수평굴착 시 점토압력이 굴착공의 안정에 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구 Numerical Approach to Investigate the Effect of Mud Pressure on the Borehole Stability during Horizontal Directional Drilling원문보기
최근 비개착 공법 중의 하나로 도심지에서 가스관이나 유틸리티관의 건설에서 수평굴착에 대한 관심이 높아지고 있다. 수평굴착에서 가장 문제가 되는 것 중에 하나는 굴착 시 굴착경의 안정성이다. 이러한 굴착경의 불안정은 지반 전체의 붕괴로 이어질 우려가 있기 때문이다. 본 연구에서는 유한요소 해석을 이용하여 굴착경의 보호를 위해 적용하는 점토압이 굴착경의 안전성에 미치는 영향을 살펴보았다. 굴착경 바깥쪽으로 가해지는 점토압이 깊이별로 일정하게 적용되었을 경우와 굴착 깊이가 깊어짐에 따라 큰 점토압이 작용했을 경우로 나누어 그 안전성을 살펴보았다. 유한요소 해석결과 굴착경 입구(앝은깊이)에서의 큰 점토압은 굴착경의 조기 파괴를 가져왔다. 따라서 입구에는 작은 점토압, 굴착 심도가 깊은 곳에서는 큰 점토압이 요구된다. 본 연구를 통해 실제 수평굴착에서 굴착경의 안정성을 확보하기 위한 최대 점토압을 예측하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
최근 비개착 공법 중의 하나로 도심지에서 가스관이나 유틸리티관의 건설에서 수평굴착에 대한 관심이 높아지고 있다. 수평굴착에서 가장 문제가 되는 것 중에 하나는 굴착 시 굴착경의 안정성이다. 이러한 굴착경의 불안정은 지반 전체의 붕괴로 이어질 우려가 있기 때문이다. 본 연구에서는 유한요소 해석을 이용하여 굴착경의 보호를 위해 적용하는 점토압이 굴착경의 안전성에 미치는 영향을 살펴보았다. 굴착경 바깥쪽으로 가해지는 점토압이 깊이별로 일정하게 적용되었을 경우와 굴착 깊이가 깊어짐에 따라 큰 점토압이 작용했을 경우로 나누어 그 안전성을 살펴보았다. 유한요소 해석결과 굴착경 입구(앝은깊이)에서의 큰 점토압은 굴착경의 조기 파괴를 가져왔다. 따라서 입구에는 작은 점토압, 굴착 심도가 깊은 곳에서는 큰 점토압이 요구된다. 본 연구를 통해 실제 수평굴착에서 굴착경의 안정성을 확보하기 위한 최대 점토압을 예측하는데 도움이 될 것으로 기대된다.
Recently, people are increasingly interested in horizontal directional drilling (HDD) to construct oil and gas pipeline and utility pipeline in the urban area as one of trenchless methods. One of major issues during the HDD is the collapse of borehole, which may be the potential causes of ground col...
Recently, people are increasingly interested in horizontal directional drilling (HDD) to construct oil and gas pipeline and utility pipeline in the urban area as one of trenchless methods. One of major issues during the HDD is the collapse of borehole, which may be the potential causes of ground collapse. This study investigated the effect of mud pressure on the borehole stability, using finite element analysis. Since the borehole is being drilled with a certain angle, three dimensional analysis should be performed. The borehole stability was examined by applying two different types of mud pressures, i.e., uniform and non-uniform, to the exterior surface of borehole. The results show that the high mud pressure at the beginning of drilling, i.e., at shallow depth, causes the borehole collapse, whereas the borehole was stable even at high mud pressure as the drilling depth increases. It can be said that the determination of maximum mud pressure is strongly related to the drilling depth.
Recently, people are increasingly interested in horizontal directional drilling (HDD) to construct oil and gas pipeline and utility pipeline in the urban area as one of trenchless methods. One of major issues during the HDD is the collapse of borehole, which may be the potential causes of ground collapse. This study investigated the effect of mud pressure on the borehole stability, using finite element analysis. Since the borehole is being drilled with a certain angle, three dimensional analysis should be performed. The borehole stability was examined by applying two different types of mud pressures, i.e., uniform and non-uniform, to the exterior surface of borehole. The results show that the high mud pressure at the beginning of drilling, i.e., at shallow depth, causes the borehole collapse, whereas the borehole was stable even at high mud pressure as the drilling depth increases. It can be said that the determination of maximum mud pressure is strongly related to the drilling depth.
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문제 정의
8N/kg;h는 표층에서 굴착경까지의 거리를 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 전체굴착 길이에 100 kPa의 압력을 균등하게 적용했을 경우와 굴착경 입구에서 중반까지 50kPa, 그 이후 20m까지 200kPa의 점토압이 가해졌을 때 굴착경 주변 흙의 변형에 대해 살펴보았다.
본 논문은 수평 굴착 시 굴착경의 건전성을 위해 사용되는 최대점토압과 그 점토압으로 인한 굴착경 주변지반의 거동을 수치해석을 통해 알아보았다. 이를 위해 탄소성 모델을 사용하였으며, 항복후의 소성거동은 연계성 및 비연계성 흐름법칙을 이용하여 보다 정밀히 살펴보았다.
