팽창재료를 이용한 지하공동의 비개착식 긴급복구 공법에 대한 실내실험 및 수치해석 Numerical Analysis and Laboratory Experiment of Rapid Restoration of Underground Cavity Using Expansive Material without Excavation원문보기
본 연구에서는 최근 도심지에서 발생하고 있는 지반함몰에 대하여 팽창재료를 이용한 긴급복구공법을 적용하고 이러한 공법의 적합성을 수치해석적으로 판단하고자 한다. 수치해석에 적용된 팽창재료의 특성을 평가하기 위하여 실내실험을 수행하였다. 실험으로 구한 팽창특성을 반영하여 다양한 공동 형상(직사각형 단면을 가지는 공동에 대하여 다양한 높이와 폭 조합)에 대하여 팽창재료를 적용하였을 경우 팽창재료 및 지반 거동을 평가하였다. 해석 결과, 공동의 상단과 하단의 연직변위는 공동의 높이보다는 공동의 폭에 큰 영향을 받으며, 공동 측면부의 수평변위는 공동 폭 보다는 공동의 높이의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 또한, 팽창압이 작용하였을 경우 도로상부 표층의 수직변위량은 공동의 높이보다는 공동의 폭에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 최근 도심지에서 발생하고 있는 지반함몰에 대하여 팽창재료를 이용한 긴급복구공법을 적용하고 이러한 공법의 적합성을 수치해석적으로 판단하고자 한다. 수치해석에 적용된 팽창재료의 특성을 평가하기 위하여 실내실험을 수행하였다. 실험으로 구한 팽창특성을 반영하여 다양한 공동 형상(직사각형 단면을 가지는 공동에 대하여 다양한 높이와 폭 조합)에 대하여 팽창재료를 적용하였을 경우 팽창재료 및 지반 거동을 평가하였다. 해석 결과, 공동의 상단과 하단의 연직변위는 공동의 높이보다는 공동의 폭에 큰 영향을 받으며, 공동 측면부의 수평변위는 공동 폭 보다는 공동의 높이의 영향을 많이 받는 것으로 나타났다. 또한, 팽창압이 작용하였을 경우 도로상부 표층의 수직변위량은 공동의 높이보다는 공동의 폭에 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
The purpose of this study is to evaluate the suitability of emergency underground cavity restoration method filling cavity with expansive material based on numerical analysis. For the numerical analysis, experiments were conducted to evaluate properties of expansive material. Based on the measured e...
The purpose of this study is to evaluate the suitability of emergency underground cavity restoration method filling cavity with expansive material based on numerical analysis. For the numerical analysis, experiments were conducted to evaluate properties of expansive material. Based on the measured expansion pressure of the expansive material from the experiment, behavior of underground cavity restoration with various cavity dimensions (variation of height and width of rectangular-shape cavity) was numerically assessed. As a result of analysis, the vertical displacements of the top and bottom of cavity were significantly influenced by the cavity width and lateral displacements of cavity sides were highly dependent on cavity height. These vertical and lateral displacements were increased with increasing expansion pressure of expansive material. Also, when the expansion pressure was applied, the vertical displacement of the upper surface layer of the road was less dependent on cavity height, and was greatly influenced by cavity width.
The purpose of this study is to evaluate the suitability of emergency underground cavity restoration method filling cavity with expansive material based on numerical analysis. For the numerical analysis, experiments were conducted to evaluate properties of expansive material. Based on the measured expansion pressure of the expansive material from the experiment, behavior of underground cavity restoration with various cavity dimensions (variation of height and width of rectangular-shape cavity) was numerically assessed. As a result of analysis, the vertical displacements of the top and bottom of cavity were significantly influenced by the cavity width and lateral displacements of cavity sides were highly dependent on cavity height. These vertical and lateral displacements were increased with increasing expansion pressure of expansive material. Also, when the expansion pressure was applied, the vertical displacement of the upper surface layer of the road was less dependent on cavity height, and was greatly influenced by cavity width.
