[논문]수치해석을 통한 기초지반의 파괴거동 고찰

이승현; 장인성

doi:10.5762/kais.2015.16.3.2212

수치해석을 통한 기초지반의 파괴거동 고찰
Study on Behavior of Failure of Footing through Numerical Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.3, 2015년, pp.2212 - 2218

이승현 (선문대학교 토목공학과) , 장인성 (한국해양과학기술원 연안개발에너지 연구부)

초록
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세 종류의 얕은기초를 지지하는 기초지반의 하중지지거동을 살펴보고자 모래지반과 점토지반을 가정하여 유한요소 해석을 수행하였다. 띠기초를 지지하는 모래지반의 파괴영역의 형상 및 크기는 상대밀도에 따라 달랐으나 점토지반의 경우 강도에 따라 파괴영역에 차이가 거의 없으며 이론에서 고려되는 파괴영역과 유사한 결과를 보였다. 모래지반에 대한 수치해석을 통해 얻은 하중-침하곡선의 형상을 고려해 볼 때 느슨한 모래에 놓인 기초의 경우 거의 관입전단파괴양상을 보였으며 조밀한 모래에 놓인 기초의 경우 극한하중이 뚜렷하지는 않았다. 점토지반에 놓인 기초에 대하여 수치해석을 통해 얻은 하중-침하량곡선의 경우 침하가 급격하게 증가하는 항복점이 존재함을 알 수 있었다. 모래지반에 의해 지지되는 기초에 대해 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 큰 값을 보였으며 점토지반에 대해 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중과 유사한 값을 보였다. 1 인치 침하기준법에 의해 결정된 극한하중은 수치해석을 통해 얻은 극한하중보다 약간 작은 값을 보여 안전측의 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to find out the load bearing behavior of sand and clay which sustain three types of shallow footing, finite element analyses were performed. Failure zone of sand which sustain strip footing was affected by relative density of sand whereas, failure zone of clay was not affected by soil strength and it was similar to the failure zone which is considered in theory. Considering the shape of load-settlement curves obtained by numerical analyses, punching shear failure can be seen in loose sand and ultimate bearing load can not be seen in dense sand whereas, yielding point can be seen in clay. Ultimate bearing loads for sand predicted by theory were greater than those obtained by numerical analyses and ultimate bearing loads for clay predicted by theory were similar to those of numerical analyses. Ultimate bearing loads determined by 1 inch settlement criteria were slightly less than those of numerical analyses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다양한 형식의 기초를 지지하는 기초지반의 하중지지거동을 수치해석법을 이용하여 살펴보고자 하였는데 파괴시 기초지반의 거동과 수치해석을 통해 얻은 하중-침하곡선의 특성을 살펴보고자 하였다. 그리고 수치해석을 통해 구한 극한하중과 이론식에 의한 극한하중 그리고 수치해석을 통해 구한 하중-침하 곡선으로부터 극한하중 결정법을 적용하여 구한 극한하중을 상호 비교해보고자 하였다.
기초지반의 강도정수에 근거한 상당수의 이론적 지지력공식이 설계에 있어 적용되고 있으나 제안자에 따라 예측된 값들의 편차도 심한 편이다. 본 연구에서는 다양한 형식의 기초를 지지하는 기초지반의 하중지지거동을 수치해석법을 이용하여 살펴보고자 하였는데 파괴시 기초지반의 거동과 수치해석을 통해 얻은 하중-침하곡선의 특성을 살펴보고자 하였다. 그리고 수치해석을 통해 구한 극한하중과 이론식에 의한 극한하중 그리고 수치해석을 통해 구한 하중-침하 곡선으로부터 극한하중 결정법을 적용하여 구한 극한하중을 상호 비교해보고자 하였다.

