전단탄성계수를 구하는 이력곡선

반복재하 하중시 생기는 곡선 : 이력곡선

전단응력-변형률 그래프에서 전단탄성계수를 구하기 위함. G=t/r
처음 재하 : 골격곡선

감쇠비 (D)
- 시간이나 거리가 증가함에 따라 진폭/에너지가 줄어드는 것
- 기하감쇠, 재료감쇠
- 이력곡선에 의한 감쇠비 D = 1/4pi x ABCD면적 /AOT면적

G/G0 – r : 미소변형률에서는 기울기가 비슷. 커질수록 G가 작아짐

D-r : 미소변형률에서는 D=0 에 가깝고 전단변형률이 증가하면 커짐.

환경 변화에 따라 모래나 실트 층이 하부에 존재하는 경우를 Sand Seam 이라고 함.

압밀공법 시 수평 배수층 역할을 할 수 있음.
-> 배수층 역할로 배수조건이 2차원에 가깝게 거동
- 점토층 투수계수의 100~100,000 배에 가까워 지층에 존재하는 경우 압밀 시간, 침하량에 차이를 발생시킴

조사
- Kriging 을 통해 Sand Seam 의 위치와 두께를 유추.
- 수치해석 프로그램에 반영하여 압밀해석에 활용.

- 낙동강에 많이 발달되어 있음.
- Sampler 를 통해 추적이 가능하지만, 타당성 검토가 필요함.
- 피에조콘 이용 : qc 급격히 증가하는 지점, 간극수압이 급격히 저하되는 지점, fs 가 급격히 저하되는 지점, 토층 분석 결과 sand 가 많은 지점.

Mandel-Cryer Effect

공극탄소성
피에조콘 소산시험 : 콘 관입 시 발생하는 과잉간극수압이 즉시 감소되지 않고 일시적으로 증가하는 현상. (콘치, 간극수압 측정가능)
기초 아래 간극수압이 초기치부터 상승한 후 저하됨. (일정시간)
응력전이현상
“점진적으로 소산”

이암의 공학적 문제점 (포항과 연결)
- Squeezing : 터널 굴착 후 유도되는 응력 상태가 무결암의 강도를 초과하여 무결암을 항복시켜 큰 변형을 일으킴. 터널 단면이 축소되고 지보에 큰 손실을 주게 됨.
명확한 시험방법은 없으며,
암반이나 터널에 작용하는 응력이 전단강도보다 현저히 큰 경우 squeezing 이 일어남.
하중 비교, Q값과 토피고의 비교, 변형률에 대한 비교 방법

- Slaking : 잘게 부서지는 현상. 고결력의 저하. (습윤, 건조의 반복) 사면의 붕괴로 이어짐. Swelling 과 밀접한 연관. Montmorillonite 와 연결.
내 slaking 지수 : 노건조 후 드럼에 넣고 물을 넣고 회전 200rpm. 중량변화. 70% 이상 유지 필요.

- Swelling : 물과 접축시 부피가 팽창. 팽윤고, 팽윤압 시험. 팽윤압이 Lining 에 압력을 미쳐 터널 안정성에 영향을 줌.
그림 중요. 간극수는 그대로인데 토사가 부풀어오르는 그림. 2~3% 면 위험함.

대책 : 지하수위 제거 등

사면의 붕괴는 보통 강우에 기인함.
내적으로는 사면의 공학적/지질학적 특성에 따르기도 함.

시간 이력 : 절취여부, 보강여부, 붕괴여부, 변형여부 (환경/기상 조건에 따른)

검토
- 시간이력에 따른 붕괴정도 확인. 역해석과 연결
- 강우 침투 모델을 통한 사면의 안정 검토. 시간의 경과에 따른 slaking, swelling -> 토사화 (집중강우 관리 필요.)
- 한계평형해석 Talren
- 붕괴나 변위에 따른 지질 정수의 역해석에 따른 조정으로 안정여부 재검토 (강도 정수의 변화)

