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문제 정의
- 본 연구에서는 표층보강재를 이용한 연약지반 표층처리공법의 기초적 연구로서 지지력 개선효과에 미치는 보강재의 구속조건의 영향을 조사하고 설계에 사용되는 설계정수를 추정하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 직포, 지오그리드, 강봉(대나무 대채재료)을 이용하여 보강재의 단부 구속조건을 완전구속, 부분구속(3종류)으로 한 24 종류의 실내모형실험을 수행하였다.
가설 설정
- 보강재가 수평면과 이루는 경사각 θ는 그림 10에 나타내는 것과 같이 재하판의 단부 A점에서 보강재에 접하는 접선이 수평면과 이루는 각도로 정의하였다. 또한 가상원은 矢島등(1988)과 같이 재하판 단부A점과 점토지반의 변형이 발생하는 C점을 연결하는 가상의 원으로 상정하였다. 그러나 그림 11과 같이 본 연구 에서 실시한 실내모형실험 결과로부터 상기 제시된 방법으로는 융기막의 원을 상정하기 어려운 것을 알 수 있다.
제안 방법
- 실내모형실험에 사용된 보강재로는 PP직포와 지오그리드(A, B, C), 강봉(대나무 대체재료)로, 지오그리드 시료는 폴리에스테르 레진(resin)을 압축실린더에 통과시켜 평평한 바(bar)형태로 추출한 후 냉각, 연신공정을 통하여 고강도의 스트립(strip) 형태로 만들고, 이를 격자형으로 교차시켜 레이저 기법으로 용접하여 제조한 결합형 지오그 리드이다. 또한 대나무 대체재료 선정을 위하여 강성도시험(켄텔레버시험과 굴곡시험)을 실시하였다.
- 본 실내모형실험에서는 최대 100mm까지 측정가능하며 오차범위 1/100mm 변위를 측정할 수 있는 자기저항식 변위계(LVDT)와 연약 지반 표층처리재의 정성적인 거동을 실시간으로 측정하기 위하여 최대측정범위는 200mm로 오차범위가 1/100mm인 비접촉 변형율게이지(Laser Displacement Transducer)를 이용하였다. 변위계 설치 간격은 예비실험을 통해 결정하였으며 이를 이용하여 성토체 중앙부의 침하와 인접지반의 연직변위를 측정하였다. 그림 3에 제작한 실내 모형 시험 장치의 계통도, 그림 4에 보강재의 표층거동 분석을 위한 LVDT의 위치를 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 광양점토의 함수비를 94.7%(약 2LL)과 124%(약 3LL)로 조절하여 실내모형실험에 사용하였으며, 사용된 점토시료의 전단특성을 조사하기 위하여 전동식 디지털 베인전단시험기를 이용한 전단시험을 실시하였다. 측정결과 함수비 124%의 지반의 전단강도는 1.
- 표층보강재의 구속방법은 완전구속, 부분구속조건의 2가지 조건에서 실시하였다. 보강재의 단부에 T=23.
- 0kgf 의 선행하중을 가하여 보강재의 느즈러짐을 펴고, 본 연구에서 제작한 클램프를 이용하여 보강재 양 단부를 고정시키는 것을 완전구속조건, 보강재의 단부에 추를 이용하여 선행하중을 가하는 것을 부분구속조건이라고 정의하였다. 부분구속의 선행하중은 23.0kgf, 55.6kgf, 85.6kgf의 3종류로 실시하였다.
- 재하방법은 실제 현장에서의 급속시공(비배수조건)을 모사하기 위하여 급속하중을 기본으로 하며, 2개의 모터를 이용해 실시하였다. 먼저 제1모터를 이용하여 재하속도 400mm/min로 각 단계별 하중의 ±1.
