[논문]지하굴착시 지하수저하에 따른 지반침하 - 수치해석 연구

최고니; 유충식

문제 정의

본 연구에서는 2차원 탄소성 유한요소해석을 통하여 지하굴착시 지하수 저하에 따른 지반침하의 변화경향을 분석하였다. 토사층의 두께와 초기 지하수위의 위치를 변화시키며 매개변수 연구를 수행하고 그 해석결과를 토대로 기존 전응력 해석결과와 연계해석결과를 비교분석하였으며 특정 지반조건와 초기 지하수위의 위치변화에 따른 최대 벽체 변위 및 최대 침하를 평가하는 도표를 제안하였다.
본 절에서는 연계해석시 초기 지하수위의 위치가 굴착단계별 지반침하에 미치는 영향을 분석하기 위하여 초기 지하수위의 위치 변화 영향을 극대화 할 수 있도록 토사층이 가장 넓게 형성된 CASE(H_WR-3(m)) 중 GL-1(m), GL-7(m)인 경우를 대상으로 얻어진 해석결과를 검토하였다.
본 절에서는 연계해석시 토사층의 두께가 굴착단계별 지반침하에 미치는 영향을 분석하기 위하여 토사층 변화를 극대화 할 수 있는 지하수위가 가장 높게 형성된 CASE(GL-1(m)) 중 HWR-3(m), HWR-10(m)인 경우를 대상으로 얻어진 해석결과를 검토하였다.

가설 설정

한편, 지반과 가시설 벽체 사이의 인터페이스 영역은 약 50kN/m 정도의 전단강성을 부여하여 벽체와 지반 사이의 미끄러짐 거동이 발생할 수 있도록 하였다. 재료 모델링에 있어 해석 대상 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준과 비관련흐름 법칙을 따르는 탄소성 재료로 간주하였으며 벽체는 탄성재료로 가정하였다. 또한 해석에 필요한 지반의 강도 정수 및 지보재의 역학적․수리학적 특성은 표 2의 수치를 적용하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 2차원 평면 변형률 유한요소해석을 통하여 지하굴착시 지하수저하에 따른 지반침하를 유효응력의 개념으로 접근하는 응력-간극수압 연계해석(이하 연계해석)을 적용하여 검토하였다. 다양한 지반조건과 초기 지하수위 위치 조건을 적용하여 굴착시 지반거동에 영향을 끼치는 요인들에 대한 매개변수 연구를 수행하였으며 벽체 수평변위, 벽체배면 수평변위 및 침하, 항복영역 분포, 유효응력 분포, 버팀보 축력 분포 등을 분석하여 지하수 유동과 지반변형과의 관계를 분석하였다.
따라서, 본 연구에서는 2차원 평면 변형률 유한요소해석을 통하여 지하굴착시 지하수저하에 따른 지반침하를 유효응력의 개념으로 접근하는 응력-간극수압 연계해석(이하 연계해석)을 적용하여 검토하였다. 다양한 지반조건과 초기 지하수위 위치 조건을 적용하여 굴착시 지반거동에 영향을 끼치는 요인들에 대한 매개변수 연구를 수행하였으며 벽체 수평변위, 벽체배면 수평변위 및 침하, 항복영역 분포, 유효응력 분포, 버팀보 축력 분포 등을 분석하여 지하수 유동과 지반변형과의 관계를 분석하였다.
3m를 굴착하는 형태로 모델링하였으며 본 해석에서 채택한 각 단계별 굴착과정 개요도는 그림 4에 나타나 있다. 벽체는 연암에 1m 근입된 총 길이 22.3m이며 표 1과 같이 토사층의 두께를 0.53H, 0.67H, 0.77H, 0.86H로, 초기 지하수위의 위치를 GL-1, 3, 5, 7(m)로 변화시키며 굴착 조건에 대한 매개변수 연구를 실시하였다.
본 연구에서는 그림 1과 같이 풍화토, 풍화암, 연암 층으로 구성된 지반 조건에 대하여 11단계에 걸쳐 총 21.3m를 굴착하는 형태로 모델링하였으며 본 해석에서 채택한 각 단계별 굴착과정 개요도는 그림 4에 나타나 있다. 벽체는 연암에 1m 근입된 총 길이 22.
5H (H=굴착깊이), 가로방향으로 9H의 크기로 모델링하였고 하부에 연직 및 수평변위를 구속하는 힌지와 양 수직경계에 수평방향 변위를 구속하는 롤러를 설치하였다. 지반 및 벽체는 8절점 가감 적분 응력-간극수압 연계 고체요소(CPE8RP)를 이용하여 모델링하였으며 버팀보는 1절점 스프링요소(SPRING1)를 이용하여 모델링 하였다. 한편, 지반과 가시설 벽체 사이의 인터페이스 영역은 약 50kN/m 정도의 전단강성을 부여하여 벽체와 지반 사이의 미끄러짐 거동이 발생할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 2차원 탄소성 유한요소해석을 통하여 지하굴착시 지하수 저하에 따른 지반침하의 변화경향을 분석하였다. 토사층의 두께와 초기 지하수위의 위치를 변화시키며 매개변수 연구를 수행하고 그 해석결과를 토대로 기존 전응력 해석결과와 연계해석결과를 비교분석하였으며 특정 지반조건와 초기 지하수위의 위치변화에 따른 최대 벽체 변위 및 최대 침하를 평가하는 도표를 제안하였다.
7을 사용하였으며 해석에 사용된 유한요소망은 그림 3과 같다. 해석 단면의 경우 단면의 좌우대칭을 감안하여 반단면 해석을 수행하였으며 세로방향으로 약 1.5H (H=굴착깊이), 가로방향으로 9H의 크기로 모델링하였고 하부에 연직 및 수평변위를 구속하는 힌지와 양 수직경계에 수평방향 변위를 구속하는 롤러를 설치하였다. 지반 및 벽체는 8절점 가감 적분 응력-간극수압 연계 고체요소(CPE8RP)를 이용하여 모델링하였으며 버팀보는 1절점 스프링요소(SPRING1)를 이용하여 모델링 하였다.

