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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
9권 2호
초록
지보재의 파괴가 고려된 터널의 안전율을 산정하는 방법으로 숏크리트 내에 발생하는 응력이 허용응력을 초과하면 숏크리트가 파괴된다고 가정하고 전단강도 감소기법을 이용하여 지반과 숏크리트의 파괴를 고려한 안전율을 구하는 방법이 유광호 등(2000)에 의해 제시되 바 있고, 유광호 등(2005)과 한동식 등(2006)에 의해 꾸준히 수정･보완되었다. 본 논문에서는 터널의 안전율을 산정함에 있어 시공단계를 고려할 수 있도록 기존 routine을 수정･보완하였다. 또한, 전단강도 감소기법을 사용하여 연속체요소와 보요소로 숏크리트를 모델링하고, 허용응력설계법에 근거하여 파괴를 판단함으로서 터널의 안전율을 정량적으로 산정하는 기존 연구와의 비교를 통해 적정 숏크리트의 모델링 방법을 제시하고자 한다.
Abstract
method was suggested by You et al. (2000) to calculate safety factor of a tunnel based on numerical analysis with the shear strength reduction technique. In the method, the shotcrete is assumed to fail when its stress exceeds the allowable stress. The proposed method had been steadily developed by You et al. (2005) and Han et al. (2006). In this study, the previous routine was corrected so that tunnel construction sequences could be considered in calculating the safety factor of a tunnel. In addition, a proper way to model shotcrete is to be suggested by comparing with the previous studies.
초록
대형･대단면 터널의 시공시 지반 변형을 억제시키고 지반의 강성을 증가시키며 차수 및 지수를 확보하기 위해 다양한 사전 보강공법들이 굴착전 막장 천단부 전방에 적용되고 있으나 물성치 결정 및 시공단계 해석에 있어서 여러 오류를 안고 있다. 본 연구에서는 탄성파를 이용하여 사전보강영역의 시간 의존적 강도 및 강성 특성을 분석하는 기법을 제시하였다. 실내실험을 통해 획득한 탄성파속도와 전단강도는 경화시간에 따라 증가하며, 전단강도와 전단강도정수는 탄성파 속도와 일정한 관계를 갖는 것으로 분석된다. 재령에 따른 탄성계수와 점착력을 터널의 시공단계에 따른 시뮬레이션에 적용하여 경시효과가 터널 변위 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 해석결과 1～2일 강도 및 강성을 적용한 결과가 경시효과를 고려한 경우와 갱구부에서 유사한 거동을 하며, 특히 초기 시공부분 및 갱구부에서 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석된다. 본 연구에서 제안된 기법을 통해 향후 사전보강영역의 경시효과를 고려한 터널 거동해석을 위해 실내실험과 수치해석을 병용하여 신뢰성 있는 터널 해석 및 설계를 수행하는 것이 바람직 할 것이다.
Abstract
support systems such as the reinforced protective umbrella method have been applied before tunnel excavation to increase ground stiffness and to prevent the large deformation. However, determination procedure of geotechnical parameters along the construction sequence contains various errors. This study suggests a method to characterize the time-dependent behavior of pre-reinforced zones around the tunnel using elastic waves. Experimental results show that shear strength as well as elastic wave velocities increase with the curing time. Shear strength and strength parameters can be uniquely correlated to elastic wave velocities. Obtained results from the laboratory tests are applied to numerical simulation of tunnel considering its construction sequences. Based on numerical analysis, initial installation part of pre-reinforcement and portal of tunnel are critical for tunnel stability. Result of the time-dependent condition is similar to the results of for 1～2 days of the constant time conditions. Finally, suggested simple analysis method combining experimental and numerical procedure which considering time-dependent behavior of pre-reinforced zone on tunnel would provide reliable and reasonable design and analysis for tunnel.
