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말뚝의 유한 차분 해석법

* 배경 및 요약 수평력을 받는 말뚝은 말뚝과 지반 중 어느 것이 움직이는 주체인가에 따라 주동 말뚝(active pile)과 수동 말뚝(passive pile)의 두 종류로 대별된다. 주동 말뚝의 경우 지표면 상의 외부로부터 수평 하중이 작용된다. 주동 말뚝이 변형함에 따라 말뚝 주변 지반이 저항하게 되고 이 저항에 의하여 하중이 지반에 전달된다. 한편, 수동 말뚝의 경우 말뚝 주변 지반이 먼저 변형하게 되고 그 결과 말뚝에 측방 유동압이 작용하며 지반으로 상기 측방 유동압이 전달된다. 지반의 측방 유동은 여러 가지 원인에 의하여 발생된다. 연약 지반 위의 성토 및 굴착 등으로 하중이 증가되거나 감소되면 지반은 수평 방향으로 측방 유동된다. 연약지반에 시공된 말뚝 기초 구조물의 경우 말뚝 배면의 편차성토로 인하여 측방 유동과 관련된 지반문제가 빈번하게 발생한다. 이때 말뚝 기초 구조물은 성토, 야적, 매립, 뒤채움 등에 의한 편재 하중으로 발생하는 측방 유동압을 받는 수동 말뚝으로 거동하게 된다. 측방 유동 현상은 지반이 말뚝에 작용하는 외력인 측방 유동압과 말뚝 위치에 말뚝이 없다고 하였을 때 원 지반의 수평 유동량을 지칭하는 측방 유동량으로 구분할 수 있는데, 종래 기법들은 주로 측방 유동압을 고려 대상으로 하였기 때문에, 각 현장 상황을 명확하게 반영하기 어렵고 시험 말뚝을 이용한 방법 또한 시험 말뚝 시공 및 계측기의 한계로 인하여 정확한 해석이 어려운 단점이 있다. 수동말뚝의 해석기법에는 간편법, 지반반력법, 탄성고체법, 유한요소법 등이 있다. 간편법은 특별한 형태의 지반문제에 대해서 경험적으로 정립된 방법이고 가정 사항이 많이 개입된다. 탄성고체법은 다층 지반에 박힌 말뚝 해석이 어렵고 말뚝 주변 지반을 탄성체로 가정하므로 현장 지반상태를 적절히 반영할 수 없는 단점이 있다. 유한요소법은 복잡한 지반 문제를 해석할 수 있지만 적합한 입력 변수의 선정이 어렵고 해석에 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다. 본 발명은 말뚝의 구조 해석법에 관한 것으로서, 특히 수동 말뚝에 대하여 비선형 지반 반력법을 근간으로 하는 유한 차분 해석법에 관한 것이다.* 특징 및 과제 말뚝의 유한 차분 해석법이 개시된다. 본 발명에 따른 유한 차분 해석법에 따르면, 측방 유동압 및 측방 유동량을 고려한 유한 차분 모델 중 어느 하나를 선택하는 단계와, 측방 유동압이나 측방 유동량, 말뚝의 길이, 직경, 휨 강성, 말뚝 두부 및 선단부에 대한 경계 조건을 대입하는 단계와, 사질토 지반인지 점성토 지반인지 여부, 다층 지반인지 여부, 지반의 비선형성, 및 지반의 깊이를 고려하여 수평 변위 등을 계산하는 단계를 포함하고, 현장 조건에 부합하는 정확한 구조해석이 가능하다. 본 발명의 기술적 과제는 측방 유동을 받는 수동 말뚝의 거동 해석 방법에 있어서 지반의 비선형성을 반영할 수 있는 비선형 지반 반력법을 근간으로 하여 측방 유동압은 물론 측방 유동량을 고려할 수 있는 말뚝의 유한 차분 해석법을 제공하는 것이다.* 효과 본 발명에 의한 해석방법에 따르면 측방 유동압은 물론 말뚝 주변 지반의 측방 유동량를 고려한 유한 차분 모델을 선택할 수 있고, 점성토의 비배수 전단강도가 깊이에 따라 증가하는 영향과 다층 지반의 층상 구조를 고려할 수 있어서 현장 조건에 부합하는 정확한 구조해석이 가능하며 그 시장성 및 활용성이 매우 높다.

보유기관

연세대학교

등록일

2007-03-14

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일반기술 수학 > 기타 해석학

탄성변형량을 고려한 양방향 재하시험의 해석방법

본 발명은 양방향 재하시험에 있어서 탄성변형량을 고려한 해석방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 양방향재하시험의 결과를 분석하여 말뚝두부의 하중-변위량 곡선을 산정하는 해석방법에 있어서, (a)측정된 말뚝선단 침하량을 이용하여 선단지지력을 산정하는 단계, (b)상기 말뚝선단 침하량을 이용하여 i번째 단위 주면마찰력을 산정하는 단계, (c)상기 선단지지력, i번째 단위 주면마찰력 및 하기 수학식 1을 이용하여 말뚝의 i번째 탄성압축량을 산정하는 단계[수학식 1] (여기서, δi는 i번째 요소의 탄성변형량, Qpi는 i번째 요소하부에 작용하는 지지력, Qsi는 i번째 요소에 작용하는 단위 주면마찰력, Li는 i번째 요소의 말뚝길이, ξ는 주면마찰력 형태에 따라 달라지는 적분상수임) (d)상기 말뚝선단 침하량과 하부말뚝의 탄성압축량을 더하여 말뚝의 i번째 전체침하량을 산정하는 단계, (e)상기 말뚝의 i번째 전체침하량을 이용하여 i-1번째 단위 주면마찰력을 산정하는 단계, (f)상기 선단지지력, i번째 단위 주면마찰력, i-1번째 단위 주면마찰력 및 상기 수학식 1을 이용하여 말뚝의 i-1번째 탄성압축량을 산정하는 단계, (g)상기 말뚝선단 침하량, 말뚝의 i번째 탄성압축량 및 말뚝의 i-1번째 탄성압축량을 더하여 말뚝의 i-1번째까지의 전체침하량을 산정하는 단계, (h)말뚝두부에 이를 때까지 상기 (e) 내지 (g)단계를 반복하는 단계 및 (i)상기 선단지지력과 i번째 내지 말뚝두부까지의 단위 주면마찰력을 전부 더하여 전체지지력을 산정하는 단계를 포함하는 탄성변형량을 고려한 양방향 재하시험의 해석방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 양방향재하시험에 대한 결과를 분석하기 위한 강체해석방법에 있어서 탄성변형량의 차이와 하중전이과정의 차이를 고려함으로써 말뚝재하시험의 결과와 거의 일치하는 하중-침하량 곡선을 산정할 수 있고, 그에 따라 말뚝의 침하량을 정확하게 평가할 수 있는 효과가 있다.

보유기관

고려대학교

등록일

2008-04-07

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