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문제 정의
- 그러나 이러한 복합효과는 보강재의 종류 및 시공조건에 따라 그 영향 정도가 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 국내에서 보강토구조물 축조시 많이 사용되고 있는 세 종류의 지오그리드를 대상으로 국내의 보강토구조물 시공조건을 고려한 일련의 현장 내시공성시험 및 크리프시험을 수행하여 지오 그리드의 장기설계인장강도에 미치는 시공 시 손상과 크리프 변형의 복합효과를 평가하고자 한다.
- 현장 내시공성시험 단면은 그림 2와 같다. 본 연구에서는 3종류의 지오그리드를 대상으로 현장에서 내 시공성 시 험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 지오그리드의 재질, 제조방법 및 인장강도가 내시공성 및 크리프 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 재질 및 제조방식이 상이한 두 가지 형태 (A형 및 B형)의 지오그리드 3종류(표 1 참조)를 실험재료로 선정하였다. 본 지오그리드 보강재 원시료의 인장강도 및 변형 특성을 평가하기 위하여 사진 1에 나타낸 바와 같이 광폭인장강도시험(EN ISO 10319)을 수행하였다 지오그리드의 종류와 광폭인장강도시험 결과는 표 1에 나타내었다.
- 지오그리드 보강재의 장기설계인장강도 산정에 미치는 지오그리드의 시공 시 손상 및 크리프 변형 특성의 복합적인 영향을 실험적 연구를 통해 평가하고자 한다. 이를 위해 우선 현장 내시공성시험을 수행하여 현재 국내 보강토 분야에서 많이 사용되고 있는 지오그리드 3 종류의 시공 시 강도감소 정도를 평가하였고, 일련의 크리프시험 수행 및 결과 분석을 통해 크리프 변형 특성을 평가하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 270cmx250cmx 105cm 크기의 강재 프레임(fi"ame) 내에 4개의 시료를 동시에 시험할 수 있는 시험 장치를 제작하여 크리프시험을 수행하였다. 본 시험 장치는 2개의 항온실로 구성되어 각각 다른 온도 조건에서 시험할 수 있도록 되어 있다.
- PET(polyester)로 제조된 A형 지오그리드에 대해서는 ASTM D 5262-02에 규정되어 있는 시험법을 기준으로 하여 20℃, 35℃ 및 50℃ 온도에서 최대 1,000시간 동안 크리프시험을 수행하였으며, 크리프 하중으로는 표 1에 나타낸 원시료의 광폭인장강도를 기준으로 50% 및 60%의 하중을 사용하였다. 단기간의 실험결과를 통해 보다 긴 시간에서의 예측치를 얻기 위해 Boltzman이 제시한 시간-온도 중첩원리를 이용하였다(Vinogradov & Malkin, 1980; Takaku, 1980).
- 국내의 경우 지오그리드의 내시공성을 평가하기 위한 시험법이 아직 규정되어 있지 않은 관계로 본 연구에서는 내시공성시험에 대한 해외의 여러 시험법들을 비교·검토하여 다음과 같이 현장 내시공성 시험을 수행하였다. 현장 내시공성시험 단면은 그림 2와 같다.
- 실시하였다. 그리고 지오그리드를 다짐방향과 직각이 되도록 포설하고 그 위에 성토재를 40cm 정도 두께로 포설한 후 진동로울러를 사용하여 무진동으로 1회 및 진동으로 4회 다짐을 실시하였다. 하부성토층과 성토층의 다짐 작업 완료 후 성토높이는 그림 2(a)에 나타낸 바와 같이 대략 30cm가 되도록 하였고, 현장 들밀도시험을 수행하여 성토 층의 상대다짐도(95% 이상)를 확인하였다.
- 내시공성 및 크리프 변형의 복합효과가 지오그리드의장기 설계인장강도에 미치는 영향을 평가하기 위해, 현장 내시 공성시험 및 크리프시험 결과에 대해 GRI-GG4 방법으로 지오그리드의 시공성 강도감소계수(RFid)와 크리프강도 감소 계수(RFcr)를 산정하여 표 5에 나타내었다.
- 일반적인 시험방법은 기초 노상을 실제 구조물 축조시와 동일하게 처리한 후 규정 면적의 지오그리드 시료를 포설하고, 그 상부에 성토 재를 포설한 후 실제 구조물 축조시와 동일하게 다짐한다. 다짐 완료후에는 다짐된 상부 흙을 비기계적인 방법으로 지오그리드에 손상이 가지 않도록 제거하여 지오 그리드 시료를 추출하고, 추출된 시료에 대한 인장시험을 수행하여 원시료의 인장강도와 비교한다.
