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문제 정의
- 이때 강화노반의 시공두께는 보조도상층이 20cm, 입도조정층이 60cm이다. 본 동적 모형토조시험에서는 앞서 언급하였듯이 입도조정층의 두께를 25, 45, 55cm 정도로 변화시켜가며 침하 및 토압특성을 분석하여 지오셀 층의 지지력 개선 효과 및 강화노반 절감효과를 평가하고자 하였다. 그림 9에서는 동적 모형실험결과로 부터 입도조정층 두께별 반복재하에 따른 경계층별 침하량 및 총 침하량 관계곡선을 보여준다 그림 9에서 보듯이 각 경계면에서의 침하 특성은 반복재하 20,000 회까지는 침하량이 급격히 증가하다가 그 이후에는 일정해지는 경향을 보인다.
- 본 연구에서는 개량 · 미개량 연약지반에서 수행된 다양한 형태의 평판재하시험 및 동적 모형토조시험 결과를 토대로 지오셀 시스템의 속채움 종류 및 지오셀 층수 복토층 두께, 원지반 강성도의 변화 등에 따른 보강효과 등을 규명해 보고, 이를 양질의 성토재로 치환된 지반과 비교해 봄으로써 고속철도 노반재로서 지오셀 시스템의 적합성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 연약지반 구간 위를 통과하는 고속철도의 노반을 강화할 수 있는 지오셀 층에 대해 다양한 형태의 평판재하시험과 동적 모형토조시험을 수행하여 속채움종류 및 지오셀 층수, 복토층 두께, 원지반 강성도의 변화에 따른 보강효과 등을 규명하였으며, 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 고속철도 노반재로서 지오셀 층의 적합성을 평가해보기 위해 영종도 국제신공항 부지(현장 A, B, C)와 안산 신도시 부지내 연약지반(D 현장) 4곳에서 다양한 형태의 평판재하시험을 수행하여 지오셀 시스템의 지반 보강효과를 분석하였다. 시험대상 현장은 그림 1에서 보듯이 3m~10m 깊이의 연약 실트 · 점토층(N값: 2~9)이 존재하고 있으며, 현장함수비는 34.
- 고속철도와 같은 동적하중 작용시 지오셀 시스템의 지지력 개선효과와 강화노반 절감효과를 평가하고자 동적 모형토조시험이 수행되었다. 시험에 사용된 Instron사의 UTM장비의 정적하중용량은 50ton, 동적하중용량은 25ton, 최대하중재하 진동수는 500Hz이다.
- 실험은 지오셀 보강층 상부 강화노반의 입도조정층의 두께를 25cm, 45cm, 55cm로 변화시켜 가며 수행하였다. 표 1 및 그림 3에서는 동적 모형토조시험의 내용과 실험단면도를 보여준다.
- 한편, 현장 평판재하시험에서는 지오셀내 채움재의 종류(쇄석, 화강풍화토) 및 지오셀 층수(1층 2층), 복토층 두께(10, 20, 30, 40cm) 변화에 따른 보강효과를 비보강의 경우와 비교하여 분석하였다. 표 1에서는 수행한 평판재하시험의 종류 및 내용을 보여주며, 그림 2에서는 평가항목별 지오셀 및 흙성토 포설 단면도를 보여준다.
대상 데이터
- 동적 모형시험에 사용한 점토시료는 2장에서 기술한 현장시험부지에서 채취한 점토질 흙으로 현장함수비와 현장밀도로 다짐성형되었다. 지오셀내의 채움재로는 고속철도 강화노반용 골재(최대입경 125mm)를 사용하였다.
- 고속철도 노반재로서 지오셀 층의 적합성을 평가해보기 위해 영종도 국제신공항 부지(현장 A, B, C)와 안산 신도시 부지내 연약지반(D 현장) 4곳에서 다양한 형태의 평판재하시험을 수행하여 지오셀 시스템의 지반 보강효과를 분석하였다. 시험대상 현장은 그림 1에서 보듯이 3m~10m 깊이의 연약 실트 · 점토층(N값: 2~9)이 존재하고 있으며, 현장함수비는 34.9%~38.7%, 현 장베인시험 결과는 0.06~0.13kg/cm2 범위로 나타났다. 또한, 연약지반 개량지반인 A 현장은 '93년도까지 1년 6개월 동안 1.
