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가설 설정
- 이완영역은 지하공동으로부터 (45° + \(\frac {\phi} {2}\) )방향으로 진행되는 것으로 가정하였다.
- 수치해석은 누수로 인한 지하공동이 하수관 상부에서 발생되는 시나리오와 하부에서 발생되는 시나리오로 구분하였으며 각각의 시나리 오에서 공동의 확장과정을 2단계로 구분하여 수행되었다. 지하공동의 크기는 관경(D)기준 폭 1.0D～2.0D, 두께 0.5D 로 가정하였다. Table 4는 수치해석을 수행한 시나리오와 케이스를 정리하여 나타내었다.
제안 방법
- (2010)의 급배수 반복토사유출시험과 정수위 토사유출 시험의 결과를 근거로 하였으며 지하공동 발생으로 인한 이완영역의 물성치 또한 Kuwano et al.(2010)에서 언급된 것처럼 기존 지반 밀도의 15% 저하된 값을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 이완영역은 지하공동으로부터 (45° + \(\frac {\phi} {2}\) )방향으로 진행되는 것으로 가정하였다.
- 공동의 형태와 크기, 이완영역의 크기 등은 Kuwano et al.(2010)을 참조하였으며 공동의 진행에 따라 이완영역 또한 확대시켜 수치해석을 수행하였다. Fig.
- Test 2는 토조 외부의 수조에 수위를 제어하면서 토사를 유출시켜 시험을 수행하였다. Fig.
- 이 연구를 통해 개발된 가소성유동화토는 기존의 유동성 뒤채움재의 장점을 포함하며 동시에 강도발현까지 걸리는 양생시간을 단축시킴으로써 현장 적용성을 높이고 경제적, 인적 피해를 최소화할 수 있는 재료이다. 개발된 가소성유동화토는 일반형과 수중시공이 가능한 수중불분리형, 두 가지로 분류할 수 있으며 이 연구에서는 일반형 가소성유동화토를 적용하였다. 각각의 성분비는 Table 3에 나타내었다.
- 13은 관 침하량에 대한 그래프이다. 관 침하량은 관하부 지하공동 발생할 경우를 분석하였다. 관 침하량 또한 지하공동의 발생에 따라 침하량이 증가되는 것을 알 수 있다.
- 이완영역은 지하공동으로부터 (45° + \(\frac {\phi} {2}\) )방향으로 진행되는 것으로 가정하였다. 수치해석은 누수로 인한 지하공동이 하수관 상부에서 발생되는 시나리오와 하부에서 발생되는 시나리오로 구분하였으며 각각의 시나리 오에서 공동의 확장과정을 2단계로 구분하여 수행되었다. 지하공동의 크기는 관경(D)기준 폭 1.
- 개발된 재료의 직접전단시험은 사질토의 직접전단시험의 과정과 동일하게 수행되었다. 시료는 W/M 비율 100%로 24시간 양생한 시료와 4시간 양생한 시료로 수직하중은 100kPa, 200kPa, 300kPa의 경우로 시험을 수행하였다. 수평하중 재하 속도는 1mm/min을 적용하였으며 시료가 완전히 파괴되어 전단에 저항할 수 없을 때까지 시험을 수행하였다.
- 9와 같다. 시료의 양생시간을 24시간과 4시간으로 구분하였다. 전단응력은 하중-변위 곡선의 잔류 값을 이용하였다.
- 이 연구에서는 누수로 인해 발생된 공동의 크기를 가정하여 그것이 발달됨에 따라 지반거동에 미치는 영향을 범용 유한요소해석 프로그램인 Plaxis 2D AE(2012)를 통해 수행하고 그 결과를 분석하였다. 지하공동의 형태와 크기는 Kuwano et al.
- 따라서 지하공동 발생과 이완영역 확대에 따른 지반함몰 발생의 역학적 이해와 도로함몰 징후 발견 시 신속히 지반을 보강하여 피해를 최소화할 수 있는 공법에 대한 연구가 시급한 실정이다. 이러한 필요성에 근거하여 이 연구는 하수관 매립지역에서 관 주변에 발생되는 지하공동에 따른 주변 지반의 거동과 긴급 복구에 사용할 수 있는 가소성유동 화토 적용 시 지반의 거동을 수치해석을 통해 비교･분석 하였다.
- 전단응력은 하중-변위 곡선의 잔류 값을 이용하였다. 잔류 값의 산정은 첨두 값과 수렴 값의 평균값으로 하였으며, 수치해석에 적용된 점착력과 내부마찰각은 4시간, 24시간 양생된 시료의 각각의 점착력과 내부마찰각의 평균값을 적용하였다. 각 시료에 대한 결과값을 Table 7에 나타내었다.
