[논문]3차원 유한요소해석을 통한 shield TBM 터널 근접시공에 의한 인접 단독말뚝의 거동에 대한 연구

전영진; 전승찬; 전상준; 이철주

doi:10.9711/ktaj.2020.22.1.023

3차원 유한요소해석을 통한 shield TBM 터널 근접시공에 의한 인접 단독말뚝의 거동에 대한 연구
A study on the behaviour of pre-existing single piles to adjacent shield TBM tunnelling from three-dimensional finite element analyses 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.1, 2020년, pp.23 - 46

전영진 (강원대학교 토목공학과) , 전승찬 (강원대학교 토목공학과) , 전상준 (강원대학교 토목공학과) , 이철주 (강원대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 터널 근접 시공으로 인한 기 존재 단독말뚝의 공학적 거동을 파악하기 위하여 터널로부터 말뚝선단의 이격거리와 막장압의 변화를 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석에서는 터널 막장압을 고려하여 말뚝의 거동을 분석하였으며, 터널굴착으로 유발되는 지반침하, 말뚝두부침하, 말뚝축력 및 말뚝-지반 사이의 경계면에서 발생하는 전단응력을 고찰하였다. 말뚝이 터널 크라운(crown) 바로 상부에 위치하고 말뚝선단까지의 수직 이격거리가 0.25D (여기서, D는 터널직경)인 경우 초기 응력의 50%에 해당하는 막장압을 적용할 경우 25%의 막장압을 적용한 것과 비교한 결과 말뚝두부의 침하가 약 38% 감소하였다. 또한, 막장압의 크기가 작을수록 지반침하, 말뚝의 축력 및 말뚝-지반 사이에서 발생하는 전단응력이 증가하며, 말뚝이 터널굴착 영향권 밖에 존재할 경우 말뚝에는 압축력 형태의 축력이 발생하였다. 따라서 막장압의 크기 및 터널-말뚝선단의 상대위치는 지반 침하와 말뚝 침하에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 수행된 연구결과의 경우 기존에 보고된 연구결과를 바탕으로 비교분석을 실시하였으며, 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 심도 있게 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the current work, a series of three-dimensional finite element analyses have been carried out to understand the behaviour of pre-existing single piles to adjacent tunnelling by considering the tunnel face pressures and the relative location of pile tips with respect to the tunnel. The numerical modelling has analysed the effect of the face pressures on the pile behaviour. The analyses concentrate on the ground settlements, the pile head settlements, the axial pile forces and the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. The head settlements of the pile (the vertical distance between the pile and the tunnel: 0.25D, where D is the tunnel diameter) directly above the tunnel crown with the face pressure 50% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline decreased by about 38% compared to corresponding settlements with a face pressure 25% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline. Furthermore, it was found that the smaller the face pressure, the larger the tunnelling-induced ground movements and the axial pile forces were and the higher the degree of the shear strength mobilisation at the pile-soil interface. When the piles were outside the tunnel influence zone, compressive pile forces were developed due to tunnelling. It has been found that the ground settlements and the pile settlements are heavily affected by the face pressures and the position of the pile tip relative to the tunnel. In addition, the computed results have been compared with relevant studies previously reported in literature. The behaviour of the piles has been extensively examined and analysed by considering the key features in great detail.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. A cross section showing tunnels and the adjacent piles (Selemetas and Standing, 2017)
그림 Fig. 2. A representative 3D finite element mesh used in the current study (pile centre is located at Y/D = 3.5, D: tunnel diameter)
그림 Fig. 3. Sectional view and location of pile tips assumed in the current study
