Numerical Predictions of the Load-Displacement Curves of Rock-Socketed Concrete Piles

Kwon, Oh-Sung,Kim, Jeong-Hwan,Jeon, Kyung-Soo,Kim, Myoung-Mo Korean Geotechnical Society 1999 지반 : 한국지반공학회지 Vol.15 No.3

암반 근입말뚝의 설계기준은 일반적으로 침하량 기준을 사용하므로 설계단계에서 암반근입말뚝의 하중-변위$(\sigma-\sigma)$ 거동을 잘 이해해야 하나 그 거동의 복잡성으로 인해 하중-변위 거동을 파악하기가 어렵다. 이를 위해 먼저 현장타설 콘크리트 말뚝에 대해 현장재하시험을 실시하여 그 결과로부터 암반 근입말뚝의 하중-변위 거동을 고찰하였고, 상용 프로그램인 ELAC을 이용하여 하중-변위 곡선의 형상에 큰 영향을 주는 입력변수를 변화시켜 가며 말뚝의 하중-변위 관계를 모사하였다. 최종적으로 수치해석 입력데이터와 현장 지반조사결과의 관계를 일반화함으로써 지반공학자가 설계단계에서 적절한 현장데이터를 이용하여 하중-변위 거동을 예측할 수 있도록 하였다. The settlement limit concept is generally adopted as design criteria of rock-socketed pile foundations, therefore, the load-displacement$(\sigma-\sigma)$ behavior of the rock-socketed piles should be well understood at the design stage, which, however, is hard to achieve due to its complexity. To help this out, field pile load tests are executed on cast-in-situ concrete piles, first, to figure out the $\sigma$-$\delta$ behavior of rock-socketed piles. Next, the $\sigma-\sigma$ relations of the piles are simulated numerically using commercial package program(ELAC) varying a couple of input data which are sensitive in shaping the $\sigma$-$\delta$ curves. Finally, the relation between the best input data for the numerical simulations and the geotechnical field data are cultivated to generalize the numerical simulation procedures, which enables geotechnical engineers to predict the $\sigma$-$\delta$ behavior at the design stage, if appropriate geotechnical field data are provided.

A Study on Magnitude Scaling Factors and Screening Limits of Liquefaction Potential Assessment in Moderate Earthquake Regions

박근보,박영근,최재순,김수일,Park Keun-Bo,Park Young-Geun,Choi Jae-Soon,Kim Soo-Il Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

기존의 액상화 평가법은 대부분 미국, 일본, 그리고 유럽과 같이 지진 발생빈도가 높고 그로 인한 액상화 피해가 빈번한 국가에서 주도적으로 연구되어왔다. 이런 지역적 특성을 토대로 개발된 액상화 평가방법들은 높은 지진규모(M=7.5)에 바탕을 두고 있다. 국내의 경우, 1997년 실제적인 내진 연구가 시작된 이래 액상화 평가의 구체적 규정은 항만시설의 내진설계 표준서(1999)에 언급된 바 있으나 이는 문헌연구를 통해 제시된 것으로 실제적이지 못하다. 그러므로, 국내 적합한 설계기준을 작성하기 위해서는 지진피해자료의 부족을 국내 지반을 대상으로 한 동적실내시험을 통하는 것이 바람직하며, 일반적인 정현하중 진동시험 보다 실제 지진하중 재하 시험이 훨씬 효과적일 수 있다. 본 연구에서는 실제 지진파 고유의 특성을 적용한 진동삼축 시험을 통하여 상대밀도와 세립분함유량의 변화에 따른 액상화 저항강도를 산정하였다. 실험결과를 국내의 대표적인 항만지역의 지진응답 해석 결과와 비교 분석하고 중진지역에 적합한 액상화 평가의 생략기준을 제시하였다. 또한 실제 지진하중 삼축실험 결과를 이용하여 국내 여건에 적합한 지진규모 보정계수를 제안하였다. Conventional methods for the assessment of liquefaction potential were primarily for areas of severe earthquake zones (M=7.5) such as North America and Japan. Detailed earthquake related researches in Korea started in 1997, including development of the seismic design standards for port and harbour structures, which was later completed in 1999. Because most contents in the guidelines were quoted through literature reviews from North America and Japan, which are located in strong earthquake region, those are not proper in Korea, a moderate earthquake region. This requires further improvement of the present guidelines. Considering earthquake hazard data in Korea, use of laboratory tests based on irregular earthquake motion appears to be effective to reflect the dynamic characteristics of soil more realistically than those using simplified regular loading. In this study, cyclic triaxial tests using irregular earthquake motions are performed with different earthquake magnitudes, relative densities, and fines contents. Assessment of liquefaction potential in moderate earthquake regions is discussed based on various laboratory test results. Effects of these components on dynamic behavior of soils are discussed as well. From the test results, screening limits and magnitude scaling factors to determine the soil liquefaction resistance strength in seismic design were re-investigated and proposed using normalized maximum stress ratios under real irregular earthquake motions.

