노후 상하수관 주변지반의 소규모 지하공동 형상 특성을 고려한 수치해석에 관한 연구 A numerical study on the characteristics of small underground cavities in the surrounding old water supply and sewer pipeline원문보기
최근 한국에서는 지반함몰(ground subsidence) 현상이 자주 발생하고 있다. 이에 정부에서는 지하안전관리에 관한 특별법을 제정하였고, 2018년 1월 1일부터 법이 시행될 예정이다. 이 법에 의하면, 지하 굴착 시 지하안전영향 평가를 수행해야 하며, 이후에도 주기적으로 지구물리탐사 기법을 통해서 지하공동의 발생 유무를 조사하여야 한다. 지하공동 발견 시에는 수치해석을 통해서 지하안전성을 평가하도록 규정하였다. 하지만, 발견된 지하공동을 수치적으로 모델링하는 방법이 정해지지 않아서 논란의 여지가 있다. 본 연구에서는 지하공동의 형상 및 지표로부터 지하공동까지의 깊이에 따른 영향을 연속체 해석 프로그램을 사용해서 검토하였다. 본 연구를 통해서 지하공동의 형상을 수치모델링에 반영하는 방법을 제시하였고, 지하공동의 형상 및 깊이와 전단강도감소기법으로 산정된 안전율과의 관계를 제시하였다. 본 연구의 결과는 지하안전영향평가에 관한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
최근 한국에서는 지반함몰(ground subsidence) 현상이 자주 발생하고 있다. 이에 정부에서는 지하안전관리에 관한 특별법을 제정하였고, 2018년 1월 1일부터 법이 시행될 예정이다. 이 법에 의하면, 지하 굴착 시 지하안전영향 평가를 수행해야 하며, 이후에도 주기적으로 지구물리탐사 기법을 통해서 지하공동의 발생 유무를 조사하여야 한다. 지하공동 발견 시에는 수치해석을 통해서 지하안전성을 평가하도록 규정하였다. 하지만, 발견된 지하공동을 수치적으로 모델링하는 방법이 정해지지 않아서 논란의 여지가 있다. 본 연구에서는 지하공동의 형상 및 지표로부터 지하공동까지의 깊이에 따른 영향을 연속체 해석 프로그램을 사용해서 검토하였다. 본 연구를 통해서 지하공동의 형상을 수치모델링에 반영하는 방법을 제시하였고, 지하공동의 형상 및 깊이와 전단강도감소기법으로 산정된 안전율과의 관계를 제시하였다. 본 연구의 결과는 지하안전영향평가에 관한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
In recent years, the occurrence of ground subsidence phenomenon is frequent in Korea. The Korean government has enacted a special law on underground safety and the law will be enforced from January 1, 2018. Under this new law, underground excavation should be assessed for underground safety impacts....
In recent years, the occurrence of ground subsidence phenomenon is frequent in Korea. The Korean government has enacted a special law on underground safety and the law will be enforced from January 1, 2018. Under this new law, underground excavation should be assessed for underground safety impacts. After excavation construction, periodic geophysical surveys should be conducted to investigate the occurrence of underground cavities. When underground cavities were discovered, the underground safety was assessed through numerical analysis. However, it is controversial because the method of numerical modeling the discovered underground cavity is due to be established. In this study, the effect of the depth of the underground cavity from the shape of the underground cavity to the underground cavity was studied using a continuum analysis program. In this study, a method to reflect the shape of the underground cavity to the numerical modeling is presented. The relationship between the shape and depth of the underground cavity, and the factor of safety calculated by the shear strength reduction method (SSR) is presented. The results of this study are expected to form the basic data on underground safety impact assessment.
