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Abstract

목차

기호 17

제1장 서론 19

1.1. 연구배경 19

1.2. 연구목적 및 범위 21

1) 지중구조물 시스템 평가와 구조적 개선을 위한 이론 고찰 21

2) 콘크리트 포장 하부 지반 공동 평가 모형 제시 22

3) 유한요소 모델에 의한 지중구조물 시스템 거동 해석 22

4) 포장가속 시험을 통한 동적 거동 해석 23

1.3. 논문의 구성 23

제2장 이론적 배경 25

2.1. 하부 지반 상태 예측을 위한 비파괴 시험 25

2.1.1. 동적 충격 하중을 이용한 포장하부 지반 예측 26

2.1.2. 전자파 반사원리를 이용한 포장하부 지반 예측 28

2.2. 마찰에 의한 구조물의 접촉 경계 특성 31

2.2.1. 가상일의 원리에 기반한 접촉면 구성 관계 32

2.2.2. 경계면의 마찰 접촉 특성 37

2.3. 지반 재료의 역학적 특성 39

2.3.1. 응력-변형률 텐서와 불변량 39

2.3.2. 탄소성 재료 모형 43

2.4. 동적 유한요소 해석 방법 48

2.4.1. 운동방정식의 유한요소 정식화 48

2.4.2. 시간이력해석을 위한 수치해석 기법 50

2.5. 소결 52

제3장 현장 조사 54

3.1. 조사 위치 54

3.2. 슬래브 파손 현황 및 토피고 측량 55

3.3. 하부 지반 상태 조사 61

3.4. 소결 71

제4장 지중구조물 시스템 하부지반 평가모형 72

4.1. 슬래브 처짐에 의한 포장 강성 추정 72

4.2. 하부 지반 공동 평가 모형 개발 78

4.3. 하부지반 평가모형 검증 82

4.4. 소결 89

제5장 지중구조물 시스템 유한요소모형 개발 및 해석 90

5.1. 유한요소 모형 개발 91

5.2. 현장을 모사한 유한요소 모형 분석 98

5.3. 줄눈 위치와 암거 크기에 따른 거동 분석 102

5.3.1. 적정 줄눈 위치 102

5.3.2. 암거 크기에 따른 적정 슬래브 길이 109

5.4. 박스 암거 수평경사각에 따른 거동 분석 113

5.5. 토피고에 따른 거동 분석 121

5.6. 보강슬래브 폭에 따른 거동 분석 132

5.7. 소결 137

제6장 포장 가속 시험 139

6.1. 설계 139

6.2. 시공 148

6.3. 시험 결과 분석 157

6.4. 해석적 검증 164

6.5. 소결 169

제7장 결론 170

7.1. 연구 결과 170

7.2. 연구의 활용도 173

7.3. 향후 연구 방향 174

참고문헌 175

APPENDIX 185

APPENDIX A. Underground exploration result of GPR(2-D analysis) 185

APPENDIX B. Structure calculation of reinforced slab(L＝3.000m) 189

List of Tables

Table 2.1. Dielectric constant and transmitting velocity of materials 31

Table 3.1. Section of field investigation 55

Table 3.2. Result of cover depth survey 56

Table 3.3. Result of field investigation(◇◇-20) 63

Table 3.4. Result of field investigation(◇◇-57) 64

Table 3.5. Result of field investigation(◇◇-73) 66

Table 3.6. Result of field investigation(▽▽-139) 67

Table 3.7. Result of field investigation(▽▽-140) 69

Table 4.1. Material properties of finite element model 74

Table 4.2. Range of coefficients for cavity existence 81

Table 5.1. Size and element type of model component 92

Table 5.2. Material property of model component 94

Table 6.1. Similitude ratio of model 140

Table 6.2. Dimension and quantity of accelerated testing model component 142

Table 6.3. Mixture proportions of lean concrete subbase 151

Table 6.4. Mixture proportions of concrete slab 154

Table 6.5. Compressive strength test results of concrete slab 154

Table A.1. 2-D Exploration results of GPR 186

List of Figures

Fig. 2.1. Composition of falling weight deflectometer(FWD) 26

Fig. 2.2. Trend Line of Relation between Deflection and Load 28

Fig. 2.3. Wave through boundary surface between two medium 28

Fig. 2.4. Example of GPR 2D analysis result 29

Fig. 2.5. Two deformable bodies in contact 32

Fig. 2.6. Definition of contact traction 35

Fig. 2.7. Contact status in contact surface pair 38

Fig. 2.8. Mohr-Coulomb failure criteria 45

Fig. 2.9. Yield surface on π Plane 46

Fig. 3.1. Transverse cracking of slab above box culvert(KEC Test Road) 57

Fig. 3.2. Transverse cracking of slab above box culvert(□□□ Expressway) 59

Fig. 3.3. Transverse cracking of slab above box culvert(△△-○○○ Expressway) 60

Fig. 3.4. 69.24km(◇◇-20) 62

Fig. 3.5. 83.70km(◇◇-57) 64

Fig. 3.6. 87.08km(◇◇-73) 65

Fig. 3.7. 76.16km(▽▽-139) 67

Fig. 3.8. 76.12km(▽▽-140) 68

Fig. 3.9. Assessment of underground by conventional method 70

Fig. 4.1. Finite element model 74

Fig. 4.2. Relation between x-intercept and composite modulus of subgrade reaction 76

Fig. 4.3. Relation between composite modulus of subgrade reaction and radius of relative stiffness 78

