Numerical Analysis Study for Behavioral Characteristics Analysis of Jeju Natural Caves (Jaeamcheon Lava Tube) That Intersect with Roads

Jong-Hyun Lee; Hyun-Sik Jin; Joon-Sang An; Yong Baek

doi:10.9720/kseg.2021.3.367

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Research Article

The Journal of Engineering Geology. 30 September 2021. 367-380
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.3.367

Numerical Analysis Study for Behavioral Characteristics Analysis of Jeju Natural Caves (Jaeamcheon Lava Tube) That Intersect with Roads

도로와 교차하는 제주천연동굴(재암천굴)의 거동특성 분석을 위한 수치해석적 연구

Jong-Hyun Lee¹

Hyun-Sik Jin²

Joon-Sang An³

Yong Baek⁴^*

이 종현¹

진 현식²

안 준상³

백 용⁴^*

¹Research Fellow, Department of Geotechnical Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology

²CEO, Geotechnical Division, HNG Consultants Co., Ltd.

³CEO, Construction IT Laboratory, BasisSoft, Inc.

⁴Senior Research Fellow, Department of Geotechnical Engineering Research, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology

¹한국건설기술연구원 지반연구본부 연구위원

²(주)HNG컨설턴트 지반사업부 대표

³(주)베이시스소프트 건설IT연구소 대표

⁴한국건설기술연구원 지반연구본부 선임연구위원

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

This study evaluated the stability through a three-dimensional numerical analysis method when a natural cave exists under a road in operation in Jeju Island. In order to confirm the geometric and geotechnical characteristics of the Jeju natural cave passing under the road, existing geotechnical survey reports were collected, and were studied the characteristics. In order to evaluate the effect of vehicle vibration loading on the natural cave in Jeju, three-dimensional numerical analysis was performed considering discontinuities. Through this, the stability of roads and caves with respect to vehicle speed and the depth of cover (distance from the road to the top of the natural cave) was evaluated and countermeasures were suggested. In order to secure the long-term stability of the Jeju natural cave that penetrates the lower part of the road, it was evaluated that systematic management such as long-term measurement management, reinforcement measures, and emergency measures would be necessary depending on the depth of the cover.

Keywords

natural cave

long-term stability

vehicle vibration loading

numerical analysis

본 연구는 제주도 내 운영중인 도로하부에 천연동굴이 존재하는 경우, 3차원 수치해석적 방법을 통해 안정성을 평가하였다. 도로 하부를 관통하는 제주천연동굴의 기하학적 및 지반공학적 특성을 확인하기 위해 기존 지반조사보고서를 수집한 후, 그 특성을 검토하였다. 이를 토대로 차량진동하중이 제주천연동굴에 미치는 영향을 평가하기 위하여 불연속면을 고려한 3차원 수치해석을 실시하였다. 연구결과를 토대로, 차량속도, 토피고에 따른 도로와 제주천연동굴의 안정성을 평가하고, 대책을 제안하였다. 도로 하부를 관통하는 제주천연동굴의 장기안정성 확보를 위하여, 토피고에 따라 장기계측관리, 보강대책, 응급대책 등 체계적인 관리가 필요할 것으로 평가되었다.

키워드

천연동굴

장기안정성

차량진동하중

수치해석

MAIN

서 론
재암천굴의 기하학적 및 지반공학적 특성 분석
기하학적 특성 분석
지반공학적 특성 분석
수치해석 물성치 산정
3차원 수치해석 모델링
수치해석방법
시간이력을 고려한 차량진동하중 모델링
차량진동하중에 의한 거동특성평가
도로부 변형특성 분석
동굴 안정성 확보를 위한 최소 허용진동기준
차량진동하중에 의한 진동크기 분석
결 론

서 론

제주도에는 육지와 다르게 용암동굴이 산재해 있다. 기 발간된 자료에 의하면, 2019년 현재 제주도 내에 천연동굴이 209개(용암동굴 177개, 해식동굴 32개)가 분포하고 있음을 발표하였다(JCRC, 2019). 특히, 도로와 천연동굴이 교차하는 구간에서는 직경 1.0 m 이상인 다량의 낙반이 발생 되어있으며, 동굴 천장부에는 낙석 발생 가능성이 높은 암석이 다수 분포하고 있는 것으로 보고되었다. 원인으로는 차량진동하중에 의한 천연동굴의 낙석 발생 가능성을 고려할 수 있으며, 낙석 발생이 증가하면 붕괴로 이어질 수 있을 것을 예상할 수 있다.