Jar Slake Test

Dry 시키고, 물에 담궈서 30분마다 관측

Index of slake durability 와의 상관관계

TBM 공법에서 세그먼트 나 NATM 에서의 라이닝

설계 흐름
1) 기하학적 결정 : 선형, 직경, 라이닝 두께, 폭
2) 지반정보
3) 단면
4) TBM 기계 데이터 : 길이, 구속압, 추진압, 그라우팅
5) 재료
6) 하중 : 토압, 수압, 시공하중
7) 모델 : 수학적/경험적/수치해석적
8) 계산 : 축력/모멘트/전단력/처짐/접합

설계하중
1) 주하중 : 토압, 수압, 라이닝 자중, 기타하중

2) 부하중 : 이렉터(erector) 하중, 설치하중, Jack 추진하중, 그라우팅 압력, 시공장비 하중
3) 지진하중 : 응답변위법, 진도법

구조계산
- 세그먼트 휨응력 계산
- 세그먼트 체결볼트 응력 계산
- 키(Key) 세그먼트 연결부 검토 (최상부나 측벽에 마지막에 끼워넣는


세그먼트 크기/연결/두께
1) 1.2m 길이, 1.2m 폭 정도로.
2) 곡률에 따라 다르고, 곡선부는 작게 하는 것이 유리
3) 강재/RC 의 비교
4) 주입공 필요.
5) 교차구조

6) 연결 : 장볼트, 직볼트 곡선볼트
7) Key Segment

8) 방수 : 코킹, 그라우팅, 개스킷(압축/팽창), Swellable Joint
9) 두께 : 8m 단면 기준 약 40cm. 직경의 1/20 정도로 경험적.

효율적인 터널 설계

1. 안정성 증대 : 단층, 편압, 지진, 수압 등에 안전한 터널. 시공실적, 해석실적이 검증된 설계.
2. 친환경 : 갱구부 절토최소화 설계, 발파진동,소음,수질오염 최소화, 민원 최소화를 위한 가시설계획 포함
3. 시공성 : 시공 난이도 고려, 문제점 제고, BIM 등 현장감 반영, 자연조건 순응 및 반영구적 구조물 계획
4. 유지관리 : LCC 최소화, 충분한 방수/배수 시스템, 유지관리 환경 최적화.

환기계획 및 설계

1. 고려사항
- 교통량, 선형, 주행속도, 기상, 터널의 길이
2. 소요환기량
- 대상오염물질 : 매연, 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx)
- 차종별 기준배출량 기준 산출.
- 식을 외우기는 어렵고, m3/s km lane 이라는 단위만 기억하는걸로.

3. 오염물질 허용농도
4. 환기력 : 자연환기력, 교통환기력(차량의 피스톤효과)
5. 환기방식

종류식 : 차량 진행 방향의 기류, 교통환기력 유도, Duct 가 없다.
횡류식 : Duct 로 송기와 배기. 차도 내 풍량은 작다.
반횡류식 : 한쪽면에서만 Duct 적용 (송기 or 배기)

방재등급 구분
- 1등급 : 3km 이상
- 2등급 : 1~3km
- 3등급 : 500m ~ 1km

방재시설의 종류 (위험도지수의 기준 등급을 함께 고려함.)
- 피난설비 : 피난연락통로 1,2,3 / 비상주차대, 피난대피터널, 비상조명등, 피난연락갱(쌍굴터널 차단문 설치, 300m 이내)
- 소화설비 : 소화기구 30m간격 50m이내, 제연설비(환기설비) 필요시, 소화전 1,2, 연결송수관 1,2, 비상콘센트 1,2,3
- 경보설비 : 비상경보, 화재탐지, 비상방송 50m 이내, 긴급전화 250m 이내, CCTV 200~400m 간격, 라디오1,2,3,4, 정보표시판1,2, 진입차단시설 1,2
- 비상전원 : 비상발전, 무정전전원

터널 위험도 평가기준 (5등급, 위험도가 2를 초과하면 방재등급 1단계 상향)
- 연평균 일교통량 x 터널연장 (8~64)
- 경사도 1~3%
- 대형차 혼입율 10~25%
- 위험물 수송에 대한 규제
- 정체정도
- 통행방식 (일방, 대면)

방재시설계획

1. 연소방지시설 : 라이닝 불연재, 케이블 난연성
2. 차량통제시설 : CCTV 200m, 화재탐지, 비상전원, 피난유도
3. 비상연락장비 : 유선전화, 라디오 등
4. 대피통로 : 경사/수직터널, 피난갱,
5. 구조 : 콘센트 100m 간격, 안내표지, 이정표
6. 소방 : 소화기, 소화전 100m, 소화배관 6”, 방수구, 가압펌프
7. 제연/환기 : 제연커튼, 배연시설

