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문제 정의
- 본 논문에서는 다양한 토목 섬유 중 보강용으로 가장 많이 사용되는지오그리드로 보강된 성토지지 말뚝에 대한 현장모형실험과 수치해 석적 연구를 수행하였다. 현장모형실험은 그림 3(a)와 유사한 형태의 현장모형지 반을 세 가지 말뚝 캡 간격으로 구분하여 조성한 후 성토하중을 재하하였다.
- 본 연구에서는 토목섬유로 보강된 성토지지 말뚝의 보강효과와 아칭효과에 대하여 분석하기 위하여 지오그리드로 보강된 성토지지 말뚝에 대한 현장모형 실험 및 기초적 수치해석 연구를 수행하였으며 전체 연구를 통하여 도출한 결론은 다음과 같다.
- 본 연구의 현장모형 실험은 지오그리드와 성토지지 말뚝으로 보강된 연약지반의 보강효과와 보강재료의 상호 거동 메커니즘을 규명하기 위하여 실시하였다. 말뚝 타입을 위한 연약지반은 인천지역 해성점토를 재성형하여 사용하였으며, 지반의 교란을 고려하여 전단 강도 및 지반의 균질성이 회복될 수 있도록 자중압밀에 의한 3개월의 안정화 기간 후에 말뚝 타입, 지오그리드 포설 및 성토 재하를 실시하였다.
제안 방법
- 王한, 성토 높이에 따른 지오그리드의 변형률을 츠정하기 위하여 소성변위까지 측정이 가능한 토목 섬유용 소성 스트레인 게이지(모델명 : YFLA-5)를 부착하였다. 그림 9는 현장 계측기 설치 및 스트레인 게이지의 위치도를 나타낸 것이다.
- 33)의 간격으로 말뚝을 타입한 후에 지오그리드를 포설하였다. 각 지반의 현장 실험 계획에 따라 말뚝을 타입하고 지오그리드를 포설 후 3단계(0.7,1.7, 2.7m)에 걸쳐 화강풍화토의 성토를 통한 수직하중을 재하하며, 연약지반의 침하량, 수직응력, 지오그리드 변형량 등을 계측하였다.
- 수치 해석적 연구는 유한차분해석 프로그램인 FLAC 2-D를 이용하여 현장모 형실험 조건을 모델링하여 해석을 수행하였다. 각각의 계측 결과와 해석 결과를 바탕으로 말뚝설치간 격에 따른 보강 효과와 말뚝과 말뚝 사이에 발생되는 아칭효과에 대하여 분석하였다.
- 보강재로 사용된 지오그리드는 최대인 장강도가 250kN/m인 양방향 지오그리드로 공학적 특성은 표 3에 나타낸 바와 같다. 각각의 보강조건과 성토 높이에 따른 연약층과 성토층 사이의 응력 분포, 침하랴지오그리드의 변형률을 파악하기 위하여 침하판 및 토압계를 제작하였으며, 지오그리드에 스트레인 게이지를 부착하였다. 성토 높이에 따른 연약층의 침하량을 측정하기 위해 총 13개의 침하판을 최소 말뚝 간격을 고려하여 가로 10cm, 세로 10cm 크기로 제작하였다.
- 다음식 (2)와 같이 전체 및 부등 침하량 분석을 통하여 토목섬유 보강재의 보강효과를 정량화하였다.
- 지오그리드와 지반 재료의 복합상호작용특성(내구 성, 크리프 변형 등)은 구성 모델의 부재 및 해석과 정의 용이성을 위하여 고려하지 않았다. 또한, 경계면요소영 향은 일반적인 보강토옹벽 내에서의 인발 마찰 거동과 달리 연약지반 보강시 지반 및 보강재가 복합매체 형태로 처짐 및 변형이 발생되므로 경계면요소로 모델링하지 않고 완전부착된 것으로 모델링하였다.
