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문제 정의
- 굴진면의 변위형태는 다양하게 발생할 수 있으며 변위형태에 따라 터널 종방향 하중전이에 대한 특성을 연구한 사례가 드물다. 따라서 본 연구에서는 얕은 터널에서 굴진면 상부에서 큰 변위가 발생되는 조건에 대해 종방향 하중전이 특성을 실험적으로 연구하였다. 굴진면이 상부 큰 변위로 거동하는 조건에서 굴진면 전방지반이 한계상태에 도달될 때까지 변위를 발생시키면서 변위에 따라 터널 천단상부와 바닥하부 에 발생하는 하중전이 양상의 변화는 물론 토피고의 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 사질토 지반에서 터널을 모사하여 굴진면 변형시 터널 굴진면에서의 토압변화와 터널 주변의 상·하부로 발생하는 하중전이에 대한 실험적 연구를 실시하였다.
- 본 연구에서는 터널 굴진면이 상부에서 변위가 크게 발생될 경우를 고려하였으며, 변위 정도에 따른 터널 천단상부와 바닥하부 지반으로 전이되는 토압을 측정하여 종방향 하중전이 거동에 대해 실험적 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 굴진면의 변위와 터널 종방향 하중전이와의 관계에 대해 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 얕은 터널에서 굴진면 상부에서 큰 변위가 발생되는 조건에 대해 종방향 하중전이 특성을 실험적으로 연구하였다. 굴진면이 상부 큰 변위로 거동하는 조건에서 굴진면 전방지반이 한계상태에 도달될 때까지 변위를 발생시키면서 변위에 따라 터널 천단상부와 바닥하부 에 발생하는 하중전이 양상의 변화는 물론 토피고의 영향을 파악하였다. 이를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
- 이를 통해 굴진면의 토압변화는 종방향 하중전 이에 직접적인 영향을 주고 있음을 파악할 수 있다. 따라서 굴진면의 토압변화와 종방향 하중전이의 관계를 분석하여 터널의 종방향 하중전이 특성을 파악하였다.
- 30 m (Length)으로 모형터널의 전면판은 굴진면의 변위를 유발하기 위해 하부를 힌지 조건으로 하여 굴진면 변위가 발생 되도록 하였다. 또한 전면판에 작용하는 토압을 측정할 수 있도록 하였다.
- 모형지반의 물리적 특성은 입도분포시험(KS F 2302), 최대·최소 건조단위중량 시험(KS F 2345)을 수행하여 파악하였고 모형지반을 공학적으로 분류(KS F 2324)하였다. 또한, 직접전단시험(KS F 2343)을 수행하여 모형지반의 역학적 특성을 파악하였다. Fig.
- 모형 실험기에 적절한 측정장치를 설치하여 굴진면의 변위에 따른 터널 주변지반 내 하중전이 및 지반 변위 거동특성을 파악하였다. 모형터널의 상하부를 각각 2개의 Load Cell이 설치된 하중판 6개로 제작하여 위치별로 전이되는 하중의 크기를 측정하였고, 전면판에 1개의 Load Cell을 설치하여 전면판에 작용하는 토압의 변화를 측정하였다.
- 모형 지반을 조성한 후 모형터널 전면판의 변위를 허용하여 굴진면에 변위가 발생하도록 하였다. 이때 발생하는 터널 상·하부 하중판, 전면판의 토압변화 및 지표변위를 측정하였다.
- 모형지반은 주문진 자연사를 사용하여 샌드커튼 방식으로 균질한 지반을 조성하였다. 모형지반의 물리적 특성은 입도분포시험(KS F 2302), 최대·최소 건조단위중량 시험(KS F 2345)을 수행하여 파악하였고 모형지반을 공학적으로 분류(KS F 2324)하였다.
- 모형지반의 물리적 특성은 입도분포시험(KS F 2302), 최대·최소 건조단위중량 시험(KS F 2345)을 수행하여 파악하였고 모형지반을 공학적으로 분류(KS F 2324)하였다.
- 모형 지반 조성시 발생하는 토압으로 인해 벽체가 변형되는 것을 방지하기 위하여 벽체 외부에 강재 프레임을 설치하였다. 모형터널은 터널의 종방향 단면을 모사하였으며 터널의 상부와 하부는 각각 6개의 분리된 하중판으로 설치하였고 각 위치별로 초기 토압과 굴진면 변위시 전이되는 하중을 측정하였다. 모형터널의 크기는 0.