현재 제주도는 세계자연문화유산 등재, 각종 개발사업과 함께 국내외 관광객 증가로 인한 교통량이 늘고 있다. 도로와 천연동굴이 교차하는 도로의 지반침하, 아스팔트 포장균열 등이 발생되고 있으며, 이로 인해 제주도민 및 국내외 관광객의 안전이 위협받을 수 있을 것으로 예상된다.

따라서 본 연구에서는 제주도 천연동굴의 거동특성을 분석하여 대책을 마련하는 것이 목적이다. 연구방법으로는 도로와 교차하는 제주 천연동굴의 기학학적 및 지반공학적 특성을 확인하기 위해 기존 지반조사보고서를 수집한 후 그 특성을 분석하였고, 차량진동하중이 제주천연동굴에 미치는 영향을 평가하기 위해 불연속면을 고려한 3차원 수치해석을 실시하였다. 또한, 차량속도, 토피고(도로에서부터 천연동굴 천정부까지 거리)에 따른 도로와 제주천연동굴의 안정성을 평가하고 대책을 제안하고자 한다. 현장 사례로는 천연동굴인 재암천굴을 대상으로 자료를 검토하였다.

21세기에 진입하면서 제주도 천연동굴에 대한 보존 및 보호에 관한 많은 연구가 진행되었다. 특히 제주도 내에 도로를 포함한 많은 건설 구조물들의 시공으로 천연동굴의 안전성이 악화된다는 연구가 다수 보고되었다. Kim(2007)은 제주도 용암동굴의 보존과 관리를 위한 개선방안을 제시하였다. 제시한 방안 중 제주 일주도로와 중산간도로가 통과하는 동굴 지상은 붕괴될 수 있으므로 대체 도로가 신설되어야 한다고 제안하였다. Lee et al.(2021)은 제주도 거문오름 용암동굴계 분포지역에서 차량 및 건설장비에 의해 발생하는 진동의 영향을 분석하고 용암동굴의 효율적인 관리보존 대책을 마련하기 위한 연구를 수행하였다. 연구를 통해서 버스 및 덤프트럭의 영향범위를 차량속도 및 연속진동 기준으로 평가하여 규제기준을 만족하는지에 대한 연구를 수행하였다. Lee et al.(2020a, 2020b)은 제주 도로와 용암동굴의 교차구간에서의 운행 차량의 진동특성 연구 및 지반함몰 대응기술에 관한 연구를 수행하였다. 이 연구에서는 천연용암동굴의 문화재적 가치를 보존하기 위해서 기건설되어 운영되고 있는 도로의 체계적인 관리를 통한 대책 수립을 위한 초기 연구를 수행하였다. Lambert et al.(2012)은 천연동굴 상부에 신설 도로 계획 중 잠재적인 동굴 붕괴에 관한 예측을 전기비저항 탐사를 통해서 연구하였다. 연구를 통해서 건설 장비를 저속운행하여 진동하중을 최소화하는 방안을 제시하였다. 하지만, 도로 하부에 존재하는 천연동굴의 안정성 평가를 수치해석 기법을 사용한 연구 사례는 전무한 실정이다. 그러한 이유로 본 연구에서는 3차원 수치해석을 사용하여 운영 중 도로 하부에 존재하는 천연동굴의 안정성 평가 및 보존 대책을 제안하였다.

재암천굴의 기하학적 및 지반공학적 특성 분석

기하학적 특성 분석

재암천굴은 제주도 협재 해수욕장 부근에 위치한다. Fig. 1은 본 연구대상지와 교차하는 도로 현황을 보여주고 있다. 도로 아래에는 재암천굴이 존재하고 있으며, 차량진동하중에 의한 재암천굴 천정부 변형을 억제하고자 보강재를 설치한 상태이나, 보강재는 부식정도가 심해 보강효과는 거의 없을 것으로 판단되었다. 재암천굴 위 도로에는 덤프트럭, 버스, 승용차 등 차량통량이 많으며, 장기적으로 차량진동하중이 재암천굴에 영향을 미치는 것으로 예상된다.

