• 대한토목학회논문집
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• 제32권5C호
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• pp.199-210
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• 2012

본 연구에서는 3차원 탄-소성 유한차분해석을 통해 기존재하는 단독말뚝, $3{\times}3$및 $5{\times}5$ 군말뚝의 바로 아래 풍화암 지반에서 실시된 터널시공으로 인한 말뚝의 거동을 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 규명하기 위하여 지반/말뚝의 침하 및 전단응력전이(shear stress transfer) 메커니즘을 심도있게 분석하였다. 터널굴착으로 유발된 지반의 침하와 말뚝-지반 사이 경계면에서의 상대변위 발생으로 인해 말뚝에 작용하는 전단응력 및 축력의 분포가 매우 크게 변화하였다. 계산된 결과에 의하면 터널굴착으로 인해 말뚝의 두부로부터 말뚝길이의 약 80%에 해당되는 위치까지는 상향의 전단응력이 발생하였고, 그 하부에서는 하향의 전단응력이 발생하였다. 이로 인해 말뚝의 축력이 터널의 굴착에 따라 지속적으로 감소하고, 순수한 터널의 시공으로 인하여 말뚝에는 인장력이 발생하였는데 이로 인해 말뚝에는 최대 $0.36P_a$의 인장력이 발생하였다, 여기서 $P_a$는 터널굴착이전에 말뚝두부에 작용하는 설계하중이다. 말뚝의 거동은 경계면에서의 전단강도 발현 정도에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 군말뚝의 경우 일반적으로 말뚝의 숫자가 증가할수록 터널의 시공에 의해 말뚝의 침하가 증가하는 것으로 나타났으며, 이와는 반대로 말뚝의 축력변화는 군효과(shielding effect)로 인해 단독말뚝의 경우에 비해 작은 것으로 분석되었다. 터널굴착으로 인한 말뚝침하의 증가로 인한 겉보기지지력(apparent pile capacity) 감소는 단독말뚝에 비해 군말뚝에서 두드러지는 것으로 분석되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제14권5호
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• pp.529-545
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• 2012

본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 견고한 점토에 기시공되어 있는 단독말뚝의 하부에서 실시된 open face 터널굴착에 의한 말뚝의 거동을 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 규명하기 위하여 지반, 말뚝의 침하 및 전단응력전이 메커니즘을 심도 있게 분석하였다. 터널굴착으로 인해 Greenfield 조건의 지표면의 침하를 크게 초과하는 말뚝침하가 발생하였으며, 말뚝과 인접지반 사이 경계면에서의 전단응력전이현상으로 인해 말뚝에 작용하는 축력의 분포가 매우 크게 변화하였다. 말뚝침하의 증가로 인하여 말뚝의 겉보기지지력(apparent pile capacity)이 약 30% 감소하는 것으로 분석되었다. 터널굴착에 따른 지중응력 및 변형에 의해 말뚝의 마찰력이 증가하는 현상이 발생하고 이에 따라 말뚝의 축력이 터널의 굴착에 따라 지속적으로 감소하였다. 순수하게 터널굴착에 의하여 단독말뚝에는 설계하중의 최대 21%에 상응하는 인장력이 유발되는 것으로 분석되었다. 말뚝은 터널의 시공이 말뚝의 중심에서 종방향으로 ${\pm}1$-2D (D: 터널직경)에서 실시될 때 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 말뚝선단 인근에서는 (-)의 과잉간극수압이 발생하였으며, 말뚝상부 부근에서는 (+)의 과잉간극수압이 발현하였다. 터널굴착에 의한 말뚝의 사용성은 축력변화에 비해서는 말뚝의 침하에 의해 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권1호
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• pp.23-46
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• 2020

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.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제14권4호
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• pp.337-356
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• 2012

본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 사용 중인 단독말뚝 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널굴착에 의한 말뚝의 거동을 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 유발된 말뚝-지반 경계면에서의 전단응력전이를 미끄러짐(slip)을 고려할 수 있는 접촉요소(interface element)를 이용하여 분석하였다. 본 연구는 말뚝-지반경계면에서의 전단응력, 말뚝의 축력 및 지반 및 말뚝의 변형에 대한 분석을 포함한다. 탄성이론에 근거한 기존의 연구는 말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자들을 적절히 고려하지 못하여 말뚝의 거동을 명확하게 분석할 수 없는 것으로 나타났다. 터널굴착으로 유발된 말뚝-지반 사이에서의 전단응력전이로 인하여 말뚝인접 지반의 전단응력 및 말뚝의 축력분포가 크게 변하는 것으로 나타났는데, 터널 springline 상부에서는 하향의 마찰력이 발생하였으며, 그 하부에서는 상향의 저항력이 발현되어 말뚝에는 압축력이 발생하였다. 경계면에서의 전단응력 발현정도는 말뚝-지반의 상호거동에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 군말뚝의 축력분포에 대한 분석결과 단독말뚝에 비해 터널굴착의 영향을 덜 받는 것으로 나타났다. 터널굴착으로 유발된 말뚝의 침하와 관련된 말뚝의 겉보기 지지력 감소는 크지 않은 것으로 분석되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.389-407
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• 2017

