KR20230063221A - 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법 - Google Patents

철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법 Download PDF

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이명재
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한국철도기술연구원
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Abstract

지표를 기준으로, 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해량을 평가하여 보다 합리적인 복구 설계를 할 수 있는, 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법은 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해를 평가하는 방법으로서, (a) 철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정하는 단계; 및 (b) 지표를 기준으로, 상기 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가한 후, 보강 여부를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 지표는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위 및 성토고 높이 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

Description

철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법{METHOD FOR EVALUATING DAMAGE CAUSED BY LIQUEFACTION IN THE FILL SECTION OF RAILWAY FACILITIES}
본 발명은 지표를 기준으로, 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해량을 평가하여 보다 합리적인 복구 설계를 할 수 있는, 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법에 관한 것이다.
액상화 현상은 느슨한 포화 사질토 지반에 지진하중이 작용하였을 때, 지반내 과잉 간극 수압이 증가하여 지반이 전단강도를 잃고 물처럼 거동하게 되는 현상을 의미한다. 액상화 현상은 기초 지지력이 상실되는 현상으로 인해 특히 상부 시설물에 큰 피해를 입힐 수 있다.
2017년에 발생한 포항 지진(M5.4)에서는 국내에서 계기지진 이래 최초로 액상화 현상이 관측되었다. 이로 인해 액상화 현상에 대한 국가 주요 인프라 시설물의 안정성 확보 필요성이 증대되는 추세이다.
그러나 내진설계에서 제시된 액상화 평가 기준은 구조물이 위치한 지반의 액상화 발생 여부만을 제시하기 때문에, 액상화 발현으로 인한 철도 등 구조물의 피해를 정량적으로 파악할 수 없는 한계가 있다. 즉, 기존에 운영 중인 인프라 시설물의 경우 성능기반 설계의 개념을 토대로 액상화 발생 시 실제 피해 정도를 예측하고 그 결과를 토대로 피해 수준 정의, 보강 전략 수립 등이 이루어져야 하나 이와 같은 내진성능 평가요령의 수립이 미비한 상황이다.
여러 주요 인프라 시설물 중 철도 시설물은 이용률의 증가, 열차 규모의 증가, 초고속열차의 등장 등 여러 측면에서 지진발생 및 액상화 시 큰 피해로 이어질 수 있는 시설물이나 적절한 내진성능 및 액상화 피해평가 기준이 수립되어 있지 않다.
특히 철도 시설물의 경우 선형으로 매우 긴 연장에 걸쳐 국토를 횡단하며 그 과정에서 해안, 농경지, 매립지 등 다양한 연약지반 혹은 액상화 가능한 지반을 통과할 개연성이 매우 높다. 또한 공사 특성상 성토 및 철로 설치를 전제로 하는 구간이 많기 때문에 구간별로 면밀한 지진 안정성 평가가 요구된다.
액상화 가능한 지반의 지진 거동은 비액상화 지반의 지진 거동에 비해 더 복잡한 메커니즘을 가지기 때문에 더욱 불확실하며 예측하기 힘든 특성을 보인다.
이는 상부 구조물에 의한 관성력과 지반 변형에 의한 운동력이 건조지반 조건에서와 다른 동적 특성을 보일 뿐만 아니라, 지반의 비선형 거동과 과잉 간극 수압의 발달로 인해 지반의 강성과 전단강도가 시간에 따라 감소하기 때문이다.
최근 들어, 현장 실험에 한계가 있는 액상화 연구의 특성 상 원심모형시험과 1g 진동대 시험과 같은 물리적 모델 테스트(physical model test) 및 수치해석 기법을 활용한 연구가 활발히 진행 중이다. 특히 물리적 모델 테스트의 시간적, 경제적, 공간적 한계점으로 인하여 액상화 현상의 모사를 위한 수치해석 기법의 효율성이 더욱 각광받고 있으며 그 중요성이 증대되고 있다.
