Numerical analysis of tunnelling in decomposed granite soil

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 컴퓨터 수치해석법을 개선 ·개발하여 화강토지반내에서 터널을 굴착할 때 발생하는 지반과 터널구조물의 거동에 대한 지식을 확장하고, 설계수준을 개선하기 위해 이루어졌다. 본 논문에서 다룬 수치해석 모델링에 대한 연구주제는 화강토의 거동을 표현하기 위한 새로운 구성방정식의 유도, 기존 2차원 해석방법의 개선, 터널 굴착에 따른 지반-지하수의 복합 상호 거동에 대한 모델링기법(Coupled Analysis)의 확장, 터널 막장거동 해석을 위한 새로운 3차원 해석방법의 개발 등이다. 본 연구는 터널해석을 위한 수치 알고리즘 및 모델링기법에 있어서 유한요소법의 발전 및 확장에 기여하였다. 본 논문의 주요 주제별 연구 내용은 다음과 같다.
[화강토의 구성방정식]
층산 지반을 모델링하기위한 여러 가지 구성방정식이 비교 ·조사되었다. 특히 화강토의 거동을 모델링하기 위하여 화강토의 내재적 특성인 결합력(Inherited Bonding)을 고려하는 한계상태 경화모델(Critical State Model)이 확장 ·개발되었다. 실제문제에 적용결과 비선형탄성 모델과 조합한 한계상태경화모델이 실험에서 측정한 응력-변형곡선과 잘 일치함이 확인되었다.
[터널 모델링의 새오룬 2차원해석기법]
기존의 2차원 터널해석기법들은 평면변형조건을 가정하므로 터널굴진과정을 표현하기 위해 모두 경험 파라미터를 사용하고 있다. 본 연구를 통해 2차원 해석결과가 전적으로 이 파라미터에 의존하고 있음이 파악되었다. 또한 이 파라미터의 결정이 순전히 경험에 의존하므로 기존의 2차원 해석결과는 신뢰성에 확보에 어려움이 있음이 확인되었다. 이를 개선하기 위해 본 연구에서는 새로운 2차원 터널 모델링 방법으로서 'Time-Based Modelling' 기법을 제안하였다. 이 방법은 지하수, 숏크리트 등 거동특성이 시간에 따라 변화하여 시간 의존성 영향이 큰 NATM터널 해석에 특히 유용함이 입증되었다.
[지하수-터널 상호작용의 모델링]
지하수위 아래서 건설되는 터널에 대하여 터널-지하수 상호작용의 영향이 수치해석을 이용하여 시뮬레이션되었다. 라이닝의 수리특성을 유사화하기 위해 강성과 특수성을 실제 라이닝의 거동과 동일하게 모델링할 수 있는 새로운 요소(Element)가 개발 ·도입되었다. 여러 가지 경우의 흐름조건, 경계조건을 고려하고 비선형 투수계수를 사용하는 광범위한 Case Study를 수행함으로써 터널의 시간 의존성 거동이 심층적으로 분석되었다. 특히 비교론적 접근방법으로서 저투수성 지반인 London Clay해석결과를 투수성화강토의 해석결과와 비교 ·조사하였다. 또한 최근 문제가 되고 있는 배수터널에 걸리는 잔류수압에 대한 설계기준의 근거도 제시되었다.
[3차원 해석법의 개발]
경험 파라미터 없이 터널막장의 거동을 해석하기 위해 Fourier Series를 이용한 3차원 터널해석기법이 개발되었다. 이 새로운 수치해석기법은 해석적 검증절차를 거쳐 Imperial College Finite Element Program(ICFEP)의 추가옵션으로 확장되었다. 이 방법은 기존 3차원 비선형 및 경화소성해석에 요구되는 노력과 시간을 현저히 줄이고, 쉽고 빠르게 터널막장의 3차원 파괴모드를 찾는 수단임이 확인되었다. 이 해석법(Fourier Series Aided Analysis)은 실제 화강토내 터널 굴착해석에 적용되었으며 계측치와 잘 일치하는 결과를 주었다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT = ⅰ
• ACKNOWLEDGEMENTS = ⅱ
• TABLE OF CONTENTS = ⅲ
• SYMBOLS LIST = ⅶ
• CHAPTER 1 INTRODUCTION = 1
• 1.1 Background and objectives = 1
• 1.2 Scope of research = 3
• 1.3 Layout of thesis = 3
• CHAPTER 2 GEOTECHNICAL ASPECTS OF TUNNEL DESIGN AND TUNNELLING PRACTICE IN DECOMPOSED GRANITE SOIL = 5
• 2.1 Introduction = 5
• 2.2 Geotechnical aspects of tunnel design = 6
• 2.2.1 Tunnelling methods = 6
• 2.2.2 Ground movements and their influence on structures = 7
• 2.2.3 Ground loading on tunnel linings = 13
• 2.2.4 Stability of tunnel excavation = 16
• 2.3 Tunnelling practice in decomposed granite soil = 21
• 2.3.1 Introduction = 21
• 2.3.2 Tunnelling in decomposed granite soils = 21
• 2.3.3 Tunnel design and construction = 23
• 2.3.4 Field measurements = 24
• 2.3.5 Tunnel failures = 25
• 2.4 Concluding remarks = 26
• CHAPTER 3 FINITE ELEMENT METHOD FOR THE MODELLING OF TUNNELLING = 41
• 3.1 Introduction = 41
• 3.2 Finite element equations for a porous and deformable body = 43
• 3.2.1 Fundamental governing equations = 43
• 3.2.2 Finite element approximations = 46
• 3.2.3 Coupled finite element equations = 48
• 3.2.4 Solution procedure = 50
• 3.3 Geotechnical considerations for the modelling of tunnelling = 54
• 3.3.1 Initial stresses = 54
• 3.3.2 Excavation = 54
• 3.3.3 Construction = 55
• 3.3.4 Boundary conditions = 56
• 3.4 Imperial College Finite Element Program(ICFEP) = 57
• CHAPTER 4 MATERIAL MODELS = 61
• 4.1. Introduction = 61
• 4.2. Soil constitutive models = 62
• 4.2.1 Introduction = 62
• 4.2.2 Stress paths due to tunnel excavation = 64
• 4.2.3 Pre-yield soil models = 65
• 4.2.4 Non-associated Mohr-Coulomb model = 68
• 4.2.5 Post-yield behaviour of decomposed granite soil : L,P&P model = 69
• 4.2.6 Application of soil models to the tunnelling problem = 75
• 4.3. Permeability models = 77
• 4.4. Structure models = 80
• 4.5. Concluding remarks = 81
