[논문]콘크리트매트 피복을 이용한 잠제하 해저지반에서의 액상화 대책공법에 관한 수치해석(규칙파 조건)

이광호; 류흥원; 김동욱; 김도삼; 김태형

doi:10.9765/kscoe.2016.28.6.361

콘크리트매트 피복을 이용한 잠제하 해저지반에서의 액상화 대책공법에 관한 수치해석(규칙파 조건)
Numerical Analysis on Liquefaction Countermeasure of Seabed under Submerged Breakwater using Concrete Mat Cover (for Regular Waves) 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.28 no.6, 2016년, pp.361 - 374

이광호 (가톨릭관동대학교 에너지자원플랜트공학과) , 류흥원 (한국해양대학교 대학원 토목환경공학과) , 김동욱 (한국해양대학교 대학원 토목환경공학과) , 김도삼 (한국해양대학교 건설공학과) , 김태형 (한국해양대학교 건설공학과)

초록
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잠제와 같은 중력식구조물하 해저지반에 고파랑이 장시간 작용하는 경우 지반을 구성하는 토립자내 간극의 체적 변화과정에서 과잉간극수압이 크게 발생될 수 있고, 이에 따른 유효응력의 감소에 의하여 구조물 근방 및 하부지반이 액상화될 수 있으며, 종국에는 구조물이 침하파괴될 가능성이 있다는 사실이 규칙파 및 불규칙파 조건하의 선행연구에서 규명되었다. 본 연구에서는 잠제 주변지반에서 발생되는 액상화를 방지하기 위한 대책공법으로 주로 하천에서 세굴방지공으로 사용되어온 콘크리트매트를 해저지반상에 포설하는 방안을 제시하고, 이에 따른 잠제와 콘크리트매트를 포함한 구조물의 동적변위, 지반내 간극수압과 간극수압비 등을 콘크리트매트가 적용되지 않은 원지반의 경우와 비교 검토한다. 이로부터 콘크리트매트하의 해저지반내에서 상대밀도의 증가에 따라 액상화 가능성을 크게 줄일 수 있다는 것을 규칙파 작용하의 수치해석으로부터 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

When the seabed around and under gravity structures such as submerged breakwater is exposed to a large wave action long period, the excess pore pressure is generated significantly due to pore volume change associated with rearrangement soil grains. This effect leads a seabed liquefaction around and under structures as a result from decrease in the effective stress, and the possibility of structure failure is increased eventually. These facts shown above have been investigated in the previous studies related to regular and irregular waves. This study suggested a concrete mat for preventing the seabed liquefaction near the submerged breakwater. The concrete mat was mainly used as a countermeasure for scouring protection in riverbed. According to installation of the concrete mattress, the time and spatial series of the deformation of submerged breakwater, the pore water pressure, and the pore water pressure ratio in the seabed were investigated. Their results were also compared with those of the seabed unprotected with the concrete mat. The results presented were confirmed that the liquefaction potential of seabed under the concrete mattress is significantly reduced under regular wave field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 과재하공법의 하나인 보호사석을 포설하는 공법을 잠제의 주변지반에 적용하는 것으로 한다. 이는 해저 지반에 추가적인 압력을 가하는 일종의 압성토공법이다 (Gerwick, 2007).
본 연구에서는 잠제 전면부하 해저지반내에서 액상화 가능성을 규칙파와 불규칙파의 수치시뮬레이션으로부터 규명한 선행연구에 기초하여, 액상화 대책공법으로 하천에서 세굴방지 용으로 사용되는 콘크리트매트를 잠제 전면부에 포설하는 방안을 제시하였다. 이에 선행연구에서와 동일한 해석수법(2DNIT모델과 FLIP모델)을 적용하여 콘크리트매트의 유무 및 매트길이의 변화에 따른 잠제의 동적변위, 해저지반내 간극수 압과 액상화에 대한 척도로 사용되는 간극수압비와 같은 동적응답을 수치해석으로부터 검토하였다.