In recent years, the occurrence of ground subsidence phenomenon is frequent in Korea. The Korean government has enacted a special law on underground safety and the law will be enforced from January 1, 2018. Under this new law, underground excavation should be assessed for underground safety impacts. After excavation construction, periodic geophysical surveys should be conducted to investigate the occurrence of underground cavities. When underground cavities were discovered, the underground safety was assessed through numerical analysis. However, it is controversial because the method of numerical modeling the discovered underground cavity is due to be established. In this study, the effect of the depth of the underground cavity from the shape of the underground cavity to the underground cavity was studied using a continuum analysis program. In this study, a method to reflect the shape of the underground cavity to the numerical modeling is presented. The relationship between the shape and depth of the underground cavity, and the factor of safety calculated by the shear strength reduction method (SSR) is presented. The results of this study are expected to form the basic data on underground safety impact assessment.
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문제 정의
Lee and Cho (2016)는 하수관로 누수로 인한 지반공동 형성과정을 PFC2D를 사용해서 모델링 하였다. 도로함몰을 형성시키는 지반 내 공동 형성과 지반이완 메커니즘에 대한 연구를 수행하였다. Lee (2017)는 지하구형공동이 지표침하에 미치는 영향에 대해서 개별요소법을 사용한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 전단강도감소기법을 사용한 수치해석을 FLAC3D 프로그램으로 수행하였고, 노후 상하수관 주변에서 발생 가능한 지하공동 안정성 평가방법에 대해서 제시하였다. 또한, 전단강도감소기법을 포함한 안전율 기반의 지하공동 안정성 평가 방법에 대해서 기술하였다.
본 연구는 2018년 1월부터 시행되는 [지하안전에 관한 특별법] 세부 지침의 지하안전영향평가에 대한 수치해석 적용성에 관한 초기 연구의 일환으로 수행되었다. 본 연구의 범위는 상하수도관의 누수로 인해서 발생된 소규모 지하공동에 관한 것으로 제한하였고, 이러한 이유로 면적 1.
이에 대한 연구 사례가 극히 드문 이유로 국토교통부에서는 [지하안전관리에 관한 특별법]의 [지하안전관리 업무지침] 제정안(MOLIT, 2017) (별표 4) 지반침하위험도평가서 작성 방법 중 지반안전성 검토에 대한 “세부지침”에서는 전단강도감소기법에 의한 안전율 계산방법으로 안전영향평가를 수행하도록 준비 중이다. 본 연구에서는 전단강도감소기법을 사용한 수치해석을 FLAC3D 프로그램으로 수행하였고, 노후 상하수관 주변에서 발생 가능한 지하공동 안정성 평가방법에 대해서 제시하였다. 또한, 전단강도감소기법을 포함한 안전율 기반의 지하공동 안정성 평가 방법에 대해서 기술하였다.
가설 설정
0 m까지만 고려해서 수치해석을 수행하였다. GPR 등 지구물리탐사방법을 이용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하였다. 또한, 지하 공동의 수치적 모사에 최소한의 형상이 반영된 수치해석을 수행하기 위해서, 지하공동의 장축, 단축을 고려해서 타원형으로 모델링 하였고, 지표면으로부터 지하공동의 깊이, 타원형 공동의 각도 등을 고려해서 수치해석을 수행해서 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
(2017)은 지반함몰 모형실험에 대한 연구동향 파악 및 적용방안에 대해서 고찰하였다. 1 g 상태에 머무르고 있는 지반함몰 관련 모형실험보다는 현장 구속응력 조건을 반영할 수 있는 원심모형실험에 대한 연구를 수행하였다.
(2002)은 석탄광 주변에 건설되는 터널이 채굴공동의 붕락으로 인한 지반침하에 의한 영향에 대해서 연구하였다. 2차원 FDM 수치해석 프로그램인 FLAC2D를 사용하여 채굴공동이 터널에 미치는 영향을 분석하였다. Drumm et al.
구형 공동을 4분원 형태로 모델링하여적용하였으며, 내부마찰각(φ)의 범위에 따른 불안정 영역을 도표로 제시하였다. 2차원 FEM 지반 범용해석 프로그램인 Phase2를 사용하여 전단강도감소기법을 통한 안전율을 산정하였다. Lee and Cho (2016)는 하수관로 누수로 인한 지반공동 형성과정을 PFC2D를 사용해서 모델링 하였다.
