[논문]다공성 지오셀을 이용한 지반 보강효과에 관한 연구

신은철; 김성환; 김영진

다공성 지오셀을 이용한 지반 보강효과에 관한 연구
Study of Ground Reinforced Effect using the Porous Geocell 원문보기

한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.8 no.1, 2009년, pp.33 - 40

신은철 (인천대학교 토목환경공학과) , 김성환 (인천대학교 토목환경공학과) , 김영진 (인천대학교 토목환경공학과)

초록
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본 논문에서는 도로를 보강하는 토목섬유 중 지오셀을 이용하였을 때의 보강효과를 알아보기 위해서 실내시험과 현장시험을 실시하였다. 실내 시험은 실대형 직접전단시험기와 모형토조 직접전단시험기를 이용하여 수직응력에 따른 전단응력 곡선을 산정하고 이를 통해 지오셀이 점착력과 내부마찰각을 증가하는 효과를 볼 수 있었다. 실내시험의 결과값을 Terzaghi 공식과 Meyerhof의 공식을 이용하여 극한지지력값을 계산하고 현장시험에서 확인한 극한 지지력값과 비교하여 지오셀의 보강효과를 확인하였다. 분석결과, 직접전단시험을 통해 지오셀의 보강효과가 내부마찰각의 증가에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 또한 셀의 개수가 커질수록 내부마찰각이 커짐을 확인하여 보강면적이 넓을수록 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다. 지지력에 미치는 영향요소중 내부마찰각을 증가시키는 지오셀을 도로저부에 시공할 경우 내부마찰각의 증가로 지지력 또한 증가하는 것을 확인하였으며, 평판재하시험의 결과값을 통해 지오셀보강이 극한지지력값의 증가효과에 2배정도의 보강효과를 확인하였다. 수치해석을 통해 변형의 분포와 침하량을 확인한 결과, 침하량은 지오셀에 의해 줄어드는 결과를 보여 침하에 대한 보강효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The laboratory tests and field plate load test were carried out to evaluate the reinforcement effect of geocell for road construction. The geocell-reinforced subgrade shows the increment of cohesion and friction angle with comparison of non-reinforced subgrade. In addition, the field plate load test was performed on the geocell-reinforced subgrade to estimate the bearing capacity of soil. The direct shear test was conducted with utilizing a large-scale shear box to evaluate the internal soil friction angle with geocell reinforcement. The number of cells in the geocell system is varied to investigate the effect of soil reinforcement. The theoretical bearing capacity of subgrade soil with and without geocell reinforcement was estimated by using the soil internal friction angle. The field plate load tests were also conducted to estimate the bearing capacity with geocell reinforcement. It is found out that the bearing capacity of geocell-reinforced subgrade gives 2 times higher value than that of unreinforced subgrade soil. The settlement and the distribution of deformation were also estimated by using the finite element method. The magnitude of settlements on the geocell-reinforced subgrade and unreinforced subgrade are 6.8cm and 1.2cm, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 도로가 가지는 특성을 연속된 하중을 받는 띠기초로 보고 보강되지 않은 단면과 지오셀로 보강된 단면의 채움재에 따른 지지력을 비교함으로서 보강효과를 확인하였다. 또한, 현장 시공 장소의 침하량과 변형분포를 Geoslope사의 Sigma/w 프로그램을 통한 유한요소해석을 통해 분석하였다.
본 논문에서는 도로기층을 보강하는 토목섬유 중에 지오셀을 이용하였을 때의 보강효과를 알아보기 위하여 실내시험을 실시하였고 현장시험시공을 통하여 보강시와 무 보강대비 지지력 값으로 확인하였다. 또한 수치해석을 통하여 앞으로의 침하특성과 변형량의 분포를 확인하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 논문에서는 현장시험으로 실시한 평판재하 시험은 KS F 2310에 준하여 노상 주차장 구간의 보조기층 및 모래층 포설면에 대해서 실시하였다. 원지반의 조건을 보강 시의 조건과 맞추기 위하여 1톤 롤러를 이용하여 다짐을 실시 후에 시험을 실시하였다.

가설 설정

여기서 DAB와 BAD의 각은 흙의 내부 마찰각 φ와 같다고 가정한다.

