터널 굴착에 따라 발생하는 지반이완하중은 이론식, 경험식 및 수치해석적 방법에 의해 산정할 수 있다. 이론식 및 경험식에 의한 방법은 지반조건, 터널형상, 그리고 시공조건을 고려할 수 없다. 그러나 수치해석적인 방법은 터널 굴착으로 인해 발생하는 굴착면 주변의 변위와 응력 분석이 가능하며, 지반조건 및 시공조건을 고려한 지반이완하중 산정이 가능하다. 터널 굴착면 주변에 발생하는 응력전이효과를 파악할 수 있는 최대주응력과 최소주응력과의 차이와 최대주응력에 대한 비로서 응력전이비(e)를 제시하였다. 이 결과를 이용하여 터널 굴착에 따른 굴착면 주변에서의 이격된 거리에 따라 발생하는 주응력 차이에 의한 지반이완 영역을 확인할 수 있었다. 또한, 지반등급별 변화와 응력전이비(e) 변화에 따른 수치해석을 실시하여 지반이완하중 값의 차이를 확인할 수 있었다. 본 연구의 방법과 기존의 지반이완하중 산정 결과와 비교한 결과, 응력전이효과(e = 10%)를 고려한 결과값이 한계변형률을 이용한 방법보다는 지반이완하중이 다소 크게 나타났으나 대체로 이론식 및 경험식 보다는 작게 나타났다. 따라서 응력전이효과를 고려한 지반이완하중 산정은 실제 지반조건과 터널 시공조건을 고려한 것으로 콘크리트라이닝 설계에 적용 가능한 방법이 될 것으로 판단된다.
터널 굴착에 따라 발생하는 지반이완하중은 이론식, 경험식 및 수치해석적 방법에 의해 산정할 수 있다. 이론식 및 경험식에 의한 방법은 지반조건, 터널형상, 그리고 시공조건을 고려할 수 없다. 그러나 수치해석적인 방법은 터널 굴착으로 인해 발생하는 굴착면 주변의 변위와 응력 분석이 가능하며, 지반조건 및 시공조건을 고려한 지반이완하중 산정이 가능하다. 터널 굴착면 주변에 발생하는 응력전이효과를 파악할 수 있는 최대주응력과 최소주응력과의 차이와 최대주응력에 대한 비로서 응력전이비(e)를 제시하였다. 이 결과를 이용하여 터널 굴착에 따른 굴착면 주변에서의 이격된 거리에 따라 발생하는 주응력 차이에 의한 지반이완 영역을 확인할 수 있었다. 또한, 지반등급별 변화와 응력전이비(e) 변화에 따른 수치해석을 실시하여 지반이완하중 값의 차이를 확인할 수 있었다. 본 연구의 방법과 기존의 지반이완하중 산정 결과와 비교한 결과, 응력전이효과(e = 10%)를 고려한 결과값이 한계변형률을 이용한 방법보다는 지반이완하중이 다소 크게 나타났으나 대체로 이론식 및 경험식 보다는 작게 나타났다. 따라서 응력전이효과를 고려한 지반이완하중 산정은 실제 지반조건과 터널 시공조건을 고려한 것으로 콘크리트라이닝 설계에 적용 가능한 방법이 될 것으로 판단된다.
Theoretical, empirical and numerical methods are used to evaluate the rock load due to tunnelling. Theoretical and empirical methods do not consider ground conditions, tunnel shape, and construction conditions. However, through numerical analysis, it is possible to analyze the displacement and stres...
Theoretical, empirical and numerical methods are used to evaluate the rock load due to tunnelling. Theoretical and empirical methods do not consider ground conditions, tunnel shape, and construction conditions. However, through numerical analysis, it is possible to analyze the displacement and stresses around tunnel due to its excavation, and evaluate the rock load considering ground and construction conditions. The stress transfer ratio(e) which is defined as a ratio of the difference between the major and minor principal stresses to major principal stress is used in order to understand the stress transfer effect around the tunnel excavation using numerical analysis results. The loosend area around tunnel periphery was found based on this approach. The difference of rock load from stress transfer effect was found according to the ground grade. From comparison, rock load obtained from stress transfer effect (e = 10%) were somewhat larger than the results obtained from the critical strain method, but smaller than those obtained from theoretical and empirical methods. The stress transfer effect approach considers the ground condition, tunnel shape; therefore, it can be applied to evaluate the rock load in concrete lining design.
