실내모형시험을 통한 얕은 기초 하부에서 터널굴착 시 지하수위 위치에 따른 지반거동 Ground behaviour according to ground water locations due to tunnelling below shallow foundation by laboratory model test원문보기
최근 도심지 지상 구조물의 포화와 함께 극심한 교통난에 대한 해결책으로 터널과 같은 지하공간 개발의 중요성이 커지고 있다. 이러한 이유로 현재 국내의 많은 지역에서 터널 시공이 이루어지고 있으며, 다양한 터널 확충 정책이 건설계의 화두가 되고 있다. 하지만, 터널굴착에 의한 지반거동을 사전에 분석하는 것은 다양한 조건을 해석하고 고려해야 하므로 매우 어려운 일이다. 기존의 구조물 하부 터널굴착에 대한 연구는 많은 연구자에 의해 수행되었지만, 대부분의 연구에서는 지하수위의 영향을 거의 고려하지 못하였다. 지하수위에 따라 발생되는 간극수압은 지반의 전단강도에 지대한 영향을 미치므로, 지하수 고려 여부에 따라 지반의 거동은 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 고려하지 못한 기존 연구의 한계에서 나아가, 얕은 기초 아래 터널굴착 시 지하수위 위치가 지반거동에 미치는 영향을 효과적으로 분석하고자 한다. 이에 따라 지하수위를 고려할 수 있는 새로운 시험 장치를 개발하였으며, 실내모형시험과 함께 근거리 사진계측을 사용하여 분석을 실시하였다. 또한, 수치해석을 통해 소성해석과 연계해석을 수행하여 실내모형시험 결과와 비교하였다. 두 가지의 수치해석 방법과 실내모형시험 결과를 비교하여 실제 도심지 터널 굴착 모델에 적합한 모델을 제시하고자 한다.
최근 도심지 지상 구조물의 포화와 함께 극심한 교통난에 대한 해결책으로 터널과 같은 지하공간 개발의 중요성이 커지고 있다. 이러한 이유로 현재 국내의 많은 지역에서 터널 시공이 이루어지고 있으며, 다양한 터널 확충 정책이 건설계의 화두가 되고 있다. 하지만, 터널굴착에 의한 지반거동을 사전에 분석하는 것은 다양한 조건을 해석하고 고려해야 하므로 매우 어려운 일이다. 기존의 구조물 하부 터널굴착에 대한 연구는 많은 연구자에 의해 수행되었지만, 대부분의 연구에서는 지하수위의 영향을 거의 고려하지 못하였다. 지하수위에 따라 발생되는 간극수압은 지반의 전단강도에 지대한 영향을 미치므로, 지하수 고려 여부에 따라 지반의 거동은 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 고려하지 못한 기존 연구의 한계에서 나아가, 얕은 기초 아래 터널굴착 시 지하수위 위치가 지반거동에 미치는 영향을 효과적으로 분석하고자 한다. 이에 따라 지하수위를 고려할 수 있는 새로운 시험 장치를 개발하였으며, 실내모형시험과 함께 근거리 사진계측을 사용하여 분석을 실시하였다. 또한, 수치해석을 통해 소성해석과 연계해석을 수행하여 실내모형시험 결과와 비교하였다. 두 가지의 수치해석 방법과 실내모형시험 결과를 비교하여 실제 도심지 터널 굴착 모델에 적합한 모델을 제시하고자 한다.
Tunnelling is getting more important solutions for problems induced by the growth population in urban areas. Many studies on tunnelling below existing structure are carried out by many researchers. In general, however, ground water condition is ignored for most of researches using laboratory model t...
Tunnelling is getting more important solutions for problems induced by the growth population in urban areas. Many studies on tunnelling below existing structure are carried out by many researchers. In general, however, ground water condition is ignored for most of researches using laboratory model test, so far. In case of ground behavior, error can occur if the result of effective stress related to hydraulic condition can't be taken into considerations. In this study, therefore, laboratory model test and the close range photogrammetry were conducted to investigate behaviour of ground and shallow foundation using newly device drainage system which is available to express the ground water condition. Also, numerical analysis was carried out to compare to results from the laboratory model test, and was performed with two methods, one is plastic and the other one is fully coupled analysis. Results from those two methods were compared to that of the laboratory model test.
