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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 EPS 적용지반의 장기 거동특성을 파악하기 위하여, EPS가 연약지반상 교대배면 뒷채움재로 적용된 후 5년이 경과한 현장에 대하여 시추 조사, EPS 시료채취, 현장 및 실내시험을 수행하였으며, 각종 시험결과 및 시공시 측정한 지반거동 계측자료를 고려한 유한요소해석 결과를 분석하여 장기 지반 거동특성 파악을 통한 EPS공법의 흐]중경감 효과 및 측방 유동 방지대책으로의 적용성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- EPS가 적용된 교대배면 뒷채움 지반의 장기 거동특성을 파악하기 위하여 EPS 채취시료와 공장제품에 대한 내구성 및 크리프 특성을 비교하였으며, 각종 조사 . 시험 결과 및 시공시 측정한 지반거동 계측자료를 고려한 유한요소해석 수행결과를 바탕으로 교대구조물에서 성토뒷채움 경우와 EPS뒷채움 경우를 비교하여 EPS 적용후 현재까지(약 5년경과)의 장기 지반거동 특성을 검토한 결과는 다음과 같다.
- 따라서, 이에 대한 대책방안으로 주변현황, 경제성 및 시공성 등을 종합하여 EPS공법을 적용하였다.
- 1Ot0m2(5%변형 시 강도의 약 47%) 이 가해진 상태에서 시간경과에 따른 변형량을 측정하였다. 또한 초기조건의 EPS를 5%변형시 압축응력의 50%에 해당하는 응력을 가하여 시간경과에 따른 변형량을 측정하였으며, EPS에 대한 크리프 시험 결과는 그림 9와 같다.
- 또한, 지반의 경계면 조건은 하단은 수직, 수평 방향으로 고정시키고 양 측면은 수평방향만 고정시켰으며, 배수 조건은 원지반 상부와 모래층에서 배수가 이루어져 양면 배수 조건으로 하였고, 해석조건은 평면 변형률 조건으로 실시하였다. 한편, 시공단계별 모델링은 표 6에 나타내었다.
- 본 연구구간은 교대배면의 뒷채움으로 성토를 수행한 A1 교대부와 EPS 뒷채움을 수행한 A2교대부로 구분되며, 조사위치는 그림 5와 같이 성토부 외측의 원지반 특성을 파악하기 위한 조사 2공(BH-4, BH-8) 및 성토 높이에 따른 지반거동특성 파악을 위한 성토법면부 조사 6공을 수행하였으며, 원지반과 성토구간 및 EPS 구간에 대한 Piezocone시험을 수행하였다.
- 본 연구대상은 교대 배면구간으로 도로계획에 따른 계획고를 포함한 최종성토고는 12.0m로써, 연 약점 성토 층이 12.0m이상임을 고려할 때 발생침하량은 129.9cm 로 나타나며, 연약지반 무처리시, 소요압밀도에 도달하기 위한 개량기간은 약 12년 정도로서 공기 충족을 위한 연약지반 압밀촉진대책 및 사면부 측방유동 대책 필요에 따라 표 1과 같이 중앙부는 배수에 효과적인 SD(Sand Drain)공법, 사면부는 측방유동에 효과적인 SCP(Sand Com paction Pile)공법을 차등 적용하였다. 시공순서 및 시공 일자는 표 2와 같다.
- 본 연구의 도로 계획고는 10.0m, 여성고는 2.0m, 최종성토고는 12.0m로 4단계 성토시 최종성토고인 12m까지 성토 후 압밀 방치하였으며, 교대구조물 시공을 위해 7.4m 터파기 후 EPS블록과 일반토사로 뒷채움을 실시하였다. 뒷채움으로 인해 발생하는 교대배면지반 침하량을 검토한 결과, 지반개량 완료 후 뒷채움 적용으로 침하 발생은 작게 나타났다.
