PURPOSES : Road subsidence occurs owing to road cavities, which cause many social and environmental problems, especially in cities. Recently, road cavities were detected by various ground radars and repair works were carried out against the detected cavities. The condition assessments related to the road cavities are necessary to understand the potential risk of the cavities. Therefore, in this study, a numerical study was performed to assess the various conditions of road cavities. METHODS : The numerical method adopted in this study is the discrete element approach, and it is suitable for analyzing the condition because it can consider the movement of the soil particles in the surrounded cavity areas. In addition, the triaxial test was modeled and performed under various cavity conditions inside the specimens. RESULTS: The conditions of different cavity locations and shapes were analyzed to identify the effect of cavity state. Three general cases of particle size distributions were formulated to identify the effect of surrounding ground conditions. As a result, the degree of decrement and volumetric strain were varied depending on the locations and shapes of the cavity. Only minor changes were observed when the particle size distributions were altered. CONCLUSIONS: The strength reduction was higher when the cavity formed was larger and located in the upper zone. Similar to the cavity shape, strength reduction and volume deformation are more influenced by the width than the length of the cavities. There is an influence from ground conditions such as the particle size distribution, especially on the wide cavity.

도로 하부에 동공이 발생하게 되면 지반재료의 거동이 크게 변화하게 된다. 최근, 동공은 GPR장치를 활용하여 탐지가 가능하며 탐지된 동공은 그 위험도에 따라 적당한 보수 대책을 마련하게 된다. 지하의 동공은 다양한 위치에 다양한 모양으로 생성될 수 있으며 이에 따른 강도 저하가 발생하는데 특히 위치 및 형상에 따라 도로함몰에 미치는 위험도가 다르다. 따라서 도로 하부에 발생한 다양한 동공의 위험도를 평가하기 위한 많은 연구가 실내시험 및 수치해석을 통해 수행되었다. Hewage and Renuka(2012)는 시료 내에 글루코스 블록을 통해 동공을 모사한 삼축압축 시험을 수행 하여 동공이 발생한 지반재료의 공학적 거동을 파악하였다. 그러나 글루코스 블록을 통하여 모사된 동공 은 물에 용해되는 과정을 거치며 초기 블록의 모양과는 다르게 형성되기에 다양한 위치, 모양을 구현하는 데 한계점이 있다. 따라서 이러한 실내 시험의 어려움 때문에 본 연구에서는 수치 해석적 방법을 이용하 여 동공의 위치와 형상이 지반재료의 강도와 변형에 미치는 영향을 알아보았다. 연구에 사용한 해석방법 은 개별요소법(Discrete Element Method)으로 시간의 흐름에 따라 개별 입자의 이동이 발생하여 동공의 변화에 따른 연속적인 해석이 가능하다. 본 연구에서는 동공의 위치 및 형상을 모사한 삼축압축 모델 테 스트를 진행하였다. 한편, 박형민 등(2016)은 DEM기반의 PFC-2D 프로그램을 이용하여 입도분포곡선을 반영한 삼축시험 모델링 해석을 수행하였으며 실내시험 데이터와 비교한 결과 그 타당성을 입증하였다. 이를 바탕으로 특 정 시료에 대한 입도분포 알고리즘을 적용하여 동공의 위치와 구속압 조건, 형상에 대한 영향을 알아보기 위한 수치해석을 진행하였다. 동공의 위치에 따른 영향을 알아보기 위하여 모델링 된 시료에 상, 중, 그리고 하부에 동공을 생성하여 해석을 수행한 결과 동공이 시료의 윗부분에 위치할수록 낮은 축차응력 수치를 보였다. 또한, 실제 동공 이 존재하는 지반 조건을 깊이 별로 모사하기 위하여 시료 내 동공은 동일한 위치에 생성한 후 지반의 깊 이를 구속압으로 표현해 각각 약 1m, 2m, 3m 깊이에 해당하는 구속압 조건에서 해석을 수행하였다. 결 과 동공이 깊은 깊이(75kPa구속압)에 위치한 경우 동공 발생으로 인해 감소한 강도가 얕은 깊이일 때 보 다 낮은 변형률에서 다시 회복되어 증가하는 현상을 확인 할 수 있었다. 또한 지반 내에서 동공은 여러 형태로 생성 될 수 있기 때문에 동공의 면적과 중심점은 동일한 조건에서 동공의 형상을 변화하여 해석을 수행하였으며 그 결과 동공의 초기 강도는 높이보다 폭에 의해 더 큰 영향을 받으며 더 큰 부피 변화를 수반하는 것을 확인 할 수 있었다. 본 연구의 결과를 토대로 도로 하부의 동공을 탐지한 경우 동공의 형상과 위치에 따라 위험도를 평가 하여 그에 따른 관리 대책을 수립 할 수 있을 것으로 기대한다.