Coupled Effect of Soil Nail/Slope Systems

정상섬,이진형,이선근,Jeong Sang Seom,Lee Jin Hyung,Lee Sun Keun Korean Geotechnical Society 2005 한국지반공학회논문집 Vol.21 No.2

In this paper, a numerical comparison of predictions by limit equilibrium analysis and finite difference analysis is presented for slope/soil-nail system. Special attention is given to the coupled analysis based on the explicit-finite-difference code, FLAC 2D. To this end, an internal routine (FISH) was developed to calculate a factor of safety for a soil nail slope according to shear strength reduction method. The case of coupled analyses was performed for soil nails in slope in which the soil nails response and slope stability are considered simultaneously. In this study, by using these methods, the failure surfaces and factors of safety were compared and analyzed in several cases, such as toe, middle and top of the slope, respectively. Furthermore, the coupled method based on shear strength reduction method was verified by the comparison with other analysis results. 본 연구에서는 쏘일네일로 보강된 사면을 한계평형 해석법과 2차원 유한차분 해석을 수행하여 그 결과를 비를 분석하였다. 특히, 유한차분법을 이용한 FLAC 2D를 바탕으로 하는 커플링 해석에 주안점을 두었으며, FLAC을 이용하여 전단강도감소기법에 따른 보강사면의 안전율을 계산하기 위해 FLAC의 내장언어인 FISH를 이용하여 작성하였다. 커플링 해석에서 보일네일에 의한 안정화된 사면을 해석하기 위해 쏘일네일 거동과 사면안정을 동시에 고려하였다. 따라서 본 연구에서는 이 두 방법을 적용하여 쏘일네일의 사면내 설치위치, 설치각도, 설치간격 등에 따라 각각의 활동파괴면 및 안전율을 비판분석하였으며 강도정수 감소법을 적용한 해석기법의 적용성과 타당성 분석을 수행하였다.

Dependency of Compatibility Termination Criteria on Prehydration and Bentonite Quality for Geosynthetic Clay Liners

이재명,최재순,정문경,Lee Jae-Myung,Shackelford Charles D.,Choi Jae-Soon,Jung Moon-Kyung Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

