본 연구에서는 최근 도심지에서 발생하고 있는 지반함몰에 대하여 도로의 붕괴 가능성을 높이는 지하공동 영향인자에 대한 수치해석적 분석을 수행하였다. 지하공동으로 인한 지반함몰 영향 인자는 서울시에서 제안한 공동관리 등급제를 참고하여 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭을 고려하였고, 본 연구에서 추가로 공동의 높이를 선정하였다. 이들 영향 인자들을 다양한 범위 내에서 변화시킨 조건에서 지하공동이 있는 아스팔트 포장층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 변위제어하여 도로 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 서울형 공동관리 등급제에 대한 적용성을 평가하였다. 해석 결과 공동의 높이가 파괴에 미치는 영향은 크지 않았으며 이외의 다른 인자에 따라 복합적으로 파괴하중이 결정되었다. 또한 파괴하중을 기준으로 한 공동분류 방법은 공동 조건을 기준으로 한 분류 방법보다 더 세밀한 분류가 가능하며 파괴 시 물리적인 현상을 반영할 수 있어 더 합리적인 방법이다.
본 연구에서는 최근 도심지에서 발생하고 있는 지반함몰에 대하여 도로의 붕괴 가능성을 높이는 지하공동 영향인자에 대한 수치해석적 분석을 수행하였다. 지하공동으로 인한 지반함몰 영향 인자는 서울시에서 제안한 공동관리 등급제를 참고하여 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭을 고려하였고, 본 연구에서 추가로 공동의 높이를 선정하였다. 이들 영향 인자들을 다양한 범위 내에서 변화시킨 조건에서 지하공동이 있는 아스팔트 포장층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 변위제어하여 도로 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 서울형 공동관리 등급제에 대한 적용성을 평가하였다. 해석 결과 공동의 높이가 파괴에 미치는 영향은 크지 않았으며 이외의 다른 인자에 따라 복합적으로 파괴하중이 결정되었다. 또한 파괴하중을 기준으로 한 공동분류 방법은 공동 조건을 기준으로 한 분류 방법보다 더 세밀한 분류가 가능하며 파괴 시 물리적인 현상을 반영할 수 있어 더 합리적인 방법이다.
In this study, numerical analysis is performed to determine highly influential factors that increase the possibility of asphalt road collapse due to cavity underneath the road. The considered influence factors on road collapse due to underground cavity were the asphalt layer thickness, the cover dep...
In this study, numerical analysis is performed to determine highly influential factors that increase the possibility of asphalt road collapse due to cavity underneath the road. The considered influence factors on road collapse due to underground cavity were the asphalt layer thickness, the cover depth, the cavity width, and the cavity height. The concentrated load and uniform distributed pressure were applied on the top surface of asphalt pavement layers with different shape of cavity and asphalt thickness. For each analysis case of given cavity and asphalt thickness, failure load was analyzed under displacement controlled condition. Based on the analyzed failure loads, the applicability of the cavity management system developed by Seoul city was evaluated. As a result of the analysis, the effect of cavity height on road collapse was not significant while the other factors considerably influenced road collapse. Consequently, degree of road collapse susceptibility should be classified by failure load rather than by the condition of existing cavity.
In this study, numerical analysis is performed to determine highly influential factors that increase the possibility of asphalt road collapse due to cavity underneath the road. The considered influence factors on road collapse due to underground cavity were the asphalt layer thickness, the cover depth, the cavity width, and the cavity height. The concentrated load and uniform distributed pressure were applied on the top surface of asphalt pavement layers with different shape of cavity and asphalt thickness. For each analysis case of given cavity and asphalt thickness, failure load was analyzed under displacement controlled condition. Based on the analyzed failure loads, the applicability of the cavity management system developed by Seoul city was evaluated. As a result of the analysis, the effect of cavity height on road collapse was not significant while the other factors considerably influenced road collapse. Consequently, degree of road collapse susceptibility should be classified by failure load rather than by the condition of existing cavity.
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문제 정의
본 연구에서는 지반함몰을 야기하는 공동에 대해서 도로의 붕괴 가능성을 높이는 영향인자에 대한 분석을 수행하였다. 이들 영향 인자는 기존 서울시에서 제안한 공동관리 등급제를 나누는 기준인 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭과 추가로 공동의 높이를 선정하였다.