가설 설정

Table 1에서 모래지반은 균등한 입도분포를 갖는 지반으로 보았고 점토지반의 경우 비배수상태를 가정하였다. 사질토의 전단거동특성은 팽창각(α)에 영향을 받게 되는데 매우 조밀한 모래의 경우 실험실 시험결과에 따르면 팽창각은 흙의 첨두전단저항각(φ′)의 1/3 정도의 값을 보이며 느슨한 모래의 경우 팽창각은 5° 이하의 값을 보이는 것으로 보고되고 있다.
해석에서 고려한 얕은기초 형식은 띠기초(strip footing)와 원형기초(circular footing) 그리고 정사각형기초(square footing)인데 띠기초의 경우 평면변형률해석(plane strain analysis)을 수행 하게 되고 원형기초의 경우 대칭해석(symmetrical analysis)을 수행하게 되며 정사각형기초의 경우 3차원해석(3D analysis)을 수행하게 된다. 기초는 표면기초(surface footing)로 가정하였는데 기초 바닥면은 흙과 기초바닥 사이에 상대 변위가 없는 거친 바닥(rough base)으로 가정하였고 기초의 폭은 2m로 하였다.
1과 같다. 띠기초의 폭은 2m로 가정하였으므로 해석시에는 대칭성을 고려하여 1m의 폭을 고려하였다. 변위에 대한 경계조건으로는 전체 해석영역의 좌우측은 수평방향으로 변위를 구속시켰으며 아래측은 수평 및 연직방향으로 변위를 구속시켰다.
3과 같다. 정사각형기초의 한 변의 길이는 2m로 가정하였다. 따라서 해석에 적용한 기초의 폭은 대칭을 고려하여 1m가 된다.
기초의 하중지지거동 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ZSOIL을 사용하였다[17]. 해석대상지반으로는 느슨한 모래지반(loose sand)과 조밀한 모래지반(dense sand) 그리고 연약 점토지반(soft clay)과 단단한 점토지반(stiff clay)을 가정하였고 Mohr-Coulomb모델을 적용하였다. Table 1에는 해석에 적용한 기초지반의 물성값이 나타나 있는데 탄성계수(E_s)와 포아송비(v_s), 점착력(e), 내부마찰각(φ′), 팽창각(α) 그리고 단위중량 (γ)은 기존 문헌에 나타나 있는 값을 참조한 것이다[18-20].
점성토의 팽창각은 압밀정도에 영향을 받게 되는데 정규압밀점토와 약간 과압밀된 점토인 경우 팽창각은 0°이며 과압밀된 점토인 경우와 과압밀 정도가 심한 점토인 경우의 팽창각은 각 각 φ′/6과 φ′/3으로 보고되고 있다. 해석에서 가정한 얕은기초는 탄성체로 가정하였는데 탄성계수와 포아송비는 각각 30,000,000kPa 과 0.2이다. 해석에서 고려한 얕은기초 형식은 띠기초(strip footing)와 원형기초(circular footing) 그리고 정사각형기초(square footing)인데 띠기초의 경우 평면변형률해석(plane strain analysis)을 수행 하게 되고 원형기초의 경우 대칭해석(symmetrical analysis)을 수행하게 되며 정사각형기초의 경우 3차원해석(3D analysis)을 수행하게 된다.

제안 방법

기초형식별 하중지지거동을 살펴보고자 모래지반과 점토지반을 가정하여 유한요소해석을 수행하고 기초지반의 파괴시 거동과 하중-침하곡선의 특징 그리고 다양한 방법을 이용하여 얻은 극한하중을 비교해 보았다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
띠기초의 폭은 2m로 가정하였으므로 해석시에는 대칭성을 고려하여 1m의 폭을 고려하였다. 변위에 대한 경계조건으로는 전체 해석영역의 좌우측은 수평방향으로 변위를 구속시켰으며 아래측은 수평 및 연직방향으로 변위를 구속시켰다.
수치해석을 통해 구한 극한하중을 다양한 방법을 통해 예측한 극한하중과 비교해 보았다. 여기서 다양한 방법이란 흙의 강도정수를 적용하여 극한하중을 예측하는 이론적 방법(Terzaghi 방법, Meyerhof 방법), 1 inch 침하량에 대응하는 하중을 극한하중으로 정의하는 1인치 침하기준법(1 inch criteria) 그리고 하중-침하곡선으로부터 극한하중을 결정하는 방법(Chin 방법, De Beer & Wallays 방법)을 의미한다.

