국내 항만시설의 방파제 또는 호안구조물 등의 안정성 평가시 사석의 지반물성치는 일본의 경험치를 사용하여 설계하는 것이 관행이었다. 그러나 본 연구에서는 2001년 국내 최초로 한국수자원공사에 도입된 대형삼축압축시험기(공시체 직경 30cm, 공시체 높이 60cm)를 이용하여 사석의 지반물성치(점착력, 내부마찰각 등)를 직접 산정함으로써 관행적으로 적용하던 지반물성치와 비교 검증하고자 한다. 즉 기존의 해양구조물 설계시에는 사석의 물성치 산정시 실내실험이나 현장조사등의 지반조사 없이 일본에서 관행적으로 사용되어오는 경험치를 적용하였으나 본 연구에서는 실내시험을 통해 사석의 물성치를 산정함으로써 관행적으로 적용하던 지반물성치와 비교하여 합리적인 지반물성치를 적용하고 사석의 전단특성을 파악하는데 의의가 있다.
터널 설계 시 사용되는 지반물성치는 한정적인 조사 및 시험을 통해 산정되기 때문에 불확실성을 내포한다. 본 연구에서는 최적의 지반물성치를 찾기 위해 터널의 굴진면 관찰자료와 계측자료를 활용하여 인공신경망을 이용한 역해석을 수행하였다. 우선 굴진면 관찰자료를 이용하여 연구대상 터널의 암반등급이 선정되었다. 기존연구에 대한 문헌고찰을 통해서 암반등급별로 지반물성치의 가능한 범위를 지정하여 보다 정확한 학습자료 구축을 위해 활용되었다. 또한 최적의 학습모델을 찾기 위해 은닉층 수와 각 은닉층의 노드 수를 기존연구보다 세분하여 변화시켜가며 매개변수 연구를 수행하였다. 연구결과, 기존 연구와 비교했을 때, 보다 정확한 지반물성치를 얻을 수 있었다. 따라서 계측자료 뿐만 아니라 굴진면 관찰자료를 인공신경망을 이용한 역해석에 활용하면 결과의 정확성을 높일 수 있음을 확인하였다. 향후 본 연구에서 제시된 방법론을 사용하여 지반물성치를 보다 정확하게 추정할 수 있을 것으로 기대된다.
테르쟈기는 트랩도어 처짐에 기반한 상부지반의 수직활동면을 가정한 2차원 아칭식을 제안하였다. 이후 관련 식은 3차원 터널굴착조건과 경사활동면을 고려할 수 있도록 확장되었다. 본 연구에서는 3차원 터널굴착조건에서 비등방지반조건을 반영하여 터널 횡방향 및 종방향에서의 지반물성치 및 활동면의 경사각을 달리하여 고려할 수 있도록 더욱 확장된 아칭식을 유도하고 제시하였다. 제시된 식을 이용하여 다양한 조건(지반물성치, 경사활동면, 굴착조건, 상재하중, 토압계수)에서 발생되는 수직응력에 대해 조사하였고 테르쟈기의 2차원 아칭식과도 비교하였다. 조사결과, 발생 수직응력은 굴착폭 및 굴착길이, 경사각, 상재하중이 증가할수록 증가했고 점착력과 마찰각, 토압계수가 감소할수록 증가하였으며, 굴착길이가 작을 때와 횡방향 지반물성치에 의해서 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 테르쟈기 2차원 아칭식과 비교하여 발생 수직응력은 더 작은 것으로 나타났고 그 차이정도는 지반물성치, 경사활동면, 3차원 터널굴착 조건에 따라 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 제시된 3차원 아칭식은 터널굴착으로 인한 복잡한 아칭현상을 보다 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
이 연구에서는 지반의 동적물성치 계측 기술로 시도된 인홀 시험법을, 경제성과 실용성 측면에서 개선하였다. 이전 연구에서 개발된 인홀 장비의 수동식 트리거(trigger) 시스템을 전기식 시스템으로 개량하였고, 발진기와 수신기 사이에 최적의 연결재를 개발하였다. 이로써, 암반뿐만 아니라 토사층에서도 이 기법을 사용하게 되었다. 이 장비를 여러 현장에서 크로스홀 시험과 인홀 시험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
이 연구에서는 경제적이고 실용적인 지반의 동적물성치 계측 기술 개발을 위해 인홀시험법을 연구하였다. 이번 연구에서는 개발한 인홀 장비는 NX 크기의 검측공에서 사용할 수 있고 맨손으로 다룰 수 있을 정도로 작고 가볍다. 그리고 기존의 인홀 장비를 보다 편리하게 개량하였다. 또한, 인홀 시험에 있어서 최적의 댑퍼를 개발하였다. 이 장비는 여러 현장에서 크로스홀 시험과 인홀 시험을 통해 성능을 검증하였다.
