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제안 방법
- 6(b)와 같이 호퍼(hopper)를 통하여 보다 균질하게 입자를 낙하시킴과 동시에 경계면을 실제 시험과 동일한 50Hz의 주기를 가지는 진동대(vibratory table)로 모사함으로써 그 값들을 획득하였다. 2차원 조건에서 획득한 최대 및 최소간극비를 바탕으로, 식 (1)과 같은 조건이 적용된다는 현상학적 접근법으로 상대밀도를 획득하였다.
- 그러나 실제 대상 지반재료의 입자의 형상 및 입도 분포에 따른 간극의 크기 및 형상의 변화를 고려하지 않았으며 해석 방식 또한 기존의 실내시험과 상이하다. 따라서, 본 연구에서는 함몰 거동 해석과 동일한 입자 형상과 Fig. 8의 입도분포를 가지는 재료에 대해서 2차원 해석에 대해 각각 표준시험법인 ASTM D4253과 D4254를 바탕으로 최대 및 최소간극비 시험을 모델링하여 그 값을 획득하였다.
- 5mm씩 단계적으로 증가시켜 동공의 확장과 붕괴 거동을 관찰하였다. 또한 두가지 함몰 유형에 대하여 각각 조밀하고 느슨한 모델을 생성하여 지반의 상대밀도와 함몰 거동 간의 관계 또한 관찰하였다.
- 본 연구에서는 함몰발생 사례와 영향인자 분석 결과를 토대로 선행연구로 입자의 유실 여부를 통해 분류된 함몰 유형 중 연속 침하 함몰 유형에 대해서 지반의 포화상태에 따라 두가지로 세분하여 개별요소법기반의 수치해석을 수행하였다. 또한 상대밀도의 영향을 확인하기 위해, 각각의 포화상태에서 상대밀도 차이를 둔 모델을 생성하여 함몰 전개 과정을 비교하였으며 미시적인 관점에서의 입자 유실과 함몰 전개 거동 사이의 연관성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 개별요소법 수치해석과 미시적이고 현상학적인 비교를 통하여 지반의 포화상태에 따라 와 로 분류하였으며 각 유형에 대해 상대밀도 차이에 따른 함몰 전개거동을 확인하고 함몰 위험도 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 함몰발생 사례와 영향인자 분석 결과를 토대로 선행연구로 입자의 유실 여부를 통해 분류된 함몰 유형 중 연속 침하 함몰 유형에 대해서 지반의 포화상태에 따라 두가지로 세분하여 개별요소법기반의 수치해석을 수행하였다. 또한 상대밀도의 영향을 확인하기 위해, 각각의 포화상태에서 상대밀도 차이를 둔 모델을 생성하여 함몰 전개 과정을 비교하였으며 미시적인 관점에서의 입자 유실과 함몰 전개 거동 사이의 연관성을 분석하였다.
- 생성된 해석 모델의 실제 현상 반영 여부를 판단하기 위해 함몰 유형별 수치해석 결과와 실내 토조시험 결과의 현상학적인 비교를 수행하였다. Fig.
- 입력된 최대 점착력값은 모사하고자 실내 토조시험과 수치해석간의 현상학적 거동 비교를 통해 가장 유사할 때의 값인 10N의 인장강도와 전단강도 값을 각각 대체 입력하였다. 이외의 접촉 모델에 대한 매개변수들은 기존의 Kim and Park(2017)에 의해 수행된 수치해석에서 적용한 값을 기반으로 토조시험과의 현상학적 거동비교를 통해 그 값을 보정하여 최종적으로 Table 1과 같은 새로운 값을 획득하였다.
- 느슨한 지반의 경우 입자 유실 발생과 함께 즉각적인 지표 침하가 발생하였으나 조밀한 지반은 즉각적인 침하는 관찰되지 않았으며 입자 유실이 발생한 시점에서 약 15초 이후에 지표 침하가 발생하였다. 조밀한 지반에서 지표 침하가 발생하는 시점과 개별요소의 특성 관계를 미시적인 관점에서 분석하기 위해 접촉력 분포를 활용하여 입자 1개당 작용하는 접촉점 개수를 관찰하였다. Fig.
- 지표면이 침하하며 붕괴되는 거동을 보이는 유형은 함몰이 진행되며 즉각적인 지표의 침하가 발생하기 때문에 함몰 위험도 지표로 활용될 수 있는 침하량과 침하의 영향범위를 지반 조건에 따라 분석하여 비교하였다.
- 최대 간극비 시험은 선행 연구와 동일하게 마찰이 존재하는 재료를 자유낙하 시킴으로써 그 값을 획득하였으며 최소간극비는 Fig. 6(b)와 같이 호퍼(hopper)를 통하여 보다 균질하게 입자를 낙하시킴과 동시에 경계면을 실제 시험과 동일한 50Hz의 주기를 가지는 진동대(vibratory table)로 모사함으로써 그 값들을 획득하였다. 2차원 조건에서 획득한 최대 및 최소간극비를 바탕으로, 식 (1)과 같은 조건이 적용된다는 현상학적 접근법으로 상대밀도를 획득하였다.
- <연속침하-a 는', '>는')">>는 모델 내 입자간 점착력을 입력해 주지 않음으로써 포화 지반을 구현하였고 <연속침하-b>는 입자간 최대 점착력을 입력해 주어 불포화 모래지반을 고려하였다. 해석과정으로 초기 지하수위를 모델 높이의 1/10인 1.5mm로 설정하였으며 입자 유실이 더 이상 진행되지 않는 시점에서 지하수위를 1.5mm씩 단계적으로 증가시켜 동공의 확장과 붕괴 거동을 관찰하였다. 또한 두가지 함몰 유형에 대하여 각각 조밀하고 느슨한 모델을 생성하여 지반의 상대밀도와 함몰 거동 간의 관계 또한 관찰하였다.
대상 데이터
- 연속침하 유형의 함몰 과정을 모사하기 위해, Fig. 8과 같이 폭 30mm, 높이 15mm, 유출구 크기는 폭의 1/10인 3mm의 토조 모델을 생성하였다. <연속침하-a 는', '>는')">>는 모델 내 입자간 점착력을 입력해 주지 않음으로써 포화 지반을 구현하였고 <연속침하-b>는 입자간 최대 점착력을 입력해 주어 불포화 모래지반을 고려하였다.
이론/모형
- 개별요소법(Distinct Element Method)은 기본적으로 입자와 벽으로 구성되며 입자의 집합체로 구성되는 모델의 역학적 거동을 평가하는데 활용된다. 본 연구에선 연속적인 입자 유실을 확인하고 이에 따른 함몰 전개 거동을 모사하기 위해 개별요소법 기반의 수치해석 프로그램인 PFC2D를 사용하였다.
- 재료의 포화 또는 불포화상태를 입자 간의 점착력 유무를 바탕으로 구분하고 이를 해석 내에서 구현하기 위해 선형-접촉 결합 모델을 사용하였다. 이 모델은 입자 간의 접촉에서 발생하는 인장력이 입력된 최대 점착력 이하인 경우까지 저항하며 접촉면적이 점으로 계산되기 때문에 회전에 대해서는 저항하지 못한다.
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