본 연구에서는 지반함몰을 야기하는 지하공동에 대해서 도로의 붕괴 가능성을 높이는 영향인자에 대한 분석을 수행하였다. 이들 영향인자는 아스팔트 층 두께, 공동 상단 토피고, 공동 폭, 공동 높이이며, 아스팔트 표층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 각 하중에 따른 파괴하중을 분석하였다.
가설 설정
지반 및 도로의 모델링과 물성치는 Seo et al.(2002)의 값(Table 1)과 같다고 가정하여 수행하였다. 지반 및 도로는 아스팔트포장층(Asphalt layer), 보조기층(Subbase layer), 노상(Subgrade layer)으로 구성된다.
4로서 다소 노상으로서는 강한 지반이다. 따라서 본 연구에서 가정한 노상의 물성은 노상 재료로 적합한 일반적인 조건(통상 포장층 하부 1m 두께, 0.075mm 통과량 25% 이하, 소성지수 10% 이하, 다짐도 95% 이상, 수정CBR 10% 이상)을 만족하는 것으로 가정하였다.
2m일 경우에서의 아스팔트 층 파괴하중을 우선등급과일반등급을 나누는 파괴하중으로 산정하였다. 이때, 공동의 폭은 1.5m로 가정하였다. 또한 토피고 0.
해석 결과 공동의 높이가 높고, 폭이 넓을수록 하중재하에 따른 도로지표면의 침하량이 증가하였다. 현재까지 지반 공동에 대해 수치해석적으로 진행되었던 연구들은 여러 층으로 구성된 도로하부구조를 모사하지 않고 도로 및 하부구조를 단일 연속체로 가정하였다. 따라서, 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동의 높이와폭이 지반함몰에 미치는 영향에 대한 정량적인 평가는 이뤄지지 않았다.
제안 방법
5m로 가정하였다. 또한 토피고 0.4m, 아스콘 포장층 두께 0.3 m, 공동의 폭 0.8m인 공동의 상부 아스팔트층의 파괴하중을 구하여 해당 파괴하중보다 클 경우 모두 관찰등급으로 규정하였다. 해석 모델링은 Fig.
집중하중을 공동 중심부에 작용한다고 가정한 이유는 포장층에 불안정성을 유발시키는 가장 취약한 재하위치이기 때문이다. 복합적인 거동을 보기 위해서 하중제어(stress control)보다는 변위제어(displacement control) 조건으로 공동의 거동을 분석하였다.
본 연구에서는 각각의 등급의 경계조건에 따라 수치해석 모델링을 진행하고, 집중하중과 등분포하중에 대한 최소 및 최대 파괴하중을 우선적으로 산정하였다. 즉, 토피고 0.
이들 영향인자는 아스팔트 층 두께, 공동 상단 토피고, 공동 폭, 공동 높이이며, 아스팔트 표층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 각 하중에 따른 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 서울형 공동관리 등급제에 대한 적합성을 평가하였으며, 파괴 하중에 근거하여 공동을 분류하였을 때 서울형 공동관리 등급제를 사용한 분류법과 비교하였다. 구체적인 결론은 다음과 같다.
이들 영향 인자를 다양한 범위내에서 변경시켜가며 아스팔트 포장층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 하중 조합에 따른 아스팔트 포장층 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 영향인자와 하중의 종류에 따른 기존 공동관리 등급제에 대한 적합성을 평가하였으며, 파괴하중에 근거하여 공동을 분류하였을 경우와 기존 분류법에 대한 비교를 수행하였다.
일본 공동관리 등급은 공동의 두께와 폭만을 고려하여 공동의 등급을 3단계로 설정한 반면 서울형 공동관리 등급(Seoul City, 2016)은 공동의 두께와 폭, 포장상태 등을 종합적으로 고려하였다. 서울형 공동관리 등급은 (1) 긴급, (2)우선, (3)일반, (4)관찰 등급으로 이루어져 있으며, 실제 도로함몰 지역에서과적차량을 운행시키는 파괴실험 등을 진행하여 규정하였다.
본 연구에서는 지반함몰을 야기하는 공동에 대해서 도로의 붕괴 가능성을 높이는 영향인자에 대한 분석을 수행하였다. 이들 영향 인자는 기존 서울시에서 제안한 공동관리 등급제를 나누는 기준인 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭과 추가로 공동의 높이를 선정하였다. 이들 영향 인자를 다양한 범위내에서 변경시켜가며 아스팔트 포장층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 하중 조합에 따른 아스팔트 포장층 파괴하중을 분석하였다.
