흐름과 파에 의한 해저지반내 간극수압의 발생과 액상화에 관한 해석적인 연구 An Analytical Study on Generation of Pore-Water Pressures Induced by Flow and Waves in Seabed, and Resulting Liquefaction원문보기
진행파 혹은 임의 반사율을 갖는 부분중복파 혹은 완전중복파-흐름-해저지반의 상호작용에 관한 해석해가 Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d) 및 Yamamoto et al.(1978)과 같은 다수의 연구자들에 의해 유도되었으며, 그들은 진동간극수압과 잔류간극수압을 별개로 취급하여 각 파동에 의한 지반응답을 논의하였다. 그러나, 실제 현장이나 실험에서 해저지반내 간극수압은 진동성분과 잔류성분이 별개로 나타나는 것이 아니고 그의 합 (전간극수압)으로 주어지기 때문에 전간극수압의 관점에서 반드시 검토될 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 진동간극수압과 잔류간극수압뿐만 아니라 전간극수압의 측면에서 파동조건, 지반조건 및 흐름조건의 변화에 따른 지반응답의 변동특성을 논의하였으며, 더불어 이에 따른 액상화의 연직깊이에서 특성변화를 검토하였다. 이로부터 진행파와 순방향의 흐름의 공존장에서는 흐름속도가 증가할수록 무차원진동간극수압이 증가하고, 무차원잔류간극수압은 감소하여 결과적으로 무차원전간극수압이 작아지며, 무차원액상화 깊이도 감소하는 등의 지반응답특성을 확인할 수 있었다.
진행파 혹은 임의 반사율을 갖는 부분중복파 혹은 완전중복파-흐름-해저지반의 상호작용에 관한 해석해가 Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d) 및 Yamamoto et al.(1978)과 같은 다수의 연구자들에 의해 유도되었으며, 그들은 진동간극수압과 잔류간극수압을 별개로 취급하여 각 파동에 의한 지반응답을 논의하였다. 그러나, 실제 현장이나 실험에서 해저지반내 간극수압은 진동성분과 잔류성분이 별개로 나타나는 것이 아니고 그의 합 (전간극수압)으로 주어지기 때문에 전간극수압의 관점에서 반드시 검토될 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 진동간극수압과 잔류간극수압뿐만 아니라 전간극수압의 측면에서 파동조건, 지반조건 및 흐름조건의 변화에 따른 지반응답의 변동특성을 논의하였으며, 더불어 이에 따른 액상화의 연직깊이에서 특성변화를 검토하였다. 이로부터 진행파와 순방향의 흐름의 공존장에서는 흐름속도가 증가할수록 무차원진동간극수압이 증가하고, 무차원잔류간극수압은 감소하여 결과적으로 무차원전간극수압이 작아지며, 무차원액상화 깊이도 감소하는 등의 지반응답특성을 확인할 수 있었다.
Analytical solutions for interaction between seabed and waves such as progressive wave or partial standing wave with arbitrary reflection ratio or standing wave have been developed by many researchers including Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d) and Yamamoto et al.(1978). They handled the ...
Analytical solutions for interaction between seabed and waves such as progressive wave or partial standing wave with arbitrary reflection ratio or standing wave have been developed by many researchers including Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d) and Yamamoto et al.(1978). They handled the pore-water pressure as oscillating pore-water pressure and residual pore-water pressure separately and discussed the seabed response on each pore-water pressure. However, based on field observations and laboratory experiments, the oscillating and residual pore-water pressures in the seabed do occur not separately but together at the same time. Therefore, the pore-water pressure should be investigated from a total pore-water pressure point of view. Thus, in this paper, the wave-induced seabed response including liquefaction depth was discussed among oscillating, residual, and total pore-water pressures' point of view according to the variation of wave, seabed, and flow conditions. From the results, in the field of flow with the same direction of progressive wave, the following seabed response has been identified; with increase of flow velocity, the dimensionless oscillating pore-water pressure increases, but the dimensionless residual pore-water pressure decreases, and consequently the dimensionless total pore-water pressure and the dimensionless liquefaction depth decrease.
Analytical solutions for interaction between seabed and waves such as progressive wave or partial standing wave with arbitrary reflection ratio or standing wave have been developed by many researchers including Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d) and Yamamoto et al.(1978). They handled the pore-water pressure as oscillating pore-water pressure and residual pore-water pressure separately and discussed the seabed response on each pore-water pressure. However, based on field observations and laboratory experiments, the oscillating and residual pore-water pressures in the seabed do occur not separately but together at the same time. Therefore, the pore-water pressure should be investigated from a total pore-water pressure point of view. Thus, in this paper, the wave-induced seabed response including liquefaction depth was discussed among oscillating, residual, and total pore-water pressures' point of view according to the variation of wave, seabed, and flow conditions. From the results, in the field of flow with the same direction of progressive wave, the following seabed response has been identified; with increase of flow velocity, the dimensionless oscillating pore-water pressure increases, but the dimensionless residual pore-water pressure decreases, and consequently the dimensionless total pore-water pressure and the dimensionless liquefaction depth decrease.
