[국내논문]계면요소를 이용한 지반-라이닝 상호작용 모델에 의한 터널 콘크리트 라이닝 연구 A study of tunnel concrete lining design using the ground-lining interaction model with the interface element원문보기
NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 산정하는 방법으로 수치해석적 기법인 지반-라이닝 상호작용모델(Ground-Lining Interaction Model, GLI 모델)에 의한 지반하중 산정방법이 제안되었다. 그러나, 기존의 GLI 모델은 지반과 지보재 또는 콘크리트 라이닝 사이에 존재하는 계면(Interface)의 구조적 역할을 반영하지 못하였다. 이에 본 연구에서는 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 보다 실제에 가까운 모델로 구현하였다. 그리고, 지반조건 및 토피별 지반하중을 수치해석을 통해 산정하고 기존의 GLI모델 지반하중 상관식을 수정하여 제안하였다. 연구결과, 기존 모델에 비해 계면요소 반영시 지반하중은 토피두께에 따라 IV등급 지반조건에서는 평균 88~106%, 풍화토 지반조건에서는 평균 47~57% 수준으로 감소하였다. 본 연구결과로 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 실제에 가까운 모델로 산정할 수 있으며, 상관식을 이용하여 일관되고 경제적인 설계가 가능하게 될 것으로 예상된다.
NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 산정하는 방법으로 수치해석적 기법인 지반-라이닝 상호작용모델(Ground-Lining Interaction Model, GLI 모델)에 의한 지반하중 산정방법이 제안되었다. 그러나, 기존의 GLI 모델은 지반과 지보재 또는 콘크리트 라이닝 사이에 존재하는 계면(Interface)의 구조적 역할을 반영하지 못하였다. 이에 본 연구에서는 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 보다 실제에 가까운 모델로 구현하였다. 그리고, 지반조건 및 토피별 지반하중을 수치해석을 통해 산정하고 기존의 GLI모델 지반하중 상관식을 수정하여 제안하였다. 연구결과, 기존 모델에 비해 계면요소 반영시 지반하중은 토피두께에 따라 IV등급 지반조건에서는 평균 88~106%, 풍화토 지반조건에서는 평균 47~57% 수준으로 감소하였다. 본 연구결과로 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 실제에 가까운 모델로 산정할 수 있으며, 상관식을 이용하여 일관되고 경제적인 설계가 가능하게 될 것으로 예상된다.
In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Ther...
In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Therefor in this study, it is implemented as a model for closer than actual states that the interface element applied to the existing GLI model. And the modified GLI formula is proposed with the ground load estimation that is from the numerical results for each ground and rock cover conditions. Based on the numerical results, the ground load acting on concrete lining is reduced to ave. 88~106% in case of IV ground condition and ave. 47~57% in case of weathered soil condition comparing with the existing GLI model. It can be anticipated that the results obtained from this study can be applied to an estimation of the ground load on the concrete lining modeled like as real states, consistent and economical design.
In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Therefor in this study, it is implemented as a model for closer than actual states that the interface element applied to the existing GLI model. And the modified GLI formula is proposed with the ground load estimation that is from the numerical results for each ground and rock cover conditions. Based on the numerical results, the ground load acting on concrete lining is reduced to ave. 88~106% in case of IV ground condition and ave. 47~57% in case of weathered soil condition comparing with the existing GLI model. It can be anticipated that the results obtained from this study can be applied to an estimation of the ground load on the concrete lining modeled like as real states, consistent and economical design.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 지반과 지보재 사이의 계면의 구조적 역할을 모사하지 않은 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 지반과 지보재 사이의 구조적 거동을 보다 실제와 유사하게 모사하고, 이를 통해 다양한 지반조건 및 하중조건에 대한 해석을 수행하여 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 검토하고자 한다. 또한, 그 결과를 이용하여 수정된 GLI 상관식을 제안함으로써 지반조건 및 해석자에 따라 달라질 수 있는 수치해석적 방법의 지반하중 산정에 일관성을 가질 수 있도록 하고자 한다.
그러나, 현재까지는 지반과 숏크리트 및 콘크리트라이닝 사이의 계면에 대한 정의가 불확실하여 숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반을 일체화하여 수치 해석을 수행하여 왔다. 따라서, 본 장에서는 계면요소 적용을 위한 기초단계로 계면요소 적용시 적용 물성 결정을 위한 변수연구를 수행하였다.