이들 영향 인자는 기존 서울시에서 제안한 공동관리 등급제를 나누는 기준인 아스팔트 포장층의 두께, 토피고, 공동 폭과 추가로 공동의 높이를 선정하였다. 이들 영향 인자를 다양한 범위내에서 변경시켜가며 아스팔트 포장층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 하중 조합에 따른 아스팔트 포장층 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 영향인자와 하중의 종류에 따른 기존 공동관리 등급제에 대한 적합성을 평가하였으며, 파괴하중에 근거하여 공동을 분류하였을 경우와 기존 분류법에 대한 비교를 수행하였다.
본 연구에서는 지반함몰을 야기하는 지하공동에 대해서 도로의 붕괴 가능성을 높이는 영향인자에 대한 분석을 수행하였다. 이들 영향인자는 아스팔트 층 두께, 공동 상단 토피고, 공동 폭, 공동 높이이며, 아스팔트 표층 상단에 집중하중과 등분포하중을 각각 재하하여 각 하중에 따른 파괴하중을 분석하였다. 분석된 파괴하중을 토대로 서울형 공동관리 등급제에 대한 적합성을 평가하였으며, 파괴 하중에 근거하여 공동을 분류하였을 때 서울형 공동관리 등급제를 사용한 분류법과 비교하였다.
일반적으로 공동의 위치와 공동의 형상을 기준으로 지하공동의 등급(긴급, 우선, 일반, 관찰)을 부여하는 기존공동 관리 등급제의 문제점을 개선하기 위해 아스팔트 층의 파괴하중만으로 공동을 분류하였다. 이를 위해 다양한 조건(아스팔트 포장층 두께, 공동 상단 토피고, 공동 폭)에 대하여 수치해석을 수행하여 공동 등급을 파괴하중에 근거하여 재분류하였다. 총 해석 케이스 수는 32개(Table 3)이며 결과는 Fig.
본 연구에서는 각각의 등급의 경계조건에 따라 수치해석 모델링을 진행하고, 집중하중과 등분포하중에 대한 최소 및 최대 파괴하중을 우선적으로 산정하였다. 즉, 토피고 0.2m, 아스콘 포장층 두께 0.1m일 경우 아스팔트 층의 파괴하중을 구하여 긴급등급과 우선등급을 나누는 파괴하중으로 산정하였으며, 토피고 0.3m, 아스콘 포장층 두께0.2m일 경우에서의 아스팔트 층 파괴하중을 우선등급과일반등급을 나누는 파괴하중으로 산정하였다. 이때, 공동의 폭은 1.
지하공동 형상에 따라 아스팔트 표층에 하중을 받을 경우 지반함몰에 미치는 영향을 파악하기 위해 공동의 폭과 높이를 변수로 설정하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 가정한 지반 및 도로 형상은 Fig.
지하공동의 크기는 기본적으로 1m(폭)× 1m(높이) 크기로 설정하였으며, 공동 폭에 따른 영향을 파악하고자 높이 1m를 기준으로 깊이를 0.4m, 0.6m, 0.8m, 1.0m, 1.2m, 1.4m, 1.6m로 설정하였다.
8m인 공동의 상부 아스팔트층의 파괴하중을 구하여 해당 파괴하중보다 클 경우 모두 관찰등급으로 규정하였다. 해석 모델링은 Fig. 2를 응용하여 아스콘 포장층 두께, 공동 상단 토피고, 공동 폭만 조절하였다. 공동의 높이의 경우 앞선 3.
대상 데이터
36m이다. 본 연구에서 가정한 노상의 물성은 단위중량 18.74kN/m3, 탄성계수 261.24MPa, 포아송비 0.4로서 다소 노상으로서는 강한 지반이다. 따라서 본 연구에서 가정한 노상의 물성은 노상 재료로 적합한 일반적인 조건(통상 포장층 하부 1m 두께, 0.
지반 및 도로는 아스팔트포장층(Asphalt layer), 보조기층(Subbase layer), 노상(Subgrade layer)으로 구성된다. 아스팔트 포장층의 두께는0.2m이며, 보조기층과 노상의 두께는 각각 0.3m, 13.36m이다. 본 연구에서 가정한 노상의 물성은 단위중량 18.
(2002)의 값(Table 1)과 같다고 가정하여 수행하였다. 지반 및 도로는 아스팔트포장층(Asphalt layer), 보조기층(Subbase layer), 노상(Subgrade layer)으로 구성된다. 아스팔트 포장층의 두께는0.