- 0)의 간격으로 타입하였으며, 두 번째 지반은 아무런 보강도 하지 않고 연약지반만 포설하였다. 마지막 세 번째 지반은 말뚝과 지오그리드로 보강한 지반으로서 각각 말뚝 캡직경의 3배, 4배,5.33배(D/b=3, 4, 5.33)의 간격으로 말뚝을 타입한 후에 지오그리드를 포설하였다. 각 지반의 현장 실험 계획에 따라 말뚝을 타입하고 지오그리드를 포설 후 3단계(0.
- 본 연구의 현장모형 실험은 지오그리드와 성토지지 말뚝으로 보강된 연약지반의 보강효과와 보강재료의 상호 거동 메커니즘을 규명하기 위하여 실시하였다. 말뚝 타입을 위한 연약지반은 인천지역 해성점토를 재성형하여 사용하였으며, 지반의 교란을 고려하여 전단 강도 및 지반의 균질성이 회복될 수 있도록 자중압밀에 의한 3개월의 안정화 기간 후에 말뚝 타입, 지오그리드 포설 및 성토 재하를 실시하였다. 3개월의 안정화를 통하여
- 본 연구에서는 지오그리드로 보강된 성토지지 말뚝의 수치 해석적 연구를 위하여 FLAC 2-D 프로그램을 사용하였으며, 해석 모델의 유한차분요소망은 현장모형 실험의 조건을 모델링하였으며, 말뚝 간격 D/b에 따라 각각 수치 모델링 단면을 구성하였으며, 성토 제체의 성토고를 변화(0.7, 1.7, 2.7, 5.0m)시키며 각각의 단면에 대하여 배수조건 해석을 수행하였다 (그림 18 참조).수치해석 모델의 크게 연약지반, 성토 제체, 말뚝, 지오그리드로 구분되며, 각각의 구성 방정식은 연약지반과 성토 제체는 하중점증에 의한 비선형 탄성해석에 용이한 쌍곡선근 사비선형 탄성모델인 Duncan and Chang(1970)모델을 적용하였으며, 말뚝은 선형탄성 모델, 지오그리드는 경계면에서의 접착강도(bond strength)를 고려할 수 있는 케이블(cable)로 모델링하였다.
- 본 연구의 수치 해석은 지오그리드와 말뚝의 상호작용(보강효과 및 아칭효과)에 대한 수치해석기법 제시를 위한 기초적 과정으로 현장모형 실험 및 수치 해석 결과에 대한 경향 분석 및 간접비교를 실시하였다. 수치 해석 결과는 성토고와 말뚝 간격 D/b의 변화에 따른 전체 침하량, 부등 침하랑, 수직응력을 도출하였으며 각각의 해 석결과를 바탕으로 지오그리드 보강 효과와 아칭 효과에 대하여 분석하였다.
- 성토 높이에 따른 연약층의 침하량을 측정하기 위해 총 13개의 침하판을 최소 말뚝 간격을 고려하여 가로 10cm, 세로 10cm 크기로 제작하였다. 성토층과 연약층 사이의 수직 응력 분포를 파악하기 위하여 각 지반별로 말뚝 캡 상부와 말뚝과 말뚝 사이에 토압계(설치심도 연약지반, 성토층 경계면)를 설치한 후 그 위에 지오그리드를 포설하였다.
- 본 연구의 수치 해석은 지오그리드와 말뚝의 상호작용(보강효과 및 아칭효과)에 대한 수치해석기법 제시를 위한 기초적 과정으로 현장모형 실험 및 수치 해석 결과에 대한 경향 분석 및 간접비교를 실시하였다. 수치 해석 결과는 성토고와 말뚝 간격 D/b의 변화에 따른 전체 침하량, 부등 침하랑, 수직응력을 도출하였으며 각각의 해 석결과를 바탕으로 지오그리드 보강 효과와 아칭 효과에 대하여 분석하였다. 그림 19는 성토고 변화에 따른 수평 및 수직 방향 위치에 따른 최대 침하량 결과를 나타낸 것이다.
