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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 지반이 동결하였을 때, 동결압이 관의 재질의 종류별 상수도관에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실제 기후조건을 반영한 현장적용 모형실험과 수치해석을 통한 상수도관의 변형 특성을 비교분석 하였다. 또한 지중매설관 설계시 매설관의 벽면 마찰영향과 흙의 자중에 의한 연직하중을 고려하는 Marston-Spangler 이론을 적용하여 지반 온도조건에 대한 토압의 이론값과 실제 상수도관에 작용한 토압을 비교 분석하였다.
- 스트레인 게이지 케이블이 손상되는 것을 방지하기 위하여 이중 코팅된 연장 케이블을 활용하였으며, 게이지 부착시 도포 처리 및 충진 테이프를 사용하여 설치에 따른 오차를 방지하고자 하였다. 상수도관의 동결하중이 작용 하여 압축력을 받을 때 종방향 압축응력으로 인한 탄성좌 굴의 여부를 확인하기 위하여 양단을 고정단으로 하였다.
- 이 연구에서는 동결지반에서의 온도조건이 상수도관의 거동 특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 현장실험 및 수치해석을 수행하였다. 관의 재질별로 현장실험을 통한 모형실험과 수치해석을 이용하여 상수도관의 거동특성을 비교 분석한 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
제안 방법
- 따라서 이 연구에서는 지반이 동결하였을 때, 동결압이 관의 재질의 종류별 상수도관에 미치는 영향을 알아보기 위하여 실제 기후조건을 반영한 현장적용 모형실험과 수치해석을 통한 상수도관의 변형 특성을 비교분석 하였다. 또한 지중매설관 설계시 매설관의 벽면 마찰영향과 흙의 자중에 의한 연직하중을 고려하는 Marston-Spangler 이론을 적용하여 지반 온도조건에 대한 토압의 이론값과 실제 상수도관에 작용한 토압을 비교 분석하였다.
- 지반의 동결온도에 따른 상수도관의 변형 및 거동에 관한 모형실험은 인천광역시 연수구 송도동에 위치한 인천대학교 부지 내에 현장실험 조건을 구축하여 수행하였다. 실험 시스템이 위치한 지역은 지리적으로 경기서부 평지에 위치해 있고, 해안과 접하고 있다.
- 지반의 조건과 상수도관의 특성에 따라 겨울철 지반의 동상으로 인한 상수도관의 거동을 평가하기 위하여 Fig. 2와 같은 단면으로 현장 모형 실험 토조를 구성하였다. 현장 모형 실험용 토조의 크기는 3m(폭) x 6m(길이) x 3m (높이)이며 Section-1과 Section-2는 각각 한국산업규격 명시되어 있는 KS D 4317 덕타일 주철관(200mm)과 KS D 3576 스테인리스강관(50mm)의 상수도관을 매설하였다.
- 실제 지반의 지하수위를 모사하기 위하여 상부로부터 100cm 깊이에 급･배수관 및 지하수 측정 장치를 설치하여 실제 지반조건의 지하수위를 모사하기 위한 장치를 설계하였다.
- 상수도관의 변형을 파악하기 위하여 상수도관 하나당 4개씩 총 8개의 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 스트레인 게이지 부착시, 상수도관 매설 후 지반을 조성할 때 있을 수 있는 게이지의 손상을 방지하기 위하여 매설관 내측에 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 스트레인 게이지 케이블이 손상되는 것을 방지하기 위하여 이중 코팅된 연장 케이블을 활용하였으며, 게이지 부착시 도포 처리 및 충진 테이프를 사용하여 설치에 따른 오차를 방지하고자 하였다. 상수도관의 동결하중이 작용 하여 압축력을 받을 때 종방향 압축응력으로 인한 탄성좌 굴의 여부를 확인하기 위하여 양단을 고정단으로 하였다.
- 수치해석은 현장모형실험의 조건과 같이 상부에 화강 풍화토가 포설된 덕타일 주철관과 스테인리스 주철관을 설치한 조건으로 수행하였고 5℃에서부터 –30℃ 까지 온도변화에 따른 해석을 수행하였다.
- 실제 물리 현상을 고려하기 위해서는 결과값에 대한 비교분석이 필요하다. 이 연구에서는 덕타일 주철관과 스테인리스강관에 대하여 토양의 온도변화에 따른 상수도관의 변형 분석을 통해 현장모형실험을 통해 얻은 결과 값을 비교하여 유효성을 검증하였다.