이론/모형
이때 수치해석에서 고려된 지반의 boundary 폭은 25m이다. 상용프로그램인 ABAQUS(SIMULIA, 2014)를 이용하여 수치해석을 하였으며, 2D model(Shell)을 사용하여 공동을 모사하였다. 요소 형식(Element type)은 “8-nodebiquadratic plane strain quadrilateral, reduced integration”인 CPE8R로 구성하였다.
성능/효과
(1) 공동의 높이와 폭에 따른 취약 공동을 선정하기 위해 집중하중과 등분포하중을 각각 공동 상단 아스팔트 표층에 적용하였을 경우, 공동 높이가 아스팔트 층 파괴에 미치는 영향은 크지 않았다. 공동 상단 아스팔트층의 파괴하중은 공동 폭에 가장 큰 영향을 받았으며, 일정 공동 폭을 초과한 공동의 경우 파괴하중은 수렴하였다.
(2) 아스팔트 포장층의 두께가 두껍고, 토피고가 깊으며, 공동의 폭이 작을수록 아스팔트 층의 파괴하중은 큰 것으로 분석되었다. 반대로 아스팔트 포장층의 두께가 얇고, 토피고가 얕으며, 공동의 폭이 클수록 붕괴에 취약한 공동이다.
(3) 각 공동 등급의 파괴하중에 따른 분류에서 집중하중일 경우와 등분포하중일 경우, 공동의 분류는 차이가 존재하므로 같은 공동일지라도 공동 상단에 재하되는하중에 따라 공동 등급분류를 다르게 해야 한다. 공동의 파괴하중은 한 가지 인자에 대해서 뚜렷한 경향을 찾을 수 없었으며, 모든 조건에 대해 복합적으로 고려해야한다.
(4) 집중하중이 작용하였을 때 파괴하중에 의한 공동 분류와 서울형 공동관리 등급을 비교하면 일반등급이였던 공동이 대다수 우선등급으로 분류되었으며, 등분포하중이 작용하였을 경우에는 일부 관찰등급으로 분류되었다. 이는 집중하중이 등분포하중보다 공동의 붕괴에 큰 영향을 미치는 하중임을 파악 할 수 있다.
3(b)의 결과를 Fig. 3(a)의 결과와 비교하면 공동 높이가 아스팔트 표층 파괴에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 분석되었다.
결과적으로 파괴하중에 의한 공동분류 방법은 기존 제시되었던 서울형 공동관리 등급보다 세밀한 분류가 가능하여 공동 분류에 있어 더 합리적일 것이라 판단된다.
(1) 공동의 높이와 폭에 따른 취약 공동을 선정하기 위해 집중하중과 등분포하중을 각각 공동 상단 아스팔트 표층에 적용하였을 경우, 공동 높이가 아스팔트 층 파괴에 미치는 영향은 크지 않았다. 공동 상단 아스팔트층의 파괴하중은 공동 폭에 가장 큰 영향을 받았으며, 일정 공동 폭을 초과한 공동의 경우 파괴하중은 수렴하였다.
(2016)은 구형인 지하공동에 대해 지반물성, 지하공동의 심도와 크기를 고려한 지표침하 특성을 분석하였다. 그 결과, 지표침하(지반함몰) 특성에 가장 크게 영향을 미치는 인자는 지반 물성이고, 공동의 직경이 크고 심도가 낮을수록 지반 물성이 지표침하 특성에 더 큰 영향을 미친다고 하였다. Kong et al.
7(a)는 집중하중이 공동 상단 아스팔트 표층 중앙부에 작용하고, 파괴가 발생하였을 때 도로 중앙부의 침하량과 파괴하중에 따라 공동관리 등급을 설정한 상태를 나타낸다. 아스팔트층의 파괴 하중이 적을수록 긴급등급의 공동에 해당하며, 파괴 하중이 클수록 관찰등급에 가까웠다. 이때 발생하는 침하량은 긴급등급이 관찰등급보다 크게 나타났다.
7(a))와는 반대의 그래프를 나타냈다. 침하량과 등분포파괴하중과 비례하여 각 등급이 설정되었으며, 긴급등급의 공동의 경우 침하가 조금 발생하더라도 파괴하중에 쉽게 도달하는 경향을 보였다.
따라서 공동은 집중하중일 경우 붕괴 가능성이 높아지며,등분포하중일 경우 하중에 따른 붕괴 가능성이 낮아짐을 알 수 있다. 파괴하중에 의한 공동분류 방법은 기존 제시되었던 서울형 공동관리 등급보다 세밀한 분류가 가능하여 공동 분류에 있어 더 합리적일 것이라 판단된다.
