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지반함몰 모형실험 연구동향 및 적용방안 고찰
Trend of Physical Modelling For Ground Subsidence And Study of Its Application 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.10 no.1, 2017년, pp.1 - 10  

정성윤 (한국과학기술원 건설및환경공학과) ,  정영훈 (한국과학기술원 건설및환경공학과) ,  김동수 (한국과학기술원 건설및환경공학과)

초록
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근래에 들어 증가하고 있는 도심지 지반함몰 사고는 사회적 이슈가 되고 있으며 이로 인해 최근 관련 법안이 발의 되었다. 지반함몰은 수많은 원인인자들의 복합적 작용으로 발생하므로 수치해석적 기법의 적용에 한계점이 존재한다. 이로 인해 지반함몰 메커니즘 규명 연구는 주로 모형실험을 이용하여 진행되었다. 선행 연구들은 상하수도관 파열로 인한 지반함몰 모사에 초점이 맞추어져 있으며, 지하수 흐름, 지반 굴착공사 등 다양한 원인에 의해 발생하는 지반함몰에 대한 연구가 부족한 실정이다. 또한 기존 수행된 대부분의 모형실험은 1 g 상태의 모형실험이며, 지반함몰 메커니즘 평가 시 지반의 현장 구속응력을 고려할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 모형실험을 이용한 지반함몰 거동 평가에 대한 선행 연구동향들을 고찰하여 보다 다양한 환경 조건을 모사할 수 있는 기법들에 대해 논의하였다. 또한 본 연구에서는 더 신뢰성이 있는 지반함몰 메커니즘 평가 기법으로서 원심모형실험기법을 제시하였다. 마지막으로 본 연구에서는 지반안정성평가에 지반함몰 메커니즘에서 사용한 모형실험 기법을 적용할 것을 제시했다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, increasing cases of ground subsidence in the urban area has become social issue, and related bill has been passed. Ground subsidence occurs through complex combination of various factors, and numerical analysis of this problem is limited thereby. This is why verification of ground subsiden...

