[논문]유한요소해석에 의한 측방이동 방지효과에 대한 연구

박춘식; 노태경

doi:10.7843/kgs.2018.34.12.71

유한요소해석에 의한 측방이동 방지효과에 대한 연구
A Study on the Prevention Effect of Lateral Movement by Finite Element Analysis 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.12, 2018년, pp.71 - 82

박춘식 (창원대학교 토목환경화공융합공학부) , 노태경 (창원대학교 친환경해양플랜트 FEED공학)

초록
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본 연구는 측방이동으로 인한 구조물의 안정성에 영향을 주는 각 인자(성토 높이, 성토부로부터 지하매설물까지의 이격 거리, 연약지반의 깊이, 연약지반의 압축지수 및 팽창지수)별에 대한 합리적이고 경제성 있는 보강길이를 제시하였다. 이러한 결과들을 토대로 각 인자들의 영향 정도를 파악하고, 어떠한 인자가 측방이동에 가장 영향을 미치는가를 파악하였다. 유한요소 해석프로그램을 이용하여 연약지반 상에 성토가 이루어지는 경우의 단면을 모델링하여 해석을 수행하였으며, 연약지반의 보강은 심층혼합공법(DCM)을 이용하였다. 그 결과 성토 높이 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 9~50%, 연약지반 심도 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 13~30%, 성토부로부터 지하 매설물의 이격 거리 감소에 따른 보강길이의 증가율은 약 7~25%, 압축지수 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 3~25%로 나타났다. 또한 각 인자별로 서로에 대한 영향성을 분석하였다. 그 결과 연약지반 심도의 보강길이 최대 최소 기울기비는 이격거리 변화에 큰 영향을 받았으며 이외의 인자들은 연약지반 심도의 변화에 따라 최대 최소 기울기 비가 큰 영향을 받았다. 한편 연약지반의 심도가 깊어질수록 성토높이에 따른 보강길이의 최대-최소기울기의 비는 3.75, 이격 거리에 따른 보강길이의 최대-최소기울기의 비는 4.3, 압축지수에 따른 최대-최소기울기의 비는 2.5로 나타났다. 이를 통해 세 개의 인자는 연약지반의 심도에 대한 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a reasonable and economical DCM reinforcement length for the various factors (the embankment height, the distance from the embankment to the underground structure, the depth of the soft ground, and the compression index and the swelling index of the soft ground) that affect the stability of the structure due to lateral movement. Based on these results, we analyzed each factor's degree of influence and figured out which factor influenced the lateral movement most. The cross section of the embankment on the soft ground was modeled by using the Finite Element Program and reinforced with DCM. The results show that the increase rate of the reinforcement length with the increase of the embankment height is about 9~50%, the increase rate of the reinforcement length with the depth of soft ground is about 13~30%, and the increase rate of the reinforcement length with increasing compression index is about 3~25%. In addition, the influence of each factor on each other was analyzed. As a result, among the separation distance, the compressive index and the maximum to minimum slope ratio of the reinforcement length of the embankment height, the separation distance was the largest for the depth of soft ground. As the depth of the soft ground increases, the ratio of the maximum to minimum slope of the reinforcement length according to the embankment height is 3.75, the ratio of the maximum to minimum slope of the reinforcement length according to the spacing distance is 4.3, and the ratio of maximum to minimum slope according to compression index is 2.5. From these results, it is confirmed that the three factors are greatly affected by the depth of soft ground.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Method of tschebotarioff judgement
그림 Fig. 2. Method of lateral movement index judgement
그림 Fig. 3. Modelling example
표 Table 1. Properties of steel pipe
표 Table 2. Ground properties
그림 Fig. 4. Plot of L vs. H and slope of D vs. Z
그림 Fig. 5. Plot of L vs. H and slope of Z vs. Cc
그림 Fig. 6. Plot of L vs. H and slope of Cc vs. D
표 Table 3. Analytical condition
표 Table 4. Increasing ratio (R) of L with change of H
그림 Fig. 7. Plot of L vs. H and slope of H vs. Z
그림 Fig. 8. Plot of L vs. H and slope of Z vs. Cc
그림 Fig. 9. Plot of L vs. H and slope of Cc vs. H
표 Table 5. Increasing ratio (R) of L with change of D
그림 Fig. 10. Plot of L vs. Z and slope of H vs. D
그림 Fig. 11. Plot of L vs. Z and slope of D vs. Cc
그림 Fig. 12. Plot of L vs. Z and slope of Cc vs. H
표 Table 6. Increasing ratio (R) of L with change of Z
그림 Fig. 13. Plot of L vs. Cc and slope of H vs. D
그림 Fig. 14. Plot of L vs. Cc and slope of D vs. Z
그림 Fig. 15. Plot of L vs. Cc and slope of Z vs. H
표 Table 7. Increasing ratio (R) of L with change of Cc

