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문제 정의
- 굴진면 전방지반이 한계상태에 도달될 때까지 변위를 발생시키면서 변위에 따른 하중전이 경향 및 토피고의 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 얕은 터널에서 굴진면 변위형태와 종방향 하중전이 관계에 대한 연구는 사례가 드물다. 따라서 본 연구에서는 굴진면의 변위형태를 상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위로 이상화하고 굴진면의 변위형태에 따라 터널 천단상부에 발생하는 하중전이 특성을 규명하기 위한 모형실험을 수행하였다
- 따라서 본 연구에서는 터널 굴진면의 변위형태를 등변위, 상부 큰 변위 그리고 하부 큰 변위로 이상화하여 굴진면 변위에 따른 토압변화와 터널 천단상부지반의 종방향 하중전이 특성에 대해 실험적으로 연구하였다.
제안 방법
- 굴진면 변위가 한계변위의 약 50%에서 굴진면의 토압감소는 75%이상 발생하므로 굴진면 한계변위의 25%와 50%에 대해 분석하였다
- 굴진면의 변위 형태에 따라 굴진면 한계변위의 25%일때 터널 상부의 하중 전이특성을 분석하였다. 굴진면의 변위 0.
- 이때 발생하는 토압변화는 굴진면의 응력해방에 의한 토압의 일부가 터널천단 상부로 전이되기 때문이고 그 변화, 즉 하중전이량을 분석하여 종방향 하중전이 특성을 알아보았다. 굴진면의 토압은 굴진면 변위 초기에 가장 크게 변화하므로 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 대해 굴진면 한계변위의 25%, 50%, 100%일때를 분석하였다. 측정위치는 굴진면에 근접한 측점 TA에서 1.
- 굴진면의 한계변위 100%에서 터널 상부의 하중전이 특성을 분석하였다. 토피고 0.
- 굴진면의 한계상태는 매우 작은 변위에서 발생되어 지반의 변형을 확인하기 어려우므로 한계상태 이후의 지반 변형을 관찰하여 그 형상을 추정하였다.
- 모형터널의 전면판은 굴진면의 변위조건에 맞춰 거동할 수 있도록 장치하였다. 등변위 형태는 수평롤러를 장치하여 수평으로 등변위만 유발되도록 하였고 상부 큰 변위 및 하부 큰 변위 형태는 회전 베어링을 장치하여 굴진면이 상부 또는 하부만 변형되도록 하였다.
- 이를 통해 굴진면의 변위와 터널 종방향 하중전이는 연관이 있음을 알 수 있다. 따라서 굴진면의 한계변위에 대한 종방향 하중전이 발생경향을 분석하여 굴진면 변위형태에 따른터널 천단상부의 하중전이 특성을 파악하였다.
- 이때 발생하는 터널 상부와 굴진면에 작용하는 토압변화 및 지표변위를 측정하고 일정한 변위간격으로 터널 굴진면 전방 지반의 변형을 관찰하기 위해 사진을 촬영하였다. 모형실험은 토피고 변화와 굴진면 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰변위)를 변수로 하고 굴진면 변위에 의한 굴진면 토압변화와 터널 천단 상부의 하중전이 특성에 대해 실험하였다(Table 1).
- 7 m)을 통해 균질한 지반을 조성하였다. 모형지반의 초기응력을 측정한 후 모형터널 전면판에 변위를 허용하여 굴진면에 변위가 발생하도록 하였다.
- 실험에 앞서 모형터널의 전면판은 변위형태에 맞도록 모형토조에 거치한 후 지반을 조성하였다. 모형지반의 토피고는 0.5D, 1.0D, 1.5D, 2.0D (D:터널직경)이고 샌드 커튼 방식(낙하고 0.7 m)을 통해 균질한 지반을 조성하였다. 모형지반의 초기응력을 측정한 후 모형터널 전면판에 변위를 허용하여 굴진면에 변위가 발생하도록 하였다.
- 얕은 토사터널에서 굴진면의 변위 형태에 따른 종방향 하중전이 및 지반 거동 특성을 파악하기 위해 모형실험을 수행하였다. 실험에 앞서 모형터널의 전면판은 변위형태에 맞도록 모형토조에 거치한 후 지반을 조성하였다.
- 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압이 선형적으로 급격히 감소하는 경향을 보이며, 소정의 변위에 도달했을 때 굴진면 변위에 대한 토압감소량이 완만한 감소를 나타내거나 수렴하는 경향을 보였다. 이 때를 굴진면 전방지반의 한계상태 즉, 파괴상태로 판단하였으며, 이때의 변위를 한계변위로 규정하였다(Fig. 3).
- 이때 발생하는 터널 상부와 굴진면에 작용하는 토압변화 및 지표변위를 측정하고 일정한 변위간격으로 터널 굴진면 전방 지반의 변형을 관찰하기 위해 사진을 촬영하였다. 모형실험은 토피고 변화와 굴진면 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰변위)를 변수로 하고 굴진면 변위에 의한 굴진면 토압변화와 터널 천단 상부의 하중전이 특성에 대해 실험하였다(Table 1).