주제어

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문제 정의

  • 0%를 차지하는 상하수도관 파손으로 인한 지반함몰에 관해 집중되었으며, 굴착공사로 인한 지반함몰 메커니즘에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 상하수도관 파손으로 인한 지반함몰 뿐만 아니라 굴착으로 인한 지반함몰에 대한 메커니즘 평가에 대한 필요성을 제시했다.
  • 본 연구는 현재까지 진행되어 온 축소모형실험을 통한 지반함몰 메커니즘 평가 연구 동향 및 현재 본 기관에서 진행중인 축소모형실험 및 원심모형실험 기법 소개를 통해 지반함몰 메커니즘 평가 기법에 대해 정리할 것이다. 또한 본 연구를 통해 지금껏 진행된 실험 기법을 고찰하여 앞으로 시행될 지하안전관리에 관한 특별법 및 이에 따라오는 시행령 등에 대처하기 위해 축소모형실험 및 원심모형실험이 어떻게 지반 안정성 평가에 이용될 수 있을지에 대해 살펴볼 예정이다.
  • Sato 등(2010)은 모형지반 내 지하수위가 지속적으로 상승할 때 시간에 따른 모형지반 내 토사 유출량 및 지반함몰 발생 및 확장 과정에 대해 연구를 진행했다. 이 실험은 상하수도관 등을 통해 누수가 발생했을 때 지속적으로 수위가 상승할 경우 지중 공동 생성 및 지반함몰 발생에 대해 모사한 실험이다. 토조의 크기는 가로 2 m, 폭 0.
  • 이 실험은모형지반상부에일정수량의물을주입하여 모형강우를 발생시켜서 모형지반 내부에 지중구조물이 존재할 때 개구부를 통해 토사와 물이 유출시키는 실험이다. 이 실험은 지중 구조물이 존재하지 않는 경우,지중 구조물이 개구부 상단에 존재하는 경우, 지중 구조물이 개구부 상단 좌측에 존재하는 경우에 대해 수행되었다. 실험 결과 그림 10에 나온 바와 같이 개구부 상단에 지중구조물이 존재하는 경우 모형지반 상부에 발생한 강우로 인해 물이 모형지반으로 침투되면서 지중 구조물 주변으로 물이 흘러 개구부로 누수가 발생했다.
  • Sato 등(2015)은 지중 구조물이 존재할 때 모형지반 하부개구부를 통해 물과 토사가 유출시키며 지반함몰 메커니즘을 관찰했다. 이 실험은모형지반상부에일정수량의물을주입하여 모형강우를 발생시켜서 모형지반 내부에 지중구조물이 존재할 때 개구부를 통해 토사와 물이 유출시키는 실험이다. 이 실험은 지중 구조물이 존재하지 않는 경우,지중 구조물이 개구부 상단에 존재하는 경우, 지중 구조물이 개구부 상단 좌측에 존재하는 경우에 대해 수행되었다.
  • 일본의 경우 동경대의 Kuwano교수 연구팀이 지반함몰에 대해서 활발히 연구를 수행하고 있다. 이 연구팀에서는 다양한 토조와 실험기구를 통해 다양한 환경에서의 지반함몰사례에 대해서 모형실험을 통해 지반함몰 메커니즘을 평가하는 연구를 진행하고 있다. 이 중 몇 가지 사례를 소개하고자 한다.
  • 이를 극복하기 위해 모형지반 상부에 하중을 재하하는 방법을 사용할 수 있으나, 여기에는 모형지반 지표면이 현장의 응력상태를 그대로 재현하지 못하는 단점이 존재한다. 이를 극복하기 위해서 본 연구에서는 중력가속도의 수십 배의 원심가속도를 모형지반에 작용시키는 원심모형실험 기법을 제시했다. 이는 대규모 터파기공사 및 터널 공사 현장의 축소모형에 대해서 실제 응력상태를 재현하여 모형실험을 진행할 수 있다는 장점이 있을 것으로 판단된다.
  • 또한 본 연구를 통해 지금껏 진행된 실험 기법을 고찰하여 앞으로 시행될 지하안전관리에 관한 특별법 및 이에 따라오는 시행령 등에 대처하기 위해 축소모형실험 및 원심모형실험이 어떻게 지반 안정성 평가에 이용될 수 있을지에 대해 살펴볼 예정이다. 이를 위해먼저 실제 지반함몰사고에대해 고찰하여 이들이 어떻게 지반함몰 모형실험에 이용될 수 있을지 고찰할 것이다. 실제 지반함몰 사례들을 바탕으로 현재까지 진행된 지반함몰 모형실험 사례들이 실제 지반함몰 사례들을 살펴보는데 어떻게 적용될 수 있을지 살펴볼 예정이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지반함몰 현상과 싱크홀 현상의 차이점은 무엇인가? 지반함몰은 지반을 이루고 있는 흙이 지중에서 어떤 인위적인 원인에 의해서 유실되어 지표면이 푹 꺼지는 현상을 의미한다. 지반함몰 현상은 상하수도 파열, 굴착공사 등과 같은 인위적인 원인으로 일어나는 것으로, 석회암질 기반암 상의 지반에서 석회암이 녹아서 생긴 공동으로 지표면이 푹 꺼지는 싱크홀 현상과 원인이 다르다.
지반함몰이란 어떤 현상을 의미하는가? 지반함몰은 지반을 이루고 있는 흙이 지중에서 어떤 인위적인 원인에 의해서 유실되어 지표면이 푹 꺼지는 현상을 의미한다. 지반함몰 현상은 상하수도 파열, 굴착공사 등과 같은 인위적인 원인으로 일어나는 것으로, 석회암질 기반암 상의 지반에서 석회암이 녹아서 생긴 공동으로 지표면이 푹 꺼지는 싱크홀 현상과 원인이 다르다.
지반함몰 메커니즘에 관한 연구가 주로 축소모형실험으로 진행되어 온 이유는 무엇인가? 지반 안정성 평가 방법에는 현장 조사를 통해 현장 조건을 입력하여 수치해석적 방법으로 수행하는 방법이 있다. 그러나 지반함몰 현상의 원인인자가 워낙 다양하여 수치해석만으로 모사하는 데에는 그 한계가 있으며, 특히 지중 공동생성으로 인한 지반함몰의 경우 현재 수치해석적인 방법만으로 거동을 예측 및 평가하는 것이 쉽지 않은 상황이다. 그러나 축소모형실험은 현장 지반조건, 지하 구조물의 영향 등 여러 인자들의 모사가 가능하기 때문에 실제 현장의 지반함몰 현상을 평가하는데 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 이유들로 인해 지반함몰 메커니즘에 관한 연구는 주로 축소모형실험을 통해 진행되어 온 실정이다.
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참고문헌 (16)