재암천굴의 형상을 분석하기 위하여 횡단면을 구간별로 작성하였다. Fig. 2는 Fig. 1a 도로와 교차하고 있는 재암천굴 평면도상에 표시된 No.별 횡단면도이다. 분석결과 천연동굴의 기하학적 형상과 토피고는 다양하게 나타나고 있다. 도로 중앙(No.30, No.35)에서 토피고(depth of cover)는 약 3.8 m이나, 일부구간(No.20, No.55)에서 토피고는 1.0 m 이하로 나타나고 있음을 알 수 있다. Table 1에서는 토피고의 변화를 Station No.별로 정리하였다.

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Fig. 1.

Status of Jaeamcheon-gul cave and upper road.

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Fig. 2.

Cross-section of Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015).

Table 1.

Change of depth of cover of Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015)

Station No.	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
Depth of cover (m)	3.06	3.76	3.5	2.45	2.06	2.47	3.76	3.80	3.55	4.01	2.85	0.95
Ground elevation (m)	5.47	5.75	5.72	5.5	5.8	5.9	5.85	5.8	5.8	6.05	4.4	3.5
Cave top elevation (m)	2.41	1.99	2.22	3.05	3.74	3.43	2.09	2.00	2.25	2.04	1.55	2.55

지반공학적 특성 분석

재암천굴에서 지반특성 분석 및 수치해석 파라미터 산정을 위하여 기실시된 지반조사자료와 현장조사를 통하여 데이터를 수집/분석하여 3차원 수치해석 파라미터를 산정하였다. 재암천굴의 지반공학적 특성을 파악하기 위하여 “재암천굴 정밀점검 및 보수보강대책수립 용역 보고서”(Jeju-city, 2015)를 참조하였다. Fig. 3은 시추조사 위치와 지층상태를 보여주고 있다. 6개의 시추공 중에서 재암천굴과 가장 인접한 시추공은 NCB-4이며, 지층구성은 모래(0.2 m)와 연암으로 구성되어 있다. 연암은 현무암에 해당되는 암반층이다. 보고서 상에 적용된 모래층 및 암반층의 연속체 수치해석 파라미터는 Table 2와 같다(Jeju-city, 2015).

NCB-4 시추공에서 확인된 연암에서는 다수의 불연속면 절리가 존재하고 있었고, 재암천굴의 주된 불연속면군의 방향은 066/70, 238/72, 080/72로 나타났으며, 대부분 70도 이상인 고각으로 구성되고 있다(Table 3). Table 3에서 알 수 있듯이 불연속면 절리 간격은 평균 0.45~0.6 m으로 나타났다. 절리의 연장성은 대부분 1.0 m 이하로 냉각절리의 형태로 판단된다. 불연속면 절리 채움물질은 없는 것으로 조사되었다.

불연속면을 모델링하기 위해서는 불연속면 절리방향 뿐만 아니라 불연속면 전단강도가 필요하다. 그러나, 재암천굴은 문화재 관리지역으로 직접 전단강도시험을 할 수 없다. 따라서 문헌값을 인용하였다. 제주도에서 불연속면 전단강도를 산정한 사례는 “제주도 천연동굴 보존관리방안 연구 및 조사보고서(SAJWTH, 2020)”이다. 여기서 산정된 불연속면 절리면 전단강도는 만장굴 및 용천동굴에서 평가된 값들이며, Table 4와 같다. 불연속면 전단강도 중 점착력은 27.0~58.0(kN/m²)이고, 마찰각은 23.9~30.3(°)으로 산정된 것으로 확인되었다.

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Fig. 3.

Geological characteristics by borehole investigation near Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015).

Table 2.

Soil and rock parameters (Jeju-city, 2015)

	Unit weight (kN/m³)	Elastic modulus (kN/m²)	Cohesion (kN/m²)	Friction angle (°)	Poisson's ratio
Sand	18.0	20,000	5.0	28	0.33
Soft rock*	21.0	1,000,000	100.0	35	0.27

*cf : soft rock (used when designing in geotechnical engineering terms): In this paper, soft rock represents a geologically dense basalt. The same applies below.

Table 3.