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문제 정의
본 연구에서는 공동의 형상에 따라 새로운 지반함몰 복구공법인 팽창재료를 사용한 긴급복구 공법의 적용성을 파악하기 위해 수치해석을 통해 해당 사항을 분석하였다. 공동에 작용하는 팽창압력은 실내실험을 통해 구하였으며, 이를 다양한 공동 높이와 폭에 적용시켰다.
따라서 기존 지반함몰 복구 공법들의 단점을 해결하기 위한 새로운 기술개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 지하공동에 팽창재료를 주입하여 공동을 충전하고 재료의 유실도 최소화할 수 있는 방법을 고안하였다. 해당 공법은 지반함몰이 발생하거나 이를 유발할 수 있는 지하공동이 확인될 경우 긴급 복구가 가능한 재료로 우레탄 계열의 팽창재료를 개발하고 이를 공동의 채움 재료로써 사용하는 공법이다.
가설 설정
36m으로 가정하였다. 본 연구에서 가정한 노상의 물성(단위중량 18.74kN/m3 , 탄성계수 261.24MPa, 포아송비 0.4)은 일반적인 노상 강도 및 강성(수정CBR 10% 이상)을 만족하는 것으로 가정하였다.
(2002)의 연구에서 제시된 값 (Table 1)과 같다고 가정하여 수치해석을 수행하였다. 지반 및 도로는 아스팔트 포장층(Asphalt layer), 보조기층 (Subbase layer), 노상(Subgrade layer)으로 구성되며, 각 층의 두께는 0.2m, 0.3m, 13.36m으로 가정하였다. 본 연구에서 가정한 노상의 물성(단위중량 18.
6과 같이 모델링하였다. 지반 및 도로의 모델링과 물성치는 Seo et al.(2002)의 연구에서 제시된 값 (Table 1)과 같다고 가정하여 수치해석을 수행하였다. 지반 및 도로는 아스팔트 포장층(Asphalt layer), 보조기층 (Subbase layer), 노상(Subgrade layer)으로 구성되며, 각 층의 두께는 0.
공동 형상별로 모델링이 완료되면 실험에 의해 측정된 팽창재료의 팽창압을 수치해석 모델에 적용시켰다. 팽창압은 0.27MPa(3.93배 팽창), 0.13MPa(7.85배 팽창), 0.07MPa(12.08배 팽창)로 가정하였다.
현재 주로 사용되는 지반함몰 복구 방법으로는 흙되메움 공법과 그라우팅 공법이 있다. 흙되메움 공법은 지반함몰이 일어난 도로의 주변을 통제하고, 해당 부분을 굴착하여 균질한 흙을 넣어 공동을 채우는 것이다. 하지만 해당 공법은 굴착 과정에서 원지반이 교란되고, 공사비와 시공 시간이 많이 소요되며, 통행제한에 대한 민원 발생으로 인하여 개선이 필요하다.
제안 방법
공동은 기본적으로 사각형 형태로 구성하였으며, 공동 형상은 폭(가로 길이)과 높이(세로 길이)를 조절함으로써 모사하였고, 기본적으로 1m(폭) × 1m(높이) 크기의 공동을 기본 공동으로 설정하였다. 공동 폭에 따른 팽창재료의 적용성을 파악하고자 공동의 높이를 1m로 고정하고 공동의 폭을 0.4m, 1.0m, 1.6m로 변경하였으며, 공동 높이에 따른 팽창재료 복구 효과를 분석하기 위하여 같은 방법으로 폭을 1m로 고정하고 높이를 0.4m, 1.0m, 1.6m으로 변경하였다. 공동 형상별로 모델링이 완료되면 실험에 의해 측정된 팽창재료의 팽창압을 수치해석 모델에 적용시켰다.
본 연구에서는 공동의 형상에 따라 새로운 지반함몰 복구공법인 팽창재료를 사용한 긴급복구 공법의 적용성을 파악하기 위해 수치해석을 통해 해당 사항을 분석하였다. 공동에 작용하는 팽창압력은 실내실험을 통해 구하였으며, 이를 다양한 공동 높이와 폭에 적용시켰다. 해석결과 얻은 결론은 다음과 같다.
