Abstract
Considerable advance has been made on research on effect of steel pipe Umbrella Arch Method (UAM) and mechanical reinforcement mechanism through numerical analyses and experiments. Due to long analysis time of three-dimensional analysis and its complexity, un-quantitative two-dimensional analysis is dominantly used in the design and application, where equivalent material properties of UAM reinforced area and ground are used, For this reason, development of reasonable, theoretical, quantitative and easy to use design and analysis method is required. In this study, both field UAM tests and laboratory tests were performed in the residual soil to highly weathered rock; field tests to observe the range of reinforcement, and laboratory tests to investigate the change of material properties between prior to and after UAM reinforcement. It has been observed that the increase in material property of neighboring ground is negligible, and that only stiffness of steel pipe and cement column formed inside the steel pipe and the gap between steel pipe and borehole contributes to ground reinforcement. Based on these results and concept of Convergence Confinement Method (CCM), two dimensional axisymmetric analyses have been performed to obtain the longitudinal displacement profile (LDP) corresponding to arching effect of tunnel face, UAM effect and effect of supports. In addition, modified load distribution method in two dimensional plane-strain analysis has been suggested, in which effect of UAM is transformed to internal pressure and modified load distribution ratios are suggested. Comparison between the modified method and conventional method shows that larger displacement occur in the conventional method than that in the modified method although it may be different depending on ground condition, depth and size of tunnel, types of steel pipe and initial stress state. Consequently, it can be concluded that the effect of UAM as a beam in a longitudinal direction is not considered properly in the conventional method.
UAM(Umbrella Arch Method)의 효과 및 역학적 보강메커니즘에 대한 연구는 국내외에서 수치해석 및 실험 등을 통하여 상당한 진척이 이루어졌으나 실제 설계 및 적용에 있어서는 아직도 3차원 해석의 해석시간과 복잡성 등의 제약 때문에 UAM의 보강영역과 지반과의 환산물성을 이용하는 정량적이지 못한 2차원해석이 주로 사용되고 있다. 이러한 이유로 합리적, 이론적, 정량적이면서도 손쉽게 수행할 수 있는 설계 및 해석기법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 UAM의 보강효과가 미치는 범위를 파악하고 그라우팅 전 후의 강관저변지반 물성변화를 파악하기 위하여 연직방향의 UAM 현장실험 및 실내시험을 수행하였다. 풍화토, 풍화암 지반에 UAM 적용시 그라우트의 주입에 의한 주변지반의 물성치 증가는 미미하며, 강관외부와 천공구경 사이의 공간 및 강관내부에 형성된 시멘트구근과 강관으 강성만이 지반보강 효과에 기여한다는 것을 확인하였다. 이러한 결과와 내공변위제어법(CCM; Convergence Confinement Method) 개념을 바탕으로, 2차원 축대칭해석을 실시하여 막장효과, UAM효과와 지보재효과를 종단변위곡선(LDP)으로 나타내었다. 또한, 2차원 평면변형률 해석시 UAM의 지보효과를 내압의 크기로 변환하여 이를 고려하는 하중분담법을 제안하였다. 이 방법과 기존의 등가환산물성을 적용하는 해석을 비교한 결과, 지반조건, 터널의 심도 및 크기, 강관조건, 초기응력상태 등에 따라 차이가 있지만, 기존의 해석방법에서의 변위량이 새로운 방법에 비해 더 크게 발생하는 것으로 나타나, UAM의 종방향 빔 지지효과를 제대로 평가하지 못하는 것으로 나타났다.
