다양한 다층 지반모형에 대한 지진동 증폭

정수근,김호연,김대현 대한지질공학회 2023 지질공학 Vol.33 No.2

Three ground models are analyzed using a 1g shaking table and laminar shear box (LSB) to investigate the impact of the ground structure on seismic wave amplification during earthquakes. Multi-layer horizontal, embankment, and basin ground models are selected for this investigation, with each model being divided into dense and loose ground layers, Accelerometers are installed during the construction of each ground model to capture any seismic wave amplification owing th the propagation of an artificial seismic wave, sine wave sweep, and 10-Hz sine wave through a given ground model. The amplification of the tested seismic waves is analyzed using the observed peak ground acceleration and spectrum acceleration. The observed acceleration amplification in the multi-layer horizontal ground model is significantly higher the seismic waves that propagated across the dense ground-loose ground boundary compared with those that only propagated through the dense ground. Furthermore, the observed acceleration amplification gradually increases in the central part of the multi-layer embankment and basin models for the seismic waves that propagated across the dense ground-loose ground boundary. 지진이 발생할 때 대한 지진동 증폭 현상을 확인하기 위해 1g 진동대와 연성토조(Laminar Shear Box, LSB)를 이용하여 모형지반을 조성하였고, 3가지 모델에 대하여 지진동 증폭현상에 대하여 확인하였다. 3가지의 모형지반을 선정하였으며 모든 모형지반에서 조밀한 층과 느슨한 층으로 나누었고, 지반모형의 경우는 다층 수평지반, 다층 제방지반, 다층 분지지반모형으로 선정하였다. 각 지반모형을 제작하며가속도계 매설을 진행하였으며, 인공지진파, Sinesweep파와 Sine 10 Hz의 지진파를 통하여 증폭현상을확인하였다. 최대지반가속도(Peak ground acclelration, PGA)와 응답스펙트럼 가속도(Spectrum acceleration, SA)를 통해 지진동 증폭현상을 확인하였다. 수평 다층지반에서 조밀한 지반을 통과 후 느슨한 지반에서 가속도 증폭이 조밀한 지반에 비해 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 다른 두 모형지반에서는 층의 경계면을 통과 후 점차 중심부에서 가속도 증폭이 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

다층지반 및 스미어 경계면 해석을 위한 유한차분 압밀해석 기법

윤찬영(Yune Chan-Young),조경진(Cho Kyoung-Jin),정충기(Chung Choong-Ki) 대한토목학회 2008 대한토목학회논문집 C Vol.28 No.5

본 연구에서는 연약지반의 압밀해석 시에 물성이 다른 두 층간의 경계면 해석을 보다 정확히 수행할 수 있는 유한차분 해석기법을 제안하였다. 제안된 해석기법을 이용하여 다층지반 및 스미어가 발생된 지반에 대하여 정확한 압밀해석이 가능한 유한차분 해석프로그램을 개발하였으며, 다양한 지반조건에서 해석을 수행하여 제안된 해석 기법을 근간으로 개발된 해석프로그램의 적용성을 검증하였다. 해석결과 다층지반의 압밀속도는 배수면 근처의 투수계수에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났으며, 스미어 발생지반의 압밀속도는 스미어 영역에서의 투수계수 분포가 선형인 경우보다 일정한 경우 압밀이 더 지체되는 것으로 나타났다. 또한 스미어 영향을 고려한 연약지반의 압밀해석에서 스미어로 인한 주변지반의 투수계수 감소가 상대적으로 작은 경우에는 스미어 영역 전체의 투수계수 감소율이 일정하다고 가정한 단순 해석으로도 정확한 압밀거동 예측이 가능하지만 스미어 발생으로 배수재 주변지반의 투수계수의 감소가 큰 경우에는 배수재로부터의 거리에 따른 투수계수 분포형태를 정확히 가정하고 해석을 수행해야 압밀거동을 정확히 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 마지막으로 부산지역의 다층지반 조건을 고려한 해석결과 압밀완료 시간을 정확히 예측하기 위해서는 다층지반에 대한 해석이 필요한 것으로 나타났다. In this research, finite difference (FD) scheme for the interface of the layer between different soil characteristics was suggested. Based on the suggested scheme, FD analysis program for the consolidation analysis of the multi-layered and smeared soil was developed. And the applicability of the program was investigated by the FD analysis conducted for the various soil conditions. Analysis results showed that the permeability near the drainage boundary had a dominant effect on the consolidation rate. And the consolidation rate of the soil with the constant permeability in smeared area was retarded more than the soil with the linear variation of permeability in smeared area. Simple assumption of the constant variation of permeability in smeared area could be used when the decreasing rate of permeability in smeared area was relatively low. But exact assumption of the permeability variation in smeared area should be considered when the decreasing rate of permeability in smeared area was relatively high. Finally, based on the analysis result on Busan area, the analysis considering multi-layered soil should be needed to exactly evaluate time for the completion of consolidation.