Tunnelling is getting more important solutions for problems induced by the growth population in urban areas. Many studies on tunnelling below existing structure are carried out by many researchers. In general, however, ground water condition is ignored for most of researches using laboratory model test, so far. In case of ground behavior, error can occur if the result of effective stress related to hydraulic condition can't be taken into considerations. In this study, therefore, laboratory model test and the close range photogrammetry were conducted to investigate behaviour of ground and shallow foundation using newly device drainage system which is available to express the ground water condition. Also, numerical analysis was carried out to compare to results from the laboratory model test, and was performed with two methods, one is plastic and the other one is fully coupled analysis. Results from those two methods were compared to that of the laboratory model test.
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문제 정의
하지만, 기존 터널굴착 관련 연구의 대부분은 지하수위를 고려하지 않은 상태에서 수행함으로써, 실제 지반조건과는 상이한 조건의 연구가 수행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 지하수위를 고려하였을 뿐만 아니라, 지하수위를 달리하여 터널굴착에 따른 지반거동을 분석하고자 한다.
기초의 규격의 경우, 구조물기초와 지반의 강성도비 K (relative stiffness)를 구하여 강성기초의 거동이 이루어지도록 설계하였다(Table 1). 본 연구에서는 기초의 형상대로 지반이 변형되고 침하는 균등하게 발생하는 강성기초를 모델로 실내 모형 시험을 실시하였다.
본 연구에서는 지하수위 및 저하를 모사하기 위한 모형토조를 제작하였으며, 간극수압계를 통해 간극수압의 변화를 계측하였다. 또한, 지표면에 설치한 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 이용하여 지표 침하를 측정하였으며, 실내모형시험과 동시에 근거리 사진계측 및 이미지 프로세싱을 실시하여 지반의 거동을 분석하였다.
가설 설정
10(a)와 같은 reference point를 Fig. 10(b)와 같이 부착하였으며, 토조 내부 조성된 지반 사이 직경 5 mm의 알루미늄 봉을 삽입하여 흙입자로 가정하였다. 알루미늄 봉 전면에는 직경 3 mm의 target point 반사점이 부착되어 있으며, 고정되어 있는 reference point 기준으로 지반 거동과 동시에 움직이는 target point를이미지로 얻는다.
상대밀도 계산결과 모든 깊이에서 약 30%로 측정되었으며, 이는 Lambe and Whitman (1979) (Table 3)의 연구결과에 따라 느슨한 사질토 지반으로 가정되었다.
제안 방법
Dry condition 조건의 Case A를 제외한 나머지 전 Case에서는 간극수압계를 이용하여 지하수위 저하에 따른 간극수압 칼리브레이션을 실시한 후, 얕은 기초 및 지표 침하를 측정하였다. 얕은 기초 및 지표침하의 계측값은 Volume loss가 증가함에 따라 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 얕은 기초의 침하량이 지표침하에 비해 크게 발생하는 것을 Fig.
모델의 규격은 1500 × 1000 mm로 하였으며, 얕은 기초는 200 × 20 mm로 설계하였다. 각 case는 건조한 상태, 지하수위가 지표면에 위치한 경우, 지표면으로부터 150 mm 아래 위치한 경우로 크게 3가지 case로 나누어지며, 건조한 상태를 제외한 지하수위를 고려한 두 case는 지하수위가 지표면으로부터 250 mm, 400 mm, 550 mm 하강한 경우를 고려하여 총 7 가지 case를 가지고 수치해석을 진행하였다, 또한, 일반 소성 해석 모델(Plasitc analysis model)과 응력-간극수압 연계해석(Coupled analysis model)을 각각 해석하여 차이점을 비교하였다(PLAXIS, 2016). 수치해석의 경우, 지반조건과 기초에 대한 모델링이 완료된 후에 지하수위 조건을 초기조건으로 하여 해석을 실시하였다.
간극수압의 경우, Dry condition인 Case A를 제외한, Case B와 Case C에서 지하수위 강하에 따른 수압 분포의 변화 양상을 분석하였다. 실내 모형 시험에서 지하수위 강하를 정량적으로 분석하기 위하여 간극수압계를 설치 하여 측정된 간극수압의 변화를 Sufer (Golden software, ver.