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 연약지반 상에 성토할 경우를 가정하여 성토 높이(H), 연약지반의 깊이(Z), 연약지반의 지반정수(압축지수(Cc) 및 팽창지수(Cs)), 지하매설물과 성토부로부터 이격 거리(D)를 변동시켜 실질적으로 연약지반 상에 도로 및 구조물을 시공할 시 각 조건별에 따른 영향의 정도를 알아보고, 각 조건별 타 인자에 대한 영향성을 분석 및 연구를 실시하였다.
본 연구에서는 유한요소 해석을 이용하여 연약지반의 압축지수, 연약지반의 심도, 성토 높이, 성토부로부터 지하 매설물까지의 이격 거리를 변화시켜 연약지반의 필요보강길이와 각 인자별 상관관계를 알아보기 위하여 심층혼합공법을 이용한 유한요소 해석을 실시하였으며, 그 해석 결과를 이용하여 그래프를 작성, 그래프의 기울기를 통해 보강길이의 경향성 및 조건별 보강길이의 증가율을 분석하였다.

가설 설정

또한 보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 DCM치환공법을 이용하였으며 DCM(치환율 75%)의 정수 값으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용시켰다. 유한요소 해석은 초기조건 상태를 기초에 강관만 매설되어 있는 상태로 가정하였고, 이후 단계 성토를 통해 압밀이 진행되며 최소 과잉간극수압은 1.0kN/m²로 지정하였으며, 측방이동의 허용 한계치(10cm)보다 벗어난 변위가 발생할 시 추가적인 보강이 이루어지는 것으로 실시하였다. 지하매설물인 강관은 연약지반에 지표로부터 3m 깊이로 매설되어있는 것으로 모델링하였다.

제안 방법

4∼Fig. 6은 성토높이에 따른 보강길이의 증감을 표시한 그래프며, 공통적으로 성토높이 상승에 따라 보강길이 역시 증가하는 당연한 결과를 보였으며, 각 그래프에서 H에 따른 타인자별 영향성을 분석하기 위해 기울기를 산출하였다. Fig.

대상 데이터

0kN/m²로 지정하였으며, 측방이동의 허용 한계치(10cm)보다 벗어난 변위가 발생할 시 추가적인 보강이 이루어지는 것으로 실시하였다. 지하매설물인 강관은 연약지반에 지표로부터 3m 깊이로 매설되어있는 것으로 모델링하였다. 그 대표적인 모델링 단면을 Fig.

데이터처리

성토에 따른 연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 파악하기 위해 2차원에 대한 모델링과 해석이 가능한 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS 8.x를 사용하였다. 연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 알아보기 위해 연약지반에 매설되어 있는 강관은 탄성 모델(elastic model)을 적용하였으며, 연약지반보다 아래에 위치한 풍화암층과 성토부는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, 연약지반은 soft soil model을 적용하였다.