- 검토단면의 하수관경, 베딩기초 크기, 재질, 터파기 높이 구배 등은 2011년 환경부에서 제정한 하수관시설기준을 참조하였다. 하수관 관경은 250mm, 베딩기초의 높이는 200mm, 재질은 원지반이 보통토일 때를 기준으로 하여 모래기초로 적용하였으며, 터파기 구배는 1:0.3, 관 하부 터파기 폭은 관로 접합부 기준으로 관 양쪽으로 600mm씩 여유 폭을 두는 것으로 모델링을 실시하였다. 상재하중은 12.
데이터처리
- 수치해석은 앞에서의 Table 3을 기준으로 하여 수행되었다. 공동 발생의 단계를 구분하여 수치해석을 수행하였고, 결과값은 공동이 최종적으로 진행된 단계에서의 결과값을 그림으로 나타내었다(Fig. 10, 11). 공동의 형태와 크기, 이완영역의 크기 등은 Kuwano et al.
이론/모형
- 반면 파손된 하수관의 누수에 의해 발생된 지하공동으로 인한 지반의 거동에 대한 연구는 아직까지 미흡한 실정이지만 Kuwano et al.(2010) 실내모형시험으로 지하공동의 발생과정과 이완영역의 확대에 대한 연구를 수행하여 이 연구에서 지하 공동의 위치 및 크기, 이완영역을 설정하는데 참조할 수 있었다.
- 점착력과 내부마찰각을 제외한 다른 물성치는 Nam et al.(2013) 논문을 참조하였다.
- 가소성유동화토 적용의 경우 되메움 시 베딩기초부터 관 상부까지 적용하는 것으로 모델링 하였는데 이는 Lee & Song(2006)을참조하였다.
성능/효과
- (1) 관 상부에 지하공동이 발생하는 경우와 관 하부에 지하 공동이 발생할 경우의 지반거동은 분명한 차이점을 가진다. 관 상부에 공동 발생 시에는 큰 침하량이 발생하 지만 관 상부에 국한되는 거동을 보였다.
- (2) 가소성유동화토가 적용되지 않은 원지반에서 지하공동이 1.0D에서 2.0D(D=관 직경)로 진행됨에 따른 지반침하 증가량은 관 상부에 공동이 발생할 경우 약 300%, 하부에 발생할 경우 약 60%로 나타났다.
- (4) 가소성유동화토 적용효과는 관 상부에 공동이 발생한 지반에 대한 적용보다는 관 하부에 공동이 발생된 지반에 적용 효과가 큰 것으로 판단되었다. 관 상부 공동 발생 시 이완영역에 대한 보강이 이루어져야 할 것으로 판단되며, 추후 현재 개발된 가소성유동화토와 지반을 혼합한 재료의 연구를 통하여 가소성유동화토를 적용한 이완영역 보강 및 적용 높이에 대한 연구를 수행할 예정 이다.
- 89mm로 약 47%가량 증가하였다. 가소성 유동화토의 적용을 통해 관 침하를 통한 지반의 침하를 억제할 수 있으며, 공동의 확장에 따른 침하량의 억제효과 또한 기대할 수 있는 것으로 판단된다. Fig.
- 가소성유동화토가 적용되지 않은 경우와 적용된 경우 모두 침하량의 크기는 관 상부에 지하공동이 발생하였을 때 더 큰 것으로 나타났다.
- 41mm로 약 3배 증가한 것을 알 수 있으며, 이는 가소성유동화토를 적용하였을 때도 비슷한 경향이 나타난 것을 알 수 있다. 다시 말해 관 상부에 지하공동 발생 시 지하공동의 크기는 100% 확장할 때 침하량은 300% 확장되어 나타났다. 반면 관 하부 지하공동 발생, 가소성유동화토가 적용되지 않았을 경우에는 공동의 확장에 따른 침하량의 증가는 3.
- 관 상부에 지하공동이 발생하는 경우는 가소성유동화토의 적용과 관계 없이 이완영역에서 집중적으로 침하가 발생하는 것을 알 수있다. 반면 관 하부에 공동이 발생할 경우 관 상부에 지하공동이 발생하는 경우보다 침하가 적게 발생하고 가소성유동화토의 적용 효과가 확실한 것으로 나타났다.
