[논문]파랑에 의한 방파제 케이슨 침하 경향 및 원인 분석: 침하 계측자료를 중심으로

김태형; 남정만; 김인석; 윤성규

doi:10.7843/kgs.2014.30.7.27

파랑에 의한 방파제 케이슨 침하 경향 및 원인 분석: 침하 계측자료를 중심으로
Characteristics and Causes of Wave-Induced Settlement in Caisson Breakwater: Focusing on Settlement Data 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.30 no.7, 2014년, pp.27 - 40

김태형 (한국해양대학교 공과대학 건설공학과) , 남정만 (송하건설) , 김인석 (제주특별자치도 도로관리사업소 도로안전관리과) , 윤성규 (교토대학교 공학연구과 도시사회공학전공)

초록
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지금까지의 방파제 침하와 관련된 연구는 주로 해석위주의 수치모형실험 또는 축소모형을 이용한 실내수조모형실험을 통해 이루어졌다. 현재까지 실제 방파제 구조물에서 계측된 침하를 이용한 연구는 이루어지 않았다. 본 연구에서는 실제 케이슨 방파제에서 장기간 계측된 침하 자료를 분석해 정성적인 측면에서 파동에 의한 케이슨의(하부지반 포함)침하 경향과 그 원인을 분석하였다. 분석 결과, 케이슨 침하에 파랑의 영향이 있음을 분명하게 확인할 수 있었다. 특히 태풍과 같은 고파랑 조건에서는 그 경향이 뚜렷하게 나타났다. 케이슨 침하는 파랑에 의한 해저지반에서의 진동과잉간극수압과 잔류과잉간극수압의 합으로 표현되는 과잉간극수압의 증가에 의한 지반의 액상화와 축적된 과잉간극수압의 소산에 따른 지반의 고밀도화 과정을 통해 발생된다. 케이슨 하부 지반의 과잉간극수압 거동은 전적으로 케이슨 거동에 지배된다. 고밀화과정을 경험한 지반은 동급의 또는 그 보다 작은 파랑 조건에서는 액상화 발생 가능성이 현저하게 줄어들어 결과적으로 침하 발생도 감소된다.

Abstract ▼ AI-Helper

So far, studies on the settlement of breakwater have mainly been conducted through numerical model tests focusing on an analysis or through the laboratory wave tank tests using a scaled model. There has not been a study on the settlement that is measured in an actual breakwater structure. This study analyzed the data of settlement that has been measured in an actual caisson breakwater for a long time and the characteristics and causes of wave-induced settlement in the caisson (including beneath ground), based on qualitative aspect, were examined. The analysis revealed that wave clearly has an effect on the settlement in caisson, especially in the condition of high wave such as typhoon. Caisson settlement is caused by the liquefaction of ground, which is due to the increase of excess pore pressure, the combination of oscillatory excess pore pressure and residual excess pore water pressure, and the solidification process of ground due to dissipation of the accumulated excess pore pressure. The behavior of excess pore pressure in the ground beneath the caisson is entirely governed by the behavior of the caisson. Ground that has gone through solidification is not likely to go through liquefaction in a similar or a smaller wave condition and consequently, the possibility of settlement is reduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2013). 다음 절에서 이두 가지 특성에 대해 기존 해외연구 사례를 중심으로 좀 더 자세히 분석하고자 한다. 인용된 해외연구 사례는 대부분 모래 지반에서 수행된 실험으로 본 연구 대상 지역의 해성퇴적층이 세립 내지 중립의 모래(SP), 실트질 모래(SM)로 구성되어 있음을 감안하면 연구결과 분석에 이들 해외연구 사례를 인용해도 별 무리는 없을 것으로 판단된다.
하지만 실제 파동은 불규칙파동에 가깝다. 따라서 불규칙파동장 조건에서 해저면과 구조물에 작용하는 불규칙파압을 산정하여 해석에 적용하고자 한다. 또한 해저지반에 작용하는 유속도 산정하여 유속에 의해 발생된 전단응력도 같이 고려하고자 한다.
따라서 불규칙파동장 조건에서 해저면과 구조물에 작용하는 불규칙파압을 산정하여 해석에 적용하고자 한다. 또한 해저지반에 작용하는 유속도 산정하여 유속에 의해 발생된 전단응력도 같이 고려하고자 한다. 수치파동수로를 통해 산정된 결과는 지반의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 지반해석프로그램에 외력으로 입력하여 해저지반내에서 진동과잉간극수압, 잔류과잉간극수압, 유효응력, 액상화, 지반변형 및 방파제의 변위에 대한 불규칙파랑-해저지반-방파제의 상호작용 특성을 정량적으로 평가하고자 한다.
이것은 방파제라는 해양구조물 특성상 계측자체가 어려운 환경에 놓여있기 때문으로 판단된다. 본 연구는 기존 연구의 확대 측면에서 실제 방파제에서 장기간 계측된 구조물의 침하 자료를 분석해 정성적인 면에서 파랑에 의한 해양구조물(하부지반 포함)침하 경향과 원인을 분석해 보았다.
본 연구는 파동으로 인한 해저지반 액상화를 실제 방파제 침하 계측 자료를 중심으로 검토하였다. 하지만 해안구조물에 미치는 파랑의 영향을 확인한 정성적인 연구의 한계를 가지고 있다.
또한 해저지반에 작용하는 유속도 산정하여 유속에 의해 발생된 전단응력도 같이 고려하고자 한다. 수치파동수로를 통해 산정된 결과는 지반의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 지반해석프로그램에 외력으로 입력하여 해저지반내에서 진동과잉간극수압, 잔류과잉간극수압, 유효응력, 액상화, 지반변형 및 방파제의 변위에 대한 불규칙파랑-해저지반-방파제의 상호작용 특성을 정량적으로 평가하고자 한다.
하지만 해안구조물에 미치는 파랑의 영향을 확인한 정성적인 연구의 한계를 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 향후 수치해석을 통한 정량적인 연구를 수행하고자 한다. 계략 적인 수치해석 방향은 다음과 같다.

