[논문]수치해석을 이용한 대형원형강재 가물막이의 침투유량 분석

김성렬

doi:10.7843/kgs.2018.34.10.51

수치해석을 이용한 대형원형강재 가물막이의 침투유량 분석
Numerical Investigation on Seepage Discharge Inside a Cylindrical Cut-off Wall 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.10, 2018년, pp.51 - 60

(동아대학교 토목공학과) , (동아대학교 토목공학과) , 김성렬 (서울대학교 건설환경공학부)

초록
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최근 해상 작업을 위한 새로운 시공기술로서 대형원형강재 가물막이 공법이 제안되었다. 본 구조물은 원형 형상의 가물막이이기 때문에 가물막이의 형상에 따른 침투해석 연구가 필요하다. 그러므로, 본 연구에서는 흐름해석을 수행하여 원형 가물막이에 대하여 벽체 내부로의 침투 유량을 산정하였다. 흐름해석에 이용된 수치모델링은 2열의 널말뚝을 가진 가물막이에 대하여 제안된 이론해와 비교하여 검증하였다. 흐름조건의 경우 축대칭 흐름조건의 침투유량이 2차원 흐름조건의 침투유량과 비교하여 1.55배 크게 나타났으므로 2차원 축대칭 흐름조건을 적용하였다. 벽체 반경, 벽체의 지중 근입깊이 그리고 벽체 내외부의 수위차 등을 변화시키며 변수연구를 수행한 결과, 침투유량은 벽체의 근입깊이와 벽체 반경이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 최종적으로, 대형원형강재 가물막이의 침투유량을 산정할 수 있는 간이식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a cylindrical cut-off wall was proposed as a new technology for temporary offshore works. The cut-off wall has a cylindrical shape, so seepage analyses are necessary to analyze the effect of wall shape. In this study, a numerical analysis was performed to investigate the seepage discharge inside cut-off walls. The numerical modeling was verified by comparing with the theoretical solution for the cofferdam with double sheet piles. Two different flow conditions were compared between 2-dimensional flow and axisymmetric flow. The results showed that the discharge of the axisymmetric flow was about 1.55 times larger than that of 2-dimensional plain flow. A parametric study was carried out by varying wall radius, penetration depth of the wall, and total head difference between in and outside of the wall. The discharge decreased with the increase of the penetration depth and the wall radius. Finally, the design equations were suggested to determine the discharge for the preliminary design of the cylindrical cut-off wall.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Installation procedure of a cylindrical cut-off wall (Vicent et al., 2017)
그림 Fig. 2. Model parameters of cylindrical cut-off wall
표 Table 1. Analysis cases in the study
그림 Fig. 3. Analysis section of verification case (unit: m)
그림 Fig. 5. Contours of discharge velocity according to flow conditions (R=8m, d=8m, h=20m)
그림 Fig. 4. Comparison of pore water pressures between FE and analytical solutions
그림 Fig. 6. Comparison of discharge velocities with flow conditions (R=8m, d=8m, h=20m)
그림 Fig. 7. Discharge under various flow conditions (R/h_m=0.8, h/h_m=1.0)
그림 Fig. 8. Variation of discharge with penetration depth
그림 Fig. 9. Discharge Q₀ according to head difference
그림 Fig. 10. Definition of discharge Q₁ values
그림 Fig. 11. Definition of discharge Q₁ according to penetration depth
그림 Fig. 12. Discharge according to wall radius
그림 Fig. 13. Definition of discharge-head gradient M
표 Table 2. Comparison of discharge between FEM and Prediction (m³/sec)
그림 Fig. 14. Estimation of optimal penetration depth using tangent intersection method
그림 Fig. 15. Relationship between piping stability and discharge (h/h_m=1)

AI 본문요약
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문제 정의

(2) 본 연구에서는 대형원형강재 차수벽체 내부로 유입 되는 침투유량을 산정할 수 있는 간이 설계식을 제안하였다. 본 식은 대형원형강재 가물막이의 직경과 지반 근입깊이, 그리고 수위차를 모두 고려할 수 있다.
본 연구에서는 침투유량의 간이 산정식을 제안하였다. 본 연구에서 고려한 침투유량 영향변수는 벽체 내외부 수두차 비 h/h_m, 근입깊이비 d/D, 벽체 직경비 R/h_m이다.
본 연구에서는 침투해석을 수행하여 대형원형강재 가물막이의 육상화 시공에 필수적인 벽체 내부로의 침투 유량 산정에 대하여 연구하였다. 침투유량 산정은 파이핑 안정성 평가 및 배수용량 설계 등을 위해 필요하다.