- 온도해석은 동결 구간에서 발생하는 모세관현상에 의한 잠열 효과를 고려하여 온도해석 지배방정식을 적용하였다. 덕타일 주철관과 스테인리스 강관이 지반 동결시 작용하는 동상압력의 증가에 따른 영향검토와 지반의 동결 범위 및 상수도관의 변형률 관계를 평가하고자 하였으며 수치해석에 적용된 상수도관의 강도 정수는 실내시험 결과를 이용하여 수행하였다.
대상 데이터
- 지반의 동결온도에 따른 상수도관의 변형 및 거동에 관한 모형실험은 인천광역시 연수구 송도동에 위치한 인천대학교 부지 내에 현장실험 조건을 구축하여 수행하였다. 실험 시스템이 위치한 지역은 지리적으로 경기서부 평지에 위치해 있고, 해안과 접하고 있다. 북쪽으로는 한강의 하류에 위치하여 지하수위가 높은 편이다.
- 2와 같은 단면으로 현장 모형 실험 토조를 구성하였다. 현장 모형 실험용 토조의 크기는 3m(폭) x 6m(길이) x 3m (높이)이며 Section-1과 Section-2는 각각 한국산업규격 명시되어 있는 KS D 4317 덕타일 주철관(200mm)과 KS D 3576 스테인리스강관(50mm)의 상수도관을 매설하였다. 관재질에 따른 상수도관의 거동변형에 대해 분석하기 위해서는 같은 크기의 직경을 갖는 상수도관을 사용해야 한다.
- 200체 통과량을 나타낸 것으로, 총 4개의 지층으로 구성되어있다. 상부 20cm는 화강풍화토(SP-SM), 관 매설구간인 60cm는 배수에 용이한 채움재로써 모래 (SP)를 사용하였고, 관 하부의 두 지층은 전동 다짐기에 의해 다짐하여 각각 SM, SP로 노체를 형성하였다.
데이터처리
- 동결 온도와 구성 재료의 열전도 특성에 따른 열전달과 변화 양상에 대해 추정하기 위하여 열해석 수치해석 프로그램인 Midas GTS FEA를 사용하였다. Midas GTS FEA 프로그램은 지반의 온도구배 경계조건과 정상 상태의 열전도 문제 뿐만 아니라 동결 융해문제를 분석할수 있으며 토양의 상변화에 따른 응력의 변화를 모델링 할 수 있다.
이론/모형
- 매설관에 작용하는 연직토압은 기본적으로는 마스톤스 팽글러이론(Marston Spangler theory)에 준거하여 계산된다. 이 이론에서는 매설관을 굴착도랑 저부에 설치하고 되메우기한 경우와 자연지반상에 설치하여 성토에 의해 덮은 경우의 2가지로 나누고 전자를 도랑형(ditch type), 후자를 돌출형(projecting type)이라 부른다.
- 온도해석은 동결 구간에서 발생하는 모세관현상에 의한 잠열 효과를 고려하여 온도해석 지배방정식을 적용하였다. 덕타일 주철관과 스테인리스 강관이 지반 동결시 작용하는 동상압력의 증가에 따른 영향검토와 지반의 동결 범위 및 상수도관의 변형률 관계를 평가하고자 하였으며 수치해석에 적용된 상수도관의 강도 정수는 실내시험 결과를 이용하여 수행하였다.
성능/효과
- 5는 관의 종류에 따른 축방향 변형률 거동을 나타낸 것으로 동결로 인해 상수도관의 상부는 압축력이 작용 하고 하부는 인장력이 발생하였다. 또한 지반동결에 의한 상수도관의 변형은 흙이 동상에 민감하고 모세관현상에 의해 수분이 지속적으로 공급되며 지중의 온도가 0℃ 이하의 온도가 지속될수록 상수도관의 변형이 더 많이 일어나는 것으로 확인되었다. 지반의 온도 변화에 대한 상수도관의 축방향 기온이 낮을수록 압축력 및 인장력에 대한 영향이 큰 것으로 나타났다.
- 또한 지반동결에 의한 상수도관의 변형은 흙이 동상에 민감하고 모세관현상에 의해 수분이 지속적으로 공급되며 지중의 온도가 0℃ 이하의 온도가 지속될수록 상수도관의 변형이 더 많이 일어나는 것으로 확인되었다. 지반의 온도 변화에 대한 상수도관의 축방향 기온이 낮을수록 압축력 및 인장력에 대한 영향이 큰 것으로 나타났다. Table 3은 덕타일 주철관과 스테인리스 강관의 상부와 하부의 온도조건 별 변형률을 나타낸 것으로, 두 종류의 모두에서 관의 상부는 압축력을 받고, 하부는 인장력을 받는 것으로 분석되었다.
