[논문]연약지반내 DCM 개량체의 특성이 지하차도의 안정성에 미치는 영향

안태봉

doi:10.12652/ksce.2010.30.2c.077

[국내논문] 연약지반내 DCM 개량체의 특성이 지하차도의 안정성에 미치는 영향
Effects of DCM Column Properties in Softground on Stabilities of Underground Roadways 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.30 no.2C, 2010년, pp.77 - 84

초록
AI-Helper

연약지반에 지하차도의 기초로서 심층혼합처리공법을 적용하였다. 개량체는 실내배합실험으로 구한 배합비와 강도기준을 만족하는 치환율을 적용하였다. 개량체와 지반의 강성비 및 타설중심거리를 변화시키며 개량체와 지반에 발생한 응력 및 변위를 분석하였으며 지하차도의 부등침하에 미치는 영향을 분석하였다. 구조물의 침하기준과 부등침하를 만족하는 치환율은 10~35%이다. 강성비를 변화시킨 결과 강성비차가 30이상인 경우에는 응력집중 때문에 개량체에 769.2kPa까지 발생하여 기준을 초과한다. C.T.C가 5m인 경우에 지반으로 응력이 전이되어 응력이 커지기 때문에 설치간격을 고려하여야 한다. 복합지반강도 정수를 산정하여 수치해석 한 결과 연직침하는 0.6~1.56cm, 각변위 1/909~1/510이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In planning underground roadway foundation on soft ground, deep cement mixing method (DCM) is employed. The proper mixing ratio using batch test and replacement rates that meet strength criteria are used for deep cement mixing column. Stiffness ratio and distance between deep cement mixing columns (C.T.C) are varied to find out influences on stress, displacement, and differential settlement. The replacement ratios that meet settlement criteria are 10~35%. As stiffness varies, stress reaches at 769.kPa that exceed criteria due to stress concentration when stiffness ratio difference is over 30. Also, when C.T.C is 5 m, stress spreads to soils, so C.T.C need to be considered carefully. The vertical displacement is 0.6~1.56 cm, and angular distortion is 1/909~1/510.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