기존에는 유한요소 모델을 이용하여 액상화 발생 시 얕은 기초에 발생하는 침하량을 산정하고 이를 일반 지반조건에서의 결과와 비교하는 한편, 그 결과를 토대로 합리적인 설계 방향을 제시한 바 있다. 또한 수치모델을 이용하여 건축물의 침하 및 변형 수준을 산정하였으며, 실험결과와 비교하여 모델링의 검증 및 액상화 거동 평가를 수행하였다.
하지만 해당 연구들은 일반적인 얕은 기초 및 대표적인 단순 건축물에 대한 결과로, 성토체와 철로구조물로 이루어진 철도 시설물의 지진 거동과는 다른 메커니즘을 나타낸다. 다른 연구에서는, 2차원 유한요소 모델을 이용하여 액상화 시 철로 성토체의 안정성 및 침하량을 산정하였으며, 이를 토대로 최적 성토고를 제안하였다. 하지만, 2차원 간편모델을 이용한 해석 결과로, 지반의 전단 변형에 따른 직접적인 간극 수압 발달 및 실시간 전단강도의 감소를 모사하는 데 한계를 가진다.
본 발명의 목적은 액상화가 발생하였을 때 시설물에 발생하는 직접적인 피해정도를 평가할 수 있는 액상화 피해 평가 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 피해 정도에 따른 보다 합리적인 복구 설계가 가능한 액상화 피해 평가 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법은 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해를 평가하는 방법으로서, (a) 철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정하는 단계; 및 (b) 지표를 기준으로, 상기 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가한 후, 보강 여부를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 지표는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위 및 성토고 높이 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 액상화로 인한 부피 재압밀의 변형률을 이용하는 제1방법, 액상화로 인한 용적 변형에 따른 체적 변형을 이용하는 제2방법, 액상화 지수(LPI)를 이용하는 제3방법 및 지반 상대밀도에 따른 변형률을 이용하는 제4방법 중 어느 하나 이상을 선택하여 수행될 수 있다.
상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도 또는 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 고저틀림이 18mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 잔류 침하량이 100mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도 또는 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 수평변위가 300mm 이상이거나, 또는/및 성토고 높이의 1% 이상 변위가 발생하면 “심각”에 해당하여 철도 시설물의 붕괴 위험으로 평가할 수 있다.
상기 지표를 기준으로, 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 잔류 침하량이 30mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
본 발명에 따른 액상화 피해 평가 방법은 철도 시설물 성토 구간에 액상화가 발생하였을 때 시설물에 발생하는 직접적인 피해량을 보다 상세하게 평가할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 피해 정도에 따른 보다 합리적인 복구 설계가 가능한 이점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 진동 전단 응력비와 체적 변형률 및 보정 N값과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 상대밀도 별 깨끗한 모래에 대한 액상화 유발 안전율과 액상화 후 체적 변형율과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 M = 71/2 및 σvc' = 1 atm의 깨끗한 모래에 대한 SPT 기반의 액상화 상관관계와 재압밀 시 체적 변형율의 변화 그래프이다.
도 4는 반복 하중 중 재압밀 체적 변화 vs 최대 전단 변형률을 보여주는 그래프이다.
도 5는 반복 하중 시 안전계수와 최대 전단 변형률의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 기초 지반의 액상화에 따른 성토의 변형 성질과 형상이다.
도 7은 성토의 침하량과 기초 지반의 액상화 지수의 관계(N c = 20) 그래프이다.
도 8은 성토의 침하량과 기초지반의 액상화 지수와의 관계(D r < 60% ) 그래프이다.
도 9는 호남고속철도 성토단면 예(109.6km 구간)이다.
도 10은 호남 고속선 표준지반 단면 3곳이다.
도 11은 호남 고속선 표준지반 단면 3곳 시추주상도 및 전단파 속도 그래프이다.
도 12는 호남 고속선 연약지반 단면 2곳이다.
도 13은 호남 고속선 연약지반 단면 2곳 시추주상도 및 전단파 속도 그래프이다.
도 14는 해석에 사용된 수정된 재현주기 별 지진파 그래프이다.
도 15는 전단강도 감쇠 곡선 및 감쇠비 곡선 그래프이다.
도 16 및 도 17은 각 부지 별 지진 응답 해석 결과 그래프이다.