Fig. 4.4. Evaluation results by improved method 79

Fig. 4.5. Field test 82

Fig. 4.6. Load loading position and pavement condition 83

Fig. 4.7. Range of coefficients for cavity existence 84

Fig. 4.8. Load loading position and GPR measurement range 85

Fig. 4.9. 2D exploration result of GPR (Longitudinal section) 86

Fig. 4.10. 2D exploration result of GPR (Floor plan) 87

Fig. 4.11. 3D analysis result of GPR 88

Fig. 5.1. Finite element model of underground structure system 92

Fig. 5.2. Pavement shape by curling 96

Fig. 5.3. Location and moving direction of traffic load 98

Fig. 5.4. Result of finite element analysis 100

Fig. 5.5. Actively yielding domains of soil 101

Fig. 5.6. Finite element model to decide the optimal joint position 103

Fig. 5.7. Highest maximum tensile stress according to joint position and loading combination 106

Fig. 5.8. Position of highest maximum tensile stress and corresponding position of axle load 108

Fig. 5.9. maximum tensile stress according to slab width 112

Fig. 5.10. Finite element model of horizontally inclinded box culvert 114

Fig. 5.11. Position of highest maximum tensile stress and corresponding position of axle load 118

Fig. 5.12. Highest maximum tensile stress according to joint position and loading combination 120

Fig. 5.13. Axle loading position Where tensile stress of slab is maximized (Positive temperature gradient) 125

Fig. 5.14. Highest maximum tensile stress according to soil cover depth and joint position(Positive temperature gradient) 126

Fig. 5.15. Axle loading position where tensile stress of slab is maximized (Negative temperature gradient) 130

Fig. 5.16. Highest maximum tensile Stress according to soil cover depth and joint position(Negative temperature gradient) 131

Fig. 5.17. Highest maximum tensile stress according to soil cover depth and width of reinforced slab(Positive temperature gradient) 134

Fig. 5.18. Highest maximum tensile stress according to soil cover depth and width of Reinforced Slab(Negative temperature gradient) 136

Fig. 6.1. Floor plan of vehicle in accelerated test 143

Fig. 6.2. Result of finite element analysis (JPCP) 144

Fig. 6.3. Result of finite element analysis (JPCP applied to '1/2' similitude ratio) 145

Fig. 6.4. Design drawing of accelerated test for underground structure system 147

Fig. 6.5. Fixed strain gauge and thermocouple 148

Fig. 6.6. Making process of concrete mass 149

Fig. 6.7. Construction of subgrade and reinforced slab 150

Fig. 6.8. Subgrade compaction and lean concrete construction 152

Fig. 6.9. Install of load transfer device and measuring instrument 153

Fig. 6.10. Membrane construction and slab placing 155

Fig. 6.11. Accelerated test 156

Fig. 6.12. Temperature distribution of test center and inner part of slab 158

Fig. 6.13. Roadbed (Experiment) 160

Fig. 6.14. CASE 1 (Experiment) 161

Fig. 6.15. CASE 7 (Experiment) 161

Fig. 6.16. 1m Reinforced slab (Experiment) 163

Fig. 6.17. 3m Reinforced slab (Experiment) 163

Fig. 6.18. Finite element model of Mobile Loading Simulator 165

Fig. 6.19. Roadbed (Experiment & FEM) 166

Fig. 6.20. CASE 1 (Experiment & FEM) 167

Fig. 6.21. CASE 7 (Experiment & FEM) 167

Fig. 6.22. 1m Reinforced slab (Experiment & FEM) 168

Fig. 6.23. 3m Reinforced slab (Experiment & FEM) 168

초록보기

 지중구조물 주위는 다짐이 어려워 지반의 장기침하 가능성이 매우 높을 뿐만 아니라, 지중구조물 내부를 통과하는 대기의 영향으로 일반 토공부에 비해 동상에 취약하여 공동(Cavity)이 발생하기 쉬우므로, 지반의 지지력이 저하되기 쉽다. 여기에 여러 하중이 가해지면 설계 시 예상한 것보다 큰 응력이 도입되어 도로 및 구조물에 파손이 발생하고 수명이 감소하게 된다.

이에 본 논문에서는 지중구조물 시스템의 공용성능을 향상시킬 수 있는 하부 지반 평가방법과 최적설계 방안을 고찰하고자 하였다.

포장하부 지반의 상태를 합리적으로 예측하기 위해 HWD(Heavy Weight Deflectometer)를 이용하여 현장 시험을 실시하였고, 재료 인자 특성을 반영하여 기존 방법을 개선한 하부 지반 평가 모형을 제시하였다. 그리고 GPR(Ground Penetrating Radar) 장비와 3D 유한요소 수치해석 모델을 사용하여 개발된 모형을 검증하였다. 또한 공용중인 고속도로 내 박스형 통로 암거 주변의 콘크리트 슬래브 파손을 조사하였고, 층간 접촉 경계특성 및 지반재료 비선형 특성을 고려하여 현장의 상황을 모사할 수 있는 3D 유한요소 모형을 구축하였다. 여러 하중을 순차적으로 적용한 후 줄눈의 위치와 박스 암거의 크기, 수평경사, 그리고 토피고 등을 변화시키면서 지지력이 변화하는 지중구조물 시스템의 거동을 해석하였으며, 불연속 구간에 설치되는 보강슬래브의 적정 폭을 제시하였다. 그리고 현장 적용성을 검토하기 위해 지중구조물 시스템 포장가속시험을 상사율에 따라 설계·시공하였고, 차량을 이동시켜 동적 응답 특성을 분석하였다. 이를 시간이력해석 방법으로 비교·분석하여 지중구조물 시스템의 합리적 설계방안을 검증하였다.

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