- 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면의 토압의 크기가 감소하고 터널천단 상부의 토압에 변화가 발생한다. 이때 발생하는 토압변화는 굴진면의 응력해방에 의한 토압의 일부가 터널천단 상부로 전이되기 때문이고 그 변화, 즉 하중전이량을 분석하여 종방향 하중전이 특성을 알아보았다. 굴진면의 토압은 굴진면 변위 초기에 가장 크게 변화하므로 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 대해 굴진면 한계변위의 25%, 50%, 100%일때를 분석하였다.
- 굴진면의 지반이완은 터널 주변지반의 거동에 영향을 주고 얕은 터널에서는 그 영향이 지표침하의 형태로 발생된다. 이러한 현상은 굴진면의 변위형태에 따라서도 달라질 것으로 판단되므로 굴진면의 변위형태에 따른 지표침하 경향을 분석하여 얕은 터널에서 굴진면 변위형태에 따른 지표침하 경향을 파악하였다.
- 터널 굴진면의 변위형태에 따른 지반의 종방향 하중전이 및 변위거동 특성을 파악하기 위한 모형실험을 수행하고 계측한 결과를 분석하였다
- 한계상태 이후의 지반변형은 모형지반 조성시 일정한 간격으로 포설한 염색사의 변화를 사진촬영하여 확인하였고 육안관찰이 가능한 동일한 변위에서 비교하였다. 굴진면의 지반변형은 동일한 굴진면 변위가 발생하더라도 굴진면 변형면적이 큰 등변위에서 가장 크게 발생하였다.
성능/효과
- 1. 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압은 감소하며, 변위가 일정한 크기가 되면 지반이 한계상태에 도달하고 토압이 극한치에 수렴하였다. 굴진면의 한계변위는 토피고에 무관하고 변위 형태에 따라 등변위, 상부 큰 변위, 하부 큰 변위의 순서로 크게 발생하였다.
- 5%가 발생하였고 전반적으로 하중전이 범위가 좁고 집중되는 경향을 보였다. 1.0D 이상의 토피고에서는 하중전이 발생 영역이 넓어지는 경향을 나타냈다. 터널 상부에 전이된 하중은 전반적으로 굴진면에 근접한 측점 TA가 크고 TF가 작은선형적인 분포 경향이 있으나 등변위는 측점 TA와 TB의 하중전이가 꺾이는 형상을 나타내 굴진면 변위 초기에도 지반이완의 영향이 터널 천단상부에 미치는 것을 알 수 있다.
- 2. 굴진면 변위에 따른 토압 감소율은 상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위의 순서로 증가하며, 토압은 변위 초기에는 급격한 기울기로 감소하고 한계상태에 근접할수록 완만하게 감소하여 극한치에 수렴하였다. 또한 토압 감소율은 토피고가 증가할수록 증가하였다.
- 3. 굴진면에서 변위가 발생하면 굴진면이 이완되어 지반내 하중이 터널 천단상부로 전이되므로 굴진면의 토압은 감소하지만, 터널 천단상부에 작용하는 토압은 증가하였다. 터널 천단상부의 전이 하중은 굴진면 변위 초기에 크게 증가하고 변위가 커져서 한계상태에 이르면 감소하였다.
- 4. 종방향 하중전이는 토피고가 낮은 터널에서는 굴진면 부근에 집중되는 반면, 토피고가 커질수록 발생 영역이 넓어졌다. 굴진면 변위형태는 하중전이의 형태와 크기에 영향을 미쳤다
- 5. 굴진면 변위가 등변위 형태로 발생할 때 굴진면의 변형면적이 크고 한계변위가 작기 때문에 터널 천단상부의 하중전이는 굴진면 변위 초기에 대부분 발생하였다.
- 6. 굴진면이 하부 큰변위와 상부 큰 변위 형태로 발생 하는 경우는 굴진면 변위에 대한 변형면적과 한계 변위의 크기가 비슷하지만 하중전이의 크기와 발생경향은 다르게 나타났다. 굴진면 변위가 상부큰 변위형태로 발생하면 등변위 조건일 때와 같이 굴진면 변위초기에 대부분 일어났다.
- 상부 큰 변위와 하부 큰 변위에서는 토압의 수렴위치가 유사하고 등변위는 보다 빠른 변위에서 굴진면이 한계상태에 도달하였다. 굴진면 한계상태에서의 토압은 상부 큰 변위에서 36.4~56.6%까지 감소되고, 등변위에서는 28.1~48.9%, 하부 큰 변위에서는 18.7~36.2%가 감소되었으며, 굴진면 변위형태와 토피고에 따라 영향을 받았다(Table 2).