- 01kgf까지 재하를 실시하였다. 각 단계의 재하가 완료된 후 15분경과 시에 차기 하중을 증가시키는 방법으로 점토지반의 중앙에서 단계적으로 하중을 재하하였다. 각 단계별의 정적재하 시간은 예비모형실험을 통해 결정하였고, 하중 증가 없이 침하가 지속적으로 진행되는 하중을 극한하중(Ultimate load)으로 정의하여 극한하중에서 각각의 실험을 종료하였다.
- 각 단계별의 정적재하 시간은 예비모형실험을 통해 결정하였고, 하중 증가 없이 침하가 지속적으로 진행되는 하중을 극한하중(Ultimate load)으로 정의하여 극한하중에서 각각의 실험을 종료하였다. 시험 종료 후에는 본 연구에서 제작한 교반기를 이용하여 토조안에서 직접 교반시킨 후 차기 시험을 실시하였다. 표 7에 실시한 실내모형 실험 조건을 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 실내모형실험으로부터 얻어진 결과를 이용하여 지지력 기본식에 포함되어 있는 미지의 파라미터를 산정하여 矢島등(1988)에 의해 산정된 기존의 연구결과와 비교 분석하였다. 보강재가 수평면과 이루는 경사각 θ는 그림 10에 나타내는 것과 같이 재하판의 단부 A점에서 보강재에 접하는 접선이 수평면과 이루는 각도로 정의하였다.
- 지지력개선효과에 미치는 보강재의 구속조건의 영향을 평가하기 위하여 보강재의 재료특성이 서로 다른 직포, 지오그리드, 강봉을 이용하여 보강재의 단부 구속조건을 달리한 실내모형실험을 수행하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 재하판의 단부와 최대융기위치를 연결하는 가상원을 상정하여, 현의 길이 L(m), 현과 수평면과 이루는 각을 φ(deg), 점토지반의 최대융기량을 △Hmax(m), 재하판단부와 최대융기량이 발생하는 위치까지의 수평거리를 H(m)로 하여 기하학적으로 식 (3)과 식 (4)를 이용하여 현의 길이 L(m)과 융기망의 반경 r(m)을 구하였다.
- 먼저 제1모터를 이용하여 재하속도 400mm/min로 각 단계별 하중의 ±1.0kgf까지 재하한 후, 제2모터를 이용하여 재하속도 0.1mm/min로 각 단계별 하중의 ±0.01kgf까지 재하를 실시하였다.
- 본 실내모형실험에서는 최대 100mm까지 측정가능하며 오차범위 1/100mm 변위를 측정할 수 있는 자기저항식 변위계(LVDT)와 연약 지반 표층처리재의 정성적인 거동을 실시간으로 측정하기 위하여 최대측정범위는 200mm로 오차범위가 1/100mm인 비접촉 변형율게이지(Laser Displacement Transducer)를 이용하였다.
- 본 연구에서는 표층보강재를 이용한 연약지반 표층처리공법의 기초적 연구로서 지지력 개선효과에 미치는 보강재의 구속조건의 영향을 조사하고 설계에 사용되는 설계정수를 추정하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 직포, 지오그리드, 강봉(대나무 대채재료)을 이용하여 보강재의 단부 구속조건을 완전구속, 부분구속(3종류)으로 한 24 종류의 실내모형실험을 수행하였다.
- 굴곡시험은 시편을 일정한 거리(1,000mm)만큼 떨어져 있는 두개의 지점에 올려놓고 시편의 파괴가 발생할 때까지 시험속도 10mm/min로 시편이 놓인 수직방향으로 하중을 가해 응력과 굴곡을 측정하였다(그림 1 참조). 시료로는 현장에서 일반적으로 사용되는 외경 50mm의 청죽과 흑선으로 제작된 철망, 스테인리스로 제작된 강봉을 이용하였다.
- 본 연구에서는 실내모형시험에 사용되는 강성 및 비강성보강재의 강성도를 비교하기 위하여 비강성 보강재(직포, 지오그리드)를 이용하여 실시한 캔틸레버시험결과를 외팔보의 처짐으로 가정하고, 비강성 보강재의 자중을 등분포하중으로 산정하여 식 (2)를 이용해 강성도를 평가하였다.