도 18은 내진 1등급 붕괴방지 수준의 지진력을 적용한 장주기(Hachinohe) 지진파의 각 부지 별 액상화 평가 결과 그래프이다.
도 19는 성토 침하량과 기초 지반의 액상화 지수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법을 설명하도록 한다.
본 발명에서는 국가 주요 SOC 시설물 중 하나인 철도 시설물의 성토 구간에 대해 액상화 피해 평가 기법을 개발하기 위해, 관련 기준을 검토하고 이를 바탕으로 피해 평가 기법을 제안하였다. 한국의 내진설계기준 및 철도 시설물 관련 기준을 검토하고, 이를 바탕으로 액상화 위험도에 따른 침하량 및 수평변위 기준을 결정하였다. 수립된 액상화 피해 평가 기준을 적용하기 위한 방법으로 4가지 기법을 제안하였다. 액상화 피해 평가 위험도는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위를 바탕으로 피해 없음, 주의, 심각 수준으로 구분하였다.
나아가 실제 한국 호남고속철도 성토 단면에 해당 피해 평가 지표를 적용하고 침하량 평가 방법 별 침하량 결과를 비교하여 적용성을 검토하였다.
본 발명은 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해를 평가하는 방법으로서, (a) 철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정하는 단계, 및 (b) 지표를 기준으로, 상기 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가한 후, 보강 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
이때 지표는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위 및 성토고 높이 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
한국의 내진성능 수준은 내진 설계 기준을 기초로 하고 있으며, 해당 기준에서 기능 수행 수준과 붕괴 방지 수준에 대한 정의를 내리고 있다.
“기능 수행 수준”은 설계 지진 하중 작용 시 구조물이나 시설물에 발생한 손상이 경미하여 그 구조물이나 시설물의 기능이 유지될 수 있는 성능수준으로 정의될 수 있다.
“붕괴 방지 수준”은 설계 지진 하중 작용 시 구조물이나 시설물에 매우 큰 손상이 발생할 수는 있지만 구조물이나 시설물의 붕괴로 인한 대규모 피해를 방지하고, 인명 피해를 최소화하는 성능 수준이다. 이를 철도 시설물에 적용하면 “기능 수행 수준”의 경우 지진 시 모든 구조물 및 부속시설이 탄성 또는 탄성에 준하는 거동을 허용할 수 있다. 또한 철도의 일반적인 기능 즉 운행이 유지될 수 있는 성능수준을 의미하게 된다. “붕괴 방지 수준”의 경우 소성 거동은 허용하되, 취성 파괴 또는 좌굴이 발생되지 않아야 하며, 지반의 액상화로 인하여 상부 구조물에 중대한 결함이 발생하지 않아야 한다.
철도 시설물의 선로유지관리 지침에 따르면 경제성, 내구연한 및 열차운전의 안전을 위한 최적의 관리를 위하여, 공용 전 준공 및 목표기준, 공용 후 주의 및 보수기준으로 고저틀림을 관리하게 된다.
여기서 고저틀림이란 한쪽 레일의 레일길이 방향에 대한 레일면의 높이 차 (부등 침하량)를 의미한다. 즉, 고저틀림은 임의의 포인트들 사이의 침하량 차이일 수 있다.
이 중 철도 시설물의 지진 시 액상화 피해 평가 지표를 도출하기 위해, 표 1의 공용 후 기준을 적용해야 한다.
표 1은 일반철도 및 고속철도 궤도정비 기준 (기능 수행 기준)이다.
[표 1]
Figure pat00001
고저틀림 이외에도 잔류 침하량 기준이 궤도 형식별로 수립되어 있으며, 이를 정리한 내용은 표 2와 같다.
표 2는 궤도형식별 철도 노반 허용 잔류 침하량 기준이다.
[표 2]
Figure pat00002
일련의 고저틀림 및 잔류 침하량 기준은 철도 시설물의 기능이 수행될 수 있는 최소한의 기준이며, 내진성능 수준상에서 “기능 수행 수준”에 해당하게 된다.