가설 설정

벽체와 좌우 경계면까지의 거리는 예비해석을 통해 흐름해석 결과에 영향을 주지 않도록 결정하였다. 가물막이 내부의 수위는 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다. 요소망의 크기는 흐름이 집중되는 가물막이 벽체 근처에서 더 조밀하게 작성하였다(Vicent et al.
본 연구에서는 흐름해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus 프로그램(Simulia, 2012)을 이용하였다. 그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다. 지반은 축대칭 흐름에 대하여 4절점 축대칭 응력-간극수압 연계요소(CAX4P)와 평면 흐름조건에 대하여 4절점 평면변형률 응력-간극수압 연계요소(CPE4P)로 모델링하였다.
이 때, 대형원형강재 가물막이에 적용가능한 벽체 외부의 최대수위 h_m=20m로 가정하였다. 그리고, 침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다. 벽체 내외부 수위차 h는 5, 10, 15, 20m, 벽체 반지름 R은 4, 8, 12, 16m, 그리고 벽체 근입깊이 d=4, 8, 12, 24, 32m의 값을 적용하여 총 96가지 경우에 대한 흐름해석을 수행하였다.
여기서, d/D는 토층두께에 대한 가물막이의 지중 근입깊이 비, R/h_m 은 벽체 외부의 최대 가능수위에 대한 가물막이 반경 비, 그리고 h/h_m는 벽체 외부의 최대 가능수위에 대한 벽체외부 수위 비를 의미한다. 이 때, 대형원형강재 가물막이에 적용가능한 벽체 외부의 최대수위 h_m=20m로 가정하였다. 그리고, 침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다.