- 각 지반별 실험조건은 표 1에 나타내었으며, 현장 모형시험 지반의 단면도 그림 6, 현장시험 장면은 그림 7에 나타낸 바와 같다. 첫 번째 지반은 연약지반에 말뚝만 말뚝 캡 직경의 3배(D/1尸3.0)의 간격으로 타입하였으며, 두 번째 지반은 아무런 보강도 하지 않고 연약지반만 포설하였다. 마지막 세 번째 지반은 말뚝과 지오그리드로 보강한 지반으로서 각각 말뚝 캡직경의 3배, 4배,5.
- 본 논문에서는 다양한 토목 섬유 중 보강용으로 가장 많이 사용되는지오그리드로 보강된 성토지지 말뚝에 대한 현장모형실험과 수치해 석적 연구를 수행하였다. 현장모형실험은 그림 3(a)와 유사한 형태의 현장모형지 반을 세 가지 말뚝 캡 간격으로 구분하여 조성한 후 성토하중을 재하하였다. 현장모형실험의 계측 및 분석은 침하계, 토압계 등을 통하여 토목섬유 보강 성토지지말뚝 의 침하 및 응력거동을 분석하였으며 지오그리드에 접착한 스트레인 게이지 계측 결과를 통하여 토목섬유 보강재의 인장거동을 계측하였다.
- 현장모형실험은 그림 3(a)와 유사한 형태의 현장모형지 반을 세 가지 말뚝 캡 간격으로 구분하여 조성한 후 성토하중을 재하하였다. 현장모형실험의 계측 및 분석은 침하계, 토압계 등을 통하여 토목섬유 보강 성토지지말뚝 의 침하 및 응력거동을 분석하였으며 지오그리드에 접착한 스트레인 게이지 계측 결과를 통하여 토목섬유 보강재의 인장거동을 계측하였다. 수치 해석적 연구는 유한차분해석 프로그램인 FLAC 2-D를 이용하여 현장모 형실험 조건을 모델링하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 현장모형 실험에 사용된 토사 재료는 연약지반조성에 사용된 해성점토와 성토 재료로 사용된 화강풍화토가 있다. 또한 보강 말뚝은 직경 10cm인 철근 콘크리트로 제작하여 사용하였으며, 지반 보강용 지오그리드는 Tensar(BXllOO)제품을 사용하였다. 해성점토는 인천시 용현동 아파트 신축공사 현장에 채취한 시료로 200번 체 통과량이 95% 이상이며 초기간극비가 0.
- 또한 화강풍화토는 자연함수비가 13.5%, 비중이 2.72인 입도 분포가 나쁜 실트질 모래(SP-SM)를 사용하였다. 토사 재료 자체의 특성값은 표2와 같으며, 각각 시료의 입도분포 곡선은 그림 8에 나타낸 바와 같다.
- 토사 재료 자체의 특성값은 표2와 같으며, 각각 시료의 입도분포 곡선은 그림 8에 나타낸 바와 같다. 보강재로 사용된 지오그리드는 최대인 장강도가 250kN/m인 양방향 지오그리드로 공학적 특성은 표 3에 나타낸 바와 같다. 각각의 보강조건과 성토 높이에 따른 연약층과 성토층 사이의 응력 분포, 침하랴지오그리드의 변형률을 파악하기 위하여 침하판 및 토압계를 제작하였으며, 지오그리드에 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 본 연구의 현장모형 실험에 사용된 토사 재료는 연약지반조성에 사용된 해성점토와 성토 재료로 사용된 화강풍화토가 있다. 또한 보강 말뚝은 직경 10cm인 철근 콘크리트로 제작하여 사용하였으며, 지반 보강용 지오그리드는 Tensar(BXllOO)제품을 사용하였다.