이론/모형

기초의 하중지지거동 해석을 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 ZSOIL을 사용하였다[17]. 해석대상지반으로는 느슨한 모래지반(loose sand)과 조밀한 모래지반(dense sand) 그리고 연약 점토지반(soft clay)과 단단한 점토지반(stiff clay)을 가정하였고 Mohr-Coulomb모델을 적용하였다.

성능/효과

점토지반에 설치된 원형기초와 정사각형기초에 대하여 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 약간 작았다. 1 인치 침하기준법에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에서 고려한 지반조건에 관계없이 수치 해석을 통해 구한 극한하중보다 약간 작았다.
1) 띠기초를 지지하는 모래지반의 파괴시 기초지반 파괴영역의 형상 및 크기는 상대밀도에 따라 달라지는데 반하여 점토지반의 경우 기초하부지반의 파괴 영역은 지반강도에 따라 차이가 거의 없으며 이론에서 고려되는 파괴영역과 유사한 결과를 보였다.
5(b),(c)는 대체로 비슷한 계산결과를 보여주는데 모래지반에 설치된 원형기초와 정사각형 기초에 대해서는 이론 식에 의해 예측된 극한하중이 수치해석에 의한 극한하중 보다 큼을 알 수 있으며 점토지반에 설치된 원형기초와 정사각형기초에 대하여 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 약간 작음을 알 수 있다. 1인치 침하기준법에 의해 예측된 극한하중은 수치해 석에서 고려한 지반조건에 관계없이 수치해석을 통해 구한 극한하중보다 약간 작은 결과를 보임을 알 수 있다. Chin 방법에 의할 경우 모래지반과 점토지반에 대하여 얻은 극한하중은 수치해석을 통해 구한 극한하중보다 약간 큼을 알 수 있고 De Beer & Wallays 방법에 의한 극한하중은 수치해석을 통해 구한 극한하중보다 작음을 알 수 있다.
2) 모래지반에 설치된 원형기초와 정사각형기초의 경우 띠기초 에서와는 달리 기초 아래 제한된 범위에 걸쳐 파괴영역이 형성됨을 알 수 있었는데 느슨한 모래의 경우보다 조밀한 모래에서 좀 더 이론적인 파괴영역에 부합되는 결과를 보였다. 점토지반에 원형기초가 놓이는 경우 파괴시 파괴영역은 띠기초 아래의 점토지반에서와 유사하였다.
3) 모래지반에 대한 수치해석을 통해 얻은 하중-침하 곡선의 형상을 고려해 볼 때 느슨한 모래에 놓인 기초의 경우 거의 관입전단파괴양상을 보였으며 조밀한 모래에 놓인 기초의 경우 극한하중이 뚜렷하지는 않았다. 점토지반에 놓인 기초에 대하여 수치해석을 통해 얻은 하중-침하량곡선의 경우 침하가 급격하게 증가하는 항복점이 존재함을 알 수 있었다.
4) 띠기초에 대하여 이론식에 의한 방법(Terzaghi 방법과 Meyerhof 방법)을 이용하여 구한 극한하중을 수치해석에 의한 극한하중과 비교해 볼 때 기초지 반이 모래인 경우 이론식에 의할 경우 수치해석에 의한 극한하중보다 상당히 과대평가된 극한하중을 보였으며 기초지반이 점토인 경우 이론식에 의한 극한하중과 수치해석에 의한 극한하중이 거의 같았다. 1인치 침하기준법에 의한 극한하중은 수치 해석에 의한 값과 큰 차이가 없었다.
5) 모래지반에 설치된 원형기초와 정사각형 기초에 대해서는 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 컸는데 띠기초의 경우보다는 작은 편차를 보였다. 점토지반에 설치된 원형기초와 정사각형기초에 대하여 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 약간 작았다.