- 하부성토층과 성토층의 다짐 작업 완료 후 성토높이는 그림 2(a)에 나타낸 바와 같이 대략 30cm가 되도록 하였고, 현장 들밀도시험을 수행하여 성토 층의 상대다짐도(95% 이상)를 확인하였다. 다짐 후, 지오그리드가 손상되지 않도록 백호우와 인력으로 조심스럽게 성토재를 제거하고 지오그리드 시료를 추출하였다. 추출된 지오그리드 시료에 대해 시공 시의 손상 정도를 육안으로 자세히 조사하여 기록하고, 인장강도시험을 위한 시편(크기 : 0.
- 따라서 B형 지오그리드에 대해서는 PWRC(2000)에서 제시한 크리프시험 방법을 토대로 하여 20℃ 온도에서 5 종류 이상의 재하하중별로 최대 1,000시간 동안 단기 크리프시험을 수행하였으며, 하중재하 후 시간경과에 따른 크리프 인장변형률을 측정하여 지오그리드의 크리프 하중을 평가하였다.
- 이를 위해 우선 현장 내시공성시험을 수행하여 현재 국내 보강토 분야에서 많이 사용되고 있는 지오그리드 3 종류의 시공 시 강도감소 정도를 평가하였고, 일련의 크리프시험 수행 및 결과 분석을 통해 크리프 변형 특성을 평가하였다. 또한 시공 시 손상된 지오그리드에 대한 크리프시 험을 수행 하여 지 오그리 드의 장기 설계 인장강도 산정에 미치는 시공 시 손상과 크리프 변형의 복합효과를 평가하였다.
- 본 실험에서는 먼저 비교적 견고한 원지반을 정지한 후, 백호우로 성토재를 대략 40cm 두께로 깔고 정지한 다음, 국내에서 보강토구조물 시공 시 다짐장비로 주로 사용되고 있는 lOton 진동로울러로 다짐을 실시하였다. 그리고 지오그리드를 다짐방향과 직각이 되도록 포설하고 그 위에 성토재를 40cm 정도 두께로 포설한 후 진동로울러를 사용하여 무진동으로 1회 및 진동으로 4회 다짐을 실시하였다.
- 본 연구에서는 GRI-GG4 방법에 준하여 지오 그리드의 한계 크리프 변형률을 10%로 하여 크리프 하중을 예측/평가하였다. 지오그리드 B-1 원시료에 대한 크리프시험 결과를 토목연구센터 & 지오텍스타일 보강토공법보급위원회에서 제안한 크리프 하중 평가방법을 이용해 나타내면 그림 4와 같다.
- 온도에 따른 이동인자(shift fhctor)를 산정하여 속성조건에서 실시한 시험결과를 시간축으로 이동시킴으로써 장시간 후의 크리프 하중을 평가하는 시간-온도 중첩원리를 사용하여 지오그리드 A의 크리프 변형 특성을 평가하였다. 본 지오그리드 A의 온도에 따른 이동인자 (shift factor)는 20℃, 35℃ 및 50℃에서 각각 0, -0.
- 한다. 이를 위해 우선 현장 내시공성시험을 수행하여 현재 국내 보강토 분야에서 많이 사용되고 있는 지오그리드 3 종류의 시공 시 강도감소 정도를 평가하였고, 일련의 크리프시험 수행 및 결과 분석을 통해 크리프 변형 특성을 평가하였다. 또한 시공 시 손상된 지오그리드에 대한 크리프시 험을 수행 하여 지 오그리 드의 장기 설계 인장강도 산정에 미치는 시공 시 손상과 크리프 변형의 복합효과를 평가하였다.
- 다짐 후, 지오그리드가 손상되지 않도록 백호우와 인력으로 조심스럽게 성토재를 제거하고 지오그리드 시료를 추출하였다. 추출된 지오그리드 시료에 대해 시공 시의 손상 정도를 육안으로 자세히 조사하여 기록하고, 인장강도시험을 위한 시편(크기 : 0.2mx 1.4m)을 각각 7개 이상 채취하여 광폭인장강도시험(ISO 10319)을 수행하였다.
- 본 시험 장치는 2개의 항온실로 구성되어 각각 다른 온도 조건에서 시험할 수 있도록 되어 있다. 크리프시험 시 시료의 크기는 폭 20cm, 길이 80cm로 하였으며, 시료 중심부 20cm 길이에 LVDT를 부착하여 시간경과에 따른 인장변형을 자동으로 측정하였다. 사진 3은 크리프시험 기전 경이 다.
- 그리고 지오그리드를 다짐방향과 직각이 되도록 포설하고 그 위에 성토재를 40cm 정도 두께로 포설한 후 진동로울러를 사용하여 무진동으로 1회 및 진동으로 4회 다짐을 실시하였다. 하부성토층과 성토층의 다짐 작업 완료 후 성토높이는 그림 2(a)에 나타낸 바와 같이 대략 30cm가 되도록 하였고, 현장 들밀도시험을 수행하여 성토 층의 상대다짐도(95% 이상)를 확인하였다. 다짐 후, 지오그리드가 손상되지 않도록 백호우와 인력으로 조심스럽게 성토재를 제거하고 지오그리드 시료를 추출하였다.