변형률 쐐기모델을 이용한 다층지반에서의 횡하중을 받는 말뚝의 적용성 평가

김홍택(Kim Hongtaek),이중재(Lee Jungjae),정종민(Chung Jongmin),윤창진(Yoon Changjin) 한국지반환경공학회 2009 한국지반환경공학회논문집 Vol.10 No.7

변형률 쐐기모델은 지반의 변형과 말뚝의 복합적인 상호거동을 반영하는 효과적인 횡방향 지지력 산정방법이며, 국내에서도 근래에 들어 실무에서 그 적용성이 점차 증가하고 있다. 특히 다층지반에서의 변형률 쐐기모델은 아직까지 국내에서 검증된바가 없어, 다층지반에서 횡방향 하중을 받는 말뚝의 거동을 변형률 쐐기모델로 이해하기 위해서는 충분한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 다층 지반에서도 변형률 쐐기모델이 지반과 말뚝의 복합거동을 모사할 수 있는 유효한 모델인지 확인하기 위하여 모형실험과 수치해석기법으로 그 적용성을 확인해 보았다. 모형말뚝을 이용하여 직접 횡방향 하중을 재하시킴으로써 말뚝의 거동특성을 평가하고, 주면 마찰저항력의 크기로 지반의 변형률을 평가하여 지반의 수동쐐기를 도출하면서 지층의 강성에 따른 수동쐐기의 상태변화를 확인함으로써 다층지반에서의 적용성을 확인하였다. 아울러 수치해석 기법을 이용하여 모형실험을 검증함으로써 모형실험의 신뢰성을 검증하여 변형률 쐐기모델의 적용성을 검증하였다. The Strain Wedge Model is useful method for horizontal bearing capacity calculation considering interaction of pile and ground deformation. However, application case of the Strain Wedge Model is rare and the strain wedge model of plenty of verification is needed on multi layered ground in Korea. In this present study, to conduct laboratory model test and numerical analysis for verification of Strain Wedge Model, adapt model that could describe the interaction of pile and ground deformation on multi layered ground. In model test, it was performed to estimate the behavior characteristics on pile under lateral load and to analyze the relationship between load and deformation. In addition, it was fulfilled to measure the skin friction on pile using strain gauge and to decide the ground passive resistance wedge using skin friction. Numerical analysis was performed to verify laboratory model test results.

c-$\phi$ 지반에서의 아칭현상을 고려한 원형수직터널 토압 : II. 실내 모형실험

김도훈,차민혁,이대수,김경렬,이인모,Kim, Do-Hoon,Cha, Min-Hyuck,Lee, Dea-Su,Kim, Kyung-Ryeol,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2010 한국터널지하공간학회논문집 Vol.12 No.2