도로의 하부지반은 크고 작은 입자들로 구성되어 있으며 크기의 분포에 따라 전체적인 강도 및 변형특 성이 다르게 나타난다. 이를 반영하여 여러 종류의 입도분포로 실험이 이뤄져 왔고 수치해석을 통한 비교 연구도 진행되어져 왔다. 본 논문에서는 수치해석 기법 중 개별요소법(Discrete Element Method)을 이 용한 방법을 활용하여 입도분포의 변화에 따른 하부지반의 전단강도 및 변형특성을 알아보고자 하였다. 입도분포를 표현하기 위하여 Fredlund & Xing(1994)과 Van Genuchen(1981)이 제안한 함수특성곡선 맞춤 식을 도입하여 입도분포에 구현하였다. Van Genuchen의 경우가 입도분포를 표현하는데 보다 더 적합하여 이를 반영하고 맞춤 변수들의 변동에 따른 입도분포 형태를 적용하여 강도 및 변형의 변화를 살펴보았다. 입도분포를 변동시키기 전 기존의 입도분포와 동일한 조건으로 수행된 실내시험결과를 비교하여, 초기 조건과 경계조건이 실내시험과 유사한 결과를 갖도록 모형화 하였다. 분포 모델은 식 (1)과 같이 표현되며, d min 은 입도분포의 최소 입경을 나타낸다. a, n, m의 값은 입도분포 식의 변수를 나타내며 <표 1>은 입도분포 변화에 따른 변수를 나타낸다. 여기서, y는 누가 통과율, x는 입자의 크기, a,n,m은 맞춤변수이다. <표 1>과 같이 n값의 변화에 따른 입도분포곡선을 산정하고, 이를 개별요소법에 적용하여 해석을 실시 하였고 구속압의 변화(100, 200, 300kPa)에 따른 강도와 변형을 확인하여 보았다. 구속압이 100kPa일 때 에는 n값의 변화에 따라 강도의 변화가 비슷하게 나타났으며, 구속압이 높아질수록 강도의 차이가 다 르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이때, n값이 커질수록 입도분포에서 세립분이 함유하는 비율이 커 지는 입도분포를 나타내었다. 또한, n값이 커질수록 강도가 크게 산정되는 것을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서는 n값의 변화에 따른 입도분포를 변화하였으며, 이때 변화하는 강도의 차이를 확인하여 보았다. n값이 증가할수록 세립분 함유량이 증가하였고, n값의 변화에 따른 강도변화가 있음을 확인할 수 있었다. 추후 연구를 통하여, a값과 m값의 변화에 따른 입도분포를 산정하고, 개별요소법에 활용하여 a와 n, m값의 변화에 따른 강도의 차이를 확인할 수 있을 것으로 판단된다.

사석 방파제와 같은 불연속 구조물의 안정 해석이 수행되었다. 파랑장의 계산에는 CADMAS-SURF를 이용하고 마운드의 변형 해석에는 개별요소법을 이용하였다. 파랑장과 구조물 변형과의 상호작용을 고려하였고, 마운드를 구성하는 요소의 다양성에서 비롯되는 물성치들을 고려하기 위해 스프링계수, 점성, 마찰계수를 몬테카를로법에 의해 랜덤하게 입력하였다. 또한 수치해석 결과를 검증하고 해석 모델의 타당성을 검토하기 위해 모형실험을 실시했다. 모형실험에서는 마운드를 구성하는 요소로써 유리구를 이용했고, 실험결과와의 비교를 위하여 요소의 크기를 수치해석의 모델요소와 일치시켰다. 그 결과 수치해석결과와 모형실험결과가 정성적으로 일치했으며, 본 해석 모델의 타당성이 검증되었다.

수치해석을 수행할 경우 좀 더 정확한 수치모의를 위하여 해석영역의 특성에 따라 적절하게 요소를 배치하는 것이 필요하다. 본 연구에서 사용한 개별요소법(DEM)은 입자의 마찰력 및 항력을 제외한 반발력과 인장력만을 적용하였다. 초기 쿼드트리(Quad-tree)형식으로 충진된 입자들을 DEM을 이용하여 재배치할 경우 입자의 형상이 원형이기 때문에 입자사이에 존재하는 빈 공간을 최소화 할 수 있다. 결국 입자 중심점의 배치가 정삼각형에 가깝게 되는 특징을 보여준다. 이 재배치된 입자를 대상으로 Delaunay 삼각기법을 이용하여 삼각망을 구성하고, Laplace 보간을 수행하여 격자 품질을 향상시켰다. Laplace 보간 전 후의 형상비(Aspect Ratio: AR)를 비교한 결과 DEM을 이용하여 작성한 격자의 품질도 우수하지만, Laplace보간을 수행한 이후 보다 높은 품질의 격자가 생성되는 것을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 기법은 기존의 삼각격자망 생성기법에 비해 다소 계산시간이 오래 걸리는 단점이 있지만, 복잡한 형상과 정확한 지형의 재현을 필요로 하는 파랑 해석용 유한요소 격자망 작성 및 다양한 수치모의 분야에서 그 적용 가능성이 매우 높다고 사료된다.