매립지나 오${\cdot}$폐수 저장지 등에서 폐기물 또는 오염물질의 저장 및 차단에 널리 사용되고 있는 Geosynthetic Clay Liner(GCL)의 물에 의한 사전투수 및 벤토나이트 품질이 투수종결기준에 미치는 영향을 평가하기 위해서 소디움 벤토나이트가 주성분인 두 종류의 GCL을 대상으로 증류수와 농도변화를 위해 5, 10, 20, 50, 100 mM 용액을 혼합한 염화칼슘용액을 이용하여 투수시험을 수행하였다. 투수종결기준들로는 물리적 종결기준들(즉, ASTM에 준한 유출량과 유입량간의 비율과 안정화된 투수계수, 최소 공극량 두배에 해당하는 유출, 그리고 안정화된 시료두께)과 유입수와 유출수간의 화학적 평형에 따른 화학적 종결기준들(즉, 전기전도도, pH, 그리고 칼슘이온과 염소이온 농도)이 고려되었다. 염화칼슘을 이용한 투수시험의 경우, 벤토나이트에 이온결합된 나트륨($Na^+$)에 대한 칼슘($Ca^{2+}$) 치환이 GCL의 투수계수에 중대한 영향을 미치는 것에 근거하여 유입수와 유출수 간의 화학적 평형 및 투수계수의 평형이 이루어질 때까지 실시하였다. 염화칼슘농도에 따른 투수실험결과, 소요투수기간은 농도별로 1일 미만에서 900일 이상으로 큰 차이를 보였으며 염화칼슘 용액의 농도가 낮을수록 평형에 도달하기까지 더 많은 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 특히, 염화칼슘 용액의 농도가 20 mM이하의 경우, GCL의 물에 의한 사전투수 여부와 벤토나이트의 품질에 상관없이 유입수와 유출수간의 화학적 평형만이 투수계수의 평형을 보장할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, 염화칼슘 용액의 농도가 50 그리고 100 mM의 경우, 유출량과 유입량간의 비율과 공극량 두배에 해당하는 유출을 제외한 모든 종결기준들이 투수계수의 평형을 보장할 수 있는 것으로 나타났다. 이상의 결과로부터, 물에 의한 사전투수 여부와 벤토나이트의 품질에 상관없이 오로지 유입수와 유출수간의 농도 평형에 준한 종결기준만이 GCL의 투수시험에 적합할 것으로 판단된다. The dependency of criteria used to terminate compatibility tests on the prehydration and quality of bentonite in geosynthetic clay liners (GCLs) is evaluated based on permeation with chemical solutions containing 5, 10, 20, 50, and 100 mM calcium chloride ($CaCl_2$). The hydraulic conductivity tests are not terminated before chemical equilibrium between the effluent and the influent chemistry has been established, resulting in test durations ranging from < 1 day to > 900 days, with longer test durations associated with lower $CaCl_2$ concentrations. The evaluation includes both physical termination criteria (i.e., volumetric flow ratio and steady hydraulic conductivity based on ASTM D 5084, ${\ge}2$ pore volumes of flow, constant thickness of specimen) and chemical termination criteria requiring equilibrium between influent and effluent chemistry (viz., electrical conductivity, pH, and $Ca^{2+}\;and\;Cl^-$ concentrations). For specimens permeated with 5, 10, and 20 mM $CaCl_2$ solutions, only the criterion based on chemical equilibrium in $Ca^{2+}$ concentration correlates well with equilibrium in hydraulic conductivity, regardless of prehydration or quality of bentonite. However, all of the termination criteria, except for the volumetric flow ratio and 2 pore volumes of flow for the prehydrated specimens, correlate well with equilibrium in hydraulic conductivity regardless of prehydration or quality of bentonite when permeated with 50 and 100 mM $CaCl_2$ solutions. The results illustrate the uniqueness of the termination criterion based on solute concentration equilibrium between the effluent and the influent with respect to both prehydration and quality of bentonite in the GCLs.

Analysis on the Geo-reinforced Slope Using Upper Bound Theory

최상호,김종민,유남재,Choi Sang-Ho,Kim Jong-Min,Yu Nam-Jae Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

본 연구는 보강사면에 상계이론를 적용하여 실제 한계상태에 가까운 신뢰성이 높은 해석방법을 개발하는데 목적이 있으며 상계해석의 유한요소공식화를 전개하는데 있어 거시적인 관점으로부터 비등방성이면서 균질한 재료에 대한 수치해석의 기본 개념은 얻을 수 있다. 보강토는 뒷채움한 성토와 보강재 경계면의 상호작용으로 보강토의 강도가 보강재의 재료적 특성에 의존하고 있기 때문에 흙의 역학적 특성과 보강토의 전체 거동은 보강재의 기하학적인 배열과 상대적인 면적에 의해서 조절할 수 있다. 따라서, 상계이론은 보강사면의 한계상태 거동을 효과적으로 산정할 수 있어 국부적으로 발생하는 소성파괴를 예측할 수 있다. In this study, the upper bound theory is applied to a reinforced slope to develop an limit state analysis method. As processing of this upper bound theory in formulating finite element, the basic idea of numerical method can be obtained from a macroscopic point of view with an anisotropic homogeneous material. The reinforced soil strength reliability depends on properties of reinforcements which consist of the interaction of interfaces between back fill and reinforcements. Both soil's mechanical property and overall behaviour of reinforced soil can be controlled via arranging geometry and relative proportions of reinforced soil. Therefore, the upper bound theory can not only predict the particular limit state action of reinforced soil slope but also is efficiently able to estimate the local plastic failure.

