파랑에 의한 불포화된 해저지반의 거동, 액상화와 전단파괴에 대한 연구이다. 불포화된 지반은 유체가 채워진 다공성 탄성체로 모델화 하였다. 유체의 흐름과 토립자의 변형은 Biot의 이론에 따른 지배방정식으로 나타내었다. 이 방정식은 준해석적 방법으로 풀어 불포화된 다층의 지반에 대하여 응력과 간극수압을 평가하였다 준해석적 방법은 기존의 해석방법과 달리 다층의 이방성 지반을 연속적으로 해석할 수 있다. 해석결과에 의하면, 지반의 포화도는 불포화된 다층의 지반에서 응력과 간극수압의 크기에 가장 큰 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다. 또한, 해석결과를 토대로 지반의 액상화 발생과 전단파괴에 대한 검토를 실시하였으며, 그 결과 최대 전단파괴가 발생된 깊이가 최대 액상화 발생지역 보다 깊은 것으로 나타났다.
본 연구는 실제의 해역에서 액상화 현상을 확인함과 동시에 필자 등이 제안하는 액상화 이론을 검증하는 것을 목적으로 한다. 본 연구의 내용 파랑에 의한 액상화에 대한 현지관측 및 이론해석의 두 부분으로 되어있다. 현지관측에서는 2년간에 걸쳐서 파고, 해저지반표면의 수압변동, 해저지반중의 변동간극수압 등을 관측하였으며, 이론해석에서는 필자 등이 제안하고 있는 액상화 이론에 근거하여 해석을 실시한 후 현지관측 자료와 비교하여 검토하였다.
본 연구에서는 국내에서 PMT의 적용성, 시험절차, 그리고 시험결과로부터 지반의 전단강도정수 $(cu,\phi)$와 변형특성치 (E)를 결정하는 절차등을 고려하였으며, Elastometer-200을 사용하여 부산지역의 해저지반 3개지역, 6개 시추공에서 PMT를 수행하였다. 시험과정에서 발생되었던 문제점들을 분석하였으며 시험결과를 분석하였다. PMT 시험공의 정지압력은 프레셔미트곡선에서 직접 판독할 수 있었으며, 한계압력 p 은 외삽적인 방법인 $p-log(\Deltav/v)$방법에 의하여 결정할 수 있었다. 또한 지반의 강도정수$(cu,\phi)$와 변형계수(E)도 구할수 있었으며, PMT결과로 구한 지반 특성치는 실내실험에서 구한 특성치보다 크게 평가되었다.PMT결과로 지반의 종류를 개략적으로 평가할 수 있었다. 부산지역 해저지반의 경우, p 의 값은 점성토의 경우 6.4~22.5 $kg/cm^2$, 사질토의 경우 2.2~30.0$kg/cm^2$, 풍화토의 경우 13.0~58.0$kg/cm^2$, , 풍화암의 경우 47.0~190.0 $kg/cm^2$의, 범위에 있었다. 또한, Em/p 은 점성토의 경우 2.4~7.6, 사질토의 경우 2.6~12.1, 풍화토의 경우 6.8~17.1, 풍화암의 경우 7.2~29.6의 범위에 있었다.
철도는 정시성과 수송능력을 갖춘 여객 및 물류 운송 수단으로서 널리 사용되고 있다. 근래의 급격한 건설기술의 발전으로 철도는 대륙과 대륙, 대륙과 섬을 잇는 다양한 해저철도의 건설이 계획되고 있으며 국내에는 보령 해저터널(2021), 가덕 해저터널(2010) 등 유사 설계 및 시공 경험이 축적되고 있다. 그러나 최근 국내외적으로 다양한 규모의 지진이 빈번하게 발생함에 따라 지진위험에 대한 인식이 증대되고 있으며, 국내 지진의 발생빈도 또한 증가하고 있다. 해저터널에 대한 지진의 영향은 매우 복잡하나 주로 지반조건, 지진하중 등에 의하여 큰 차이를 보일 수 있다. 본 연구에서는 외부수압이 작용하는 가상의 해저철도 쉴드터널에 대하여 지반구성과 지진파 의한 영향을 파악하기 위하여 토사, 암반, 복합지반 및 파쇄대로 구성된 4 가지 지반조건을 반영한 3차원 수치해석 모델을 구축하였다. 각 해석 모델에 대하여 장주기, 단주기, 그리고 장단주기 특성을 모두 가지는 인공지진파를 각각 적용하여 유한차분해석법에 의한 동적해석을 수행하여 변위 및 터널 부재력 응답을 검토하였다. 그 결과 터널 변위는 토사지반에서 터널 진행방향에 연직방향 지진하중이 작용 시 장주기파의 영향이 우세하고 암반지반에서는 단주기파의 영향이 우세한 결과를 얻었다. 또한 국부적 취약구간인 파쇄대에서는 인공지진파의 영향이 우세하였다. 터널 세그먼트의 부재력 검토 결과 지반 및 세그먼트의 구속효과로 인하여 지진하중이 변위보다 부재력에 미치는 영향이 크게 나타남을 확인하였다.
해상풍력시스템의 규모가 점차적으로 증가하고 있는 추세에 따라 상부구조물을 지지하는 기초구조물 안정성 확보의 중요성이 대두되고 있다. 이에 따라, 지반공학적 측면에서 기초구조물과 지반의 상호작용이 전체 시스템에 미치는 영향을 파악하기 위한 해석방안이 요구되고 있으며, p-y 곡선 모델의 적용이 대표적인 방법이다. 본 연구에서는 풍황이 우수하여 해상풍력발전 시스템 운영을 위한 대상지로써 적합하다고 알려져 있는 제주도 해저지반(현무암)의 공학적 특성을 현재까지 제안된 암반 p-y 곡선 모델에 적용하였다. 이를 통해 제주도 및 국내 암반 분포 지역에 대한 해상풍력시스템 기초구조물과 해저암반 간의 상호작용 해석 과정을 정리하고 향후 연구 방향을 제안하였다. 전반적으로 암반 p-y 곡선 산정결과는 지표면에 근접할수록 지반반력이 증가하는 경향을 나타냈으며, 말뚝에 작용하는 모멘트, 전단력 등을 분석한 결과 암반의 공학적 특성을 적절히 모사할 수 있음을 확인하였다.
바다 자원의 조성을 위해 시설되는 인공어초는 해저 연약지반에 설치될 경우 침하 및 세굴에 의한 기능 상실이 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 해저 연약지반의 보강에 따른 인공어초의 침하 거동을 알아보기 위해 모래, 실트 및 점토 지반을 각각 조성하여 관입실험, 침하실험 등과 같은 다양한 실내실험을 수행하였다. 무보강(unreinforced), 지오그리드(geogrid) 보강 및 하이브리드 대나무매트(hybrid bamboo mat, HBM) 보강과 같은 3종류의 보강과 보강재의 면적에 따른 특성을 살펴보았다. 실험 결과 보강재의 면적이 증가할수록 보강 효과가 증가하는 경향을 보였으며, HBM이 지오그리드 단일 보강에 비해 더 뛰어난 보강 효과를 보였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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