가설 설정

, 1992a, 1992b)에 적용되는 동파압의 산정위치, 잠제에서 침하량(변위)의 산정위치 E1, E2 및 해저지반내 간극수압비의 산정위치 P1~P27 등을 함께 나타낸다. 잠제하의 해저지반은 실트질모래로 구성된 것으로 가정되었고, 따라서 액상화 발생이 상대적으로 쉬운 것으로 판단되는 매우 느슨한 경우의 N = 3과 느슨한 경우의 N = 5를 임의로 선정하였다. Table 2는 N값에 대한 실트질모래의 물성치로, 선행연구(Lee et al.

제안 방법

본 연구에서는 이상의 콘크리트매트가 잠제 주변지반상에 설치된 경우에 콘크리트매트를 포함한 구조물의 동적변위, 지반내 간극수압과 간극수압비 등을 수치적으로 검토하기 위하여 선행연구(Lee et al., 2016a, 2016b)와 동일한 수치해석법인 2D-NIT(Two Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델(Lee et al., 2013)과 유한요소법의 탄소성지반응답에 기초한 FLIP(Finite element analysis LIquefaction Program)모델 (Iai et al., 1992a, 1992b)을 적용하며, 이로부터 얻어진 결과와 콘크리트매트가 적용되지 않은 원지반에서의 결과와 비교·검토하여 콘크리트매트의 유용성을 논의한다.
본 연구에서는 해저지반에 미치는 전술한 보호사석의 역할과 필터층의 역할을 동시에 수행할 수 있는 Photo 1의 콘크리트매트를 적용한다. 이 매트는 사진에 나타내는 바와 같이 파랑에 의해 흐트러지거나 개별로 침하되지 않으며, 일반적으로 하천에서 세굴방지공으로 포설되어 왔다.
본 연구에서는 잠제 전면부하 해저지반내에서 액상화 가능성을 규칙파와 불규칙파의 수치시뮬레이션으로부터 규명한 선행연구에 기초하여, 액상화 대책공법으로 하천에서 세굴방지 용으로 사용되는 콘크리트매트를 잠제 전면부에 포설하는 방안을 제시하였다. 이에 선행연구에서와 동일한 해석수법(2DNIT모델과 FLIP모델)을 적용하여 콘크리트매트의 유무 및 매트길이의 변화에 따른 잠제의 동적변위, 해저지반내 간극수 압과 액상화에 대한 척도로 사용되는 간극수압비와 같은 동적응답을 수치해석으로부터 검토하였다. 이로부터 얻어진 중요한 사항을 다음에 요약·기술한다.

대상 데이터

, 2013)로부터 잠제의 표면과 해저면에서 파동으로 인한 동파압을 산정하였다. 수치해석에 적용된 규칙파는 파고 H = 0.5 m, 3.0 m이고, 주기 T = 10 s, 15 s이며, 총 계산시간은 600 s이다. 잠제의 제원은 Fig.
, 2016a, 2016b)의 규칙파와 불규칙파에서 적용된 값과 동일한 값이 적용되었다. 콘크리트매트는 현장에서 적용되는 두께 0.3 m, 길이 6 m를 기준으로, 수치해석에서는 길이에 따른 액상화 정도를 비교하기 위하여 6 m, 9 m, 12 m로 각각 변화시켰다. Table 2에서 N값은 지반의 표준관입시험으로부터 산출되며, 이에 따른 내부마찰각은 FLIP모델의 적용에서 권장되는 간이설정법(Morita et al.