하지만 본 연구에서 사용된 지반함몰 복구공법은 팽창재료의 팽창압을 통해 주변 지반에 다지면서 지지력을 확보하는 기술이다. 따라서 이러한 공법의 성능을 수치해석 적으로 평가하고자 공동내부에 팽창압이 작용하였을 경우 주변 지반 거동에 대해 분석하였다. 이를 위해 다양한 형상의 공동에 팽창재료를 충진시켜 공동면에 팽창압을 발현시켰다.
이를 위해 다양한 형상의 공동에 팽창재료를 충진시켜 공동면에 팽창압을 발현시켰다. 팽창압은 실제 팽창재료의 팽창압을 실험을 통하여 측정하였고, 공동내부에서 팽창압이 발현되었을 때 공동 주변 지반 및 아스팔트 포장층에 미치는 영향을 분석하였다. 이에 따라 팽창재료의 공동 채움 재료로서의 사용성을 검토하고자 하였다.
대상 데이터
공동의 위치는 긴급 및 우선 복구 등급의 공동을 대상으로 설정하였다. Seo et al.
지반함몰 채움 재료로써 1액형 약액은 수용성이기 때문에 지반 내부로 직접 삽입할 경우 팽창물질의 성능이 지하수의 영향을 받을 수 있다. 따라서 본 연구에 사용하는 지반공동 채움 재료는 2액형 약액을 사용하였다. 2액형 약액의 반응식은 Fig.
이론/모형
2m 이내로 규정하기 때문이다. 수치해석에 사용된 프로그램은 ABAQUS(SIMULIA, 2014)이며, 공동의 형상 모사와 해석의 수월함을 위해 2D model(shell)을 사용하였고, Element type은 해석의 정확도를 높이기 위해 CPE8R(An 8-node biquadratic plane strain quadrilateral, reduced integration) 로 구성하였다.
성능/효과
(1) 팽창압력 실험 결과 팽창재료는 7.85배까지는 급격히 팽창하다가 이후 팽창속도가 감소하며, 팽창 완료시간은 약 90초로 긴급복구 공법에 적합한 것으로 판단된다.
(2) 팽창압력이 주변 지반 및 아스팔트 포장층 하부에 미치는 변위 영향에 대하여 분석한 결과, 공동의 폭은 공동 상단(아스팔트 포장층 하부)와 공동 하단 지반부의 연직변형에 큰 영향을 미치는 인자이며, 공동의 높이는 공동 측면부의 수평변위에 큰 영향을 미치는 인자이다. 따라서, 팽창재료를 적용한 공동 복구에서 팽창재료로 인한 아스팔트 표층 및 하부지반의 변위에 대한 영향도를 검토하기 위해서는 공동의 폭을 중요하게 파악하여야 하며, 공동 주변 측면부의 경우에는 공동의 높이를 유의하여야 한다.
(3) 팽창압력의 도로상단 표층부에 대한 연직변위 영향은 공동의 높이보다는 폭과는 관련이 있었다. 공동의 폭이 같은 비율로 증가하더라도 아스팔트 표층부에 미치는 영향은 더 큰 값을 가졌으며, 이는 도로 하단에 작용하는 압력범위의 차이로 힘이 더 많이 작용하기 때문으로 판단된다.
하지만 그 증감폭은 미비한 편이였으며, 공동 상단의 면적변화는 상대적으로 큰 값을 나타냈다. 공동의 높이에 따른 영향은 공동의 높이가 증가할수록 모든 공동면에서의 면적변화는 증가하였다. 하지만 공동 상단과 하단의 변화는 미세한 수준이였으나, 공동 측면부는 변화가 크게 나타났다.
5와 같다. 동일한 몰드 부피(157cm3 )에서 5가지의 총배합량으로 실험한 결과, 원재료 대비 최종 팽창 부피비가 작을수록 팽창압은 크게 나타났다. 원재료 대비 최종 팽창부피비가 3.
긴급복구공법은 비개착식으로 진행되는 만큼 공기의 단축성이 중요하다. 따라서 본 연구에서 수행중인 팽창재료를 이용한 긴급복구공법은 공동을 채움에 있어서 단시간 내에 발휘될 수 있으므로 다른 공법(흙되메움 공법, 그라우팅 공법 등)에 비해 급속시공이 가능할 것이라 판단된다.
