복합지반 굴착에 따른 배면지반의 침하특성과 침하영향범위에 관한 연구 = A Study on the Settlement Characteristics and Settlement Impact Range of Background by Excavation of Composite Ground

국문 초록 (Abstract)

도심지 굴착공사에서는 배면지반 침하 거동을 합리적으로 예측하는 것이 구조물 안전성 확보와 시공관리 측면에서 핵심적인 검토 항목으로 작용하며, 이 과정에서 침하영향범위, 최대침하량, 그리고 침하곡선 형상에 대한 정량적 평가가 중요하다. 이러한 침하 예측 결과는 굴착 계획 수립과 인접 구조물 보호 대책 마련의 기초 자료로 활용되며, 공사 단계 전반에 걸쳐 이루어지는 의사결정에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 기존에 제안된 침하 경험식은 주로 단일지층 또는 균질지반을 전제로 개발되어, 매립층·사질토·점성토가 복합적으로 분포하는 국내 도심 복합지반 조건에 직접 적용하기에는 한계가 있다. 특히 지층의 불균질성과 지하수 조건 변화가 동시에 작용하는 경우, 경험식에 의한 침하 예측 결과가 실제 계측 거동과 차이를 보일 가능성이 크다. 이러한 한계로 인해 경험식의 적용성에 대한 문제점이 지속적으로 지적되어 왔다. 이러한 연구 배경을 바탕으로 본 연구에서는 복합지반 굴착 시 배면지반 침하 거동 특성을 규명하기 위하여 기존 침하 경험식 분석, 지하수 조건을 고려한 수치해석, 그리고 원심모형실험을 병행하였다. 먼저 국내외 침하 경험식을 연구 대상 부지 조건에 적용하여 침하영향범위와 최대침하량을 산정하고, 이를 수치해석 및 원심모형실험 결과와 비교함으로써 경험식의 적용 경향과 유효 범위를 평가하였다. 아울러 수치해석에서는 동일한 지반조건 하에서 정상류 조건, 비정상류 조건, 그리고 지하수가 없는 조건을 각각 설정하여, 지하수 조건 변화에 따른 간극수압 및 유효응력 변화가 침하의 크기와 분포 형상에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 한편 원심모형실험은 규사 기반 사질토 지반을 대상으로 수행하였으며, 상대밀도 변화에 따른 침하 거동 특성을 실험적으로 검증하였다. 연구 결과, 정상류 지하수 조건에서는 침하영향범위가 굴착깊이의 약 1.5배 내외에서 수렴하는 경향을 보였으나, 지하수위 변동이 수반되는 비정상류 조건에서는 침하가 장거리로 확산되며 침하곡선 형상 또한 기존 경험식이 전제하는 포물선 형태에서 벗어나는 양상이 확인되었다. 또한 최대침하량은 지하수 조건과 사질토층의 상대밀도 및 구조적 상태에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났으며, 국내 복합지반 계측 기반 경험식은 수치해석 결과와 비교하여 비교적 합리적인 예측 범위를 제시한 반면, 해외 경험식은 복합지반 조건에서 침하를 다소 과대 평가하는 경향을 보였다. 이를 통해 복합지반 굴착에서 침하영향범위, 최대침하량, 침하곡선 형상은 단일 경험식으로 일반화되기 어렵고, 지하수 조건 변화에 따라 조건의존적으로 평가되어야 함을 정량적으로 확인하였다. 본 연구 결과는 도심지 복합지반 굴착 시 경험식의 적용 한계를 명확히 제시하고, 지하수 조건을 고려한 합리적인 침하 평가의 필요성을 제시하는 데 의의를 가진다.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 vi
• 그 림 목 차 vii
• 기 호 설 명 ix
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.1.1. 국내 굴착영향범위 관리기준 4
• 1.2. 연구 동향 6
• 1.2.1. 현장계측기반 경험적 연구 동향 6
• 1.2.2. 수치해석 연구 동향 10