이론/모형

Fig. 4와 같은 일정수심 h의 규칙파동장에 설치된 투과성잠 제를 대상으로 2D-NIT모델(Lee et al., 2013)로부터 잠제의 표면과 해저면에서 파동으로 인한 동파압을 산정하였다. 수치해석에 적용된 규칙파는 파고 H = 0.
, 2013)은 기존의 2차원수치파동수조모델(CDIT, 2001)을 수정·보완하여 불규칙파동장으로 확장한 모델로, 자유표면의 해석 모델에 VOF법(Hirt and Nichols, 1981)을, 난류모델에는 LES모델을 각각 적용하고 있다. 기초방정식은 2차원비압축 성의 점성유체를 대상으로 한 연속식 및 PBM(Porous Body Model; Sakakiyama and Kajima, 1992)으로 확장한 NavierStokes방정식에 기초한다. 그리고, 지반응답해석모델인 FLIP모델(Iai et al.

성능/효과

(2) 콘크리트매트를 포설한 경우 진동간극수압 성분은 크게 변화되지 않지만, 잔류간극수압이 감소되고, 따라서 전체 적으로는 간극수압이 감소되는 결과를 나타낸다. 하지만, 매트길이에 따라 간극수압의 변동이 수평방향으로 이동되는 경향을 나타내므로 간극수압의 공간적인 변동특성을 고려하여 판단하는 것이 필요하다.
(3) 콘크리트매트를 포설하는 경우 잠제의 전면부에서는 원지반보다 간극수압비를 매우 낮출 수 있으므로 지반액상화의 가능성을 충분히 줄일 수 있다. 이러한 이유는 매트의 추가 적인 중량으로 지반의 상대밀도가 증가되었기 때문이다.
(4) 지반정수 N에 관계없이 액상화 대책공법으로 콘크리트 매트의 유용성을 확인할 수 있었다.
(5) 콘크리트매트가 포설된 지반내 간극수압 및 간극수압 비의 변동에 입사파고와 주기는 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다.
19는 콘크리트매트가 길이 12 m로 포설된 경우이다. 동일한 파랑조건에서 잠제 전면 제각부하 해저지반에서 원지반의 경우는 적색으로 표기되어 액상화 가능성이 높게 나타나지만, 콘크리트매트가 포설됨에 따라 파란색으로 표기되고, 따라서 액상화 가능성이 현저히 줄어드는 것을 시각적으로 확인할 수 있다.
35까지 저감된다. 또한, 원지반의 x = 30 m에서 나타난 피크간극수압비가 콘크리트매트의 길이가 길어질수록 잠제 전면부의 비탈면에서부터 해측으로 이동되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 콘크리트매트의 중량에 의해 해저지반의 상대밀도가 증가되고, 매트의 길이가 해측으로 길어질수록 상대밀도가 증가되는 수평범위가 해측으로 넓어지기 때문이다.
따라서, 콘크리트매트를 적절한 길이로 포설하는 경우 잠제의 전면부하 해저지반 내에 액상화 가능성이 상대적으로 저하되어 잠제의 안정성이 증대되는 것을 기대할 수 있다. 또한, 잠제의 중앙부하 및 배면하의 해저지반에서는 콘크리트매트의 포설에 따른 효과가 거의 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 이는 잠제의 자중에 의해 초기에 이미 지반의 상대밀도가 증가된 상태에서 잠제로 부터 이격되어 포설되는 콘크리트매트의 추가적인 중량에 의한 상대밀도의 변화는 크지 않기 때문이며, 동일한 의미로 잠제 배면하의 해저지반에서도 콘크리트매트가 상대적으로 더욱 많이 이격되어 포설되기 때문에 간극수압비에 미치는 영향 또한 매우 미미할 것으로 판단된다.
0 m, T = 10 s에 대한 경우이다. 콘크리트매트의 포설에 따른 간극수압비가 최대 0.8수록 변동양상이 점차로 해측으로 이동되고, 결과적으로 제체의 안정성에 영향을 미치는 범위 밖으로 벗어나는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 주기가 길어지는 Fig.