제안 방법

따라서, 본 논문에서는 도로가 가지는 특성을 연속된 하중을 받는 띠기초로 보고 보강되지 않은 단면과 지오셀로 보강된 단면의 채움재에 따른 지지력을 비교함으로서 보강효과를 확인하였다. 또한, 현장 시공 장소의 침하량과 변형분포를 Geoslope사의 Sigma/w 프로그램을 통한 유한요소해석을 통해 분석하였다.
보강단면과 비보강단면의 비교외에 지오셀이 차지하는 범위에 따른 지반정수의 변화를 확인하기 위하여 모형토조의 전단시험기를 이용하여 시험을 실시하였다. 모형토조 전단시험기의 전단상자의 크기는 상․하부 각각 가로 120cm, 세로 80cm, 높이 80cm,의 정방형으로 상부상자를 수평이동하여 전단파괴가 되도록 설계되었으며, 하중재하는 공기압을 이용하여 재하하였다. 전단속도는 1mm/min 로 일정하게 유지시켜 수평변위 0.
보강단면과 비보강단면의 비교외에 지오셀이 차지하는 범위에 따른 지반정수의 변화를 확인하기 위하여 모형토조의 전단시험기를 이용하여 시험을 실시하였다. 모형토조 전단시험기의 전단상자의 크기는 상․하부 각각 가로 120cm, 세로 80cm, 높이 80cm,의 정방형으로 상부상자를 수평이동하여 전단파괴가 되도록 설계되었으며, 하중재하는 공기압을 이용하여 재하하였다.
본 논문에서는 현장시험으로 실시한 평판재하 시험은 KS F 2310에 준하여 노상 주차장 구간의 보조기층 및 모래층 포설면에 대해서 실시하였다. 원지반의 조건을 보강 시의 조건과 맞추기 위하여 1톤 롤러를 이용하여 다짐을 실시 후에 시험을 실시하였다. 원지반의 특성을 확인하기 위하여 흙의 일부분을 이용하여 실내시험을 실시한 결과, 단위중량 1.
모형토조 전단시험기의 전단상자의 크기는 상․하부 각각 가로 120cm, 세로 80cm, 높이 80cm,의 정방형으로 상부상자를 수평이동하여 전단파괴가 되도록 설계되었으며, 하중재하는 공기압을 이용하여 재하하였다. 전단속도는 1mm/min 로 일정하게 유지시켜 수평변위 0.5mm 간격으로 전단응력을 읽는 변형률 제어방식으로 진행하였다. 실대형 상자의 시료성형은 하부상자에 풍화토를 다짐도에 맞게 포설하여 다진 후에 접착형 지오셀을 이용하여 상부상자와 하 부상자의 접촉면에 설치한다.
평판재하시험울 위한 반력은 15톤 덤프를 이용하였고 골재를 상차하여 시험에 알맞은 무게를 사용하였다. 지오셀을 이용하여 보강한 시공 완료된 단면에는 표면의 규사블록을 제거하고 모래층이 보이는 상태에서 평판재하시험을 실시하였다. 보강 유무에 따른 평판재하시험 결과는 그림 8과 같으며 무보강 보조기층의 경우, 극한지지력이 4.
본 프로그램을 통한 해석방법은 2차원 응력변형해석을 통하여 탄소성모델과 전응력해석법으로 원지반의 모델을 적용하여 해석하였다. 포장층과 하부지반을 Sigma/w를 이용하여 매쉬를 형성하고 유한요소해석을 실시하였다. 그림 9는 포장층의 최대침하량을 분석한 것으로 상재하중에 따른 포장층의 침하량은 지오셀을 보강하지 않은 단면에서 약 6.

데이터처리

유한요소해석방법은 2차원 응력변형 해석을 실시하였으며, 해석에 사용한 프로그램은 Geo-slope Office 5.0, Sigma/W (Geo-Slope Inc)이다. Sigma/W는 지반에 작용하는 응력에 따른 변형을 유한요소해석을 통하여 산출하는 프로그램으로 단순 선형 탄성 변형을 분석하거나 고도로 정교한 비선형 탄소성에 따른 응력분석을 할 수 있다.

이론/모형

본 프로그램을 통한 해석방법은 2차원 응력변형해석을 통하여 탄소성모델과 전응력해석법으로 원지반의 모델을 적용하여 해석하였다. 포장층과 하부지반을 Sigma/w를 이용하여 매쉬를 형성하고 유한요소해석을 실시하였다.