Influence of Rainfall-induced Wetting on Unsaturated Weathered Slopes

정삼성,김재홍,박성완,Jeong Sang-Seom,Kim Jae-Hong,Park Seong-Wan Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

얕은사면 파괴는 지표로 침투하는 강우에 의해 주로 발생한다. 이는 지표수의 침투시 모관흡수력의 감소에 의한 포화깊이 증가에 의해 발생한다. 본 연구에서는 국내의 전형적인 화강풍화토를 대상으로 강우시 사면에서의 습윤영향을 분석하였다. 이를 위하여 filter paper와 tensiometer 실험을 수행하여 함수특성곡선을 산정하였으며, 그에 따른 함수특성곡선의 방정식을 추정하였으며, 기존에 사용되고 있는 Green & Ampt의 포화 깊이 추정식과 수치해석결과를 비교 분석하였다. 본 연구 결과, Green & Ampt모델에 의한 이론 해는 포화깊이를 과소 추정하였으며, 포화깊이가 증가함에 따라 사면안전율은 감소하는 것으로 나타났다. 특히 포화깊이가 약 1.2m이상부터 사면안전율은 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. Surface failures of slopes in weathered soil are caused by infiltration due to prolonged rainfall. These failures are mainly triggered by the deepening of the wetting band accompanied by a decrease in suction induced by the infiltrating water. This paper reports trends of rainfall-induced wetting band depth in two types of weathered soils that are commonly found in Korea. Both theoretical and numerical analyses are presented based on the soil-water characteristic curve (SWCC) obtained using filter paper as well as tensiometer tests. It is found that the magnitude of wetting front suction plays a key role in the stability of slopes in weathered soils. Theoretical analysis based on modified Green and Ampt model tends to underestimate the wetting band depth for typical Korean weathered soils. It was also deduced that for Korean weathered soils, the factor of safety drops rapidly once the wetting band depth of 1.2 m is reached.

Lateral Earth Pressure Caused by Action on Earth Retaining Wall in Clay Foundation Ground with Consideration of Construction Speed

임은상,이강일,Im Eun-Sang,Lee Kang-Il Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

연약점토지반에 성토 등의 상재하중을 재하하게 되면 측방유동이라고 하는 측방변위가 발생하게 된다. 이 측방유동은 파일기초의 변형, 교대의 이동, 지중매설관의 파괴 등 성토에 인접한 지중구조물에 피해를 가하게 된다. 그렇지만, 측방유동은 체적변형과 전단변형도 동시에 발생할 뿐만 아니라 이 측방유동에 영향을 미치는 인자가 많기 때문에 측방유동에 의해서 발생하는 측방토압의 발생 메커니즘이 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 그리고 최근 근접시공 등 기존구조물에 근접해서 공사가 진행되는 경우가 많아 이러한 근접구조물에 어떠한 피해를 가할 것인가 또는 대책공법을 설계하기 위한 설계하중으로서 측방토압을 구해야 하는 필요성이 커지고 있는 것 또한 현실이다. 그러므로 본 연구에서는 성토에 의해서 연약지반에 발생하는 측방토압에 미치는 재하속도의 영향을 조사하기 위해서 실내모형실험을 실시하였다. 그 결과, 측방토압이 삼각형 분포를 이룬다는 것과 재하속도가 빠를수록 측방토압의 최대치가 커지고 부등침하가 커진다는 것을 알 수 있었다. 그리고 이러한 재하속도의 영향은 부의 dilatancy에 의한 과잉간극수압의 발생에 기인한다는 것을 알았다. When an embankment is constructed on soft clay ground, the lateral displacement generally called as lateral flow is generated in the foundation ground. It strongly affects stabilities of structures, such as foundation piles and underground pipes, in and on the foundation ground. The lateral earth pressure induced by the lateral flow is influenced by the magnitude and construction speed of embankment, the geometric conditions and geotechnical characteristics of the embankment, and the foundation ground, and so on. Accurate methods for estimating the lateral earth pressure have not ever been established because the lateral flow of a foundation ground shows very complicated behavior, which is caused by the interaction of shear deformation and volumetric deformation. In this paper, a series of model tests were carried out in order to clarify effects of construction speed of an embankment on the lateral earth pressure in a foundation ground were design. It was found that the magnitude and the distribution of the lateral earth pressure and its change with time are dependent on the construction speed of the embankment. It was found that a mechanism for the lateral earth pressure was generated by excess pore water pressure due to negative dilatancy induced by shear deformation under the different conditions of construction speeds of embankments.

