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문제 정의
- 도로 하부에는 다양한 라이프라인이 매설되어 있으며 , 이들 라이프라인은 일시에 시공되지 않고, 또한 유지보수공사를 위해 빈번한 굴착 및 재시공이 이루어지고 있는 실정 이다. 상기의 두가지 특성을 만족하는 뒤채움 재인 유동성 뒤채움재 (Controlled Low Strength Materials, CLSM)에 대한 기본물성과 파형강관용 뒤 채움재 적용시 발생하는 공학적인 문제를 규명하기 위하여 본 연구를 수행하였다.
- 대책이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 파형강관용 뒤채움재 연구를 수행하였다. 연구의 주안점은 두 가지 상이한 특성에 대한 내용으로, 첫 번째는 뒤채움재의 강도특성을 강화하여 파형강관의 변형을 최소화 하는 것으로, 즉 관상부의 하중을 뒤채움 재로 분산되도록 하는 기 능을 수행 할 수 있는 재료이어야 한다.
제안 방법
- 본 연구에서 적용한 3차원 유한요소 해석프로그램인 PENTAG0N-3D에서 원지반, 베딩재, 뒤채움 재는 4절점 솔리드 요소로 모델링 하였으며, 파형강관은 4절점 쉘 요소로 모델링 하였다. 쉘 요소는 파형강관의 종방향 파형을 모델링 할 수 없으므로, 파형강관의 파형을 고려한 환산단면의 적용이 필수적이다(육정훈, 2002, 박응호, 2002).
- 본 연구에서는 파형강관의 현장 적용성 검토를 위하여 그림 3과 같이 LVDT, 스트레인 게이지, 토압 계 등을 설치하여 시공중과 시공후의 현장계측을 수행하였다. 파형강관의 수직 및 수평변위 측정을 위한 LVDT를 설치하였고, 파형강관의 종방향 및 횡 방향의 변형특성을 파악하기 위하여 부착면을 깨끗하게 한 후, 스트레인 게이지를 3m 간격으로 부착하고, 방수처리를 위해 방수테이프를 붙이는 방식으로 수행되었다.
- 본 현장시험에서는 택지개발현장에서 보편적으로 이용하는 성토용 잡석을 가득 실은 덤프트럭 (총중량 30톤)을 이용하여 하중재하시험을 수행하였다. 덤프트럭은 총 3축 10개의 타이어로 구성되었고, 총중량을 앞축에 20%, 나머지 80%를 뒤의 2개축에 작용하는 것으로 해석하였다.
- 84kgf/cm2의 범위에서 값이 결정되었다. 수평토압과 연직 토압과의 상관 관계를 이용하여 시공시간에 따른 정지토압계수를 산정하였다. 정지토압계수의 변화는 최소 0.
- 파형강관의 수직 및 수평변위 측정을 위한 LVDT를 설치하였고, 파형강관의 종방향 및 횡 방향의 변형특성을 파악하기 위하여 부착면을 깨끗하게 한 후, 스트레인 게이지를 3m 간격으로 부착하고, 방수처리를 위해 방수테이프를 붙이는 방식으로 수행되었다.
- 파형강관으로 구분된다. 파형강관의 시공성능개선을 위하여 현장시험을 실시하였다. 시험에 이용된 실험재료의 지반 및 도로공학적 기본 물성치는 다음과 같다.
대상 데이터
- 12m이다. 관의 조인트부분에서의 응력-변형 관계를 확인하기 위하여 6m 길이의 관 2개를 접합하여 이용하였다. 그림 2는 현장발생토사 재활용 유동성 뒤채움재의 시공과정을 보여준다.
- 직경 800mm. 두께 2.0mm를 선택하였으며, 단면의 구체적인 제원은 표 2에 나타내었다. 파형강관의 탄성 계수는 2.
- 본 시험시공현장에 사용된 파형강관은 원형 1S형의 직경 800mm. 두께 2.