- 토피고와 굴진면의 변위 형태에 따라 감소되는 토압의 크기와 경향은 다르나 동일한 굴진면 변위형태에서 토압의 수렴 위치는 토피고와 무관하게 일정하였다. 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압이 선형적으로 급격히 감소하는 경향을 보이며, 소정의 변위에 도달했을 때 굴진면 변위에 대한 토압감소량이 완만한 감소를 나타내거나 수렴하는 경향을 보였다. 이 때를 굴진면 전방지반의 한계상태 즉, 파괴상태로 판단하였으며, 이때의 변위를 한계변위로 규정하였다(Fig.
- 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면이 이완되고 변위가 증가할수록 굴진면의 이완이 확대되었다. 굴진면의 지반이완은 터널 주변지반의 거동에 영향을 주고 얕은 터널에서는 그 영향이 지표침하의 형태로 발생된다.
- 굴진면의 변위 발생에 따른 터널 천단상부 하중전이 특성을 분석한 결과, 토피고가 낮으면 굴진면 변위 형태와 무관하게 하중전이 영역이 좁고 굴진면 부근에 집중되었다. 그러나 토피고가 증가할수록 하중전이 영역은 넓어지고 굴진면 변위형태에 따라서 하중전이의 형태와 크기가 달라지는 경향을 나타냈다.
- 굴진면 변위에 따른 토압 감소율은 상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위의 순서로 증가하며, 토압은 변위 초기에는 급격한 기울기로 감소하고 한계상태에 근접할수록 완만하게 감소하여 극한치에 수렴하였다. 또한 토압 감소율은 토피고가 증가할수록 증가하였다.
- 최대 하중 증가는 등변위 20.5%, 하부 큰 변위 18.7%, 상부 큰 변위15.5%가 발생하였고 전반적으로 하중전이 범위가 좁고 집중되는 경향을 보였다. 1.
- 하부 큰 변위는 선형적인 하중분포 경향을유지하였으나 하중증가는 크게 발생하였다. 최대 하중전이량은 토피고 1.5D, 2.0D에서 등변위 11.7%, 12.7%, 하부 큰 변위 12.4%, 8.3%, 상부 큰 변위 5.1%, 3.8%로 나타났다(Fig. 10).
- 0D와 같이 상부 큰 변위와 등변위에서 측점 TB의하중증가가 크고 하부 큰 변위는 선형적인 하중전이 경향을 유지하였다. 최대 하중전이량은 토피고 1.5D, 2.0D에서 등변위 9.7%, 9.9%, 하부 큰 변위 8.7%, 5.0%, 상부 큰 변위 3.6%, 2.8%가 발생하였다(Fig. 9).
- 터널 상부에 전이된 하중은 전반적으로 굴진면에 근접한 측점 TA가 크고 TF가 작은선형적인 분포 경향이 있으나 등변위는 측점 TA와 TB의 하중전이가 꺾이는 형상을 나타내 굴진면 변위 초기에도 지반이완의 영향이 터널 천단상부에 미치는 것을 알 수 있다. 최대 하중전이량은 토피고에 따라 등변위 6.5~9.6%, 하부 큰 변위 2.1~6.7%, 상부 큰 변위 1.8~5.6%이었으며 굴진면 변형면적이 가장 큰 등변위에서 하중전이가 가장 크게 발생하였다(Fig. 8).
- 5D에서 최대 침하가 발생하였다. 침하량의 크기는 등변위, 하부 큰 변위, 상부 큰 변위의 순서로 발생하고 굴진면의 변형면적이 가장 큰 등변 위에서는 토피고가 증가할수록 침하량은 작아지나 침하발생 범위는 점차 넓어지는 경향을 보였다. 상부 큰 변위와 하부 큰 변위에서는 토피고 0.
- 6%의 순서로 발생하였으며 굴진면 변형면적이 큰 등변위에서 가장 크게 증가하였다. 토피고 1.0D는 상부 큰 변위와 등변위에서 굴진 면에 근접한 측점 TA 보다 TB에서 전이되는 하중이 크게 나타났다. 하부 큰 변위는 굴진면에 근접한 측점 TA에서 크고 굴진면과 이격될수록 작게 증가하는 선형적인 분포를 유지 하였다.
- 하부 큰 변위와 상부 큰 변위는 굴진면 변위에 대한 변형면적이 삼각형형상으로 동일하고 한계변위가 비슷한 크기이지만 하중전이의 크기와 발생경향은 다르게 나타났다. 상부 큰 변위는 등변위 형태와 같이 작은 굴진면 변위에서 터널 천단상부의 하중전이가 대부분 일어나는 반면, 하부 큰 변위는 굴진면 변위에 따라서 서서히 발생하였 다.
후속연구
- 굴진면의 변위에 따른 터널 주변지반 내 하중전이 특성 및 지반의 변위 거동특성을 파악하기 위해 적절한 측정장치를 설치하였으며 계측기의 종류 및 제원은 동반논문을 참조하기 바란다.
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