이론/모형

연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 알아보기 위해 연약지반에 매설되어 있는 강관은 탄성 모델(elastic model)을 적용하였으며, 연약지반보다 아래에 위치한 풍화암층과 성토부는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, 연약지반은 soft soil model을 적용하였다. 또한 보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 DCM치환공법을 이용하였으며 DCM(치환율 75%)의 정수 값으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용시켰다. 유한요소 해석은 초기조건 상태를 기초에 강관만 매설되어 있는 상태로 가정하였고, 이후 단계 성토를 통해 압밀이 진행되며 최소 과잉간극수압은 1.
x를 사용하였다. 연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 알아보기 위해 연약지반에 매설되어 있는 강관은 탄성 모델(elastic model)을 적용하였으며, 연약지반보다 아래에 위치한 풍화암층과 성토부는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, 연약지반은 soft soil model을 적용하였다. 또한 보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 DCM치환공법을 이용하였으며 DCM(치환율 75%)의 정수 값으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용시켰다.
연약지반의 측방유동에 대한 판정법에는 Tschebotarioff(1973)법, 측방이동지수법(F), 측방이동판정수법(I), 수정 I 지수법 등이 있지만 본 연구에 적용가능한 판정법으로 Tschebotarioff(1973)법(식 (1)), 측방이동지수법(F)(식 (2))을 선정하여 본 연구에 이용된 모델의 측방유동 유무를 판정하였다(Fig. 1 및 Fig. 2). 판정법을 통하여 본 연구를 위하여 모델링한 단면에 대해 압밀침하에 따른 측방유동이 발생하는 사실을 확인할 수 있었다.