A Study on Stability Evaluation of the Nail-Anchor Mixed Support System

Kim, Hong-Taek,Cho, Yong-Kwon,Yoo, Han-Kyu Korean Geotechnical Society 1999 지반 : 한국지반공학회지 Vol.15 No.3

쏘일네일 또는 지반앵커와 같은 보강재는 지하굴착 및 사면의 안정성 확보를 위해 효율적으로 적용될 수 있음이 여러 지반공학자들에게 널리 알려져 있다. 그러나 경우에 따라서는, 쏘일네일과 지반앵커를 굴착면 상하 또는 좌우에 복합적으로 적용하여 지반굴착이 진행되는 시공사례가 종종 있어 왔다. 본 연구에서는 한계평형적 접근에 근거하여, 이와같은 상하 또는 좌우 쏘일네일-지반앵커 복합 지지시스템의 전체적인 안정성을 평가할 수 있는 해석법을 제시하였다. 이 과정에서 예상 파괴흙쐐기의 형상은 $FLAC^{2D}\; 및\; FLAC^{3D}$ 프로그램 해석결과를 토대로 결정하였다. 또한 관입전단파괴에 대한 안정성 확보를 위해 요구되는 본 쏘일네일-지반앵커 복합 지지시스템의 전면부 숏크리트 벽체의 두께를 검토하였다. 아울러 쏘일네일 구조체와 지반앵커 구조체가 서로 접하게 되는 경계영역에서는 응력집중, 상대변위 및 이로 인한 전단력 유발 등 전면벽체에 대한 추가 안정성 검토가 요구된다. 이를 위해, 경계영역에서의 상대변위를 예측키 위한 간편 유한요소해석기법을 제시하였으며, 또한 충분한 안정성 확보를 위해 숏크리트 전면벽체의 두께가 과도하게 요구되는 문제점을 적절히 해결하기 위해 수정된 지압판 시스템을 제시하였다. 아울러 관련 설계변수들의 영향에 대한 다양한 분석과 더불어, 예측된 상대변위를 $FLAC^{2D}$프로그램 해석결과와 서로 비교하여 제시된 간편 유한요소해석기법의 적용 가능성을 평가하였다. The benefits of utilizing internal reinforced members, such as soil nails and ground anchors, in maintaining stable excavations and slopes have been known among geotechnical engineers to be very effective. Occasionally, however, both soil nails and ground anchors are simultaneously used in one excavation site. In the present study, a method of limit equilibrium stability analysis of the excavation zone reinforced with the vertically or horizontally mixed nail-anchor system is proposed to evaluate the global safety factor with respect to a sliding failure. The postulated failure wedges are determined based on the results of the $FLAC^{2D}\; 및\; FLAC^{3D}$ program analyses. This study also deals with a determination of the required thickness of the shotcrete facing. An excessive facing thickness may be required due to both the stress concentration and the relative displacement at the interface zone between the soil nailing system and the ground anchor system. A simple finite element method of analysis is presented to estimate the corresponding relative displacement at the interface zone between two different support systems. As an efficient resolution to reduce the facing thickness, the modified bearing plate system is also proposed. Finally with various analysis related to the effects of design parameters, the predicted displacements are compared with the results of the $FLAC^{2D}$ program analyses.