제안 방법

(1) 2차원 조건과 축대칭 조건의 흐름조건에 따른 침투 유량을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도는 2차원 흐름조건과 비교하여 벽체 바깥에서는 느리지만 벽체 내부로 오면서 2차원 흐름 조건의 약 1.
(2017)는 Tanake et al.(2000)의 연구를 토대로 흐름조건이 파이핑 안정성에 미치는 영향을 분석 하였다. 그리고, 대형원형강재 가물막이의 다양한 조건 (벽체 직경, 지중 근입깊이, 수위 차 등)에 대한 변수연구를 수행하여 대형원형강재 가물막이의 침투 거동을 분석하고 파이핑 안전율을 산정할 수 있는 간이도표를 제안한 바 있다.
(4) 대형원형강재 가물막이의 파이핑 안전율과 침투유량 관계를 함께 분석하였다. 그 결과, 벽체 근입깊이가 증가할수록 침투유량이 감소하고 파이핑 안전율이 증가하였으며, 벽체 반경이 증가할수록 파이핑 안전율과 침투유량은 함께 증가하였다.
그리고, 흐름해석만을 수행하였기 때문에 벽체와 지반의 변형은 고려하지 않았다. 가물막이와 흙이 맞닿는 부분 그리고 전체 해석 영역의 좌우 경계면과 하단에 대하여 불투수 경계조건을 적용하였다. 벽체와 좌우 경계면까지의 거리는 예비해석을 통해 흐름해석 결과에 영향을 주지 않도록 결정하였다.
대형원형강재 가물막이는 원형형상을 가지고 있어 물의 흐름이 내부로 집중되므로 일반적인 2차원 흐름조건을 적용하기 어렵다. 그러므로, 흐름조건에 따른 해석 결과 차이를 분석하였다.
그리고, 침투가 발생하는 토층의 두께 D=40m로 가정하였다. 벽체 내외부 수위차 h는 5, 10, 15, 20m, 벽체 반지름 R은 4, 8, 12, 16m, 그리고 벽체 근입깊이 d=4, 8, 12, 24, 32m의 값을 적용하여 총 96가지 경우에 대한 흐름해석을 수행하였다.
가물막이와 흙이 맞닿는 부분 그리고 전체 해석 영역의 좌우 경계면과 하단에 대하여 불투수 경계조건을 적용하였다. 벽체와 좌우 경계면까지의 거리는 예비해석을 통해 흐름해석 결과에 영향을 주지 않도록 결정하였다. 가물막이 내부의 수위는 지표면과 일치하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 침투유량의 간이 산정식을 제안하였다. 본 연구에서 고려한 침투유량 영향변수는 벽체 내외부 수두차 비 h/h_m, 근입깊이비 d/D, 벽체 직경비 R/h_m이다. 본 영향변수들을 모두 고려하는 침투유량 산정식을 제안하기 위하여 각 변수가 침투유량에 미치는 영향을 순차적으로 고려하였다.
본 연구에서는 변수연구를 수행하여 벽체의 지중 근입 깊이(d), 강재 반경(R), 그리고 벽체 내외부 전수두 차이 (h)에 따른 침투유량의 변화를 분석하였다. 침투유량은 일반적으로 근입깊이가 증가할수록 강재의 직경이 감소할수록 감소하는 경향을 보여준다.
본 연구에서는 사질토 지반에 근입된 대형원형강재 차수벽체에 대한 침투 수치해석을 수행하여 벽체 내부로의 침투유량을 분석하였다. 해석에 고려한 변수는 대형원형강재 가물막이의 직경, 벽체 근입깊이 그리고 벽체 내외부의 수두차이다.
본 연구에서 고려한 침투유량 영향변수는 벽체 내외부 수두차 비 h/h_m, 근입깊이비 d/D, 벽체 직경비 R/h_m이다. 본 영향변수들을 모두 고려하는 침투유량 산정식을 제안하기 위하여 각 변수가 침투유량에 미치는 영향을 순차적으로 고려하였다.
세 번째, 최종적으로 벽체 직경의 영향을 고려하기 위하여 침투유량 Q를 Q₁으로 나누어 직경비 R/h_m 에 대하여 나타내었다. 이 때, 침투유량은 벽체내부의 면적에 비례하므로 직경비 R/h_m 의 제곱항에 대하여 나타내었다.
그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다. 지반은 축대칭 흐름에 대하여 4절점 축대칭 응력-간극수압 연계요소(CAX4P)와 평면 흐름조건에 대하여 4절점 평면변형률 응력-간극수압 연계요소(CPE4P)로 모델링하였다.
2는 본 연구의 가물막이 단면조건을 보여준다. 침투가 발생하는 토층의 두께(D), 벽체 내외부의 수위차(h), 원형벽체의 반지름(R), 벽체 지중근입깊이(d) 등을 변화시키며 변수연구를 수행하였다. 투수 지반은 균질한 등방 조건을 적용하였으며, 토층의 투수계수는 보통 조밀한 모래의 일반적인 값인 k = 10^-4m/sec를 적용 하였다.
침투가 발생하는 토층의 두께(D), 벽체 내외부의 수위차(h), 원형벽체의 반지름(R), 벽체 지중근입깊이(d) 등을 변화시키며 변수연구를 수행하였다. 투수 지반은 균질한 등방 조건을 적용하였으며, 토층의 투수계수는 보통 조밀한 모래의 일반적인 값인 k = 10^-4m/sec를 적용 하였다. 침투유량은 투수계수에 비례하여 선형적으로 증가하므로, 특정 투수계수값을 적용하더라도 침투유량을 투수계수로 나누어 정규화하면 침투유량에 대한 간편식을 제안할 수 있다.
침투유량 산정은 파이핑 안정성 평가 및 배수용량 설계 등을 위해 필요하다. 흐름조건(2차원, 축대칭), 벽체 제원(직경 및 지중 근입깊이), 벽체 내외부 수위차 등 여러 가지 영향변수를 고려한 침투해석을 수행하고, 최종적으로 대형원형 강재의 침투유량을 산정할 수 있는 간이 설계식을 제안 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 사질토 지반에 근입된 대형원형강재 차수벽체에 대한 침투 수치해석을 수행하여 벽체 내부로의 침투유량을 분석하였다. 해석에 고려한 변수는 대형원형강재 가물막이의 직경, 벽체 근입깊이 그리고 벽체 내외부의 수두차이다. 본 연구로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.

데이터처리

본 해석에 이용된 수치모델링을 검증하기 위하여 Craig (2004)에서 제시된 유선망의 간극수압 값과 비교하였다. Fig.