- 본 장에서는 EPS가 적용된 지반의 장기 거동특성을 파악하기 위하여 현장 및 실내시험을 통한 시공전 원지반과 시공후 지반특성 변화를 검토하였으며, 현장 계측자료 분석을 바탕으로 실제 지반거동을 반영한 유한요소해석을 통하여 EPS 적용지반의 거동특성을 파악하였다
- 2를 사용하였다. 본 프로그램은 유한요소해석 프로그램으로서 대변형 시의 압밀해석에 합리적이고 자중압밀을 고려할 수 있으며 간극비 변화에 따라 유효응력 및 투수계수의 비선형적 거동을 통한 압밀거동을 예측할 수 있다. 특히, 현장의 시공상황을 적극적으로 해석에 반영할 수 있어 시공단계별 지반의 응력분력분포를 정확히 파악할 수 있는 장점이 있다.
- 시험 결과 및 시공시 측정한 지반거동 계측자료를 고려한 유한요소해석 수행결과를 바탕으로 교대구조물에서 성토뒷채움 경우와 EPS뒷채움 경우를 비교하여 EPS 적용후 현재까지(약 5년경과)의 장기 지반거동 특성을 검토한 결과는 다음과 같다.
- 중요한 특성 중의 하나이다. 이들의 특성을 알아보기 위해 본 연구에서는 표준압밀 시험기를 이용하여압밀링을 제거한 후 시료를 50x50x50mm의 시편으로 제작하여 응력증가분 4.1Ot0m2(5%변형 시 강도의 약 47%) 이 가해진 상태에서 시간경과에 따른 변형량을 측정하였다. 또한 초기조건의 EPS를 5%변형시 압축응력의 50%에 해당하는 응력을 가하여 시간경과에 따른 변형량을 측정하였으며, EPS에 대한 크리프 시험 결과는 그림 9와 같다.
- 1cm 회복되는 것으로 분석되었다. 이러한 침하 발생 경향을 바탕으로 지반거동 특성 파악을 위한 유한요소 해석시 현장 침하발생 상황에 유사성을 갖도록 설계적용 물성치를 조정하여 반영하였다
- 일반적으로 EPS 시공에 있어서, 상재하중에 대응하는 심도로 굴착한 다음 EPS를 시공하는 방안을 적용하고 있으나, 본 구간의 경鮮느 상재하중에 대응하는 하중을 사전 재하하여 초기에 압밀침하를 유도한 다음 EPS를 시공하는 개념을 적용하였으며, EPS 적용구간에 대한 단면을 나타내면 그림 3 및 그림 4와 같다.
- 채취시료와 공장제품 EPS에 대하여 100, 000회의 일축반복재하시험을 실시한 경우의 변형 특성을 시험하였다. 시험에 사용한 시편의 크기는 50x50x50mm(±3mm) 의 정육면체로 단위체적중량 O.
- 하중은 교대의 수평변위를 방지하기 위해 교대의 뒷채움 일정구간을 EPS로 재하하고, 나머지 구간은 일반토사로 재하 하였으며, 하중 재하단계는 실제 성토속도와 같도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구대상 구간은 표 4와 같이 연직배수재 설치, 재하성토 및 제거, 교대구조물 설치 및 EPS시공, 포장의 단계로 시공되었으며, 검토단면은 그림 4에 나타낸 바와 같다
- 시험에 사용한 시편의 크기는 50x50x50mm(±3mm) 의 정육면체로 단위체적중량 O.Sltf/n?의 EPS를 사용하였다. 일축압축강도에 대한 동적 재하응력비는 0.
이론/모형
- 본 연구에서는 연약지반 거동특성을 파악하기 위해 수치해석 프로그램인 SAGE CRISP 5.2를 사용하였다. 본 프로그램은 유한요소해석 프로그램으로서 대변형 시의 압밀해석에 합리적이고 자중압밀을 고려할 수 있으며 간극비 변화에 따라 유효응력 및 투수계수의 비선형적 거동을 통한 압밀거동을 예측할 수 있다.
- 한편, EPS 재료의 거동을 묘사하기 위한 수치해석 모델은 국외에서는 South Dakota(1992)에서의 연구가 유일하며, 국내에서는 천병식 등(1996)이 EPS의 응력-변형률 특성 묘사 함수식에 포함된 계수의 산정을 개선한 비선형 모델을 제안한 바, 본 연구에서는 비선형 모델을 적용하였다.