즉, 해당 기준 이상의 변형이 발생하면 철도 시설물이 정상적인 기능을 수행할 수 없게 되며, 이는 철도 시설물의 기능 정지 및 즉시 복구 필요를 의미하게 된다.
표 3은 성토 비탈면의 허용 수평변위 기준을 나타낸다. 이는 성토 비탈면의 붕괴방지 수준으로 수평 변위에 대한 허용 변위량을 제시한다. 이를 이용하여 철도 성토구간의 “붕괴 방지 수준”에 해당하는 기준을 결정할 수 있다.
[표 3]
Figure pat00003
일련의 검토된 기준을 바탕으로 표 4와 같이 철도 시설물 액상화 피해 평가 지표를 도출할 수 있다.
[표 4]
Figure pat00004
지표를 기준으로, 자갈 궤도 또는 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 고저틀림이 18mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
지표를 기준으로, 자갈 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 잔류 침하량이 100mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
지표를 기준으로, 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 잔류 침하량이 30mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구할 수 있다.
지표를 기준으로, 자갈 궤도 또는 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때, 지표 중 수평변위가 300mm 이상이거나, 또는/및 성토고 높이의 1% 이상 변위가 발생하면 “심각”에 해당하여 철도 시설물의 붕괴 위험으로 평가할 수 있다.
즉, 표 4의 지표를 기준으로, 상기 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가한 후, 보강 여부를 결정할 수 있다.
상기 지표에 있는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위, 성토고 높이를 정량적으로 평가하기 위해서는 액상화 잔류 침하량을 평가하는 것이 필요하다.
철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정한 후, 상기 지표를 기준으로 피해 정도를 평가할 수 있다.
액상화 잔류 침하량 평가 기법은 간편법과 해석적 기법이 있다.
본 연구에서는 철도 성토구간 대표 단면에 대해 3가지 간편법 및 수치해석을 수행하고 이를 바탕으로 철도 시설물의 액상화 평가 기법을 제안하고 검증하였다.
철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정하는 단계는 액상화로 인한 부피 재압밀의 변형률을 이용하는 제1방법, 액상화로 인한 용적 변형에 따른 체적 변형을 이용하는 제2방법, 액상화 지수(LPI)를 이용하는 제3방법 및 지반 상대밀도에 따른 변형률을 이용하는 제4방법 중 어느 하나 이상을 선택하여 수행될 수 있다.
3가지 간편법 중에서 제1방법은 액상화로 인한 부피 재압밀의 변형률을 이용하는 것으로, 도 1과 같이 포화된 모래지반에 발생하는 침하량을 구하는 간편한 방법이다. 체적 변형률은 x, y 방향으로 변형이 구속되어 있다고 가정하고 깊이 방향 변형률만을 고려하여 연직 변형률을 깊이에 대해 적분함으로써 얻을 수 있다. ε v를 산정하는 방법은 도 2에 도시된 방법, 도 3에 도시된 방법 등이 사용 가능하다.
본 연구에서는 SPT 기반의 액상화 상관 관계를 통한 제1방법을 산정하였다.
액상화 후 재압밀에 의한 체적 변형률은 대부분 실내 실험 연구로부터 유도된 관계식을 이용하여 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00005
식(1)
Figure pat00006
식(2)
체적 변형은 안전율(FS) 2.0 미만인 토층에서 계산되었다. 그러므로, FS가 2.0 미만인 토층은 LPI를 계산할 때 FS < 1.0 과 층만 사용하는 것과 반대로 액상화 심각도에 기여한다.
[표 5]
Figure pat00007
표 5와 같이 피해 범위와 침하 사이의 상관관계를 제시했다. 측정된 지표면 침하와의 상관관계가 낮은 것으로 확인되었지만 관측된 지표면 손상과의 상관관계가 더 나은 것으로 보인다. 그러므로, 본 연구에서, 액상화 작용에 의한 지표면 손상 지수의 역할을 할 수 있을 것으로 판단된다.