원형수직터널에 작용하는 토압은 아칭효과로 인해 2차원 일반 흙막이벽에 작용하는 토압보다 작으므로 원형수직터널 설계 시 벽체에 작용하는 실질적인 토압의 예측이 필요하다. 본 논문은 두 개의 연속된 논문(Companion papers)의 두번째로서 원형수직터널 설계 시 건조한 사질토뿐만 아니라 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 적용 가능하도록 새롭게 제안된 토압식(김도훈 등, 2009)을 증명하기 위해 대형 모형실험을 수행하였다. 고안된 모형실험 장비는 단계별 굴착이 가능하도록 제작 벽체의 반경을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 강사 방법으로 지반을 조성하기 전 건조한 시료에 물을 첨가하고 불포화사질토를 형성시켜 겉보기 점착력을 발현시킴으로써 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 실험을 진행하였다. 실험 결과로서, 단계별 굴착을 모사하였을 때, 아칭효과에 의해 굴착된 지반에서 굴착되지 않은 지반으로 하중이 전이가 일어나는 확인할 수 있었다. 또한, 동시에 굴착했을 때의 토압은 예측한 값에 비해 상당히 작게 나타났지만, 단계별로 굴착했을 때의 최종 토압은 동시 굴착 시의 토압에 비해 크게 나타나며 새롭게 제안된 토압식과 잘 일치하였고 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 수행한 실험의 결과도 겉보기 점착력의 효과로 인해 토압의 감소를 보이며 이론적인 값과 잘 일치하는 것으로 나타났다. The earth pressure acting on the vertical shaft is less than that acting on the retaining wall due to three dimensional arching effect. Thus, it might be essential to estimate the earth pressure actually acting on the shaft when designing the vertical shaft. In this paper, large-sized model tests were conducted as Part II of companion papers to verify the newly suggested earth pressure equation proposed by Kim et al. (2009: Part I of companion papers) that can be used when designing the vertical shaft in cohesionless soils as well as in c-$\phi$ soils and multi-layered soils. The newly developed model test apparatus was designed to be able to simulate staged shaft excavation. Model tests were performed by varying the radius of vertical shaft in dry soil. Moreover, tests on c-$\phi$ soils and on multi-layered soils were also performed; in order to induce apparent cohesion to the cohesionless soil, we add some water to the dry soil to make the soil partially-saturated before depositing by raining method. Experimental results showed a load transfer from excavated ground to non-excavated zone below dredging level due to arching effect when simulating staged excavation. It was also found that measured earth pressure was far smaller than estimated if excavation is done at once; the final earth pressure measured after performing staged excavation was larger and matched with that estimated from the newly proposed equation. Measured results in c-$\phi$ soils and in multi-layered soils showed reduction in earth pressures due to apparent cohesion effect and showed good matches with analytical results.

c-${\phi}$ 지반에서의 아칭현상을 고려한 원형수직터널 토압: I. 이론

김도훈,이대수,김경렬,이용희,이인모,Kim, Do-Hoon,Lee, Dea-Su,Kim, Kyung-Ryeol,Lee, Yong-Hee,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.2

원형수직터널에서 3차원적인 아칭효과를 고려한 토압산정을 위해 여러 연구가 수행되었고 실내시험 및 수치해석을 통해 이를 검증하였으나, 다층지반과 c-${\phi}$지반에서의 적용이 어려웠다. 본연구에서는 c-${\phi}$지반에서의 토압 산정을 위해 c-${\phi}$지반에서 적용 가능한 토압계수 산정식을 구하였으며, 기존 토압식을 수정 제안하였다. 점착력이 토압에 미치는 영향을 파악하기 위해 지반을 가정하여 각 경우별로 토압을 산정하여 비교하였으며, 다층지반에서 파괴면을 가정하는 방법으로 토압을 구하였다. 이 논문은 두 개의 연속된 논문(Companion paper)의 첫 번째로서 모델개발을 위한 이론전개를 다루고 있으며, 대형 모형실험에 의한 실증은 두 번째 논문에서 다룰 것이다. Several researches have been done to estimate the earth pressure on a vertical circular shaft considering three dimensional arching effect and verified them by conducting model tests. However, any equation suggested so far is not applicable in case of multi-layered soils and/or C-${\phi}$ soils. In this study, new equation for estimating the earth pressure acting on the vertical shaft in c-${\phi}$ soils is proposed. A parametric study is performed to investigate the significance of the cohesion when estimating the coefficient of earth pressure in C-${\phi}$ soils and estimating earth pressures in vertical shafts. A method which can estimate the earth pressure on vertical shafts in layered soils is also proposed by assuming a failure surface in layered soils and using the modified equation. This paper is Part I of companion papers focusing on the theoretical aspect of model developments; the experimental verification will be made in Part II.

수정 Berggren 법과 수치해석법에 의한 동결깊이 산정 비교

김광진(Kwangjin Kim),김영진(Youngchin Kim),이대영(Daeyoung Lee),이하영(Hayoung Lee) 한국지반환경공학회 2013 한국지반환경공학회논문집 Vol.14 No.6