따라서, 본 연구에서는 지반과 지보재 사이의 계면의 구조적 역할을 모사하지 않은 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 지반과 지보재 사이의 구조적 거동을 보다 실제와 유사하게 모사하고, 이를 통해 다양한 지반조건 및 하중조건에 대한 해석을 수행하여 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 검토하고자 한다. 또한, 그 결과를 이용하여 수정된 GLI 상관식을 제안함으로써 지반조건 및 해석자에 따라 달라질 수 있는 수치해석적 방법의 지반하중 산정에 일관성을 가질 수 있도록 하고자 한다.
본 논문에서는 NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중에 대하여 합리적인 산정방법으로 제안된 GLI 모델 방법에 대하여 고찰해 보았다. 숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반의 계면요소 적용을 위해 계면요소 적용시 적용 부착력 등의 물성에 대한 변수연구를 수행하였다.
지반과 1차 지보재 또는 콘크리트 라이닝의 계면요소의 파라미터 결정에 대한 연구는 GLI모델에서 지반과 지보재나 라이닝과의 사이에 형성된 불연속면의 물성을 반영하여 해석하므로써 GLI모델에 의한 지반하중을 합리적으로 도출하고 이를 근거로 지반-라이닝상호작용모델 지반하중식을 수정하여 제안하고자 함이다. 이를 위해, GLI모델 지반하중식을 결정하기 위한 해석 모델을 이용하여 계면요소가 반영된 해석을 재수행하였다.
콘크리트 라이닝과 지반이 분리구조이므로 계면요소의 물성치는 존재하지 않는 것이 합리적이라고 판단되나, 이를 검증하기위해 수치해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위한 해석모델은 상기 해석과 동일한 모델과 지반물성치를 사용하고, 시공절차에 따라 콘크리트 라이닝 요소 설치시기는 지반-라이닝 상호거동모델에서와 같이 숏크리트 제거 후 설치하는 것으로 한다.
가설 설정
해석케이스는 Table 4와 같이 지반과 라이닝이 분리된 구조로서 계면요소의 물성치가 존재하지 않는 케이스, 기존의 해석과 같이 일체로 해석하는 케이스와 라이닝 콘크리트 타설시 타설압에 의한 접촉력이 존재할 것을 가정하여 지반물성치의 50%정도를 적용하는 케이스로 연구하였다.
제안 방법
4. 지반하중 산출결과를 회귀분석하여 수정 GLI 상관식을 제안하였으며, 이를 통해 보다 용이하고 경제적인 설계가 가능하도록 하였다.
이를 위해, GLI모델 지반하중식을 결정하기 위한 해석 모델을 이용하여 계면요소가 반영된 해석을 재수행하였다. 계면요소가 반영된 GLI모델 지반하중식 도출을 위해 Fig. 8에서와 같이 마제형 터널에 대해서 해석경계의 영향을 최소화하도록 충분한 해석 영역을 모델링하였다. 지보재 물성치와 계면요소의 물성치는 상기 연구에서 결정된 값들을 사용하였다.
숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반의 계면요소 적용을 위해 계면요소 적용시 적용 부착력 등의 물성에 대한 변수연구를 수행하였다. 그리고, 이를 이용하여 계면 요소가 고려된 GLI 모델 해석을 통해 수정된 GLI 관계식을 제안하게 되었다. 이에, 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
지반 라이닝 상호작용을 고려한 모델은 다양한 지반 조건, 터널형상 등을 고려할 수 있는 장점이 있으나, 구조계산법의 복잡성 등으로 인하여 현실적으로 직접 적용하기에는 다소 문제점이 야기될 가능성도 배제할 수 없다. 따라서, 일반철도와 고속철도 단면에 대하여 기존설계사례분석을 통한 암반등급별 대표물성치, 토피고를 매개변수로 수치해석적인 방법을 사용하여 지반하중크기를 산정하였다. 그리고, 그 결과값에 대한 다중회기분석을 통하여 식 (1)의 Terzaghi 이론식과 유사한 식 (2)의 GLI 상관식을 도출하였다(Kim et al.
숏크리트 계면요소의 변수연구를 위해서 Fig. 3에서와 같이 철도 복선터널에 해당하는 마제형 터널에 대해서 해석경계의 영향을 최소화하도록 충분한 해석 영역을 모델링하였으며, 지반의 물성치는 4등급의 암반등급에 해당하는 물성치를 사용하였다(Table 1). Table 2는 계면요소 파라미터 연구를 위한 각각의 분석케이스와 각 케이스에 해당하는 물성치를 나타낸 것으로 각 케이스별 선정사유는 다음과 같다.