- 현장 내시공성시험 수행 전의 지오그리드 원 시료와 성토 층 다짐시공에 의해 손상을 입은 지오그리드 시료를 대상으로 일련의 크리프시험을 수행하였다. 크리프시험은 지오그리드의 소재에 따라 두 가지 방법으로 수행하였다.
- 현장 내시공성시험 후, 다짐작업으로 인한 지오그리드표면의 손상정도를 평가하고 광폭인장강도시험에 사용할 시편을 채취하기 위하여, 추출된 지오그리드에 대한 육안관찰을 수행하였다. 일반적으로 육안관찰시 지오 그리드의 시공 중 손상정도는 벗겨짐(general abrasion), 짓눌림(bruise), 찢김(split) 혹은 절단됨(cut)으로 구분하여 기록한다(Austin, 1997).
- 현재 국내에서 보강토구조물 축조시 많이 사용되고 있는 지오그리드의 장기설계인장강도에 미치는 시공 시 손상과 크리프 변형의 복합효과를 평가하기 위하여 일련의 현장 내시공성시험 및 크리프시험을 수행하였다. 연구결과 얻은 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 즉, 부분적인 리브의 절단 등 손상정도가 매우 큰 경우는 보강 사의 손상이 심하여 광폭인장강도시험이 사실상 어려울 뿐만 아니라 내시공성시험에 사용된 전체 시료 중에서 차지하는 비중도 극히 미소하기 때문에 시편으로 사용하지 않았으며, 보강사의 손상정도가 미약한 경우는 시험 결과가 너무 안전측이 될 우려가 있을 것으로 판단되어 시편으로 사용하지 않았다. 따라서 “짓눌림”에 해당하는 부분 중 비교적 손상정도가 큰 것으로 판단되는 상태를 보이는 부분을 20cmx 140cm(경사방향X위사방향) 크기로 재단하여 시편으로 사용하였다.
- 다만, 상대적으로 강성이 작은 결합형 PET 지오그리드 시료의 경우에는 리브의 일부가 절단된 상태가 다소 발견되었다. 육안관찰결과를 토대로 광폭인장강도시험 및 크리프시험에 사용할 시편을 추출하였다. 즉, 부분적인 리브의 절단 등 손상정도가 매우 큰 경우는 보강 사의 손상이 심하여 광폭인장강도시험이 사실상 어려울 뿐만 아니라 내시공성시험에 사용된 전체 시료 중에서 차지하는 비중도 극히 미소하기 때문에 시편으로 사용하지 않았으며, 보강사의 손상정도가 미약한 경우는 시험 결과가 너무 안전측이 될 우려가 있을 것으로 판단되어 시편으로 사용하지 않았다.
- 본 지오그리드 보강재 원시료의 인장강도 및 변형 특성을 평가하기 위하여 사진 1에 나타낸 바와 같이 광폭인장강도시험(EN ISO 10319)을 수행하였다 지오그리드의 종류와 광폭인장강도시험 결과는 표 1에 나타내었다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 선정된 지오그리드 시료는 고강도 폴리에스터(polyester) 사를 사용하여 Weft Insertion Warp Knit법으로 격자 모양 의원단을 만든 후 PVC로 코팅호}.여 제조한 결합형 지오 그리드 1종과 고밀도 폴리에틸렌(hi函 density polyethylene)을열연신하여 제작한 일체형 지오그리드 2종이다.
- 한편, 현장 내시공성시험시 흙종류의 영향을 고찰하기 위해 문산시 인근의 화강풍화토를 대상으로 자체 제작한 대형 체가름장치(1.4mx2m, 사진 1 참조)를 이용하여 체가름한 최대입경 80mm의 화강풍화토와 25mm 쇄석을 다짐작업시에 성토재로 사용하였다.
이론/모형
- 하중을 사용하였다. 단기간의 실험결과를 통해 보다 긴 시간에서의 예측치를 얻기 위해 Boltzman이 제시한 시간-온도 중첩원리를 이용하였다(Vinogradov & Malkin, 1980; Takaku, 1980).
- 크리프시험은 지오그리드의 소재에 따라 두 가지 방법으로 수행하였다.
성능/효과
- 3%~20.1% 범위내의 값과。%~2.2%인 것으로 나타나, 내시공성과 크리프 변형의 복합효과가 지오 그리드의 장기 설계인장강도 산정에 미치는 영향은 시공 중 강도감소가 큰 경우에 더 큼을 알 수 있었다.