지표면에 위치하는 얕은 기초의 경우 알루미늄 재질의 직사각형 기초로 구성하였으며, 규격은 200 × 100 × 20 mm로 설계하였다. 기초의 규격의 경우, 구조물기초와 지반의 강성도비 K (relative stiffness)를 구하여 강성기초의 거동이 이루어지도록 설계하였다(Table 1). 본 연구에서는 기초의 형상대로 지반이 변형되고 침하는 균등하게 발생하는 강성기초를 모델로 실내 모형 시험을 실시하였다.
또한 지하수위 강하를 모사하기 위해 급·배수 장치를 직접 고안하여 토조 하단에 설치하였다.
Case C의 경우 지표에서 150 mm 하부까지 지하수위가 위치해 있는 상태이며, 각각 100 mm, 250 mm, 400 mm 강하된 케이스로 세부적으로 분류하였다. 또한, Fig. 8과 같이 각 Case의 지하수위 저하 위치 예상 지점에 간극수압계를 설치하여 Contour를 작성하여 지하수위 강하에 따른 간극수압을 분석하였으며, 지표면에 LVDT (Linear variable differential transformer)를 설치하여 지표침하를 측정하였다.
본 연구에서는 지하수위 및 저하를 모사하기 위한 모형토조를 제작하였으며, 간극수압계를 통해 간극수압의 변화를 계측하였다. 또한, 지표면에 설치한 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 이용하여 지표 침하를 측정하였으며, 실내모형시험과 동시에 근거리 사진계측 및 이미지 프로세싱을 실시하여 지반의 거동을 분석하였다.
모델의 규격은 1500 × 1000 mm로 하였으며, 얕은 기초는 200 × 20 mm로 설계하였다.
모래지반 조성의 경우에는 시험에 사용되는 사질토(주문진 표준사)의 상대밀도를 측정하였다. 모형시험 간 사용되는 사질토의 상대밀도를 측정하기 위하여, 모형토조 안에 200 mm 간격으로 4개의 함수비 캔을 설치하여, 식(2)에서의 건조단위중량(γd)를 측정하여 도출하였다 (Fig.
본 시험은 초기 지하수위 조건에 따라 총 세 가지 Case로 구분하였으며, 지하수위가 강하된 위치에 따라 Case 별 세부 조건으로 나누어 진행하였다. 각 시험 조건에 따른 Case는 Fig.
3(c)와 같다. 수압 펌프를 통해 모형 터널의 Volume loss를 5%, 10%, 18%로 증가시키며 연구를 수행하였다(Fig. 3(d)).
수치해석은 실내모형시험 과정과 동일하게 ①지반형성→②기초설치→③하중재하→④터널 굴착 및 지하수위 강하순으로 수행하였다. 수치해석에 사용된 물성치를 Table 4에 정리하였으며, 강성계수 및 강도정수는 Das (2009)가 제안한 loose sand의 값을 적용하였으며, 상대밀도를 표현하기 위해 초기간극비(void ratio, einit)를 Table 2에서 상대밀도(Dr) 30%일 때의 값을 적용하였다. 투수계수는 일반적인 사질토의 투수계수를 사용하였다.
수치해석은 실내모형시험 과정과 동일하게 ①지반형성→②기초설치→③하중재하→④터널 굴착 및 지하수위 강하순으로 수행하였다.
각 case는 건조한 상태, 지하수위가 지표면에 위치한 경우, 지표면으로부터 150 mm 아래 위치한 경우로 크게 3가지 case로 나누어지며, 건조한 상태를 제외한 지하수위를 고려한 두 case는 지하수위가 지표면으로부터 250 mm, 400 mm, 550 mm 하강한 경우를 고려하여 총 7 가지 case를 가지고 수치해석을 진행하였다, 또한, 일반 소성 해석 모델(Plasitc analysis model)과 응력-간극수압 연계해석(Coupled analysis model)을 각각 해석하여 차이점을 비교하였다(PLAXIS, 2016). 수치해석의 경우, 지반조건과 기초에 대한 모델링이 완료된 후에 지하수위 조건을 초기조건으로 하여 해석을 실시하였다. 이 후, 각 case에 따른 지하수위가 저하된 결과를 토대로 하여 지표 침하와 간극수압에 대한 데이터를 분석하였으며 이를 토대로 하여 지반의 거동을 분석하여 아래에 결과로 나타내었다.