본 연구는 단독말뚝 또는 군말뚝 형태의 기초 하부를 터널이 근접통과할 경우 말뚝의 거동을 파악하기위해 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 이때 터널과 말뚝기초 사이의 지반보강 조건별로 수치해석을 수행하여 결과를 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 인해 유발된 말뚝침하, 축력, 전단응력 및 터널 주변지반의 전체변위를 고찰하였다. 단독말뚝의 두부침하는 지반보강의 범위가 가장 넓은 경우 지반보강을 고려하지 않은 말뚝에 비해 약 16% 감소하며, 말뚝의 최대 축력 또한 지반보강을 고려하지 않은 말뚝에 비해 약 30% 감소하는 것으로 분석되었다. 터널굴착에 따른 말뚝의 거동은 지반보강길이 (종방향 보강)보다는 보강각도(횡방향 보강)에 대해 더 크게 영향을 받는 것으로 분석되었다. 한편 오직 기초판 보강만을 실시한 군말뚝의 경우 선단부근 지반의 변위는 보강을 고려하지 않은 조건의 지반 변위와 비슷하게 나타났다. 이에 비해 말뚝두부에서는 기초판이 말뚝을 크게 구속하여 타 조건 말뚝의 경우에 비해 말뚝상부에서 축력이 약 2.5배 증가하는 것으로 분석되었다. 본 연구를 통해 보강조건에 따른 단독말뚝 및 군말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자를 심도 있게 고찰하였다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제10권5호
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• pp.59-67
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• 2009

본 연구에서는 단독말뚝의 주변에서 실시되는 터널의 굴착이 지반 및 말뚝에 미치는 영향을 3차원 수치해석을 통하여 분석하였다. 수치해석에서는 말뚝과 주변지반 사이에 경계면요소를 이용하여 소성항복 발생조건을 모델링하였다. 수치해석을 통하여 풍화토 및 풍화암에 시공된 터널과 말뚝의 상호거동에 대한 분석을 실시하였다. 수치해석을 통해 말뚝의 침하, 말뚝과 지반 경계면에서의 상대변위, 전단응력 및 말뚝의 축력변화를 분석하였다. 특히 터널의 굴착과 관련된 전단응력의 전이과정에 대한 심도있는 분석을 실시하였다. 터널굴착에 의한 말뚝-지반 경계면에서 상대변위의 변화로 인하여 말뚝에 작용하는 전단응력 및 축력의 분포가 변하게 된다. 말뚝 본체 대부분에서는 상향의 전단응력이 발생하는 반면(Z/L=0.0-0.8), 말뚝선단부근에서는(Z/L=0.8-1.0) 하향의 전단응력이 발생하여 말뚝에 인장력이 발생된다. 수치해석을 통해서 터널굴착이 말뚝 거동에 미치는 영향을 상세하게 분석하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.355-373
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• 2017

도심지에서의 터널굴착은 상부구조물과의 상호거동에 대한 이해가 필수적이다. 도심지에 사용중인 대부분의 구조물은 말뚝기초로 상부의 하중을 지지하고 있어, 터널 굴착 시 반드시 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 실내모형시험을 통해 기존의 군말뚝 기초 하부 터널굴착에 따른 축력 분포와 지반의 거동을 분석하였다. 말뚝 기초는 2, 3 열 말뚝으로 가정되었으며, 말뚝 선단부와 터널 천단부의 이격거리는 터널직경에 대한 일반화를 위해 터널 직경(D) 대비 0.5D, 1.0D 그리고 1.5D로 고려되었다. 지반은 약 30%의 상대밀도(Dr)를 가지는 느슨한 사질토로 형성되었으며, 말뚝의 축력 분포를 측정하기 위해 말뚝에 변형률게이지(strain gauge)를 부착하였다. 또한, 이격거리에 따른 군말뚝의 침하와 인접지반의 침하를 변위센서(linear variable differential transformer; LVDT)와 다이얼게이지(dial gauge)를 통해 측정였으며, 터널굴착에 따른 지중의 변형을 근거리사진계측기법(close range photogrammetric technique)을 통해 측정하였다. 수치 해석을 통해 실내모형시험 및 근거리사진계측 결과와 비교 분석하였다. 본 연구에서는 체적손실율(volume loss; $V_L$) 개념을 이용하여 터널굴착을 모사하였으며, 1.5%로 적용되었다. 연구결과, 이격거리가 멀어질수록 말뚝의 축력감소는 작게 나타났으며, 침하량은 모두 유사한 경향을 나타내었다. 특히, 말뚝 선단부와 터널 천단부의 이격거리가 0.5D에서 1.0D로 증가할 때 축력과 침하량의 가장 큰 감소율이 가장 큰 것으로 나타났다.

