카르스트동굴 말뚝의 수직지지 성능에 관한 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4944(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

동굴은 교량 말뚝 기초의 하중 전달 메커니즘에 영향을 미쳐 교량의 안전성을 위협했습니다. 본 연구에서는 정하중시험, 유한요소해석 및 기계모델을 통해 교량말뚝 기초하의 카르스트동굴이 교량말뚝 기초의 수직지지 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다. 시험에서 말뚝의 침하량은 변위계로 측정하였고, 축력은 응력계로 측정하였다. 하중 침하, 축력, 단위 표면 마찰, 측면 및 팁 저항의 비율을 시뮬레이션 결과와 비교했습니다. 그런 다음 유한 요소 분석에서 16개의 조건이 선택되었으며 그 중 하나는 동굴이 아닌 기존 파일이었습니다. 나머지는 동굴의 높이 5종, 경간 5종, 지붕 두께 6종 정도였다. 여유지붕두께를 계산하기 위해 단순지지 및 고정된 광폭보를 설정하였다. 결과는 동굴 경간이 9m×9m보다 크거나 지붕 두께가 2D(말뚝 직경)보다 작을 때 말뚝의 응력과 변형에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

카르스트 지형은 복잡한 기반이며 교량 구조에 필요한 안정적인 지지력을 갖춘 카르스트 지형의 교량 말뚝 기초 성능은 매우 중요합니다. 카르스트 동굴이 있는 지형에 교량 파일 기초를 설치할 때 세 가지 문제 시나리오(파일 건너편 동굴, 파일 측면 동굴 또는 파일 아래 동굴)가 발생할 수 있습니다. 말뚝의 지지 특성은 밑에 있는 동굴의 크기와 지붕에 따라 크게 다릅니다1. 파일 아래의 동굴은 파일 바닥에 지지층이 부족하여 파일에 위협이 됩니다2,3,4,5.

카르스트 지역의 교량 말뚝 기초의 지지 성능은 학자들의 많은 관심을 끌었습니다. Feng, Chen 및 He는 고정밀 회색 모델6,7,8,9을 기반으로 카르스트 동굴에 건설된 말뚝의 지지 강도와 안정성을 성공적으로 예측했습니다. Wong과 Dong은 정하중 시험과 이론적 추론을 사용하여 카르스트 지역의 지지력과 안전 두께에 대한 하중 침하 법칙과 계산 방법을 구현했습니다. Chen과 Hu는 부분적으로 나사형 파일의 수직 파괴 모드를 연구하고 테스트와 시뮬레이션을 통해 지지력을 계산했습니다. 동굴 지붕의 두께와 크기가 지지력에 미치는 영향과 각 요소의 민감도는 Zhang14,15에 의해 발견되었습니다. Liu와 Fattah는 카르스트 동굴의 크기, 지붕 두께 및 형태의 변화에 ​​따른 파일의 수직 성능을 조사하고 파일의 안정성을 분석했습니다16,17.

대부분의 학자들은 카르스트 동굴 지붕의 실패 모드와 안정성을 연구했습니다. Zhao와 Xiao는 서로 다른 비배수 조건에서 하나의 보이드와 다중 보이드의 안정성을 제안하고 보이드에 대한 경사 하중의 영향을 논의했습니다. Jiang, Zhao, Zhang, Wang 및 Bai는 동굴 지붕의 안전한 두께에 대한 이론적 계산 공식을 얻기 위해 단순 지원 기계 모델을 확립하고 지붕이 펀칭, 전단, 굽힘 및 인장을 받을 때 지붕의 파괴 모드를 연구했습니다. 실패20,21,22,23,24. Wilson, Tschuchnigg 및 Rodrigo에 따르면 구조의 안정성은 엔지니어링의 한계 평형 분석에 의해 결정될 수 있습니다. Lee는 다양한 배수되지 않은 조건에서 공극의 안정성을 제안하고 공극에 대한 경사하중의 영향을 논의했습니다. 위의 거의 모든 연구는 유한요소해석과 기계모델을 통해 연구되었다. 정적 하중 시험은 말뚝의 성능을 연구하는 가장 신뢰할 수 있는 방법 중 하나입니다.

본 연구에서는 정하중시험과 유한요소해석을 통해 하부 카르스트동굴의 높이, 경간, 지붕두께가 교량말뚝 기초의 수직지지 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 수직 지지력은 다양한 동굴에서 얻어졌습니다. 한편, 하중 전달 특성은 축력, 단위 샤프트 저항 및 두 저항의 비율을 포함한 다양한 시나리오에서 연구되었습니다.