최근 재래식 가물막이의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 해상 대형원형강재 가물막이 공법이 제안되었다. 본 연구에서는 침투 흐름해석을 수행하여 대형원형강재의 파이핑 현상에 대하여 분석하였다. 흐름해석에서 균질한 지반조건과 정상상태 흐름조건을 적용하였다. 흐름 조건의 경우 2차원 조건(2-D), 2차원 흐름집중 조건(2-DC), 그리고 2차원 축대칭 조건을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도가 2-D와 2-DC 조건의 흐름속도와 비교하여 각각 1.5배와 2배 큰 침투속도를 보여주였다. 즉, 대형원형강재는 원형형상의 벽체 중심으로 흐름이 집중되므로 2차원 축대칭 흐름조건을 적용하였다. 대형원형강재의 직경, 벽체의 지중 근입깊이, 그리고, 벽체 내외부의 수위차 등을 변화시키며 변수연구를 수행하였다. 파이핑 안전율에 영향을 주는 유출동수경사는 벽체의 지중 근입깊이와 강재직경이 증가할수록 감소하였다. 본 연구에서는 다양한 변수조건에서 안전율과 유출동수경사를 산정할 수 있는 간이설계도표를 제안하였다. 그리고, 최종적으로 대형원형강재의 간이 설계에 적용할 수 있는 유출동수경사 산정식을 제안하였다.
최근 재래식 가물막이의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 해상 대형원형강재 가물막이 공법이 제안되었다. 본 연구에서는 침투 흐름해석을 수행하여 대형원형강재의 파이핑 현상에 대하여 분석하였다. 흐름해석에서 균질한 지반조건과 정상상태 흐름조건을 적용하였다. 흐름 조건의 경우 2차원 조건(2-D), 2차원 흐름집중 조건(2-DC), 그리고 2차원 축대칭 조건을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도가 2-D와 2-DC 조건의 흐름속도와 비교하여 각각 1.5배와 2배 큰 침투속도를 보여주였다. 즉, 대형원형강재는 원형형상의 벽체 중심으로 흐름이 집중되므로 2차원 축대칭 흐름조건을 적용하였다. 대형원형강재의 직경, 벽체의 지중 근입깊이, 그리고, 벽체 내외부의 수위차 등을 변화시키며 변수연구를 수행하였다. 파이핑 안전율에 영향을 주는 유출동수경사는 벽체의 지중 근입깊이와 강재직경이 증가할수록 감소하였다. 본 연구에서는 다양한 변수조건에서 안전율과 유출동수경사를 산정할 수 있는 간이설계도표를 제안하였다. 그리고, 최종적으로 대형원형강재의 간이 설계에 적용할 수 있는 유출동수경사 산정식을 제안하였다.
Recently, offshore bucket cut-off walls were developed to solve several problems in conventional offshore cut-off walls. In this study, a numerical analysis was carried out to investigate the seepage stability of offshore bucket cut-off walls. The ground was assumed as uniform homogeneous sand and s...
Recently, offshore bucket cut-off walls were developed to solve several problems in conventional offshore cut-off walls. In this study, a numerical analysis was carried out to investigate the seepage stability of offshore bucket cut-off walls. The ground was assumed as uniform homogeneous sand and steady state flow conditions were applied. The flow condition was compared among 2-dimensional flow (2-D), 2-dimensional concentrated flow (2-DC), and axisymmetric flow. The analysis results showed that the seepage velocities in axisymmetric flow were about 1.5 and 2 times larger than those of 2-DC and 2-D flow conditions, respectively. Thereafter, the axisymmetric flow condition was applied because the seepage flow was concentrated toward the center of the circular-shaped wall. A parametric study was performed varying bucket radius, penetration depth, total head difference between in and outside of the wall. The exit gradient, which used for the calculation of piping stability, decreased with increase of the penetration depth and bucket radius. Design charts were proposed to estimate the factor of safety and the exit gradient at various analysis conditions. Finally, the design equation was proposed to calculate the exit gradient for the preliminary design of the bucket cut-off wall.
Recently, offshore bucket cut-off walls were developed to solve several problems in conventional offshore cut-off walls. In this study, a numerical analysis was carried out to investigate the seepage stability of offshore bucket cut-off walls. The ground was assumed as uniform homogeneous sand and steady state flow conditions were applied. The flow condition was compared among 2-dimensional flow (2-D), 2-dimensional concentrated flow (2-DC), and axisymmetric flow. The analysis results showed that the seepage velocities in axisymmetric flow were about 1.5 and 2 times larger than those of 2-DC and 2-D flow conditions, respectively. Thereafter, the axisymmetric flow condition was applied because the seepage flow was concentrated toward the center of the circular-shaped wall. A parametric study was performed varying bucket radius, penetration depth, total head difference between in and outside of the wall. The exit gradient, which used for the calculation of piping stability, decreased with increase of the penetration depth and bucket radius. Design charts were proposed to estimate the factor of safety and the exit gradient at various analysis conditions. Finally, the design equation was proposed to calculate the exit gradient for the preliminary design of the bucket cut-off wall.