성능/효과

(1) 지지력에 영향을 미치는 요소 중 지지력계수의 영향을 가장 많이 받는 것은 내부마찰각으로, 지오셀의 보강효과가 위와 같이 나타나 지지력보강에 효과적이라고 판단되며, 내부에 쇄석을 채움재로 보강하는 지오셀의 지지력보강효과가 더 탁월하였다.
(2) 평판재하시험으로 도출한 극한지지력과 실내시험 결과값인 내부마찰각을 이용하여 지지력공식을 통해 산정한 극한지지력의 비교를 통하여 보강시 지지력의 증가를 확인하였고, 공식적용에 있어 큰 차이를 보이지 않기 때문에 띠기초에서는 효율적으로 계산이 가능한 Terzaghi의 공식을 이용하는 것이 나을 것이라고 판단된다.
Terzaghi, Meyerhof의 지지력공식을 통해 보강과 무보강, 셀 내 채움재에 따른 결과는 표 2와 같이 나타난다. 각각의 지지력을 공식을 통해 확인해본 결과 Meyerhof 공식이 지지력을 낮게 산정하는 경향을 확인하였으며, 이는 띠기초가 가지는 특성상 기초의 길이에 영향을 받는 계수들의 값을 산정할 수 없기 때문에 나타난 결과라고 판단된다.
본 논문에서 실행한 수치해석결과는 지반물성의 불확실성으로 정량적으로 정확한 변형량이나 침하량의 평가가 신뢰성에 있어 문제가 있으나 그림 10에서 보이는 변형량의 분포도를 통하여 하중의 분산효과를 확인였다. 그 결과, 무보강에 대한 보강지반의 상대적인 보강효과는 유한요소 해석을 통하여 확인할 수 있었다.
기존 연약지반위에 축조되는 도로에서 지지구조에 문제점이 노출되어 이에 효율적인 보수보강의 조치가 필요하다는 것은 최근 연구되어 수행되고 있는 분야 중 하나이다. 기존의 도로를 지오셀을 이용하여 보다 견고하게 하고, 이러한 적용사례를 통해 지오셀의 도로보강 기법으로 매우 효율적이라고 판단된다.
그가 시험한 대형 삼축압축시험은 그림 4와 그림 5에서와 같이 겉보기 점착력이 나타나는데, 이 값이 전단강도 증가와 같다고 볼 수 있다. 또한, 속채움 흙에 연직하중을 가하면 셀 주변의 수평 주동토압은 증가하게 되는데 이러한 복합효과로 지오셀은 높은 휨강성과 하중지지능력, 전단강도 증대효과를 갖는다.
하중이 지반에 직접 작용하여 집중되고 이에 따른 침하가 일어났을 것이라고 판단된다. 반면, 지오셀로 보강한 포장층의 단면의 경우에 대해서는 최대침하량이 1.2cm가 발생되어 침하량이 약 82%감소하는 것을 확인하였고, 지오셀이 하중을 지지하고 분산효과를 통해 하부지반에 집중되는 것을 방지한 효과라고 판단된다. 본 논문에서 실행한 수치해석결과는 지반물성의 불확실성으로 정량적으로 정확한 변형량이나 침하량의 평가가 신뢰성에 있어 문제가 있으나 그림 10에서 보이는 변형량의 분포도를 통하여 하중의 분산효과를 확인였다.
2cm가 발생되어 침하량이 약 82%감소하는 것을 확인하였고, 지오셀이 하중을 지지하고 분산효과를 통해 하부지반에 집중되는 것을 방지한 효과라고 판단된다. 본 논문에서 실행한 수치해석결과는 지반물성의 불확실성으로 정량적으로 정확한 변형량이나 침하량의 평가가 신뢰성에 있어 문제가 있으나 그림 10에서 보이는 변형량의 분포도를 통하여 하중의 분산효과를 확인였다. 그 결과, 무보강에 대한 보강지반의 상대적인 보강효과는 유한요소 해석을 통하여 확인할 수 있었다.
실내시험인 직접전단 시험과 현장의 평판재하시험의 자료를 통해 지오셀로 보강된 지반의 지지력 증대 효과를 확인할 수 있다. Terzaghi, Meyerhof의 지지력공식을 통해 보강과 무보강, 셀 내 채움재에 따른 결과는 표 2와 같이 나타난다.
실대형 전단시험결과 채움재를 화강풍화토로 보강한 지오셀 단면은 대형직접전단시험의 결과값보다 점착력은 0.15kgf/cm2, 내부마찰각은 0.21°의 증가하는 경향을 확인하였고, 채움재가 쇄석인 경우에는 점착력이 0.05kgf/cm2,내부마찰각은 약 1°의 증가하는 영향을 확인하였다.
원지반의 특성을 확인하기 위하여 흙의 일부분을 이용하여 실내시험을 실시한 결과, 단위중량 1.9tf/m3, 점착력 0kgf/cm2, 내부마찰각은 30°의 특성을 가지는 화강풍화토임을 확인할 수 있었다.
대부분의 토목섬유를 이용한 개량공법은 연직배수재 및 연직변위, 수직변위를 억제하는 효과를 주는 평면적인 보강의 의미를 가지고 있다. 토목섬유를 이용한 연약지반에 대한 하중-시험으로 3차원 시스템은 효과적인 보강효과를 나타냈다. 골재로 채워진 지오셀에서 인장보강 토목섬유인 지오텍스타일 이나 지오그리드와 비교하여 연직변위를 억제하는 효과가 탁월하다.

