Hydrological-hydraulic-mechanical analysis of shallow underground structures

Abstract

도시화에 따른 도심지 인구 밀집은 가용 가능한 지상공간의 한계 및 교통혼잡 등 환경적인 문제를 야기시켰다. 이를 해결하기 위해 부족한 지상공간을 대체할 지하 공간의 개발 및 활용에 대한 관심이 증가하고 있으며, 많은 교통상업 관련시설, 생활기반 시설, 치수관련 시설 등이 이미 지하에 설치되었다. 지하구조물의 설계는 지상구조물과 달리 지하수의 영향을 고려해야 한다. 지하구조물 관점에서 지하공간의 변하는 중요한 설계변수이다. 특히, 도심지역은 공사비용 및 접근성 등을 고려하여 주로 평지에 건설되는 경우가 많으며 이때 지반은 지하수위가 지표면에 가깝게 형성된다. 또한 도심지 천층 지반은 주로 토사나 균열이 많은 암반지반으로 투수계수가 비교적 큰 경우가 많다. 이러한 도심지역의 지형 및 지질학적 특성은 외부의 수리·수문학적 변화에 영향을 받기 쉽다. 도심지 지하공간에 영향을 주는 수문학적 요인으로 강우 침투가 가장 큰 고려 인자라 할 수 있는데 이는 지상에 도달하는 수분의 70%가 지반으로 침투되어 지반 내 함수변화의 원천이 되기 때문이다. 지반 내 함수량 변화는 지반의 응력변화를 유발하며 이러한 응력의 변화는 지하구조물의 안정성과 밀접한 관련이 있다. 전통적인 토질역학으로 접근하여 수문학적 영향 및 지반 내 함수량 변화에 대해 이해 하기에는 한계가 있다. 그러나 최근 들어 발생하는 지반공학적인 문제들은 수문·수리학적 요인의 영향을 받는 복잡한 메커니즘을 통한 해석을 요구하며 특히, 도심지 지하구조물의 경우 앞서 언급한 것과 같이 수문학적 영향을 쉽게 받기 때문에 합리적인 예측 및 문제의 해결을 위해서는 전통적 토질역학의 범주가 아닌 새로운 접근방법이 요구되고 있다. 이미 다른 전공분야에서는 이러한 연구흐름에 따라 다양한 이론 및 실험적 연구가 진행되고 있으며 지반공학분야에서도 불포화토 및 수문학적 영향에 따른 지반의 함수량 변화에 대한 연구가 상당히 진행되어 있다. 본 학위논문에서는 도심지 지하구조물과 관련된 복잡한 지반공학문제를 해결하기 위한 접근방법으로 수치해석적 기법을 활용하였으며 수문·수리학적 영향을 고려한 불포화토 흐름 및 지반 거동을 분석할 수 있는 해석 툴을 개발하였다. 이를 위해 먼저 지반공학적 거동에 영향을 미치는 수문학적 인자들을 분석하고 이를 고려한 해석이론에 대해 고찰하였다. 또한 기존 상용되는 수문-수리학적 및 지반공학적 해석기법을 적용한 광역의 유역에 대해 일련의 수치해석을 수행하였다. 일련의 해석절차를 거쳐 수문학적 특성을 고려한 침투량의 산정 및 지하수에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 수문-수리학적 해석 결과를 고려한 지하구조물의 안정성을 역학적 해석을 통해 평가하였다. 해석결과로서 수문학적 특성이 지하수에 미치는 영향을 확인하였으며 본 학위논문 연구에 대한 향후 연구가치 및 방향을 확인하였다. 지반공학적 관점에서 지반 및 지하구조물 거동에 미치는 수문-수리학적 영향을 분석하기 위해 유한차분법을 이용한 수문-수리-역학적 해석 알고리즘을 고안하였다. 해석 알고리즘은 공간적으로 비교적 소유역에 적용가능하며 수문학적 특성이 지반 내 수분변화에 미치는 영향과 지하구조물의 역학적 거동을 하나의 알고리즘으로 분석할 수 있도록 하였다. 개발된 알고리즘을 이용하여 지반의 수리적 특성(투수계수, 간극비 등), 강우강도, 지층구조 등을 고려한 매개변수 연구를 수행하였다. 매개변수 연구 결과를 기존 연구와 비교하여 고안된 알고리즘을 검증하였다. 고안된 수문-수리-역학적 해석 알고리즘의 활용방안을 제안하고 적용 가능한 지반공학적 문제들에 대해 고찰하였다. 해석 사례로써 LID 시설 적용에 따른 지반 내 함수량 변화와 이에 따른 지하구조물의 거동 분석이 수행되었으며, 불포화토에서 터널시공 중 발생하는 지반거동을 강우침투를 고려한 해석을 통해 검토하였다. 그 밖에도 고안된 해석알고리즘을 적용하여 접근할 수 있는 지반공학적 문제들을 제안하였다.