- 고속철도와 같은 동적하중 작용시 지오셀 시스템의 지지력 개선효과와 강화노반 절감효과를 평가하고자 동적 모형토조시험이 수행되었다. 시험에 사용된 Instron사의 UTM장비의 정적하중용량은 50ton, 동적하중용량은 25ton, 최대하중재하 진동수는 500Hz이다. 동적 모형토조시험은 한국형 고속전철모델을 고려하여 재하하중의 경우 4.
- 동적 모형시험에 사용한 점토시료는 2장에서 기술한 현장시험부지에서 채취한 점토질 흙으로 현장함수비와 현장밀도로 다짐성형되었다. 지오셀내의 채움재로는 고속철도 강화노반용 골재(최대입경 125mm)를 사용하였다. 지오셀은 Presto사의 표준형 모델인 GW 8298(244 × 609 × 20.
- 지오셀내의 채움재로는 고속철도 강화노반용 골재(최대입경 125mm)를 사용하였다. 지오셀은 Presto사의 표준형 모델인 GW 8298(244 × 609 × 20.3cm)을 사용하였으며, 지오셀 하부에는 골재와 연약지반의 혼합을 방지하기 위해 부직포 인장강도 2.3t/m, 중량 300g/m2, 신율 50%, 두께 2.5mm의 부직포를 포설하였다.
- 표 1에서는 수행한 평판재하시험의 종류 및 내용을 보여주며, 그림 2에서는 평가항목별 지오셀 및 흙성토 포설 단면도를 보여준다. 현장 평판재하시험시 사용된 채움재 및 복토재는 쇄석과 화강풍화토로서, 쇄석은 최대직경 20~60mm, 최대건조밀도 1.97 ~ 2.14g/cm3인 양입도자갈(GW)이며, 화강풍화토는 최대건조밀도 1.99~2.12g/cm3 인 양입도모래(SW)이었다. 현장에서 속채움재 및 복토재의 상대 다짐은 각각 90% 및 95% 이상으로 하였다.
- 현장에서 속채움재 및 복토재의 상대 다짐은 각각 90% 및 95% 이상으로 하였다. 현장에 사용된 지오셀은 Presto사의 제품인 지오웨브(Geoweb)의 표준형 모델인 GW 8298(폭 244cm × 길이 609cm ×높이 20.3cm)로서, 셀의 용접강도 204kg, 1매당 무게 52kg인 고밀도 폴리에텔렌 제품이다.
성능/효과
- (1) 지오셀 층의 다층효과는 상단 지오셀층의 하중분산 효과에 기인하여 화강풍화토에서 22%, 쇄석에서 20% 정도로 다층에 따른 지지력 개선이 상당히 작게 나타나, 경제적 측면에서 지오셀 1층 포설이 바람직할 것으로 판단된다.
- (2) 지오셀의 복토층 효과는 복토두께 5cm를 기준으로 지반반력계수(k30)의 경우, 10cm에서 17%, 20cm에서 19%, 30cm에서 30%, 40cm에서 72% 정도로 복토두께가 증가될수록 지지력 개선효과가 있으며, 고속철도시방상의 규정인 K30이 7kg/cm3 이상을 만족 못하는 지오셀 1층 포설 단면은 경제성을 고려하여 복토두께를 10cm로 하는 것이 바람직하다.
- (3) 지오셀의 원지반 강성도 효과는 지오셀의 하중분산 효과에 의해서 실제 원지반이 받아야 할 하중이 급격히 작아짐으로써 원지반이 연약할수록 그 개선효과가 두드러져 원지반 강성도가 작을수록 지지력 보강효과가 큰 것으로 평가되었다.
- (4) 지오셀 층은 화강풍화토 치환지반과 비교하여 복토 두께 10cm, 지오셀 1층 포설의 경우 비보강 치환두께 75cm 정도의 동일한 지지력 특성을 보여 화강풍화토 지반의 60% 성토량 절감효과가 있는 것으로 평가되었다.
