보고서 정보
주관연구기관 |
대우건설(주) Daewoo Engineering & Construction CO.LTD |
연구책임자 |
김선구
|
참여연구자 |
김성운
,
박중배
,
김유석
,
김성준
,
김흥석
,
김경오
,
정연인
,
석한수
,
전대원
,
김수삼
,
정승용
,
김정환
,
신현영
,
홍상기
,
이송
,
심민보
,
채점식
,
강명찬
,
김태훈
,
박형규
,
김창수
|
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2001-12 |
주관부처 |
건설교통부 |
과제관리전문기관 |
(주)대우건설 |
등록번호 |
TRKO200300002388 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
|
초록
▼
본 연구과제의 연구내용 및 범위를 요약하면 다음과 같다.
1. 연구내용
- 기존 이론과의 비교분석을 통한 수평진공 배수공법의 이론적 정립
- 국내 지반에서 수평진공배수재의 효율성 검토
- 실내 모형실험을 통한 고함수비 상태 하에서 재료의 물리적, 역학적인 특성
- 실내 및 현장 시험을 겸한 시험시공을 위한 시스템 구축
- 대형 토조실험을 통한 수평진공 배수공법의 효과 및 배치간격 확인
- 대형 토조시험에 의한 배수재 및 펌프의 개발 효과 분석
- 배수재와 고효율 진공압 시스템에 의한 지반의
본 연구과제의 연구내용 및 범위를 요약하면 다음과 같다.
1. 연구내용
- 기존 이론과의 비교분석을 통한 수평진공 배수공법의 이론적 정립
- 국내 지반에서 수평진공배수재의 효율성 검토
- 실내 모형실험을 통한 고함수비 상태 하에서 재료의 물리적, 역학적인 특성
- 실내 및 현장 시험을 겸한 시험시공을 위한 시스템 구축
- 대형 토조실험을 통한 수평진공 배수공법의 효과 및 배치간격 확인
- 대형 토조시험에 의한 배수재 및 펌프의 개발 효과 분석
- 배수재와 고효율 진공압 시스템에 의한 지반의 강도특성 변화 분석
- 비선형 Material Function 정립
- 3차원 비선형 압밀 지배방정식 개발
- 비선형 압밀 지배방정식의 수치해석 기법 개발
- 수평배수재+진공압밀 공법을 위한 비선형 압밀해석 Software 개발
- 개발 Software의 검증 및 보완
- 시스템화된 시공을 위한 시공 지침서 작성
2. 연구범위
o 수평진공 배수공법에 대한 기존 연구 및 자료의 조사, 분석
- 배수재 및 진공펌프에 대한 기존 자료 수집 및 분석
- 수평진공 배수공법의 메카니즘 파악과 영향인자 조사
o 국내 지반특성에 적합한 수평진공배수재의 선정 및 개발
- 배수재의 재료특성시험을 통한 적정 수평진공배수재의 비교, 분석
- 배수성능시험을 통해 수평진공배수재에 적합한 코어, 필터의 결정
- 실내모형시험을 통하여 배수재 주변지반의 토질특성변화 파악
o 고효율의 진공압 시스템 구측
- 최적 진공도 및 진공단계에 의한 진공배수효과 분석
- 적정 탈수시간과 진공압의 파악을 위한 실내 모형실험 실시
- 진공압에 의한 Hardening Bone의 영향범위 및 투수계수의 변화특성 파악
o 시험시공 (부지 : 220m×75m×l개소)
- 매설선의 개발 및 배수재 선정
- 진공압 시스템 설계 및 시공성의 확인
- 계측위치 설정
o 수치해석 및 소프트웨어 개발
- 비선형 Material Function 구성
- 진공압밀공법 적용 시 압밀현상 연구
- 비선형 압밀지배방정식의 개발
- 비선형 수치해석 기법 개발
- 비선형 압밀해석 프로그램의 개발
- 개발 Software의 검증 및 보완
o 시스템화된 시공을 위한 시공 지침서 작성
3. 개발기술의 평가방범 및 평가항목
o 수평진공배수공법에 대한 기존의 연구조사 내용에 대한 적정성 평가
o 배수재 특성시험과 분석법 및 시험장치의 제작과 실험 수행결과의 합리성 평가