굴착공법

1. 고려사항 : 지질구성, 터널선형, 터널 크기, 단면 형상, 시공성, 공사비 고려.
2. 종류 : NATM/NMT, Shield or TBM + NATM, ITC, road header

3. 굴착방식 : 전단면, Long/Short/다단 Bench, 가인버트, 중벽분할, Silot
4. 갱구부

5. 내진설계

기능수행수준은 구조물의 응답을 선형해석법을 이용하여 설계할 수 있다.
붕괴방지수준에서는 구조물의 응답을 비선형 거동특성을 고려할 수 있는 해석방법으로 설계한다.

(유의사항)
- 라이닝두께를 증가시키기 보다는 철근을 넣어 인성을 증가시킨다.
- 기둥은 압축/전단파괴보다 휨인장파괴가 먼저 일어나게 한다.
- 땅깎기 비탈면의 적당한 기울기를 확보하여 토류벽을 형성한 갱구부를 설계한다.
- 액상화 방지
- 이음부에는 강성이 작은 이음장치 설치

산사태 발생 조건은
- 강우량 200mm 이상, 최대 시간당 32mm 이상
- 암질 및 임상(임목)의 종류에 따라 차이가 있으며,
- 계곡부가 산복부 보다 확률이 크다.
- 30~35도 이상의 경사는 관리할 필요가 있으며,
- 모래 함량이 많을수록 마찰력이 작아져 산사태 발생확률이 커진다.

절토 사면의 안정성 검토

1. 조사항목
- 사면보호공의 융기나 균열, 낙석보호공의 파손 여부
- 사면부대시설물의 균열, 간격 등

2. 문제 요소
- 연약지반
- 용수 발생
- 동결 융해가 일어나기 쉬운 곳
- 전석, 부석 : 낙석
- 토석류 : 물이 다량으로 함유되어 유동화된 토사가 흘러내리는 현상.
1) 토사가 사면을 따라 하강하여 생성
2) 급격한 출수에 의해 계곡의 퇴적토사 침식 및 유수와 함께 흘러내림. (위험성이 더 큼.)
3) 풍화사면에서 풍화물과 물이 혼합되고 탄성한계를 넘어서 액체가 흐르듯이 빠르고 멀게 이동.
4) 대규모, 돌발적, 큰 압력과 속도, 대응이 어렵다,
5) 불투수층과의 경계가 있는 무한사면의 경우 완만한 경사에서도 Land Creep 가 발생할 수 있으며, 토석류와 관련된다.
6) 사방댐을 단계별로 설치하여 물의 흐름은 유도하고, 흙 등 debris 의 흐름은 억제한다.

3. 대책
- 보호 : 배수시설 (표면수로 인한 침식 방지)
공중사진이나 드론(Drone)으로 뜬돌/균열여부 관찰. 낙석 시뮬레이션.
지하수 배제 : 수평배수공 – 누수량/위치 확인하여 설치위치, 간격, 깊이 등 검토
- 보강 : 억지말뚝, 옹벽, 경사조정
- 토석류 : 사방댐, 산마루 측구, 사면 종/횡 배수공사, 표면보호공 – 피해최소화가 목표.


4. 유지관리
- 배수시설의 조사를 통해 지반 침식여부 관찰
표면수가 국부적으로 집중되는 곳, 용수나 침투수가 많은 곳, 지하수위 변동이 심한 곳.
- 토석류 발생가능성 : 빈도조사, 유출 토사량 조사, 토석류 최대 입경 조사
- 시설물 하부 세굴이나 유실여부

토석류에 대하여 좀 더 집중적으로

토석류 : 집중 강우 시 자연사면의 붕괴로 표면수, 계곡수와 파괴쇄설물이 섞여서 흐르는 것. 5mm 이상 50% 이상 통과

문제점 : 선단에 거석이나 유목이 집중, 예측불가능, 속도가 빠름.