- 본 연구에 이용된 실험재료는 크게 뒤채움재와 지하매설관용 파형강관으로 구분된다. 파형강관의 시공성능개선을 위하여 현장시험을 실시하였다.
- 시험시공에 이용한 파형강관은 직경 80cm이고, 총길이는 12m이다. 관의 조인트부분에서의 응력-변형 관계를 확인하기 위하여 6m 길이의 관 2개를 접합하여 이용하였다.
- 파형강관은 KS D 3506에 의한 열연 용융 아연 도금강판으로 만들고, 파형강판의 제조에 사용되는 재료는 KS D 3503(일반구조용 압연강재) 의것을 사용하며, 성형 후 용융 아연도금하여 사용한다. 이 때 파형강관의 아연도금 부착량은 0.
- 것과 같다. 해석에서 기준이 되는 사례는 사례 1로, 베딩재와 뒤채움재로 일반모래를 이용하고, 관의 종류로 파형강관을 이용한 것이다. 이 경우 차량 하중 재하 전의 경우 관 변위는 0.
- 현장발생토사 재활용 유동성뒤채움재의 중량 배합비는 현장발생토사 54.03%, 플라이애쉬 19.88%, 물 22.85% 및 소량의 시멘트 3.23%를 혼합하여 사용하였다. 사용된 시료의 재령별 압축강도는 1일 양생 시 1.
데이터처리
- 본 연구에서 수치해석은 고려해 볼 수 있는 여러 가변조건 중 뒤채움재의 종류를 변화시키는 3가지 사례에 대해서 유한요소 프로그램인 PENTAGON- 3D(에메랄드 소프트, 1998)를 이용하여 해석을 수행하였다. 본 연구의 수치해석에서는 원지반은 탄소성 모델 (mohr~coulomb)을 적용하였고, 나머 지는 선형탄성 모델을 적용하였다.
이론/모형
- 본 연구의 수치해석에서는 원지반은 탄소성 모델 (mohr~coulomb)을 적용하였고, 나머 지는 선형탄성 모델을 적용하였다. 수치해석에 이용된 해석단면의 설계정수는 표 3과 같이 실내실험을 통해 결정된 값이다.
- 쉘 요소는 파형강관의 종방향 파형을 모델링 할 수 없으므로, 파형강관의 파형을 고려한 환산단면의 적용이 필수적이다(육정훈, 2002, 박응호, 2002). 이를 위해서 본연구에서는 Moore & Brachman (1994)에 의해 제시되어진 파형강관의 단면 환산방법을 적용하였다. 3차원 유한요소 모델에 실제 적용된 파형강관의 환산물성은 표 4와 같다.
성능/효과
- 뒤채움재로 사용한 현장발생 토사는 한국토지공사 "양산·물금지구 택지개발사업" 현장에 넓게 분포되어있는 시료로 기본특성은 현장 자연함수비 14.06%, 조립률 2.84, 균등계수(Cu) 7.29, 곡률 계수(Cg) 1.70, 비중 2.565로 통일분류법상 입도 분포가 좋은 모래 또는 자갈질의 모래인 SW로 판명되었다.
- ① 현장발생토 재활용 유동성뒤채움재의 지반 공학적 강도 정수, 즉 양생시간에 따른 내부마찰각 및 점착력 의 크기는 1일 양생시 11.6도 및 0.5kgf/cm2, 7일 양생시 12.6도 및 0.95kgf/cm2 으로 나타났다. 양생시간에 따라 점착력의 크기의 변화가 더욱 큰 것은 사용된 시멘트의 양생 효과에 따른 것으로 판단된다.
- 측정된 자료를 시공과정의 순서에 맞추어 정리한 결과를 그림 5에 나타내었다. 현장발생토를 이용한 뒤채움의 경우 최대변위는 하중 제거 직전에 발생한 10.34mm이고, 현장발생토 재활용 유동성뒤채움재의 경우 최대변위는 0.935mm로 측정되었다. 파형강관의 최외곽부에서의 변위는 관의 중심부변위의 약 60~70%수준으로 측정되었다.
