itasca, 2009)를 사용하였으며, 모든 연구는 3차원 해석을 바탕으로 이루어졌다. 수치모델은 석션파일과 점착력을 가진 지반으로 이루어져 있다.
이론/모형
Table 2는 수치해석에서 사용된 석션파일과 지반에 적용된 물성값을 정리하여 보여주고 있다. 지반의 구성모델로 사용한 Mohr-Coulomb 모델은 탄소성 모델(elasto-plastic model)로 선형 탄성성과 항복 후 완전 소성성을 보여준다. 지반 구성 모델은 내부마찰각 0°, 비배수 전단강도는 10, 20, 30 kPa로 증가하도록 설정하였으며, 해석을 단순화하기 위하여 깊이에 따른 강도 변화를 고려하지 않았다.
성능/효과
(1) 석션파일의 인발파괴 형상은 석션파일의 배수조건뿐만 아니라 석션파일의 직경과 길이 그리고 주변 지반의 비배수 전단강도에 의해 영향을 받는다.
또한 DSS(%)가 높은 사례의 경우에는 Eq. (1)을 이용하여 구한 인발지지력과 수치해석 결과값을 비교 시 예측값에 대한 오차가 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 따라서 파일 내부에서 발현된 전단응력이 활동파괴 여부임을 예측할 수 있는 좋은 지표로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 수치해석 결과 석션파일 인발 시 완전한 활동파괴가 발생하는 경우 파일에 내삽된 지반과 파일의 상대적 변위가 충분히 발생하여 내부 주면의 전단응력이 거의 100% 발현되는 것으로 나타났다. 반면 인장파괴와 유사하게 파괴되는 경우 내부 주면에 전단응력이 부분적으로 발현되는 것으로 나타났다.
(3) 석션파일 내부 주면에 발현된 전단응력은 석션파일의 직경이 작아질수록, 길이가 길어질수록, 그리고 지반의 비배수 전단강도가 커질수록 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 작은 비배수 전단강도나 세장비가 작은 석션파일에서는 활동파괴가 발생할 가능성이 크지만, 반대의 경우에는 인장파괴가 발생할 가능성이 크다.
(4) 수치해석과 인발지지력 예측 식을 비교한 결과 DSS(%)가 80% 이상인 경우에는 활동파괴가 발생할 가능성이 높은 것으로 나타났다. 반면 DSS(%)가 60% 미만인 경우에는 인장파괴일 가능성이 높은 것으로 나타났다.
5(b)는 Fig. 5(a)에 비해 비배수 전단강도가 2배(20 kPa) 증가시킨 후 수치해석을 통해 얻은 전단응력을 보여주고 있다. 직경이 가장 큰 13 m와 15 m인 경우일 때 내부 경계면에서의 전단응력은 100% 발현되었지만 직경이 작아질수록 발현되는 전단응력은 감소하는 것을 관찰할 수 있다.
그 차이가 양의 값인 경우에는 활동파괴 그리고 음의 값인 경우에는 인장파괴로 결정할 수 있다. 계산 결과 Table 4에 보이는 바와 같이 전체 24개의 사례 중 8개를 제외한 16개 사례에서 활동파괴가 발생할 것으로 예측되었다. 이를 수치해석으로부터 구한 DSS(%)와 비교해 보면 활동파괴로 예측되는 경우에는 DSS(%)가 대부분 80% 이상인 것으로 나타났다.
동일한 직경과 길이의 석션파일에서는 비배수 전단강도에 따라 DSS(%)가 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 석션파일 길이의 증가, 파일 직경의 감소에 따라 DSS(%)가 감소하지만, 감소 폭은 전단강도 변화에 의한 폭에 비해 작은 것으로 나타나 전단강도에 대해 더 민감한 거동을 보였다. Fig.