이론/모형

최근, 유선망을 이용한 침투 해석을 수행할 수 있는 다양한 해석 프로그램들이 개발되어 있다. 본 연구에서는 흐름해석을 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus 프로그램(Simulia, 2012)을 이용하였다. 그리고, 내부와 외부의 수위는 항상 일정하며 정상상태(steady state flow) 흐름이 발생하는 것으로 가정하였다.

성능/효과

그러므로, Yousefi et al.(2016)의 연구결과와 본 해석결과를 종합하면 전체 투수층 두께에 대하여 벽체를 최소 0.5D 이상 근입시키면 원형 차수벽체에 대하여 침투유량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것으로 판단된다.
(3) 유출 동수경사는 일반적으로 근입깊이가 증가할수록 감소하는 경향을 보여준다. 근입깊이 증가에 따른 침투유량의 감소폭이 작아지는 최적 근입깊이는 투수층 두께의 0.
(2010)는 모형실험을 수행하여 해양제방의 침투거동을 관찰하였다. 그 결과, 널말뚝의 근입깊이와 제방폭이 커질수록 흐름길이가 길어지면서 침투유량이 감소하는 것을 관찰하였다.
(4) 대형원형강재 가물막이의 파이핑 안전율과 침투유량 관계를 함께 분석하였다. 그 결과, 벽체 근입깊이가 증가할수록 침투유량이 감소하고 파이핑 안전율이 증가하였으며, 벽체 반경이 증가할수록 파이핑 안전율과 침투유량은 함께 증가하였다. 그러므로, 벽체의 침투 안정성을 증가시키려면 벽체 근입깊이를 증가시키는 것이 벽체 반경을 증가시키는 것보다 효과적인 것으로 판단된다.
(1) 2차원 조건과 축대칭 조건의 흐름조건에 따른 침투 유량을 서로 비교하였다. 그 결과, 축대칭 흐름조건의 침투속도는 2차원 흐름조건과 비교하여 벽체 바깥에서는 느리지만 벽체 내부로 오면서 2차원 흐름 조건의 약 1.31배로 급격히 증가하였다. 그리고, 최종적인 침투유량은 2차원 흐름 조건과 비교하여 약 1.
(2016)은 모형실험을 수행하여 널말뚝 근입깊이가 침투유량에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과, 토층 깊이(D)에 대한 널말뚝 근입깊이(d)의 비 (d/D)가 증가할수록 침투유량이 감소하는데 근입깊이 비가 0.43～0.75에서 침투유량의 감소폭이 작아지는 것을 관찰하였다.
그결과, 최적 근입깊이비는 직경비 R/hm = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8에서 각각 0.43, 0.46, 0.47, 0.49로 결정되었다.
벽체 근입깊이가 증가할수록 침투유량이 감소하고 파이핑 안전율이 증가하는 경향을 보여 준다. 그리고, 벽체 반경이 증가할수록 파이핑 안전율과 침투유량은 함께 증가하였다. 이러한 결과는 파이핑 안전율을 증가시키고 침투유량을 감소시켜 가물막이의 안정성을 증가시키려면 근입깊이를 증가시키는 것이 벽체 반경을 증가시키는 것보다 효과적인 것을 알 수 있다.
31배로 급격히 증가하였다. 그리고, 최종적인 침투유량은 2차원 흐름 조건과 비교하여 약 1.55배 크게 나타났다. 그 이유는 축대칭 흐름조건을 적용하면 2차원 흐름조건에 비하여 벽체 중앙부를 향하여 물의 흐름이 집중되고 침투속도가 빨리지면서 침투유량이 증가하기 때문이다.
흐름조건에 관계없이 벽체 근입깊이(d)가 증가할수록 침투유량은 감소하는 경향을 보여준다. 본 해석조건 에서 축대칭 흐름의 침투유량은 2차원 흐름조건과 비교하여 평균 1.55배 큰 것으로 나타났다. 그 이유는 축대칭 흐름조건은 2차원 흐름조건에 비하여 벽체 중앙부를 향하여 물의 흐름이 집중되고 침투속도가 빨라지면서 침투유량이 증가하였기 때문으로 판단된다.
5 범위로 나타났다. 이 결과는 기존의 모형실험 결과와 유사하므로 전체 투수층 두께에 대하여 벽체를 최소 0.5D 이상 근입시키면 원형 차수벽체에 대하여 침투유량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것으로 판단된다.
그리고, 벽체 반경이 증가할수록 파이핑 안전율과 침투유량은 함께 증가하였다. 이러한 결과는 파이핑 안전율을 증가시키고 침투유량을 감소시켜 가물막이의 안정성을 증가시키려면 근입깊이를 증가시키는 것이 벽체 반경을 증가시키는 것보다 효과적인 것을 알 수 있다.