• CHAPTER 5 TWO DIMENSIONAL FINITE ELEMENT ANALYSES = 96
• 5.1 Introduction = 96
• 5.2 Review of two dimensional modelling methods = 97
• 5.2.1 Introduction = 97
• 5.2.2 Two dimensional modelling techniques of tunnelling = 98
• 5.2.3 Discussions = 102
• 5.3 Modelling of time dependent behaviour = 103
• 5.3.1 Review of previous research on time dependent behaviour during tunnelling = 103
• 5.3.2 Time-based two dimensional modelling method = 107
• 5.3.3 Parametric study on model parameters = 113
• 5.4 Analyses of NATM tunnelling in decomposed granite soil = 117
• 5.4.1 Introduction = 117
• 5.4.2 Evaluation of influencing factors on ground behaviour = 119
• 5.4.3 Typical results of a single horse-shoe-shaped tunnel = 127
• 5.4.4 Typical results of a single circular tunnel = 130
• 5.4.5 Analysis of twin tunnels = 132
• 5.5 Plane strain failure mechanisms = 133
• 5.6 Conclusions = 135
• CHAPTER 6 ANALYSIS OF TUNNEL BEHAVIOUR DUE TO GROUNDWATER MOVEMENTS = 178
• 6.1 Introduction = 178
• 6.2 Previous research and design considerations of groundwater movements = 179
• 6.2.1 Review of previous research = 179
• 6.2.2 Design considerations for the effect of groundwater movements = 180
• 6.3 Numerical modelling of groundwater movements due to tunnel construction = 182
• 6.3.1 Flow into a tunnel = 182
• 6.3.2 Phreatic surface problem due to tunnel construction = 183
• 6.3.3 Geotechnical considerations of phreatic surface problem = 185
• 6.3.4 Permeability function = 188
• 6.4 Analysis of tunnel behaviour due to groundwater movements = 189
• 6.4.1 Introduction = 189
• 6.4.2 Typical long term time dependent behaviour = 192
• 6.4.3 Effect of groundwater movements on a tunnel in decomposed granite soil = 199
• 6.4.4 Discussions = 202
• 6.5 Conclusions = 207
• CHAPTER 7 THREE DIMENSIONAL FINITE ELEMENT ANALYSES = 247
• 7.1 Introduction = 247
• 7.2 Fourier series aided finite element equations = 249
• 7.2.1 Introduction = 249
• 7.2.2 Coupled finite element equations using Fourier series = 249
• 7.2.3 Further development for the application to the tunnelling problem = 257
• 7.2.4 Solution procedure = 263
• 7.2.5 Validation = 266
• 7.3 Geotechnical considerations for the application to a shallow tunnelling problem = 268
• 7.3.1 Initial stresses = 268
• 7.3.2 Boundary conditions = 269
• 7.3.3 Validating parametric analyses = 270
• 7.4 Typical analyses of tunnelling in decomposed granite soil = 272
• 7.4.1 Analysis model = 272
• 7.4.2 Typical analysis = 274
• 7.4.3 Comparison with two dimensional analysis = 277
• 7.4.4 Other geotechnical considerations = 279
• 7.5 Heading failure mechanisms = 280
• 7.5.1 Introduction = 280
• 7.5.2 Tunnel face = 281
• 7.5.3 Unlined tunnel heading = 282
• 7.6 Conclusions = 283
• CHAPTER 8 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS = 324
• 8.1 Introduction = 324
• 8.2 Numerical modelling of tunnelling = 324
• 8.3 Design considerations on a NATM tunnel = 327
• 8.4 Recommendation for further research = 330
• REFERENCES = 332
• APPENDIX A MATERIAL PROPERTIES AND MODEL PARAMETERS = 345
• A.1. General engineering properties of decomposed granite soil = 345
• A.2. Material parameters = 351
• A.3. Modelling of shotcrete lining = 354
• APPENDIX B PHREATIC SURFACE PROBLEM AND EQUALISATION OF PORE WATER PRESSURE = 355
• B.1. Analysis of a phreatic surface problem = 355
• B.2. Parametric study on permeability function = 356
• B.3. Equalisation process of pore water pressure = 357
• APPENDIX C FOURIER SERIES SOLUTIONS AND COMPONENTS = 360
• C.1. Solutions integrating the product of Fourier series = 360
• C.2. The components of stiffness matrix = 361
• C.3. The components of permeability matrix = 362