본연구에서는해안안벽의안정성평가를위하여 Fig. 3.2(a) 및 (b)와같이폭b와높이H의해안안벽 을대상으로한다. 해안안벽의내측방향(Fig. 3.2(a)의안벽을기준으로오른편(downstream side))은안벽의 높이만큼뒷채움재가채워져있으며, 지하수위ℎ 가존재한다. 또한, 안벽의외측방향(Fig. 3.2(a)의안
벽을기준으로왼편(upstream side))은수위ℎ 가존재한다.
(a) Passive case
67 (b) Active case
Fig. 3.2. Free body diagram of the quay wall subjected to various forces.
여기서, 안벽의벽체를불투과성으로, 안벽배후의뒷채움재를투과성으로각각가정하며, 지진해일파 가안벽을 월파함에따라안벽내측의지하수위가변화하도록하였다. 그리고, Fig. 3.2(a)는안벽이뒤채움 재의안쪽으로변위를일으키는수동상태의자유물체도이며, Fig. 3.2(b)는안벽이뒤채움재의 바깥쪽으로 변위를일으키는주동상태의자유물체도이다. 또한, 안정성평가를위한입력변수는아래에상술한다.
3.3.1 지진해일파력(
,
,,
,)
본연구에서는안벽에작용하는지진해일파로고립파를적용하였으며, 안벽전면에작용하는지진해 일파력, 월파후안벽배후에작용하는지진해일파력, 과월파시안벽의위에서 아래로 작용하는지진해일파력,을산정하기위하여 TOWPM-3D를적용하였다.
해안안벽에작용하는지진해일파력, 정수압및뒷채움재의수위변동을측정하기위하여 Fig. 3.3과같
이길이 930cm 폭 80cm의 3차원수치조파수조를적용하였다. Table. 3.1은수치해석에서지진해일파(고립
파)의조건및뒷채움재의토질상수를나타낸것이다. Table. 3.1과같은조건을 만족하기위하여안벽의
폭 b과 높이H는 각각 4cm와 20cm를 적용하였으며, 지진해일파가 안벽을 월파하도록 입사파고 ℎ를
5cm~8cm까지변화시켰다. 또한, 안벽전ᆞ후의지하수위는 전면수심ℎ 를 8cm로적용하였으며, 뒷채
움재의지하수위ℎ /를 0(dry), 0.25, 0.5, 0.75, 1(fully wet)로변화시키면서안벽의안전율과ℎ /의
관계를확인하였다.
68
Fig. 3.3. Definition sketch of 3-dimensional numerical wave tank model.
Table. 3.1 Conditions of soil parameters and solitary waves.
Parameter Value/Range
/ 0.2
ℎ(cm) 5.0, 6.0, 7.0, 8.0
ℎ / 0.4
ℎ / 0 (dry), 0.25, 0.50, 0.75, 1.00(fully wet)
(°) 25, 30, 35, 40
(°) 0, ∅/2
0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4
0, /2,
0, 0.2, 0.4
γ, , , ( /) 25, 19, 16, 10
3.3.2 지진에 의한 토압 (
,
)
안벽에작용하는 지진수동토압및지진주동토압의평가에 Mononobe-Okabe의방법(Kramer, 1996)을 적용하였으며, 뒷채움재에존재하는지하수위와과잉간극수압등을고려하여다음과같이수정된식을 사용하였다. 식(3.31)은안벽에작용하는지진수동토압, 식(3.32)는안벽에작용하는지진주동토압의산정 식이다. 또한, 지진수동및주동토압이작용하는지점은 안벽의바닥에서 0.5로적용하였다(Ebeling and Morison, 1992 ; Kramer, 1996).
= 1
2̅(1 − )(1 − ) (3.1)
= 1
2̅(1 − )(1 − ) (3.2)
69
여기서, 는과잉간극수압과 초기유효상재압의비로나타내는 간극수압비이며, 는안벽의기울기, 는뒷채움재의기울기, 는내부마찰각, 는벽마찰각이며, 는지진관성각(seismic inertia angle), ̅는뒷 채움재의지하수위로인한흙의등가단위중량(equivalent specific weight), , 는지진수동토압계수와 지진주동토압계수로서각각다음의식과같이주어진다.
=
σ (3.3)
= tan
̅(1 − ) (3.4)
̅ = ℎ
+ 1 − ℎ
(3.5)
= cos( + − )
coscoscos ( − + ) 1 − sin( + ) sin ( + − ) cos( − + ) cos ( − )
(3.6)
= cos( − − )
coscoscos ( + + ) 1 + sin( + ) sin ( − − ) cos( + + ) cos ( − )
(3.7)
3.3.3 안벽의 지진관성력(
,
)
지진이발생하면수직과수평방향으로안벽에 관성력이발생하게되며, 이힘들을와로 표현한다. 여기서, 와는수직과수평방향의지진가속도계수이고, 각가속도계수의방향에따라총 4가지경우가발생할 수있다. 하지만, 수동상태와주동상태에서설계를위한임계조합을적용하면 Fig.
3.2(a)의수동상태와 Fig. 3.2(b)와같은주동상태로나타낼수있다. 또한, 지진관성력의작용점은안벽의
바닥으로부터 0.5인지점이다.
3.3.4 동수압 (
)
안벽에작용하는동수압은다음의 식(3.38)에나타내는 Westergaard의방법(Westergaard, 1933 ; Kramer,
1996)을적용하였다. 동수압은지진에의해지하수위가존재하는뒷채움재의내부에서수중토립자의진
동으로 발생되며, 안벽의 내측방향에서바닥으로부터 0.4ℎ 인 지점에 작용한다(Ebeling and Morison, 1992).
70
= 7
12(ℎ ) (3.8)
3.3.5 정수압 (
,
)
안벽에작용하는정수압은외·내측방향모두에서작용하고있으며, 외측방향에작용하는정수압의 산정식은다음과같다.
= 1
2(ℎ ) (3.9)
내측방향의정수압에대한산정식은다음과같다.
= 1
2 (ℎ ) (3.10)
여기서, 는뒷채움재의지하수위로인한물의등가단위중량(equivalent specific weight)으로, 다음의식
(3.41)과같이 주어진다(Ebling and Morison, 1992). 또한, 두힘의 작용점은 바닥으로부터각각ℎ /3,
ℎ /3인지점이다.
= + (̅ − ) (3.11)