그림 Fig. 4. Modelling of shield TBM tunnelling and application of tunnel face pressure
표 Table 1. Summary of numerical analyses (D: tunnel diameter)
표 Table 2. Material parameters assumed in the numerical modelling
그림 Fig. 5. Relation of axial pile forces and pile head settlements
그림 Fig. 6. Distributions of normalised axial pile forces with depth (W_p = 0D, FP50)
그림 Fig. 7. Distributions of normalised tunnelling-induced axial pile forces with depth (W_p = 0D, FP50)
그림 Fig. 8. Distributions of normalised tunnelling-induced axial pile forces with depth (T_p = 0.25D, L_p = 20 m)
그림 Fig. 9. Distributions of interface shear stresses with depth (W_p = 0D, FP50)
그림 Fig. 10. Distributions of tunnelling-induced interface shear stresses with depth (W_p = 0D, FP50)
그림 Fig. 11. Distributions of tunnelling-induced interface shear stresses with depth (T_p = 0.25D, L_p = 20 m)
표 Table 3. Computed maximum pile head settlement and maximum axial pile forces
그림 Fig. 12. Distributions of normalised pile head and soil surface settlements with tunnel advancement (W_p = 0D, FP50)
그림 Fig. 13. Distributions of normalised ground and pile head settlements with tunnel advancement (T_p = 0.25D, L_p = 20 m)
그림 Fig. 14. Distributions of relative displacements with depth (T_p = 0.25D, L_p = 20 m)
그림 Fig. 15. Distributions of tunnelling-induced relative displacements at the pile-soil interface with depth (W_p = 0.25D, L_p = 20 m) (δ_pile: tunnelling-induced pile settlements, δ_soil: tunnelling-induced soil settlements at the pile-soil interface)
그림 Fig. 16. Pile/Surface settlement ratio calculated on current works and reported on literature (Dias and Bezuijen, 2014b)
그림 Fig. 17. Axial pile stresses from the current works and reported in literatures (Dias and Bezuijen, 2014b), S: Selemetas et al. (2005) [F: Feng et al. (2002), L: Lee and Chiang (2007), C: Current study]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널시공은 지반의 침하를 유발하여 어디에 영향을 미치는가?	최근 도심지에서 기 존재하는 말뚝 기초에 근접하여 다양한 터널시공이 이루어지고 있으며, 이러한 터널시공은 지반의 침하를 유발하여 말뚝의 공학적 거동에 영향을 미치게 된다(Lee, 2012a). 또한, 현재까지 수행되어온 기 연구성과에 의하면 터널시공은 터널 주변지반의 침하를 필연적으로 발생시키며 이로 인해 터널과 인접한 말뚝에는 변형이 유발되고 축력분포 역시 변하게 되어 말뚝의 사용성에 큰 영향을 받는다고 보고되었다(Lee, 2012a).
	막장압의 크기 및 터널-말뚝선단의 상대위치가 지반 침하와 말뚝 침하에 영향을 주는 이유는 무엇인가?	수치해석에서는 터널 막장압을 고려하여 말뚝의 거동을 분석하였으며, 터널굴착으로 유발되는 지반침하, 말뚝두부침하, 말뚝축력 및 말뚝-지반 사이의 경계면에서 발생하는 전단응력을 고찰하였다. 말뚝이 터널 크라운(crown) 바로 상부에 위치하고 말뚝선단까지의 수직 이격거리가 0.25D (여기서, D는 터널직경)인 경우 초기 응력의 50%에 해당하는 막장압을 적용할 경우 25%의 막장압을 적용한 것과 비교한 결과 말뚝두부의 침하가 약 38% 감소하였다. 또한, 막장압의 크기가 작을수록 지반침하, 말뚝의 축력 및 말뚝-지반 사이에서 발생하는 전단응력이 증가하며, 말뚝이 터널굴착 영향권 밖에 존재할 경우 말뚝에는 압축력 형태의 축력이 발생하였다. 따라서 막장압의 크기 및 터널-말뚝선단의 상대위치는 지반 침하와 말뚝 침하에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
	터널시공이 말뚝에 미치는 영향은 무엇인가?	최근 도심지에서 기 존재하는 말뚝 기초에 근접하여 다양한 터널시공이 이루어지고 있으며, 이러한 터널시공은 지반의 침하를 유발하여 말뚝의 공학적 거동에 영향을 미치게 된다(Lee, 2012a). 또한, 현재까지 수행되어온 기 연구성과에 의하면 터널시공은 터널 주변지반의 침하를 필연적으로 발생시키며 이로 인해 터널과 인접한 말뚝에는 변형이 유발되고 축력분포 역시 변하게 되어 말뚝의 사용성에 큰 영향을 받는다고 보고되었다(Lee, 2012a). 이러한 문제를 해결하기 위해 수치해석 연구, 이론적 연구, 실내모형실험 및 원심모형실험 연구와 같은 많은 연구들이 수행되었다(Jacobsz, 2002; Pang, 2006; Cheng et al.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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