본 논문에서는 NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중에 대하여 합리적인 산정방법으로 제안된 GLI 모델 방법에 대하여 고찰해 보았다. 숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반의 계면요소 적용을 위해 계면요소 적용시 적용 부착력 등의 물성에 대한 변수연구를 수행하였다. 그리고, 이를 이용하여 계면 요소가 고려된 GLI 모델 해석을 통해 수정된 GLI 관계식을 제안하게 되었다.
지반과 1차 지보재 또는 콘크리트 라이닝의 계면요소의 파라미터 결정에 대한 연구는 GLI모델에서 지반과 지보재나 라이닝과의 사이에 형성된 불연속면의 물성을 반영하여 해석하므로써 GLI모델에 의한 지반하중을 합리적으로 도출하고 이를 근거로 지반-라이닝상호작용모델 지반하중식을 수정하여 제안하고자 함이다. 이를 위해, GLI모델 지반하중식을 결정하기 위한 해석 모델을 이용하여 계면요소가 반영된 해석을 재수행하였다. 계면요소가 반영된 GLI모델 지반하중식 도출을 위해 Fig.
해석을 위한 지반조건은 Table 5에서와 같이 지반하중 해석에 의한 값이 발파이완하중에 의한 하중보다 작은 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ등급을 제외한 Ⅳ∼풍화토까지 지반 조건을 사용하였다.
대상 데이터
콘크리트 라이닝과 지반이 분리구조이므로 계면요소의 물성치는 존재하지 않는 것이 합리적이라고 판단되나, 이를 검증하기위해 수치해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위한 해석모델은 상기 해석과 동일한 모델과 지반물성치를 사용하고, 시공절차에 따라 콘크리트 라이닝 요소 설치시기는 지반-라이닝 상호거동모델에서와 같이 숏크리트 제거 후 설치하는 것으로 한다. 단, 콘크리트 라이닝 계면요소 물성치 파라메터 연구를 위한 적용 물성치는 다음과 같이 한다.
지반조건과 함께 터널 상부 토피의 영향을 검토하기위해 터널 상부 토피 20∼80 m의 심도별 조건을 반영하여 총 165케이스에 대해 해석을 수행하였다.
데이터처리
따라서, 일반철도와 고속철도 단면에 대하여 기존설계사례분석을 통한 암반등급별 대표물성치, 토피고를 매개변수로 수치해석적인 방법을 사용하여 지반하중크기를 산정하였다. 그리고, 그 결과값에 대한 다중회기분석을 통하여 식 (1)의 Terzaghi 이론식과 유사한 식 (2)의 GLI 상관식을 도출하였다(Kim et al., 2012).
성능/효과
2. 지보재에 발생되는 응력상태는 계면요소를 이용한 경우가 일반적 해석에 비하여 발생하는 압축응력 및 전단응력이 감소되며, 계면요소의 부착강도보다 점착력과 내부마찰각의 영향을 받는것으로 분석되었다.
3. 계면요소를 이용하여 GLI 모델을 사용한 경우 지 반하중은 기존 방법에 비해 80 m의 토피 조건에서 최대 40%(평균 46%)까지 감소되는 것으로 나타났다.
계면요소를 사용한 GLI 지반하중 결과는 Ⅳ등급에서는 평균 88∼106%, Ⅴ등급에서는 평균 46∼85%, 풍화암조건에서는 49∼77% 그리고 풍화토 조건에서는 47∼57% 수준으로 감소한다.
따라서 계면의 마찰각은 원지반 물성치보다 적은 약 30° 정도의 값을 계면의 마찰각으로 정하는 것이 합리적이라고 판단된다.
풍화암 이상 지반에서는 토피가 높아지고 지반물성치가 양호할수록 상관식보다는 많은 지반하중이 발생되는 것으로 나타났다. 반면에 풍화토 지반에서는 심도가 낮고 지반물성치가 양호할수록 상관식으로 계산된 지반하중이 다소 높게 나타났다. 풍화토 지반조건에서 토피고가 60 m이상인 경우는 상관도가 다소 떨어지는 경향이 있으나, 실제 풍화토 지반조건에서 60 m이상의 고토피 조건은 거의 발생되지 않으므로 풍화토 천층조건에 상관도가 좋은 상관식을 적용하는 것이 바람직하다고 판단된다.