- 스테인리스 강관의 수직변형은 동결 전에 비하여 지반 동결 후 –21.5mm의 변화량을 보였고 강관에 작용한 연직 토압은 초기 9.25kPa, 0℃일 때 11.89kPa, -10℃일 때 22.40kPa의 하중이 상수도관에 작용하여 관의 천단부에서 가장 많은 변위가 발생하였으며 저부로 내려갈수록 변위가 감소하는 것으로 나타났다.
- 40kPa의 하중이 상수도관에 작용하여 관의 천단부에서 가장 많은 변위가 발생하였으며 저부로 내려갈수록 변위가 감소하는 것으로 나타났다. 스테인리스관의 길이에 대한 변형률 및 부등침하 결과를 살펴보면 지반동결로 인한 동상 압이 발생하여 변형률이 증가하는 경향을 나타내었고 동결하중이 작용하지 않는 구간에서는 변형률이 작아지는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 또한 부등침하의 상재 하중이 작용하는 끝부분에서 최대가 발생하는 것으로 나타났다.
- 스테인리스관의 길이에 대한 변형률 및 부등침하 결과를 살펴보면 지반동결로 인한 동상 압이 발생하여 변형률이 증가하는 경향을 나타내었고 동결하중이 작용하지 않는 구간에서는 변형률이 작아지는 경향을 보이는 것을 확인하였다. 또한 부등침하의 상재 하중이 작용하는 끝부분에서 최대가 발생하는 것으로 나타났다.
- 지반의 동상으로 인한 지반변형의 크기에 대한 관 변형률은 -15℃에서 상한선이 발생하고 유한요소의 해석과 현장실험을 비교하면 일정한 온도가 유지되는 조건에서 해석에 의한 상수도관의 변형이 더 큰 것으로 나타났다. 동상으로 인한 지반 변형의 형상에 따라 실제적으로 매설관로에 작용하는 동상하중이 변화하면서 나타나는 현상인 것으로 판단되며 특히 동상지반의 형상에 따른 응답특성의 차이가 있다고 볼 수 있다.
- (1) 겨울철 지반이 동결하면서 상수도관에 발생하는 동상력은 모세관 현상에 의한 지하수의 공급이 계속되는 조건이며, 영하의 기온이 장기간 유지되면 상수도관에 미치는 토압 및 변형이 증가한다. 따라서 동결깊이 이내에 매설된 상수도관은 겨울철에 동상력에 의한 상재하중의 증가가 발생하는 것을 확인 하였다.
- (1) 겨울철 지반이 동결하면서 상수도관에 발생하는 동상력은 모세관 현상에 의한 지하수의 공급이 계속되는 조건이며, 영하의 기온이 장기간 유지되면 상수도관에 미치는 토압 및 변형이 증가한다. 따라서 동결깊이 이내에 매설된 상수도관은 겨울철에 동상력에 의한 상재하중의 증가가 발생하는 것을 확인 하였다.
- (2) 동결지반 내에서 덕타일 주철관과 스테인리스관은 동상압에 의해 상부로부터는 압축력 하부로부터는 인장력을 받아 관의 변형이 생기며 덕타일 주철관의 변형량이 더 적으므로, 실제 도로의 하부에 관을 매설할 경우에는 비교적 강성이 큰 덕타일 주철관이 적합하 다고 판단된다.
- (3) Marston-Spangler의 이론식에 의해 관에 작용하는 하중은 흙의 토압만을 고려하여 실제 겨울철 지반동결에 의한 동상압을 고려하지 않았으므로, 설계시 이론 식만을 이용하여 상수도관을 설계한다면 하중에 대한 과소설계가 될 가능성이 있다.
- (4) 수치해석 결과는 상수도관의 변형이 현장실험의 값보다 크게 나타났으며, 이것은 동결지속시간의 특성과 관련이 있다. 수치해석과 현장실험 값에는 차이가 있지만 상수도관의 거동은 비슷한 경향을 보이는 것으로 확인하였다.
- (4) 수치해석 결과는 상수도관의 변형이 현장실험의 값보다 크게 나타났으며, 이것은 동결지속시간의 특성과 관련이 있다. 수치해석과 현장실험 값에는 차이가 있지만 상수도관의 거동은 비슷한 경향을 보이는 것으로 확인하였다.
- (5) 현장실험결과 동상현상으로 인한 거동은 상부복토재의 함수비 및 동결지속시간과 관계가 있으며 영하의 온도가 지속될수록 동상이 크게 발생하며, 이로 인해 상수도관 변형을 크게 하게 된다. 따라서 상수도관 인근지반의 배수처리에 주의 하여야 한다.
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