응력경로와 응력모드 분석을 이용한 원형 수직구 안정성 평가에 대한 연구

Abstract

지하구조물 안정성 평가를 위하여 수치해석 방법은 널리 이용되고 있다. 초기응력과 암반물성의 변화는 심도의 증가와 무관하지 않으므로, 대심도 원형 수직구 설계 시 수행되는 수치해석에서 심도에 따라 변화하는 응력과 암반조건의 변화를 일일이 반영하는 데는 많은 노력이 소요된다. 원형의 수직구는 주응력으로 표현되는 이론식을 이용한 응력해석이 용이하다. 원형 구조물의 안전율은 벽면에서 최소가 되므로, 수직구 벽면의 응력경로를 분석하면 안정성 평가가 가능하다. 본 논문에서는 응력경로의 이론적 분석을 통한 원형 수직구 안정성 평가방법을 새롭게 도출하였다. 본 연구에서는 초기응력 상태를 세 개의 초기 주응력모드로 분류하였고 굴착 후 응력상태는 세 개의 2차 주응력모드로 분류하였다. 각 주응력모드는 연직응력의 주응력 상태를 기준으로 정의되며 측압계수, 수평응력비 그리고 응력집중계수로 결정될 수 있다. 매개변수 수치해석과 응력경로의 이론적 분석 결과를 종합하여 초기 주응력모드별 수직구 벽면의 응력경로를 일반화하였다. 안정성은 응력경로의 추세각 분석을 통한 응력-변형거동의 평가와 응력집중에 의한 벽면파괴 가능성으로 평가된다. 본 연구에서 도출된 이론적 방법을 검증하기 위해 3차원 수치해석 방법을 병행하여 국내 초기응력 조건에서의 원형 수직구 안정성 평가를 수행하였다. 심도가 깊고 암질이 양호한 구간은 이론적 방법과 수치해석 결과가 잘 일치하였다. 그러나 측압계수가 크고 암질이 불량한 지표부근의 수직구는 벽면파괴로 인하여 이론적 방법과 수치해석 결과에 차이가 발생하였다. 따라서, 본 연구에서 도출한 이론적 방법은 양호한 암반구간의 수직구 안정성 평가에 적절할 것으로 판단된다. 결론적으로, 이론적 분석방법은 안정성이 확보되는 구간과 정밀해석이 요구되는 구간을 신속하게 판단할 수 있으므로 대심도 원형 수직구 안정성 평가에 있어 효과적일 것으로 기대된다.