- 한편, 하부 점성토 지반은 Modify Cam-Clay 모델을 적용하였으며, 연직배수공법(SD, SCP)에 의한 지반개량 완료후 말뚝기초 시공 및 구조물, EPS를 시공하는 단계를 모델링 하였다.
성능/효과
- (1) EPS 채취시료와 공장제품에 대한 흡수성, 크리프 및반복재하특성을 비교 분석한 결과, 재료의 장기 변형 특성은 시간에 따라 큰 영향을 받지 않으며, 구속압에 의해 EPS 비드 입자는 압축되어 흡수율이 감소되고, 반복재하 시험에서 변형은 일정한 회수 이후에 그 경향이 현저하게 낮아지는 것으로 나타나 시공 초기의 변형 발생 후 발생되는 변형이 거의 없을 것으로 판단된다.
- (3) 교대 뒷채움 재료에 따른 배면지반의 수평거동 특성을 검토한 결과, 지반개량 완료단계 및 공용후 현재까지 수평변위는 성토 뒷채움에 비해 EPS 뒷채움 구간이 작은 것으로 밝혀졌다.
- (4) 교대배면의 수평응력 검토결과, EPS 뒷채움 구간은 심도에 따라 감소하는 경향을 보이며, 성토 뒷채움 구간은 증가 경향을 보이는 바, EPS에 의해 수평응력을 크게 경감시킬 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 연직 응력검토 결과, 성토 뒷채움 지반에 비하여 EPS 뒷채움 지반의 연직응력이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다.
- (5) EPS적용 위치에 따른 지반 거동특성 검토결과, EPS 적용위치가 높을수록 수직변위는 다소 크나 수평 변위는 오히려 작은 특성을 보이는 것을 알 수 있었다.
- EPS 적용위치에 따른 지반거동 특성 검토결과, A 지점의 경우, 수직변위 6.8mm, 수평변위는 12.0mm, B 지점의 경우 수직변위 14.4mm, 수평변위는 10.4mm, C 지점의 경우는 수직변위 21.7mm, 수평변위는 5.5mm로 나타났으며, 수직변위는 측방유동 발생 경향과 유사하게 제 체 중앙에서 바깥쪽으로 감소하며, 수평변위는 제 체 중앙에서 바깥쪽으로 증가하는 경향으로 나타나, EPS 적용높이가 높을수록 수직변위는 크나 수평변위는 작은 특성을 보인다.
- EPS 적용지반의 상대밀도를 파악하고자 시추작업과 병행하여 실시한 표준관입시험 결과, 시공전 지반의 N 값과 금회조사(시공후 5년정도 경과)의 N값을 비교한 결과는 그림 7 및 그림 8과 같이 원지반에 비해 다소 증가된 경향을 보이고 있으며, EPS 뒷채움 구간의 증가 경향이 성토 뒷채움 구간에 비해 작은 것으로 나타났다.
- EPS를 연약지반위에 성토할 경우, EPS 및 부대 공의 자중과 도로포장 두께의 자중, 교통하중 등 상재 하중에 의하여 과도한 잔류침하가 발생할 가능성이 있으며, 연 약지 반상에 교대를 시공할 경우, 교대배면 성토 하중으로 인하여 측방유동이 발생할 가능성이 큰 것으로 나타났다. 따라서, 이에 대한 대책방안으로 주변현황, 경제성 및 시공성 등을 종합하여 EPS공법을 적용하였다.
- EPS의 흡수성은 지하수에 노출시간이 지속됨에 따라 흡수율이 초기에 증가하는 것을 확인하였으며, 채취 시료의 경우 수침일 32일까지 4.50%의 흡수율을 나타냈고, 공장제품의 경우 32일까지 4.65%의 흡수율을 나타났다. 공장제품 EPS의 경우 시공이력이 있는 EPS보다 흡수율이 다소 큰 것으로 나타났다.
