제한된 토지의 효율적인 활용을 위해 과거로부터 지하공간 개발에 따라 수많은 지반굴착 공사가 이루어져 왔다. 지반굴착은 굴착면 주변지반의 응력변화와 변위를 수반함에 따라 굴착면의 안정성에 영향을 미치게 되어 지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 문제이다. 이러한 영향 예측을 위한 방법으로 수치해석방법이 주로 이용되며, 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 수치해석 프로그램의 발달로 매우 복잡한 문제도 적용이 가능해졌다. 그러나 일부 특수해석을 제외하고 대부분 해석모델을 산정 및 적용이 간편한 Mohr-Coulomb 해석모델을 적용함에 따라 굴착면 바닥부에서 실제보다 큰 변위가 발생하는 것으로 예측되어 필요 이상의 보강이 이루어지는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 지반굴착 과정을 모사하여 수치해석을 수행하였으며, 해석모델로 Mohr-Coulomb, Modified Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Hardening Soil 해석모델을 적용하여 그 결과를 비교분석하였다. 본 연구는 수치해석을 통한 지반굴착 문제해결 시 다양한 지반굴착 조건별로 적합한 해석모델 선정을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
제한된 토지의 효율적인 활용을 위해 과거로부터 지하공간 개발에 따라 수많은 지반굴착 공사가 이루어져 왔다. 지반굴착은 굴착면 주변지반의 응력변화와 변위를 수반함에 따라 굴착면의 안정성에 영향을 미치게 되어 지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 문제이다. 이러한 영향 예측을 위한 방법으로 수치해석방법이 주로 이용되며, 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 수치해석 프로그램의 발달로 매우 복잡한 문제도 적용이 가능해졌다. 그러나 일부 특수해석을 제외하고 대부분 해석모델을 산정 및 적용이 간편한 Mohr-Coulomb 해석모델을 적용함에 따라 굴착면 바닥부에서 실제보다 큰 변위가 발생하는 것으로 예측되어 필요 이상의 보강이 이루어지는 문제점이 발생한다. 본 연구에서는 지반굴착 과정을 모사하여 수치해석을 수행하였으며, 해석모델로 Mohr-Coulomb, Modified Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Hardening Soil 해석모델을 적용하여 그 결과를 비교분석하였다. 본 연구는 수치해석을 통한 지반굴착 문제해결 시 다양한 지반굴착 조건별로 적합한 해석모델 선정을 위한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.
There were many ground excavation projects from past to present to make effective use of the limited land. And it is very important to predict the ground behavior depending on construction stage for ground excavation. Excavation of the ground involves changes in the stress and displacement of the gr...
There were many ground excavation projects from past to present to make effective use of the limited land. And it is very important to predict the ground behavior depending on construction stage for ground excavation. Excavation of the ground involves changes in the stress and displacement of the ground around the excavated surface. Thus it affects the stability of the adjacent structure as well as the excavated surface. Therefore, it is very important to predict the ground behavior and stability of adjacent structure. And nowadays, numerical analysis methods are most often used to predict the effects of ground excavation. Recent, improvements of numerical analysis programs, along with improved computer performance, have helped solve complicated ground problems. However, except some specialized numerical analysis, most numerical analysis often predicts larger excavation floor displacement than field data due to adopt the Mohr-Coulomb analysis model. As a result, it raise the problem that increasing the amount of support on ground and structure. In this study, ground behavior analysis depending on analysis model (Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb and Hardening Soil model) has been carried out through the numerical analysis. When numerical analysis is carried out, this study is expected to be used as a basic data for adopting a suitable analysis model in various ground excavation project.
There were many ground excavation projects from past to present to make effective use of the limited land. And it is very important to predict the ground behavior depending on construction stage for ground excavation. Excavation of the ground involves changes in the stress and displacement of the ground around the excavated surface. Thus it affects the stability of the adjacent structure as well as the excavated surface. Therefore, it is very important to predict the ground behavior and stability of adjacent structure. And nowadays, numerical analysis methods are most often used to predict the effects of ground excavation. Recent, improvements of numerical analysis programs, along with improved computer performance, have helped solve complicated ground problems. However, except some specialized numerical analysis, most numerical analysis often predicts larger excavation floor displacement than field data due to adopt the Mohr-Coulomb analysis model. As a result, it raise the problem that increasing the amount of support on ground and structure. In this study, ground behavior analysis depending on analysis model (Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb and Hardening Soil model) has been carried out through the numerical analysis. When numerical analysis is carried out, this study is expected to be used as a basic data for adopting a suitable analysis model in various ground excavation project.
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문제 정의
본 연구에서는 다양한 해석모델을 모사할 수 있는 유한요소 해석을 이용하여 지반거동분석을 수행하였다. 지반굴착에 따른 지반거동 분석을 위한 해석 모델링은 경계조건의 영향을 배제하기 위해 굴착면 좌우로 100m(5.