- 모형 실험기에 적절한 측정장치를 설치하여 굴진면의 변위에 따른 터널 주변지반 내 하중전이 및 지반 변위 거동특성을 파악하였다. 모형터널의 상하부를 각각 2개의 Load Cell이 설치된 하중판 6개로 제작하여 위치별로 전이되는 하중의 크기를 측정하였고, 전면판에 1개의 Load Cell을 설치하여 전면판에 작용하는 토압의 변화를 측정하였다. 전면판의 변위와 지표 침하는 변위측정용 LVDT를 설치하여 측정하였다.
- 모형터널의 크기는 0.30 m (Width) × 0.30 m (Height) × 0.30 m (Length)으로 모형터널의 전면판은 굴진면의 변위를 유발하기 위해 하부를 힌지 조건으로 하여 굴진면 변위가 발생 되도록 하였다.
- 3은 각각 입도분포시험과 직접전단시험 결과이며, 모형지반의 물리적, 역학적 특성은 Table 1과 같다. 사질토를 이용한 모형지반은 낮은 응력수준에서도 굴진면 변위-응력관계의 분석이 가능하고 상대밀도가 조밀한 사질토 지반은 파괴시 응력변화 특성이 명확하다는 특징이 있어 본 연구의 모형지반으로 이용하였다.
- 이때 발생하는 터널 상·하부 하중판, 전면판의 토압변화 및 지표변위를 측정하였다. 실험변수는 굴진면이 상부 큰 변위인 변위형태에서 얕은 터널 범주의 토피고에 의한 굴진면 응력조건과 하중전이 특성을 분석하기 위해 토피고의 변화를 실험변수로 선정하였다(Table 3).
- 여기서는 터널 상부의 하중전이 특성이 하부보다 명확하므로 터널 상부의 하중전이 특성에 대해서만 다루었으며 터널 천단상부 전체의 하중전이량을 굴진면 토압감소량과 비교하였다.
- 이 때를 굴진면의 한계상태 즉, 굴진면의 파괴상태로 판단하였으며 이 때의 변위를 한계변위(εa)로 규정하였다.
- 이때 발생하는 터널 상·하부 하중판, 전면판의 토압변화 및 지표변위를 측정하였다.
- 모형터널의 상하부를 각각 2개의 Load Cell이 설치된 하중판 6개로 제작하여 위치별로 전이되는 하중의 크기를 측정하였고, 전면판에 1개의 Load Cell을 설치하여 전면판에 작용하는 토압의 변화를 측정하였다. 전면판의 변위와 지표 침하는 변위측정용 LVDT를 설치하여 측정하였다. 실험중 하중과 변위데이터는 실시간 모니터링과 동시에 저장이 가능한 정적데이터로거를 이용해 수집하였다.
- 지표침하 경향을 보다 명확히 파악하기 위해 굴진면 한계변위 이상의 변위인 2.0εa에서 지표침하를 분석하였다(Fig.
- 터널 상·하부의 토압 변화는 굴진면에 근접한 측점 TA, BA에서 1.0D 이격된 TF, BF까지 측정하여 분석 하였다(Fig. 1 참조).
- 한계상태의 굴진면 한계변위는 토피고와 무관하게 동일하지만 토압감소량은 토피고에 따라서 달라지므로 각 실험조건의 초기 토압에서 한계상태의 토압을 일정한 비율(25%)로 나누어 토압의 크기에 대한 터널 종방향 하중전이의 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 모형토조의 크기는 0.30 m (Width) × 1.50 m (Height) × 0.83 m (Length)로 벽체는 굴진면과 염색사를 포설한 지반의 거동을 외부에서 관찰할 수 있도록 투명아크릴판으로 제작하였다.
- 전면판의 변위와 지표 침하는 변위측정용 LVDT를 설치하여 측정하였다. 실험중 하중과 변위데이터는 실시간 모니터링과 동시에 저장이 가능한 정적데이터로거를 이용해 수집하였다. 측정장치 및 데이터수집 장치는 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1. 굴진면에서는 변위가 증가함에 따라 작용하는 굴진면 토압은 크기가 감소하였다. 굴진면 토압은 변위 초기에는 급격한 기울기로 감소하였고, 한계 상태에 근접할수록 완만한 기울기로 극한치에 수렴하였다.