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문제 정의
제시된 이상의 진동성분과 잔류성분을 각각 별개로 액상화 가능성을 평가하고 있다. 이에 대한 대표적인 사례로 진동성분에 의한 순간액상화에 대해서는 해석해에 의한 Zen and Yamazaki(1990b), Tsai(1995), Jeng(1996), Liu and Jeng(2007) 및 Qi and Gao(2015) 등과 수치적인 접근은Wang et al.
제안 방법
본 연구에서는 Lee et al.(2014; 2015a; 2015b; 2015c; 2015d)에서 제시된 흐름이 공존하는 경우에 진행파, 부분중복파 및 완전중복파에 대한 진동간극수압의 해석해 및 흐름이 공존하는 경우에 잔류간극수압의 해석해를 적용하여 진동 및 잔류간극수압과 전간극수압, 그리고 액상화 깊이를 나타내었으며, 주기, 파고, 지반 두께 및 흐름속도의 변화에 따른각 간극수압과 액상화 깊이의 변동특성을 검토하였다. 이상과 같은 본 연구의 계산범위내에서 얻어진 중요한 사항을 본 논문으로 결론으로 이하에 기술한다.
(2015b)의 결과와 잔류성분에 대한Lee et al.(2015d)의 결과를 선형중첩한 전간극수압의 해석해를 적용하여 파라미터의 변화에 따른 진동 및 잔류간극수압과 전간극수압의 변화특성 등을 면밀히 검토함과 동시에 초기유효상재하중과 비교하여 지반 깊이에 따른 액상화 가능성등을 평가한다.
, 2006), Jeng(2013)에 의하면 3차원과잉간극수압 개념에 기초한 액상화 판정법이 가장 실질적인 것으로 평가되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 두 번째 기준에서 3차원의 경우에 대한 다음의 액상화 기준 (Jeng, 1997)에 근거하여 잔류성분과 진동성분의 합인 전간극수압으로부터 지반액상화를 평가하는 것으로 한다.
본 연구에서는 해저지반내 진동간극수압과 잔류간극수압 및전간극수압의 발생과 그에 의한 액상화 평가에 다음의 Table 1에 나타내는 조건을 갖는 파랑, 흐름, 지반 및 간극수의 물리량을 적용하며 (Cheng et al., 2001), 표에서 제시된 지반물성치는 실트질 지반에 대응한다. 이하에서는 지반내 연직깊이, 파주기, 파고, 지반 두께 및 흐름속도의 변화에 따른 진동 및 잔류간극수압, 전간극수압 및 액상화 깊이의 변동특성을 논의한다.
, 2001), 표에서 제시된 지반물성치는 실트질 지반에 대응한다. 이하에서는 지반내 연직깊이, 파주기, 파고, 지반 두께 및 흐름속도의 변화에 따른 진동 및 잔류간극수압, 전간극수압 및 액상화 깊이의 변동특성을 논의한다.
이론/모형
(2015c)의 결과를 파와 흐름과의 공존장으로 확장한 Lee et al.(2015d)에 의한 잔류간극수압의 해석해를 적용한다. 이는 Biot(1941)의 압밀이론에 기초한 지배방정식과 적절한 경계조건과 Fourier급수전개법 및 변수분리법으로부터 산정되며, 유한깊이의 해저지반에서는 다음과 같은 주어진다 (Lee et al.
(2015d) 등의 연구가 있다. 이상의 모든 연구사례는 다공질매체에 탄성거동과 간극유체에 압축성 및 간극수의 흐름에 Darcy법칙을 고려한 Biot(1941)의 압밀이론에 기초한다.
성능/효과
(1) 주기의 변화에 따른 무차원의 진동, 잔류 및 전간극수압의 크기 및 액상화 깊이는 통일된 변동특성을 나타내지 않고, 지반 두께와 파장과의 관계로부터 얻어지는 무한 두께, 유한 두께 및 얕은 두께의 지반에서의 특성을 나타낸다.
(2) 파고의 변화에 따른 특성으로 파고가 커질수록 무차원진동간극수압은 동일하고, 무차원잔류성분은 증가되며, 동시에 무차원전간극수압도 증가되므로 무차원액상화 깊이도 증가된다.
(3) 지반 두께가 두꺼울수록 무차원잔류간극수압은 증가하는 반면에 액상화가 발생되는 무차원연직깊이는 작아진다. 그러나, 실제 연직깊이로는 큰 값을 나타낸다.
(4) 순방향의 흐름에서 흐름속도가 증가할수록 무차원진동간극수압은 증가하고, 무차원잔류간극수압은 감소하여 무차원전간극수압은 작아지며, 따라서 무차원액상화 깊이도 감소한다. 반면에, 역방향의 흐름에서는 흐름속도가 감소할수록 무차원진동성분은 감소하고, 무차원잔류성분은 증가하여 무차원전간극수압은 커지며, 이로 인하여 무차원액상화 깊이도 증가한다.