용적농도비 : Vs/V 0.4~0.8. 0.8 이상이면 고체상태의 전단파괴로 인식.
질량 : 2.5~3.0 t/m3

메커니즘 : 파괴(시작) (경사 20~30) -> 이동 (경사 10~20) -> 퇴적 (10이내)
1. 강우 시 침투에 의해 지하수가 증가, 횡방향 구속압 감소
2. 배수상태 -> 파괴 -> 비배수, 전단변형율 증가 -> 파괴토 이동
3. 지하수위 증가에 따라 유효응력이 약해지고, 구속압이 작아지면서 Mohr-Coulomb 원에 닿게 됨.


토석류의 특성값
1. 토석류 규모 (설계토석량) : 토석의 부피, 과거 토석류 기록 추정, 계곡의 유역면적등 고려, 경험적 관계식
2. 첨두토석유량 : 유속, 수로단면적 고려, 홍수유량 고려
3. 평균유속 : 경험적자료, 이론적인 흐름 모델에서 유도
4. 수심 : 횡단면에서의 평균수심, 홍수흔적 활용, 연속방정식
5. 퇴적경사 : 경험적 관측

토석류 감시 및 경보시스템 : 드론, 감시카메라, 유량계, 감지센서 등

대책 : 파쇄시설, 사방댐(slit dam), 네트공, frame, fin 등

예방 : 배수시설 설계과정에서 토석류 가능여부를 분석 (발생가능토석량, 첨두토석유량)

점토 : 비배수 점착강도
사질토 배수 점착강도, 천층터널에서 중요.

분류의 목적 : 설계-시공 전반에 일관성있게 적용할 수 있는 객관적인 지표.

암반실내시험

1. 압축강도 : 일축압축, Point Load Test, Schmidt Hammer Test

PL test : L>2D

Is (보정전 강도) = P/De^2. (De = 환산지름)
크기계수에 따른 조정 Is50
UCS (일축압축강도) = Is50 x C (Core 크기에 따라 커짐, 보통 C 20 정도)


2. 전단 : 삼축압축전단
3. 인장 : Brazilian Tensile Test (Disc, Splitting)

하중 2P 를 원주로 나눔. = 인장강도 (D=50, t=25mm)
쪼개기 시험

균열형태 및 시점 확인.
FLAC 3D 를 통한 수치해석.

4. 동적 : 초음파
5. 비중, 함수량, 밀도, 입도, 연경도, 동결융해안정성, 팽창

암석과 암반의 구분
- 암석 Intact Rock : 광물의 구성비와 결합상태 및 결정의 크기에 의해 공학적 성질이 결정됨 (불연속면 X), 압축강도, 탄성계수, 풍화정도
- 암반 Jointed Rock Mass : 암석의 공학적 성질 + 불연속면, 풍화, 초기응력 등 공학적 성질 추가.

습곡

암분류

표준단면

암석 강도 (압축강도)
- 재료
- 불연속면 (암반) : 절리, 단층, 편리, 층리. 굴연틈충풍, 길이와 간격.
- 블록의 크기
- 풍화도
- 등방성 (이방성)
- 재하속도 : 탄성과 소성을 찾기 위한 시험. 파괴점에 도달하는 시간이 개별적임.
1) 급속 재하 시 완속 재하보다 강도가 커짐. (파괴가 늦게 일어남.)
2) 연암, 풍화암에서 속도에 의한 차이가 크게 발현됨.
- 구속압
1) 구속압이 커지면 암석의 파괴시점이 늦춰지고, 탄성한계가 더 커짐. -> 암석의 강도가 커짐.
2) 구속압이 커지면 잔류강도도 커지며, 취성파괴 확률도 적어진다.
- 공시체의 크기
1) 공시체의 크기가 크면 불연속면을 포함할 확률이 커져 발현 강도가 저하된다.
2) 전단 면적이 증가하거나, 길이가 길어지면 강도는 감소한다.
3) 공시체가 원형(Cylindrical)에 가까울수록 강도의 크기가 증가한다.