o 진공압 시스템의 가동성, 효율성에 대한 종합적인 평가
o 대형토조에 의한 공법의 타당성
o 시험시공에 의한 공법의 타당성 (매설선 개발에 의한 시공성 평가)
o 제안된 비선형 Material Function의 타당성 및 기존 연구결과와의 비교, 분석에 의한 신뢰성 여부 판단
o 제안된 3차원 비선형 압밀지배방정식의 유도과정에 있어서의 타당성 및 해석 결과를 통한 신뢰성 검증
o 제안된 비선형 수치해석 기법의 타당성 및 응용성, source code상의 논리적 오류 여부
o 시스템화된 시공을 위한 소프트웨어의 현장 적용성
현재, 국내 준설매립 현장에서 준설토 투기완료 후, 본 공사를 위한 연약지반 처리공법을 실시함에 있어 준설매립지는 지지력이 거이 없어 장비의 주행성 확보를 위해 시멘트계 고화재를 이용한 표층 고화처리공법이나 장시간의 방치에 의한 자연건조 등에 의존하고 있다. 이러한 표층부의 단기적인 강도증진을 위한 방안에 대한 연구가 진행되고 있으나, 효과 및 타당성이 검증되지 않은 상태이다.
따라서 본 연구에서는 수평진공배수공법을 이용하여 준설매립지반 및 초연약지 반을 개량하는데 있어서 설계 및 시공기법을 국내 실정에 맞게 재정립하기 위한 일환으로서, 수평진공배수공법을 현장에 적용하여 지반개량 시 발생하는 문제점들을 파악하고, 실내실험 및 장비개발을 통하여 연구, 분석함으로서 대책을 마련하여, 수평진공배수공법이 연약지반이나 준설매립지반의 개량공사에 대한 기술력을 확보하여 향후 본 공법을 광범위하게 사용할 수 있도록 발전시유효응력(특히 매우 작은 값의 유효응력)에 따른 간극비 및 투수계수의 관계를 표현할 수 있는 Material Function에 관한 기초연구를 수행하며, 실제 수평진공배수시 물 흐름을 포괄하는 평형방정식과 연속방정식 구성을 통한 3차원 비선형 압밀지배방점식을 개발하려고 한다.
또한, 해석결과의 안정성을 유지하며 소정의 정확한 압밀현상 예측을 빠른 시간 안에 계산하기 위하여, Boundary Condition의 영향을 최소화할 수 있는 수치해석기법의 개발을 병행하고자 한다.
개발 Software는 Window interface상에서 손쉬운 입출력과, 다양한 결과처리과정(Post process 회귀분석, 데이터 처리 및 결과 그래프 생성 등)을 포함시킬 것이다. 복잡한 3차원 비선형 해석 시 많은 변수와 방대한 연산과정이 필요하므로 효율적인 연산과 실행시간을 단축시키기 위하여 각종 변수 및 procedure를 Dynamic 기법으로 처리하려 하며, 모든 연산과정에서 사용자의 실수로 발생할 수 있는 각종 논리적인 오류에 관한 Error처리 Procedure를 구성하려 한다.
본 연구에서는 실내에서 대형토조를 이용한 모형실험의 결과와 개발 Software 해석결과에 관한 비교 및 분석을 실시한 후, 실제 현장에서 진행될 시험시공 계측결과와 개발된 개발 Software를 이용한 해석결과에 대하여 비교, 분석을 실시하려고 한다. 두 가지의 비교, 분석과정을 통해 개발된 Software의 알고리즘에 관한 수정 및 보완을 실시하고, 각종 결과처리 및 Sub Module에 대한 수정 및 보완을 실시하여 최종적인 Software 개발 및 검증을 마무리할 것이다.
또한, 개발기술의 평가방법 및 평가항목은
- 실내 및 현장 물성시험의 타당성 분석
- 단위 Cell 형식의 실내실험을 통한 배수재의 통수능 및 Hardening Zone의 영향
- 독창적인 적정펌프의 개발
- 대형 토조실험의 결과에 의한 수평진공 배수공범의 효율성 분석
- 매설선의 개발 및 현장시험시공을 통한 수평진공 배수공범의 시공성 확인
- 수평진공배수공법을 포함한 연약지반의 압밀특성에 대한 모델링의 완성
- 개발프로그램의 독창성 및 완성도를 평가하고자 한다.