제안 방법
Hardening Soil 해석모델은 고전성 소성 이론의 틀에서 공식화된 새로운 구성 모델이며, 지반의 강성 매개변수를 얻기 위해 등방성 경화변형률(isotropic strain hardening)과 탄성에 대한 이중강성모델(double-stiffness model)을 제시한다. 탄성-완전소성 모델과 대조적으로 항복면(yield surface)은 주응력 공간에서 소성변형으로 인해 팽창에 가능하며, 전단경화(shear hardening)와 압축경화(compression hardening) 사이에서 구별되는데 전단경화는 일차편차하중으로 인한 소성변형에 사용되며, 압축경화는 압축으로 인한 소성변형에 사용된다(Schanz et al.
따라서 본 논문에서는 불량한 지반조건에서 기존 지하구조물 주변에 대규모 굴착공사가 이루어지는 00선 0공구를 연구대상으로 선정하고 단계적 지반굴착에 따른 굴착심도 및 해석모델(Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb, Hardening Soil)에 따른 지반거동(굴착면 바닥부 변위)을 확인하여 수치해석 결과 차이를 비교분석하였다.
본 논문에서는 지반굴착 시 바닥부 변위거동 특성 분석을 위해 해석모델별(Mohr-Coulomb, Modified Mohr-Coulomb, Duncan-Chang, Hardening Soil) 수치해석을 수행하였다. 그 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
9와 같이 각 해석모델별로 좌･우측은 벽면의 구속효과로 연직변위가 작게 발생하고 중앙부는 최대가 발생하는 전형적인 경향을 보였다. 본 논문에서는 최대 연직변위가 발생한 바닥 중앙부(좌측 벽체로부터 약 10m 지점)를 기준으로 해석모델별, 굴착심도별 연직변위 발생경향을 분석하였다.
본 연구에서는 다양한 해석모델을 모사할 수 있는 유한요소 해석을 이용하여 지반거동분석을 수행하였다. 지반굴착에 따른 지반거동 분석을 위한 해석 모델링은 경계조건의 영향을 배제하기 위해 굴착면 좌우로 100m(5.0B) 이상, 하부로는 55m(4.0H) 이상 모델링 하였다. 수치해석 모델링의 모식도는 Fig.
이론/모형
지반계수를 계산하기 위해 Duncan & Chang(1970)에서 제안된 수식을 사용하며, 이 식에서 응력-변형률 곡선은 쌍곡선이고 지반계수는 구속응력(confining stress)과 전단응력의 함수로 나타난다.
성능/효과
(1) 각 해석모델별 바닥부 변위는 좌･우측은 벽면의 구속효과로 연직변위가 작고 중앙부로 갈수록 연직변위가 커지는 전형적인 경향을 보였다.
(2) 선형모델인 Mohr-Coulomb 해석모델은 굴착심도별로 Duncan-Chang 해석모델 대비 1.4∼1.7배, Modified Mohr-Coulomb 해석모델 대비 2.1∼2.5배, Hardening Soil 해석모델 대비 2.2∼2.5배로 비선형 모델에 비해 연직변위가 크게 발생하였으며 이는 응력해방에 의한 탄성회복변위가 비선형 모델보다 선형 모델에서 크게 발생하는것이 그 원인인 것으로 판단된다.
(3) 즉, 굴착심도가 깊어질수록 선형모델과 비선형모델의 바닥 중앙부 연직변위의 차이가 커지는 경향을 보였으며 약 10m 이상 굴착 시 1.5∼2.0배 이상으로 차이가 커짐에 따라 굴착심도가 깊은 경우 지반거동 분석을 위한 수치해석 시 해석모델 선정에 신중을 기해야 할 것으로 판단된다.
0배 이상 차이가 발생하였다. 따라서 지반거동을 분석한 결과, 굴착심도가 깊을수록 각 해석모델의 변위차이가 증가함에 따라 비선형 모델 적용을 고려해야 할 것으로 판단된다.
반면, 비선형 모델은 지반굴착에 따른 바닥 중앙부 연직변위가 상대적으로 작게 발생하였으며, Mohr-Coulomb 해석모델 대비 Duncan-Chang, Modified Mohr-Coulomb, Hardening Soil 해석모델 순으로 큰 차이를 나타내고, 굴착심도가 깊어질수록 그 차이가 점점 증가되는 것으로 분석되었으며 굴착 완료단계에서 바닥부 연직변위는 Mohr-Coulomb 해석모델 적용 시 157.7mm로 크게 발생한 데 반해 Duncan-Chang은 92.5mm, Modified Mohr-Coulomb와 Hardening Soil 모델은 64.3mm로 상대적으로 작게 발생하였으며 그 차이가 각각 65.2mm, 93.4mm로 매우 큰 것으로 분석되었다.
본 논문에서는 깊은 굴착 시 각 해석모델별로 지반거동이 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다. 그러나 풍화토 지반 조건에서의 검토 결과로 향후 다양한 지반조건, 굴착 규모 및 심도에 따른 영향에 대해 심층적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
연구 대상구간의 지반조건은 지표로부터 매립층, 퇴적층, 충적층, 풍화토, 풍화암, 연암 및 경암 순으로 이루어져 있으며 굴착심도에는 대부분 풍화토가 분포하여 지반조건이 매우 불량한 것으로 조사되었다.