성능/효과

(1) 성토높이에 따른 보강길이 그래프를 통해 성토높이에 따라 보강길이의 증가에 큰 영향을 미치는 인자는 연약지반의 심도이며 이는 그래프의 기울기가 연약지반의 깊이가 깊어질수록 성토높이의 증가에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 3.75로 다른 인자보다 가장 큰 수치를 기록한 것으로 알 수 있다.
(2) 성토부로부터 강관의 이격 거리에 따른 보강 길이 그래프를 통해 이격 거리에 따른 보강길이 증가에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 연약지반의 심도였으며 보강길이의 증감 그래프 상에서 연약지반의 심도가 깊어질수록 이격 거리에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 4.3으로 나타났다.
(3) 연약지반의 심도에 따른 보강 길이의 그래프를 통해 연약지반 심도에 따른 보강길이 증가에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 이격 거리였으며 이격 거리가 가까워질수록 연약지반 심도에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 1.67로 나타났다.
(4) 압축지수의 증가에 따른 보강 길이 그래프에서 압축지수에 따른 보강길이 증가에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 연약지반 심도였으며 연약지반 심도가 깊어질수록 압축지수 증가에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 2.5로 나타났다.
(5) 보강길이 증가율을 분석하였을 때 성토높이에 따른 보강길이 증가율은 최소 9%에서 최대 50%, 이격거리에 따른 보강길이 증가율은 최소 7%에서 최대 25%, 연약지반 심도에 따른 보강길이 증가율은 최소 13%에서 최대 30%, 압축지수에 따른 보강길이 증가율은 최소 3%에서 최대 25%로 나타났으며 평균적으로 성토높이가 보강길이에 가장 영향을 많이 미치는 것으로 판단된다.
(6) 연약지반의 심도는 다른 인자에 다른 보강길이 증가에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 판단되며, 증가율을 비교하였을 때 큰 증가율을 보인 인자는 성토 높이이며 압축지수에 따른 증가율이 전반적으로 가장 낮은 수치를 보였다.
(7) 본 연구를 통해 연약지반 상 시공을 실시할 경우 증가율이 가장 높게 나타난 성토높이와, 다른 인자의 보강길이 증가에 가장 영향을 미치는 연약지반의 심도를 정밀하게 파악하지 않은 채 설계 및 시공을 실시할 경우 공사비의 과다지출에 직접적으로 영향을 미칠 것으로 판단된다.
10∼Fig. 12를 통해 Z에 따른 보강길이의 증가율을 산출 할 수 있었으며, 그 결과 최소 증가율은 13.33%, 최대 증가율은 30%로 산출되었다. 자세한 증가율에 대한 내용은 Table 6에 나타냈다.
13∼Fig. 15를 통해 Cc에 따른 보강길이의 증가율을 산출 할 수 있었으며, 그 결과 최소 증가율은 3.85%, 최대증가율은 25%로 산출되었다. 자세한 증가율에 대한 내용은 Table 7에 나타냈다.
7∼Fig. 9를 통해 D에 따른 보강길이의 증가율을 산출 할 수 있었으며, 그 결과 최소 증가율은 7.14%로 나왔고 최대 증가율은 25%로 산출되었다. 자세한 증가율에 대한 내용은 Table 5에 나타냈다.
12 그래프의 인자별 기울기를 산정하였다. Fig. 10에서 H=5m인 경우 평균 1.2의 기울기를 보였으며, H=6m인 경우 1.5, H=7m인 경우 평균 1.9의 기울기를 보였고, Fig. 11에서 D=5m인 경우 평균 1.2의 기울기를 가졌고, D=3m인 경우 평균 기울기는 1.5, Z=1m인 경우 평균 2.0의 기울기를 보였다. 또한 Fig.
Fig. 10에서는 연약지반의 심도가 깊어지는 경우 D에 따른 H의 영향성을 파악하기 위한 분석을 실시하였으며 H=5m인 경우 D에 따라 최소 1.0에서 최대 1.6의 기울기가 나타났으며, H=6m인 경우 Z에 따라 최소 1.2에서 최대 1.9, H=7m인 경우 최소 1.5에서 최대 2.4로 나타났고, 최대 최소 기울기의 비는 평균적으로 1.6 으로 나타났다. 따라서 D의 증가에 따른 H의 영향성은 크지 않는 것으로 판단되나 수치적으로 Fig.
15 그래프의 인자별 기울기를 산정하였다. Fig. 13에서 H=5m인 경우 평균 1.0의 기울기를 보였으며, H=6m인 경우 1.0, H=7m인 경우 평균 1.1의 기울기를 보였고, Fig. 14에서 D=5m인 경우 평균 0.9의 기울기를 가졌고, D=3m인 경우 평균 기울기는 1.1, Z=1m인 경우 평균 1.2의 기울기를 보였다. 또한 Fig.
Fig. 14는 압축지수가 증가하는 경우 Z에 따른 D의 영향성을 파악하기 위한 분석을 실시하였으며 D=5m일 때 보강길이의 기울기는 최소 0.6에서 최대 1.2, D=3m일 때 기울기는 최소 0.6에서 최대 1.6, D=1m일 때 기울기는 최소 0.6에서 최대 1.7로 이격 거리가 가까워짐에 따라 기울기의 편차가 점점 증가하는 것으로 확인되었다. 최대 최소 기울기의 비는 약 2.