- 각 단계의 재하가 완료된 후 15분경과 시에 차기 하중을 증가시키는 방법으로 점토지반의 중앙에서 단계적으로 하중을 재하하였다. 각 단계별의 정적재하 시간은 예비모형실험을 통해 결정하였고, 하중 증가 없이 침하가 지속적으로 진행되는 하중을 극한하중(Ultimate load)으로 정의하여 극한하중에서 각각의 실험을 종료하였다. 시험 종료 후에는 본 연구에서 제작한 교반기를 이용하여 토조안에서 직접 교반시킨 후 차기 시험을 실시하였다.
- 보강재로 보강된 지반의 항복응력 pyr은 그림 5에서와 같이 S-P 곡선법을 이용하여 평가하였다. 또한 보강재의 지지력 증대 효과를 평가하기 위하여 보강 전 원지반의 항복응력(pyn)과 보강 후 재하시험에서 얻어진 항복응력(pyr)의 비로 정의되는 지지력비(Bearing Capacity Ratio)를 산정하여 평가하였다. 그 결과를 표 8에 나타내고 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 전라남도 광양항 3단계 3차 예정지구현장에서 채취한 해성점토를 실내모형실험의 모형지반에 사용하였다. 채취된 시료를 대상으로 물리적 특성과 역학적 특성을 조사하기 위해 각종 토질시험을 실시한 결과 광양 점토시료는 비중 2.
- 굴곡시험은 시편을 일정한 거리(1,000mm)만큼 떨어져 있는 두개의 지점에 올려놓고 시편의 파괴가 발생할 때까지 시험속도 10mm/min로 시편이 놓인 수직방향으로 하중을 가해 응력과 굴곡을 측정하였다(그림 1 참조). 시료로는 현장에서 일반적으로 사용되는 외경 50mm의 청죽과 흑선으로 제작된 철망, 스테인리스로 제작된 강봉을 이용하였다. 이하 각각 “대나무”, “철망”, “강봉”으로 기술한다.
- 대나무 및 강봉의 강성도를 평가한 결과를 표 5에 나타내고 있다. 대나무의 강성도는 184.18kgf･m2, 철망은 0.06kgf･m2, 강봉은 2.76kgf･m2인 것을 알 수 있으며, 실내모형실험장치에서 적용가능하고 품질이 균질한 실험재료로서, 현장에서 사용하는 대나무 보다는 강성도가 현저히 작으나 철망보다는 강성도가 우수한 강봉을 선정하였다.
- 본 연구에서 제작한 실내모형실험기는 모형토조, 재하장치, 계측장치로 구성되어 있다. 모형토조 크기는 길이 2000mm, 높이 1000mm, 폭 500mm이며, 수치해석을 통한 경계조건을 조사하여 결정하였다.
- 본 연구에서 제작한 실내모형실험기는 모형토조, 재하장치, 계측장치로 구성되어 있다. 모형토조 크기는 길이 2000mm, 높이 1000mm, 폭 500mm이며, 수치해석을 통한 경계조건을 조사하여 결정하였다. 본 실내모형실험에서는 최대 100mm까지 측정가능하며 오차범위 1/100mm 변위를 측정할 수 있는 자기저항식 변위계(LVDT)와 연약 지반 표층처리재의 정성적인 거동을 실시간으로 측정하기 위하여 최대측정범위는 200mm로 오차범위가 1/100mm인 비접촉 변형율게이지(Laser Displacement Transducer)를 이용하였다.
- 본 연구에서는 수평 플랫폼의 면적이 91.0cm×115cm인 시험기를 제작하여 캔틸레버 시험을 수행하였다.