도 4 및 도 5와 같이, 제2방법은 지진으로 인한 모래 지반의 침하량 액상화 안전율(FL) 및 지진 발생중 전단 변형의 최대 단일 진폭(the maximum single amplitude of shear strain during earthquake) (r c , max)을 활용하여 액상화로 인한 용적 변형에 따른 체적 변형(ε vc , max)을 실험에 근거하여 예측하는 방법론이다.
실내 비배수 시험(undrained monotonic tests)을 통한 액상화 변형률 곡선을 볼 수 있다.
ε vc , max - r c , max 의 관계는 아래의 식을 통해 산출할 수 있다.
Figure pat00008
식(3)
Figure pat00009
식(4)
Figure pat00010
식(5)
제3방법은 성토지반 아래의 지지 지반이 액상화가 발생한 경우, 지지 지반의 지지력 저하 및 측방 유동, 성토 본체의 변형에 의한 침하가 발생한다(도 6).
그러나 이러한 요인에 의한 침하량을 정량적으로 산정하려면 유효 응력 해석을 이용한 상세한 해석을 할 필요가 있으며, 설계 수준에서는 어려울 때가 많다.
간이식은 액상화 지반 상의 철도 구조물의 성토 침하량의 일정 수준의 기준을 액상화 지수(LPI)를 이용하여 쉽게 추정하는 기법이다.
일반적으로 액상화 지반의 성토 침하량은 성토 본체의 변형으로 인한 침하량보다 지지 지반의 지지력 저하 및 측방 이동으로 인한 침하량이 크다. 이는 기초 지반의 액상화로 인한 성토 본체에 큰 가속도가 작용하지 않는 점, 일반적으로 성토는 다짐으로 인한 본체가 액상화 발생이 어렵다는 점, 두 가지를 근거로 제시할 수 있다. 즉, 성토의 침하량에 큰 영향을 미치는 기초 지반의 지지력 저하, 측방 유동은 액상화 정도에 크게 영향을 받기 때문에, 성토의 침하량이 기초 지반의 액상화 피해 정도에 영향이 있다. 그래서 과거에 실시된 실험 결과를 토대로 액상화 정도를 나타내는 지표인 액상화 지수(LPI)와 성토의 침하량 관계를 정리하였다.
도 7은 둑마루의 침하량 δ를 성토 높이 H로 정규화한 값이며, δ/H와 액상화 지수의 관계를 나타낸다. 여기서 PL은 액상화 정도인 x축을 나타낸다.
액상화 지수와 성토 침하량에는 대략 비례 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 그리고, 기초 지반의 상대 밀도(D r ) 60%를 경계로 데이터를 분류하였으며 이는, 액상화 지수가 같은 정도라도 상대 밀도가 낮은 경우에 침하량이 커지는 경향이 있음을 시사한다.
도 8 역시, 상대 밀도가 60% 이하의 경우에 대한 반복 횟수 N c 의 영향을 나타내는데, 반복 횟수가 많은 경우에 침하량이 커지는 경향이 있다는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 기초 지반의 액상화 지수(LPI)를 산정하고, 간이식을 통해 각 해석 부지별 성토의 침하량을 산정하였다. 그러나, 이러한 검토 결과는 과거의 모형실험 결과를 정리한 것이며, 산출된 값은 어디까지나 기준치이다. 액상화에 따른 성토의 침하량을 정밀하게 산정할 필요가 있는 경우에는 별도로 상세하게 검토하는 것을 권고하고 있다.
제4방법에 대한 설명은 다음과 같다.
건조한 지반의 지진 거동과는 달리 액상화 가능한 지반의 지진 거동은 반복 하중에 따른 전단응력 변화 및 과잉 간극 수압 발달 등으로 인해 더욱 복잡한 특성을 나타낸다. 지진이 발생하면 기반암으로부터 출발한 지진파가 상부 지반으로 전파되면서 지중 내 반복 전단응력을 유발하게 된다. 이렇게 발생된 전단응력은 지반의 전단변형을 야기하며 이로 인해 지반 내 간극 수압이 증가한다. 간극 수압의 증가는 지반의 유효응력을 감소시키며, 발생한 과잉 간극 수압이 초기 유효응력에 도달하게 되면 액상화 상태에 이른다. 이 경우 지반은 전단강도를 완전히 상실하고 물과 같은 거동을 보이게 되며, 곧 해당 지반 상부 시설물의 안정성에 큰 위협을 초래한다.
