Pulse discharge technology (PDT) is an innovative construction method used to enhance the bearing capacity of piles and the resisting capacity of anchors by underreaming using a high-pressure shockwave induced by an underwater electric discharge. In spite of its effectiveness, the use of PDT has not been welcomed in field works due to the lack of practical design method, and consequently, the use of PDT in the geotechnical construction has been still based on case-by-case field experiments. This is caused by the difficulties arising from the fact that PDT involves several distinctive physical phenomena at each phase: underwater electric discharge and shockwave development, soil deformation by shockwave, and bearing or uplift behavior of the underreamed anchor or piles. Even though each of the above topics has been widely studied in the literature, there have been few analytical attempts to combine them because it is hard to analyze overall phenomena consistently.
This study aims at numerically analyzing the uplift behavior of a grout anchor underreamed by PDT, and in this dissertation, a practical way of finite element modeling was proposed on the basis of fluid-structure interaction simulation for describing underreaming by shockwave developed in fluid and pull-out analysis of underreamed anchor taking into account the soil condition after treatment of PDT. The underwater electric discharge and shockwave generation by PDT was equivalently modeled using the underwater explosion (UNDEX) model, i.e. similitude relation, and appropriate UNDEX parameters were determined by benchmarking the waveforms of PDT-induced shockwaves reported in the literature with correlating the electric characteristics during pulse discharge tests. Using the UNDEX model, acoustic-structural medium analyses were then conducted to examine amount of underreaming in sandy and clayey soils of which mechanical behavior was demonstrated on the basis of a simple constitutive model and soil parameters deduced from empirical correlation with blow counts of standard penetration test (SPT). The uplift analysis in this study was performed based on the static simulation of the pull-out behavior of an anchor incorporating the expansion analysis results including deformation and stresses state of the soil, and simplified modeling of compression grout anchor and soil-grout interaction.
The proposed modeling method was applied to simulate full-scale field tests, and favorable agreement was found compared to field test results in estimation of both the underreaming and the uplift capacity. Then a parametric study was conducted to investigate the resisting mechanism of PDT-anchor and the effect of soil properties and number of bulbs on the borehole expansion and uplift behavior. The numerical results obtained from this study indicated that the PDT-underreamed anchor has a mixed resisting mechanism: that is a nearly linear combination of shaft-resistance, and PDT’s effect including earth pressure resistance of soil above the bulb plus influence of increased confining pressure in surrounding soil. In addition, it was noted that the underreaming by PDT is more efficient in sandy soil than in clay soil and, application of PDT exhibited significant enhancement of the uplift capacity in loose to medium dry sandy soil while smaller increase of uplift capacity was predicted in dense sand. It was also found that the anchor with multi-bulbs provides considerably higher capacity than the anchor with single bulb if sufficient distance among the bulbs is ensured, because the narrow distance among the bulb appeared to reduce the earth pressure resistance of soil between the bulbs.
본 논문에서는 펄스 방전에 의해 구근이 형성된 앵커의 인발 거동 예측을 위한 유한 요소 모델링 방안을 제안하였다. 제안된 모델링 방안은 실제 펄스 방전 기술의 적용과 설계 관점에 부합하는 해석이 수행될 수 있도록 실용적인 측면에 초점을 두었으며, 크게 펄스 방전에 의한 충격파 발생, 충격파로 인한 시추공의 확공, 그리고 확공의 결과로 구근이 형성된 그라우트 앵커의 인발 거동에 대한 부분으로 나뉜다. 첫째, 시멘트 페이스트 내 충격파 발생을 음향 가정이 적용되는 수중 폭발 현상으로 가정함으로써 실제 펄스 방전에 의해 유발되는 전기 에너지와 폭약의 에너지 상관 관계 및 수중 폭발 이론의 유사관계식을 통해 충격파를 정량적으로 예측할 수 방안을 제안하였다. 다음으로, 펄스 방전에 의한 시추공 확공 거동을 이중점근근사법에 기초한 음향 매질-구조물 연동 해석 기법으로 모델링 하는 것을 통해 실제 수십 회의 펄스 방전에 의해 수행되는 시추공 확공 현상에 대한 시뮬레이션을 용이하게 하였다. 지반의 거동은 비배수 조건의 삼상 구조체를 가정하여 모델링 하였으며 이를 위해 지반을 크게 점성토와 사질토로 나누어 기본 지반 정수 및 표준관입시험치($N_F$)와의 경험적 상관관계를 바탕으로 재료 물성을 산정하였다. 마지막으로, 서로 다른 해석 간에 상호 결과를 초기 조건으로 반영할 수 있게 하는 수치 기법을 활용하여 펄스 방전으로 확공된 지반 조건을 고려한 구근형 앵커의 인발 거동을 모델링하였다.
제안된 모델링 방안의 적용성 검증을 위해 문헌에 보고된 현장 시험 사례에 대한 시뮬레이션을 수행하였고, 계측과 거의 유사한 확공 및 인발 저항력 예측을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 다양한 지반 조건에 대한 펄스 앵커의 인발 저항력 특성을 살펴보고자 매개 변수 해석을 수행하였다. 펄스 앵커의 인발 저항은 앵커 주면부에서의 마찰저항과 확공 및 주변 지반 다짐에 의한 지지력 증가분의 선형적인 합으로 표현될 수 있는 복합 저항 메커니즘을 갖고 있음을 알 수 있었다. 또한, 매개 변수 해석 결과로부터 펄스 방전 기술이 느슨 또는 중간 조밀함을 갖는 사질토 지반에서 조밀한 사질토 지반 보다 상대적으로 더 큰 인발 저항력 증가를 유발함을 알 수 있었고, 확공된 구근의 개수가 많을 수록 인발 저항력이 더 크게 산정됨을 확인하였다. 한편, 조밀한 사질토 지반에 설치된 다 구근 펄스 앵커의 경우, 구근 간 거리가 좁아질수록 구근 상부 지반의 지압 저항분이 감소하여 지지력이 충분히 유발되지 않음을 확인하였다.