Theoretical, empirical and numerical methods are used to evaluate the rock load due to tunnelling. Theoretical and empirical methods do not consider ground conditions, tunnel shape, and construction conditions. However, through numerical analysis, it is possible to analyze the displacement and stresses around tunnel due to its excavation, and evaluate the rock load considering ground and construction conditions. The stress transfer ratio(e) which is defined as a ratio of the difference between the major and minor principal stresses to major principal stress is used in order to understand the stress transfer effect around the tunnel excavation using numerical analysis results. The loosend area around tunnel periphery was found based on this approach. The difference of rock load from stress transfer effect was found according to the ground grade. From comparison, rock load obtained from stress transfer effect (e = 10%) were somewhat larger than the results obtained from the critical strain method, but smaller than those obtained from theoretical and empirical methods. The stress transfer effect approach considers the ground condition, tunnel shape; therefore, it can be applied to evaluate the rock load in concrete lining design.
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문제 정의
본 논문에서는 지반이완하중이 작용하는 범위를 소성영역이 아닌 소성영역을 벗어난 일정한 탄성영역 범위까지로 보았다. 터널 굴착시 주변 지반 응력의 전이 정도를 파악하여 이완영역 범위를 산정하였다.
본 연구에서는 터널 굴착면 주변에 발생하는 응력의 전이효과를 고려하여 터널에 작용하는 지반이완하중을 산정하는 방법을 제시하였다. 지반등급별 대표단면을 선정하여 이론식, 경험식, 한계전단변형률 등의 방법과 함께 응력전이효과를 고려한 방법도 아울러 수행하여 그 결과를 비교하고 분석하였다.
가설 설정
등방조건을 가정하고 탄성 지반 내에 터널을 굴착하면 굴착면 주변의 지반은 원래의 3축응력 상태에서 2축응력 상태가 된다. 이때 Fig.
제안 방법
2. 따라서 본 연구에서 제안한 주응력의 차이에 의한 응력전이비(e)와 같은 개념으로 지반등급별 지반이완하중을 산정하여 이론식, 경험식, 수치해석적인 방법과 결과를 분석하였다.
3. ○○터널의 지반등급별 대표단면을 산정하고 지보패턴을 적용하여 수치해석에 의한 응력전이비(e) 개념에 의해 지반이완하중을 산정하여 비교하였다. 비교 결과 응력전이비(e)를 5%에서 10%로 증가할 경우 약 56~58% 정도로 지반이완하중고가 감소하였고, 이를 15%로 증가할 경우 약 72~73% 수준으로 감소하는 경향을 나타냈다.
4. 합리적인 응력전이비(e)를 판단하기 위하여 암반분류법을 이용한 경험식과 한계전단변형률(Level 1)을 기준으로 산정된 지반이완하중과 비교하였다. 응력전이비(e)를 10%로 고려할 때 한계전단변형률로 산정한 지반이완하중보다 약1.
지반의 구성방정식은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. ○○터널 폭은 13.3 m, 터널 높이는 8.5 m이며 경계조건의 영향이 미치지 않도록 터널 측방으로 3.5D (여기서, D는 터널 직경) 이상으로 확대하여 모델링하였다. 지반등급 4의 토피고는 68 m이고, 지반등급 5는 53 m이다.
(2015)에 제시된 결과값과 같다. 금번 연구에서는 응력전이비(e)에 의한 결과와 이론식과 경험식 등과의 객관적인 비교를 위하여 수치해석을 수행하여 비교 분석하였다.