  1. 권기철, 김상록, 홍석우 (2016), 실내모형시험을 통한 도로함몰 매커니즘에 대한 기초적 연구, 한국도로학회논문집, 18(5), pp.11-19. 

  2. 국토교통부, 지하안전관리에 관한 특별법, 2016. 

  3. 국토교통부, 지하안전관리에 관한 특별법 시행령 제정(안), 2016. 

  4. 산케이신문 (2016), 陷沒...どこでも起こりうるインフラ老朽化, 相次ぐ事故. 

  5. 서울시 보도자료 (2017), 서울시, 도로함몰 대비 하수관로 정비에 1,306억원 투입. 

  6. 오동욱, 안호연, 이용주 (2016), 실내모형시험을 통한 상대밀도가 다양한 사질토 지반에서의 하수도관파손에 따른 지표침하의 영향범위에 관한 연구, 한국지반공학회지, 32(2), pp.19-30. 

  7. 이기영, 강상준 (2014), 도시를 삼키는 싱크홀, 원인과 대책, No.156, 경기개발연구원. 

  8. 정영훈, 조형익, 김동수 (2016), 모형실험을 이용한 지반 조성비 차이에 따른 지반함몰 메커니즘 평가, 대한토목학회학술대회, pp.23-23. 

  9. 조선일보 (2015), [지하가 위험하다] 지하수에 젖은 벽 만지니 '오싹'... 굴착공사장은 대형 싱크홀 主犯. 

  10. 최신규, 백승훈, 안준범, 권태혁 (2016), 터널 및 지중매설물 시공에 따른 지반함몰 발생 원인 및 대책에 대한 지반 공학적 조사 연구, 한국터널지하공간학회 논문집, 18(2), pp.143-154. 

  11. 환경부 보도자료 (2017), 환경부, 노후 하수관 정비로 도심지 지반침하 예방한다. 

  12. Idinger, G., Aklik, P., Wu, W. and Borja, R. I. (2011), Centrifuge model test on the face stability of shallow tunnel, Acta Geotechnica, 6(2), pp.105-117. 

  13. Jo, Y. S., Cho, S. H. and Jang, Y. S. (2016), Field investigation and analysis of ground sinking development in a metropolitan city, Seoul, Korea, Environmental Earth Sciences, 75(20), p.1353. 

  14. Kuwano, R., Sato, M. and Sera, R., (2010), Study on the detection of underground cavity and ground loosening for the prevention of ground cave-in accident, Japanese Geotechnical Journal, 5(2), pp.219-229. 

  15. Sato, M. and Kuwano, R. (2015), Influence of location of subsurface structures on development of underground cavities induced by internal erosion, Soils and Foundations, 55(4), pp.829-840. 

  16. Yokota, T., Fukatani, T. and Miyamoto, T. (2012), The present situation of the road cave in sinkholes caused by sewer systems (FY2006-FY2009), No.668, National Institute for Land and Infrastructure Management, Ministry of Land Infrastructure, Transport, and Tourism, Japan. 

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