얕은 터널의 굴진면 변위형태에 따른 종방향 하중전이 거동에 대한 실험적 연구
Experimental study on the longitudinal load transfer behavior in a shallow tunnel depending on the deformation type of tunnel face
초록/요약
최근 들어 지하공간의 활용이 빈번해짐에 따라 터널의 수요가 급증하여, 다양한 환경에서의 터널 건설이 급격히 증가하고 있다. 터널의 굴진면에서는 굴착공법, 토피의 크기, 단면 규모, 지반의 불균질성 등에 의해 굴진면 변위가 다양한 형태로 발생된다. 이와 같은 굴진면 변위는 전방 지반의 이완형태 및 주변지반으로 전이되는 하중의 분포와 크기에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 지금까지 굴진면에 관련된 연구는 굴진면의 안정이나 파괴 메커니즘에 국한되어 있고, 굴진면의 변위형태에 따른 영향에 대해 연구한 사례는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에는 굴진면 변위형태가 터널의 종방향 하중전이 거동에 미치는 영향을 규명하는 것을 목표로 선정하고 모형시험을 실시하였다. 이를 위하여 굴진면의 변위를 상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위형태로 단순・이상화하여 세 가지로 분류하고, 모형시험을 통해, 굴진면 변위에 따른 굴진면 토압과 터널 상・하부로 전이되는 하중을 측정하여 종방향의 하중전이 거동을 분석하였다. 모형시험을 위해 조밀한 사질토 지반을 조성하였고, 굴진면 변위형태와 토피고()를 변수로 설정하였다. 연구 결과, 굴진면에 변위가 발생하면 변위형태와 토피고에 따라 굴진면에 작용하는 토압이 감소되고 터널 종방향으로 하중전이가 발생하였다. 굴진면 토압은 하부 큰 변위일 때 가장 크게 감소하고, 등변위, 상부 큰 변위의 순서로 감소량이 작아졌다. 터널 종방향 하중전이는 터널 상부와 하부에서 모두 발생되었고, 토피고와 굴진면 변위형태에 따라서 전이되는 하중의 분포경향과 크기가 달라졌다. 토피고가 낮으면 전이되는 하중이 굴진면에 인접하여 집중되어 발생되며, 토피고가 높아질수록 하중전이 영역이 넓어지는 경향을 나타냈다. 터널 종방향으로 전이되는 하중의 크기는 굴진면 변위형태가 하부 큰 변위 일 때 가장 크고 등변위, 상부 큰 변위의 순서로 작아졌다.
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제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구동향 2
1.2.1 실험적 방법을 통한 연구 3
1.2.2 수치해석적 방법을 통한 연구 4
1.3 연구목적 및 필요성 5
1.4 연구내용 및 범위 6
제 2 장 이론적 배경 8
2.1 개 요 8
2.2 얕은 터널 8
2.2.1 얕은 터널의 정의 8
2.2.2 얕은 터널의 지표침하 9
2.3 터널 굴착시 굴진면 주변 지반의 거동 11
2.3.1 굴진면 주변지반의 아칭현상 11
2.3.2 종방향 아칭에 의한 지보재 작용원리 13
2.3.3 터널 굴착에 따른 지반의 거동 15
2.3.4 굴진면의 거동 16
2.4 지반변위에 따른 토압의 형태 19
2.4.1 토압의 형태 19
2.4.2 한계상태 토압과 지반변위 20
2.5 굴진면의 변위형태 22
2.5.1 현장계측을 통한 굴진면 변위형태 분석 23
2.5.2 토압을 받는 벽체의 변위형태와 토압분포 24
2.6 터널의 종방향 거동특성에 대한 고찰 26
2.6.1 종방향 아칭의 연구 26
2.6.2 터널 굴진면의 안정 및 파괴거동 연구 28
제 3 장 모형시험 및 시험방법 33
3.1 개 요 33
3.2 모형지반 33
3.2.1 모형지반의 물리적 특성 34
3.2.2 모형지반의 역학적 특성 35
3.2.3 모형지반의 기본물성 산정결과 36
3.3 모형시험기 37
3.3.1 모형토조 37
3.3.2 모형터널 38
3.3.3 계측장치 40
3.3.4 시험변수 41
3.4 시험방법 43
3.4.1 모형 터널 설치 및 지반조성 43
3.4.2 계측기 설치 44
3.4.3 지반 안정화 44
3.4.4 시험수행 45
제 4 장 시험결과 46
4.1 개 요 46
4.2 굴진면의 토압변화 46
4.2.1 상부 큰 변위형태 46
4.2.2 등변위형태 50
4.2.3 하부 큰 변위형태 53
4.3 터널 종방향 하중전이 57
4.3.1 상부 큰 변위형태 57
4.3.2 등변위형태 66
4.3.3 하부 큰 변위형태 74
4.4 굴진면 토압변화에 따른 터널 종방향 하중전이 83
4.4.1 상부 큰 변위형태 83
4.4.2 등변위형태 85
4.4.3 하부 큰 변위형태 87
4.5 지표침하 90
4.5.1 상부 큰 변위형태 90
4.5.2 등변위형태 93
4.5.3 하부 큰 변위형태 96
제 5 장 결과분석 및 고찰 99
5.1 개 요 99
5.2 터널의 종방향 하중전이 99
5.2.1 한계상태 이전(한계변위의 50%)의 터널 종방향 하중전이 101
5.2.2 한계상태의 터널 종방향 하중전이 106
5.3 지표침하 115
5.3.1 토피고 0.5D 115
5.3.2 토피고 1.0D 116
5.3.3 토피고 1.5D 116
5.3.4 토피고 2.0D 117
제 6 장 결 론 118
참고문헌 121
부 록 126
Abstract 159