• 콘크리트학회논문집
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• 제25권1호
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• pp.91-98
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• 2013

PHC 말뚝은 우수한 축하중 저항 능력에 비해 상대적으로 전단 및 휨 저항 성능이 낮은 단점을 가지고 있다. 이 연구의 목적은 기존 PHC 말뚝의 단점을 개선할 목적으로 개발된 중공부에 내부충전 콘크리트, 축방향 철근과 전단 철근으로 보강한 합성 PHC 말뚝(ICP 말뚝)의 휨성능을 평가하는 것이다. 이를 위하여 기존의 교대 설계사례로 부터 말뚝에 발생하는 축력과 휨모멘트를 조사한 후, ICP 말뚝 계산을 위하여 개발한 축력-휨모멘트 상관관계 프로그램을 이용하여 허용 축력과 휨모멘트가 발생하는 부재력을 만족하도록 ICP 말뚝을 설계하였다. 설계에 따라 ICP 말뚝을 제작하였으며, 휨실험을 수행하였다. 실험 결과 ICP 말뚝은 PHC 말뚝에 비하여 약 45% 큰 휨내력을 나타내었다. 또한 계산에 의해 예측한 ICP 말뚝 휨강도의 25%를 허용 휨모멘트로 취할 경우, 약 4.5의 안전율을 갖는 것으로 평가되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권5호
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• pp.685-703
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• 2017

최근, 도심지에 초고층 아파트, 롯데월드타워와 같은 초고층빌딩의 수가 증가하면서 말뚝기초에 작용하는 풍하중, 지진하중, 토압 등 수평하중의 중요성이 높아지고 있다. 또한 도심지의 지상공간이 포화되면서 발생하는 다양한 문제를 해결하기 위하여 지하공간 개발은 유용한 해결책으로 언급되고 있다. 따라서 도심지 지하공간 개발에서 터널굴착에 대한 수직하중과 수평하중을 받는 말뚝의 거동, 지하공간의 개발을 모사하는 터널굴착과 관련된 연구는 많은 연구자들에 의해 수행되고 있다. 하지만, 수직하중과 수평하중을 받는 말뚝과 터널굴착으로 야기되는 상호거동에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 도심지의 상황을 반영하여 수직하중과 수평하중을 받는 기존 구조물 하부에 터널을 굴착함으로써 야기되는 말뚝의 거동을 실내모형시험, 근거리사진계측 및 수치해석을 통해 비교 및 분석하였다. 말뚝과 터널의 수평이격거리(0.0D, 1.0D, 2.0D: D = 터널직경)와 허용수평하중의 크기($0.34P_{ah}$, $0.67P_{ah}$, $P_{ah}$)에 따라 총 9 CASES로 분류하여 터널굴착에 따른 말뚝의 축력과 거동을 관찰하였다. 그 결과 말뚝과 터널의 수평이격거리가 가까울수록 말뚝은 터널 굴착의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었고 수평이격거리가 멀어질수록 터널굴착의 영향보다는 허용수평하중의 영향을 더 크게 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 수평이격거리가 증가하고 허용수평하중의 크기가 증가할수록($P_{ah}$) 말뚝 축력의 변화양상이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권2호
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• pp.91-105
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• 2015

본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 말뚝의 하부에서 실시된 터널시공으로 인한 말뚝의 거동을 말뚝선단의 상대위치를 고려하여 분석하였다. 수치해석에서는 순수하게 터널굴착으로 인해 유발된 (tunnelling-induced) 말뚝침하, 축력분포, 전단응력 및 겉보기안전율의 변화를 심도 있게 고찰하였다. 말뚝의 선단이 터널굴착에 대한 말뚝선단의 위치를 고려한 영향권 내부에 존재하는 경우 말뚝의 침하는 Greenfield 조건의 최대침하와 인근지반의 침하를 초과하는데 비해, 횡방향 이격거리가 증가하여 영향권 외부에 있는 경우 말뚝의 침하는 그 반대의 경향을 보였다. 말뚝선단이 영향권 내부에 존재하는 경우 tunnelling-induced 인장력이 발생하지만, 말뚝선단이 영향권의 외부에 존재할 경우 말뚝침하를 초과하는 인근지반의 침하로 인해 압축력이 발생하는 것으로 분석되었다. 터널굴착으로 인한 말뚝침하의 증가로 말뚝의 겉보기안전율(apparent factor of safety)은 말뚝선단이 영향권 내부에 존재할 경우 1.0 미만으로 감소하는 것으로 나타나 말뚝의 사용성에 심각한 문제가 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 분석한 말뚝선단의 위치에 대한 영향권 내부 및 외부에서의 말뚝의 거동을 말뚝의 침하, 축력 및 겉보기안전율에 대해 심도 있게 고찰하였다.