후속연구

(3) 수치해석의 결과값으로 변형분포와 침하량의 확인을 통해 보강효과를 확인하였으나, 보강효과가 지오셀을 통한 하중의 분산효과인지 지오셀 자체의 강성 때문인지 확인하기 위한 정확한 인자를 파악하는 연구가 향후에 계속 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지오셀을 도로저부에 시공할 경우 무엇이 증가하는가?	또한 셀의 개수가 커질수록 내부마찰각이 커짐을 확인하여 보강면적이 넓을수록 보강효과가 증가하는 것으로 나타났다. 지지력에 미치는 영향요소중 내부마찰각을 증가시키는 지오셀을 도로저부에 시공할 경우 내부마찰각의 증가로 지지력 또한 증가하는 것을 확인하였으며, 평판재하시험의 결과값을 통해 지오셀보강이 극한지지력값의 증가효과에 2배정도의 보강효과를 확인하였다. 수치해석을 통해 변형의 분포와 침하량을 확인한 결과, 침하량은 지오셀에 의해 줄어드는 결과를 보여 침하에 대한 보강효과를 확인하였다.
	도로기층을 보강하는 토목섬유 중에 지오셀을 이용하였을 때의 보강효과를 알아보기 위하여 실내시험을 실시하였고 현장시험시공을 통하여 보강시와 무 보강대비 지지력 값으로 확인한 결과는 어떠한가?	(1) 지지력에 영향을 미치는 요소 중 지지력계수의 영향을 가장 많이 받는 것은 내부마찰각으로, 지오셀의 보강효과가 위와 같이 나타나 지지력보강에 효과적이라고 판단되며, 내부에 쇄석을 채움재로 보강하는 지오셀의 지지력보강효과가 더 탁월하였다. (2) 평판재하시험으로 도출한 극한지지력과 실내시험 결과값인 내부마찰각을 이용하여 지지력공식을 통해 산정한 극한지지력의 비교를 통하여 보강시 지지력의 증가를 확인하였고, 공식적용에 있어 큰 차이를 보이지 않기 때문에 띠기초에서는 효율적으로 계산이 가능한 Terzaghi의 공식을 이용하는 것이 나을 것이라고 판단된다. (3) 수치해석의 결과값으로 변형분포와 침하량의 확인을 통해 보강효과를 확인하였으나, 보강효과가 지오셀을 통한 하중의 분산효과인지 지오셀 자체의 강성 때문인지 확인하기 위한 정확한 인자를 파악하는 연구가 향후에 계속 수행되어야 할 것이다.
	지오셀을 이용하였을 때의 보강효과를 알아보기 위해서 실내 시험은 어떻게 실시하였는가?	본 논문에서는 도로를 보강하는 토목섬유 중 지오셀을 이용하였을 때의 보강효과를 알아보기 위해서 실내시험과 현장시험을 실시하였다. 실내 시험은 실대형 직접전단시험기와 모형토조 직접전단시험기를 이용하여 수직응력에 따른 전단응력 곡선을 산정하고 이를 통해 지오셀이 점착력과 내부마찰각을 증가하는 효과를 볼 수 있었다. 실내시험의 결과값을 Terzaghi 공식과 Meyerhof의 공식을 이용하여 극한지지력값을 계산하고 현장시험에서 확인한 극한 지지력값과 비교하여 지오셀의 보강효과를 확인하였다.

참고문헌 (5)

Koerner, R.M(1990), Designing with Geosynthetics, PRENTICE HALL.
Meyerhof, G. G(1951), "The Ultimate Bearing Capacity of Foundations", Geotechnique, Vol.2, pp.301.

상세보기
Prandtl, L(1920), Uber die Harte Plastischer Koper nachrichten der Gesellschaft der Wissenschaften, Berichte, S. 74.
Sokolovski(1960), Statics of granular media, Butterworths, London.
Terzaghi. K(1943), Theoretical Soil mechanics, John Wiley & Sons.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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