초록
최근 암반구조물의 규모가 점차 대형･대단면화됨에 따라 암반 절리면이 자유면에 노출되는 경우가 빈번하게 발생할 수 있으며 지진, 발파와 같은 외부 동적 하중의 영향을 받을 가능성이 커지고 있으므로 다양한 동적 하중조건 하에서 암반 불연속면의 거동 특성 파악을 위한 연구의 필요성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 전단속도의 변화에 따른 편평한 화강암 전단면의 마찰특성 변화를 알아보고자 다양한 조건하에서 직접전단시험을 수행하였다. 수행한 직접전단시험은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 첫 번째 시험에서는 시험이 수행되는 동안 각각 7가지의 일정한 전단속도로 전단변위가 발생되도록 하여 전단속도에 따른 마찰계수의 변화를 살펴보았으며, 두 번째 시험에서는 전단변위가 발생되는 중간에 3가지 형태의 순간적인 전단속도 변화가 마찰특성에 미치는 영향을 살펴보았다. 수직응력과 전단속도의 변화에 따른 편평한 화강암의 마찰계수 변화는 가해진 수직응력 수준에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 전단속도의 변화가 마찰거동에 영향을 미치기 시작하는 전이속도는 수직응력이 증가함에 따라 낮아지는 것으로 나타났다. 또한 전단속도가 느릴수록 stick-slip 거동에서의 응력 저하 폭이 커지는 경향을 보였다. 순간적인 전단속도 변화에 따른 정상 상태에서의 마찰계수 변화를 살펴본 결과 순간적인 속도의 증가에 따라 마찰계수가 감소하는 속도 연화 현상이 나타났으며, 느린 전단속도에서 전단속도의 변화에 따른 마찰계수의 감소폭이 빠른 전단속도에서의 변화에 따른 감소폭보다 더 큰 경향을 보였다.
Abstract
the probability of rock joints being exposed to free faces is getting higher for the scale of rock mass structures gets larger. Also, the frequency of occurring dynamic events such as earthquakes and blasting has been increasing. Thus, the shear behavior of rock joints under different conditions needs to be investigated. In this study, a series of direct shear tests were carried out under various conditions to examine the velocity-dependent shear behavior of saw-cut rock joints. Two types of direct shear test were carried out. The first was to examine the velocity-dependent shear behavior of saw-cut rock joints at seven different shear velocities, each with three different normal stresses. The second was to examine the shear behavior of saw-cut rock joints when three different instantaneous shear velocities changed. As a result, the coefficient of friction was affected by normal stress. The breakpoint velocity, the point when the change of shear velocity starts to affect the frictional behavior, became lower as normal stress increased. Also, as the shear velocity became lower, the degree of stress-drop on stick-slip behavior became larger. As a result of examining the changes of friction coefficient, velocity weakening (decrease of friction coefficient) was observed. The decrement of friction coefficient due to the changes of shear velocity under slow shear velocity was larger than that under fast shear velocity.
초록
굴착손상영역(EDZ)은 굴착으로 인해 현지 암반이 역학적으로 손상을 입게 되어 응력상태, 변위상태, 암반의 안정성, 지하수의 흐름상태 등에 변화가 일어나는 영역을 의미한다. EDZ의 역학적 특성과 관련한 많은 연구들이 수행되었지만, EDZ에서의 지하수 유동 특성에 관한 연구는 아직 부족한 수준이다. 따라서 본 연구에서는 굴착으로 인해 굴착면 주변의 수리적 간극이 늘어나는 영역을 산정하여 ‘수리적 굴착손상영역’이라 정의하고 이를 위해 수리-역학적 상호작용(coupling)해석을 수행하였다. 이는 개별 불연속면 망의 생성을 통한 역학적, 수리적 변화의 모사가 가능한 개별요소법(discrete element method; DEM)을 이용하여 수행하였다. 이를 통해 EDZ에서 지하수의 흐름에 영향을 미치는 각종 조건들(불연속면의 간극, 불연속면 군의 방향, 불연속면 군의 길이, 불연속면의 각도 등)의 변화와, 응력분포, 지하수의 유동 등으로 인해 수리적 간극 값이 어떻게 변화하는지를 파악하였다. 이 결과를 토대로 수리적 간극이 커지는 영역, 수리적 EDZ를 공동 주변의 불연속면 방향에 수직 방향으로 존재하는 타원형의 형태로 모델링 하였다.
Abstract
excavation damaged zone (EDZ) is an area around an excavation where in situ rock mass properties, stress condition, displacement, groundwater flow conditions have been altered due to the processes induced by the excavation. Various studies have been carried out on EDZ, but most studies have focused on the mechanical bahavior of EDZ by in situ experiment. Even though the EDZ could potentially form a high permeable pathway of groundwater flow, only a few studies were performed on the analysis of groundwater flow in EDZ. In this study, the ‘hydraulic EDZ’ was defined as the rock zone adjacent to the excavation where the hydraulic aperture has been changed due to the excavation by using H-M coupling analysis. Fundamental principles of distinct element method (DEM) were used in the analysis. In the same groundwater level, the behavior of hydraulic aperture near the cavern was analyzed for different stress ratios, initial apertures, fracture angles and fracture spacings by using a two-dimensional DEM program. We evaluate the excavation induced hydraulic aperture change. Using the results of the study, hydraulic EDZ was defined as an elliptical shape model perpendicular to the joint.