하상토를 활용한 제방 축조에 관련된 연구의 실증 및 검증을 위해서는 실규모의 제방 축조 및 시험 연구가 필수인데, 이 중 가장 중요한 인자 중 하나가 시험에 활용되는 다수의 축조된 제방들이 얼마나 동일한 초기 준비 조건으로 축조될 수 있는지, 즉 동일한 시험 초기조건의 다수 재현 가능성에 대한 수치적, 정량적 기준을 먼저 제시하여야 한다. 본 연구에서는 세립분이 함유된 하상토로 시험을 위하여 축조한 복수 제방에 대해 다양한 지반물성치(비중시험, 체가름시험, 액소성한계시험, 다짐시험, 현장밀도시험)를 취득하고, 수집한 데이터의 통계분석을 통해 제방 축조 시 동일 조건의 시험 준비 재현 가능성을 정량적으로 검토할 수 있는 일련의 과정을 수립하여 제시하였다. 과정수립에 대한 검증으로 시험용 제방을 축조하고 지반물성치를 수집하여 통계분석한 결과, 시험용 제방의 동일 조건 축조 재현성에 대한 정량적 평가가 가능함을 확인할 수 있었으며, 이는 제방뿐만 아니라 다양한 실규모 시험에 있어 초기조건의 정량적 동일성을 평가할 수 있는 기초적인 자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.
지반과 구조물의 동적 상호작용은 건설분야에서의 중요한 현상으로, 특히 지반을 통해 인근구조물로 전달되는 진동은 구조물 자체의 구조적인 문제 뿐 아니라 그 속에 거주하는 사람이나 설비에 대한 안전성 또는 사용성에 나쁜 영향을 야기할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 진동을 저감시키기 위해, 지반내에 정상적인 진동전파를 방해하는 구조물을 시공하여 진동 저감효과를 만들어 내는 방법을 연구하였다. 이러한 연구의 발상은 다음과 같다. 충진지반에서의 지반진동의 진폭을 해석하면서 진동의 크기가 기저암의 위치에 따라 큰 영향을 받는 것을 알았고 이로부터 지반내에 인위적인 층을 만들수 있다면 지반진동의 크기를 변화시킬 수 있지 않을까라는 생각에서 본 연구를 시작하였다. 또한 지반 내에서의 정상적인 진동의 전파를 방해하기 위한 차진 구조물을 만드는 방법은 연약지반의 강도중대 또는 차수의 목적으로 주로 사용하고 있는 그라우팅공법의 사용이 가능할 것이므로, 기존의 그라우팅현장에서 만들어진 지반의 물성치들을 사용하여 경계요소법에 의한 수치해석적 방법을 택하였다. 본 연구에서는 그라우팅공법의 시공성에 관한 것은 포함되지 않는다. 본 논문에서는 지반의 구조를 경사구조와 수평지반구조라는 두가지 특징적인 경우에 대해 검토하였다. 이중 경사진 기저암층을 가진 지반의 경우에는 기저암에서 진동의 비대칭적인 반사에 의해 수평기저암에서와는 달리 기저암의 한쪽에서 다른쪽에 비해 큰 진동이 발생한다. 그라우팅층의 효과를 검토하기 위한 연구의 순서는 일정주파수의 조화진동에 대해 먼저 여러 가지 크기의 그라우팅층과 함께 블록으로 볼 수 있는 크기의 그라우팅층에 대해 진동저감효과를 해석하였고, 이를 통해 보강층의 소요크기 및 최적위치를 구하였다. 사용된 물성치는 실제 지하철 건설현장에서 나타난 지반물성치 및 그라우팅후의 지반강도 및 전단파전파속도를 이용하였다. 또한 마지막에서 검토된 기차하중에 대한 효과를 알아보기 위해 사용된 기차운행에 의한 지반가속도도 역시 측정된 값을 사용하였다. 그러나 당시의 기차운행속도가 낮아 정상적인 운행에서는 더 큰 값이 나올 것으로 판단되었으나 측정된 값을 그대로 사용하였다.
샌드파일 주변지반은 교란으로 스미어 영향과 베수저항에 의해 압밀지연 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 샌드파일 주변지반의 압밀특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 지반물성치에 따른 예측치와 계측을 통한 실측치에 대한 비교검토를 실시하였다. 압밀계수 특성인 압밀소요기간은 수평과 연직압밀계수를 동일하게 평가할 경우 예측과 실측치가 매우 유사한 결과를 보여주는 것으로 나타났다. 압축지수 특성인 침하량 분석결과 예측치에 비해 60~90%정도로 작게 평가되는데 이것은 공동확장이론에 의한 초기 방사(측)방향 압축을 고려할 경우 유사한 값을 얻을 수 있다. 따라서 샌드파일 주변지반에서의 거동특성을 파악하기 위하여 스미어 배수저항뿐 아니라, 초기 방사(측)방향 압축을 고려한 개량특성으로서의 평가도 필요한 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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