본 논문은 수정 Berggren 법과 상전이 현상을 모델링할 수 있는 유한요소 수치해석법을 사용하여 단열재를 포함한 대표적인 다층 지반에 대하여 동결깊이를 산정하여 비교 ? 분석하였다. 균일한 단층 지반에서 수정 Berggren 법은 유한요소 수치해석법과 거의 동일한 결과를 보여주고 있다. 그러나 단열재를 포함한 다층 지반에서 수정 Berggren 법은 유한요소 수치해석 결과와 비교할때 정확하지 않은 결과를 나타내고 있다. 따라서 단열재를 포함한 다층 지반에서는 수정 Berggren 법 대신에 유한요소나 유한차분법에 기반을 둔 수치해석법을 사용하여 동결깊이를 산정하여야 할 것으로 사료된다. This paper presents computed frost penetration depths for a number of cross sections of multilayered system including insulation. Results of Modified Berggren method were compared with those of numerical analysis which is based on finite element method with phase change. For the homogeneous single layer medium, Modified Berggren method gives almost the same results as finite element based numerical method. For the multilayered systems with insulation, Modified Berggren method shows, however, inaccurate results compared with FEM results. Therefore numerical solution based on finite element or finite difference should be used in place of Modified Beggren method to estimate the frost penetration depth for the layered medium with insulation.

다층지반에서의 아칭현상에 의한 수직갱 토압

이인모,문홍표,이대수,김경렬,조만섭,Lee, In-Mo,Moon, Hong-Pyo,Lee, Dea-Su,Kim, Kyung-Ryeol,Cho, Man-Sub 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.1

본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 수직갱에 작용하는 토압에 대한 기존 제안식을 수정하였다. 이를 검증하기 위하여 깊이에 관계없이 동일한 반경방향 변위를 일으킬 수 있는 실내 모형시험장치를 개발하였으며, 벽면마찰각과 상대 밀도를 변수로 시험하였다. 실내 모형시험 결과는 수정식에서 접선방향 토압계수(수직응력에 대한 접선방향 응력 비)인 $\lambda$값을 $\lambda=1-sin\phi$와$\lambda=1$을 사용하였을 경우의 토압 사이에 분포하였다. 다층지반에 설치된 원형수직갱 배면지반의 파괴면을 가정하고 수정식을 적용하여 다층지반에 설치된 원형수직갱에 작용하는 토압 산정방법을 제안하였다. 시공현장의 3개의 수직갱으로부터 계측 데이터를 획득하였으며 이를 토압으로 환산하여 제안된 방법을 검증하였다. 계측 데이터로부터 환산된 대부분의 환산 토압은 제안된 방법의 토압과 잘 일치하였다. A new earth pressure equation acting on the vertical shafts in cohesionless soils has been proposed by modifying the equations proposed by others. In order to verify the modified equation, model tests which can control uniform wall displacement with depth to radial direction were conducted. Model tests were performed with three different wall friction angles and two different relative densities. The measured values were larger than estimated values when assuming $\lambda=1$ ; smaller than those when assuming $\lambda=1-sin\phi$. The parameter, $\lambda$ is the ratio of tangential stress to vertical stress and is the most critical value in proposed equation. A method which can estimate the earth pressure on vertical shafts in layered soils is also proposed by reasonably assuming the failure surface of layered soils and using the modified equation. In order to verify the proposed method, in-situ measurement data have been collected from the three in-situ vertical shafts installed in layered soils. Most of earth pressures converted from measured data match reasonably well with estimated values using proposed method.