데이터처리

해석에는 유한요소해석 범용 프로그램 Abaqus 6.7을 사용하였으며 해석에 사용된 유한요소망은 그림 3과 같다. 해석 단면의 경우 단면의 좌우대칭을 감안하여 반단면 해석을 수행하였으며 세로방향으로 약 1.

성능/효과

▪ 초기 지하수위가 낮게 형성될수록 지하 굴착시 지하수 저하량이 줄어들어 이에 따르는 굴착시 지반 및 벽체 안정성이 증가하는 것으로 나타났으며 벽체 수평변위보다 벽체 배면의 수평변위 및 침하가초기 지하수위 위치의 영향에 민감하게 변화하는 것으로 나타났다. 벽체의 최대 수평변위는 토사층이 넓게 분포할수록 초기 지하수위의 영향이 크며 토사층두께가 전체 굴착깊이의 약 50%이하일 경우 초기 지하수위의 영향이 거의 발생하지 않는 것으로 판단된다.
벽체의 최대 수평변위는 토사층이 넓게 분포할수록 초기 지하수위의 영향이 크며 토사층두께가 전체 굴착깊이의 약 50%이하일 경우 초기 지하수위의 영향이 거의 발생하지 않는 것으로 판단된다. 또한 벽체 배면의 변위가 벽체의 수평변위보다 초기 지하수위 위치에 대하여 더욱 민감하게 반응하며 지하수위 위치변화에 대하여 최대 약 2배까지 변위 크기의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
최종 굴착단계에서 H_WR-3(m)인 CASE에서 약 48mm가 발생하는 한편 H_WR-10(m)인 CASE에서는 약 21mm가 발생하여 H_WR-3(m)인 CASE의 44% 정도의 변위가 발생하였다. 벽체 배면의 수평변위 및 침하 또한 토사층이 얇게 분포할수록 변위가 줄어드는 경향을 보이는데 수평변위의 경우 73% 및 침하량의 경우 71% 수준으로 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 지반형성 조건에 따라 지층별로 투수계수 차이가 존재하기 때문으로 그림 5(b),(d)의 유속벡터를 통한 지하수 흐름 변화 경향을 통하여 분석할 수 있다.
그림 6(a)는 굴착단계별 버팀보의 축력 분포경향을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 H_WR-10(m) 인 CASE가 H_WR-3(m)인 CASE의 평균 87%의 버팀보 축력이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 토사층 두께에 따른 유속벡터 거동 차이로 인하여 지하수저하에 의한 유효응력 분포에 차이가 발생하기 때문으로 사료된다.
이는 토사층 두께에 따른 유속벡터 거동 차이로 인하여 지하수저하에 의한 유효응력 분포에 차이가 발생하기 때문으로 사료된다. 즉, 토사층이 얇게 분포할수록 벽체 좌측에서 우측으로의 침투수압이 낮아지고 벽체 주변의 히빙에 대한 안정성이 증가하기 때문에 버팀보 축력도 줄어드는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
보이는 바와 같이 GL-1(m)와 GL-7(m)인 CASE의 버팀보의 축력 분포는 GL-7(m)인 CASE의 지하수위면을 경계로 분리하여 분석할 수 있다. 지하수위 상부 버팀보 3과 4가 GL-1(m)인 CASE의 버팀보 축력과 거의 같은 크기로 발생하며 지하수위 아래에 위치하는 버팀보 5~10는 GL-1(m)인 CASE의 버팀보 축력의 평균 77%로 감소하여 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 그림 5(c)와 그림 8(c)의 지하수위 저하량을 비교해 볼 때 초기 지하수위를 경계로 유효응력의 재분배가 발생하여 GL-7(m)인 CASE의 지하수위 아래 굴착면의 유효응력이 크기 때문에 지반의 강도가 더 크게 발현되어 버팀보의 축력이 다소 적게 발생하는 것으로 판단된다.

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