최근 도심지에서 자주 발생하는 지반함몰 문제는 사회적 문제로 대두되고 있으며, 지반함몰에 대한 시민들의 우려는 증가하고 있다. 그에 비해 지반함몰 발생 메커니즘에 대한 이해는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 모형실험을 통해 다양한 지하수 조건에서 지하수와 토사가 동시에 유실될 때의 지반함몰 발생 메커니즘을 평가하고자 한다. 실험을 통해서 밝혀진 지반함몰 메커니즘의 주요 인자는 지하수 흐름 방향, 유출부위 주변 수두차, 지중 공동 유지를 위한 지반 내 강도 등이다. 첫째로 지하수와 토사가 동시에 유실될 때 토사의 유실은 지하수 흐름 방향을 따라 발생하며 이는 지중 공동 생성 및 공동 확장 방향을 결정짓는 요소임을 확인했다. 둘째로 지하수 및 토사가 유실되는 위치 주변의 수두차가 높아질수록 지반함몰 발생 속도가 급격히 빨라지는 것이 실험적으로 확인되었다. 마지막으로 지중 공동 확장으로 인해 최종적으로 갑작스런 붕괴를 일으킬 수 있음이 확인되었다.
최근 도심지에서 자주 발생하는 지반함몰 문제는 사회적 문제로 대두되고 있으며, 지반함몰에 대한 시민들의 우려는 증가하고 있다. 그에 비해 지반함몰 발생 메커니즘에 대한 이해는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 모형실험을 통해 다양한 지하수 조건에서 지하수와 토사가 동시에 유실될 때의 지반함몰 발생 메커니즘을 평가하고자 한다. 실험을 통해서 밝혀진 지반함몰 메커니즘의 주요 인자는 지하수 흐름 방향, 유출부위 주변 수두차, 지중 공동 유지를 위한 지반 내 강도 등이다. 첫째로 지하수와 토사가 동시에 유실될 때 토사의 유실은 지하수 흐름 방향을 따라 발생하며 이는 지중 공동 생성 및 공동 확장 방향을 결정짓는 요소임을 확인했다. 둘째로 지하수 및 토사가 유실되는 위치 주변의 수두차가 높아질수록 지반함몰 발생 속도가 급격히 빨라지는 것이 실험적으로 확인되었다. 마지막으로 지중 공동 확장으로 인해 최종적으로 갑작스런 붕괴를 일으킬 수 있음이 확인되었다.
Recently frequent occurrence of ground subsidence cases has become social issue, and people's concern on this problem has been growing accordingly. Meanwhile, understanding on the mechanism of ground subsidence formation is not enough. Therefore, this study aims for evaluating formation mechanism of...
Recently frequent occurrence of ground subsidence cases has become social issue, and people's concern on this problem has been growing accordingly. Meanwhile, understanding on the mechanism of ground subsidence formation is not enough. Therefore, this study aims for evaluating formation mechanism of ground subsidence under various groundwater conditions through model test when groundwater and soil are leaked together. Major factors found through model tests are direction of groundwater flow, head difference around the leakage point, and strehgth of the ground to support the underground cavity. Firstly, direction of groundwater flow has an influence on the direction of cavity expansion and ground collapse. Secondly, it is observed that the speed of ground subsidence formation increases as the head difference increases. Lastly, the expansion of the cavity can eventually lead to a sudden collapse.
Recently frequent occurrence of ground subsidence cases has become social issue, and people's concern on this problem has been growing accordingly. Meanwhile, understanding on the mechanism of ground subsidence formation is not enough. Therefore, this study aims for evaluating formation mechanism of ground subsidence under various groundwater conditions through model test when groundwater and soil are leaked together. Major factors found through model tests are direction of groundwater flow, head difference around the leakage point, and strehgth of the ground to support the underground cavity. Firstly, direction of groundwater flow has an influence on the direction of cavity expansion and ground collapse. Secondly, it is observed that the speed of ground subsidence formation increases as the head difference increases. Lastly, the expansion of the cavity can eventually lead to a sudden collapse.