또한, 지하공동의 수치적 모사에 최소한의 형상이 반영된 수치해석을 수행하기 위해서, 지하공동의 장축(major axis), 단축(minor axis)를 고려해서 타원형으로 모델링 하였고, 지표면으로부터 지하 공동의 깊이, 타원형 공동의 각도 등을 고려해서 수치해석을 수행하였다. FLAC3D 프로그램(Itasca, 2012)에 내장된 FISH언어를 사용해서 타원형 공동을 모델링해서 연구를 수행하였다.
0 m 미만의 소규모 지하공동을 대상으로 하여 수치해석을 수행하였다. GPR을 사용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하여 수치모델링에 반영하였다. 또한, 지하공동의 수치적 모사에 최소한의 형상이 반영된 수치해석을 수행하기 위해서, 지하공동의 장축(major axis), 단축(minor axis)를 고려해서 타원형으로 모델링 하였고, 지표면으로부터 지하 공동의 깊이, 타원형 공동의 각도 등을 고려해서 수치해석을 수행하였다.
(2017)은 지반입도조건에 따른 지반함몰 가능성 평가에 대해서 연구를 수행하였다. PFC3D 프로그램을 사용해서 토립자 유실에 의한 지반함몰 가능성을 평가하였다.
Kim (2003)은 석회암 공동발달지역의 터널 안정성에 대한 연구를 수행하였다. 공동발달 유형을 분석하고, 이에 적합한 터널지보패턴을 제시하였다. Lee and Bang (2000)의 연구에 따르면, 지하채굴 작업에 의한 공동 및 폐갱 등이 지반함몰 및 지표침하 현상의 주요 원인이라고 규정하였으며, 이에 대한 대책으로 폐갱 등 인위적으로 생성된 지하공동을 충진재로 채우는 보강 방안에 대해서 제시하였다.
구형 공동을 4분원 형태로 모델링하여적용하였으며, 내부마찰각(φ)의 범위에 따른 불안정 영역을 도표로 제시하였다.
GPR 등 지구물리탐사방법을 이용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하였다. 또한, 지하 공동의 수치적 모사에 최소한의 형상이 반영된 수치해석을 수행하기 위해서, 지하공동의 장축, 단축을 고려해서 타원형으로 모델링 하였고, 지표면으로부터 지하공동의 깊이, 타원형 공동의 각도 등을 고려해서 수치해석을 수행해서 얻어진 결론은 다음과 같다.
GPR을 사용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하여 수치모델링에 반영하였다. 또한, 지하공동의 수치적 모사에 최소한의 형상이 반영된 수치해석을 수행하기 위해서, 지하공동의 장축(major axis), 단축(minor axis)를 고려해서 타원형으로 모델링 하였고, 지표면으로부터 지하 공동의 깊이, 타원형 공동의 각도 등을 고려해서 수치해석을 수행하였다. FLAC3D 프로그램(Itasca, 2012)에 내장된 FISH언어를 사용해서 타원형 공동을 모델링해서 연구를 수행하였다.
또한, 타원형 지하공동의 회전각도를 0°, 45°, 90°로 적용하여 수치해석을 수행하였다.
본 연구는 2018년 1월부터 시행되는 [지하안전에 관한 특별법] 세부 지침의 지하안전영향평가에 대한 수치해석 적용성에 관한 초기 연구의 일환으로 수행되었다. 본 연구의 범위는 상하수도관의 누수로 인해서 발생된 소규모 지하공동에 관한 것으로 제한하였고, 이러한 이유로 면적 1.0 m2, 지표면에서 지하공동 중심까지의 거리 2.0 m까지만 고려해서 수치해석을 수행하였다. GPR 등 지구물리탐사방법을 이용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하였다.