제안 방법

2002년부터 2010년까지 방파제 공사 중 수압식파고계(self-recording wave gauge)를 설치하여 파고와 파향 등을 관측하였다. 본 현장의 파고 계측지점의 위치는 방파제 전면 500m에 위치하여 제체에 의한 반사등의 영향을 최소화시켰다(Fig.
방파제 축조 공사 시 해상에 설치된 케이슨이 충분히 안정화 되었는지 여부를 판단하는 것이 매우 중요하다. 따라서 케이슨 설치 후 케이슨의 침하에 대한 계측을 계획하였다. 케이슨의 침하에 대한 정확한 계측을 위해서는 케이슨 하부에 침하계를 설치하여 지반 침하를 분석하고 케이슨 상부의 변형에 대한 레벨측량을 병행하는 것이 계측결과에 대한 상호보완을 하는 좋은 방법이라고 할 수 있다.
2002년부터 2010년까지 방파제 공사 중 수압식파고계(self-recording wave gauge)를 설치하여 파고와 파향 등을 관측하였다. 본 현장의 파고 계측지점의 위치는 방파제 전면 500m에 위치하여 제체에 의한 반사등의 영향을 최소화시켰다(Fig. 3 참조). Table 1은 관측 자료 중에서 최고파고 5m 이상 되는 것만을 정리한 것이다.
케이슨의 침하계측은 각 케이슨의 바다 쪽에 위치하는 모서리로부터 번호를 1에서 4까지 부여하여 각 모서리에 대한 침하량을 측정하였다(Fig. 4(a)).

대상 데이터

그래서 연구의 중점을 계측에서 측정된 침하량 보다 침하가 발생하는 경향에 대한 거동 분석과 침하가 발생한 시점에 중점을 두었다. Fig. 3은 레벨측량 위치도로 국립해양조사원 제주 TBM(No.7)을 케이슨 측량기준점으로 삼고 케이슨이 거치되는 순간부터 침하를 측정하였다. 그리고 본 연구에 사용된 케이슨은 그림에서 나오는 서방파제 부분이 되겠다.
79에서 84까지 설치되었다. 다시 정리하면 제주외항 서방파제에 사용된 케이슨은 무공케이슨이 19개, 곡면 슬리트케이슨이 48개, 확폭슬리트케이슨이 11개, 이형곡면슬리트가 6개, 총 84개의 케이슨이 사용되었다.
본 논문의 서론에 언급된 지금까지 수행된 수치해석 연구는 해저지반의 동적거동을 대부분 규칙파를 대상으로 수행하였다. 하지만 실제 파동은 불규칙파동에 가깝다.
62m이며, 이 지역의 기초지반의 성층 상태는 지표로부터 해성퇴적토층, 기반암의 풍화암층 및 연암층으로 구성된다. 본연구의 주 대상지반인 해성퇴적토층은 해수에 의해 운반 퇴적되어 형성된 지층으로서 약 10m 내외의 두께로 분포하고 있으며, 토성은 세립 내지 중립의 모래(SP), 실트질 모래(SM)로 구성되어 있으며 부분적으로 다량의 조개껍질 및 실트를 함유하고 있다(Fig. 2). 표준관입 시험에 의한 N치는 9∼35의 범위로서 위치 및 심도에 따라 다소 변화하나 전반적으로는 보통 조밀함 내지 조밀한 상태의 상대밀도를 나타낸다.
6m 조건에서 실시한 수조모형실험으로부터 획득한 자료이다. 총 1000s 가량의 케이슨 하부 지반의 진동 및 잔류과잉간극수압의 변동을 케이슨 거동과 같이 도시한 것이다. 케이슨 하부 지반의 과잉간극 수압(P36, 진동+잔류) 증가에 따라 케이슨 침하(d_v,b)가발생하는 것을 알 수 있다.