이와 같이 선행연구자들이 개량체의 강도나 변형에 관심을 두고 연구하였으나 이 결과를 통하여 실제 설계시 개량체의 간격, 배합비 및 강성비 등의 설계조건이 개량지반과 구조물의 안정성에 미치는 영향에 대하여는 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 연약지반에서 지하차도 기초설계시 말뚝기초공법 대안으로 보상기초 개념을 도입하여 보상 기초의 안정성을 분석하는데 응력-변위 해석을 이용하여 개량체의 간격, 배합비 및 강성비 등의 영향을 분석하였다. 이때 개량체는 시멘트량을 변화시키면서 배합시험으로 설계기준강도를 결정하고 심층혼합처리공법의 치환율을 산정하였다.
따라서 본 논문에서는 연약지반에서 지하차도 기초설계시 말뚝기초공법 대안으로 보상기초 개념을 도입하여 보상 기초의 안정성을 분석하는데 응력-변위 해석을 이용하여 개량체의 간격, 배합비 및 강성비 등의 영향을 분석하였다. 이때 개량체는 시멘트량을 변화시키면서 배합시험으로 설계기준강도를 결정하고 심층혼합처리공법의 치환율을 산정하였다. 기초의 부등침하에 미치는 영향을 수치해석 프로그램을 이용하여 분석하였다.
이때 개량체는 시멘트량을 변화시키면서 배합시험으로 설계기준강도를 결정하고 심층혼합처리공법의 치환율을 산정하였다. 기초의 부등침하에 미치는 영향을 수치해석 프로그램을 이용하여 분석하였다.
설계기준강도는 개량체의 허용응력을 설정할 때의 기준강도이며 본 연구에서는 실내배합시험을 실시하여 배합비를 결정하였다. 심층혼합처리공법의 배합강도는 원지반 강도가 일정하다고 가정할 때 사용 시멘트량과 물시멘트비의 영향을 받는데 본 연구에서는 물시멘트비를 0.
설계기준강도는 개량체의 허용응력을 설정할 때의 기준강도이며 본 연구에서는 실내배합시험을 실시하여 배합비를 결정하였다. 심층혼합처리공법의 배합강도는 원지반 강도가 일정하다고 가정할 때 사용 시멘트량과 물시멘트비의 영향을 받는데 본 연구에서는 물시멘트비를 0.7~1.0로 변화시키며 실시하였으며 시멘트량은 개량목적과 목표강도에 따라 150~350kgf/cm³ 범위에서 변화시키며 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 개량체의 설계기준강도를 0.
0로 변화시키며 실시하였으며 시멘트량은 개량목적과 목표강도에 따라 150~350kgf/cm³ 범위에서 변화시키며 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 개량체의 설계기준강도를 0.75MPa로 정하였는데 이것은 지하차도의 설계하중 176kN/m²과 일반적인 치환율을 고려하여 결정하였다. 물시멘트비와 시멘트량을 변화시키면서 배합시험결과인 일축압축강도의 변화를 그림 3에 나타내었다.
물시멘트비와 시멘트량을 변화시키면서 배합시험결과인 일축압축강도의 변화를 그림 3에 나타내었다. 실험결과 설계목표치를 만족하는 강도를 재령 28일에서 다양한 조합으로 얻을 수 있었는데 전반적으로 물시멘트비가 작고, 시멘트양이 큰 배합에서 큰 강도를 나타내지만 설계목표치와 경제성을 고려하여 본 연구에서는 시멘트량 250kgf/m³ 에 물시멘트비 1.0으로 배합시 얻은 강도를 설계 기준강도에 적용하였다. 이 때의 일축압축강도 q_u은 3.
지반과 개량체의 강성비와 타설중심간거리에 따른 거동을 분석하기 위해 유한요소해석을 실시하였다. 이 때 사용한 유한요소해석 프로그램은 VisualFEA이며, 지반구성모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였고 176의 재하하중을 적용하였다.
이 때 사용한 유한요소해석 프로그램은 VisualFEA이며, 지반구성모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였고 176의 재하하중을 적용하였다. 지하차도의 설계하중이 지하차도 구간내에서 63~176kN/m²로 변화하기 때문에 가장 큰 설계하중을 적용하였다. 개량체의 변형계수는 개량체와 지반의 강성비(개량체E/지반E = 5, 10, 15, 20, 30)와 타설간격(3m, 5m)을 모사한 후 강성비에 따른 지반과 개량체의 변위와 응력 발생 양상을 분석하였다.