0을 적용하여 지하공동 형상에 변화를 주었다. 원형 지하공동의 면적에 해당하는 직경을 계산하여 사용하였다. 예를 들어, 면적 1.
(2015)는 도심지 하수관로의 누수로 인한 지반함몰 저감을 위해서 뒤채움재 개발을 시도하였다. 이를 위해서 현장시험시공을 통해서 기존 모래다짐 방법과 개발된 뒤채움재의 성능을 비교하는 연구를 수행하였다. Kim and Yang (2016)은 축소모형실험을 통해서 불일치 필라(pillar)를 적용한 광산의 안정성 평가에 관한 연구를 수행하였다.
Lee (2017)는 지하구형공동이 지표침하에 미치는 영향에 대해서 개별요소법을 사용한 연구를 수행하였다. 입자유동해석 프로그램인 PFC3D 프로그램을 사용하였고, 구형공동의 크기, 지표면으로부터의 깊이 및 지반의 종류에 대해서 분석하였다. 해석 결과를 토대로 각 영향인자에 대해서 그래프로 영향범위를 제안하였다.
전단강도감소기법을 사용한 안전율 기반의 지하공동 해석 문제에 접근하기 위해서 FLAC3D 프로그램에 내장 된 FISH 언어를 사용해서 지하공동의 형상을 모델링 하였다. Fig.
(2016)은 도심지 지반함몰 예경보시스템 개발하기 위한 기초연구를 수행하였다. 주문진 표준사를 사용해서 모형토조실험장치를 제작하여 지반함몰 과정을 모사하였고, 다짐도와 지하수위를 고려해서 지반함몰의 유형에 관한 실험을 진행하였다. Jeong et al.
입자유동해석 프로그램인 PFC3D 프로그램을 사용하였고, 구형공동의 크기, 지표면으로부터의 깊이 및 지반의 종류에 대해서 분석하였다. 해석 결과를 토대로 각 영향인자에 대해서 그래프로 영향범위를 제안하였다. Lee et al.
대상 데이터
Fig. 10에서 보는 바와같이, 지표면으로부터 1.0, 1.5, 2.0 m 깊이에 위치한 지하공동을 대상으로 하였고, 타원 형 지하공동의 최대 장축(1.6 m)를 고려해서 지표면으로부터 지하공동 중심까지의 거리 1.0 m부터 해석 대상에 포함시켰다. 또한, 타원형 지하공동의 장축과 단축의 비(a/b)는 1.
본 연구에서는 연구범위를 상하수도관의 누수로 인해서 발생된 지하공동에 대해서로 한정하였기 때문에, Seoul metropolitan government (2014)의 자료를 참고하여, 면적 1.0 m2, 지표면으로부터 지하공동 중심까지의 거리 2.0 m 미만의 소규모 지하공동을 대상으로 하여 수치해석을 수행하였다. GPR을 사용해서 지하공동을 발견하고, 내시경 카메라를 이용해서 지하공동에 대한 형상을 탐색하는 일련의 지하안전영향평가 과정을 가정하여 수치모델링에 반영하였다.
0 m 미만의 소규모 지하공동에 대해서만 수치해석 대상으로 한정해서 적용하였다. 지표면으로부터 1.0~2.0 m까지 깊이, 0.2~1.0 m2의 지하공동 면적을 대상으로 수치해석에 반영하였다.
0 m2 이상의 중규모 지반함몰도 발생하고 있어서 인명피해 및 발생 개연성은 존재하고 있다. 하지만, 본 연구에서는 발생 건수의 대부분을 차지하고 있는 면적 1.0 m2, 지표면으로부터 지하공동 중심까지의 거리 2.0 m 미만의 소규모 지하공동에 대해서만 수치해석 대상으로 한정해서 적용하였다. 지표면으로부터 1.
이론/모형
Park and You (1998)는 절리암반 터널 안정성 평가에 대해서 전단강도감소기법을 적용한 안전율 기반의 수치해석적 접근을 시도하였다. FLAC2D 프로그램에서 구현 가능한 편재절리모델(ubiquitous joint model)을 사용해서 연구를 수행하였다. Song et al.