6) 하중-침하곡선을 해석함에 있어 Chin 방법은 극한 하중 결정법으로 인식되고 De Beer & Wallays 방법은 항복하중 결정법으로 인식되는 경향이 큰데 수치해석을 통해 얻은 하중-침하곡선에 대한 해석 결과 또한 이러한 인식을 뒷받침한다고 볼 수 있다.
3) 모래지반에 대한 수치해석을 통해 얻은 하중-침하 곡선의 형상을 고려해 볼 때 느슨한 모래에 놓인 기초의 경우 거의 관입전단파괴양상을 보였으며 조밀한 모래에 놓인 기초의 경우 극한하중이 뚜렷하지는 않았다. 점토지반에 놓인 기초에 대하여 수치해석을 통해 얻은 하중-침하량곡선의 경우 침하가 급격하게 증가하는 항복점이 존재함을 알 수 있었다.
5) 모래지반에 설치된 원형기초와 정사각형 기초에 대해서는 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 컸는데 띠기초의 경우보다는 작은 편차를 보였다. 점토지반에 설치된 원형기초와 정사각형기초에 대하여 이론식에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에 의한 극한하중보다 약간 작았다. 1 인치 침하기준법에 의해 예측된 극한하중은 수치해석에서 고려한 지반조건에 관계없이 수치 해석을 통해 구한 극한하중보다 약간 작았다.
이러한 기초하부 점토지반에서의 변위양상은 얕은기초의 지지력을 유도하는데 있어 이론적으로 고려되는 쐐기영역과 전이영역 그리고 수동영역을 뒷받침하는 결과로 볼 수 있다. 해석에서 고려한 띠기초 아래에서의 지반 거동을 요약하면 사질토지반의 경우 기초하부지반의 파괴영역의 형상 및 크기는 상대밀도에 따라 달라지는데 반하여 점토지반의 경우 기초하부지반의 파괴영역에 차이가 거의 없으며 이론에서 고려하는 파괴영역을 보임을 알 수 있다. 원형기초에 대한 파괴시 단단한 점토 기초지반에서의 변위벡터와 유한요소망은 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기초의 극한지지력을 결정 하는 방법 중 하나는 무엇인가?	한편, 기초의 지지력을 결정하는 가장 신뢰성 있는 방법은 재하시험에 의한 방법이라 할 수 있는데 재하시험을 통해 얻은 하중-침하곡선으로부터 기초의 극한지지력을 결정 하는 방법도 여러 가지가 있다. 기초지반의 강도정수에 근거한 상당수의 이론적 지지력공식이 설계에 있어 적용되고 있으나 제안자에 따라 예측된 값들의 편차도 심한 편이다. 본 연구에서는 다양한 형식의 기초를 지지하는 기초지반의 하중지지거동을 수치해석법을 이용하여 살펴보고자 하였는데 파괴시 기초지반의 거동과 수치해석을 통해 얻은 하중-침하곡선의 특성을 살펴보고자 하였다.
	기초를 지지하는 흙은 어떻게 설계해야하는가?	기초를 지지하는 흙은 전단파괴나 허용값을 초과한 침하가 발생하지 않도록 설계할 필요가 있다. 기초지반에 전단파괴가 발생하는 경우에는 상부구조물에 과도한 변형이 발생하며 경우에 따라서는 붕괴가 발생하기도 한다.
	기초지반에 전단파괴가 발생하는 경우 어떠한 문제가 생기는가?	기초를 지지하는 흙은 전단파괴나 허용값을 초과한 침하가 발생하지 않도록 설계할 필요가 있다. 기초지반에 전단파괴가 발생하는 경우에는 상부구조물에 과도한 변형이 발생하며 경우에 따라서는 붕괴가 발생하기도 한다. 따라서 기초지반의 지지력산정에 관하여 많은 연구 [1-5]가 진행되어 왔다.

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저자의 다른 논문 :

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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