- 2. 굴진면 전방지반은 토피고에 무관하게 굴진면 변위가 일정한 크기에 이를 때에 한계상태에 도달하였다. 굴진면 토압의 감소율은 토피고가 증가할수록 크며, 토피고가 1.
- 3. 굴진면 변위가 발생되면 굴진면, 터널의 천단 상부와 바닥에 작용하는 토압은 증가하였다. 이는 굴진 면의 이완이 진행됨에 따라 굴진면에 작용하던 하중이 종방향으로 전이되었기 때문으로 판단된다.
- 4. 지반 내 종방향 하중전이는 토피고가 낮은 터널에 서는 굴진면 부근에 집중되었으나, 토피고가 커질수록 하중전이 영역이 넓어지는 것으로 나타났다. 또한 터널 하부로의 하중전이는 토피고가 낮은 경우에 뚜렷하게 나타났다.
- 5. 굴진면의 토압은 굴진면 변위 초기에 급격히 감소하였으며 굴진면 변위가 커져서 지반이 한계상태에 근접하면 완만하게 감소하였다. 따라서 터널 종방향 하중전이는 굴진면 변위 초기 즉, 지반이 탄성상태일때 급격히 증가하며 굴진면 변위가 커서 전방지반이 한계상태에 근접하면 완만하게 증가하는 경향을 나타냈다.
- 6. 굴진면에서 변위에 의한 토압감소 추세가 터널천단상부와 바닥의 토압 증가에 영향을 미치는 현상으로 미루어 볼 때 굴진면의 이완정도는 종방향 하중전이에 영향을 미치며 종방향 하중전이는 터널 상부에서 하부에 이르는 영역에서 발생하는 것을 알 수 있었다.
- CASE 1은 굴진면 토압변화에 따라 터널 상부로 전이되는 하중이 증가하며 굴진면 토압감소량이 50% 에서 75%로 증가할 때 전이되는 하중의 증가폭이 가장 커졌다. 굴진면 토압감소량이 75~100%가 될 때 즉, 토압감소량이 75%에서 한계상태에 도달할때까지 하중전이는 완만한 기울기로 증가하였으나 전체적으로는 선형 비례하는 것으로 판단되었다(Fig.
- Table 5는 굴진면의 토압이 한계상태로 진행될 때까지의 토압을 일정한 간격 으로 나누었을때 굴진면 변위를 나타낸 것이다. 각 CASE별로 한계상태 토압의 50%가 굴진면 한계변위의 17.9~25.0%에서 발생하고, 75%가 굴진면 한계변 위의 46.4~50.0%에서 발생하여 굴진면 변위에 민감한 것을 알 수 있다. 굴진면 변위 발생에 의한 토압감소량은 토피고가 증가할수록 커지나 한계상태의 토압감 소량을 비교 했을때 토피고 증가에 따라 편차가 점차 작아지는 경향을 나타내므로 토피고가 증가하면 굴진면 전방지반의 일정한 영역내에서 파괴 영역이 형성되는 것으로 판단된다(Table 4).
- 구간별로는 굴진면의 한계상태 토압감소량의 25%와 75%에서 증가폭이 커지는 경향을 나타내고 굴진면 토압감소량이 75%에서 한계상태에 도달할때까지 하중전이는 완만한 기울기로 변하였으나 전체적으로는 선형적인 비례관계에 있는 것으로 판단되었다(Fig.
- 0%에서 발생하여 굴진면 변위에 민감한 것을 알 수 있다. 굴진면 변위 발생에 의한 토압감소량은 토피고가 증가할수록 커지나 한계상태의 토압감 소량을 비교 했을때 토피고 증가에 따라 편차가 점차 작아지는 경향을 나타내므로 토피고가 증가하면 굴진면 전방지반의 일정한 영역내에서 파괴 영역이 형성되는 것으로 판단된다(Table 4). 이는 모형지반내 염색사를 일정한 간격으로 포설하여 굴진면 변위에 따른 변화를 사진 촬영하여 비교하였을 때에도 확인이 가능하였다(Fig.
- 굴진면 변위가 증가하면 하중전이 형태는 측점 TA가 큰 선형분포에서 측점 TB, TC가 큰 꺾은선형의 형태로 변하고 굴진면이 한계상태에 도달했을때 최대 3.8%의 하중증가가 발생되었다.