지반이완하중 산정을 위해 굴착의 영향을 받지 않는 범위에서 출발하여 지반응력비(e)가 5%, 10%, 15%로 설정되는 굴착영향범위를 파악하고자 하였다. 또한 이론식, 경험식 및 기타 수치해석적인 방법에 의해 산정된 결과와 응력전이효과를 고려한 결과와 지반이완하중고를 비교하였다.
본 연구는 응력전이효과를 고려하여 산정한 지반이완하중고와 한계변형률 개념에 의해 산정된 지반이완하중 고와 직접적인 비교를 위해 Kim et al. (2013)에서 수행한 조건과 동일하게 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 적용된 지반특성값은 ○○터널의 설계자료(Kim et al.
본 연구에서는 터널 굴착면 주변에 발생하는 응력의 전이효과를 고려하여 터널에 작용하는 지반이완하중을 산정하는 방법을 제시하였다. 지반등급별 대표단면을 선정하여 이론식, 경험식, 한계전단변형률 등의 방법과 함께 응력전이효과를 고려한 방법도 아울러 수행하여 그 결과를 비교하고 분석하였다.
지반이완하중 산정을 위해 굴착의 영향을 받지 않는 범위에서 출발하여 지반응력비(e)가 5%, 10%, 15%로 설정되는 굴착영향범위를 파악하고자 하였다. 또한 이론식, 경험식 및 기타 수치해석적인 방법에 의해 산정된 결과와 응력전이효과를 고려한 결과와 지반이완하중고를 비교하였다.
지형조건, 터널형상, 지중응력 상태, 그리고 지보재의 시공조건 등을 고려할 수 있는 유한차분 프로그램인FLAC 7.0을 이용하여 ○○터널의 지반이완영역을 검토하고, 지반이완하중을 산정하였다.
터널 굴착면 주변에 발생하는 최대주응력 및 최소주응력의 차이와 최대 주응력과의 관계를 이용하여 터널 굴착면에서부터 원 지반까지 응력비를 표현할 수 있으며, 이를 응력전이비(e)로 규정하였다.
본 논문에서는 지반이완하중이 작용하는 범위를 소성영역이 아닌 소성영역을 벗어난 일정한 탄성영역 범위까지로 보았다. 터널 굴착시 주변 지반 응력의 전이 정도를 파악하여 이완영역 범위를 산정하였다. 즉 터널굴착면에서는 반경방향의 응력이 0이 되고 점차 원지반쪽으로 갈수록 반경방향과 접선방향의 응력이 동일하게 된다.
대상 데이터
(2013)에서 수행한 조건과 동일하게 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 적용된 지반특성값은 ○○터널의 설계자료(Kim et al., 2013)를 사용하였다. 지반등급별 지반이완하중을 산정하기 위하여 Fig.
, 2013)를 사용하였다. 지반등급별 지반이완하중을 산정하기 위하여 Fig. 6과 같이 ○○터널의 대표단면을 선정하였으며, Table 2와 같이 지반등급별 지반특성치를 수치해석에 반영하였다. 지반의 구성방정식은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다.
이론/모형
6과 같이 ○○터널의 대표단면을 선정하였으며, Table 2와 같이 지반등급별 지반특성치를 수치해석에 반영하였다. 지반의 구성방정식은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. ○○터널 폭은 13.
성능/효과
1. 터널굴착에 따른 지반이완하중 산정방법에는 이론식과 경험식, 수치해석적인 방법이 있으며 지반조건과 터널형상의 반영이 가능한 수치해석 방법이 합리적일 것으로 판단된다. 그러나 국부안전율, 한계전단변형률 등 의 방법도 터널 굴착면 주변에서 발생한 전단변형률 또는 소성영역에 의해 산정되는 방법으로 지반이완하중의 영역이나 형상이 실제 설계에 적용하기 어려운 한계가 있다.
8 참조). 동일한 응력전이비(e)값에서 지반등급 4와 5와의 차이에 의한 지반이완하중 값은 응력 전이비와의 차이에 의한 값에 비해 크지 않고 지반등급 4에 비해 5는 약 1.10~1.16배 증가하였다.