- 차량하중을 이용한 하중재하 및 하중 제거시 발생하는 변형 량의 경우 뒤채움재의 종류에 따라 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 현장발생토사를 뒤채움 재로 이용한 경우 차량하중 재하시 연직변위 값이 약 1mm 이상 증가하였다.
- ④ PENTAGON 3D를 이용한 유한요소해석의 경우 해석 결과값의 절대값은 현장시험 및 모형챔버시험과 다소 차이가 있으나, 현장발생토 및 현장 발생토 CLSM의 뒤채움재의 변화에 따른 수직/수평 변위, 토압 및 변형률의 변화 경향은 같은 것으로 나타났다.
- 36mm 정도의 차이를 보였다. 그리고 관의 주요절점에 대한 변형량을 비교 검토하여 본 결과 관의 천단부에서 가장 큰 변형 량이 나타났으며 , 관의 저부로 내려갈수록 변위값이 작아짐을 알 수 있었다. 또한 뒤채움재로 유동성 뒤채움 재를 사용한 경우가 일반모래를 사용한 경우보다 주요절점의 변형 량이 작게 나왔으며 , 사용한 유동성 뒤채움재의 종류에 따라 사례 2와 사례 3을 비교하여 본 결과 방식사를 이용한 경우가 현장 발생 토사를 사용한 경우보다 주요절점의 변형량이 작게 나왔다.
- 셋째, 기존의 저강도 콘크리트 개념을 지반 공학에 적용하여, 시간에 따른 강도증진효과가 있기는 하지 만, 사용되는 시멘트량이 전체 재료의 약 5% 미만으로 재료의 특징이 콘크리트와는 상당히 다른 성질을 보여준다. 넷째, 혼합재료의 성질이 건조 및 포화가 반복되어도 크게 차이가 나지 않는다. 다섯째, 혼합재료의 특성이 초기에는 많은 유동성을 보이고, 시간이 지나면서 강도가 증진되므로, 각종 도로/ 지 반구조물 시 공시 시 공방법을 단순화 할 수 있다.
- 같은 조건에서 현장발생토 재활용 유동성뒤채움재를 이용한 경우 변위를 약 1/10수준으로 감소하였다. 다만, 시험에서 측정된 수평변위의 경우 초기시공과정에서 발생하는 변위량이 전체변위량에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 같은 조건에서 현장발생토 재활용 유동성 뒤채움 재를 이용한 경 우 변위를 약 1/10수준으로 감소하였다. 다만, 시험에서 측정된 연직변위의 경우 초기시공과정에서 발생하는 변위량이 전체 변위량에 큰 영 향을 주는 것으로 나타났다.
- 같은 조건에서 현장발생토 재활용 유동성 뒤채움 재를 이용한 경 우 변위를 약 1/10수준으로 감소하였다. 다만, 시험에서 측정된 연직변위의 경우 초기시공과정에서 발생하는 변위량이 전체 변위량에 큰 영 향을 주는 것으로 나타났다.
- 넷째, 혼합재료의 성질이 건조 및 포화가 반복되어도 크게 차이가 나지 않는다. 다섯째, 혼합재료의 특성이 초기에는 많은 유동성을 보이고, 시간이 지나면서 강도가 증진되므로, 각종 도로/ 지 반구조물 시 공시 시 공방법을 단순화 할 수 있다.
- 또한 뒤채움재로 유동성 뒤채움 재를 사용한 경우가 일반모래를 사용한 경우보다 주요절점의 변형 량이 작게 나왔으며 , 사용한 유동성 뒤채움재의 종류에 따라 사례 2와 사례 3을 비교하여 본 결과 방식사를 이용한 경우가 현장 발생 토사를 사용한 경우보다 주요절점의 변형량이 작게 나왔다. 뒤채움재의 종류에 따른 관의 주요부위에서의 변형 특성은 사용한 유동성 뒤채움재의 종류 및 유동성 뒤채움재의 강도특성과 상당한 관계가 있는 것으로 나타났다. 즉, 시간에 따른 양생과정을 거치면서 뒤채움 재의 강도가 발현되고, 강도가 발현된 유동성 뒤채움 재가 하나의 암반(rock mass)과 같은 거동특성을 나타내는 것을 의미한다.
