계절성 동토 내 말뚝 기초의 거동 및 지지력에 관한 유한요소해석 = Finite Element Analysis on the Behavior and Bearing Capacity of Pile Foundation in Seasonal Frost Soil

국문 초록 (Abstract)

본 학위 논문은 계절성 동토 지역에 위치하는 말뚝 기초의 연중 온도 변화에 따른 지반의 거동과 말뚝에 작용하는 지지력을 분석하기 위해 수치해석을 통해 수행하였다. 동결 지반의 융해 및 동결작용을 모사하기 위해 온도 변화에 따른 지반의 비선형 물성을 적용하였으며, 수치해석은 유한요소법 기반의 TM 모델링(Thermo-Mechanical coupled Modeling)을 적용하여 열전달 및 응력 변화 해석을 위해 프로그램 ABAQUS/CAE를 통해 해석을 수행하였다. 지반의 융해 침하(thaw settlement) 및 동결 융기(frost heave) 현상으로 인한 소성 변형을 모사하기 위해 두 가지 탄소성 구성 모델인, MCR (Mohr-Coulomb with Rankine Tensile cut-off) 및 HDP (Hyperbolic Drucker- Prager) 구성 모델을 적용하여 말뚝 머리(pile head)의 수직 변위와 말뚝의 지지력에 관한 결과를 비교 및 분석하였다. 연중 온도 변화에 따라 지반의 융해, 동결작용으로 지반과 말뚝 모두 침하 및 융기 현상을 보였다. 두 가지 탄소성 구성 모델(MCR과 HDP)을 적용한 수직 변위 결과의 양상과 크기는 유사함을 보이며, 일반적으로 HDP 구성 모델이 MCR 구성 모델에 비해 작게 나타났다. 또한 말뚝의 지지력 해석조건은 말뚝-지반의 접촉 면적에 지배적인 말뚝의 길이와 너비에 대해 선정하였으며, 지지력에 미치는 영향을 비교 및 분석하였다. 말뚝의 너비 조건에 따라 두 탄소성 구성 모델 결과의 양상 및 크기는 유사하며, 너비 조건이 클수록 모델 간 지지력 결과 격차가 크게 발생했다. 이러한 결과는 말뚝의 길이 조건에도 유사하게 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation was conducted through numerical analysis to analyze the behavior of frost soil and the bearing capacity acting on piles according to the annual temperature change of pile foundations located in seasonal frost soil regions. To simulate the thawing and freezing of frozen ground, the nonlinear physical properties were applied according to the temperature change of ground and the numerical analysis was conducted through the program ABAQUS/CAE for heat transfer and stress change analysis by applying TM modeling (Thermo-Mechanical coupled Modeling) based on the finite element method. Two elasto-plastic constitutive models, Mohr-Coulomb with Rankine Tensile cut-off (MCR) and Hyperbolic Drucker-Prager (HDP), are used to simulate plastic deformation due to thaw settlement and frost heave phenomena. A constitutive model was applied to compare and analyze the results of the vertical displacement of the pile head and the bearing capacity of the pile. According to the annual temperature change, both the ground and the pile represented thaw settlement and frost heave due to thawing and freezing of the ground. The aspect and magnitude of the vertical displacement results using the two elasto-plastic constitutive models (MCR and HDP) were similar, and the HDP constitutive model was generally smaller than the MCR constitutive model. The bearing capacity analysis condition of pile was selected for the length and width of the pile dominating the pile-ground contact area, and the effect on the bearing capacity was compared and analyzed. Depending on the pile width condition, the aspect and size of the results of the two elasto-plastic constitutive models are similar, the larger width condition leading to a larger gap in bearing capacity results between the models. These results were similar to the pile length conditions.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 3
• 제2장 문헌 검토 4
• 2.1 계절성 동토지역의 말뚝 기초 4
• 2.2 온도 변화에 따른 지반 거동 7
• 2.2.1 동토의 융해작용 7
• 2.2.2 동토의 동결작용 8
• 2.3 수치해석 및 모델링 기법 9
• 2.3.2 TM 모델링 기법 10
• 2.3.3 THM 모델링 기법 10
• 2.4 지반-말뚝 상호작용 11
• 2.4.1 말뚝 기초의 하중 전달 11
• 2.4.2 국내 말뚝 기초의 지지력 14
• 2.4.3 국외 말뚝 기초의 지지력 17
• 제3장 수치해석 방법 및 과정 19
• 3.1 수치해석 적용 물성 19
• 3.2 MCR 구성 모델 22
• 3.3 HDP 구성 모델 26
• 3.4 수치해석 방법 및 과정 28
• 3.4.1 경계 조건(Boundary condition) 29
• 3.4.2 접촉 조건(Contact condition) 32
• 3.4.2 수치해석 조건 34
• 제4장 수치해석 결과 비교 및 분석 36
• 4.1 지반 및 말뚝 머리의 거동 36
• 4.2 말뚝의 지지력 결과 비교 40
• 4.2.1 길이 조건에 따른 지지력 결과 41
• 4.2.2 너비 조건에 따른 지지력 결과 43
• 제5장 결 론 49
• 참고문헌 51