침투류 해석 (배수, 비배수터널)
ENGINEER/토목-Civil침투(Seepage) 해석의 목적
- 침투는 수두차와 간극에 의해 결정됨. (토립자 사이의 빈공간을 수로로 하여 흐름)
- 터널 막장면의 침투 시 안정성 저해,
- 침윤선이 제내지까지 발달되면 누수가 시작되고, Piping 으로 이어짐.
- 지하수위 저하 및 흐름 파악
- 터널 굴착 시 응력이완, 막장에서의 용수에 의한 침투수압을 확인 및 계산할 필요가 있음.
- 제체의 건조한 정도(함수비)에 따른 침투량 및 수압파쇄 발생여부 확인.
침투 및 지하수의 흐름
- 침투 속도 : Q/Av = V’ (Av : 단면적에서 공극의 평균면적), V’ = V/n (Darcy 의 법칙, 완전포화, 정상흐름 가정, 침투유속이 흙속의 간극을 흐르는 실제 유속으로 보통 더 크다.)
- 포화도가 떨어지면 표면장력의 영향으로 인장상태의 발전으로 흡입압(부의 간극수압) 발생.
- 비배수터널 : 지중응력 = 유효응력 + 정수압, 라이닝 단면 보강 필요. 배수터널은 유효응력(=전응력) 만 고려. (완전배수라는 가정 필요.)
- 배수터널이라도 지하수위가 주변에 높이 있거나, 투수 계수가 낮은 숏크리트 층이 정수압을 유발.
- 양압력도 고려할 필요 있음. 바닥 쪽 인버트 해석 시 고려할 필요 있음.
- 흙의 성질, 흐름, 경계조건 고려하여 침투 해석.
- 정상류 : 지반의 투수성 영향을 받지 않아 지하수와 배출수량이 동일.
- 부정류(비정상류) : 배출수량 > 지하수량. 시간에 따라 유량이 감소. 지반내 함수비/공극률을 알아야 상승/하강에 따른 유량 계산 가능. 제체 내 수위 변동 있는 경우(홍수위 도달 시간, 평수위 도달 시간)
- 해석방법 : 도해법, 시험법, 근사해법 (유한요소), 잔류응력을 위한 수치해석 (FEM, FDM)
- 프로그램 : SEEP/W, SEEP2D, TRUST, Midas SoilWorks
- 투수계수가 동일한 같은 지반조건에서도 해석영역, 요소크기, 경계조건에 따라 수압이 다르게 나타남.
투수계수 산정 시험
- 수압시험 : double packer, 9 단계시험 (1-3-5-7-9-7-5-3-1 kg/cm2), 5m 간격, 10분간 주수량 측정.
- 토사 : 10-3 cm/s, 풍화암 : 5x10-4 cm/s, 경암 : 5x10-6 cm/s (D10(mm) ^2 = k (cm/s) )
침투 안정검토
- 월류, 세굴, 비탈면(잔류수압), 연약지반 침하, 누수/파이핑/수압파쇄, 강우에 따른 함수비 증가
- 누수 : 투수성 지반 – 수위상승 – 침투수압 증가 – 침투수 유출 (파이핑), 재료의 불균일성, 시공상 다짐 불량, 부주의
- 한계동수경사 검토 : 유효응력 (상향침투시) = z r – h rw. 0 이되는 경우 파이핑/Quick Sand. 안전율 2 이상.
- 한계유속 검토 : 입자가 밀려나가는 속도 (한계침투유속, 20~2.0 cm/s) Vcr = 2 D10^1/2, V lim = 5x10-2 k^1/4. V actual 이 V cr 의 1/100 아래가 되도록 관리.
비배수터널 안정대책
- 그라우팅 공법 (JSP, CGS)
- 강관 다단 그라우팅
- 굴진장의 조정, 분할굴착
- 계측 관련 내용.
PI=0 은 해성점토로
물을 어느 이상 머금으면 소성상태를 거치지 않고 바로 액체가 되면서 부풀어 오르거나
흐트러지는 현상. Dispersive Soil 의 경우 Test 를 통해 흐트러짐의 정도를 확인할 수 있다.
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