유한한 크기의 벽체에 주동변위가 발생하면 배면지반은 3차원 형태의 쐐기가 형성되고 벽체는 3차원 주동토압이 작용하게 된다. 기존 연구에서는 3차원 쐐기형상을 측정하거나 단일파괴체로 가정하여 3차원 주동토압의 합력을 산정하였다. 또한 이들 연구에서는 파괴형상과 3차원 주동토압의 크기 및 산정방법에 따라 서로 다른 결과가 도출되었다. 본 연구에서는 모형실험을 통해 벽체의 크기를 폭(w)과 높이(h) 비인 종횡비(h/w)로 나타내고, 이에 따른 3차원 주동토압의 크기와 분포를 측정하고 기존 3차원 토압연구 결과와 비교하였다. 연구결과 한계상태 벽체변위(s)는 벽체높이(h)의 약 0.12% 크기일 때 발생하였고, 합력의 크기는 Karstedt(1982)와 유사하였다. 벽체의 주동토압분포는 종횡비(h/w)가 1.2이상일 때에는 상부와 하부는 상대적으로 작고, 지표 하부 0.50~0.55h지점에서 가장 큰 포물선 형태로 나타났다. 종횡비(h/w) 0.2~2.7 범위에서 3차원 주동토압의 크기를, 고전토압이론을 이용하여 계산한 2차원 주동토압과 비교하여 종횡비(h/w)에 따른 2차원 토압 대비 3차원 주동토압 감소계수(${\alpha}$)를 구할 수 있는 도표로 제안하였다.
유한한 크기의 벽체에 주동변위가 발생하면 배면지반은 3차원 형태의 쐐기가 형성되고 벽체는 3차원 주동토압이 작용하게 된다. 기존 연구에서는 3차원 쐐기형상을 측정하거나 단일파괴체로 가정하여 3차원 주동토압의 합력을 산정하였다. 또한 이들 연구에서는 파괴형상과 3차원 주동토압의 크기 및 산정방법에 따라 서로 다른 결과가 도출되었다. 본 연구에서는 모형실험을 통해 벽체의 크기를 폭(w)과 높이(h) 비인 종횡비(h/w)로 나타내고, 이에 따른 3차원 주동토압의 크기와 분포를 측정하고 기존 3차원 토압연구 결과와 비교하였다. 연구결과 한계상태 벽체변위(s)는 벽체높이(h)의 약 0.12% 크기일 때 발생하였고, 합력의 크기는 Karstedt(1982)와 유사하였다. 벽체의 주동토압분포는 종횡비(h/w)가 1.2이상일 때에는 상부와 하부는 상대적으로 작고, 지표 하부 0.50~0.55h지점에서 가장 큰 포물선 형태로 나타났다. 종횡비(h/w) 0.2~2.7 범위에서 3차원 주동토압의 크기를, 고전토압이론을 이용하여 계산한 2차원 주동토압과 비교하여 종횡비(h/w)에 따른 2차원 토압 대비 3차원 주동토압 감소계수(${\alpha}$)를 구할 수 있는 도표로 제안하였다.
If an active displacement occurs on a wall with finite size, the ground behind the wall forms shapes of 3-dimensional wedges and 3-dimensional active earth pressure are applied on the wall. In the previous studies, shapes of 3-dimensional wedges were measured and the resultant of 3-dimensional activ...
If an active displacement occurs on a wall with finite size, the ground behind the wall forms shapes of 3-dimensional wedges and 3-dimensional active earth pressure are applied on the wall. In the previous studies, shapes of 3-dimensional wedges were measured and the resultant of 3-dimensional active earth pressure has been calculated. In this study, the magnitude and the distribution of 3-dimensional active earth pressure depending on the size of a rectangular wall, which was defined by the aspect ratio (h/w), that is, the ratio between the height and the width of wall, were measured and compared with previous 3-dimensional models. The result shows that, the horizontal displacement (S) of the wall is approx 0.12% of the height of wall (h). The resultant 3-dimensional active earth pressure is similar to that of Karstedt (1982). The distributions of earth pressures on the wall are parabolic shape. The peak earth pressure was measured at the 0.5~0.55 depth from the ground surface. The reduction factor of 3-dimensional active earth pressure against the 2-dimensional earth pressure (${\alpha}$) depending the aspect ratio (h/w) is presented by the diagram.