- 하지만 유동성 뒤채움재를 적용하면 별도의 다짐 작업 없이도 관 하부에 균일하게 관을 지지할 수있는 지지체가 형성되어 관의 부등침하로 인한 관 파손이 현저하게 줄어들게 된다. 이 연구를 통해 개발된 가소성유동화토는 기존의 유동성 뒤채움재의 장점을 포함하며 동시에 강도발현까지 걸리는 양생시간을 단축시킴으로써 현장 적용성을 높이고 경제적, 인적 피해를 최소화할 수 있는 재료이다. 개발된 가소성유동화토는 일반형과 수중시공이 가능한 수중불분리형, 두 가지로 분류할 수 있으며 이 연구에서는 일반형 가소성유동화토를 적용하였다.
- (2010)은 Table 1과 같이 실내모형시험을 수행하였으며 PIV 기법과 CT 촬영을 통해 지반의 거동과 이완영역의 단면을 촬영하였다. 이 연구에 따르면 지반재료의 밀도가 작고 초기 함수비가 높을수록 토사유출이 급속하게 진행되는 경향을 나타내었다. Fig.
- 이 연구의 수치해석에 적용될 가소성유동화토의 특성은 기존의 유동성 채움재, 즉 CLSM(Controlled Low Strength Material)의 특성과 유사하며 기존의 CLSM에 비하여 조기에 강도를 발현할 수 있는 장점이 있다.
- 각 Case에서 발생된 최대침하량을 Table 7에 정리하였다. 최대침하는 관 상부에서 발생하였으며, 침하량을 기준으로 가소성유동화토 적용 효과는 관 상부 공동 발생 시 약 5%, 관 하부 공동 발생 시 약 48%가량 있는 것으로 나타났다. 침하량을 비교하였을 때 침하량은 상부에 공동 발생 시 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
- 앞에서 언급하였듯이 지하공동에 의한 지표침하에 대한 연구는 연약지반에서의 터널 굴착에 대한 연구로 활발히 진행되어져 왔다. 터널 굴착에 의한 지표침하는 Fig. 3에서 보는 것과 같이 터널 직상부에서 가장 큰 침하를 보이며 거리가 멀어질수록 침하량은 감소하는 Gaussian curve의 형태로 나타나며 터널의 깊이가 깊어질수록 터널 중심축 상부에서의 침하량은 감소하지만 영향범위는 더 넓어지는 것을 알수 있다. 터널 굴착이 지표침하에 미치는 영향 범위 및 침하량은 Eq.
후속연구
- (3) 관 상부 지하공동 발생 시 공동과 이완영역의 확장 전 긴급한 복구가 필요하며, 관 하부 지하공동 발생 시 지속적인 관찰과 복구, 근본적인 원인 해결을 통해 넓은 범위에서 대규모로 발생될 수 있는 지반함몰 현상에 대비해야 할 것으로 판단된다.
- (5) 추후 공동의 위치와 크기에 따른 지반거동, 지하수의 영향, 지반조건의 다양성, 성토지반의 다짐도에 대한 연구, 가소성유동화토의 지반재료와의 혼합에 따른 재료적 특성에 대한 연구를 수행할 예정이다.
- (6) 현장시험을 수행하여 지하공동의 형태와 크기 및 위치에 따른 지반거동에 대한 결과를 2D 평면변형률 조건뿐 아니라 3D 수치해석을 통해 비교･분석할 계획이다.
- 각 시료에 대한 결과값을 Table 7에 나타내었다. 개발된 가소성유동화토의 물성치에 대한 연구는 보다 다양한 조건에서 직접전단시험뿐만 아니라 일축압축시험, 삼축압축시험 등 여러 실내시험을 통해 산정되어야 할 것으로 판단된다.
- (4) 가소성유동화토 적용효과는 관 상부에 공동이 발생한 지반에 대한 적용보다는 관 하부에 공동이 발생된 지반에 적용 효과가 큰 것으로 판단되었다. 관 상부 공동 발생 시 이완영역에 대한 보강이 이루어져야 할 것으로 판단되며, 추후 현재 개발된 가소성유동화토와 지반을 혼합한 재료의 연구를 통하여 가소성유동화토를 적용한 이완영역 보강 및 적용 높이에 대한 연구를 수행할 예정 이다.
- 최근 들어 지속적으로 발생되고 있는 도심지 지반함몰 현상은 우리의 안전을 크게 위협하는 요소 중 하나이다. 그 발생 빈도수 또한 꾸준히 증가하고 있는 추세를 보이고 도시의 대형화가 진행되면 될수록 인구는 증가하고 그에 따른 지하공간 개발이 계속될수록 도심지 지반함몰 현상의 발생은 더욱더 증가할 것이다. 지반함몰 현상을 발생시키는 가장 큰 요소 중 하나는 지하공동의 형성이다.
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