풍화암에서 실시된 터널굴착으로 인한 단독말뚝 및 군말뚝의 거동

Abstract

본 연구에서는 3차원 탄-소성 유한차분해석을 통해 기존재하는 단독말뚝, <TEX>$3{\times}3$</TEX>및 <TEX>$5{\times}5$</TEX> 군말뚝의 바로 아래 풍화암 지반에서 실시된 터널시공으로 인한 말뚝의 거동을 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 규명하기 위하여 지반/말뚝의 침하 및 전단응력전이(shear stress transfer) 메커니즘을 심도있게 분석하였다. 터널굴착으로 유발된 지반의 침하와 말뚝-지반 사이 경계면에서의 상대변위 발생으로 인해 말뚝에 작용하는 전단응력 및 축력의 분포가 매우 크게 변화하였다. 계산된 결과에 의하면 터널굴착으로 인해 말뚝의 두부로부터 말뚝길이의 약 80%에 해당되는 위치까지는 상향의 전단응력이 발생하였고, 그 하부에서는 하향의 전단응력이 발생하였다. 이로 인해 말뚝의 축력이 터널의 굴착에 따라 지속적으로 감소하고, 순수한 터널의 시공으로 인하여 말뚝에는 인장력이 발생하였는데 이로 인해 말뚝에는 최대 <TEX>$0.36P_a$</TEX>의 인장력이 발생하였다, 여기서 <TEX>$P_a$</TEX>는 터널굴착이전에 말뚝두부에 작용하는 설계하중이다. 말뚝의 거동은 경계면에서의 전단강도 발현 정도에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 군말뚝의 경우 일반적으로 말뚝의 숫자가 증가할수록 터널의 시공에 의해 말뚝의 침하가 증가하는 것으로 나타났으며, 이와는 반대로 말뚝의 축력변화는 군효과(shielding effect)로 인해 단독말뚝의 경우에 비해 작은 것으로 분석되었다. 터널굴착으로 인한 말뚝침하의 증가로 인한 겉보기지지력(apparent pile capacity) 감소는 단독말뚝에 비해 군말뚝에서 두드러지는 것으로 분석되었다. The effects of tunnelling in weak weathered rock on the behaviour of a pre-existing single pile and pile groups (<TEX>$3{\times}3$</TEX> and <TEX>$5{\times}5$</TEX> pile groups) above a tunnel have been studied by carrying out three-dimensional (3D) elasto-plastic numerical analyses. Numerical modelling of such effects considers the response of the single pile and pile groups in terms of tunnelling-induced ground and pile settlement as well as changes of the shear transfer mechanism at the pile-soil interface due to tunnelling. Due to changes in the relative shear displacement between the pile and the soil at the pile-soil interface with tunnel advancement, the shear stresses and axial pile force distributions along the pile change drastically. Based on the computed results, upward shear stresses are induced up to about Z/L=0.775 from the pile top, while downward shear stresses are mobilised below Z/L=0.775, resulting in a reduction in the axial pile force distribution with depth equivalent to a net increase in the tensile force on the pile. A maximum tensile force of about <TEX>$0.36P_a$</TEX> developed on the single pile solely due to tunnelling, where <TEX>$P_a$</TEX> is the service axial pile loading prior to tunnelling. The degree of interface shear strength mobilisation at the pile-soil interface was found to be a key factor governing pile-soil-tunnelling interaction. Overall it has been found that the larger the number of piles, the greater is the effect of tunnelling on the piles in terms of pile settlement, while changes of the axial pile forces for the piles in the groups are smaller than for a single pile due to the shielding effect. The reduction of apparent allowable pile capacity due to tunnelling-induced pile head settlement was significant, in particular for piles inside the groups.