- 각각의 보강조건과 성토 높이에 따른 연약층과 성토층 사이의 응력 분포, 침하랴지오그리드의 변형률을 파악하기 위하여 침하판 및 토압계를 제작하였으며, 지오그리드에 스트레인 게이지를 부착하였다. 성토 높이에 따른 연약층의 침하량을 측정하기 위해 총 13개의 침하판을 최소 말뚝 간격을 고려하여 가로 10cm, 세로 10cm 크기로 제작하였다. 성토층과 연약층 사이의 수직 응력 분포를 파악하기 위하여 각 지반별로 말뚝 캡 상부와 말뚝과 말뚝 사이에 토압계(설치심도 연약지반, 성토층 경계면)를 설치한 후 그 위에 지오그리드를 포설하였다.
- 또한 보강 말뚝은 직경 10cm인 철근 콘크리트로 제작하여 사용하였으며, 지반 보강용 지오그리드는 Tensar(BXllOO)제품을 사용하였다. 해성점토는 인천시 용현동 아파트 신축공사 현장에 채취한 시료로 200번 체 통과량이 95% 이상이며 초기간극비가 0.819로 나타났다.
데이터처리
- 현장모형실험의 계측 및 분석은 침하계, 토압계 등을 통하여 토목섬유 보강 성토지지말뚝 의 침하 및 응력거동을 분석하였으며 지오그리드에 접착한 스트레인 게이지 계측 결과를 통하여 토목섬유 보강재의 인장거동을 계측하였다. 수치 해석적 연구는 유한차분해석 프로그램인 FLAC 2-D를 이용하여 현장모 형실험 조건을 모델링하여 해석을 수행하였다. 각각의 계측 결과와 해석 결과를 바탕으로 말뚝설치간 격에 따른 보강 효과와 말뚝과 말뚝 사이에 발생되는 아칭효과에 대하여 분석하였다.
이론/모형
- 0m)시키며 각각의 단면에 대하여 배수조건 해석을 수행하였다 (그림 18 참조).수치해석 모델의 크게 연약지반, 성토 제체, 말뚝, 지오그리드로 구분되며, 각각의 구성 방정식은 연약지반과 성토 제체는 하중점증에 의한 비선형 탄성해석에 용이한 쌍곡선근 사비선형 탄성모델인 Duncan and Chang(1970)모델을 적용하였으며, 말뚝은 선형탄성 모델, 지오그리드는 경계면에서의 접착강도(bond strength)를 고려할 수 있는 케이블(cable)로 모델링하였다. Duncan and Chang의 구 성방정식은 다음식 (3)에 나타낸 바와 같다.
성능/효과
- (1) 현장 모형실험 결과에 따른 보강 효과는 말뚝타설 간격 D/b가 증가함에 따라 지오그리드 보강 효과가 감소하였다. 또한, 말뚝 간격 D/b = 6이상일 경우 지오그리드의 하중전이가 발생하지 않아 보강 효과가 거의 없다.
- (2) 지오그리드 보강에 따른 아칭효과는 말뚝타설 간격D/b가 증가함에 따라 감소하며, 지오그리드를 통한 응력전이와 아칭 영역 내에 불연속 면이 발생되어 간섭이 발생된다.
- (3) 침하량 분석에 의하면 말뚝만 보강한 지반이 아칭효과가 우세하여 지오그리드의 보강 효과가 크게 나타나지 않았으나, 부등 침하량 분석 결과, 지오그리드를 통한 하중전이 현상이 발생되어 최대 약 46%의 부등 침하 감소 효과가 나타났다.
- (4) 지오그리드와 말뚝의 상호작용에 대한 수치해석 기법 분석을 위한 기초적 과정으로 수행한 수치 해석 결과, 말뚝 간격에 따른 지오그리드 보강 효과 및 아칭효과는 상기 언급한 현장모형 실험 결과와 동일한 경향으로 나타났다.