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문제 정의
(4) 본 연구에서는 파이핑 안전율 계산에 적용되는 유출 동수경사를 산정할 수 있는 간이 설계식을 제안하였다. 본 식은 대형원형강재의 직경과 지반 근입깊이, 그리고 수위차를 모두 고려하여 유출 동수경사를 산정할 수 있다.
본 연구에서는 사질토 지반에 근입된 대형원형강재 가물막이의 파이핑 안정성을 분석하기 위하여 수치모델링을 통해 다양한 변수연구를 수행하였다. 해석에 고려한 변수는 대형 원형강재의 직경과 지반 근입깊이 그리고 벽체 내외부의 전수두차이다.
가설 설정
전체 해석 영역의 좌우 경계면과 하단은 불투수 조건을 적용하였다. 가물막이 내부의 수위는 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다. 그리고, 가물막이 외부의 수위인 h값을 변경하면서 흐름해석을 수행하였다.
흐름 해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus(Simulia, 2012)를 사용하였다. 그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 축대칭 조건에서 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다. 지반은 4절점 축대칭 4절점 응력-간극수압 연계요소(CAX4P)로 모델링하였다.
2는 본 연구에서 적용한 대형원형강재의 단면조건을 보여준다. 대형원형강재 가물막이에 적용가능한 벽체 외부의 최대수위 hm=20m로 가정하였으며, 안전율 계산에 적용되는 외부 수위는 h로 정의하였다. 침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다.
식 (1)에서 가물막이 내부에서 상향의 물의 흐름을 받는 토체는 Terzaghi(1943)가 제안한 바와 같이 벽체 측면으로부터 d/2 거리(d=벽체 지중 근입깊이) 내에 위치한 흙으로 가정하였다(Fig. 2 참조). 그리고, Fig.
대형원형강재 가물막이에 적용가능한 벽체 외부의 최대수위 hm=20m로 가정하였으며, 안전율 계산에 적용되는 외부 수위는 h로 정의하였다. 침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다. 그리고, 가물막이의 반경은 R 그리고 벽체의 지중 근입깊이 d를 변화시키며 변수연구를 수행하였다.
제안 방법
(1) 2차원 조건(2-D), 2차원 흐름집중 조건(2-DC), 그리고 2차원 축대칭 조건을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도가 2-D와 2-DC 조건의 흐름속도와 비교하여 각각 1.
본 수치해석 모델링은 Tanaka et al.(2000)와 Miura and Ikeda(2000)의 연구결과와 비교하여 검증하였다.
Fig. 8의 해석결과를 이용하여 대형원형강재 가물막이의 축대칭 조건에서 유출동수경사 ie를 산정할 수 있는 공식을 제안하였다. 공식을 개발하기 위하여 우선 Fig.
Table 1에 본 연구의 해석조건을 요약하여 나타내었다. d/D를 0.1～0.6, R/hm=0.2～0.8, h/hm=0.25～1.0으로 변화시키며 총 96가지 경우에 대한 흐름해석을 수행하였다.
가물막이 구조물이 지중에 설치되는 부분은 빈 공간으로 모델링하고 가물막이와 흙이 맞닿는 부분을 불투수 경계조건으로 모델링하였다. 전체 해석 영역의 좌우 경계면과 하단은 불투수 조건을 적용하였다.
그러므로, 본 연구에서는 대형원형강재의 형상을 고려한 흐름해석을 수행하여 파이핑 안정성을 분석하였다. 이를 위하여 대형원형강재의 제원을 변화시키며 다양한 매개변수 연구를 수행하고, 최종적으로 대형원형강재의 파이핑 안전율을 산정할 수 있는 간이설계도표와 설계식을 제안하였다.
가물막이 내부의 수위는 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다. 그리고, 가물막이 외부의 수위인 h값을 변경하면서 흐름해석을 수행하였다. 요소망의 크기는 흐름이 집중되는 가물막이 벽체 근처에서 더 조밀하게 작성하였다.
침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다. 그리고, 가물막이의 반경은 R 그리고 벽체의 지중 근입깊이 d를 변화시키며 변수연구를 수행하였다. 토층의 투수계수는 보통 조밀한 모래지반의 일반적인 값인 1×10-4m/sec, 그리고 등방 균질한 지반조건을 가정하여 흐름 방향에 관계없이 동일한 투수계수값을 적용하였다.