If an active displacement occurs on a wall with finite size, the ground behind the wall forms shapes of 3-dimensional wedges and 3-dimensional active earth pressure are applied on the wall. In the previous studies, shapes of 3-dimensional wedges were measured and the resultant of 3-dimensional active earth pressure has been calculated. In this study, the magnitude and the distribution of 3-dimensional active earth pressure depending on the size of a rectangular wall, which was defined by the aspect ratio (h/w), that is, the ratio between the height and the width of wall, were measured and compared with previous 3-dimensional models. The result shows that, the horizontal displacement (S) of the wall is approx 0.12% of the height of wall (h). The resultant 3-dimensional active earth pressure is similar to that of Karstedt (1982). The distributions of earth pressures on the wall are parabolic shape. The peak earth pressure was measured at the 0.5~0.55 depth from the ground surface. The reduction factor of 3-dimensional active earth pressure against the 2-dimensional earth pressure (${\alpha}$) depending the aspect ratio (h/w) is presented by the diagram.
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문제 정의
본 연구에서는 모형실험을 통하여 종횡비(h/w)에 따른 3차원 주동토압의 크기와 주동벽체에서의 토압분포를 측정하고, 기존 3차원 토압 모델들과 비교하였다. 또한 고전토압이론을 이용하여 계산한 2차원 주동토압과 3차원 주동토압의 비를 감소계수(α)로 정의하고, 종횡비(h/w)에 따른 3차원 토압계수 도표로 제안하여 실무에서 실제에 가까운 3차원 토압을 적용할 수 있도록 하였다.
가설 설정
기존 3차원 토압에 대한 연구는 한정된 길이로 굴착한 슬러리 트랜치 안정성이나 강성구조물(우물통, 수직구)에 초점을 맞춰 진행하였다. 벽체의 주동변위에 의해 배면지반에 발생하는 3차원 쐐기를 단일파괴체로 검토하였으며, 각 연구에서 가정한 하중전이 방법을 고려하여 2차원 토압보다 3차원 토압이 더 작다는 것을 주장하였다. 파괴형상은 모두 단일파괴체로 가정하여 합력만을 산정하고 벽체에 작용되는 토압분포에 대한 제시는 이뤄지지 않았다.
제안 방법
폭이 유한한 벽체에 주동변위가 발생하면 배면지반은 폭과 높이를 가지는 3차원 형태의 쐐기가 형성되면서 벽체에 2차원 주동토압보다 작은 3차원 주동토압이 작용하게 된다. 기존 3차원 토압에 대한 연구는 한정된 길이로 굴착한 슬러리 트랜치 안정성이나 강성구조물(우물통, 수직구)에 초점을 맞춰 진행하였다. 벽체의 주동변위에 의해 배면지반에 발생하는 3차원 쐐기를 단일파괴체로 검토하였으며, 각 연구에서 가정한 하중전이 방법을 고려하여 2차원 토압보다 3차원 토압이 더 작다는 것을 주장하였다.
본 연구에서는 모형실험을 통하여 종횡비(h/w)에 따른 3차원 주동토압의 크기와 주동벽체에서의 토압분포를 측정하고, 기존 3차원 토압 모델들과 비교하였다. 또한 고전토압이론을 이용하여 계산한 2차원 주동토압과 3차원 주동토압의 비를 감소계수(α)로 정의하고, 종횡비(h/w)에 따른 3차원 토압계수 도표로 제안하여 실무에서 실제에 가까운 3차원 토압을 적용할 수 있도록 하였다.
33m에 대하여 수위차에 의한 수평변위를 주어 주동토압을 측정하고 고화제를 사용하여 파괴체의 형상을 파악하였다. 모형실험에서 구한 파괴형상에 근거로 가로와 세로 방향 모두 대수나선형인 조개껍질 모양의 3차원 파괴체 모델을 제안하고 한계평형식을 적용하여 3차원 토압을 산정하였다. 계산방법이 다소 복잡하나 지금까지 제안된 모델 중에서 실제의 파괴모양과 가장 잘 부합하는 것으로 평가된다.