Characteristics of discontinuities (Jeju-city, 2015)

	Set 1	Set 2	Set 3
Orientation of discontinuities	066/70	238/72	080/72
Interval of discontinuities (m)	0.2~1.0 (average 0.6)	0.2~0.7 (average 0.45)	0.3~0.8 (average 0.55)
Extensibility of discontinuities (m)	Less than 1.0	Less than 1.0	Less than 1.0
Filling of discontinuities	None	None	None

Table 4.

Cases of shear strength application of discontinuities in Jeju area (SAJWTH, 2020)

	Rock quality	Cohesion (kN/m²)		Friction angle (°)		Ks (kPa/mm)	Kn (kPa/mm)
	Rock quality	Max	Residual	Max	Residual	Ks (kPa/mm)	Kn (kPa/mm)
Manjang-gul cave	Moderate rock (porous)	48.0	27.0	26.1	23.9	2,536	4,985
Yongcheon cave	Hard rock (dense)	58.0	39.0	30.3	27.5	2,699	5,355

수치해석 물성치 산정

본 연구에 적용된 수치해석 물성치는 기존 문헌값과 현장조사결과를 토대로 다음과 같이 적용하였다. 연암의 수치해석 물성치와 불연속면의 주향/경사/간격은 “재암천굴 정밀점검 및 보수보강대책수립 용역 보고서”(Jeju-city, 2015)에서 제시된 값(Table 2 및 Table 3 참조)을 이용하였다. 그리고 불연속면 전단강도 물성치는 재암천굴과 동일한 특성(치밀성 현무암)을 보이는 용천동굴에서 평가된 전단강도 값을 참조하여 적용하였다(Table 4 참조).

본 연구의 목적이 차량진동하중에 의한 재암천굴의 거동특성 평가이므로, 차량진동하중을 고려한 동적 시간해석 시에는 연암층에 대한 동적 파라미터가 필요하다. 일반적으로 연암의 동적 파라미터는 하향식 탄성파탐사(Down Hole Test)를 이용하여 산정할 수 있으나, 본 동적 물성치는 문헌치 및 경험치을 이용하여 산정하였다.

Table 5 및 Table 6은 1997년에 발행된 내진설계기준Ⅱ(MCT, 1997)과 국가건설기준 KDS 17 10 00 : 내진설계일반(KCSC, 2018)에서 제시된 지반종류에 따른 지반특성(전단파속도 등)을 나타낸 것이다. 발행년도에 따라 전단파속도의 범위는 다르지만, 최근에 발행된 기준(KCSC, 2018)을 참조하였을 때, 연암의 전단파 속도는 760 m/s으로 평가할 수 있었다. 따라서 현무암으로 구성된 본 현장 연암의 전단파 속도는 760 m/s으로 적용하였다.

Table 5.

Classification of the ground (MCT, 1997)

Ground type	Ground condition	Average ground characteristics for upper 30.0 m
Ground type	Ground condition	Average shear wave velocity $V_{s}$ (m/s)	Average SPT $\bar{N}$ (N-value)	Average undrained shear strength $\bar{s_{u}}$ (kPa)
$S_{A}$	Hard rock	More than 1,500	-	-
$S_{B}$	Moderate rock	760~1,500	-	-
$S_{C}$	Very dense soil or soft rock	360~760	>50	>100
$S_{D}$	Dense soil	180~360	15~50	50~100
$S_{E}$	Soft soil	Less than 180	<15	<50
$S_{F}$	Grounds requiring site-specific characteristic evaluation

Table 6.

KDS 17 10 00 : General seismic design (KCSC, 2018)

Ground type	Ground condition	Classification criteria
Ground type	Ground condition	Depth of bedrock $H$ (m)	Average shear wave velocity of soil layer $V_{s, s o i l}$ (m/s)
$S_{1}$	Rock soil	Less than 1	More than 760
$S_{2}$	Shallow and very dense soil	1~20	More than 260
$S_{3}$	Shallow and soft soil	1~20	Less than 260
$S_{4}$	Deep and dense soil	More than 20	More than 180
$S_{5}$	Deep and soft soil	More than 20	Less than 180
$S_{6}$	Grounds requiring site-specific characteristic evaluation and ground response analysis

가정된 연암의 전단파속도 760 m/s를 이용하여 연암의 동전단상수와 동탄성계수는 식 (1)과 식 (2)로 산정할 수 있다.