Fig. 7에서는 이격 거리가 감소하는 경우 Z에 따른 H의 영향성을 파악하기 위한 분석을 실시하였으며 H=5m인 경우 Z에 따라 최소 0.6에서 최대 2.2의 기울기가 나타났으며, H=6m인 경우 Z에 따라 최소 0.6에서 최대 2.4, H=7m인 경우 최소 0.6에서 최대 2.9로 최대 기울기와 최소기울기가 약 4배 차이가 났으며 Z가 커질수록 기울기의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Z가 커질수록 H의 영향성은 커지는 것으로 판단된다.
8로 나타났다. 결론적으로 D의 변화 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 1.41, Z의 변화에 따른 최대 최소 기울기의 비는 3.75, Cc의 변화에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약1.12로 나타났다. 따라서 Fig.
5로 나타났다. 결론적으로 H에 따른 최대 최소 기울기의 비는 1.1, D에 따른 최대 최소 기울기의 비는 약 1.3, Z에 따른 최대 최소 기울기의 비는 2.5로 나타난 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 압축지수 상승에 따른 보강길이의 영향성은 연약지반의 심도가 가장 많이 미치는 것으로 판단된다.
8로 나타났다. 결론적으로 최대 최소 기울기의 비는 H에 따라 약 1.58, D에 따라 약 1.67, Cc에 따라 1.29로 나타난 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해 연약지반의 심도가 깊어짐에 따라 이격 거리의 영향성이 가장 큰 것으로 판단된다.
성토높이에 따른 보강길이를 나타낸 그래프(Fig. 4∼Fig.6)를 통해 보강길이의 증가율을 산정할 수 있었으며 그 결과 최소 증가율은 9.09%였으며 최대 증가율은 50%로 나타났다.
이어서 Fig. 4를 통해 H가 증가하는 경우 Z에 따른 D의 영향성을 파악하기 위한 분석을 실시하였으며 D=5m일 경우 Z에 따른 기울기는 최소 1.2에서 최대 3.8, D=3m일 경우 Z에 따라 기울기는 최소 1.2에서 최대 4.6, D=1m일 경우 Z에 따라 기울기는 최소 1.2에서 최대 5.2로 D가 줄어듦에 따라 Z에 따른 최대 최소 기울기의 비가 최소 약 3에서 최대 4까지 났다. 이를 통해 연약지반의 심도가 깊어질수록 D의 영향성이 커지는 것으로 판단된다.
최대 최소 기울기의 비는 약 2.0∼2.83로 나타났으며 이 결과를 통해 Z에 따라 증가하는 보강길이에 대해서 D의 영향성은 큰 것으로 판단된다.
2). 판정법을 통하여 본 연구를 위하여 모델링한 단면에 대해 압밀침하에 따른 측방유동이 발생하는 사실을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 어떤 것을 이용하였는가?	연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 알아보기 위해 연약지반에 매설되어 있는 강관은 탄성 모델(elastic model)을 적용하였으며, 연약지반보다 아래에 위치한 풍화암층과 성토부는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, 연약지반은 soft soil model을 적용하였다. 또한 보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 DCM치환공법을 이용하였으며 DCM(치환율 75%)의 정수 값으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용시켰다. 유한요소 해석은 초기조건 상태를 기초에 강관만 매설되어 있는 상태로 가정하였고, 이후 단계 성토를 통해 압밀이 진행되며 최소 과잉간극수압은 1.
	연약지반의 압밀 침하의 원인이 되는 것은?	또한 연약지반의 분포 자체가 전국 어디에서나 쉽게 접할 수 있는 지반이 아니기 때문에 연약지반 상에 부지를 조성하고 구조물을 설치할 경우 안정성을 확립하기 위해 정밀한 설계와 적절한 연약지반 대책공법 등은 필수적이다. 특히 교대의 뒤채움이나 도로 성토 등은 하부에 있는 연약지반의 압밀 침하를 발생시킨다. 이는 연약지반의 측방이동을 발생시키고 기초에 이 이동을 통한 압력을 통해 상부교량에 피해를 주게 된다.
	PLAXIS 8.x에 적용된 모델들을 설명하시오	x를 사용하였다. 연약지반의 압밀침하로 인해 발생하는 측방유동을 알아보기 위해 연약지반에 매설되어 있는 강관은 탄성 모델(elastic model)을 적용하였으며, 연약지반보다 아래에 위치한 풍화암층과 성토부는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였고, 연약지반은 soft soil model을 적용하였다. 또한 보강길이에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 연약지반의 보강은 DCM치환공법을 이용하였으며 DCM(치환율 75%)의 정수 값으로 Mohr-Coulomb 모델을 적용시켰다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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