앞 절들에서 서술한 바와 같이 석션파일의 인발 파괴 형상은 파일 상단의 배수조건뿐만 아니라 파일의 제원과 지반의 비배수 전단강도에 의해서도 영향을 받는다. 수치해석 결과 분석을 통해 파일의 내부에 발현된 전단응력으로부터 활동파괴 발생 여부를 간접적으로 파악할 수 있었다. 즉 전단응력이 많이 발현되는 경우 상대변위가 충분히 발생한 것을 유추할 수 있어 활동파괴가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
계산 결과 Table 4에 보이는 바와 같이 전체 24개의 사례 중 8개를 제외한 16개 사례에서 활동파괴가 발생할 것으로 예측되었다. 이를 수치해석으로부터 구한 DSS(%)와 비교해 보면 활동파괴로 예측되는 경우에는 DSS(%)가 대부분 80% 이상인 것으로 나타났다. 높은 DSS(%) 값은 수치해석에서도 활동파괴가 발생했다는 것을 의미하므로 수식으로부터 예측한 결과와 일맥상통한다.
(2011)은 수치 해석을 통하여, 점성토, 사질토 그리고 점성토와 사질토의 혼합지반에 대하여 상부, 중간, 하부의 하중 작용위치에 따른 석션파일의 극한 수평저항력 및 거동을 분석했으며, 석션파일의 이동량과 회전량을 분석했다. 이를 통해 지반조건에 관계없이 석션파일의 중간 위치에서 재하 시 가장 큰 수평저항력을 발휘하는 것으로 분석하였고, 회전량은 지반조건에 관계없이 재하 위치에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. Lee et al.
17, 단위중량은 23 kN/m3를 사용하였다. 지반과 석션파일은 여덟 개의 절점으로 이루어진 육면체 요소로 구성되어 있으며, 석션파일과 지반의 경계면에서는 경계면 요소를 도입하여 활동과 벌어짐 현상을 모사할 수 있었다. 석션파일의 인발 거동에 대한 거동을 합리적으로 모사하기 위해서는 경계면 요소를 잘 정의하는 것이 매우 중요하다.
후속연구
(1)을 이용하여 구한 인발지지력과 수치해석 결과값을 비교 시 예측값에 대한 오차가 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 따라서 파일 내부에서 발현된 전단응력이 활동파괴 여부임을 예측할 수 있는 좋은 지표로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3가지 인발파괴형태에 대하여 지지력 식 사용 구분이 명확하지 않은 이유는 무엇인가?
여러 연구자에 의해 석션파일의 연직 인발지지력이나 경사 인발지지력을 실험, 이론 그리고 수치해석을 통해 예측하고자 하는 노력이 많았음에도 불구하고 연직 인발력에 대한 3가지 인발파괴형태에 대하여 어떤 지지력 식을 사용해야 하는지에 대한 구분은 명확하지 않다. 이는 석션파일과 주변 지반의 배수조건을 결정하기가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 배수조건 이외에 지반의 강도나 석션파일의 세장비 등과 같은 다른 영향도 고려되어야 하기 때문이다. 본 논문에서는 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 인발하중에 의해 석션압이 발생하지 않는 경우, 즉 제시된 이론에 의하면 활동파괴로 가정하여 해석하는 경우에 비배수 전단강도와 석션파일의 세장비를 변화시켜 인발파괴의 형상이 적절한지 조사해 보고 석션파일 내부에 발현되는 전단응력과 활동파괴의 연관성에 대해 분석해 보고자 한다.
해상 부유식 구조물에 대한 기초형식의 특징은 무엇인가?
해상 부유식 구조물에 대한 기초형식의 특징은 압축하중에 대해 지지하는 일반적인 육상 기초형식에 비해 인장하중, 혹은 경사 하중에 대해 지지하도록 설계 및 시공되게 된다는 점이다. 그러나 연직 인장에 대한 석션파일의 지지 메커니즘도 단순하지 않다.
기존 문헌에서는 인발파괴 형상을 어떻게 구분하였는가?
또한 인발하중 재하속도가 빨라 파일 주변 지반이 순간적으로 비배수상태가 되는 경우에는 비배수 상태로 가정하여 해석해야 하며, 배수와 비배수 상태의 중간 미지의 상태에 대해서는 부분 배수상태로 가정해야 한다. 기존 문헌에서는 이러한 배수조건에 따라 인발파괴 형상을 3가지, 즉 활동파괴(sliding failure), 인장파괴(tensile failure), 역선단파괴(reverse end bearing failure)로 구분하였다(Supachawarote, 2006). 활동파괴는 석션파일을 인발할 때 파일의 바닥면에서 석션압이 발생하지 않는 상태에서 생기는 파괴 형상으로 볼 수 있다.
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