Behavior of a Geosynthetic Reinforced Two-tier Segmental Retaining Wall on a Yielding Foundation

유충식,전한용,Yoo Chung-Sik,Jeon Han-Yong Korean Geotechnical Society 2005 한국지반공학회논문집 Vol.21 No.7

본 논문에서는 압축성이 큰 지반 위에 시공되는 지오그리드 보강 계단형 블록식 보강토 옹벽의 거동 특성에 관한 내용을 다루었다. 대상옹벽으로는 2단으로 시공되는 높이 lOrn의 블록식 보강토 옹벽을 고려하였으며 압축성이 큰 지반위에 시공되는 경우를 고려하였다. 본 연구는 검증된 유한요소해석 모델을 사용하여 수행되었으며 기초지반의 침하가 옹벽의 변위 및 보강재 유발 인장력에 미치는 영향을 집중적으로 다루었다. 연구결과 시공중 발생하는 기초지반의 과다 침하는 옹벽의 변위 뿐 아니라 보강재 유발 인장력 또한 현저히 증가시켜 내·외적 안정성에 지대한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 연구결과와 아울러 실무적 관점에서의 고려사항 을 기술하였다. This paper presents the results of a numerical investigation on the behavior of a geosynthetic reinforced two-tier segmental retaining wall (GR-SRW) on a yielding foundation. A hypothetical 10 m high two tier GR-SRW to be constructed on an incompetent foundation containing a layer of relative soft soil deposit was considered. A verified finite-element procedure was employed to get insights into the effect of foundation yielding on the wall behavior including the wall deformation and the reinforcement load. It is shown that the effect of foundation yielding is to increase the wall deformation as well as the reinforcement load, thus influencing both the internal as well as the external stability of the wall. Practical implications of the findings obtained from this study are highlighted in this paper.

Back Analysis of Field Measurements Around the Tunnel with the Application of Genetic Algorithms

김선명,윤지선,전덕찬,윤상길,Kim Sun-Myung,Yoon Ji-Sun,Jun Duk-Chan,Yoon Sang-Gil Korean Geotechnical Society 2004 한국지반공학회논문집 Vol.20 No.7

In this study, the back analysis program was developed by applying the genetic algorithm, one of artificial intelligence fields, to the direct method. The optimization process which has influence on the efficiency of the direct method was modulated with genetic algorithm. On conditions that the displacement computed by forward analysis for a certain rock mass model was the same as the displacement measured at the tunnel section, back analysis was executed to verify the validity of the program. Usefulness of the program was confirmed by comparing relative errors calculated by back analysis, which is carried out under the same rock mass conditions as analysis model of Gens et at (1987), one of back analysis case in the past. We estimated the total displacement occurring by tunnelling with the crown settlement and convergence measured at the working faces in three tunnel sites of Kyungbu Express railway. Those data measured at the working face are used for back analysis as the input data after confidence test. As the results of the back analysis, we comprehended the tendency of tunnel behaviors with comparing the respective deformation characteristics obtained by the measurement at the working face and by back analysis. Also the usefulness and applicability of the back analysis program developed in this study were verified. 본 논문에서는 역해석 방법 중 직접법의 성능에 큰 영향을 미치는 최적화 과정을 인공지능의 한 기법인 유전자알고리즘을 이용하여 역해석 프로그램을 구성하였다. 유전자 알고리즘 및 역해석 기법의 효용성을 검증하기 위하여 과거 역해석 연구 사례 중의 하나인 Gens et al(1987)과 동일한 암반조건을 가진 모델에 대한 역해석을 실시하여 그 결과를 비교${\cdot}$검토하였다. 경부고속철도 터널 현장의 내공변위 및 천단침하에 대한 계측자료로부터 최종 내공변위의 예측함수를 결정하는 방법으로 터널의 총 변위를 분석하였다. 이를 역해석에 필요한 입력자료로 활용하여 역해석을 실시하고 터널 주변 암반의 거동을 반영할 수 있는 지반의 특성치를 구하였다. 각 현장 시험에서 얻어진 지반의 특성치와 비교한 결과 본 연구에서 적용된 유전자 알고리즘을 이용한 역해석 방법이 유의한 수준의 결과를 도출하고 있다는 사실을 확인하였다.