Abstract
▼
For this researches, it would establish as follows,
1st establishing by the theoretical basis, following out the development of nonlinear consolidation theory which meets actual phenomenon and analysis software which uses nonlinear consolidation theory and selection the drain, vacuum system by ti
For this researches, it would establish as follows,
1st establishing by the theoretical basis, following out the development of nonlinear consolidation theory which meets actual phenomenon and analysis software which uses nonlinear consolidation theory and selection the drain, vacuum system by tile laboratory test, and analyses on the application, vacuum consolidation effects and relation between time-settlement and strength for the laboratory modelling test, 3rd development of the drain, suitable vacuum system and pump of the unit cell test in the laboratory.
And finally it estimates analysis software which uses nonlinear consolidation theory with above all. Lateral vacuum consolidation method carried out for surface strengthening by rapid consolidation settlement is experiences large range of effective stress in the view of initial condition and rapid progress of consolidation phenomenon .
Therefore, for the prediction on the nonlinear consolidation, the material function which expresses the variety of effective stress-void ratio-permeability relation is to be formed at first and it is necessary to perform basic research related to this.
After deciding material function, three dimension nonlinear governing equation which includes this and can express real phenomenon considered the three dimensional water flow, in surface strengthening by lateral vacuum consolidation method is necessary.
As a result, it is said that three dimensional governing equation should Include the equilibrium and constitutive equation which considers actual water flow in lateral drain on the basis of material function.
For the prediction on consolidation phenomenon at real site applied lateral vacuum consolidation, it is need to develop numerical method and software using the developed three dimensional nonlinear governing equation. And when we predict these three dimension nonlinear consolidation phenomenon, to overcome the defect in acquiring reliability which is related to solution accuracy raised due to assuming the boundary condition overly in conventional analysis, it is necessary to advance or application on the analysis method.
목차 Contents
- 제 1장 서 론 ... 59