1.     Griffith
취성 거동만 한다는 가정하여 미세한 균열이 발생.
균열에 의한 응력집중 때문에 이론보다 작은 응력에서도 파괴가 일어남.
균열에 따른 탄성변형에너지 감소를 고려하여 균열을 통해 취성에 이르는 인장력을 계산하여 검토.
(암석에서는 인장응력과 인장강도에 의한 검토에서 사용)

2.     탄-소성 : flow/hardening rule 과 연결.
항복응력의 증가여부에 따라 취성과 연성으로 구분

3.     Mohr-Coulomb : 전단강도와 전단응력의 비교.
일축압축강도, 일축인장강도 (압축이 보통 인장의 10배이상)

4.     공극수압
함수비가 증가하면 강도 감소. 간극수압에 따라 Mohr Circle 이 유효응력 기준으로 변환하는 경우 왼쪽으로 파괴포락선에 가까워짐.
암석 공극 내부의 수압 발생에 따른 강도 감소.

압밀의 확인 : 피에조콘 소산시험 – 정수압 상태/지반의 강성지수 요구

CPTu : 지층의 층간 상태 비교 가능, 콘지수, 주면마찰력, 간극수압

평형간극수압 = 정수압 + 잔류간극수압 (압밀 진행 중)
1) 압밀 해석의 오류가 발생하게 됨.
2) 과잉간극수압이 소산될 때까지 확인하면 가능 à 시간이 오래 걸림
3) 침하관리 (쌍곡선, 호시노, 아사오카) 최종 평형간극수압의 수렴값 결정

현장에서 예측된 평형간극수압과 실제 관측된 평형간극수압을 통해
압밀속도, 추가 하중 등을 고려할 수 있다. (역해석을 통한 압밀계수의 재해석, 장래침하량 예측)
압밀도 U = ut – u0 (정수압) / ui – u0, U=1 (t=0 일때), U=0 (과잉간극수압소산)

강성지수 = Ir = G / Su (전단탄성계수/비배수전단강도) 50~400

딜라토미터 (Dilatometer, DMT)

1. 특징 : 원위치 시험
2. 구성 : Blade (납작한 기구), Steel Membrane
3. 순서 : 해당 깊이에 삽입, 초기압력 재하, 압력증가, 간극수압에 해당하는 압력도 추려냄.
Steel Membrane., 자료 기록 및 분석, Seismic 의 경우 Rod 에 Geophone 삽입하여 전단파속도도 측정.
4. 결과값 : 비배수전단강도,변형률 특성
5. 비교 대상 : PMT, Vane, CPT, SPT 등

팽창계로 얻어지는 값들
구속계수
비배수전단강도
내부마찰각
전단파속도

횡구속계수 Kd 에 관하여

Kd 값이 커지면 액상화 확률이 커진다.

깊이가 깊어질수록 줄어드는 편, Vs 와 비교적 반비례하는 편.

탄성계수를 구할 때 계수를 통해 변환을 할 필요가 있음.

DMT : E=Ed(1-v^2) (포아송비의 제곱)

구조물 설계기준을 요약해보았습니다.

일반
1. 작은 변형률의 지반특성, 동하중 특성, 지반-기초의 상호작용에 따른 동적거동해석
2. 정하중의 크기와 작용점. 진동하중의 특성/크기/가동 진동수

정하중 : 부등침하 방지를 위해 무게중심 연직선은 5% 편심 (평면치수 기준) 이내여야 한다.

동하중
1. 공진영향 최소화. (기계/기초/지반의 고유진동수 결정 필요.)
2. 1000 rpm(고속회전) : 기초고유진동수 < 작동 진동수 x 1/2 로 관리
3. 300 rpm(저속회전) : 기초고유진동수 > 작동속도 x 2 로 관리.

진동해석
1. 기초지반에 상응하는 강성계수와 감쇠계수를 사용. 진폭은 허용기준치 이내로 관리
2. 합성진동 시 상호 영향 고려
3. 근입깊이와 강성계수/감쇠계수 비례. (보정)
4. 기반암이 얕은 곳에 있으면 강성계수 증가, 감쇠계수 감소. (보정)
5. 허용 진폭은 기계 제작사 기준.

(A영역 : 정상, B영역 : 가벼운 결함, C영역 : 결함, 10일내 보수, D영역 : 파괴임박, 2일내 보수, E영역 : 위함, 즉시 중지)


지지력과 침하
- 허용 침하와 기계제작사의 허용치 고려.
- 심각한 진동조건에 대해서는 정하중 허용지지력의 1/2 만 고려
- 느슨한 조립토는 다짐 등의 방법으로 침하 발생 방지.