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문제 정의
본 연구를 토대로 지중 굴착 현장으로 지하수와 토사가 유실됨으로 인한 지반함몰 메커니즘에서 중요한 요소 세 가지 및 각 요소가 지반함몰 발생 메커니즘에 미치는 영향을 확인했다.
본 연구에서는 균질한 사질토를 이용해 지반함몰 메커니즘을 평가했다. 그러나 실제 지반의 입도 분포는 다양하며,실제 사례 및 실험 결과에 의하면 다양한 입도분포를 가진 지반에서 세립분의 유출이 지반함몰 메커니즘에 영향을 미칠 수 있는 것으로 알려졌다(Kuwano et al.
본 연구의 목적은 굴착현장 주위의 다양한 지하수 조건에 따른 지반함몰 메커니즘에 대해 평가하는 것이다. 터널 혹은 기초 굴착을 진행할 때 종종 지하수위 아래에서 굴착이 진행된다.
따라서 지하수 흐름 및 토사 유실로 인한 지반함몰 메커니즘을 확인하기 위해 지하수 조건 및 배수 방향을 달리한 모형실험을 진행했다. 이를 위해 본 연구에서는 터널 굴착 현장을 모사하기 위한 수직방향 배수 실험, 개착식 굴착 현장을 모사하기 위한 수평방향 배수 실험을 진행했다. 본 연구에서는 입도가 균질한 흙을 이용해 지하수위 아래에서의 지하수 흐름에 따른 지반함몰 메커니즘에 대한 평가를 진행할 예정이다.
가설 설정
둘째로 트랩도어 주변 지하수위와 지반함몰 진행 속도의 상관관계이다. 지하수면의 경사와 관계없이 모형지반 좌측 지하수위가 300 mm인 경우 4분 내로, 모형지반 좌측 지하수위가 200 mm인 경우 4~6분 내로 지반함몰이 발생했다.
제안 방법
200-200(NS)와 100-100(NS)에서 살펴본 바와 같이 지중공동 생성 후 공동 확장 간에 공동 상부의 강도가 충분하지 않으면 공동의 함몰로 지반함몰이 발생할 수 있음을 살펴보았다.
본 연구에서는 트랩도어 개방 시점 및 최종 지반함몰 발생 시점간의 변위를 추적하여 화살표로 도식화한 이미지를 활용했다. PIV분석을 위해 실험시작과 동시에 영상 촬영을 진행한다. 실험 종료 후 촬영한 영상에 대해 지반함몰 진행 속도에 따라 수직방향 배수 실험의 경우 초당 10프레임, 수평으로 배수시키는 경우 1초~8초당 1프레임의 사진을 추출하여 PIV분석을 진행했다.
실험 시작 전 모형지반에 물을 공급할 때 실험조건에 따라 지반을 포화시키는 정도를 달리했다. Table 2에 나타난 실험 중 아홉 개의 실험에서는 모형지반에 물 공급을 지속하여 지표면까지 모관흡수력으로 인한 겉보기점착력이 존재하도록 한 뒤에 트랩도어를 개방하여 실험을 진행했다. 나머지 두 개의 실험에서는 모형지반 조성 및 물 공급 후 지하수위가 일정하게 유지될 때 트랩도어를 개방하여 실험을 진행했다.
Table 2에 나타난 실험 중 아홉 개의 실험에서는 모형지반에 물 공급을 지속하여 지표면까지 모관흡수력으로 인한 겉보기점착력이 존재하도록 한 뒤에 트랩도어를 개방하여 실험을 진행했다. 나머지 두 개의 실험에서는 모형지반 조성 및 물 공급 후 지하수위가 일정하게 유지될 때 트랩도어를 개방하여 실험을 진행했다. 이 때 모형지반의 지표면은 지반조성 완료 후의 건조 상태 그대로 실험을 진행한다.