(1)

G_{d} = ρ \times {V_{S}}^{2} (ρ = γ / g)

(2)

E_{d} = 2 G_{d} \times (1 + ν_{d})

여기서, $G_{d}$ : 동전단상수(kN/m²)

$ρ$ : 밀도(kN/m³)

$V_{S}$ : 전단파속도(m/s)

$γ$ : 단위중량(kN/m³)

$g$ : 중력가속도(m/s²)

$E_{d}$ : 동탄성계수(kN/m²)

$ν_{d}$ : 동포아송비

계산결과 Table 7과 같이 정리할 수 있다.

Table 7.

Dynamic parameter of soft rock

Rock type	Shear wave velocity (m/sec)	Dynamic shear modulus (kN/m²)	Dynamic elastic modulus (kN/m²)	Dynamic poisson’s ratio
Soft rock	760	1,240,000	3,372,000	0.36

3차원 수치해석 모델링

재암천굴의 기하학적 형상, 불연속체 특성을 반영하고, 차량진동하중에 의한 안정성을 평가하기 위하여 3차원 수치해석을 실시하였다. 본 연구에 이용된 프로그램은 천연동굴의 형상, 지반의 연속체 및 불연속체 모델링, 차량속도를 고려한 차량진동하중 모델링이 가능한 Plaxis3D(Bentley Systems International Ltd., 2021)이다.

수치해석방법

이 연구에서는 Table 8과 같이 차량속도와 토피고를 변화하면서 수치해석을 실시하였으며, 적용된 수치해석 경우의 수는 Table 8과 같다. 현재 도로중앙(No.30, No.35)에서의 토피고는 3.8 m이며, 토피고 3.8 m에 대한 차량속도(40 km, 60 km, 80 km)에 따른 안정성 검토를 실시하였다. 또한 토피고를 3.0 m, 2.0 m, 1.0 m로 변화시켜가면서 차량속도(40 km, 60 km, 80 km)에 따라 지반거동이 어떻게 변화되는지를 파악하기 위해 추가적으로 안정성 검토를 실시하였으며, 총 12개의 수치해석을 수행하였다.

Table 8.

Cases of numerical analysis

Number	Vehicle speed (km/hr)	Depth of cover (m)	File name	Remarks
1 2 3 4	40	3.8 3.0 2.0 1.0	40 km_3.8 m 40 km_3.0 m 40 km_2.0 m 40 km_1.0 m	Current state
5 6 7 8	60	3.8 3.0 2.0 1.0	60 km_3.8 m 60 km_3.0 m 60 km_2.0 m 60 km_1.0 m	Current state
9 10 11 12	80	3.8 3.0 2.0 1.0	80 km_3.8 m 80 km_3.0 m 80 km_2.0 m 80 km_1.0 m	Current state

본 연구에 이용된 유한요소망은 토피고 높이별로 차등 생성하였다. Fig. 4는 토피고에 따른 유한요소망이다.

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Fig. 4.

Finite element mesh by depth of cover.

본 연구에서는 제주천연동굴의 문화재적 가치의 특성상 지반조사의 한계가 내포되어 있기 때문에 참고값을 사용하여 수치해석을 진행한 한계점이 있다. 또한 동일한 이유로 초기응력 생성 시 암반의 지질구조적 특성을 고려한 $K_{0}$ (측압계수)의 적용이 어려운 한계점이 있기 때문에 초기응력 자동 생성 방식을 적용하여 수치해석을 진행하였다. 향후 연구에서는 초기응력 산정에 대한 부분을 다양한 방식으로 적용하여 진행할 예정이다.

3차원 유한요소망에서 변위경계조건은 X방향 및 Y방향 좌우연직면은 수평변위를 구속하였고, Z방향 최저면은 연직변위를 구속하였다. 지반과 같은 무한한 매질을 모델링시 정해석에서는 충분히 멀게 경계를 잡으면 되지만 동해석에서는 일반적인 경계를 잡을 경우 파가 반사되는 효과가 생기기 때문에 큰 오차가 유발될 수 있다. 따라서 차량진동하중에 의해 반사파가 발생하지 않기 위해 X방향 및 Y방향 좌우연직면과 Z방향 바닥면에 동적경계조건(Dynamic Boundary condition)을 설정해야 한다. Plaxis(Bentley Systems International Ltd., 2021)에서는 Dynamic Boundary condition옵션은 점성경계조건(viscous), 반무한경계조건(compliant base), 자유장경계조건(free field), 자유도결합경계조건(tied degrees of freedom)(2D only)이 있다. 이중에서 X방향 및 Y방향 연직면에는 free field Boundary를, Z방향인 바닥면에는 compliant base Boundary를 적용하였다.