- 제 1절 연구배경 및 필요성 ... 59
- 제 2절 연구범위 ... 61
- 제 2장 국내외 기술개발 현황 ... 66
- 제 1절 국내 기술개발 현황 ... 66
- 제 2절 국외 기술개발 현황 ... 66
- 제 3절 기술동향 분석 결론 ... 71
- 제 3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 72
- 제 1절 수평진공압밀의 이론적 정립 ... 72
- 1. 진공압밀 공법 ... 72
- 1.1 공법의 개요 ... 72
- 1.2 공법의 원리 ... 73
- 1.3 수평진공 배수공법 ... 75
- 2. 비선형 3차원 지배 방정식 ... 76
- 2.1 좌표계의 설정 ... 76
- 2.1.1 Eulerian 좌표계 ... 76
- 2.1.2 Lagrangian 좌표계 ... 78
- 2.1.3 Reduced(Material) 좌표계 ... 79
- 2.1.4 좌표계의 변환 ... 80
- 2.2 3차원 유한 변형률 압밀이론 ... 81
- 2.2.1 평형관계 (Equilibrium Relationship) ... 82
- 2.2.2 연속방정식 (Continuity Equations) ... 83
- 2.2.3 Modified Darcy′s Law ... 84
- 2.2.4 지배미분 방정식 (Governing Differential Equation) ... 85
- 3. 비선형 Material function ... 90
- 3.1. 유효응력-공극비의 관계 ... 90
- 3.2 간극비-투수계수의 관계 ... 93
- 4. 경계조건 ... 94
- 4.1 해석조건 개요 ... 94
- 4.2 전토층에 대한 초기 간극비 (Initial void ratio through the soil layer) ... 96
- 4.3 경계조건 ... 97
- 4.3.1 상부 표면에서의 공극비 (void ratio at upper surface, z:0) ... 97
- 4.3.2 하부면의 공극비 (z=L) ... 97
- 4.3.3 경계부 조건 (void ratio at boundaries of four sides of unit cells) ... 99
- 4.3.4 배수재 경계부의 간극비 ... 100
- 4.4 침하와 시간관계 ... 100
- 제 2절 실내시험을 통한 재료의 특성 ... 102
- 1. 시험대상 배수재 ... 102
- 2. 재료의 강도특성 시험 ... 103
- 2.1 필터의 강도시험 방법 및 조건 ... 107
- 2.1.1 펄터재의 인장강도시험 ... 107
- 2.1.2 펄터재의 인열강도시험 ... 110
- 2.1.3 펄터재의 파열강도시험 ... 112
- 2.2 강도시험결과 ... 114
- 2.2.1 필터재의 인장강도 ... 114
- 2.2.2 펄터재의 인장강도 ... 118
- 2.2.3 필터재의 파열강도 ... 121
- 3. 필터의 유효구멍(EOS : Effective Opening Size)시험 ... 122
- 3.1 이론적 평가방법 ... 122
- 3.2 육안분석법 ... 122
- 3.3 건식 체분석법 ... 123
- 3.4 습식 체분석법 ... 125
- 3.5 수리동역학적 방법 ... 128
- 3.6 유효구멍 크기에 대한 평가방법의 비교 ... 128
- 3.7 유효구멍 크기시험 결과 ... 130
- (1) 건식체분석법 ... 130
- (2) 수리동역학적 방법 ... 133
- 4. 필터의 막힘시험 ... 137
- 4.1 필터 링 특성에 대한 이론적 고찰 ... 137
- 4.1.1 Geotextile의 필터 이론 ... 138
- 4.1.2 투수성 ... 144
- (1) 연직투수성 (통수성) ... 144
- (2) 평면투수성 (전수성) ... 147
- (3) 투수성에 영향을 미치는 요소 ... 149
- 4.1.3 Soil-Geotextile System에서의 필터거동과 세립토의 이동유형 ... 152
- 4.1.4 필터의 구조 ... 154
- 4.1.5 Filtration 메카니즘 ... 155
- (1) 막힘(clogging) 현상 ... 155
- (2) Bridging 구조형성 ... 158
- 4.2 시험 장치 ... 161
- 4.3 시험방법 및 조건 ... 162
- 4.4 시험결과 ... 164
- 5. 통수능력시험 ... 166
- 5.1 시험장치 및 구성 ... 167
- 5.2 통수능시험조건 산정을 위한 이론적 고찰 ... 168
- 5.3 시험 방법 및 조건 ... 173
- 5.4 시험 결과 ... 175
- 5.4.1 멤브레인 구속시험 결과 ... 175
- 5.4.2 점토구속시험 결과 ... 182
- 5.4.3 현장타설 배수재의 점토구속시험 결과 ... 189
- 5.4.4 결과의 비교 ... 195
- 6. 현장 시험시공에 사용된 필터재의 내구성 ... 198
- 6.1 인장강도실험 결과 ... 200
- 6.2 인열강도실험 결과 ... 203
- 6.3 파열강도실험 결과 ... 205