- 그림 16과 그림 17은 성토고 변화에 따른 말뚝 캡 상 단과 말뚝 사이에서의 변형률계측 결과를 나타낸 것이다. 계측 결과에서 보는 바와 같이, 말뚝 캡 상부에서의 변형률이 말뚝 사이의 변형률보다 크게 발생되었으며, 또한, 말뚝 간격 D/b가 감소함에 따라 위치에 관계없이 변형률이 증가하는 것으로 나타났다. 변형률 계측 결과는 토목섬유로 보강된 성토지지 말뚝의 하중 전달 메커니즘을 잘 반영하고 있는 것으로 상재하중재하에 따라 말 뚝사이의 지오그리드는 처짐이 발생되며, 처짐이 진행됨에 따라 상재 하중은 말뚝 캡으로 전달되어 말뚝 캡 상 부의 수직 응력이 가장 크게 발생된다.
- 난점을 해소하기 위하여 토목섬유 보강재를 복합적으로 적용시키는 방법을 연구 및 분석하였으며, 토목섬유 보강재와 성토지지 말뚝이 효과적인 복합체로 거동하고 지지력 보강과 특히 부등침하 방지에 상당한 효과가 있음을 발견하였다. 그림 1과 그림 2는 기존의 성토지지 말뚝 공법과 토목 섬유로 보강된 성토지지 말뚝의 적용예를 각각 나타낸 것이다.
- 33이고 지오그리드로 보강한 지반이 말뚝만 보강한 지반에 비하여 최대 침하량이 크게 도출되었다. 또한, 성토 제체 상부에서 발생되는 최대 침하량의 경우, 말뚝만 보강한 지반이 가장 작게 나타났다. 이러한 결과는 말뚝만 보강된 지반에서 아칭효과가 가장 크게 효과적으로 발생되었기 때문인 것으로 사료되며, 상대적으로 지오그리드 보강 지반은 보강재의 아칭효과 간섭으로 인하여 최대 침하량이 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 다시 말하면, 성토고 증가에 따른 아칭 효과는 말뚝으로만 보강된 경우, 아칭효과가 가 장 크게 발생되어 말뚝 사이에서의 수직 응력이 작게 발생되며, 지오그리드로 보강한 경우는 지오그리드의 인장 및 하중전이를 통하여 아칭효과가 감소한다. 또한, 현장모형 실험 결과와 수치 해석에 의한 아칭효과를 분석하면, 말뚝 간격 D/b가 감소하고, 성토고가 증가할수록 아칭효과가 증가는 경향은 동일하게 발생되었다.
- 말뚝 사이 중앙부에서의 침하량은 말뚝 간격 D/b=3이 고 지오그리드를 보강한 경우의 최대 침하량이 가장 작게 발생되었으며, D/b=5.33이고 지오그리드로 보강한 지반이 말뚝만 보강한 지반에 비하여 최대 침하량이 크게 도출되었다. 또한, 성토 제체 상부에서 발생되는 최대 침하량의 경우, 말뚝만 보강한 지반이 가장 작게 나타났다.
- 그림 13과 그림 14는 성토고 변화에 따른 말뚝캡 상단과 말뚝과 말뚝 사이에서의 수직응력계측 결과를 나타낸 것이다. 말뚝캡 상단의 수직응력은 말뚝 간격 D/b=3 인 경우, 지오그리드로 보강한 지반이 보강하지 않은 지반에 비해 14~30%의 수직응력을 더 받는 것으로 나타났고 말뚝 사이에서의 수직 응력은 말뚝캡 상단에 비해 최대 50%가 감소하는 것으로 계측되었다. 이러한 결과는 일차적으로 말뚝에 의한 아칭이 발생되었기 때문이며, 둘째 지오그리드에 재하되는 성토하중이 하 부 연약지반이 침하를 일으키고 지오그리드의 인장을 통하여 말뚝 캡으로 전이된 결과이다.
- 그림 10과 그림 11은 지반 조건 및 성토 단계에 따른 침하량의 변화곡선을 나타낸 것이다. 무보강 지반인 해성점토 원지반의 침하량이 가장 크게 발생되었으며, 말뚝간격 D/b=3이며 지오그리드 보강 지반의 침하량이 가장 작게 나타났다. 또한, 침하판의 설치 위치(수평, 대각선)에 따른 침하량 변화는 성토 단계별로 큰 차이를 보이지 않으며, 말뚝타설간격 및 지오그리드 보강 여부에 따라 상호 동일한 경향을 보이고 있다.