3차원 수치해석은 Table 9와 Fig. 5와 같이 3단계로 수행되었다. 1단계에서는 초기응력을 생성시켰으며, 2단계에서는 현장 상황을 재현하기 위하여 동굴을 형상화한 공동을 만들었다. 마지막 3단계에서는 차량 진동하중을 재하하는 방식의 해석을 수행하였다. Fig. 5c 좌측 상단에서 차량진동하중이 모델링된 것을 보여주고 있다.

Table 9.

Stages of numerical analysis

Stage name	Stage explanation	Remarks
Initial phase	Generation of initial stress	Used the $K_{0}$ -procedure
Phase_1	Generation of lava cave	Simulation of excavation
Phase_2	Loading of vehicle vibration	Considered vehicle speed Displacement reset procedure

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Fig. 5.

Numerical analysis stages.

시간이력을 고려한 차량진동하중 모델링

재암천굴 상부도로를 통과하는 차량을 파악하기 위하여 직접 모니터링을 하였다. 모니터링에서 파악된 차량들은 승용차, 버스, 화물차 및 덤프트럭(DB-24)이며, 이중 하중이 가장 큰 차량은 덤프트럭(DB-24)이다. 따라서 수치해석 시 가장 큰 하중을 갖는 덤프트럭(DB-24)을 기준으로 차량규모를 적용하였다. DB-24의 등분포하중은 13.0 kN/m²이며, 13.0 kN/m²의 등분포하중을 40 km/hr, 60 km/hr 및 80 km/hr의 이동속도로 도로를 따라 운행하는 활하중으로 재하하였다.

Fig. 6은 본 해석에 이용된 3차원 유한요소망과 차량하중 모델링을 보여주고 있다. 차량하중은 면하중(Surface load)으로 적용하였다. 면은 총 60개의 면으로 구성하였으며, 시간이력을 고려하여 일정 시간에만 하중이 활성화되고 그 외 시간에는 하중은 비활성화 되도록 모델링하였다. 즉, 1번째 면하중(차량하중)은 해석과 동시에 잠시 활성화 되고 그 이후에는 비활성화 된다. 2번째 면하중은 1번째 면하중 비활성화후 잠시 활성화되었다가 그 이후에는 비활성화된다. 즉, n번째 면하중은 (n-1)번째 면하중이 비활성화된 후 잠시 활성화 되고 그 이후에는 비활성화 된다. 이렇게 함으로써 차량하중을 시간이력으로 모델링하는 것이 가능하며, 차량속도를 고려할 수 있다.

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Fig. 6.

Loading of vehicle vibration modeling considering time history.

차량진동하중에 의한 거동특성평가

도로부 변형특성 분석

차량진동하중에 의하여 도로부의 변형과 거동을 예상할 수 있다. Fig. 7은 차량진동하중에 의한 재암천굴 교차구간에서의 도로부 변형(연직침하)특성이다. 자동차 도로의 허용연직침하 관리기준이 100 mm라고 할 때, 차량진동하중에 의한 도로의 연직침하는 분석조건의 전체 토피고 상에서 최대 0.616 mm으로 매우 안정한 상태를 보이고 있다. 그러나 토피고가 1.0 m일 경우에는 연직침하량이 상대적으로 크고 차량진동하중 후에 발생하는 소성변형이 급증하여 도로 포장체 균열을 예상할 수 있었다.

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Fig. 7.

Deformation characteristics of the road part around the natural cave existing under the road.