다층퍼셉트론과 합성곱 신경망에 기반한 지진 지반응답해석

홍석경(Hong, Seokgyeong),안재훈(Ahn, Jaehun) 한국방재학회 2021 한국방재학회논문집 Vol.21 No.1

지진으로 인한 구조물의 피해를 줄이기 위한, 내진성능을 고려한 방재계획 수립의 중요성이 부각되고 있다. 지진파는 기반암으로 부터 기반암 상부의 토사지반을 통해 전달된다. 전달되는 과정에서 특정 진동수(frequency)범위에서 증폭되기도 하며, 그 증폭 정도는 주로 지반 특성에 따라 좌우된다. 따라서 내진 설계의 신뢰성을 높이기 위해서는 지진 지반응답해석 과정이 필수적이다. 본 연구에서는 지반 하부 혹은 기반암의 지진파로부터 지표의 지진파를 예측하기 위한 모델을 다층퍼셉트론(MLP)과 합성곱 신경망(CNN) 인공신경망 모형을 바탕으로 제안하고, 제안한 모델의 적용성을 가속도 스펙트럼을 바탕으로 검증하였다. MLP와 CNN에 기반 하여 제안된 모델 모두 지표면의 지진파 가속도를 성공적으로 예측하였다. 또한, CNN에 기반한 모델은 MLP 모델과 비교하여 예측 지진파의 가속도 스펙트럼 평균오차가 약 10% 작게 산출되는 것을 확인하였다. 향후에는 해당 지역의 전단파 속도 등의 물성을 모델에 적용하여, 보다 보편적으로 활용할 수 있는 모델을 생성하고자 한다. The importance of establishing a disaster prevention plan considering seismic performance is being highlighted to reduce damage to structures caused by earthquakes. Earthquake waves propagate from the bedrock to the ground surface through the soil. During the transmission process, they are amplified in a specific frequency range, and the degree of amplification depends mainly on the characteristics of the ground. Therefore, a seismic response analysis process is essential for enhancing the reliability of the seismic design. We propose a model for predicting seismic waves on the surface from seismic waves measured on the bedrock based on Multilayer Perceptron (MLP) and Convolutional Neural Networks (CNN) and validate the applicability of the proposed model with Spectral Acceleration (SA). Both the proposed models based on MLP and CNN successfully predicted the seismic response of the surface. The CNN-based model performed better than the MLP-based model, with a 10% smaller average error. We plan to implement the physical properties of the ground, such as shear wave velocity, to create a more versatile model in the future.

이층지반의 상대밀도에 따른 수평하중을 받는 단독말뚝의 거동특성

김지성(Kim, Jiseong),강기천(Kang, Gichun) 한국방재학회 2022 한국방재학회논문집 Vol.22 No.1

본 연구에서는 실내모형시험을 통해 이층지반에서의 말뚝의 거동특성을 파악하고자 한다. 상대밀도 및 지층구성을 달리한 지반에 매설된 단독말뚝에 수평하중을 가하여 말뚝의 수평저항력과 휨모멘트 등을 분석하였다. 그 결과 지층비가 0.15인 경우 하부지반의 상대밀도에 따른 말뚝의 수평저항력 및 지반반력계수 값의 차이가 뚜렷이 나타나는 반면, 지층비가 0.30 이상인 경우 말뚝의 수평저항력 및 지반반력계수 값이 하부지반의 상대밀도에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 최대 휨모멘트의 발생 위치는 지층비가 커질수록 점점 더 깊은 곳에서 나타났으며, 모두 상대밀도가 높은 하부지반에서 발생하였다. This study attempts to understand the behavioral characteristics of a pile in two-layered soil through model tests. A lateral load was applied to a single pile buried in the ground with different relative densities and strata ratios, and the lateral resistance and bending moment of the pile were analyzed. Consequently, when the strata ratio was 0.15, there was a clear difference in the values of the lateral resistance and the coefficient of the subgrade reaction of the pile according to the relative density of the lower ground. When the strata ratio was 0.30 or more, it was observed that the values of the lateral resistance and the coefficient of the subgrade reaction of the pile did not significantly affect the relative density of the lower ground. The locations of the maximum bending moments appeared in increasingly deeper places as the strata ratio increased, and all occurred in the lower ground with a high relative density.

다층지반에서의 수직구 동적 거동 분석

김용민(Kim Yong Min),정상섬(Jeong Sang Seom),김경열(Kim Kyoung Yul),이용희(Lee Yong Hee) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 C Vol.31 No.4

본 연구에서는 수직구의 동적 거동특성 분석을 위하여 지반조건, 입력하중 특성, 하중 방향 등의 주요 인지를 고려하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과로, 다층지반에 시공된 수직구는 하부 단단한 지층이 두꺼울수록 전단력과 휨모멘트가 최대 1.7배 크게 발생되며, 지층이 변화하는 경계면에서 가장 큰 단면력이 발생된다. 또한 입력하중의 주기 특성에 따라 수직구 동적거동은 서로 다르며, 수직구와 주변지반에서의 가속도 증폭 비율은 주변지반에서 최대 3배 이상 크게 나타났다. In this study, dynamic response of a vertical shaft subjected to seismic loads was evaluated by three-dimensional Finite Element (FE) approach. The emphasis was on quantifying the ground conditions, input motions and direction of motions. A series of parametric analyses were carried out. From the results of FE analysis, more than 1.7 times increase in shear force and bending moment is obtained when the stiff layer was thinker than the soft layer. And all of the maximum values were occurred near the interface between the soil layers. The dynamic behavior of vertical shaft was significantly influenced by the different frequencies of the input motion, and normalized acceleration of surrounding soil was 3 times larger than vertical shaft.