모형지반의 초기응력(정지토압), 종횡비(h/w)와 벽체 변위에 따라 변하는 토압은 총 42개로 분리된 토압판에 각각 설치한 로드셀(Load Cell)로 측정하였다. 각 토압 판은 상호 간섭을 받지 않고 토압의 분포를 측정할 수 있다.
본 연구에서는 모형실험을 통해 직사각형 벽체의 크기를 벽체 종횡비(h/w)의 변화에 따른 3차원 주동토압의 크기와 분포를 측정하고, 기존 3차원 모델과 비교하였으며 2차원 주동토압과 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
모형지반은 주문진 자연사를 사용하였다. 모형지반의 물리적 특성을 알기 위하여 입도분포시험(KS F 2301, KS F 2302, KS F 2324), 최대･최소 건조단위중량시험(DIN 18126), 비중시험(KS F 2308) 등의 기본물성 시험을 수행하고, 직접전단시험(KS F 2343)을 실시하여 역학적 특성을 파악하였다.
실내모형토조는 (Width)1.00m×(Height)1.00m×(Length) 1.20m의 규격으로, 토압이 측정되는 전면판은 중량이 가볍고 강성이 큰 베이크라이트(E = 14,700,000 kN/m2 , EI = 1.59 kN·m2)를 사용하여 제작하였다(Fig. 5).
3차원 주동토압 모델인 정역학적 모델(Huder(1972)), 쐐기형 모델(Prater(1973), Guβmann and Lutz(1981)), 조개형 모델(Piaskowsi and Kowalewski(1965), Karstedt(1982))의 계산결과와 실험에서 구한 3차원 주동토압을 비교하였다(Table 6, Fig. 15).
초기응력(정지토압)상태에서 종횡비(h/w)에 따라 Center 전면판에 주동변위를 발생시키면서 전면판과 주변 지반의 토압을 측정하였다. 실험에서 측정한 3차원 주동 토압은 2차원 주동토압 및 기존 3차원 주동토압 모델과 비교하였다. 수평방향은 Center 전면판의 폭 w를 기준으로 좌측(Left), 우측(Right)에 0.
이론/모형
Jacky(1944)의 정지토압계수(K0)를 이용하여 모형실험지반 초기응력(정지토압)상태를 비교하였다. Fig.
모형지반은 주문진 자연사를 사용하였다. 모형지반의 물리적 특성을 알기 위하여 입도분포시험(KS F 2301, KS F 2302, KS F 2324), 최대･최소 건조단위중량시험(DIN 18126), 비중시험(KS F 2308) 등의 기본물성 시험을 수행하고, 직접전단시험(KS F 2343)을 실시하여 역학적 특성을 파악하였다. Fig.
슬러리월에 평행하고 단위 두께를 갖는 흙판의 안정을 고려하여 슬러리월의 안전율을 구하는 방법이다. 평판형 지반요소에 대해 정역학적 평형식을 적용하여 3차원 토압을 구하였다. Silo이론을 적용하여 단위길이 1m 판에 전단저항력을 감안하여 일정깊이 이하에서는 토압을 작게 적용하였으며, 실제의 파괴형상을 고려할 수 없다.
성능/효과
(1) 모형지반의 초기응력(정지토압)상태의 토압계수는 (K0) 0.37로, Jacky(1944)의 정지토압계수(K0)와 가장 근사한 것으로 나타났다.
(2) 종횡비(h/w)에 거의 무관하게 한계상태의 주동변위 (s)는 벽체높이의 약 0.12%로 나타났다.
(3) 주동벽체 토압분포는 종횡비(h/w) 1.2이상에서 상부와 하부는 상대적으로 작고, 지표 하부 0.50～0.55h 지점에서 토압이 가장 크게 발생하는 포물선 형태로 나타났다.
(4) 단일파괴체로 검토한 주동벽체의 3차원 주동토압합력 크기는 Karstedt(1982)와 유사한 것으로 나타났다. Karstedt(1982)의 조개형 모델을 제외한 정역학적, 쐐기형, 조개형 모델의 합력의 크기(토압)는 모형실험에서 측정한 토압보다 약 1.