- CASE 1은 굴진면 토압변화에 따라 터널 상부로 전이되는 하중이 증가하며 굴진면 토압감소량이 50% 에서 75%로 증가할 때 전이되는 하중의 증가폭이 가장 커졌다. 굴진면 토압감소량이 75~100%가 될 때 즉, 토압감소량이 75%에서 한계상태에 도달할때까지 하중전이는 완만한 기울기로 증가하였으나 전체적으로는 선형 비례하는 것으로 판단되었다(Fig. 10(a)).
- 굴진면에서는 변위가 증가함에 따라 작용하는 굴진면 토압은 크기가 감소하였다. 굴진면 토압은 변위 초기에는 급격한 기울기로 감소하였고, 한계 상태에 근접할수록 완만한 기울기로 극한치에 수렴하였다.
- 굴진면 전방지반은 토피고에 무관하게 굴진면 변위가 일정한 크기에 이를 때에 한계상태에 도달하였다. 굴진면 토압의 감소율은 토피고가 증가할수록 크며, 토피고가 1.5D 이상이면 일정한 값을 유지하였다.
- CASE 3과 4에서도 굴진면 토압이 감소하면 터널 상부로 전이되는 하중이 증가하였다. 굴진면의 한계상태 토압감소량의 75%에서 전체 하중전이량의 84.5~ 89.3%가 발생하여 비교적 급한 기울기로 증가하였고 토압감소량 75% 이후에는 증가추세가 둔화되었다.전체적으로는 선형적인 관계에 있는 것으로 판단되었다(Fig.
- 5D 범위)에 하중전이가 집중 되었다. 굴진면이 한계상태에 이르기까지 TA에서 26.4%, TB에서 20.6%, TC에서는 7.0%의 하중이 증가하였다. 반면 측점 TE와 TF에서는 굴진면이 한계상 태에 근접할수록 원지반 하중보다 감소되는데 이는 낮은 토피고로 인해 터널 상부지반이 이완되었기 때문으로 판단된다.
- 굴진면의 토압은 굴진면 변위 초기에 급격히 감소하였으며 굴진면 변위가 커져서 지반이 한계상태에 근접하면 완만하게 감소하였다. 따라서 터널 종방향 하중전이는 굴진면 변위 초기 즉, 지반이 탄성상태일때 급격히 증가하며 굴진면 변위가 커서 전방지반이 한계상태에 근접하면 완만하게 증가하는 경향을 나타냈다.
- 모든 실험조건에 대한 분석결과 굴진면의 토압변화와 종방향 하중전이는 선형적으로 비례관계에 있는 것으로 판단되었다.
- 토압의 변화는 초기 토압(E0) 과 변화된 토압(Ea)의 비로 무차원화하여 표현하였다. 모든 실험조건에서 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압이 선형적으로 급격히 감소하는 경향을 보이며, 특정 변위에 도달했을 때 굴진면 변위에 대한 토압감소량이 완만한 감소를 나타내거나 수렴하는 경향을 보였다. 이 때를 굴진면의 한계상태 즉, 굴진면의 파괴상태로 판단하였으며 이 때의 변위를 한계변위(εa)로 규정하였다.
- 0D이상에서 일정한 것을 통해지반의 종방향 아칭현상이 발현되었기 때문인 것으로 제시 하였다. 본 연구에서 지표침하는 토피고와 굴진 면의 변위발생량에 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 6(b)). 이로부터 터널 종방향 하중 전이는 굴진면에 변위가 발생하는 초기에 대부분 발생하는 것으로 나타났으며 터널 하부로 전이되는 하중에 비해 상부로 전이되는 하중의 크기가 크고 작은 변위에서 발생하는 것으로 나타났다.
- 하중전이에 의한 토압증가는 하부지반에 비해 상부지반에서 크게 나타났다. 터널 천단상부와 바닥의 토압은 굴진면 변위가 작을 때 즉, 굴진면 전방지반이 탄성상태일 때 크게 증가하였고 굴진면 변위가 증가함에 따라 증가추세는 감소하였다.
- CASE 3의 터널 상부는 CASE 2의 하중전이 경향과 유사하였다. 한계변위의 25%에서 측점 TA의 하중증 가량이 최대치이고 굴진면 한계변위의 50~100%범위 에서는 측점 TB의 하중증가량이 최대치를 나타냈다. 이때의 최대 하중증가량은 6.
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