- (1) 최대입경 80mm 화강풍화토 및 25mm 쇄석 성토 층의 다짐으로 인한 지오그리드의 인장강도감소는 최대인장 변형률의 감소와 함께 발생하고, 육안관찰 결과 대부분의 손상은 지오그리드 표면부의 벗겨짐 혹은 짓눌림인 것으로 나타났다.
- (2) 지오그리드의 시공성 강도감소계수는 결합형 PET 지오 그리드가 일체형 HDPE 지오그리드 보다 큰 반면에 크리프 강도감소계수는 일체형 HDPE 지오 그리드의 경우가 50% 정도 큰 것으로 나타나, 지오 그리드의 내시 공성 및 크리프 변형 특성은 지오그리드의 재질 및 제조방법에 크게 영향을 받음을 알 수 있었다.
- (4) 지오그리드의 장기 설계인장강도 산정시 필요한 인장강도 감소계수를 영향인자별로 각각 산정하고 있는 현행 설계법은, 각 영향인자 상호간의 복합효과를 고려하여 강도감소계수를 산정하는 방법에 비해 지오 그리 드의 강도감소계수를 안전측으로 산정한다.
- 그림 3에서 알 수 있는 바와 같이 원시료의 경우 광폭하중의 50% 및 60% 하중에 대하여 1,000, 000시간.이후의 장기 크리프 변형。i 각각 7.2% 및 8.4%로 나타나 10%의 변형률을'벗어나지않는 안정한 크리프 변형특성을 가지는 것으로 평가되었다 반면에 내시공성시험 후 손상* 시료는, 50% 하중에서는 1,000, 000시간 이후의 장기 크리프 변형이 7.8%로 평가되어 안정한 크리프 변형특성을 가지나, 60% 하중에 대해서는 크리프 변형률 거동이 시간 경과에 따라 수렴하는 안정적인 거동을 보이지 않는 것으로 나타나, 적정 크리프 하중은 광폭하중의 50%~60%의 사이에 존재함을 알 수 있다.
- B형 지오 그리드의 경우 내시공성과 크리프 변형의 복합효과가 비교적 작게 평가된 원인은, 시공 중 강도감소가 상대적으로 작았기 때문인 것으로 판단된다. 결론적으로 본 연구를 통해 내시공성 및 크리프 변형 복합효과가 지오그리드의 장기 설계인장강도 산정에 미치는 영향은 시공 중 강도감소가 큰 경우에 더 크게 나타나고, 현행 설계법으로 산정된 지오 그리드의 강도감소계수는 안전측임을 알 수 있다
- 일반적으로 육안관찰시 지오 그리드의 시공 중 손상정도는 벗겨짐(general abrasion), 짓눌림(bruise), 찢김(split) 혹은 절단됨(cut)으로 구분하여 기록한다(Austin, 1997). 본 내시공성시험 후 추출한 지오 그리드를 물로 깨끗이 씻은 다음 육안관찰한 결과, 대부분의 손상은 지오그리드 표면부의 벗겨짐 혹은 짓눌림인 것으로 나타났다. 다만, 상대적으로 강성이 작은 결합형 PET 지오그리드 시료의 경우에는 리브의 일부가 절단된 상태가 다소 발견되었다.
- 표 3에서, 성토층 다짐으로 인한 지오그리드의 인장강도감소는 최대인장변형률의 감소(표 1 참조)와 함께 발생하며, 성토재 종류가 동일한 경우 A형 지오 그리드의 시공 중 강도감소가 더 큼을 알 수 있다.
- 그림 5와 같이 예측된 크리프 하중의 적정성은 그림 6에 나타낸 바와 같이 하중비-크리프 변형 증가율 곡선을 도시하여 검증하였다. 표 4에서 알 수 있는 바와 같이 시공 시 손상으로 인해 B형 지오 그리드의 크리프 하중이 원시료에 비해 2.6%~3.1% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 지오그리드 A의 경우 복합효과 고려시 인장강도 감소계수가 4.3%~20.1% 범위내에서 감소하고, 지오그리드 B-1 및 지오그리드 B2의 경우에는 0%~2.2% 감소하는 것으로 나타났다. B형 지오 그리드의 경우 내시공성과 크리프 변형의 복합효과가 비교적 작게 평가된 원인은, 시공 중 강도감소가 상대적으로 작았기 때문인 것으로 판단된다.
- 현장 체가름을 통해 입도가 조정된 화강풍화토 흙 시료에 대한 체분석시험과 다짐시험(D다짐)을 수행한 결과, 본 흙시료는 통일분류법상 SW(입도분포가 양호한 모래) 로 분류되며, 최대 건조밀도 및 최적 함수비는 19.0kN/m3 및 11.1%인 것으로 나타났다. 표 2에는 화강풍화토 흙 시료의 입도분포 비율과 현장 다짐밀도를 나타내었다.
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