- 공장제품은 채취시료에 비하여 변형률이 1.16배 정도 크게 나타났으며, 이는 채취시료의 경우 성토 및 차량 하중에 의해 압축되어 공장 제품 EPS보다 변형이 작게 일어나는 것으로 판단되며, 채취시료의 경우 10일 이후에 변형이 일정한 값에 수렴하는 경향을 나타냈고, EPS 재료의 장기 변형 특성은 시간에 따라 큰 영향을 받지 않는 것으로 사료된다.
- 교대 뒷채움 시공에 따른 배면지반의 공용후 지중 경사계에 의한 수평변위 계측결과는 그림 15에 나타낸 바와 같이 성토뒷채움 구간에서는 최대 22.5mm로 나타났으며, EPS 뒷채움 구간은 최대 12.6mm로서 EPS 적용구간의 수평변위가 작은 것으로 나타난다.
- 교대배면의 수평토압 발생을 검토한 결과, 성토 뒷채움 구간의 경우, 뒷채움 표면에서 18.5kPa의 수평 응력이 발생하여 심도에 따라 증가하여 뒷채움 구간 하부에서 33.7kPa의 응력을 보이는 것으로 나타났으며, EPS 뒷채움 구간은 EPS 상부면에서 2.3kPa의 수평응력이 발생 후 심도증가에 따라 감소하여 하부면에서는 1.5kPa로감소된 것으로 나타났다. 따라서, 수평토압의 경우, EPS 뒷채움 구간은 심도에 따라 수평응력이 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타나며, 성토 뒷채움 구간은 심도에 따라 수평응력이 증가하는 것으로 나타나 교대 배면을 EPS재료로 뒷채움 할 경우, 교대에 작용하는 수평 응력을 크게 경감시킬 수 있을 것이다.
- 4m 터파기 후 EPS블록과 일반토사로 뒷채움을 실시하였다. 뒷채움으로 인해 발생하는 교대배면지반 침하량을 검토한 결과, 지반개량 완료 후 뒷채움 적용으로 침하 발생은 작게 나타났다. 그러나 뒷채움 재료의 차이로 인한 침하발생 정도는 그림 17에서와 같이 EPS 뒷채움 구간이 4배 정도 작은 것으로 나타나 EPS블록에 의해 상재흐卜중을 경감시킴으로서 제체침흐]■를 현저히 감소시킬 수 있는 것으로 판단된다.
- 5kPa로감소된 것으로 나타났다. 따라서, 수평토압의 경우, EPS 뒷채움 구간은 심도에 따라 수평응력이 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타나며, 성토 뒷채움 구간은 심도에 따라 수평응력이 증가하는 것으로 나타나 교대 배면을 EPS재료로 뒷채움 할 경우, 교대에 작용하는 수평 응력을 크게 경감시킬 수 있을 것이다.
- 7cm보다 작게 평가된다. 또한 하중 제거 시에 따른 침하량은 71cm로 분석되어 최종침하량 79.1cm에 비해 약 8.1cm 회복되는 것으로 분석되었다. 이러한 침하 발생 경향을 바탕으로 지반거동 특성 파악을 위한 유한요소 해석시 현장 침하발생 상황에 유사성을 갖도록 설계적용 물성치를 조정하여 반영하였다
- 또한, 교대 뒷채움 재료에 따른 배면지반의 수평거동 특성을 검토한 결과는 그림 19 및 그림 20과 같이 지반개량 완료단계의 경우, 성토 뒷채움 구간은 26.4cm, EPS 뒷채움 구간은 18.5cm로 나타나며, 공용후 현재까지의 경우, 성토 뒷채움 구간은 0.78cm, EPS 뒷채움 구간은 0.16cm로서 변위발생 정도는 작으나, 수평 변위는 성토 뒷채움 구간에 비해 EPS 뒷채움 구간이 작은 것으로 나타났다.
- 또한, 교대배면의 연직응력을 검토한 결과, 성토 뒷채움 구간은 26.9kPa의 연직응력이 발생하여 심도에 따라 증가하여 121.2kPa까지 비례적으로 증가하였으며, EPS 뒷채움 구간은 EPS 상부면에서 11.9kPa의 연직 응력이 발생하여 하부면에서는 12.6kPa의 응력을 보이는 것으로 나타났다.