초록
원형수직구 벽체에 작용하는 토압은 축대칭 아칭효과로 인하여 평면변형조건의 벽체에 작용하는 토압보다는 작으며, 원형수직구 흙막이벽이나 라이닝 등의 설계를 위해서는 벽체에 작용하는 토압의 정확한 산정이 필요하다. 따라서, 수평 및 연직방향 아칭효과에 의한 토압감소를 고려하고 수직구 벽체 반경에 대한 높이의 비로 정의되는 벽체형상비의 영향을 합리적으로 고려한 토압산정식이 제안되었다. 또한, 모래지반에서 모형실험에 의한 토압이 분석되었다. 제안된 토압산정식에 의한 토압은 벽체반경이 증가하여 벽체형상비가 감소함에 따라 평면변형조건의 토압과 정확히 일치하였으며, 모형실험에 의한 토압분포와 근사한 경향을 나타내었다.
Abstract
earth pressure acting on a circular shaft wall is smaller than that acting on the wall in plane strain condition due to the three dimensional axi-symmetric arching effect. Accurate estimation of the earth pressure is required for the design of the shaft wall. In this study, the stress model considering the decrease of earth pressure due to the horizontal and vertical arching effect and the influence of shape ratio (shaft height/radius) is proposed. In addition, model test on the sandy soil is conducted and a comparison is made between the stress model and the test results. The comparison shows that the proposed stress model is in agreement with test results; decrease of shape ratio (increase of radius) leads to stress state equal to the plane strain condition and approximate stress distribution is found between stress model and model test results.
초록
본 연구에서는 300℃부터 1,000℃까지 100℃간격으로 터널구조물 시공재료별로 목표온도 조건에 따른 중량손실률 및 제반 역학적 특성변화를 측정하였다. 실험 결과, 재료의 역학적 특성이 선형적으로 급격히 저하되는 임계 온도는 300℃정도이고, 급격한 재료 특성 저하 후 거시적인 파괴로 진전되는 임계 온도는 약 600℃라는 것을 파악할 수 있었다. 터널구조물 시공재료별로 목표온도에 따른 역학적 특성변화 결과들을 회귀분석한 결과, Bolzmann함수로 최적 회귀함수를 도출할 수 있었다. 최종적으로 화재 시나리오에 따라 터널구조물에 사용되는 시공재료 내부의 온도분포를 쉽게 추정할 수 있으며, 그에 따른 압축강도 및 탄성계수와 같은 역학적 특성들의 저하 정도도 정량적으로 추정할 수 있는 도표를 제시하였다.
Abstract
study aimed to quantify the deterioration of tunnel structural members such as concrete lining and shotcrete lining after a tunnel fire accident by measuring their mechanical properties between 300℃ and 1,000℃. From the experiments, it was revealed that the critical temperature where mechanical properties start to decrease linearly was approximately 300℃. In addition, the other critical temperature where macro-cracks are induced in specimens was around 600℃. From a series of regression analysis, the optimum regression function with correlation coefficients over 0.99 for mechanical properties at different temperature levels was obtained as the Boltzmann function. Finally, a schematic diagram to estimate temperature distribution inside structural members as well as their mechanical properties at corresponding temperature levels quantitatively was newly proposed for RABT and RWS fire scenarios.
초록
도심지 개착구간의 교통 및 환경적인 영향을 최소화하기 위하여 단면적 200 m2 이상의 정거장터널이 퇴적암반 중에 계획되었으나 토피고가 13m 이하인 설계조건에 직면하게 되었다. 본 연구에서는 패턴설계가 아닌 시공사례와 아칭효과 발현을 기초로 세 가지 요소 – 단면형상의 영향, 작용하중의 적용방법, 지보방안과 터널안정성분석 –를 중심으로 설계방향이 논의되었다. 단면형상의 역학적인 영향에 기초하여 기본설계안과 연구단면안이 유도되었고, 지보방안은 터널천반부의 침하방지 및 역학적인 평형상태를 유지하기위한 파이프루프 보조공법과 NATM의 지보원리를 활용하였다. 두 설계안의 비교분석으로부터, 터널라이닝을 개착구조물의 연장선상에서 제약한 설계조건과 터널안정성 및 철근배근의 시공성에 대해 기본설계안이 적합한 방안임을 확인할 수 있었다. 그리고 동일한 건축한계로 아치부의 응력집중이 발생되지 않는 안정적인 응력분포를 나타내는 연구단면안의 분석결과에서 보듯이 향후 대단면터널 설계기술의 향상을 위해 단면형상의 영향과 이완하중의 적용방안이 심도 있게 검토되어야 함을 알 수 있다.