따라서 액상화로 인한 시설물 피해를 방지하기 위해 액상화 발생 시 하부 지반의 거동을 정확히 예측하는 것이 중요한데, 이를 간편법에 비해 좀 더 면밀하게 평가할 수 있는 방법이 바로 제4방법이다. 지반의 액상화 거동을 해석적으로 평가하기 위한 방법론은 크게 전응력 해석법과 유효응력 해석법으로 나눠볼 수 있다.
본 연구에서는 해석방법이 비교적 복잡하지만 정확하고 직접적인 해석이라고 할 수 있는 유효응력 해석법을 적용하였다. 액상화 모델인 FLAC3D 내 Built-in 에서 액상화 모델인 Finn 모델을 사용하여 액상화 시 철도 시설물 하부 지반의 동적 거동을 평가하고자 하였다.
Finn 모델은 지반 전단변형에 따른 직접적인 간극 수압의 발달을 실시간으로 모사할 수 있으며, FLAC3D 내에서 대표적인 지반 구성모델인 Mohr-Coulomb 탄소성 모델에 접목되어 해석이 수행된다. 액상화 평가를 위해 본 수치 모델링에 입력된 모형 지반의 입력 물성치는 간편식에 사용된 시추공별 물성치를 동일하게 사용하였다.
한편, 해석대상 지반의 심도가 깊고 지층별 종류가 다양하며 시추공별 수평거리가 긴 경우, 전체 현장을 통으로 모델링하게 되면 건조 지반의 해석에 비해 훨씬 복잡한 메커니즘을 가지는 액상화 지반의 해석 시 해석 효율이 기하급수적으로 감소할 수 있다. 따라서 시추공별 지반정보를 토대로 10m×10m(x축×y축)의 가상지반을 모델링하여 각 모델별 해석을 통해 연직 침하량을 각각 도출하고 모델별(시추공별) 수평거리를 토대로 부등 침하량을 산정하여 철도 시설물의 내진성능을 평가하는 방식으로 모델링 및 해석을 진행하였다.
강한 지진이 발생하면 지반에 큰 변형이 발생하면서 지반 조건에 따라 비선형 거동을 보일 수 있다. 따라서 지진 해석 시 이러한 지반의 비선형적 거동특성을 적절히 모사하는 것이 정확한 결과를 얻는 데 매우 중요한데, 본 연구에서는 이력 감쇠 모델을 적용하여 지반의 비선형거동을 모사하는 한편, 에너지 소산을 적절히 고려하고자 하였다. 이력 감쇠 모델은 G/Gmax-γ곡선에서의 접선 탄성계수를 전단 변형률에 대한 함수로 나타내며, L1, L2는 G/Gmax-γ곡선에서 각각 G/Gmax 값의 감소율과 감소시작점을 결정하는 계수이다. 본 연구에서는 국내 표준 사질토인 주문진표문사에 대해 제시된 L1, L2값을 적용하였으며, 해당 값은 주문진표준사를 이용해 수행된 실내실험과 이터레이션 해석을 통해 L1, L2값의 변화에 따라 도출된 G/Gmax-γ곡선을 비교하여 실험결과를 가장 정확하게 모사하는 계수로 적용되었다. 지반의 지층별 전단 탄성계수는 시추 주상도의 N치로부터 경험식을 통해 도출된 전단파 속도로부터 지층별 밀도와의 관계식을 통해 도출되었다.
경계 조건이 적절하게 설정되지 않으면 모델의 중앙으로부터 전파된 입력파가 경계부에서 반사파를 생성하여 실제 거동 모사에 어려움을 겪게 된다.
한편, 실제 현장의 반무한 경계를 모사하기 위해 지반 요소를 횡 방향으로 무한정 많이 생성하면 해석 시간이 급격히 증가하여 다양한 조건에 대한 수치해석이 어려워지고 해석 효율이 크게 감소한다.