- 6.4 유효구멍크기실험 결과 ... 206
- 6.5 필터의 연직방향 투수성실험 결과 ... 211
- 7. 소 결 ... 212
- 제 3절 수평진공배수공법을 이용한 실내압밀시험 ... 214
- 1. 수평배수재를 적용한 실내압밀시험 ... 214
- 1.1 중형토조시험 ... 214
- 1.1.1 대상시료의 특성 ... 214
- 1.1.2 시험기기 및 조사방법 ... 215
- 1.1.3 시험방법 및 절차 ... 218
- 1.1.4 시험결과 및 분석 ... 219
- 1.2 압밀도 산정 ... 235
- 1.3 함수비 분포 및 콘 관입저항 ... 242
- (1) 함수비 분포 ... 242
- (2) 강도분포 ... 250
- 2. 수평배수재를 적용한 대형 실내 압밀시험 (I) ... 269
- 2.1 실험개요 ... 269
- 2.2 실험장비 ... 270
- 2.3 실내 실험의 재원 ... 271
- 2.4 실험조건 및 방법 ... 272
- 2.5 실험결과 ... 274
- 2.5.1 실내 토성시험 ... 275
- 2.5.2 실내 모형실험 ... 275
- 3. 수평배수재를 적용한 대형 실내 압밀시험 (II) ... 289
- 3.1 실험개요 ... 289
- 3.2 실험조건 및 재원 ... 289
- 3.3 실험결과 ... 291
- 3.3.1 실내 토성시험 ... 291
- 3.3.2 실내 물성시험 ... 291
- 4. 소 결 ... 296
- 제 4절 수평진공 배수공법에 의한 현장 시험시공 ... 301
- 1. 시공계획 및 설계 ... 301
- 1.1 시공단면 실정 ... 302
- 1.2 시공장비 ... 303
- 1.2.1 진공압 시스템 ... 303
- 1.2.2 매설선 ... 305
- 1.2.3 수평 배수재 ... 306
- 1.2.4 시공 전 준비사항 ... 308
- 2. 시 공 ... 310
- 2.1 수평 배수재 설치 ... 311
- 2.2 진공막 설치 ... 313
- 2.3 진공압 가동 및 배수 ... 314
- 2.4 계측 및 지반조사 ... 316
- 2.4.1 계측 ... 316
- 2.4.2 지반조사 ... 318
- 3. 실험결과 ... 319
- 3.1 작용 진공압의 분포 ... 319
- 3.2 배출수량 ... 323
- 3.3 침하량 ... 324
- 3.4 함수비 ... 326
- 3.5 비배수 전단강도 ... 328
- 3.5.1 Vane 전단시험 ... 328
- 3.5.2 삼축압축시험 (UU-test) ... 333
- 4. 장비 주행성 시험 ... 336
- 4.1 평가 방안 ... 336
- 4.2 주행성 시험 장비 선정 ... 337
- 4.3 주행성 시험 준비 작업 ... 338
- 4.4 주행성 평가 구간의 단면 설정 ... 339
- 4.5 주행성 시험 결과 ... 340
- 5. 소 결 ... 341
- 제 5절 수치해석 및 해석프로그램 개발 ... 343
- 1. 지배 방정식의 차분화 ... 343
- 2. 초기 및 경계조건의 차분화 ... 347
- 2.1 초기조건 ... 347
- 2.2 경계조건 ... 347
- 3. 해석 프로그램의 개발 ... 349
- 3.1 개요 ... 349
- 3.2 해석 프로그램 ... 350
- 3.2.1 프로그램의 구성 및 순서도 ... 350
- 3.2.2 Define Project 단계 ... 352
- 3.2.3 Calculation 단계 ... 354
- 3.2.4 후처리 과정 단계 ... 354
- 3.3 수평진공 배수공법의 효과 분석 ... 356
- 3.3.1 평균압밀도에 따른 심도별 간극비 분포 ... 356
- 3.3.2 평균압밀도에 따른 심도별 유효응력 분포 ... 358
- 3.3.3 평균압밀도에 따른 심도별 간극수압분포 ... 359
- 3.3.4 평균압밀도에 따른 심도별 압밀도 분포 ... 361
- 3.4 배수재 배치형태에 따른 영향분석 ... 362
- 3.4.1 실험개요 ... 362
- 3.4.2 실험결과 분석 ... 363
- 3.4.3 배수재 수평타설간격의 영향 ... 374
- 3.4.4 배수재 수직설치 간격의 영향 ... 375
- 3.5 현장시공 모델링 ... 377
- 4. 소 결 ... 380
- 제 6절 결 론 ... 382
- 제 4장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 ... 387
- 제 1절 연구개발 목표 달성도 ... 387
- 1. 연구개발 추진체계 ... 387
- 2. 연구개발 평가의 착안점 ... 388
- 3. 연구개발의 추진성과 및 목표 달성도 ... 390
- 제 2절 연구개발 대외 기여도 ... 391
- 제 5장 연구개발결과의 활용계획 ... 392
- 제 1절 기존 공법에 대한 대체공법으로의 활용 ... 392
- 제 2절 국가기술력 향상에 기여 ... 392
- 제 6장 참고문헌 ... 394
- 시공지침서 ... 403
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