8은 식 (2)의 파이핑 안전율 산정에 이용되는 유출 동수경사의 변화경향을 분석하였다. 변수연구를 통해 벽체의 지중 근입깊이, 강재직경, 그리고 벽체 내외부 전수두 차이에 따른 유출 동수경사 ie의 변화를 분석하였다. 이 때, 유출 동수경사 ie는 식 (4)를 적용하여 산정하였다.
변수연구에 적용할 흐름 조건을 결정하기 위하여 흐름 조건에 따른 해석결과의 차이를 분석하였다. Fig.
그러므로, 본 연구에서는 대형원형강재의 형상을 고려한 흐름해석을 수행하여 파이핑 안정성을 분석하였다. 이를 위하여 대형원형강재의 제원을 변화시키며 다양한 매개변수 연구를 수행하고, 최종적으로 대형원형강재의 파이핑 안전율을 산정할 수 있는 간이설계도표와 설계식을 제안하였다.
그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 축대칭 조건에서 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다. 지반은 4절점 축대칭 4절점 응력-간극수압 연계요소(CAX4P)로 모델링하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 사질토 지반에 근입된 대형원형강재 가물막이의 파이핑 안정성을 분석하기 위하여 수치모델링을 통해 다양한 변수연구를 수행하였다. 해석에 고려한 변수는 대형 원형강재의 직경과 지반 근입깊이 그리고 벽체 내외부의 전수두차이다. 본 연구로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
이론/모형
(2) 파이핑 안전율은 토체 하부의 평균 수두값을 이용하는 Terzaghi(1943) 식과 유출 동수경사를 이용하는 McNamee(1949) 식을 적용하여 산정할 수 있다. 대형원형강재의 축대칭 조건에서 2가지 방법을 적용하여 산정한 안전율은 거의 동일한 결과를 보여주었다.
Buckingham 이론(Munson et al. 2002)을 적용하여 각 변수들을 조합하여 변수연구를 위한 3개의 무차원 변수를 d/D, R/hm 그리고 h/hm로 정의하였다. 여기서, d/D는 토층두께에 대한 가물막이의 지중 근입깊이 비, R/hm은 벽체 외부의 최대 가능수위에 대한 가물막이 반경 비, 그리고 h/hm는 벽체 외부의 최대 가능수위에 대한 실제 벽체외부 수위 비를 의미한다.
흐름 해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus(Simulia, 2012)를 사용하였다. 그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 축대칭 조건에서 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다.
성능/효과
(3) 유출 동수경사는 일반적으로 근입깊이가 증가할수록 감소하는 경향을 보여준다. 근입깊이가 0.
(2000)은 유한요소해석을 수행하여 축대칭 흐름조건의 침투 안정성을 분석하였다. 2차원 흐름 조건과 축대칭 흐름조건을 비교한 결과, 축대칭 조건에서 물의 흐름이 내부로 집중되므로 2차원 조건에 비하여 파이핑 안전율이 감소하는 것으로 나타났다.
9는 식 (1)(Terzaghi, 1943)과 식 (2)(McNamee, 1949)를 적용하여 산정한 파이핑 안전율 산정결과를 비교하여 보여준다. 그 결과, 2개 공식으로 산정된 파이핑 안전율은 거의 동일한 결과를 보여준다. Miura and Ikeda(2000)의 연구에서도 이와 유사한 결과를 얻은 바 있다.
Koltuk and Iyisan(2013)은 직사각형 형태의 차수벽체에 대한 흐름해석을 수행할 때 토층의 이방적인 투수특성을 고려하였다. 그 결과, 수직방향 투수계수에 대한 수평방향 투수계수의 비가 증가하면 널말뚝에 작용하는 수압이 증가하고 흐름속도가 증가하는 것으로 나타났다.
(1) 2차원 조건(2-D), 2차원 흐름집중 조건(2-DC), 그리고 2차원 축대칭 조건을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도가 2-D와 2-DC 조건의 흐름속도와 비교하여 각각 1.5배와 2배 큰 침투속도를 보여주였다. 그리고, 2-D와 2-DC 조건의 파이핑 안전율이 축대칭 흐름조건과 비교하여 평균적으로 각각 2.
5배와 2배 큰 침투속도를 보여주였다. 그리고, 2-D와 2-DC 조건의 파이핑 안전율이 축대칭 흐름조건과 비교하여 평균적으로 각각 2.38배, 1.33배 더 큰 것으로 나타났다. 그 이유는 축대칭 흐름조건을 적용하면 2차원 흐름조건에 비하여 벽체 중앙부를 향하여 물의 흐름이 집중되고 수두 손실이 커지면서 파이핑 안전율이 작아지기 때문이다.