따라서 본 연구에서는 FLAC 내장 경계요소 모델인 Free-Field boundary 모델을 적용하여 효율적이면서도 정확한 해석을 수행하고자 하였다.
각 시추공별로 모델링 및 해석이 수행되었으며, 그 중 대표적으로 시추공 B3-41에 대한 요소망 예시는 도 9와 같다. 지하수위는 성토지반 하부에 위치하여 하부 지반이 완전히 포화된 조건을 모사하였으며, 철도 레일의 하중은 구조물의 단위중량을 고려하여 성토지반 상부에 상재 하중의 형태로 모사되었다.
<적용성 평가>
적용성 평가 단면은 호남고속철도 콘크리트 궤도 구간 중 표준지반 단면 3곳과 연약지반 단면 2곳으로 호남고속철도 구간이다. 표준지반 단면 3곳은 토사층, 풍화토층, 기반암으로 구성되어 있으며, 시추 주상도의 N값을 관계식(표 6)을 적용하여 전단파 속도를 산정하였다. 또한 50m 단위 평가를 위해 시추공 중간의 지반 조건은 양쪽 시추공 조건의 선형으로 가정하여 해석을 수행하였다.
[표 6]
Figure pat00011
도 9는 호남고속철도에 성토된 표준성토 단면으로 성토 단면의 예를 나타낸다. 본 연구에서는 상부 노반과 하부 노반은 동일한 물성으로 가정하고, 각 시추주상도 별로 성토고를 달리하여 해석을 수행하였다. 이는 시공기면을 일치시키기 위함이며, 성토 단면의 상대 밀도는 95%로 동일하게 가정하였다.
그 결과는 도 10 내지 도 13에 도시하였다.
고속철도 제방 및 기초 지반의 물성 자료는 다음과 같이 선정하였다(표 7).
이는 간이평가에 사용되는 1차원 지반 응답해석 및 액상화 평가, 수치해석에 사용되었다.
[표 7]
Figure pat00012
표 7에서 SM은 실트질의 모래, 모래와 실트의 혼합토이고, CL은 소성이 중간치 이상인 무기질 점토, 자갈질 점토, 모래질 점토, 실트질 점토, 소성이 작은 점토이다.
액상화 평가를 위한 지층별 가속도(adepth)를 산정하기 위해, 호남고속철도의 부지 특성을 고려하여, 장주기 성분이 상대적으로 강한 Hachinohe 지진파와 단주기 성분이 강한 Ofunato 지진파를 각 내진 1등급 구조물의 내진성능 수준인 기능수행 수준과 붕괴방지 수준을 선택하여 지진파를 조정하고(도 14), 1차원 지진 응답 해석을 수행하였다.
도 15와 같이, 지진 응답 해석을 위해 각 지층별 정규화된 전단강도 감쇠곡선 및 감쇠비 곡선에서 사질토의 동적곡선은 PI 지수와 깊이 별 구속압 조건을 고려할 수 있는 곡선을 사용하였다.
각 지점에서의 부지응답 해석 결과는 도 16 및 도 17에 표시하였다.
부지응답 해석 결과를 바탕으로 지점별 액상화 평가를 수행하면 도 18과 같은 결과를 얻을 수 있다.
<액상화 침하량 평가 결과>
제1방법과 제2방법의 간편식은 표준 단면의 위치에는 각 9.2m의 성토 단면이 부지별 존재하는 것으로 가정하였다. 연약지반 단면은 성토기면에 따라 9m, 3.97m, 1.00m로 설정하여 평가하였다.
제3방법의 반복재하 횟수(N C )는 기존 다양한 CRR(Cyclic Resistance Ratio)과 반복재하 횟수 간의 관계를 식의 형태로 나타낸 것을 반복저항곡선, 액상화 저항 곡선, 액상화 저항 응력비 곡선이라 한다. 반복저항 곡선은 일본의 경우, 반복재하 횟수를 20회로 산정하고, Idriss and Boulanger는 15회일 때의 CRR을 산정 곡선으로 제안하였다. 국내는 액상화 평가시 규모 6.5를 명시하고 있어, 이에 맞게 지반구조물의 내진설계에서 반복재하 횟수를 10회로 산정하도록 명시하고 있다. 그러므로, 본 연구에서는 반복재하 횟수를 10회로 설정하고 도 19와 같이 선형 보간하여 결정하였다.
