[논문]지오셀 보강 층수에 따른 얕은 기초의 지지력에 관한 연구

이경천; 백영식; 박영훈; 김낙영

문제 정의

본 연구에서는 지오셀 시스템 적용에 따른 얕은 기초의 지지력 분석을 위하여 모래시료의 공학적 특성을 판별하고, 지오셀 시스템 압축시험을 실시하여, 셀 수 변화에 따른 지오셀 자체의 하중전달 메카니즘을 분석하였다. 또한, 모형토조시험을 실시하여 지오셀 보강층수와 보강 면적에 따른 지지력 및 토압의 변화 양상과 매립된 지오셀의 거동 등을 실험적으로 분석하였으며, 유한요소 해석에 의하여 토조의 영향과 지반의 거동을 해석적으로 연구하였다.

가설 설정

보강띠 또는 토목섬유를 얕은기초 바닥에 평행하게 배치하여 실험한 여러 결과에서 모래지반의 지지력이 효과적으로 증가되며, Binquet와 Lee(1975), Fragaszy와 Lawton, Guido(1984)등에 의해서 설계방법이 적립되어, 파괴 메카니즘은 그림 3과 같이 가정되었으며, 보강재에 의해 보강지반의 지지력이 증가되는 것으로 가정하고 있다. 이러한 메카니즘은 실험에 의해 증명되었다.

제안 방법

본 연구는 지반 보강용 토목섬유인 지오셀 시스템 자체에 대하여 압축시험을 실시하여 지지력 메카니즘을 분석하고, 모형토조를 이용하여 다양한 실내 재하시험을 실시하였으며, 지오셀의 보강층수 및 보강면적 그리고 하중이 적용된 위치의 지오셀 형태에 따른 지지력 변화 양상을 정리하였다.
지오셀 시스템의 지반 보강효과를 분석하기 위하여 지오셀 시스템의 유·무 및 보강 층수, 보강 면적을 실험 변수로하여 적용 하중의 크기와 연직변위, 토압, 지오셀의 연직 및 수평변형률 변화 양상을 측정하였다.
지오셀의 하중 전달 메카니즘과 지오셀 시스템 자체의 내구력을 분석하기 위하여 모래 시료로 채워진 1셀 및 5셀 지오셀에 있어 그림 4와 같이 하중 재하판을 이용한 일축 압축 시험을 실시하였다.
한편, 일축압축강도 시험에 있어서 하중 변화에 따른 지오셀의 거동을 측정하기 위하여 처짐기와 변형율 게이지를 설치 및 부착하여 실험을 실시하였다.
지오셀 보강 효과와 지반내에서의 지오셀 시스템의 거동 특성을 분석하기 위하여 그림 7과 같이 모형토조에 정적 재하시험을 실시하였다. 실험에 사용된 모형토조의 크기는 200×200×200cm 이고, 모형토조의 규격 결정은 유한요소해석법에 의한 구조해석에 의해 재하판의 영향을 최소화하는 크기로 제작하였다.
지오셀 보강 층수에 따른 지반보강 효과를 분석하기 위하여 일층 및 이층 지오셀 보강 지지력시험을 수행하였으며, 보강면적에 대한 지오셀의 지반보강 효과를 분석하기 위하여 하중 재하판(30cm×30cm)에 대하여 지오셀 포설 면적을 90cm×90cm, 130cm×130cm, 200cm×200cm로 바꾸어 실험을 실시하였다. 그림 8은 일층 및 이층 지오셀 보강시험의 개요도이다.
지지력시험에 사용된 시료는 주문진 항오리 규사로서 공학적 특성을 분석하기 위하여 기본 물성시험을 실시하였다. 시료의 공학적 특성치는 표 2와 같다,
또한, 일반적으로 많이 사용하는 전동식 하부 가동형의 직접전단시험기를 사용하여 시료의 건조단위중량을 1.46g/cm³(D_r=19.3%)와 1.59g/cm³(D_r=94.7%)으로 나누어 0.8mm/min의 수평변위속도로 직접전단시험을 실시하였으며 시험 결과는 그림 9와 같다.
상대밀도 변화에 따른 순수 모래지반의 거동(무보강 지반)을 분석 하고자 모래지반 내에 토압계를 설치하여 하중 변화에 따른 토압변화 양상과 연직변위를 측정하였다.
본 연구에서는 지오셀 시스템 적용에 따른 얕은 기초의 지지력 분석을 위하여 모래시료의 공학적 특성을 판별하고, 지오셀 시스템 압축시험을 실시하여, 셀 수 변화에 따른 지오셀 자체의 하중전달 메카니즘을 분석하였다. 또한, 모형토조시험을 실시하여 지오셀 보강층수와 보강 면적에 따른 지지력 및 토압의 변화 양상과 매립된 지오셀의 거동 등을 실험적으로 분석하였으며, 유한요소 해석에 의하여 토조의 영향과 지반의 거동을 해석적으로 연구하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 지오셀은 20cm 높이의 제품으로써 일반적인 사양은 표 1과 같다.
지오셀 보강 효과와 지반내에서의 지오셀 시스템의 거동 특성을 분석하기 위하여 그림 7과 같이 모형토조에 정적 재하시험을 실시하였다. 실험에 사용된 모형토조의 크기는 200×200×200cm 이고, 모형토조의 규격 결정은 유한요소해석법에 의한 구조해석에 의해 재하판의 영향을 최소화하는 크기로 제작하였다. 실험에 사용된 로드셀은 30ton 용량을 사용하였으며, 깊이에 따른 연직토압을 측정하기 위하여 토압계를 설치하였다.
지오셀 보강면적을 하중재하판 면적의 약 45배인 200cm×200cm로 일층 보강하였을 경우는 4.2.1 보강 층수에 따른 지지력 시험의 (2) 일층보강 지오셀 지지력 실험의 결과를 활용하였다.