굴착 현장 내로 지하수 및 토사가 유출될 경우 굴착 현장 주위의 다양한 지하수 조건이 지반함몰 발생 및 확장 메커니즘에 중요한 역할을 할 것으로 추정된다. 따라서 지하수 흐름 및 토사 유실로 인한 지반함몰 메커니즘을 확인하기 위해 지하수 조건 및 배수 방향을 달리한 모형실험을 진행했다. 이를 위해 본 연구에서는 터널 굴착 현장을 모사하기 위한 수직방향 배수 실험, 개착식 굴착 현장을 모사하기 위한 수평방향 배수 실험을 진행했다.
본 연구에서는 입도가 균질한 흙을 이용해 지하수위 아래에서의 지하수 흐름에 따른 지반함몰 메커니즘에 대한 평가를 진행할 예정이다. 또한 지반함몰 메커니즘을 시각적으로 확인하기 용이하도록 2차원 모형토조를 이용해 실험을 진행했다.
4에 나타낸 바와 같이 정량적으로 추적하는 방법이며, 각 단계별 변위를 화살표를 통해 시각적으로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 트랩도어 개방 시점 및 최종 지반함몰 발생 시점간의 변위를 추적하여 화살표로 도식화한 이미지를 활용했다. PIV분석을 위해 실험시작과 동시에 영상 촬영을 진행한다.
본 연구에서는 흙입자 이미지의 이동을 추적하는 PIV분석을 진행했다(White et al., 2003). PIV분석은 토조 전면에서 촬영한 시간별 이미지를 통해 각 단계별로 흙입자의 이동을 Fig.
수직방향 배수 실험에서는 지반조성 시 매 50 mm마다 낙사법으로 지반조성 후 시각적 변위 관찰 목적으로 각 50 mm마다 아크릴판 주위로 초록색가루를 뿌린다. 지반조성 후 Fig.
3(b)와 같이 모형지반 양측에 물을 지속적으로공급하여 실험간 수위를 유지한다. 수직방향 배수 실험은 수위 및 포화조건을 다르게 하여 총 11개의 조건에 대해 실험을 진행했다. Table 2는 각 실험 조건에 대해 모형지반 좌측 및 우측에서의 모형지반 바닥에서부터 측정된 모형지반 지하수위의 높이를 표시했다.
수직방향 배수실험의 경우 지하수위 위치, 지하수위 경사,지표면 포화도 등을 달리 해가며 실험을 진행했다.
지중 공동 상부 지반 강도의 영향을 확인하기 위해 지하수위가 지표면 아래에 있을 때 지표면이 건조한 조건에서 실험을 진행했다.
지하수위와 지반함몰 메커니즘의 상관관계를 살펴보기 위해 세 가지 지하수위 조건에 대해 실험을 진행했다. Fig.
지하수위의 경사에 따른 지반함몰 메커니즘의 차이를 알아보기 위해 지하수위 및 지하수면의 경사를 다르게 해가며 실험을 진행했다.
모형지반 하부 정중앙에는 폭 5 mm의 틈이 존재하며, 트랩도어 개방 후 이 틈새 아래에 위치한 트랩도어로 지하수와 토사가 유출될 수 있도록 장치가 구성됐다. 토조 양측에는 모형지반 하부부터 100 mm 간격으로 구멍이 존재하며, 적절한 위치의 구멍을 개방하여 모형지반 양측 수조로 물을 공급할 때 지하수위를 일정하게 조절할 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
본 연구에서 모형실험을 위해 사용된 토조의 크기는 가로 580 mm × 폭 140 mm × 높이 680 mm이며 지반함몰 형상을 관찰할 수 있도록 토조 전면을 투명한 아크릴 판으로 제작했다.
토조는 가로 400 mm × 폭 140 mm × 높이 300 mm 크기의 모형지반 조성 공간, 모형지반 양측 수조, 모형지반 하부 트랩도어 및 토사 배출 공간 등으로 구성되어 있다.
데이터처리
PIV분석을 위해 실험시작과 동시에 영상 촬영을 진행한다. 실험 종료 후 촬영한 영상에 대해 지반함몰 진행 속도에 따라 수직방향 배수 실험의 경우 초당 10프레임, 수평으로 배수시키는 경우 1초~8초당 1프레임의 사진을 추출하여 PIV분석을 진행했다. 본 연구에서 PIV분석을 위해 MATLAB으로 구동되는 GeoPIV프로그램을 사용했다(White et al.