본 연구에서 산정된 결과와 수정된 GLI 제안식에 대한 상관관계(corelation)을 검토해 본 결과 상관관계 계수(R2)는 0.97이상으로 가능한 GLI 모델 해석결과 보다는 안전하게 설계할 수 있는 상관식이 되도록 결정하였다.
2는 상기 제안된 지반하중 예측식에 대하여 기존설계에서 많이 사용되고 있는 Terzaghi 지반하중 산정표 및 Terzaghi 이론식과 지반하중 크기를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 비교 결과, GLI 고려시 기존의 Terzaghi의 경험식이나 이론식보다 지반하중이 적게 산정되었다. 이는 기존식의 적용시에 과다한 하중이 산정됨을 알 수 있다.
상기와 같이 숏크리트와 지반과의 접촉면을 계면요소를 이용하여 해석할 경우 계면요소의 부착강도보다는 내부마찰각이나 점착력의 영향이 크다는 것으로 결과되었다. 이는 터널 굴착에 따른 굴착면 주변의 응력상태가 원심방향의 응력(radial stress)은 소멸되고 원주방향 응력(tangential stress)이 지배하기 때문에 숏크리트와 지반과의 계면에서 미끄럼현상(slip)에 의한 거동이 지배적이기 때문이라고 판단된다.
지보재에 가장 큰 지보재력이 작용하는 부착강도의 영향을 검토하기위한 Case 1의 해석결과 지반과 터널 지보재와의 상호거동에는 부착강도의 크기가 영향을 주지는 못하는 것으로 나타났다. 단, 계면요소를 사용했을 경우와 사용하지 않은 경우에는 Fig.
풍화암 이상의 지반조건과 풍화토 지반조건을 분류한 이유는 계면요소가 반영된 GLI모델 해석결과가 다소 일관된 경향을 보이지 않기 때문이며, 이는 토사터널 설계와 암반터널 설계 개념을 달리한 경향과도 관계가 있다고 할 수 있다. 풍화암 이상 지반에서는 토피가 높아지고 지반물성치가 양호할수록 상관식보다는 많은 지반하중이 발생되는 것으로 나타났다. 반면에 풍화토 지반에서는 심도가 낮고 지반물성치가 양호할수록 상관식으로 계산된 지반하중이 다소 높게 나타났다.
후속연구
향후 보다 다양한 지반 및 하중조건에 대한 케이스 연구와 지반과 숏크리트 및 콘크리트 라이닝 계면요소 고려를 위한 모형실험 등을 통한 GLI 모델의 개선으로 더 신뢰성있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GLI 모델은 무엇인가?
GLI 모델은 굴착하중을 지반과 분담하고 있는 주지보재가 열화 등에 의한 지지력 상실시, 콘크리트 라이닝으로 전이되는 하중을 지반하중으로 고려하는 방법으로, 굴착과 지보완료후 평형상태에서 지보재를 수치모델로 구현한 구조요소(structural element)를 제거 하는 방법으로 지보재의 지지력 상실을 반영한다 (Fig. 1).
지반 라이닝 상호작용을 고려한 모델의 장단점은 무엇인가?
, 2006, 2010). 지반 라이닝 상호작용을 고려한 모델은 다양한 지반 조건, 터널형상 등을 고려할 수 있는 장점이 있으나, 구조계산법의 복잡성 등으로 인하여 현실적으로 직접 적용하기에는 다소 문제점이 야기될 가능성도 배제할 수 없다. 따라서, 일반철도와 고속철도 단면에 대하여 기존설계사례분석을 통한 암반등급별 대표물성치, 토피고를 매개변수로 수치해석적인 방법을 사용하여 지반하중크기를 산정하였다.
콘크리트 라이닝을 지반과 분리구조의 구조물이라고 할 수 있는 이유는 무엇인가?
콘크리트 라이닝은 시공순서상 굴착면-숏크리트부직포-방수막-콘크리트 라이닝의 순서 중 방수막 다음으로 설치되며 방수막과의 연결된 요소는 없이 콘크리트 모르타르를 타설하여 경화시켜 설치되는 구조물이다. 이러한 이유로 콘크리트 라이닝은 지반과 분리구조의 구조물이라고 할 수 있다.
참고문헌 (8)
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