실제 호남고속철도 성토구간에 이를 적용하여 적용성을 평가하였다.
일련의 과정을 통해 얻은 침하량 산정 결과를 요약하면 표 8 및 표 9와 같다.
표 8은 제1방법 내지 제3방법을 이용하여, 붕괴방지수준의 내진 1등급 설계지진력에 의한 철도 시설물 침하량을 산정한 것이다.
표 9는 제4방법을 이용하여 침하량을 산정한 것이다.
액상화 위험도는 기능에 영향을 미쳐 즉각적으로 복구가 요구되는 주의 수준과 시설물의 붕괴위험이 생기는 심각 수준으로 평가하였다. 액상화 위험도를 평가하는 평가지표는 ‘주의’수준의 경우 고저틀림, 잔류 침하량으로 결정하였다. ‘심각’수준의 경우 성토사면의 붕괴를 일으킬 수 있는 수평변위로 평가하였다.
[표 8]
Figure pat00013
[표 9]
Figure pat00014
방법 별로는 제3방법이 가장 침하량을 과대 평가하였으며, 모든 구간에서 액상화 위험도 기준 “주의” 이상의 피해가 발생하는 것으로 나타났다.
구간별로 분석하면 연약지반 구간에서는 모든 방법에서 30mm 이상의 연직 침하량이 발생하여 철도 시설물이 기능을 수행하지 못하는 피해가 발생하였다.
표준 성토 구간에서는 상대적으로 토층의 깊이가 얕은 BH3-37에서 BH3-38 구간은 액상화로 인한 피해가 발생하지 않는 것으로 나타났다.
적용성 평가 결과, 제3방법이 액상화 피해를 가장 과대 평가하였으며, 제4방법이 가장 과소 평가하였다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (8)

  1. 철도 시설물 성토 구간에서 액상화 발생에 따른 피해를 평가하는 방법으로서,
    (a) 철도 시설물 성토 구간의 침하량을 높이 방향으로 측정하는 단계; 및
    (b) 지표를 기준으로, 상기 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가한 후, 보강 여부를 결정하는 단계;를 포함하고,
    상기 지표는 고저틀림, 잔류 침하량, 수평변위 및 성토고 높이 중 1종 이상을 포함하는, 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 액상화로 인한 부피 재압밀의 변형률을 이용하는 제1방법, 액상화로 인한 용적 변형에 따른 체적 변형을 이용하는 제2방법, 액상화 지수(LPI)를 이용하는 제3방법 및 지반 상대밀도에 따른 변형률을 이용하는 제4방법 중 어느 하나 이상을 선택하여 수행되는, 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 고저틀림이 18mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구하는, 철도 시설물 성토 구간의 액상화 피해 평가 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 잔류 침하량이 100mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구하는, 철도 시설물 성토구간의 액상화 피해 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 자갈 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 수평변위가 300mm 이상이거나, 또는/및 성토고 높이의 1% 이상 변위가 발생하면 “심각”에 해당하여 철도 시설물의 붕괴 위험으로 평가하는, 철도 시설물 성토구간의 액상화 피해 평가 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 고저틀림이 18mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구하는, 철도 시설물 성토구간의 액상화 피해 평가 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 잔류 침하량이 30mm 이상이면 “주의”에 해당하여 철도 시설의 기능을 정지하고, 철도 시설물의 성토 구간을 복구하는, 철도 시설물 성토구간의 액상화 피해 평가 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지표를 기준으로, 콘크리트 궤도에 해당하는 성토 구간의 침하량의 측정값을 비교하여 성토 구간의 피해량을 평가할 때,
    지표 중 수평변위가 300mm 이상이거나, 또는/및 성토고 높이의 1% 이상 변위가 발생하면 “심각”에 해당하여 철도 시설물의 붕괴 위험으로 평가하는, 철도 시설물 성토구간의 액상화 피해 평가 방법.
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