이론/모형
모형지반에 사용된 흙은 실리카 계열의 SP 타입 샌드이며 자세한 물성치는 Table 1에 정리하여 나타내었다. 모형지반은 낙사법을 이용하여 상대밀도 50%로 조성했다.
실험 종료 후 촬영한 영상에 대해 지반함몰 진행 속도에 따라 수직방향 배수 실험의 경우 초당 10프레임, 수평으로 배수시키는 경우 1초~8초당 1프레임의 사진을 추출하여 PIV분석을 진행했다. 본 연구에서 PIV분석을 위해 MATLAB으로 구동되는 GeoPIV프로그램을 사용했다(White et al., 2002).
성능/효과
(2) 지하수위 경사에 따라 지중 공동 확장 방향이 달라짐을 관찰했다. 지중 공동 생성 발생 가능성이 있는 위치에서 지중 공동 확장 방향은 주변 지하수위 혹은 지하수 흐름 방향을 통해 알 수 있을 것으로 판단된다.
셋째로 지중 공동 생성 후 공동 확장 과정에서 공동 상부 지반의 붕괴로 인해 지반 함몰이 발생했다. 이 과정에서 공동 상부의 강도의 차이에 따라 공동 확장 후 지반함몰 발생에 차이가 발생했다.
수평방향 투수 실험 결과 지하수 흐름 방향, 수두차, 공동 상부의 지반 강도 등이 지중 공동 생성 및 확장에 따른 지반함몰 메커니즘에 중요 요소로 확인되었다. 각 요소가 지반함몰 메커니즘에 미친 영향은 다음과 같다.
트랩도어 개방 후 100-100(PS)와 마찬가지로 트랩도어로부터 지하수면에 존재하는 토사가 지하수 흐름을 따라 쓸려가며 통해 공동이 생성됐다. 이 후 공동 하부에서 양 옆으로 지하수가 유입되며 지하수 흐름을 따라 토사가 유실되며 공동이 확장됨을 관찰했다. 공동이 충분히 확장된 후 공동 상부의 지반이 자중으로 인해 공동 내부로 붕괴되며 지표면에 지반함몰이 발생했다.
이 후 공동 하부에서 유입되는 지하수와 함께 토사가 유실되며 공동이 확장되었다. 이를 통해 공동 생성 및 확장은 지하수 흐름을 따라 토사가 유실을 통해 발생하는 것을 확인했다.
지중 공동이 확장되는 과정에서 지표면이 건조한 경우 지반 함몰 양상이 달라짐을 관찰했다. 200-200(PS)의 경우 지중 공동 생성 및 확장으로 지반함몰이 발생한 반면에 200-200(NS)는 지표면부터 붕괴함으로 지반함몰이 발생함을 관찰했다.
첫째로 모형지반 내 초기 지하수위가 증가함에 따라 지반함몰 발생속도가 빨라짐을 관찰했다. 100 H의 경우 Fig.
후속연구
터널 혹은 기초 굴착을 진행할 때 종종 지하수위 아래에서 굴착이 진행된다. 굴착 현장 내로 지하수 및 토사가 유출될 경우 굴착 현장 주위의 다양한 지하수 조건이 지반함몰 발생 및 확장 메커니즘에 중요한 역할을 할 것으로 추정된다. 따라서 지하수 흐름 및 토사 유실로 인한 지반함몰 메커니즘을 확인하기 위해 지하수 조건 및 배수 방향을 달리한 모형실험을 진행했다.
또한 모래지반의 경우 국내에서는 대부분 불포화대를 형성하므로 실제 현장을 모사하는데에는 제한적인 상황이다. 따라서 실제 현장을 모사하기 위해 다양한 입도 분포를 가진 지반에 대한 지반함몰 메커니즘 평가가 이뤄져야 할 것으로 전망된다.