성능/효과

(1) 케이슨 침하에 파랑의 영향이 분명하게 존재하는 것을 알 수 있다. 많은 케이슨 침하 계측결과 중에서 가장 계측기간이 긴 무공케이슨에 대한 결과를 보면 파랑과 케이슨 침하 관계를 쉽게 파악할 수 있다.
태풍 파랑과 관련 케이슨 침하 계측결과에서 나타난 침하특성을 요약하면 다음과 같이 두 가지로 정리할 수 있다: 1) 큰 태풍 파랑이 작용시 케이슨은 단시간에 큰 침하 경향을 보이고, 2) 이전의 파랑 보다 작거나 비슷한 규모의 파랑이 케이슨에 작용시에는 침하가 거의 발생되지 않는다.
또한 육지쪽 해저지반(P29, P43)이 바다쪽 해저지반(P25, P42)보다 더 큰 진동과잉간극수압 변화를 보여준다. 요약하면, 케이슨 주변의 해저지반은 파랑의 거동(파봉, 파곡)에 따라 지반의 진동과잉간극수압이 같이 변하는 반면, 케이슨 하부 지반의 진동과잉간극수 압은 케이슨의 거동에 지배되는 것을 알 수 있다.

후속연구

다음 절에서 이두 가지 특성에 대해 기존 해외연구 사례를 중심으로 좀 더 자세히 분석하고자 한다. 인용된 해외연구 사례는 대부분 모래 지반에서 수행된 실험으로 본 연구 대상 지역의 해성퇴적층이 세립 내지 중립의 모래(SP), 실트질 모래(SM)로 구성되어 있음을 감안하면 연구결과 분석에 이들 해외연구 사례를 인용해도 별 무리는 없을 것으로 판단된다.
유사한 피해사례가 세계 각지에서 많이 발생되었는데 1978년에 포르투갈 Cape Sines에 있는 Sines방파제의 침하가 대표적인 예이다. 향후 추가적인 수치해석 연구를 통해 해안구조물 설계에서 해저지반의 동적거동특성 반영을 어느 정도 어떻게 해야 할지 그 대안을 제시하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방파제 관련 실내수조실험연구는 어떤 것이 있는가?	방파제 관련 실내수조실험연구로는 Zen and Yamazaki(1990a; 1990b), Kudella and Oumeraci(2004a; 2004b), Kudella et al.(2006) 등을 들 수 있다. Zen(1993)은 모래 지반에 대해 연직방향의 진동압(Oscillatory pressure) 발생 장치를 이용한 모형실험을 통해 지반내의 진동간극 수압에 의한 액상화에 의해서 구조물의 침하가 발생할 수 있다는 점을 강조했다.
	흙의 액상화는 무엇인가?	흙의 액상화는 일반적으로 흙이 유효응력을 상실하여 액체처럼 흙이 흐르는 상태를 일컫는다. 일반적으로 파랑에 의한 액상화는 지진하중에 의한 액상화와는 다른 메카니즘으로 발생된다.
	실제 케이슨 방파제에서 장기간 계측된 침하 자료를 분석해 정성적인 측면에서 파동에 의한 케이슨의(하부지반 포함)침하 경향과 그 원인을 분석한 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 실제 케이슨 방파제에서 장기간 계측된 침하 자료를 분석해 정성적인 측면에서 파동에 의한 케이슨의(하부지반 포함)침하 경향과 그 원인을 분석하였다. 분석 결과, 케이슨 침하에 파랑의 영향이 있음을 분명하게 확인할 수 있었다. 특히 태풍과 같은 고파랑 조건에서는 그 경향이 뚜렷하게 나타났다. 케이슨 침하는 파랑에 의한 해저지반에서의 진동과잉간극수압과 잔류과잉간극수압의 합으로 표현되는 과잉간극수압의 증가에 의한 지반의 액상화와 축적된 과잉간극수압의 소산에 따른 지반의 고밀도화 과정을 통해 발생된다. 케이슨 하부 지반의 과잉간극수압 거동은 전적으로 케이슨 거동에 지배된다. 고밀화과정을 경험한 지반은 동급의 또는 그 보다 작은 파랑 조건에서는 액상화 발생 가능성이 현저하게 줄어들어 결과적으로 침하 발생도 감소된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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