- 경감시킬 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 연직 응력검토 결과, 성토 뒷채움 지반에 비하여 EPS 뒷채움 지반의 연직응력이 크게 감소됨을 확인할 수 있었다.
- 본 연구대상 구간의 연약층(퇴적토층)은 자연함수비 (%)가 19.9-52.1%, 액성한계(WL)28.9-65.7%, 소성지수(Ip) 4.2-37.2% 정도로 나타나며, 연경지수 분포상황으로 미루어 볼 때, 심도 6.0m까지는 불안정한 상태이며, 6.0m이하의 심도에서는 중간 내지 안정한 상태를 보인다.
- 같다. 분석결과, 4단계 재하성토에 따른 최종침하량은 79.1cm로 나타났으며, 이론식에 의한 설계침하량 124.7cm보다 작게 평가된다. 또한 하중 제거 시에 따른 침하량은 71cm로 분석되어 최종침하량 79.
- 분석결과, 간극수압은 재하성토 단계에 따른 과잉간극수압의 발생으로 상승한 후 빠르게 소산되는 되는 경향을 보였으며, 이러한 원인은 대상구간에 연약지반개량공법으로 타설된 Sand Drain 및 SCP에 의한 것으로 판단된다.
- 불교란 시료에 대한 물리적 특성시험 결과, 표 3과 같이 조사지점과 인접한 시공전 시추공의 원지반 물리적 특성과 비교하여 함수비는 45.2%에서 39.7%로 낮아졌으며, 액성한계는 60.9%에서 37.5%로 소성지수는 33.7% 에서 12.1%로 낮아진 것으로 나타나 지반개량 특성을 보이는 것으로 나타났다.
- 상기 검토에서와 같이 수평토압의 경우, EPS 뒷채움구간은 심도에 따라 수평응력이 감소하며, 성토 뒷채움구간은 심도에 따라 수평응력 이 증가하는 것으로 나타나 교대 배면을 EPS재료로 뒷채움할 경우, 교대에 작용하는 수평응력을 크게 경감시킬 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 교대배면의 연직응력의 경우, 성토 뒷채움 지반에 비하여 EPS 뒷채움 지반의 연직응력이 크게 감소되는 것으로 나타나 우수한 상재하중 저감 효과를 보이는 것으로 판단된다.
- 상기와 같이 성토하중에 의하여 발생되는 연직변위 및 측방 변 위는 공용후 보다는 성토가 진행되는 기간중에 더 크게 발생함을 알 수 있으며, 성토후 성토 뒷채움 구간의 경우보다 EPS 뒷채움 구간의 기울기가 작은 것으로 나타나 측방변위 방지대책으로 효과적인 것으로 사료된다.
- 수평거동 특성 검토결과, 수평변위가 가장 크게 발생한 지점(성토 선단부)에서의 시공단계에 따른 수평 변위를 살펴보면 그림 18과 같이 지반개량 완료시점까지 최대 수평변위량은 34.5cm이고, 도로공용 이후 현재까지의 수평변위는 지표에서 최대 0.17cm 발생하여 심도에 따라 점차 감소하는 경향으로서 수평변위는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다.
- 역학적 특성으로 일축압축강도(%)는 0.16 〜0.94 kg伪m2, 예민비는 1.2〜 15.9의 범위를 보이며, 삼축 압축시험(UU) 결과 비배수전단강도는 0.19-1.36 kgfcm2, 전단저항각은 0° 를 나타내었다. 또한, 압밀시험결과, 초기간극비(魅)는 0.
- 연구구간의 지하수위는 GL(-)0.6~0.9m (EL(+)3.9~ 4.1m)의 심도에 분포하며, 지하수위 변화양상은 연 직배 수공 법으로 적용된 Sand Drain 및 SCP에 의해 성토하중재하에 따른 과잉간극수압 소산이 빠르게 진행됨에 따라 지하수위의 변화는 크지 않은 것으로 나타난다.
- 6~ 4.4 国n?정도로 나타나 시공전과 비교하여 전단 강도가 약 44〜76%(평균 60%) 증가한 것으로 나타났다.
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