즉, 지하수 유출이 발생할 경우 주변 지하수위가 낮은 경우 지표면에서 아무 징후가 발생하지 않은 채로 천천히 공동이 확장되다가 지반함몰이 발생할 수 있다는 점을 시사한다. 마지막으로 지중 공동이 충분히 확장된 경우 공동 상부 지반이 붕괴되면서 지반함몰이 발생했으며, 이를 통해 지중 공동 상부 강도가 지반함몰 발생에 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
이를 위해 본 연구에서는 터널 굴착 현장을 모사하기 위한 수직방향 배수 실험, 개착식 굴착 현장을 모사하기 위한 수평방향 배수 실험을 진행했다. 본 연구에서는 입도가 균질한 흙을 이용해 지하수위 아래에서의 지하수 흐름에 따른 지반함몰 메커니즘에 대한 평가를 진행할 예정이다. 또한 지반함몰 메커니즘을 시각적으로 확인하기 용이하도록 2차원 모형토조를 이용해 실험을 진행했다.
추후에 이와 같은 이론 및 실험 결과 등을 토대로 지반 함몰 발생과 간극수압, 토압, 모관흡수력 등에 대한 정량적 측정값 및 관련 이론과의 비교를 통한지반 함몰 메커니즘의 정량적 평가가 필요할 것으로 판단된다. 정량적으로 평가된 지반함몰 메커니즘을 바탕으로 실제 굴착 현장에서 다양한 계측 결과를 이용하여 굴착 현장 주위 지반함몰 발생 및 위험성을 더 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
(2003)은 해안 방파제 후면 지반의 지반함몰 발생과 지표면의 모관흡수력간의 상관관계에 대해 연구한 바가 있다. 추후에 이와 같은 이론 및 실험 결과 등을 토대로 지반 함몰 발생과 간극수압, 토압, 모관흡수력 등에 대한 정량적 측정값 및 관련 이론과의 비교를 통한지반 함몰 메커니즘의 정량적 평가가 필요할 것으로 판단된다. 정량적으로 평가된 지반함몰 메커니즘을 바탕으로 실제 굴착 현장에서 다양한 계측 결과를 이용하여 굴착 현장 주위 지반함몰 발생 및 위험성을 더 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도심지에서 상하수도관, 지하차도, 고층건물 기초공사와 같은 지중 굴착공사가 수행되는 이유는?
도심지에서는 효율적인 공간 활용을 위해 상하수도관, 지하차도, 고층건물 기초공사 등 지중 굴착공사가 수행된다. 최근 도심지 굴착공사 현장 주변에서 지반함몰 현상이 빈번하게 발생하고 있다.
지반함몰사고를 발생시키는 원인은 무엇인가?
이와 같이 시민들의 불안감을 야기할 수 있는 지반함몰사고를 발생시키는 원인으로는 상하수도관 결함, 굴착공사 등으로 알려져 있다. 그러나 지반함몰 발생 메커니즘에 대한 이해는 부족한 실정이다.
지하수 흐름 방향, 수두차, 공동 상부의 지반 강도 등이 지반함몰 메커니즘에 미친 영향은?
각 요소가 지반함몰 메커니즘에 미친 영향은 다음과 같다. 먼저 지하수 흐름 방향을 따라 공동 확장 방향이 달라졌다. 이를 통해 지하수 흐름 방향이 공동 확장 방향에 영향을 미침이 확인되었다. 또한 지하수 유출부위 수두차가 커질수록 지반함몰 발생 속도가 급격하게 빨라짐을 알 수 있다. 즉, 지하수 유출이 발생할 경우 주변 지하수위가 낮은 경우 지표면에서 아무 징후가 발생하지 않은 채로 천천히 공동이 확장되다가 지반함몰이 발생할 수 있다는 점을 시사한다. 마지막으로 지중 공동이 충분히 확장된 경우 공동 상부 지반이 붕괴되면서 지반함몰이 발생했으며, 이를 통해 지중 공동 상부 강도가 지반함몰 발생에 중요한 역할을 할 것으로 판단된다.
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