- 또한, 상단부 및 하단부 45도 위치에서의 변형특성 역시 서로 상반되는 경향을 나타내고 있다. 뒤채움재의 특성을 고려한 변형률의 변화특성을 살펴보면, 현장 발생토를 이용한 CLSM 뒤채움재에서 발생한 변형량이 현장 발생토를 이용한 경우에 비해 상대적으로 작게 나타난 것을 확인하였다.
- 그리고 관의 주요절점에 대한 변형량을 비교 검토하여 본 결과 관의 천단부에서 가장 큰 변형 량이 나타났으며 , 관의 저부로 내려갈수록 변위값이 작아짐을 알 수 있었다. 또한 뒤채움재로 유동성 뒤채움 재를 사용한 경우가 일반모래를 사용한 경우보다 주요절점의 변형 량이 작게 나왔으며 , 사용한 유동성 뒤채움재의 종류에 따라 사례 2와 사례 3을 비교하여 본 결과 방식사를 이용한 경우가 현장 발생 토사를 사용한 경우보다 주요절점의 변형량이 작게 나왔다. 뒤채움재의 종류에 따른 관의 주요부위에서의 변형 특성은 사용한 유동성 뒤채움재의 종류 및 유동성 뒤채움재의 강도특성과 상당한 관계가 있는 것으로 나타났다.
- 이는 현장발생토 재활용 유동성 뒤 채움재에 사용된 2%의 시멘트 및 30%의 플라이애쉬가 뒤채움재의 강도특성을 매우 크게 증가시키고, 이로 인해 차량하중에 의한 요인을 최소화하는 것으로 판단된다. 또한, 관의 길이에 따른 차량하중에 의한 변위 값을 확인해 본 결과, 차량하중 바로 아래 부분에는 차량하중에 의한 영향이 있으나, 하중에서 수평으로 이동한 위치에서는 차량하중에 의한 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 차량하중이 뒤채움 재의 타설깊이 및 위치에 의해 크게 영향을 받음을 의미한다.
- 본 시험시공현장에 베딩재로 사용된 일반 모래의 기본특성은 최소건조단위중량(γdmin) 1.33t/m3 최대건조단위 중량(γdmin) 1.47t/m3, 조립률 2.88, 균등계수(Cu) 2.37, 곡률계수(Cg) 0.78, 비중 2.556으로 통일분류법상 입도분포가 나쁜모래 또는 자갈 질의 모래인 SP로 판명되었다.
- 16mm이다. 사례 1과 같은 조건에서 단지 뒤채움재를 유동성 채움재(CLSM) 종류를 달리 이용한 경우 차량하중을재하 하기 전의 관 변위와 지표면변위는 사례 1의 경우와 같은 수준으로 나타났고, 차량하중을 재하한 경우 지표면의 변위는 사례 1 경우의 사례 2는 38%, 사례 3은 61%정도 수준으로 나타났고, 관 변형은 사례 2는 80%, 사례 3은 90%정도의 수준인 것으로 나타났다. 이는 파형강관 시공시 유동성 뒤채움 재를 뒤채움 재로 이용하면 재료의 특징중 자기강도 발현 특성에 의해, 양생이 됨에 따라 파형강관 주변의 재료가 굳어 강성화 되고, 이것이 파형강관과의 일체화를 통한, 파형강관의 단면강도를 증진시켜준 효과로 해석할 수 있다.
- 이는 파형강관 시공시 유동성 뒤채움 재를 뒤채움 재로 이용하면 재료의 특징중 자기강도 발현 특성에 의해, 양생이 됨에 따라 파형강관 주변의 재료가 굳어 강성화 되고, 이것이 파형강관과의 일체화를 통한, 파형강관의 단면강도를 증진시켜준 효과로 해석할 수 있다. 사용한 유동성 뒤채움재의 종류 중에서는 방식사와 현장발생토사를 비교 및 검토해 본 결과 방식사를 이용한 유동성 뒤채움재 재료의 특성이 지표면의 변위 및 관 변형을 최소화할 수 있는 것으로 나타났다.