12). 팽창압력이 증가 할수록 도로상단 표층부분의 변위는 증가하는 경향을 보였다. 270kPa의 압력에서 공동의 높이가 1.
후속연구
(4) 종합적인 해석 검토 결과 공동의 높이보다는 공동의 폭에 따라 팽창재료를 이용한 공동의 긴급복구 공법이 고려되어야 할 필요가 있다. 공동 주변부를 강하게 다짐하고 싶을 경우 팽창재료의 양을 늘려 팽창압력을 많이 발생시켜야 하겠지만, 이는 도로 포장층에 지대한 영향을 끼칠 수 있다.
공동 주변부를 강하게 다짐하고 싶을 경우 팽창재료의 양을 늘려 팽창압력을 많이 발생시켜야 하겠지만, 이는 도로 포장층에 지대한 영향을 끼칠 수 있다. 따라서, 본 수치해석을 통한 결과를 토대로 실제 실험을 진행하고 이에 따른 공동 긴급복구 공법으로써 팽창재료의 적합성을 정밀하게 검토해야 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흙되메움 공법이란?
현재 주로 사용되는 지반함몰 복구 방법으로는 흙되메움 공법과 그라우팅 공법이 있다. 흙되메움 공법은 지반함몰이 일어난 도로의 주변을 통제하고, 해당 부분을 굴착하여 균질한 흙을 넣어 공동을 채우는 것이다. 하지만 해당 공법은 굴착 과정에서 원지반이 교란되고, 공사비와 시공 시간이 많이 소요되며, 통행제한에 대한 민원 발생으로 인하여 개선이 필요하다.
그라우팅 공법의 특징은?
하지만 해당 공법은 굴착 과정에서 원지반이 교란되고, 공사비와 시공 시간이 많이 소요되며, 통행제한에 대한 민원 발생으로 인하여 개선이 필요하다. 그라우팅 공법은 흙되메움 공법과는 달리 굴착을 하지 않는 비개착식 공법으로 선호되고 있지만, 폐관으로 시멘트계 충전재의 유출에 따른 충전재의 유실이 발생 할 수 있으며, 이에 따른 중금속이 유출될 가능성이 있어 환경적인 면에서 사용이 제한적이다. 실제로 검증되지 않은 시멘트계 충전재를 공동 복구에 사용할 경우, 발암물질 중 하나인 6가 크롬(Cr6+)의 유출이 발생하 기도 하였다(Yu et al.
흙되메움 공법의 단점은?
흙되메움 공법은 지반함몰이 일어난 도로의 주변을 통제하고, 해당 부분을 굴착하여 균질한 흙을 넣어 공동을 채우는 것이다. 하지만 해당 공법은 굴착 과정에서 원지반이 교란되고, 공사비와 시공 시간이 많이 소요되며, 통행제한에 대한 민원 발생으로 인하여 개선이 필요하다. 그라우팅 공법은 흙되메움 공법과는 달리 굴착을 하지 않는 비개착식 공법으로 선호되고 있지만, 폐관으로 시멘트계 충전재의 유출에 따른 충전재의 유실이 발생 할 수 있으며, 이에 따른 중금속이 유출될 가능성이 있어 환경적인 면에서 사용이 제한적이다.
참고문헌 (8)
Han, J. G., Ryu, Y. S., Kim, D., Park, J. J. and Hong, G. (2016), "A Study on Expansion and Strength Characteristics of Material for Emergency Restoration in Ground Cavity", Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.2, pp.131-138. (in Korean)
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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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Shin, E. C., Lee, S. M. and Ryu, B. H. (2011), "Experimental Study on Restoring Settled Road through Injected High Density Expansion Materials", Proceedings of Korean Geo-Environmental Society, pp.183-192. (in Korean)
Yu, N. J., Han, J. K. and Lee, K. I. (2017), "Fundamental study on the development of Filling materials for Trenchless Emergency Restoration of Ground cavity", Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.2, pp.97-107. (in Korean)
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