○○터널의 지반등급별 대표단면을 산정하고 지보패턴을 적용하여 수치해석에 의한 응력전이비(e) 개념에 의해 지반이완하중을 산정하여 비교하였다. 비교 결과 응력전이비(e)를 5%에서 10%로 증가할 경우 약 56~58% 정도로 지반이완하중고가 감소하였고, 이를 15%로 증가할 경우 약 72~73% 수준으로 감소하는 경향을 나타냈다.
위 결과를 종합해 보면 응력전이비(e) 10%는 한계전단변형률에 의한 방법 보다는 큰 값이며 Q값에 의해 산정된 값보다는 작아 콘크리트라이닝 설계시 지반이완하중고로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 응력전이비(e) 값의 적용은 지반조사 및 계측자료를 분석하고 통계 분석 등을 통하여 보완하면 지반이완하중고로 적용할 수 있을 것으로 본다.
응력전이비(e)를 10%를 설정하였을 경우 5%에 비해 지반이완하중고가 약 56~58% 정도로 감소하였다. 한계전단변형률로 산정한 값보다 지반등급 4의 경우 1.56배 증가하였고, 지반등급 5의 경우 1.62배 증가하는 경향을 나타냈으나 Q값으로 구한 지반이완하중에 비해 약 72~84% 수준으로 감소하였다. 또한, 응력전이비(e)를 15%로 설정하였을 경우 10%에 비해 약72~73% 정도로 감소하였지만 한계전단변형률로 산정된 값과 유사한 값을 나타내었다.
후속연구
5. 본 연구는 ○○터널의 지반이완하중 산정 사례의 대한 연구이며, 수치해석의 경우 지반의 불확실성을 모두 고려할 수 없고 본 연구에서 제안한 방법도 실제값이 아닌추정값이기 때문에 다양한 조건에서의 계측자료를 활용하여 정확한 지반이완하중을 검증하려는 노력이 필요할 것으로 판단된다.
위 결과를 종합해 보면 응력전이비(e) 10%는 한계전단변형률에 의한 방법 보다는 큰 값이며 Q값에 의해 산정된 값보다는 작아 콘크리트라이닝 설계시 지반이완하중고로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 그러므로 응력전이비(e) 값의 적용은 지반조사 및 계측자료를 분석하고 통계 분석 등을 통하여 보완하면 지반이완하중고로 적용할 수 있을 것으로 본다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암반분류법에 의한 지반이완하중 산정방법은 무엇인가?
암반분류법에 의한 지반이완하중 산정방법은 굴착면의 암반상태에 따라 터널에 작용하는 지반이완하중을 산정하는 방법이다. 이 방법은 터널 설계자의 경험과 판단에 의해 결과가 다소 차이날 수 있다.
터널 굴착에 따라 발생하는 지반이완하중은 무엇을 통해 산정할 수 있는가?
터널 굴착에 따라 발생하는 지반이완하중은 이론식, 경험식 및 수치해석적 방법에 의해 산정할 수 있다. 이론식 및 경험식에 의한 방법은 지반조건, 터널형상, 그리고 시공조건을 고려할 수 없다.
암반분류법에 의한 지반이완하중 산정방법의 한계는 무엇인가?
암반분류법에 의한 지반이완하중 산정방법은 굴착면의 암반상태에 따라 터널에 작용하는 지반이완하중을 산정하는 방법이다. 이 방법은 터널 설계자의 경험과 판단에 의해 결과가 다소 차이날 수 있다. 그리고 지반이완하중에 영향을 미치는 초기응력의 크기 및 방향, 지반과 지보재의 상호작용, 터널형상, 시공조건 등을 고려할 수 없다는 한계가 있다. Terzaghi는 1946년에 동유럽의 알프스에서 강지보재에 대한 암반하중 산정방법을 제시하였고, Rose에 의해 1982년에 수정되었다.
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