- 이들의 연구 결과로는 첫째, 혼합재료의 강도를 약 l kgf/㎠에서부터 10kgf/㎠정도까지 인위적으로 조절이 가능하고, 둘째, 투수계수가 모래질 흙과 점토질흙의 중간 정도인 실트질 흙과 비슷한 l0-5cm/sec의 크기를 가진다. 셋째, 기존의 저강도 콘크리트 개념을 지반 공학에 적용하여, 시간에 따른 강도증진효과가 있기는 하지 만, 사용되는 시멘트량이 전체 재료의 약 5% 미만으로 재료의 특징이 콘크리트와는 상당히 다른 성질을 보여준다. 넷째, 혼합재료의 성질이 건조 및 포화가 반복되어도 크게 차이가 나지 않는다.
- 이 연구의 결과로는 관의 측면부 (springings)와 천단부(crown)는 주 응력 방향으로 접선 방 향 응력이 0임을 알 수 있으며 천단부의 압축응력이 상재하중(overburden pressure, 9.8N/m2) 보다 커서 ㈠의 아칭효과(arching effect)가 발생함을 알 수 있었고, 베딩재가 모래인 경우 응력의 분포가 연속적으로 나타나나 암인 경우에는 베딩재가 시작되는 부분에서 불연속적인 양상(응력이 집중)을보임을 알 수 있었다. Peindl 등(1992-a, b)에 의해 수행된 유동성 재료 (fly-ash+concrete mixture)의 매설관 뒤채움재 적용에 관한 연구는 연속적인 교통 하중을 받는 환경에서 플라이애쉬와 콘크리트 혼합체(해당 논문에서는 ashcrete로 명칭)의 뒤 채움재로서의 편리성과 안정성을 증명하기 위해 대규모 현장시험을 실시하여 자료 및 결과를 정리하였다.
- (2001)의 관련연구가 진행되었다. 이들의 연구 결과로는 첫째, 혼합재료의 강도를 약 l kgf/㎠에서부터 10kgf/㎠정도까지 인위적으로 조절이 가능하고, 둘째, 투수계수가 모래질 흙과 점토질흙의 중간 정도인 실트질 흙과 비슷한 l0-5cm/sec의 크기를 가진다. 셋째, 기존의 저강도 콘크리트 개념을 지반 공학에 적용하여, 시간에 따른 강도증진효과가 있기는 하지 만, 사용되는 시멘트량이 전체 재료의 약 5% 미만으로 재료의 특징이 콘크리트와는 상당히 다른 성질을 보여준다.
- 차량하중을 이용한 하중재하 및 하중 제거시 발생하는 변형 량의 경우 뒤채움재의 종류에 따라 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 현장발생토사를 뒤채움 재로 이용한 경우 차량하중 재하시 연직변위 값이 약 1mm 이상 증가하였다.
- 차량하중을 이용한 하중재하 및 하중 제거시 발생하는 변형 량의 경우 뒤채움재의 종류에 따라 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 현장발생토사를 뒤채움 재로 이용한 경우 차량하중 재하시 연직변위 값이 약 1mm 이상 증가하였다.
후속연구
- 이에 본 연구에서는 파형강관용 뒤채움재 연구를 수행하였다. 연구의 주안점은 두 가지 상이한 특성에 대한 내용으로, 첫 번째는 뒤채움재의 강도특성을 강화하여 파형강관의 변형을 최소화 하는 것으로, 즉 관상부의 하중을 뒤채움 재로 분산되도록 하는 기 능을 수행 할 수 있는 재료이어야 한다. 둘째는, 뒤채움재의 강도가 충분히 작아서 재굴착이 가능하여야 한다는 것이다.
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