성능/효과

1셀 지오셀 일축압축시험 결과, 단일 지오셀에 하중이 작용 할 경우 어느 정도의 하중까지는 채움재인 모래가 적은 연직변위로 작용하중을 지탱하다가 일정 수준 이상의 하중에서 높은 연직변위가 발생하게 되며, 그에 따라 발생하는 채움재의 팽창에 의하여 지오셀과 채움재의 마찰이 증가하게 되어 지오셀이 지반보강에 효과를 발휘하는 것으로 나타났다.
실험 결과 연직변위 15mm 발생시 5셀 지오셀이 1셀 지오셀보다 약 3배 정도 높은 지지력을 보이고 있으며, 연직변위 20mm에서도 약 2.75배 정도 큰 지지력 값을 나타냈다.
실험결과 동일 하중에서 상대밀도 증가에 따라 상대적으로 연직토압은 크게 나타났으며, 연직변위는 작게 나타났다. 상대밀도 37.
일층보강 지오셀 지지력시험 결과 상대밀도가 18%에서 61.5%로 증가함에 따라 연직변위 10mm 발생시 약 3.18배, 20mm에서는 2.88배, 40mm에서는 2.54배 정도 지지력이 증가하였으며, 토압의 변화양상도 무보강과 비슷한 경향을 나타내었다(그림 20^~22 참조).
이층보강 지오셀 지지력시험에서도 상대밀도가 25.6%에서 72.9%로 증가함에 따라 연직변위 10mm 발생시 약 4.73배, 20mm 발생시는 4.9배, 40mm 발생시는 3.49배 정도 지지력이 증가하는 것으로 분석되었다(그림 23^~25 참조).
이 경우 미육국공병단이 제안한 지지력 공식의 결과와 거의 비슷하나, 내부 마찰각 Φ=39°에서는 본 연구에서 제안한 지지력 공식이 미육국공병단의 지지력 공식의 적용 결과 보다 약 35% 높은 지지력을 보이고 있다. 이와 같은 현상은 본 연구에서 제안한 식 (2)의 장기 허용지지력이 기초의 단면적과 밀도에 비례해서 선형적으로 증가하나, 미육국공병단의 지지력 공식은 증가의 정도가 낮기 때문으로 분석된다.
무보강지반에 대하여 지오셀 보강지반의 지지력을 분석한 결과 그림 26에 나타나듯이 상대밀도에 따라 약간의 차이는 있으나 지지력이 크게 상승하는 것으로 나타났다. 그러나 지오셀 일층 보강지반과 이층 보강지반의 지지력차는 무보강지반에 비하여 뚜렷한 지지력 개선효과를 나타내진 않았다.
단, 실험시 재하판의 크기와 실제 기초면의 크기가 다름으로써 발생하는 scale effect는 고려하지 않았다. 지오셀 보강면적에 대한 실험 결과 연직토압은 지오셀 보강면적에 대하여 특정한 경향성을 보여주지 않고 있으며, 거의 동일한 크기의 연직토압을 나타내는 것으로 분석된다.
1. 1셀 지오셀 압축시험 결과, 하중이 일정 수준이상 증가하면 채움재의 팽창에 의하여 지오셀이 지반을 보강하는 것으로 분석되었다. 5셀 지오셀 일축압축시험 결과, 하중 전달 메카니즘에 의해 각 셀 간의 효율적인 하중분배가 이루어져 5셀 지오셀이 1셀 지오셀에 비하여 약 2.
1셀 지오셀 압축시험 결과, 하중이 일정 수준이상 증가하면 채움재의 팽창에 의하여 지오셀이 지반을 보강하는 것으로 분석되었다. 5셀 지오셀 일축압축시험 결과, 하중 전달 메카니즘에 의해 각 셀 간의 효율적인 하중분배가 이루어져 5셀 지오셀이 1셀 지오셀에 비하여 약 2.7배 높은 지지력을 나타내었다.
2. 지오셀의 보강층수에 대한 토조시험 결과, 지오셀 1층 보강에 의해 상대밀도에 따라 무보강에 비하여 최소 약 2배 정도의 지지력 상승효과가 분석되었으나, 지오셀 보강 층수 증가에 의해서는 지지력 증가의 큰 변화가 없는 것으로 분석되었다.
3. 지오셀의 보강면적에 대한 토조시험 결과, 지오셀 포설면적에 따른 지반보강 효과는 하중재하판의 폭 만큼만 더 보강하는 경우가 가장 경제적인 것으로 분석되었다. 그러나 scale effect가 고려되지 않았으므로 하중지지 면적이 커지는 경우에는 모서리에서 30～45cm 정도 넓게 지오셀을 포설하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
4. 본 연구 결과 Terzaghi 공식을 기본으로 하여 모래지반의 지표면재하인 경우의 정방형 기초에 대하여 q_u = 0.8γ'N_γ로 나타낼 수 있다. 한편, 미육군공병단의 지지력 공식은 기초의 면적과 밀도의 변화에 따른 지지력 상승 효과를 충분히 반영하지 못하여 본 공식에 비하여 과대설계를 유도하는 경향이 있는 것으로 분석되었다.
8γ'N_γ로 나타낼 수 있다. 한편, 미육군공병단의 지지력 공식은 기초의 면적과 밀도의 변화에 따른 지지력 상승 효과를 충분히 반영하지 못하여 본 공식에 비하여 과대설계를 유도하는 경향이 있는 것으로 분석되었다.

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