지하차도의 설계하중이 지하차도 구간내에서 63~176kN/m²로 변화하기 때문에 가장 큰 설계하중을 적용하였다. 개량체의 변형계수는 개량체와 지반의 강성비(개량체E/지반E = 5, 10, 15, 20, 30)와 타설간격(3m, 5m)을 모사한 후 강성비에 따른 지반과 개량체의 변위와 응력 발생 양상을 분석하였다. 개량체와 지반의 강성비 및 타설간격을 변화킬때 개량체와 지반에 작용하는 응력과 변위를 분석함으로써 개량체의 강도, 적정간격, 침하를 설계에 고려할 수 있다.
개량체의 변형계수는 개량체와 지반의 강성비(개량체E/지반E = 5, 10, 15, 20, 30)와 타설간격(3m, 5m)을 모사한 후 강성비에 따른 지반과 개량체의 변위와 응력 발생 양상을 분석하였다. 개량체와 지반의 강성비 및 타설간격을 변화킬때 개량체와 지반에 작용하는 응력과 변위를 분석함으로써 개량체의 강도, 적정간격, 침하를 설계에 고려할 수 있다. 입력물성은 표 2의 물성치를 사용하였으며, 해석요소망 및 측정위치는 그림 5와 같다.
연약지반에 지하차도의 기초로서 심층혼합처리공법을 적용하여 개량한 지반내에 실내배합실험으로 구한 배합비와 치환율로 개량체에 적용하였다. 개량체와 지반의 강성비 및 타설중심거리를 변화시키며 개량체와 지반에 발생한 응력 및 변위를 분석하였으며 지하차도의 부등침하에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
연약지반에 지하차도의 기초로서 심층혼합처리공법을 적용하여 개량한 지반내에 실내배합실험으로 구한 배합비와 치환율로 개량체에 적용하였다. 개량체와 지반의 강성비 및 타설중심거리를 변화시키며 개량체와 지반에 발생한 응력 및 변위를 분석하였으며 지하차도의 부등침하에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
지하차도 적용현장의 심층혼합처리공법은 연약지반의 층두께 및 상재하중의 크기에 따라 치환율이 상이한 것으로 나타났으므로 상재하중 및 앞에서 구한 치환율에 따라 지하차도 박스구조물 및 U-Type 형 옹벽구조물에 부등침하 를 구하였다. 본 연구에서는 앞에서 구한 강성비 5와 개량체의 설계기준강도를 이용하여 구조물의 기초 허용침하량은 2.5cm, 구조물 기초의 허용각변위는 1/500를 기준으로 적용하여 지하차도의 부등침하에 대한 안정성 검토를 실시하였다. 지하차도 1의 경우 치환율이 10%와 25%에 따라 지반강성의 변화에 따른 구간을 선정하였으며 지하차도 2의 경우 무처리구간과 심층혼합처리하는 구간을 선정하였으며 현황은 그림 8과 같다.
지하차도 1의 경우 치환율이 10%와 25%에 따라 지반강성의 변화에 따른 구간을 선정하였으며 지하차도 2의 경우 무처리구간과 심층혼합처리하는 구간을 선정하였으며 현황은 그림 8과 같다. 앞의 응력-변위해석에서는 개량체와 지반이란 두 재료에 따로 작용하는 응력과 변위를 검토하여 강도비, 개량체간격이 어떤 영향을 미치는가를 알아보기 위하여 각각의 지반정수를 사용하였으나 침하에 대해서는 전체지반의 각변위에 대한 안정검토를 위하여 일반적으로 사용하는 복합지반설계법을 사용하였다.
연약지반에서 기초를 심층혼합처리로 개량한 복합지반을 안정성 검토에 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하여 안정해석을 하였다. 해석위치는 지하차도 1의 치환율이 상이한 구간 U-Type(10%) 구간과, 박스(25%)와 지하차도 2의 U-Type(10%)과, 일부 보강 없는 기초처리 구간의 2구간에 대하여 검토하였다. 입력물성치는 표 2의 설계적용 지반물성치와 개량체는 복합지반 강도정수산정에 의한 값을 적용하였다.