간극수압의 경우, Dry condition인 Case A를 제외한, Case B와 Case C에서 지하수위 강하에 따른 수압 분포의 변화 양상을 분석하였다. 실내 모형 시험에서 지하수위 강하를 정량적으로 분석하기 위하여 간극수압계를 설치 하여 측정된 간극수압의 변화를 Sufer (Golden software, ver. 9)를 이용하여 분석하였다. 최종적으로 지하수위를 저하시켜 목표 지점의 간극수압이 0이 되는 것을 확인하였다.
수치해석의 경우, 지반조건과 기초에 대한 모델링이 완료된 후에 지하수위 조건을 초기조건으로 하여 해석을 실시하였다. 이 후, 각 case에 따른 지하수위가 저하된 결과를 토대로 하여 지표 침하와 간극수압에 대한 데이터를 분석하였으며 이를 토대로 하여 지반의 거동을 분석하여 아래에 결과로 나타내었다.
따라서 소성해석과 연계해석 해법을 적용한 유한요소법 수치해석을 수행하여 실내모형시험의 결과와 비교·분석하였다. 이를 통해 도심지 지하수위를 고려한 터널굴착 시 지하수위의 위치가 터널굴착 및 지반거동에 미치는 영향에 대해 이해하고 효과적인 해석방법에 대한 분석을 실시하였다.
정확한 수치해석을 위해 실내 모형 시험과 동일한 크기 및 조건으로 모델링을 실시하였다. 모델의 규격은 1500 × 1000 mm로 하였으며, 얕은 기초는 200 × 20 mm로 설계하였다.
지표면에 위치하는 얕은 기초의 경우 알루미늄 재질의 직사각형 기초로 구성하였으며, 규격은 200 × 100 × 20 mm로 설계하였다.
지하수위 위치 및 저하, 얕은 기초 아래 위치한 터널굴착에 따른 지반의 거동을 모사하기 위해 실제 모델의 1/100 축소된 scale effect를 적용하여 실내모형시험을 실시하였다. 토조는 철제 프레임으로 구성되어 있으며 Fig.
본 연구에서는 터널굴착 효과를 모사하기 위해 체적손실율(VL) 개념을 적용하였다. 체적손실율(VL)이란, 터널굴착 직후에서부터 라이닝이 시공되기까지 터널 단면 축소를 의미하는 것이다.
얕은 기초에 가해지는 수직하중의 크기는 LCM 방법(load control method)을 이용하여 Fig. 5과 같이 얕은 기초에 작용하는 하중과 침하에 대한 Curve를 작성한 후 결정하였다(Kwon, 2011).
또한, p는 유효응력, ps 점착력의 증가, pc는 선행압밀하중을 의미한다. 이러한 항복함수를 토대로 한 BBM 모델을 이용하여 불포화 토양 모델 해석을 실시할 수 있다.
수치해석에 사용된 물성치를 Table 4에 정리하였으며, 강성계수 및 강도정수는 Das (2009)가 제안한 loose sand의 값을 적용하였으며, 상대밀도를 표현하기 위해 초기간극비(void ratio, einit)를 Table 2에서 상대밀도(Dr) 30%일 때의 값을 적용하였다. 투수계수는 일반적인 사질토의 투수계수를 사용하였다.
성능/효과
1. 실내 모형 시험 결과, 지하수위가 저하할수록 기초 및 지표침하 발생이 증가하였다. 일반적인 사질토 지반에 서의 터널굴착으로 인한 최대 체적 손실인 Volume loss 5%에서 Case B의 경우 Case B-1과의 얕은 기초 침하 량과의 비교 결과 Case B-2는 188.
2. 연계해석과 소성해석에서의 침하량을 실내 모형 시험의 침하량과 비교한 결과, Case B는 연계해석과 각각 97.6%, 95.0%, 94.4%의 유사한 결과값을 보였으며 소성해석과는 각각 86.4%, 83.2%, 87.8% 유사한 결과값을 보였다. Case C는 연계해석과 각각 98.
3. 본 연구를 통하여 지하수위를 고려한 경우 기존의 소성해석보다 연계해석을 이용한 수치해석이 더 적합한 해석 방법인 것으로 간주된다. 따라서 지하수를 고려한 지반거동의 해석에서는 연계해석을 사용하는 것이 지반과 터널의 안정성 분석에 효과적일 것으로 판단된다.