- 그림 22는 성토고 변화에 따라 말뚝캡과 말뚝 사이에서 발생되는 수직응력변화를 나타낸 것으로 말뚝 캡 상단에서는 말뚝 간격 DZb=3이고 지오그리드를 보강한 경우가 수직 응력이 가장 크게 발생되었으며, 지오그리드에 의한 하중전이가 없는 말뚝만 보강한 경우가 가장 작게 발생되었다. 반면, 말뚝 사이에서는 지반의 아칭효과로 인하여 말뚝만 보강한 경우가 수직 응력이 가장 작게 발생되었으며 지오그리드로 보강한 경우, 응력전이 효과가 가장 좋은 말뚝 간격 D/b=3인 경우의 수직응력이 가장 작으며, 말뚝 간격이 증가할수록 수직응력도 증가하는 것으로 도출되었다. 이러한 현상은 그림 23에 나타낸 아칭효과 분석 결과를 통하여 설명할 수 있다.
- 계측 결과에서 보는 바와 같이, 말뚝 캡 상부에서의 변형률이 말뚝 사이의 변형률보다 크게 발생되었으며, 또한, 말뚝 간격 D/b가 감소함에 따라 위치에 관계없이 변형률이 증가하는 것으로 나타났다. 변형률 계측 결과는 토목섬유로 보강된 성토지지 말뚝의 하중 전달 메커니즘을 잘 반영하고 있는 것으로 상재하중재하에 따라 말 뚝사이의 지오그리드는 처짐이 발생되며, 처짐이 진행됨에 따라 상재 하중은 말뚝 캡으로 전달되어 말뚝 캡 상 부의 수직 응력이 가장 크게 발생된다. 또한, 아칭효과 및 지오그리드 인장에 따른 변형률도 크게 발생되는 것 이다.
- 성토 하중 재하에 따른 전체침하량(즉시 +압밀침하) 은 말뚝만 보강하였을 경우, 무보강 지반에 비하여 8% 감소하였으며, 말뚝과 지오그리드를 보강하였을 경우 무보강 지반에 비하여 말뚝타설간격에 따라 8%~ 39%의 침하량 감소를 보였다. 그림 12는 말뚝타입 간격에 따른 지오그리드 보강 효과를 나타낸 것으로 말뚝)
- 조성된 연약지반의 평균 함수비는 약 28%였으며, 휴대용 정적 콘관입 시험 결과에 의한 평균 비 배수 전단 강도는 그림 5에서 보는 바와 같이 약lOZkN/n?의 분포를 보였다.
- 그림 22는 말뚝 간격에 따른 부등 침하량 변화곡선을 나타낸 것으로 말뚝 간격 D/b=3인 경우의 부등침하량이 가장 작으며, D/b가 증가함에 따라 부등 침하량이 증가하는 것으로 도출되었다. 최대침하량분석에 의하면 말뚝만 보강한 지반의 아칭효과에 비하여 지오그리드의 보강 효과가 크게 나타나지 않았으나, 부등 침하량 분석 결과, 지오그리드 보강에 따라 부등 침하량이 급격히 감소됨을 알 수 있다.
- 지오그리드로 보강된 성토지지 말뚝의 하중 전달 메커니즘은 그림 4와 같이 인장된 멤브레인 이론을 통하여 설명할 수 있다. 토목섬유로 보강된 성토지지 말뚝 시스템의 상호관계는 기본적으로 말뚝 캡 사이로 작용하는 하중%가 상재하중 7丑+%보다 작아지는 흙의 아칭효과를 통하여 상재 하중을 지지하며, 각각 재료의 강성차이로 인한 부등 침하는 토목섬유 보강재의 횡방향 인장력을 통하여 감소된다. 본 논문에서는 McNulty에 의하여 제안된 식(1)을 통하여 아칭효과를 분석하였으며,
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