후속연구
(5) 모형실험에서 측정한 주동토압을 근거로 종횡비(h/w) 0.2～2.7에 따른 2차원 주동토압(Eah2D)대비 3차원주동토압의 비, 3차원 주동토압 감소계수(α)를 활용할 수 있도록 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
종횡비(h/w)에 따른 3차원 주동토압의 크기와 분포를 파악하기 위해 어떤 실험방식을 적용시켰는가?
종횡비(h/w)에 따른 3차원 주동토압의 크기와 분포를 파악하기 위하여 5가지 종횡비(h/w)에 대한 실험을 수행하였다. 샌드커튼(Sand Curtain) 방식으로 시료의 낙하높이를 0.7m로 일정하게 유지하여 균질한 지반을 조성하고, 초기 정지토압을 확인하였다. 정지토압 확인 후 주동변위를 발생시켰으며 수평변위는 급격한 파괴가 일어나지 않도록 0.01mm씩 단계별로 일정하게 제어하면서 각 전면판의 토압을 측정하였다. 수평변위는 전면판에 설치된 LVDT로 관리하였다. 실험변수는 Table 3과 같다.
고전토압이론은 어떤 이론을 적용하고 있는가?
현재 사용하고 있는 고전토압이론은 파괴상태(즉, 소성상태)에 이른 흙쐐기에 작용하는 힘의 평형조건으로부터 유도한 Coulomb이론과 미소요소에 작용하는 힘의 평형조건으로부터 유도한 Rankine이론을 적용하고 있다. 많은 연구자들이 다양한 토압이론을 제시하였으나 대부분의 연구가 2차원 평면변형조건으로 가정하여 연직방향 토압만을 고려하였다.
기존의 3차원 주동토압은 어떤 목적으로 연구되었는가?
기존의 3차원 주동토압은 슬러리월에서 지반 굴착시의 외적안정을 검토할 목적으로 연구되었으며, 3차원 파괴체에 대해 정역학적 평형식을 적용하거나, 모형실험을 통해 실제 파괴형상을 구하고 극한해석법을 활용하여 3차원 토압을 구하였다. Huder(1972)는 평판형 지반요소에 대해 정역학적 평형식을 적용하여 3차원 토압을 제안하였으나 실제의 파괴형상을 고려할 수 없는 단점이 있다.
참고문헌 (10)
Huder, J. (1972), "Stability of Bentonite Slurry Trenches with Some Experiences in Swiss Practice", Proceedings 5th European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Madrid, pp.517-522.
Prater, E. G. (1973), "Die Gewolbewirkung der Schlitzwande", Der Bauingenieur, Nr. 48, Heft 4, pp.125-131.
GuBmann, P. and Lutz, W. (1981), "Schlitzstabilitat bei Anstehendem Grundwasser", Geotechnik, (4), pp.70-81.
Piaskowski, A. and Kowalewski, Z. (1965), "Application of Thixotropic Clay Suspensions for Stability of Vertical Sides of Deep Trenches without Strutting", Proceedings 6th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Montreal, Vol.2, pp. 526-529.
Karstedt, J. P. (1982), "Untersuchungen Zum Aktiven Raumlichen Erddruck im Rolligem Boden bei Hydrostatischer Stutzung der Erdwand", Veroffentlichungen des Grundbauinstituts der Technischen Universitat Berlin, Heft 10.
Jacky, J. (1944), "The Coefficient of Earth Pressure at Rest", journal for Society of Hungarian Architects and Engineers October, pp. 355-358.
Saglamer, A. (1975), "Soil Parameters Affecting Coefficient of Earth Pressure at Rest of Cohesionless Soils", Proc. Istanbul Conf. on Soil Mech. and Found. Engrg., Turkiya Bilimsel ve Teknik Arasfirma Kurumu, Ankara, Torkey, Vol.1, pp.9-16.
M. D. Bolton (1986), "The Strength and Dilatancy of Sands", Geotechnique, Vol.36, No.1, pp.65-78.
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