후속연구

본 식은 균질한 투수지반에 설치되는 대형원형강재의 침투유량을 간편하게 산정할 수 있으므로 예비설계 목적으로 유용하게 이용될 수 있다. 다만, 본 결과는 특정 조건에 대한 수치해석 결과이므로, 대형원형강재의 실제 조건을 반영한 정밀한 평가가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형원형강재 가물막이의 중요한 설계 고려사항은?	대형원형강재 가물막이의 중요한 설계 고려사항은 벽체 내부와 외부의 수위차이에 의한 물의 흐름이 발생할 때 기초지반의 파이핑 안정성을 분석하고 벽체 내부로 유입되는 침투유량을 산정하여 실제 시공성을 판단하는 것이 중요하다.
	대형원형강재 가물막이가 경제적인 이유는?	대형원형강재 가물막이는 석션압을 이용하여 지중에 관입시키므로 빠른 시공이 가능하고 별도의 대형 장비가 필요하지 않기 때문에 매우 경제적이다. 또한, 모듈 화된 세그먼트를 연결하여 높이를 자유롭게 조절할 수 있으며, 기초 시공이 완료된 이후의 해체작업도 매우 신속하게 이루어질 수 있다.
	널말뚝 가물막이 공법의 단점은?	기존에 적용되고 있는 해상 가물막이는 대부분 널말뚝 가물막이 공법이다. 이 공법은 시공 및 해체에 많은 비용과 시간이 필요하고, 널말뚝 연결부에서의 차수 문제 등이 발생할 수 있다. 최근, 이러한 재래식 가물막이의 문제점을 해결하고 해상 교량기초의 신속한 시공을 위하여 대형원형강재 가물막이 공법(cylindrical cut-off wall)이 제안되었다.

참고문헌 (10)

Craig, R. F. (2004), Craig's soil mechanics, Taylor and Francis, New York, pp.83-88.
Darcy, H. (1856), Les fontaines publiques de la ville de Dijon: exposition et application... Victor Dalmont.
Graham, J., Pinkney, R.B., Lew, K.V., and Trainor, P.G.S. (1982), "Curve-fitting and Laboratory Data", Canadian Geotechnical Journal Vol.19, pp.201-205.

상세보기
Lopez, N. P., Sanchez, M. A., Auvinet, G., and Pereira, J. M. (2014), "Assessment of Exit Hydraulic Gradients at the Toe of Levees in Water Drawdown Conditions", Proc. of the 7th International Conference on Scour and Erosion, Perth, Australia, pp.171-181. CRC Press.
Ojha, C. S. P., Singh, V. P., and Adrian, D. D. (2003), "Determination of Critical Head in Soil Piping", Journal of Hydraulic Engineering, Vol.129, No.7, pp.511-518.

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Sedghi, A. M., Rahimi, H., and Khaleghi, H. (2010), "Experimental Analysis of Seepage Flow under Coastal Dikes", Experimental Techniques, Vol.34, No.4, pp.49-54.

상세보기
Simulia (2012), ABAQUS user's manual, version 6.12.
Tanaka, T., Hayashi, K., and Yamada, M. (2000), "Seepage Failure of Soil in an Axisymmetric Condition", Proc. of the Geotech-Year 2000, Asian institute of technology, Bangkok, Thailand, pp.665-674.
Vicent, S., Tran, V.A., and Kim, S.R. (2017), "Numerical Investigation on Seepage Stability in Offshore Bucket Cut-off Walls", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.33, No.11, pp. 73-82.
Yousefi, M., Sedghi-Asl, M., and Parvizi, M. (2016), "Seepage and Boiling around a Sheet Pile under Different Experimental Configuration", Journal of Hydrologic Engineering, Vol.21, No.12, 06016015.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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