Uplift Bearing Capacity and Failure Mechanism of Spread Foundations in Sand

Abstract

The shallow foundation supporting the transmission tower is subjected to uplift load due to wind load and breakage of the transmission line. Power transmission towers are mainly installed in mountainous areas, and shallow foundations are mainly applied in consideration of accessibility and construction. In addition, since the uplift resistance because the shallow spread foundation's margin of safety against uplift loads is much smaller than that against compression, research for estimation of accurate uplift resistance is important. Therefore, in this study, various centrifugal model experiments and symbolic regression analysis using machine learning techniques were performed to analyze the uplift behavior and uplift failure mechanisms of the foundation embedded in the sand. In consideration of the realistic conditions, the experimental models target an individual shallow spread foundation of the tower legs, which is installed in sand. Tests of the full model in centrifuge were conducted under various conditions with the different sizes of the foundation and soil density. The ultimate state is reached even with a relatively small uplift displacement, and the load softening behavior is occurred after the peak load. In addition, scale effect on the uplift bearing capacity and peak displacement was confirmed according to the size of the foundation. The uplift bearing capacity became large as the embedment depth ratio and soil density increased. The vertical displacement of the ground surface due to uplift was measured and analyzed. The influence zone was proposed using the internal friction angle of the soil. In order to analyze the characteristics of the uplift behavior, half-cut model tests in centrifuge were performed to analyze the failure mechanism inside the ground. Compared to the vertical displacement of the ground surface of the half-cut foundation model with the full one, it was determined that the two experiments had the same uplift behavior. Using the PIV technique, the failure surface was analyzed in consideration of the mobilization of the vertical displacement in the ground due to uplifting the foundation. The bilinear failure surfaces were proposed by adopting the symbolic regression analysis using the machine learning technique based on the internal friction angle of soil and the foundation size ground. Finally, a semi-analytical solution for calculating uplift bearing capacity was proposed based on the limit equilibrium method and Coulombs theory. The proposed solutions adopted a slice method to estimate the shear resistance along the failure surface. The suggested solution was verified with the current centrifuge test results and previously published test results. The uplift bearing capacity was well predicted considering the foundation size and soil density. It is believed that it will be used for the preliminary design of the uplift bearing capacity proposed through the results of this study.

송전 철탑을 지지하는 얕은 확대기초는 풍하중, 송전선의 단선 등의 이유로 인발하중을 받게 된다. 그리고 얕은기초의 인발지지력은 압축지지력에 비해 안전율의 여유가 크지 않으므로, 정확한 인발지지력 산정을 위한 연구가 중요하다. 그러므로, 본 연구에서는 다양한 정적 원심모형실험과 머신 러닝 기법을 이용한 기호 회기 분석을 수행하여 모래지반에 설치된 기초의 인발거동 및 인발파괴 메커니즘을 분석하였다. 국내의 송전 철탑은 주로 산지에 설치되고 접근성 및 시공성을 고려하여 얕은기초가 주로 적용되고 있다. 실제 시공조건을 고려하여 수평 모래지반에 얕게 근입된 기초조건에 대해 연구하였다. 기초 크기, 지반의 밀도 등을 변화시키며 다양한 조건의 전단면 기초를 이용한 원심모형실험을 수행하였다. 실험결과 기초가 인발하중을 받으면, 극한하중에 상대적으로 작은 인발변위에도 극한하중에 도달하게 되며, 극한하중 이후에 하중연화 거동을 보인다. 또한 기초의 크기에 따라서 지지력 및 인발변위가 크기효과를 받는 것을 확인하였으며, 근입비 및 지반밀도가 증가함에 따라서 인발지지력이 증가하였다. 인발에 따른 지표면 상승변위를 측정하여 분석하고 지반 내부마찰각을 이용하여 영향범위를 제안하였다. 이러한 인발지지 거동 특성을 분석하기 위하여, 반단면 조건의 원심모형실험을 수행하여 지반 내부의 파괴 메커니즘을 분석하였다. 반단면 기초의 지표면과 전단면 기초의 상승변위와 비교하여 두 실험조건이 동일한 인발거동을 갖는다고 판단하였다. PIV기법을 이용하여 기초 인발에 따른 지반의 전단 변형률 발현을 고려하여 지반의 파괴면을 분석하고, 두 직선형태의 파괴면을 제안하였다. 머신러닝 기법을 이용한 기호회기 분석법을 이용하여 기초 크기 지반 내부마찰각에 따른 파괴면을 제안하였다. 최종적으로, 전단면 및 반단면 원심모형실험 결과로부터 한계 평형 해석법을 적용한 인발지지력 산정식을 제안하였다. 파괴면에 작용하는 전단력은 절편법을 이용하여 산정하였다. 제안된 이론식은 본 연구에서 수행한 원심모형실험과 다른 연구자들에 의해 수행된 인발실험 결과를 이용하여 비교 검증하였다. 비교결과 기초 크기 및 지반 강도를 잘 반영하여, 지지력 잘 예측을 하는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 통해 제안된 얕은기초의 인발지지력 산정식으로 기초의 인발하중지지 설계에 참고자료로서 이용될 것으로 판단된다.