대상 데이터

적용 현장은 OOO 지역 철도횡단 지하차도 3개소로서 지층은 매립층, 퇴적층(점토) 풍화토, 풍화암으로 형성되어 있다. 점토퇴적층은 매립층 아래로 0~24.

이론/모형

지반과 개량체의 강성비와 타설중심간거리에 따른 거동을 분석하기 위해 유한요소해석을 실시하였다. 이 때 사용한 유한요소해석 프로그램은 VisualFEA이며, 지반구성모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하였고 176의 재하하중을 적용하였다. 지하차도의 설계하중이 지하차도 구간내에서 63~176kN/m²로 변화하기 때문에 가장 큰 설계하중을 적용하였다.
연약지반에서 기초를 심층혼합처리로 개량한 복합지반을 안정성 검토에 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하여 안정해석을 하였다. 해석위치는 지하차도 1의 치환율이 상이한 구간 U-Type(10%) 구간과, 박스(25%)와 지하차도 2의 U-Type(10%)과, 일부 보강 없는 기초처리 구간의 2구간에 대하여 검토하였다.

성능/효과

시료의 심도가 증가할수록 비배수전단강도는 선형으로 증가하는 것으로 나타났으며 상관관계식은 지하차도 1은 Cu = -3.27 × z + 23.55, 지하차도 2는 Cu = -2.44 × z + 18.36, 지하차도 3은 Cu =-2.95 × z + 19.42로 나타났다(그림 2).
0으로 배합시 얻은 강도를 설계 기준강도에 적용하였다. 이 때의 일축압축강도 q_u은 3.3MPa이고 설계기준강도 q_uck는 안전율 4를 적용한다면 0.75MPa로 설계기준강도를 만족하는 것으로 나타났다.
75MPa), a_p 치환율, q_max는 개량구조체의 설계하중이다. 본 연구의 현장적용사례에서는 구조물의 침하기준과 개량체의 강도기준을 동시에 만족시킬 수 있는 치환율검토 결과 최대치환율은 지하차도 3에서 10~35%으로 나타났다(표 3).
개량체에 발생하는 응력은 지반에 발생하는 응력보다 2배~7배 정도 크게 발생하였다. C.T.C 3m에서 5m 조건으로 증가시켜 해석한 결과 응력비 5~20조건일때 개량체에 발생되는 응력은 서서히 증가하는 경향을 보이다가 응력비 30조건 일때는 지하차도의 개량체 중앙부분인 B점에서 최대 769.2의 급격한 응력집중 현상을 나타내어 허용응력(750kPa)을 초과하는 것으로 나타났다. C.
지하차도 심층혼합처리공법으로 지반개량하여 2, 3차원 수치해석을 통한 지반의 부등침하에 대한 안정성 검토 결과 2차원 해석결과 연직침하 1.1~1.56cm 각변위 1/909~1/625로 나타났다(그림 9). 그림에서 침하량이 지하차도거리에 따라 변하는 구간중 갑자기 감소하는 경우는 U-type구간에서 Box 구간으로, 늘어나는 경우는 지하차도의 구간이 Box구간에서 U-type옹벽 구간으로 변하는 구간에서 침하량차이가 발생하며 이 구간에서 허용부등침하량이 설계기준에 만족한다.
3. 지반내에서는 B'지점에서 강성비 5에서 10으로 변할 때큰 차이가 남을 나타낸다.
C)에 따른 변위 및 발생응력을 그림 6과 7에 나타내었다. 지반 및 개량체에 발생하는 응력과 변위는 강성비와 C.T.C.가 커질수록 개량체 및 지반에 발생하는 변위 또한 증가하는 경향을 보였다. 개량체 변위와 지반변위를 비교할 때 개량체 변위가 개량되지 않은 지반보다 큰 차이는 나타내지 않으면서 모든 구간에 약간 작은 침하량을 나타냈다.
1. 시멘트량 250kgf/cm³에 물시멘트비 1.0으로 배합시 일축 압축강도 qu은 3.3MPa이 적절한 것으로 나타났다. 구조물의 침하기준과 개량체의 강도기준을 동시에 만족시킬 수 있는 치환율 검토 결과 최대치환율은 10~35%으로 나타났다.
3MPa이 적절한 것으로 나타났다. 구조물의 침하기준과 개량체의 강도기준을 동시에 만족시킬 수 있는 치환율 검토 결과 최대치환율은 10~35%으로 나타났다.
2. 지반 및 개량체에 발생하는 응력과 변위는 응력비와 C.T.C.가 커질수록 개량체 및 지반에 발생하는 변위 또한 증가하는 경향을 보였다. 원지반과 개량체의 강성비 차가 30이상인 경우 개량체의 응력집중 현상이 발생하며 C.
가 커질수록 개량체 및 지반에 발생하는 변위 또한 증가하는 경향을 보였다. 원지반과 개량체의 강성비 차가 30이상인 경우 개량체의 응력집중 현상이 발생하며 C.T.C 3m에서 5m 조건으로 증가시켜 해석한 결과 강성비 5~20 조건 일 때 개량체에 발생되는 응력은 증가하는 경향을 보이다가 강성비 30조건일때는 최대 769.2로 응력집중 현상을 나타내며 허용응력(750kPa)을 초과하는 것으로 나타났다.
4 연약지반상의 지하차도 기초는 부등침하로 인한 피해 가능성이 많으므로 설계단 계에서 치환율 상이구간, 기초처리 변화구간 등에 대해 상세한 검토가 필요하며, 복합지반강도 정수를 산정하여 수치해석 한 결과 연직침하는 0.6~1.56cm, 각변위 1/909~1/510으로 모두 허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연약지반에서 구조물을 건설할 때는 무엇이 필수적인가?	구조물을 축조하는 경우 구조물의 자중과 상재하중을 지반이 직접 지지하는 의미에서 기초지반의 역할은 매우 중요하다. 우리나라는 해안지역이나 하구인 경우 연약지반이 많은데 연약지반에서 구조물을 건설할 때에는 지반개량이 필수적이다. 구조물중에 지하차도를 건설하는 경우 기초 설계시 시공성, 안정성 및 경제성을 고려하지 않고 구조물 자중 전체를 말뚝기초가 지지하는 것으로 설계하는 것이 일반적이다.
	연약지반에서 지하차도 기초를 말뚝기초로 적용할 경우 어떤 문제점이 발생할 수 있는가?	구조물중에 지하차도를 건설하는 경우 기초 설계시 시공성, 안정성 및 경제성을 고려하지 않고 구조물 자중 전체를 말뚝기초가 지지하는 것으로 설계하는 것이 일반적이다. 그러나 연약지반에서 지하차도 기초를 말뚝기초로 적용할 경우 굴착에 따른 히빙문제, 말뚝의 부마찰력 고려에 따른 지지력 감소로 인한 말뚝 본수 증가, 시공성 저하 등이 문제점으로 발생할 수 있다.
	연약지반에서 지하차도 기초를 말뚝기초로 적용할 경우 문제점에 대한 대안으로 어떤 공법을 사용할 수 있는가?	이에 대한 대안으로 심층혼합처리공법을 사용할 수 있는데 국내에서는 심층혼합처리공법에 관한 연구로 양태선 등(2000)이 실내 및 현장 배합시험에 따른 강도결과를 시험과 설계사례를 통하여 분석하여 변형계수가 일축압축강도에 대하여 선형관계를 나타내고 실제 침하량과 측방변형 등의 수치해석시 적용가능한 강도-변형률 관계식을 제안하였다. 유찬 등(1997)은 심층혼합처리방식에 의한 연구결과와 국내외 시공실적을 정리하고 심층혼합처리된 지반의 역학적 성질에 대하여 고찰하였다.