동굴 안정성 확보를 위한 최소 허용진동기준

동굴 안정성 확보를 위하여 국가에서 제시하는 허용진동기준을 검토하였다. Fig. 8은 문화재 및 주거지에 대한 국내 허용진동기준을 요약한 값을 보여주고 있다. 문화재에 대한 허용진동기준은 대부분 0.2 cm/sec을 적용하고 있다. 반면, 환경부(Ministry of Environment, 2002)의 중앙환경분쟁조정위원회에서 제시한 문화재에 대한 허용진동기준은 충격진동일때에는 0.2 cm/sec이며, 연속진동일때에는 0.07 cm/sec으로 제안하고 있다. 여기서 충격진동은 화약을 써서 발파작업을 하는 경우의 진동을 의미하고, 연속진동은 항타기, 항발기, 파쇄기, 브레이커, 착암기, 백호, 도저, 굴착기 등을 사용하여 작업을 하는 경우의 진동이라고 규정되어있다. 그리고 연속진동 허용치는 충격진동 허용치의 1/3을 적용하라고 제안하고 있다. 따라서 환경부에서 제시한 기준을 참고하여, 재암천굴 상부 도로에서 발생하는 지속적인 차량진동하중은 연속진동에 해당하고 자연동굴에 대해서는 문화재의 기준에 해당하는 0.07 cm/sec으로 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

Analysis of allowable vibration Korean standards.

차량진동하중에 의한 진동크기 분석

차량진동하중에 의해 재암천굴 상부 지반에 발생될 수 있는 진동의 크기를 수치해석 기법으로 분석하였다. Fig. 9는 토피고별/차량속도별 차량진동하중에 의한 시간에 따른 재암천굴에서 진동크기이다. 수치해석 결과, 차량진동하중이 천연동굴에 도달하기 전에는 재암천굴 내 진동은 거의 발생하지 않고 있으나, 차량하중이 천연동굴 상부에 도달할 경우 진동크기가 급증하고 있어 재암천굴이 차량진동하중에 직접적으로 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 차량진동하중에 의해 유발된 천연동굴내 진동크기는 차량속도가 증가할수록, 토피고가 얇은수록 지반내 진동크기는 증가하고 있음을 알 수 있다.

토피고가 3.8 m이고 차량속도가 80 km, 60 km, 40 km일 때, 지반내 최대진동크기는 0.045 cm/sec, 0.035 cm/sec, 0.023 cm/sec이며, 토피고가 3.0 m이고 차량속도가 80 km, 60 km, 40 km일 때는 지반 내 최대진동크기가 0.056 cm/sec, 0.041 cm/sec, 0.027 cm/sec으로 나타났다. 토피고가 2.0 m이고 차량속도가 80 km, 60 km, 40 km일 때 지반내 최대진동크기는 0.090 sec, 0.072 cm/sec, 0.045 cm/sec으로 나타났으며, 토피고가 1.0 m이고 차량속도가 80 km, 60 km, 40 km일 때는 지반 내 최대진동크기가 0.464 cm/sec, 0.421 cm/sec, 0.223 cm/sec으로 나타난 것으로 평가되었다.

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Fig. 9.

Vibration magnitude according to time by the depth of cover considering vehicle loading.

즉, 천연동굴 내에서 발생하는 진동크기는 토피고와 차량의 하중 및 속도에 영향을 받고 있는 것으로 확인되었다. 현재 상태에서는 토피고의 상황을 잘 판단하고 이에 따른 대책 방안을 마련하는 것이 적절하다고 판단된다.

Fig. 10은 토피고(3.8 m, 3.0 m, 2.0 m, 1.0 m)별 차량이동속도(40 km/hr, 60 km/hr, 80 km/hr)에 따른 지반내 진동속도를 보여주고 있다. 검토결과 토피고가 얇을수록, 차량이동속도가 빠를수록 차량하중에 의한 지반내 진동속도는 증가하고 있음을 알 수 있다. 토피고가 3.0 m이내 일 경우 진동속도(최대 0.056 cm/sec)는 허용진동속도(0.07 cm/sec)보다 작아 안정한 것으로 평가되었으나, 진동속도는 허용진동속도에 거의 근접하여 체계적인 관리가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 토피고가 2.0 m 이내이면서 차량이동속도가 60.0 km/hr를 초과할 경우 진동속도가 0.072~0.09 cm/sec이며, 토피고가 1.0 m이내 일 경우 진동속도가 0.223~0.421 cm/sec로 평가되었고 이는 허용진동속도(0.07 cm/sec)보다 커 불안정한 것으로 평가되었다.

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Fig. 10.