(2017)은 하수관로의 유출에 따른 다양한 공동 형상별 시나리오를 가정하여 표층에 하중을 재하 할 경우 발생하는 지반의 거동을 수치해석적으로 분석하였다. 해석 결과 공동의 높이가 높고, 폭이 넓을수록 하중재하에 따른 도로지표면의 침하량이 증가하였다. 현재까지 지반 공동에 대해 수치해석적으로 진행되었던 연구들은 여러 층으로 구성된 도로하부구조를 모사하지 않고 도로 및 하부구조를 단일 연속체로 가정하였다.
3(a)는공동 높이를 1m로 고정하고 공동 폭을 변수로 설정하였다. 해석 결과 하중-변위 곡선은 초기에 선형(linear) 관계를 가지며 이후 정점에서 파괴되어 하중이 다시 감소하였다. 공동의 높이가 일정하고 폭이 작을수록 아스팔트 포장층이 버티는 집중하중이 크고, 파괴 시까지 발생하는 변위는 작다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우선등급이란?
서울형 공동관리 등급을 기준으로 긴급등급은 지반함몰 가능성이 큰 공동에 부여되는 등급이며, 탐사 도중에 공동이 확인되면 즉시 복구(4시간 이내 복구)가 필요하다. 우선등급의 경우 돌발강우 등과 같은 조건이 발생할 경우 짧은 시간 내에 지반함몰이 될 가능성이 큰 공동일 경우의 등급이며, 신속한 조치계획 수립과 복구가 필요하다. 일반등급은 일정기간을 두고 지하공동의 추가 확대로 인해 지반함몰 가능이 큰 지하공동에 부여되는 등급으로, 우기철이전까지 복구가 필요하다.
일반적으로 도로와 같이 통행량이 많은 곳에서 주로 발생하여 국민의 안전을 위협하는 새로운 문제로 대두되고 있는 것은?
지반함몰은 일반적으로 도로와 같이 통행량이 많은 곳에서 주로 발생하여 국민의 안전을 위협하는 새로운 문제로 대두되고 있다(Cho et al., 2016).
4가지 등급에 해당하는 공동 형상과 위치는?
이러한 4가지 등급에 해당하는 공동 형상과 위치는 다음과 같다. 긴급등급일 경우 토피 두께 20cm 이내, 아스콘포장층 두께 10cm 이내에 분포한다. 우선등급은 토피 두께 20cm ~ 30cm, 아스콘 포장층 두께 10cm ~ 20cm, 공동 폭 150cm 이상일 경우 부여된다. 관찰등급은 토피 두께 40cm 이상, 아스콘 포장층 두께 30cm 이상, 공동 폭 80cm 미만의 공동에 해당된다. 일반등급은 이러한 긴급, 우선, 관찰 등급 공동을 제외한 모든 공동을 의미한다.
참고문헌 (9)
Cho, H. I., Bang, E. S., Yi, M. J., and Kim, D. S. (2016), "Physical modeling of land subsidence due to underground cavity and its monitoring by electrical resistivity survey in geotechnical centrifuge," Japanese Geotechnical Society Special Publication, Vol.2, No.72, pp.2469-2472.
Geo Search (2014), Method for Evaluating Ground Sink, Geo Search.
Kong, S., Oh, D., Lee, Y. Kim, D. and Jung, H. (2017), "Behaviour of Ground around Underground Cavity Resulted from Sewer Leakage," Proceedings of the 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, pp.415-418.
Lee, K., Kim, D. and Park, J. J. (2017), "Study on Management System of Ground Sinking Based on Underground Cavity Grade," Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.2, pp.23-33. (in Korean)
Lee, K. Y. and Kang, S. J. (2014): Sinkhole; Causes and Countermeasures, Issue & Analysis, Vol. 156, pp.1-23. (in Korean)
Lee, S. H., Lee, H. L. and Song, K. I. (2016), "The effect of formation of spherical underground cavity on ground surface settlement : Numerical analysis using 3D DEM," Journal of Korean Tunnel and Underground Space Association, Vol.18, No.2, pp.129-142. (in Korean)
Seoul City (2016), Road Collapse Management Comprehensive Countermeasures Reporter Briefing, Seoul City. (in Korean)
Seo, J. W., Choi, J. S. and Kim S. I. (2002), "A Study on Prediction of Layer Properties of Asphalt Concrete Pavement Under Various Vehicle Speeds," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.22, No.4, pp.649-658. (in Korean)
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