참고문헌 (8)

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양태선, 정경환, 여봉구, 이상수(2000) 심층혼합처리공법에서 설계 기준강도와 변형계수에 관한 연구, 대한토목학회 학술발표회 논문집, 대한토목학회, pp. 615-618.
유찬, 도덕현, 한우선(1997) DWM 심층혼합처리공법의 연약층 개량효과에 대한 고찰, 한국지반공학회 봄 학술발표회, 한국지반공학회, pp. 147-152.
정두회, 정경환, 양태선(2007) 특수교반날개를 사용한 DCM 공법의 지반 관입 특성에 대한 사례연구, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, Vol. 23, No. 3, pp. 133-140.

원문보기 상세보기
Bergado, D. T., Ruenkrairergsa, T., Taesiri, Y. and Balasubramaniam, A. S. (1999) Deep soil mixing to reduce Embankment settlement, Ground Improvement Journal, Vol. 3, No. 1, pp. 1-18.

상세보기
Bergado, D. T., Lorenzo, G. A., and Tran. C. V. (2004) Laboratory shear strength of interface and clay surrounding the DMM pile, Proceedings of Engineering Practice and Performance of Soft Deposits, IS-Osaka, Osaka, Japan, pp. 223-228.
Gym Graham (1985) Canadian Foundation Engineering Manual, Canadian Geotechnical Society.
Tomlinson, M. J. (1995) Foundation Design and Construction, Longman Scientific & Technical, 6th Edition, pp. 536.

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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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