이론/모형
- 강성도시험(Stiffness Test)은 보강재의 강성도를 측정하기 위하여 실시하는 시험으로, ASTM D1388에 규격화 되어 있다. 시험으로는 캔틸레버시험과 굴곡시험이 있으며, 본 연구에서는 비강성시료(직포, 지오그리드)는 캔틸레버법을 이용하여 강성도를 조사하였고, 강성재료의 강성도 평가와 대나무 망 대체재료를 선정하기 위하여 굴곡 시험(KS M 3830)을 수행하였다.
- 그림 6은 전 시료의 실내모형실험 결과를 재하응력과 침하량과의 관계로 나타낸 것이다. 보강재로 보강된 지반의 항복응력 pyr은 그림 5에서와 같이 S-P 곡선법을 이용하여 평가하였다. 또한 보강재의 지지력 증대 효과를 평가하기 위하여 보강 전 원지반의 항복응력(pyn)과 보강 후 재하시험에서 얻어진 항복응력(pyr)의 비로 정의되는 지지력비(Bearing Capacity Ratio)를 산정하여 평가하였다.
성능/효과
- 표 5로부터 지오그리드 A, B, C 모두 거의 동일한 강성도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 표 5와 표 6의 결과를 비교해 보면 직포의 강성도는 0.01kgf･m2로 본 연구에서 사용한 재료 중 가장 작을 값을 나타내며, 대나무 대체재료로 선정한 강봉은 직포의 276배의 강성도를 나타내는 것을 알 수 있다.
- 이상의 결과를 정리하면 소정의 단부 구속응력까지는 단부 구속응력의 증가에 따라 보강재와 점토지반사이의 마찰력의 증가로 인해 BCR값이 증가되고, 소정의 구속응력 부터는 완전구속조건과 동일한 효과를 나타내며 지지력개선효과에 미치는 마찰력의 영향은 감소되는 것으로 평가된다.
- 본 연구에서 사용된 직포와 지오그리드의 θ는 西林(1980)에 의해 제안된 범위보다 전반적으로 큰 결과를 나타내고 있으며, 강봉은 작은 결과를 나타내고 있다.
- 그림 7에 항복응력에서의 보강재의 강성도에 따른 지지력비의 변화형태를 나타내고 있다. 그림으로부터 직포, 지오그리드A, 강봉 모두 강성도의 증가에 따라 BCR값도 함 께 증가되는 선형적인 관계가 확인되었다. 또한 직포, 지오그리드A, 강봉 모두 보강재 단부 구속응력이 55.
- 1. 원지반의 허용지지력을 Terzaghi 지지력 이론식으로 평가한 결과 함수비 w=94.7%의 원지반의 허용지지력은 qa=0.45tf/m2 , 함수비 w=124% 지반은 qa=0.13tf/m2인 것으로 확인되었고, 이 값은 실내모형실험을 통해 얻은 값의 각각 3.6배 및 2.3배에 해당한다.
- 2. 항복응력에서 보강재의 강성도의 증가에 따라 BCR값도 함께 증가되는 선형적인 관계가 확인되었다.
- 3. 소정의 단부 구속응력까지는 단부 구속응력의 증가에 따라 보강재와 점토지반사이의 마찰력의 증가로 인해 BCR값이 증가되고, 소정의 구속응력 부터는 완전구속 조건과 동일한 효과를 나타내며 지지력개선효과에 미치는 마찰력의 영향은 감소한다.
- 4. 직포의 보강재가 수평면과 이루는 경사각 θ는 38°～ 50°에 해당하며 지오그리드A는 45°～50°, 강봉은 1 4°～16° 인 것으로 평가되었고, 융기망의 반경 r(m)은 직포가 0.6m～0.7m, 지오그리드가 0.5m～0.8m, 강봉이 2.4m～3.0m로 강성재료인 강봉은 비강성 재료인 직포의 약 4배에 해당하는 것으로 평가되었다.