Dry condition 조건의 Case A를 제외한 나머지 전 Case에서는 간극수압계를 이용하여 지하수위 저하에 따른 간극수압 칼리브레이션을 실시한 후, 얕은 기초 및 지표 침하를 측정하였다. 얕은 기초 및 지표침하의 계측값은 Volume loss가 증가함에 따라 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 얕은 기초의 침하량이 지표침하에 비해 크게 발생하는 것을 Fig. 9에서 확인할 수 있었다. Case B-1의 경우, Volume loss 5%, 10%, 18%일 때의 기초 침하는 각각 1.
실내 모형 시험 결과, 지하수위가 저하할수록 기초 및 지표침하 발생이 증가하였다. 일반적인 사질토 지반에 서의 터널굴착으로 인한 최대 체적 손실인 Volume loss 5%에서 Case B의 경우 Case B-1과의 얕은 기초 침하 량과의 비교 결과 Case B-2는 188.5%가 증가한 2.337 mm가 발생하였으며, Case B-3은 282.6%가 증가한 3.505 mm가 발생하였다. Case C의 경우 Case C-1과의 얕은 기초 침하량과의 비교 결과 Case C-2는 188.
13은 수치해석 결과 중 변위 벡터를 나타내고 있다. 전체적인 벡터는 터널 천단부로 집중되며, Case B의경우 Case B-3이 다른 Case에 비해 벡터의 양상이 뚜렷하게 나타나는 경향을 보여준다. Case C의 경우 또한 Case B와 같은 양상을 보여주고 있다.
Case C의 경우 모든 Case에서 실내 모형 시험의 결과는 연계 해석의 결과와 더 가까운 것으로 분석되었으며, 연계해석의 경우 침하량은 각각 115%, 227%, 352% 증가하였다. 즉, 지하수위 저하를 고려한 연계해석이 일반적인 소성해석에 비해 실내모형시험에 유사한 것을 확인할 수 있다.
9)를 이용하여 분석하였다. 최종적으로 지하수위를 저하시켜 목표 지점의 간극수압이 0이 되는 것을 확인하였다. 실내 모형 시험과 수치해석에서 측정된 간극수압의 변화양상은 Fig.
후속연구
4. 추후 기초폭에 따른 지반거동 분석 및 지하수위 저하 속도가 기초 및 지표 침하에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
하지만 본 연구에서는 수치해석과 실내모형시험의 경우, 경향의 유사성에 비하여 정량적인 값은 다소 차이가 발생하였다. 이는 실내모형시험에서 실제 형성된 지반의 투수계수, 불포화특성 등의 차이로 판단되며, 추후 형성된 지반의 투수시험, SWCC곡선 정의 등을 통해 보다 정확한 실내모형시험을 수행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BBM 모델의 수식화를위해 사용하는것은?
이 중 BBM (Barcelona Basic Model)은 대표적인 구성모델이다. BBM 모델의 수식화는 순응력과 흡인력을 사용하며, 흡인력의 증가에 의한 선행압밀하중의 변화를 정의하기 위해 LC (loading-collapse)를 Fig. 1에서 나타낸 항복면을 사용한다(Alonso et al.
연계해석의 장점은 무엇인가?
이러한 한계점을 고려하기 위해서는 연계해석이 필요하다. 연계해석은 수리적 경계조건에 대한 응력의 변화를 고려할 수 있기 때문에 지하수위 저하의 영향을 검토할 수 있으며, 부분적으로 포화된 지반에 서의 변형 및 간극압을 동시에 분석할 수 있다. 본 연구와 같은 지하수위를 고려한 해석의 경우, 불포화 지반에 대한 역학적 해석을 위한 구성모델이 필요하다.
소성해석의 한계는 무엇인가?
소성해석의 경우 압밀을 고려하지 않는 일반적 소성해석을 의미한다. 이러한 해석의 경우 대부분의 실제 지반공학적 해석에 적합하지만, 간극 수압 변화를 고려하지 않는 해석이기 때문에 실제 지반의 거동을 분석하는데 한계가 있으며, 지하수위 저하 효과를 고려할 수가 없다. 이러한 한계점을 고려하기 위해서는 연계해석이 필요하다.
참고문헌 (10)
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