• 1.2.3. 원심모형실험 연구 동향 11
• 1.2.4. 기존 연구의 한계 및 본 연구의 필요성 12
• 1.3. 연구 목적 14
• 1.4. 연구 방법 및 범위 16
• 1.5. 연구 제한사항 17
• 제 2 장 지반침하 이론 및 기존 연구 고찰 18
• 2.1. 지반침하 발생 메커니즘 20
• 2.1.1. 굴착에 따른 응력 해방과 수평이완 21
• 2.1.2. 지하수위 변화와 유효응력 변화 22
• 2.1.3. 복합지반의 배수-비배수 혼합 거동 23
• 2.1.4. 단계별 굴착에 따른 변형 25
• 2.2. 침하곡선 이론 27
• 2.2.1. 침하곡선의 물리적 개념 28
• 2.2.2. 침하곡선의 대표적 형태 29
• 2.3. 기존 경험식 및 선행연구 고찰 31
• 2.3.1. Peck (1969) 31
• 2.3.2. Caspe (1966) 및 Bowles (1995) 35
• 2.3.3. Clough and O’Rourke (1990) 39
• 2.3.4. Ou et al. (1993) 및 Hsieh and Ou (1998) 41
• 2.3.5. Lim et al. (2001) 43
• 2.3.6. Yang and Kim (1997) 45
• 2.3.7. Oh (2008) 48
• 제 3 장 연구 대상지반 및 적용 공법 51
• 3.1. 연구 대상부지 및 지반 조건 51
• 3.1.1. 연구 대상부지 선정 배경 51
• 3.1.2. 복합지반의 공학적 특성 53
• 3.1.3. 연구 대상지반의 지반분류(N값 기반 분석) 55
• 3.2. 흙막이 구조 및 적용 공법 58
• 3.2.1. 흙막이 구조 형식 및 시공 조건 58
• 3.2.2. 지반정수 산정 및 해석 적용 59
• 제 4 장 경험식 기반 침하특성 비교분석 62
• 4.1. 해외 경험식 64
• 4.2. 국내 경험식 69
• 4.3. 종합고찰 72
• 4.3.1. 침하영향범위 72
• 4.3.2. 최대침하량 75
• 4.3.3. 침하곡선 형태 76
• 제 5 장 침하분석을 위한 수치해석 78
• 5.1. 서 론 78
• 5.2. 수치해석의 이론적 배경 79
• 5.3. 해석 Case 정의 80
• 5.4. 모델링 구성요소 81
• 5.5. 해석결과 및 분석 87
• 5.5.1. 단계별 굴착에 따른 지표침하 거동 87
• 5.5.2. 침하영향범위 분석 93
• 5.5.3. 최대침하량 분석 99
• 5.5.4. 침하곡선 형상 분석 101
• 5.5.5. 비정상류 조건에서 해석범위에 따른 침하거동 비교 106
• 5.6. 기존 이론식과 경험식의 상관분석 108
• 5.6.1. 침하영향범위 108
• 5.6.2. 최대침하량 111
• 5.6.3. 침하곡선의 형상 113
• 제 6 장 원심모형실험 116
• 6.1. 서론 116
• 6.2. 원심모형실험의 기본 이론 117
• 6.2.1. 원심모형실험의 기본 개념 118
• 6.2.2. 상사법칙 및 축척비 119
• 6.2.3. 원심모형실험의 적용 목표 121
• 6.2.4. 본 연구 실험 조건과 상사법칙의 일관성 검증 122
• 6.3. 원심모형실험 장치 및 계측 시스템 123
• 6.4. 실험조건 및 수행절차 126
• 6.4.1. 모형지반 조성 126
• 6.4.2. 원심가속 및 침하 계측 절차 127
• 6.5. 실험결과 및 분석 129
• 6.5.1. 시간-침하곡선 분석 129
• 6.5.2. 단계별 침하발생 분석 131
• 6.5.3. 상사법칙 적용 결과 133
• 6.5.4. 단위중량 및 간극비 변화와 침하 거동의 상관성 134
• 6.6. 종합분석 136
• 6.6.1. 원심모형실험 결과 요약 136
• 6.6.2. 경험식과의 비교 분석 138
• 6.6.3. 수치해석 결과와의 비교 분석 139
• 6.6.4. 원심모형실험 결과 해석의 제한사항 139
• 제 7 장 결 론 141
• 참고문헌