- 본 연구에서는 전라남도 광양항 3단계 3차 예정지구현장에서 채취한 해성점토를 실내모형실험의 모형지반에 사용하였다. 채취된 시료를 대상으로 물리적 특성과 역학적 특성을 조사하기 위해 각종 토질시험을 실시한 결과 광양 점토시료는 비중 2.65, 액성한계(LL) 45.9% 및 소성지수(PI) 24.2%이며, 통일분류법의 분류기준에 의하면 CL로분류되는 것으로 확인되었다. 표 1에 물성시험결과를 나타내었다.
- 광폭인장시험 결과는 시험 시 사용한 20cm폭 시료의 리브수에 대한 단위 폭(1m)당 리브수의 비율을 고려하여 단위폭당 인장강도로 환산한 값이다. 표 2로부터 직포와 지오그리드A는 최대인장강도가 비슷한 값을 나타내는 반면 최대인장강도를 나타내는 인장변형률은 직포 16%, 지오그리드A 6.86%로 지오그리드A에 비해 직포는 큰 변형률에서 최대인장강도를 나타내는 것을 알수 있다.
- 7%(약 2LL)과 124%(약 3LL)로 조절하여 실내모형실험에 사용하였으며, 사용된 점토시료의 전단특성을 조사하기 위하여 전동식 디지털 베인전단시험기를 이용한 전단시험을 실시하였다. 측정결과 함수비 124%의 지반의 전단강도는 1.0kN/m2(0.1tf/m 2 ), 함수비 94.7% 지반의 전단강도는 1.7kN/m2(0.17tf/m2)인 것으로 평가되었다.
- 무보강지반의 지지력은 초연약지반의 특성상 원지반에 대한 현장시험이 불가능하므로 Terzaghi 등의 지지력이론 (qa=cNc/FS)을 통해 평가하는 것이 일반적이다. 본 연구에서도 동일한 방법을 통해 원지반의 허용지지력을 산정한 결과 함수비 w=94.7%의 원지반의 허용지지력은 qa=0.45tf/m2, 함수비 w=124% 지반은 q a=0.26tf/m2인 것으로 확인되었다. 이 값은 실제 실내모형실험을 통해 얻은 값의 각각 3.
- 그림으로부터 직포, 지오그리드A, 강봉 모두 강성도의 증가에 따라 BCR값도 함 께 증가되는 선형적인 관계가 확인되었다. 또한 직포, 지오그리드A, 강봉 모두 보강재 단부 구속응력이 55.6kgf, 85.6kgf, 완전구속 조건에서는 거의 동일한 BCR값을 나타내며, 강성도의 증가에 대한 BCR값의 증가정도는 보강재 단부 구속응력에 관계없이 거의 동일하다.
- 이를 명확히 평가하기 위하여 항복응력에서의 인장강도에 따른 지지력비의 변화형태를 그림 9에 나타내었다. 완전구속조건에서 실시된 실험결과에서는 보강재의 인장강도가 증가함에 따라 BCR값이 함께 증가되고 있으며, 부분구속(T=23kgf) 조건에서는 인장강도에 관계없이 거의 동일한 BCR을 나타내고 있다. 이것은 완전구속상태에서의 지지력개선효과는 보강재의 인장강도에 크게 의존하는데 비해, 부분구속 조건에서는 인장강도 이외의 영양인자, 즉 마찰특성 및 강성도에 의존하는 것을 의미한다.
후속연구
- 西林(1980)가 제안한 θ, r의 범위는 일본의 시공사례를 이용해 제안되었으며 일본의 시공사례에는 점토지반의 비배수 전단강도가 약 0.28tf/m2 이하의 값이 존재하지 않은 점을 고려할 때, 본 연구에서 평가한 점토지반(c=0.1tf/m2)의 θ, r 값과 향후 여러 가지 실험을 이용한 검증을 통해 새로운 범위곡선이 제안될 수 있을 것으로 사료된다.
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