지반굴착으로 인한 바닥 중앙부 변위를 해석모델에 따라 분석한 결과, Mohr-Coulomb 해석모델을 적용 시 가장 큰 연직변위가 발생하며, 이는 응력해방에 의한 탄성회복변위가 비선형 모델보다 크게 발생하는 것이 그 원인인 것으로 판단된다.
후속연구
본 논문에서는 깊은 굴착 시 각 해석모델별로 지반거동이 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있었다. 그러나 풍화토 지반 조건에서의 검토 결과로 향후 다양한 지반조건, 굴착 규모 및 심도에 따른 영향에 대해 심층적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 것인 이유는 무엇인가?
제한된 토지의 효율적인 활용을 위해 과거로부터 지하공간 개발에 따라 수많은 지반굴착 공사가 이루어져 왔다. 지반굴착은 굴착면 주변지반의 응력변화와 변위를 수반함에 따라 굴착면의 안정성에 영향을 미치게 되어 지반거동에 대한 영향을 예측하는 것이 매우 중요한 문제이다. 이러한 영향 예측을 위한 방법으로 수치해석방법이 주로 이용되며, 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 수치해석 프로그램의 발달로 매우 복잡한 문제도 적용이 가능해졌다.
Hardening Soil 해석모델이 탄성-완전소성 모델과 대조적으로 항복면(yield surface)에서 갖는 특징은?
Hardening Soil 해석모델은 고전성 소성 이론의 틀에서 공식화된 새로운 구성 모델이며, 지반의 강성 매개변수를 얻기 위해 등방성 경화변형률(isotropic strain hardening)과 탄성에 대한 이중강성모델(double-stiffness model)을 제시한다. 탄성-완전소성 모델과 대조적으로 항복면(yield surface)은 주응력 공간에서 소성변형으로 인해 팽창에 가능하며, 전단경화(shear hardening)와 압축경화(compression hardening) 사이에서 구별되는데 전단경화는 일차편차하중으로 인한 소성변형에 사용되며, 압축경화는 압축으로 인한 소성변형에 사용된다(Schanz et al., 1999).
Modified Mohr-Coulomb 해석모델이란?
Modified Mohr-Coulomb 해석모델은 탄성-완전소성 거동을 보이는 Mohr-Coulomb 해석모델을 개선한 것으로 비선형 탄성 모델과 탄소성 모델을 조합하여 실트나 모래질 지반의 거동특성에 적합하도록 개발된 모델이며, 전단항복과 압축항복이 서로 영향을 미치지 않는 이중 경화(decoupled double hardening) 모델이다. 초기 편차응력에 의해 재료의 강성이 감소하고 축방향 변형이 발생하는 거동은 Hyperbolic(비선형탄성) 모델과 유사하나, 탄성이론보다는 소성이론에 가깝고 지반의 팽창각을 고려하며, 항복캡(yield cap)을 적용하는 부분에서 차이를 보인다.
참고문헌 (9)
Abdel-Fattah, T. T., Abdel-Rahman, A. M. and Hodhod, H. A. (2005), "Applicability of elastoplastic modelling for simulating tunnel excavation in lightly overconsolidated clay", Proceedings of the Tenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, B.H.V.Topping (Editor), Scotland, pp. 657-658.
Ardakani, A., Bayat, M. and Javanmard, M. (2014), "Numerical modeling of soil nail walls considering Mohr Coulomb, hardening soil and hardening soil with small-strain stiffness effect models", Geomechanics & Engineering, Vol. 6, No. 4, pp. 391-401.
Brinkgreve, R., Broere, W., Waterman, D. and Plaxis2D. (2015), "Reference and materials model manual", Eds., Amsterdam, Netherlands:PLaxis BV.
Chung, J. S., Ahn, G. C., Shin, Y. W., Kim, G. S. and Jeong, J. H. (2017), "00Line 0zone a study on the stability of the existing line 0 connection structure by construction", Korean Tunnelling and Underground Space Association (In Korean).
Duncan, J. M. and Chang, C. Y. (1970), "Nonlinear analysis of stress and strain in soils", Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 96, No. SM5, pp. 1629-1653.
Kim, D. K. (2006), "Study on Mohr-Coulomb and Duncan-Chang models in tunnel analysis", Korea Academy Industrial Cooperation Society, Vol. 7, No. 3, pp. 414-419 (In Korean).
Likitlersuang, S., Surarak, C., Balasubramania, A., Oh, E., Syeung, R. K. and Wanatowski, D. (2013), "Duncan-Chang-Parameters for hyperbolic stress strain behaviour of soft Bangkok clay", Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, pp. 381-384.
Mitesh, C. and Aliki, K. (2016), "Design of the deep cut and cover crossrail paddington station using finite element method", Crossrail learning legacy.
Schanz, T., Vermeer, P. A. and Bonnier, P. G. (1999), "The hardening soil model : Formulation and verification", Beyond 2000 in computational geotechnics, pp. 281-296.
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