Vibration velocity according to vehicle moving velocity by the depth of cover.

해석결과를 종합해 보면, 토피고가 3.0 m 이내인 천연동굴의 경우, 체계적인 계측관리 및 안정관리가 요구된다고 할 수 있다. 특히, 2.0 m에서 3.0 m 내의 토피고를 가지고 있는 천연동굴의 경우, 정밀한 현장조사와 안정검토를 수행한 후 적절한 보강대책이 필요하다고 판단된다. 만약에 토피고가 2.0 m 미만일 경우에는 즉각적인 보강대책이 요구되는 현장이라 할 수 있다.

결 론

본 연구에서는 차량진동하중이 천연동굴에 미치는 영향에 대하여 수치해석적 분석과 검토를 실시하였다. 도로하중과 동굴의 안정성 평가를 위해 불연속면을 고려한 3차원 수치해석을 실시하였다. 연구 결과, 차량속도, 토피고에 따른 도로와 재암천굴의 안정성을 평가하였으며, 해석결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 제주천연동굴의 안정성 검토를 위하여 시간이력을 고려한 차량진동하중 특성을 모델링하고 60개 단계별로 시간이력에 대하여 하중의 활성화 조건을 고려한 수치해석을 실시하였다.

(2) 도로와 재암천굴 교차구간에서 차량진동하중에 의한 도로부 연직침하는 분석조건 하에서 최대 0.616 mm (허용침하 100 mm)으로 매우 안정한 상태를 보이지만, 소성변형이 크게 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 이로 인해 도로 포장체의 균열, 차량주행성 감소가 예상되므로 도로-천연동굴 교차구간에 대한 도로포장관리방안 수립이 필요한 것으로 판단된다.

(3) 도로 및 제주천연동굴 안정성 확보를 위한 최소 허용진동기준 산정결과, 도로에서 발생하는 지속적인 차량진동하중은 연속진동에 해당되고 제주천연동굴에 대해서는 문화재의 기준에 해당하는 0.07 kine (또는 0.07 cm/sec)으로 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

(4) 차량하중에 의한 진동크기 분석결과 토피고가 작을수록, 차량속도가 빠를수록 천연동굴 내에서의 진동크기는 크게 나타나는 것으로 분석되었다.

(5) 도로와 교차하는 제주천연동굴의 장기안정성 확보를 위해, 토피고에 따라 안전관리를 위하여 장기계측관리, 보강대책, 응급대책 등 체계적인 관리가 필요할 것으로 생각된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국건설기술연구원 임무형 주요사업(도로 안전운영을 위한 제주형 지반함몰 대응체계 개발(2/3), 20210193-001)의 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

References

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The Journal of Engineering Geology ISSN:1226-5268(Print) 2287-7169(Online) 지질공학

Preview

Numerical Analysis Study for Behavioral Characteristics Analysis of Jeju Natural Caves (Jaeamcheon Lava Tube) That Intersect with Roads

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Status of Jaeamcheon-gul cave and upper road.

Fig. 2.

Cross-section of Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015).

Table 1.

Change of depth of cover of Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015)

Fig. 3.

Geological characteristics by borehole investigation near Jaeamcheon-gul cave (Jeju-city, 2015).

Table 2.

Soil and rock parameters (Jeju-city, 2015)

Table 3.

Characteristics of discontinuities (Jeju-city, 2015)

Table 4.

Cases of shear strength application of discontinuities in Jeju area (SAJWTH, 2020)

Table 5.

Classification of the ground (MCT, 1997)

Table 6.

KDS 17 10 00 : General seismic design (KCSC, 2018)

(1)

(2)

Table 7.

Dynamic parameter of soft rock

Table 8.

Cases of numerical analysis

Fig. 4.

Finite element mesh by depth of cover.

Table 9.

Stages of numerical analysis

Fig. 5.

Numerical analysis stages.

Fig. 6.

Loading of vehicle vibration modeling considering time history.

Fig. 7.

Deformation characteristics of the road part around the natural cave existing under the road.

Fig. 8.

Analysis of allowable vibration Korean standards.

Fig. 9.

Vibration magnitude according to time by the depth of cover considering vehicle loading.

Fig. 10.

Vibration velocity according to vehicle moving velocity by the depth of cover.

Acknowledgements

References