- (5) 동적 모형토조시험결과, 입도조정층의 두께변화별 연약지반상 지오셀 층의 침하량은 28.39mm 정도로 양질의 원지반에 구축된 쇄석강화노반 80cm 보다 더 효과적인 것으로 평가되었으며, 입도조정층 25cm 지오셀 실험단면의 경우 양질의 화강암질 풍화토 지반, 입도조정층 두께 60cm의 실험단면과 비교해 볼 때 강화 노반 절감효과가 35cm 정도 있는 것으로 평가되었다.
- B 현장에서 속채움재 화강 풍화토, 복토두께 10cm, 지오셀 1층 포설 단면은 지반반력계수, K30에 의한 그림 8의 비보강 치환지반 단면과 비교하여 비보강 치환두께 75cm에 해당하는 것으로 나타나, 각각 45cm (60%)의 성토량 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 지오셀 시스템의 성토단면의 절감효과는 연약지반상 고속철도 성토체의 자중감소에 따른 역학적 안정과 시공규모 및 시공기간 단축 등에도 큰 기여가 기대된다.
- 그림 5에서는 A 및 B 현장의 평판재하시험에 의한 복토두께별 하중강도-침하량 관계곡선을 나타낸다. 그림 5에서 보듯이 지오셀 복합지반은 지반개량 정도에 상관없이 전술한 속채움 종류 및 다층효과의 재하실험 결과와 유사하게 극한 지지력이 뚜렷이 관찰되지 않았으며 하중강도가 증가할수록 침하도 비례적으로 증가 하였다.
- 또한, 그림 6에서는 원지반 강성도 차에 따른 항목별 Kcell/K30(지오 셀의 지반반력계수/원지반 지반반력계수) 관계 곡선을 보여준다. 그림 6에서 보듯이 지오셀 시스템의 지지력 개선정도를 지반반력계수비(kcell/K30)를 이용하여 비교해 보면, 항목별로 A 현장의 경우 속채움 종류 및 다층 효과에서 181~271%, 복토층 효과에서 257~424%로, B 현장의 경우 속채움 종류 및 다층효과에서 232~ 335%, 복토층 효과에서 253~376% 정도로 나타나 대체적으로 원지반 강성도가 작을수록 지지력 보강효과가 큰 것으로 평가되었다. 이러한 지반 강성도 차에 따른 지지력 개선효과의 차이는 지오셀의 하중분산효과에 의해서 실제 원지반이 받아야할 하중이 급격히 작아짐으로써 원지반이 연약할수록 그 개선효과가 두드러지기 때문인 것으로 사료된다.
- 이때 지반반력계수(k30) 및 변형계수(Ev1)의 증가율 차이는 계산시 고려되는 침하량 범위의 차에 기인한다. 따라서 지오셀 다층효과는 재하된 외력이나 상재 하중이 지오셀 다층 포설지반의 최상단층에서 충분히 분산되어 다음층이 분담해야 할 하중이 급격히 작아짐으로써 발생되는 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은 입도조정층의 두께 변화에 관계없이 모든 동적 모형토조실험 결과에서 보여지며, 그 원인은 반복재하 20,000 회에서 반복재하에 의한 각층 특히 도상층의 파쇄 및 입자배열에 의한 영향이 거의 사라지기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 각 경계층별 침하량 및 총 침하량은 그림 9에서 보듯이 도상층(Ⅰ)의 경우 14.71~24.87mm로 51.8~88.8%, 강화노반층(Ⅱ)의 경우 0.68~9.77mm로 2.4~34.4%, 지오셀 및 원지반층(Ⅲ)의 경우 1.18~4.19mm로 5.7~14.9% 정도로 나타나, 반복재하에 따른 지오셀 보강지반의 침하는 도상층에서 대부분 발생되는 것으로 평가되었다. 이러한 도상층의 집중된 침하는 도상층의 하중분산효과에 기인한 하부층 발생 수직응력의 감소와동적하중 반복에 따른 도상층 입자의 마모 및 분쇄, 입자의 재배열에 따른 것으로 판단된다.