대상 지반에 대해서 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였 고, 변형계수(E)는 56 MPa, 포아송비(v)는 0.3, 전체단위중량(Υt)은 23.2 kN/m2 , 점착력(c)은 0.1 kPa, 내부마찰 각(φ)은 26.5° 그리고 정지토압계수(K0)는 0.5를 적용하였다.
9에서는 해석에 적용한 지반 모델 및 지하공동 의 대표 형상을 보여주고 있다. 상하수관을 매설하고, 관 상부 되메우기에 사용된 토질 강도정수는 Kim et al. (2017)의 연구 내용을 반영하여 수치해석에 적용하였다. 대상 지반에 대해서 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였 고, 변형계수(E)는 56 MPa, 포아송비(v)는 0.
Hoek and Brown(1980)은 지하공동 경계면에 작용하는 응력분포를 형상 별로 분석하여, 지하공동 형상에 따른 상수를 제안하였고, 원형, 타원형, 사각형 등의 형상 별 적용 상수를 도표로 제시하였다. 영국 Imperial College에서 개발한 2차원경계요소법(boundary element method, BEM) 프로그램을 사용해서 지하공동 경계면의 응력분포를 해석하였다. Park and You (1998)는 절리암반 터널 안정성 평가에 대해서 전단강도감소기법을 적용한 안전율 기반의 수치해석적 접근을 시도하였다.
성능/효과
1. 1.0 m2의 면적을 갖는 지하공동의 경우, 원형공동은 깊이 증가에 따른 안전율의 변화가 없었고, 타원형 공동의 경우, 0, 45°인 경우는 1.0 및 1.5 m에서는 안전율이 유사하게 산정되었고, 2.0 m에서는 안전율이 3~4배 정도 증가하는 경향을 보였지만, 90°에서는 안전율의 변화가 없는 경향을 보였다.
2. 상대적으로 소규모인 0.2, 0.4 m2인 경우, 깊이 증가에 따라서 지하공동의 형상, 각도 등에 관계없이 안전율이 증가하는 경향을 보였다. 0.
3. 장축 대비 단축의 비(a/b)가 2.0인 경우에는 깊이가 증가함에 따라 면적이 0.8, 1.0 m2에 대해서는 깊이에 따른안전율 증가 경향을 보이지 않았다. 특히 회전각도 45, 90°인 경우에 깊이에 따른 상관관계를 찾기가 어려웠다.
깊이 증가에 따라서, 0.8 m2에서는 45°일 때 안전율 변화가 거의 없었으며, 0.6 m2에서는 90°일 때 안전율 변화가 거의 없는 경향을 보였다.
상대적으로 가장 큰 1 m2의 면적을 갖는 지하공동의 경우, 원형공동은 깊이 증가에 따른 안전율의 변화가 없었고, 타원형 공동의 경우, 회전각도가 0, 45°인 경우는 1.0 및 1.5 m에서는 안전율이 유사하게 산정되었고, 2.0 m에서는 안전율이 3~4배 정도 증가하는 경향을 보였지만, 90°에서는 안전율의 변화가 없는 경향을 보였다.
0 m에서는 안전율이 3~4배 정도 증가하는 경향을 보였지만, 90°에서는 안전율의 변화가 없는 경향을 보였다. 상대적으로 소규모인 0.2, 0.4 m2인 경우, 깊이가 증가함에 따라서 지하공동의 형상, 각도 등에 관계없이 안전율이 증가하는 경향을 보였다. 0.
특히 면적이 작아질수록 안전율이 비교적 크게 변화하며, 면적이 커질수록 회전각도 0, 45°인 경우에 안전율이 상대적으로 크게 변화하는 경향을 보였다.