13에서 서술된 바와 같이 흐름속도가 감소할수록 진동성분은 감소하고, 잔류성분은 증가하지만, 결과적으로 전간극수압이 커지는 현상을 확인할 수 있다. 그리고, 흐름속도의 감소는 파주기 및 파장의 감소로 이어지고, 결과적으로는 지반 두께에 대한 파장의 비 h/L의 값이 커져 간극수압의 변화에서 토층의 두께가 두꺼워지는 효과가 나타난다. 한편, 흐름속도가 감소할수록 (u/pb)max > σ ′0 ⁄ pb 을 나타내는 연직깊이가 증가되어 결국 액상화 영역이 커지게 되며, 구체적으로 U0=0m/s의 경우 z/h < 0.
11에서 서술된 바와 같이 흐름속도가 증가할수록 진동성분은 증가하고, 잔류성분은 감소하여 결과적으로 전간극수압이 작아지는 현상을 확인할 수 있다. 그리고, 흐름속도의 증가는 파주기 및 파장의 증가로 이어지고, 결과적으로는 지반 두께에 대한 파장의 비 h/L의 값이 작아져 간극수압의 변화에서 토층의 두께가 얕아지는 효과가 나타난다. 한편, 흐름속도가 증가할수록 (u/Pb)max > σ'0 ⁄ pb 을 나타내는 연직깊이가 감소되어 결국 액상화 영역이 줄어들며, 구체적으로 U0 =0m/s의 경우 z/h < 0.
, 2001), 초기유효상재하중은 토층의두께가 얕기 때문에 상대적으로 작은 값을 나타낸다. 따라서, 전간극수압은 전체 연직깊이에서 초기유효상재하중을 초과하므로 액상화가 전체 토층에서 발생된다는 것을 알 수 있다. 다음의 Fig.
액상화의 경우는 파고가 증가할수록 (u/Pb)max와 σ′0 ⁄ pb가 동일한 값을 나타내는 연직깊이가 깊어지므로 액상화 깊이가 깊어지는 것을 확인할 수 있고, 여기서 파고 H =0.2m의 경우 z =0.16h (0.135 m)까지 액상화된다는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 액상화는z <0.56h의 연직깊이에서 발생하고, Fig. 3의 경우는 z <0.276h의 연직깊이에서 발생하므로 동일한 파와 지반물성치의 조건하에서 액상화가 발생되는 무차원연직깊이 z/h는 토층이 두꺼울수록 작은 값을 갖지만, 실제 연직깊이로 환산하면 h = 0.088 m의경우 z <0.088m, h =0.84m의 경우 z < 0.2318 m, h =1.73m의 경우 z < 0.9688 m의 영역을 나타내므로 토층이 두꺼울수록 큰 값을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.
이상의 순방향흐름과 역방향흐름에서 흐름 이외의 계산조건이 동일한 경우에 진동간극수압, 잔류간극수압 및 그 합의간극수압은 정반대의 변동특성을 나타내며, 이는 흐름속도의차이에 따른 주기 및 파장의 변화에 의해 발생된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 지반의 안정성 측면에서 액상화를 평가하면파와 순방향 흐름보다 파와 역방향 흐름의 경우가 보다 지반이 취약하게 되고, 또한 역향방 흐름속도가 커질수록 보다 악화된다는 중요한 사항을 도출할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
진동간극수압과 잔류간극수압의 차이는 무엇인가?
파랑 작용하 해저지반내 전간극수압 (이하에서는 진동성분과 잔류성분의 합으로 정의된다)은 진동간극수압 (oscillating pore-water pressure)과 잔류간극수압 (residual pore-water pressure)으로 구성되며 (Sumer, 2014), 파의 변동압력에 기인하는 진동간극수압은 파위상과 동일한 주기로 변동되지만, 지반내에서는 진폭감쇠와 위상지연이 수반된다 (Yamamoto etal., 1978; Jeng, 1997). 반면, 잔류간극수압은 파의 주기적인 반복하중하 흙 체적감소에 따른 간극수압의 축적으로부터 발생되는 것으로 알려져 있다 (Seed and Rahman, 1978).
한편, 진동간극수압과 잔류간극수압에 의한 지반액상화를 각각 순간액상화 (momentary liquefaction)와 잔류액상화(residual liquefaction)로 칭하며, 순간액상화는 지반상에 파곡이 통과될 때 발생된다 (Zen and Yamazaki, 1990a). 파곡하에서 과잉간극수압은 (-)를 가지며, 완전포화토의 경우보다 지반내에 공기나 가스가 포함된 비포화토의 경우가 깊이의 증가와 더불어 더 빠른 비율로 소산된다.
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