따라서 대부분의 수평굴착에 대한 연구는 마이크로 터널 굴착연구와 유사하다. 이러한 수평굴착 시 사용되는 점토압에 대한 실험적인 연구(Elwood et al., 2007; Elwood, 2008)또한 활발히 이루어지고 있지만, 본 연구에서는 목표지점까지 사선으로 굴착할 경우 굴착경 외경에 작용하는 점토압에 의한 굴착경의 건전성에 필요한 최대 점토압력을 수치해석적 접근 방법으로 구해 보고자 한다.
제안 방법
Fig. 2는 해석에 사용된 요소망을 나타내고 있으며, 3차원 해석이기 때문에 해석 시 소요되는 시간을 줄이기 위해 본연구의 관심 부분인 굴착경(borehole) 주변에는 촘촘한 요소망을 사용하였으며, 굴착경에서 멀어질수록 느슨한 요소망을 사용하였다. 굴착경의 크기는 수평굴착에 일반적으로 사용되는 150mm이며 굴착경 중심에서 좌우로 50cm 수평방향으로 이격 거리를 두어 수평 방향변위의 영향이 없도록 모델링하였다.
첫 번째, 굴착 후 홀의 안정 여부를 확인하기 위해 geostatic 해석을 수행하였다. 굴착 후 굴착경의 안정성이 확보된 후에 굴착경의 외면에 점토압력을 적용하였다. 실제 굴착의 경우, 깊이별로 다른 점토압이 적용되어야 하지만, 수치해석적으로 균등한 점토압을 가했을 경우와 비균등한 점토압을 가했을 경우를 지반변형에 어떠한 차이가 있는지 비교해볼 필요가 있다.
2는 해석에 사용된 요소망을 나타내고 있으며, 3차원 해석이기 때문에 해석 시 소요되는 시간을 줄이기 위해 본연구의 관심 부분인 굴착경(borehole) 주변에는 촘촘한 요소망을 사용하였으며, 굴착경에서 멀어질수록 느슨한 요소망을 사용하였다. 굴착경의 크기는 수평굴착에 일반적으로 사용되는 150mm이며 굴착경 중심에서 좌우로 50cm 수평방향으로 이격 거리를 두어 수평 방향변위의 영향이 없도록 모델링하였다.
균등하중의 결과에서 보듯이 100kPa이 굴착경 외면에 작용했을 때 굴착경 입구에서 큰 소성변형을 보이는 것을 확인하였다. 따라서 굴착경 입구에서 10m깊이 까지는 50kPa을 적용하고, 그 후 20m까지 200kPa을 적용했을 때 굴착경 주변의 수직변위와 소성변형을 살펴보았다. Fig.
실제 굴착의 경우, 깊이별로 다른 점토압이 적용되어야 하지만, 수치해석적으로 균등한 점토압을 가했을 경우와 비균등한 점토압을 가했을 경우를 지반변형에 어떠한 차이가 있는지 비교해볼 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 굴착경 전체에 균등한(Uniform) 점토압을 적용하는 경우와, 굴착경의 전체 길이를 절반으로 나누어 굴착경 입구에는 중간까지는 작은 점토압을 중간에서 굴착 종착점까지는 큰 점토압을 적용하였다. 이는 굴착 깊이가 깊어질수록 수직방향의 토압이 증가하기 때문에 깊이방향으로 다른 점토압이 적용되었다.
이를 위해 탄소성 모델을 사용하였으며, 항복후의 소성거동은 연계성 및 비연계성 흐름법칙을 이용하여 보다 정밀히 살펴보았다. 또한 굴착경 외벽에 균등한 점토압의 경우와 비균등한 점토압을 적용함으로써 깊이에 따른 점토압을 결정할 수 있는 근거를 제시하였다. 수치해석 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.
본 논문은 수평 굴착 시 굴착경의 건전성을 위해 사용되는 최대점토압과 그 점토압으로 인한 굴착경 주변지반의 거동을 수치해석을 통해 알아보았다. 이를 위해 탄소성 모델을 사용하였으며, 항복후의 소성거동은 연계성 및 비연계성 흐름법칙을 이용하여 보다 정밀히 살펴보았다. 또한 굴착경 외벽에 균등한 점토압의 경우와 비균등한 점토압을 적용함으로써 깊이에 따른 점토압을 결정할 수 있는 근거를 제시하였다.
해석단계는 크게 두 가지로 수행되었다. 첫 번째, 굴착 후 홀의 안정 여부를 확인하기 위해 geostatic 해석을 수행하였다. 굴착 후 굴착경의 안정성이 확보된 후에 굴착경의 외면에 점토압력을 적용하였다.
데이터처리
유한요소 상용프로그램인 ABAQUS(2014)를 사용하여 Fig. 1과 같이 지표면에서 18º 심도 20m까지 굴착했을 경우 굴착공의 안정성을 평가하기 위해 3차원 수치 해석을 수행하였다.