후속연구
본 연구는 지하공동 형상에 대한 영향을 분석한 초기 연구로서, 지하수위 영향, 도로포장층 등 다양한 상재하중 조건, 지반조건, 서로 다른 특성을 갖는 복수의 지하공동에 대한 조건 그리고 지하공동의 3차원 형상 등을 고려하지 못한 한계점이 있다. 또한, 실제 현장에서 지하안전영향평가 과정을 수행하면서 발견된 지하공동을 대상으로 지반조사 결과를 반영해서 수치해석의 적용성과 안전율 산정에 영향을 재평가하여 신뢰도를 향상시켜야 될 것으로 판단된다. 향후에는 연속체 해석을 통한 3차원 형상 반영, 지반조건 변화와 지하공동의 개수를 확대해서 인접 공동간의 영향 특성을 고려한 수치해석 및 지하공동 생성 원인을 수치해석 상에 반영할 수 있는 입자유동해석 기반의 안정성 평가 방안에 대해서 연구를 수행할 예정이다.
본 연구는 지하공동 형상에 대한 영향을 분석한 초기 연구로서, 지하수위 영향, 도로포장층 등 다양한 상재하중 조건, 지반조건, 서로 다른 특성을 갖는 복수의 지하공동에 대한 조건 그리고 지하공동의 3차원 형상 등을 고려하지 못한 한계점이 있다. 또한, 실제 현장에서 지하안전영향평가 과정을 수행하면서 발견된 지하공동을 대상으로 지반조사 결과를 반영해서 수치해석의 적용성과 안전율 산정에 영향을 재평가하여 신뢰도를 향상시켜야 될 것으로 판단된다.
또한, 실제 현장에서 지하안전영향평가 과정을 수행하면서 발견된 지하공동을 대상으로 지반조사 결과를 반영해서 수치해석의 적용성과 안전율 산정에 영향을 재평가하여 신뢰도를 향상시켜야 될 것으로 판단된다. 향후에는 연속체 해석을 통한 3차원 형상 반영, 지반조건 변화와 지하공동의 개수를 확대해서 인접 공동간의 영향 특성을 고려한 수치해석 및 지하공동 생성 원인을 수치해석 상에 반영할 수 있는 입자유동해석 기반의 안정성 평가 방안에 대해서 연구를 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반함몰 현상을 발생시키는 가장 큰 요소중 하나는 무엇인가?
Lee et al. (2015)의 연구에 의하면, 지반함몰 현상을 발생시키는 가장 큰 요소 중 하나는 지하공동의 형성이고, 그 원인은 크게 자연적 원인과 인위적 원인으로 구분된다고 하였다. 특히, 도심지에서는 인위적 원인 중에서 노후된 상, 하수관의 누수현상에 의해서 지하공동이 많이 형성되고, 이로 인한 지반함몰 현상이 빈번하게 발생하고 있다고 제시되었다(Lee et al.
도심지에서 지하공동의 형성의 인위적 원인은 무엇인가?
(2015)의 연구에 의하면, 지반함몰 현상을 발생시키는 가장 큰 요소 중 하나는 지하공동의 형성이고, 그 원인은 크게 자연적 원인과 인위적 원인으로 구분된다고 하였다. 특히, 도심지에서는 인위적 원인 중에서 노후된 상, 하수관의 누수현상에 의해서 지하공동이 많이 형성되고, 이로 인한 지반함몰 현상이 빈번하게 발생하고 있다고 제시되었다(Lee et al., 2015; Jeong et al.
하수관 손상을 조사한 결과, 하수관 자체의 부식이나 균열보다 더 큰 문제는 무엇이었나?
,2017). Lee (2014)의 연구에 의하면, 서울시 도로함몰 원인의 85%를 차지하는 하수관 손상을 조사한 결과, 노후화된 하수관 자체의 부식이나 균열도 문제였지만 다짐 구조, 되메움재 불량, 동결융해로 인한 지반 이완, 지반 동상 등의 문제가 더 컸다고 보고하였다. 또한, 국내에서 대부분 상하수도 관거 매설심도는 1.
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