경사 지반에서 액상화에 따른 지반-말뚝 동적상호작용

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Earthquakes have been widely occurred all over the world, and the earthquake in Pohang, in particular, caused liquefaction to be observed for the first time in Korea. Liquefaction is a phenomenon in which the ground becomes fluid-like. It can cause structures such as apartments to tilt, cause ground subsidence, and pose safety hazards. Because of these hazards, concerns continue to be raised about safety against ground and structural damage that may be caused by earthquakes. However, due to insufficient research on earthquakes in Korea at present, there is a lack of knowledge about such problems, so it is necessary to study countermeasures against damage caused by liquefaction caused by earthquakes.
In addition, when an earthquake occurs on sloping ground rather than on flat ground, it will cause great damage. Especially when there is a pile structure in the ground, the dynamic interaction between the ground and the pile is very complicated and difficult to clarify clearly. It is a fact that there is not much research on.
Many large-strength earthquakes occur overseas, and seismic data such as scale, damage, and measured seismic waves are analyzed and applied to design and maintenance, and actual tests are conducted through centrifuge model tests. However, in the centrifuge model test, a hinged wall type shear box is usually used, and when a special soil condition such as a laminar shear box is used to advance numerical analysis with that test data, numerical analysis is performed with that test data. The result is an unsatisfactory reality.
In this study, numerical analysis was carried out using centrifugal model test data using a laminar shear box, and the side boundary of the numerical analysis cross section was divided into a free boundary and a circulation boundary, and undrained conditions were assumed.
Comparing the results of the centrifuge model test with the numerical analysis test results of the free boundary and the circulation boundary, the excess water pressure in the gap, the horizontal displacement of the pile structure, effective stress path and shear deformation of the ground, the input and response acceleration, the acceleration amplification factor and phase difference, and the dynamic behavior focused on.
Due to the peculiarity of the laminar shear box, different boundary conditions can lead to different results. Furthermore, it is the actual situation that the laminar shear box itself should be modeled as a finite element and analyzed. It is judged necessary to develop a technique that can be considered.

국문 초록 (Abstract)

잦은 지진이 전 세계적으로 일어나고 있고 특히 포항에서 발생한 지진에서는 국내 처음으로 액상화 현상이 관측되면서 더욱 지진에 대한 관심도가 우리나라에서도 많이 높아졌다. 액상화 현상은 지반이 유체와 같은 성질이 되는 현상으로 아파트 등과 같은 구조물들을 기울어지게 할 수 있고 지반의 침하 등을 일으킬 수 있어 안전에 위험을 초래한다. 이러한 위험이 있기 때문에 지진으로 인해 발생할 수 있는 지반과 구조물의 피해에 대한 안전성에 대해 문제가 계속 언급된다. 하지만 현재 우리나라는 지진에 관한 연구가 미비한 상황이기 때문에 이러한 문제에 대한 지식이 부족하므로 지진에 의한 액상화 현상으로 인한 피해 대처 방안 등에 관한 연구가 필요하다.
그리고 평평한 지반이 아닌 경사 지반에서 지진이 발생하는 경우 큰 피해를 주기 때문에 경사 지반의 재해 위험을 평가하는 것이 중요하다는 인식이 증가하고 있다. 특히 지반에 말뚝 구조물이 있을 경우 지반과 말뚝 사이의 동적 상호작용이 매우 복잡하며 명확히 규명하기 어렵기 때문에 평평한 지반에 대한 말뚝 구조물에 관한 연구보다 경사 지반에 대한 말뚝 구조물에 관한 연구가 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다.
국외에서는 강도가 큰 지진이 빈번하게 발생하기 때문에 지진에 대한 규모, 피해 상황, 계측된 지진파 등의 지진 데이터를 분석해 설계와 유지보수 등에 적용하고 있으며 원심 모형시험 등을 통해 실제 시험을 하고 있다. 하지만 원심모형시험에서는 보통 힌지 벽형 전단상자를 사용하고 그 시험 데이터로 수치해석을 진행하는데 층 전단상자 같은 특수한 토조를 사용하였을 때는 그 시험 데이터로 수치해석을 한 결과는 미비한 실정이다.
본 연구는 층 전단상자를 사용한 원심모형시험데이터를 가지고 수치해석을 진행하였으며 수치해석 단면의 측면 경계를 자유 경계와 순환 경계로 나뉘어 비배수 조건을 가정했다. 원심모형시험으로 나온 결과값을 자유 경계와 순환 경계의 수치해석 결과값과 비교하여 과잉간극수압, 말뚝 구조물의 수평 변위, 지반의 유효 응력 경로 및 전단 변형, 입력 및 응답 가속도, 가속도 증폭 계수 및 위상차, 동적 거동에 초점을 맞췄다.
층 전단상자라는 특수성으로 인해 경계조건의 차이에 따라 결과에 상이함이 있다. 추가로 층 전단상자 자체를 유한요소로 모델화하여 해석을 진행해야 할 실정이며, 과잉간극수압과 지반 및 말뚝 구조물의 거동 등 지반과 말뚝의 동적 거동을 정확히 파악하고 이를 고려할 수 있는 기법의 개발이 필요하다고 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 3
• 3. 연구 방법 4
• Ⅱ. 원심모형시험 5
• 1. 시험개요 5
• 2. 확장형 상사 법칙 7
• 3. 시험 시설 및 모델 9
• Ⅲ. 이론적 고찰 12
• 1. 액상화 현상 12
• 2. 유동 액상화와 반복 유동 13
• 1) 유동 액상화(Flow liquefaction) 14
• 2) 반복 유동(Cyclic mobility) 14
• Ⅳ. 수치해석 개요 16
• 1. Multi-spring shear mechanism 16
• 2. 액상화 매개변수 20
• 1) 액상화 매개변수 산정 20
• 2) 비배수 액상화 매개변수 22
• 3. 수치해석 단면과 경계조건 및 입력파 23
• V. 해석 결과 25
• 1. 말뚝 구조물의 변위와 과잉간극수압 25
• 1) 과잉간극수압 25
• 2) 말뚝 구조물의 변위 32
• 2. 지반의 유효 응력 경로와 전단 변형 34
• 3. 가속도와 위상차 47
• 1) 입력 및 응답 가속도 47
• 2) 가속도 증폭 계수 및 위상차 51
• 4. 동적 거동 56
• 1) 자유 경계 56
• 2) 순환 경계 58
• Ⅵ. 결론 60
• 참고문헌 62