이론/모형
굴착이 사선으로 진행되기 때문에 일반적인 수평굴착에 사용되는 평면변형(Plane strain) 모델로 해석이 되지 않는다. 따라서 본 연구에서는 3차원 모델이 사용되었다.
수치해석에 사용된 주변 지반의 거동은 탄소성 모델을 사용하였으며, 재료의 파괴는 Mohr-Coulomb모델을 적용하였다. 소성모델에서 소성영역의 거동을 살펴보기 위해 연계 및 비연계흐름법칙(Associated and Non-associated flow rule)을 적용하여 각각에 대한 거동차이를 비교분석하였으며, 구체적인 물성치는 Table 1과 같다.
수치해석에 사용된 주변 지반의 거동은 탄소성 모델을 사용하였으며, 재료의 파괴는 Mohr-Coulomb모델을 적용하였다. 소성모델에서 소성영역의 거동을 살펴보기 위해 연계 및 비연계흐름법칙(Associated and Non-associated flow rule)을 적용하여 각각에 대한 거동차이를 비교분석하였으며, 구체적인 물성치는 Table 1과 같다.
3에 나타내었다. 여기서 발생된 소성변형은 비연계흐름법칙(Non-associated flow rule)에 따른 소성변형을 나타내었다. Fig.
성능/효과
균등하중의 결과에서 보듯이 100kPa이 굴착경 외면에 작용했을 때 굴착경 입구에서 큰 소성변형을 보이는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도심지에서의 관매설은 어떤 방법이 주로 이용되는가?
전형적인 관(pipeline)의 매설 방법인 일정한 깊이의 트렌치(trench)를 파고 관을 안치한 후 뒤채움을 하는 트렌치 공법을 사용하였으나, 최근에 도심지에서의 관매설은 트렌치를 파지 않은 비개착식 공법(trenchless technology)이 널리 이용되고 있다. 이러한 비개착식 공법 중 최근에 도심지에 건설되는 지하구조물의 굴착에서 수평방향굴착(Horizontal Directional Drilling, HDD)이 많이 적용되고 있다.
수평방향굴착 기술은 언제 처음 시작되었나?
수평방향굴착은 1970년대 초반 미국에서 최초로 시작되었으며(Ariaratnam et al., 1999), 유전개발에 이용되면서 그 기술이 발달되어 왔다.
수평방향굴착은 최근 어떤 경우 이용되나?
, 1999), 유전개발에 이용되면서 그 기술이 발달되어 왔다. 최근에는 지하 매설관 설치 시 장애물이 있거나 지형적으로 강을 건너가야 하는 경우에 주로 이용된다. 수평방향 굴착의 가장 큰 장점은 지반교란을 최소화하고, 기존의 구조물의 손상과 환경오염을 줄일 수 있는데 있다.
참고문헌 (10)
Ariaratnam, S. T. and Beljan, I. J. (1999), "Utilization of Trenchless Construction Methods by Canadian Municipalities", Journal of Construction Engineering Management, Vol.125, pp.76-86.
Christopher, J. S. and Michael, M. (2003), "Drilling Fluid Loss Events in the Denver Basin Aquifers", ASCE, Geotechnical Engineering for Water Resources, pp.220-227.
Mathew, F. and James, K. (2003), "Management of Heave and Subsidence Risk for Horizontal Directional Drilling", Proceedings of No-Dig Conference, Las Vegas, Nevada, Paper C-2-39.
Harris, T., Drexel, H., and Rahman, S. (2005), "Horizontal Directional Drilling Application of Fusible C-950 TM PVC Pressure Pipe", Proceedings of 2005 No-Dig Conference, New Orleans, Florida, Paper A-1-05-1.
David, B., Glenn, D., and Neil, W. (2007), HDD design and construction challenges : Netarts Force Main, Proceedings of 2007 No-Dig Conference, San Diego, California, Paper # A-3-01.
Elwood, E. Y. David, Xia, H., and Moore I. D. (2007), "Hydraulic Fracture Experiments in a Frictional Material and Approximations for Maximum Allowable Mud Pressure", Proceeding, 60th Canadian Geotechnical Society Annual Conference, Ottawa, Ontario, Canada, pp.1681-1688.
Elwood, E. Y. David (2008), "Hydraulic Fracture Experiments in a Frictional Material and Approximations for Maximum Allowable Mud Pressure", Master Thesis, Civil Engineering, Queen's University, Kingston, Ontario, Canada.
ABAQUS User Manual Version 6.14 (2014), Hibbt, Karlson & Sorenson, Inc., Pawtucket, R. I.
Shu, B. and Ma, B. (2015), "Study of Ground Collapse Induced by Large-diameter Horizontal Directional Drilling in a Sand Layer Using Numerical Modeling", Canadian Geotechnical Journal, Vol. 52, pp.1-13.
Park, J., Park, D., Jee, S., and Kim, D. (2015), "Evaluation of Vertical Bearing Capacity of Bucket and Shallow Foundations Installed in Sand", Journal of Korean Geo-Environmental Society, Vol.19, pp.33-41.
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