Table 4는 N = 5일 때 콘크리트매트의 길이에 따른 수평 및 연직변위의 저감율을 종합하여 나타낸다. 표로부터 H = 0.5 m, T = 10 s에서 수평변위는 최소 17%에서 최대 19%까지, H = 3.0 m, T = 10 s에서는 최소 21%에서 최대 26%까지, H = 3.0 m, T = 15 s에서는 최소 29%에서 최대 34%까지 각각 저감효과가 나타나는 것을 알 수 있고(연직변위는H = 0.5 m, T = 10 s에서 콘크리트매트의 길이에 상관없이 최대 26%까지, H = 0.5 m, T = 15 s에서는 최소 18%에서 최대 22%까지, H = 3.0 m, T = 10 s에서는 최소 19%에서 최대 23%까지, H = 3.0 m, T = 15 s에서는 최소 28%에서 최대 33%까지), 콘크리트매트의 길이가 길어질수록 각 변위의 저감율이 증가하는 것이 일반적인 현상으로 판단된다. 여기서, 수평 및 연직변위에서 파고가 증가하면 진동성분과 잔류성분은 증가하는 경향을 나타내며, 이는 N = 3의 경우와 동일한 현상이다.
이상에서 언급된 콘크리트매트의 유무에 따른 수평 및 연직변위의 저감율을 종합적으로 나타내 것이 Table 3에 요약되어 있다. 표로부터 H = 0.5 m, T = 10 s에서 수평변위는 최소 26%에서 최대 33%까지, H = 0.5 m, T = 15 s에서는 최소 25%에서 최대 31%까지, H = 3.0 m, T = 10 s에서는 최소 19%에서 최대 24%까지 저감되며, 콘크리트매트의 길이가 길어질수록 수평변위의 저감율이 증가한다. 그러나, H = 3.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반개량공법은 무엇인가?	이와 같은 액상화에 대한 대책공법을 목적에 따라 지반개량공법, 간극수압의 개선공법 및 구조적인 보강공법으로 대별할 수 있다. 지반개량공법은 중력식구조물이 설치되기 전에 해저지반의 압밀과 강도를 증대시키는 공법으로, 일반으로 DCM, SCP 및 과재하공법 등이 이 공법의 범주에 포함된다. 간극수압의 개선공법은 중력식구조물 주변지반에 시간의 경과에 따른 누적간극수압을 저하시키기 위하여 배수패드 혹은 배수공을 설치하는 것(Gerwick, 2007)으로, 이에 의해 지반내 간극수의 배수가 촉진되어 간극수압의 상승이 억제되게 된다.
	액상화에 대한 대책공법을 목적에 따라 어떻게 분류할 수 있는가?	이와 같은 액상화에 대한 대책공법을 목적에 따라 지반개량공법, 간극수압의 개선공법 및 구조적인 보강공법으로 대별할 수 있다. 지반개량공법은 중력식구조물이 설치되기 전에 해저지반의 압밀과 강도를 증대시키는 공법으로, 일반으로 DCM, SCP 및 과재하공법 등이 이 공법의 범주에 포함된다.
	간극수압의 개선공법 및 구조적인 보강공법의 특징은 무엇인가?	지반개량공법은 중력식구조물이 설치되기 전에 해저지반의 압밀과 강도를 증대시키는 공법으로, 일반으로 DCM, SCP 및 과재하공법 등이 이 공법의 범주에 포함된다. 간극수압의 개선공법은 중력식구조물 주변지반에 시간의 경과에 따른 누적간극수압을 저하시키기 위하여 배수패드 혹은 배수공을 설치하는 것(Gerwick, 2007)으로, 이에 의해 지반내 간극수의 배수가 촉진되어 간극수압의 상승이 억제되게 된다. 구조적인 보강공법으로는 파일을 박아 지반지 지력을 확보하거나 구조물하에 스커트를 설치하여 구조물의 요동에 의한 액상화를 방지하는 방법 등이 있다.

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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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