- 39mm 정도로 양질의 원지반에 구축된 쇄석강화노반 80cm 보다 더 효과적인 것으로 평가되었다. 또한, 입도조정층 두께 25cm 지오셀 실험단면은 비슷한 침하량을 보이는 양질의 화강암질 풍화토 지반, 입도조정층 두께 60cm의 실험단면과 비교해 볼 때 강화노반 절감효과가 35cm 정도있는 것으로 평가되었다. 그러나 지오셀 시스템의 강화노반 저감 효과를 규명하기 위해서는 앞으로 추후 동적하중에 대한 다양한 연구가 더욱 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 지오셀 층의 복토층 두께에 의한 지지력 개선 효과는 복토두께가 증가될수록 지지력 개선이 뚜렷하게 증가되는 경향을 나타낸다. 예로써, 복토층에 의한 지지력 개선 효과는 A 현장의 복토두께 5cm를 기준한 지반반력 계수(k30)의 경우, 10cm에서 17%, 20cm에서 19%, 30cm에서 30%, 40cm에서 72% 정도로, 변형계수(Ev1)의 경우, 10cm에서 36%, 20cm에서 43%, 30cm에서 103%, 40cm에서 141% 정도의 지지력 개선효과가 있는 것으로 평가되었다.
- 이상과 같은 지오셀 층의 속채움 종류 및 다층효과를 고려해 볼 때 지오셀을 이용한 고속철도의 노반 시스템은 지반반력계수 K30이 7kg/cm3인 것만을 고려하면 속 채움재 화강풍화토 포설층수 2층으로 하는 것이 바람직하나, 지오셀의 다층에 따른 변형계수(Ev1)의 미미한 차이를 고려할 경우 속채움재 화강풍화토 포설층수 1층 등 모든 실험대상 단면이 가능할 것으로 판단된다.
- 지오셀 층의 복토층 두께에 의한 지지력 개선 효과는 복토두께가 증가될수록 지지력 개선이 뚜렷하게 증가되는 경향을 나타낸다. 예로써, 복토층에 의한 지지력 개선 효과는 A 현장의 복토두께 5cm를 기준한 지반반력 계수(k30)의 경우, 10cm에서 17%, 20cm에서 19%, 30cm에서 30%, 40cm에서 72% 정도로, 변형계수(Ev1)의 경우, 10cm에서 36%, 20cm에서 43%, 30cm에서 103%, 40cm에서 141% 정도의 지지력 개선효과가 있는 것으로 평가되었다.
- )값을 나타낸다. 표 3에서 보듯이 지오셀 시스템의 다층에 의한 지지력 개선 효과는 지반반력계수(k30)의 경우 화강토에서 22%, 쇄석에서 20%로 반면에 변형계수(Ev1)의 경우 화강토에서 13%, 쇄석에서 3%로 상당히 작게 평가되었다. 이때 지반반력계수(k30) 및 변형계수(Ev1)의 증가율 차이는 계산시 고려되는 침하량 범위의 차에 기인한다.
후속연구
- 그 동안 지오셀 층의 효과를 평가하기 위한 연구가 제한적으로 수행되어 왔으나(Bathurst와 Jarrett, 1988 ; Bush et al. 1990 ; Cowland Wong, 1993 ; Madhavi Latha et al., 1999), 지오셀 층의 효과를 명확히 규명하기 위해서는 보다 다양한 기초지반 및 채움재의 종류, 작용하중의 크기, 부직포의 포설 유무 등을 고려한 폭넓은 연구가 필요하다.
- 또한, 입도조정층 두께 25cm 지오셀 실험단면은 비슷한 침하량을 보이는 양질의 화강암질 풍화토 지반, 입도조정층 두께 60cm의 실험단면과 비교해 볼 때 강화노반 절감효과가 35cm 정도있는 것으로 평가되었다. 그러나 지오셀 시스템의 강화노반 저감 효과를 규명하기 위해서는 앞으로 추후 동적하중에 대한 다양한 연구가 더욱 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 에 의한 그림 8의 비보강 치환지반 단면과 비교하여 비보강 치환두께 75cm에 해당하는 것으로 나타나, 각각 45cm (60%)의 성토량 절감효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 이러한 지오셀 시스템의 성토단면의 절감효과는 연약지반상 고속철도 성토체의 자중감소에 따른 역학적 안정과 시공규모 및 시공기간 단축 등에도 큰 기여가 기대된다.
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