Abstract
minimizing the effect on the focus of civil traffic and environment conditions related to the excavation at the traffic jamming points, an underground station tunnel was planned with 35.5 m in length and bigger area than 200 m2 in sedimentary rock mass. It faced the case that the overburden was just under 13 m. Not based on a pattern design but on the case histories of similar projects and arching effect, the design of large section tunnel under shallow overburden was investigated on three design subjects which are shape effect on the section area, application method of support pressure, and supporting and tunnel safety. According to the mechanical effect from section shape, a basic design and a preliminary design was obtained, and then supporting method of large section was planned by the supporting of NATM and a pipe roof method for subsidence prevention and mechanical stability. From the comparative study between both designs, it was found that the basic design was suitable and acceptable for the steel alignment of tunnel lining, safety and the design parameter restricted by the limit considered as partition of the excavation facilities. Through the analysis result of preliminary design showing the mechanical stability without stress concentration in tunnel arch level, it also was induced that shape effect of the large section area and yielding load obtained from deformation zone in the surrounding rock mass of tunnel have to be considered as major topics for the further development of design technique on the large section tunnel.
초록
지하수위 아래에 터널이 굴착되면, 지하수가 터널내로 유입되면서 터널 단면에 침투력이 작용하게 된다. 이 침투력은 내압과 터널 내공단면의 변위 관계로 정의되는 지반반응곡선에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 터널내로의 지하수 흐름으로 발생하는 침투력을 정량적으로 평가하였다. 침투력은 터널 주위의 동수경사의 분포를 바탕으로 계산되었으며, 이 결과를 바탕으로, 정상류 흐름일 때 침투력을 고려한 지반반응곡선의 이론해를 유도하였다. 보강이 없는 경우와 전면 접착형 록볼트와 숏크리트 라이닝으로 보강된 경우의 변화가 고려되었다. 본 연구에서 유도된 이론해는 수치해석을 통해 검증되었으며, 다양한 토피고와 지하수위 조건에 따른 지반반응곡선의 변화가 연구되었다. 이를 바탕으로 이론해의 적용한계가 제시되었다.
Abstract
a tunnel is excavated below groundwater table, the groundwater flows into the excavated wall of tunnel and seepage forces are acting on the tunnel wall. Such seepage forces significantly affect the ground reaction curve which is defined as the relationship between internal pressure and radial displacement of tunnel wall. In this paper, seepage forces arising from the ground water flow into a tunnel were estimated quantitatively. Magnitude of seepage forces was decided based on hydraulic gradient distribution around tunnel. Using these results, the theoretical solutions of ground reaction curve with consideration of seepage forces under steady-state flow were derived. A no-support condition and a supported condition with grouted bolts and shotcrete lining were considered, respectively. The theoretical solution derived in this study was validated by numerical analysis. The changes in the ground reaction curve according to various cover depths and groundwater table conditions were investigated. Based on the results, the application limit of theoretical solutions was suggested.
초록
지진 시 지하구조물의 거동은 구조물 자체의 동적 특성 보다는 주변지반의 동적특성에 영향을 받는다. 따라서 구조물을 감싸고 있는 지반의 특성이 구조물의 동적 거동특성을 좌우한다. 본 연구의 목적은 지진시 지하구조물의 동적 거동 및 응답특성(축방향 변형 및 ovaling 변형)을 분석하는 것이다. 지진시 지하구조물의 동적 거동 및 응답특성을 분석하기 위해서 지반조건, 지진조건, 구조물 조건 변화에 따라 구조물에 발생하는 응답을 이론해법을 이용하여 분석하였다. 추가적으로 소규모의 모형 실험체를 이용한 진동대 실험을 수행하여 구조물의 동적거동을 분석하였으며, 이론해를 이용한 해석결과와 비교분석한 결과 경향성이 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
Abstract
behavior characteristics of underground structures are reported as they are not affected by their dynamic characteristics such as surface structures, but by dynamic characteristics of soil and rock surrounding the underground structures. Therefore, dynamic behavior of surrounding soil and rock dominates the dynamic behavior of the underground structure. The purpose of this paper is to analyze the dynamic response (longitudinal deformation and ovaling deformation) of the underground structure under earthquake loading. The dynamic responses of the underground structures were evaluated with varying earthquake conditions, soil conditions, and structural conditions using conventional closed-form solution of seismic behavior of underground structure. In addition, shaking table tests were conducted to simulate the earthquake loading and the dynamic behavior of the model was analyzed.