(2) 파이핑 안전율은 토체 하부의 평균 수두값을 이용하는 Terzaghi(1943) 식과 유출 동수경사를 이용하는 McNamee(1949) 식을 적용하여 산정할 수 있다. 대형원형강재의 축대칭 조건에서 2가지 방법을 적용하여 산정한 안전율은 거의 동일한 결과를 보여주었다.
4D 범위에서 유출 동수경사가 급격히 감소한다. 또한, 강재의 직경이 증가할수록 유출 동수경사가 감소하지만 그 감소정도는 근입깊이 보다는 효과가 작은 것으로 나타났다.
4D 범위에서 유출 동수경사가 급격히 감소한다. 또한, 강재의 직경이 증가할수록 유출 동수경사가 감소하지만 그 감소정도는 근입깊이 보다는 효과가 작은 것으로 나타났다.
(2000)은 차수벽체에 대하여 2차원 흐름조건, 축대칭 흐름조건, 3차원 흐름조건을 적용하여 파이핑 안정성을 분석하였다. 벽체의 폭과 근입깊이를 변화시키며 변수연구를 수행한 결과, 파이핑 안전율이 2차원 조건에서 가장 크며, 다음으로 축대칭과 3차원 조건 순으로 나타났다.
벽체의 근입깊이는 4m～36m의 범위로서 근입깊이가 얕은 곳에서 깊은 곳까지를 포함한다. 제안된 식으로 계산된 값의 오차는 평균 약 4%이내로서 매우 정확한 것을 확인하였다. 다만, 근입깊이 4m의 경우 유출동수경사 값이 매우 크기 때문에 상대적으로 오차가 커진 것으로 판단된다.
5(b)은 흐름 조건에 따른 침투속도를 비교하여 보여준다. 해석결과를 보면 축대칭 흐름조건의 침투속도가 가장 크고, 2-DC와 2-D 흐름조건 순으로 침투속도가 크다. 축대칭 조건의 침투속도는 2-DC 조건과 비교하여 약 1.
6은 각 흐름조건에서 식 (2)로 계산된 파이핑 안전율을 비교하여 보여준다. 해석결과를 보면, 2-D와 2-DC 조건의 파이핑 안전율이 축대칭 흐름조건과 비교하여 평균적으로 각각 2.38배, 1.33배 더 큰 것으로 나타났다. 그 이유는 축대칭 흐름조건을 적용하면 2차원 흐름조건에 비하여 벽체 중앙부를 향하여 물의 흐름이 집중되고 수두 손실이 커지면서 파이핑 안전율이 작아지기 때문이다.
일반적으로, 파이핑 안전율은 벽체 내외부의 수위차가 커질수록 감소한다. 해석결과를 보면, 벽체 지중 근입깊이와 벽체 직경이 증가할수록 파이핑 안전율이 증가하는 것을 알 수 있다.
후속연구
본 식은 균질한 투수지반에 설치되는 대형원형강재의 침투안정성을 간편하게 산정할 수 있으므로 예비설계 목적으로 유용하게 이용될 수 있다. 다만, 본 결과는 특정 조건에 대한 수치해석 결과이므로, 향후 실험 및 현장 계측 등을 수행한 후 대형원형강재의 실제 조건을 반영하여 파이핑 안정성을 분석하는 것이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 해상 가물막이에 사용되는 널말뚝을 타입 시공은 어떤 문제점을 가지고 있는가?
기존의 해상 가물막이는 대부분 널말뚝을 타입 시공하여 제작되고 있다. 이러한 공법은 조립 및 해체에 많은 비용과 시간이 필요하고, 타입에 의한 널말뚝 손상 및 연결 작업의 어려움 때문에 내적･외적 안정성 확보에 문제가 있다. 최근, 이러한 재래식 가물막이의 문제점을 해결하고 해상 교량기초 시공을 위한 신형식 대형원형강재 가물막이 공법이 제안되었다.
대형원형강재 가물막이의 장점은 무엇인가?
대형원형강재 가물막이는 지중 관입시 석션압을 이용하므로 빠른 시공이 가능하고 대형 시공장비가 필요하지 않기 때문에 경제성 측면에서 매우 우수하다. 또한, 모듈화된 세그먼트를 연결하여 높이를 자유롭게 조절할 수 있으며, 기초 시공이 완료된 이후의 해체작업도 매우 신속하게 이루어질 수 있다.
가물막이가 파이핑 안정성을 확보하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
이에 따라 해상의 작업공간을 확보하기 위한 경제적인 가물막이 공법을 개발하는 것이 필요하다. 가물막이는 임시 구조물이지만 파괴 시 인명 및 장비 피해로 인한 사회적 파급효과, 그리고 차수 및 복구 공사로 인한 경제적 피해가 크므로 파이핑 안정성을 확보하는 것이 중요하다.
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