[논문]지오그리드 보강토 교대의 장기거동에 관한 수치해석 연구

유충식; 전한용

doi:10.7843/kgs.2011.27.1.065

지오그리드 보강토 교대의 장기거동에 관한 수치해석 연구
Long-Term Behavior of Geogrid Reinforced Soil Abutment - A Numerical Investigation 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.27 no.1, 2011년, pp.65 - 76

유충식 (성균관대학교 사회환경시스템공학과) , 전한용 (인하대학교 나노시스템공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 보강토 구조물의 장기거동에 관한 수치해석 내용을 다루었다. 본 연구는 사용연한동안 지속하중을 받는 보강토 구조물의 장기 변형 관련 메카니즘을 고찰하는데 주 목적을 두었다. 연구를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 해석결과 외부하중을 받는 보강토 구조물이 세립분이 많이 포함되어 있는 흙으로 뒤채움이 될 경우 뒤채움흙과 토목섬유 보강재로부터 발생하는 크리프 효과로 인해 상당한 크기의 장기 변형이 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 외부하중을 받는 보강토 구조물에 있어서 크리프 효과가 구조물의 사용성에 미치는 영향을 집중적으로 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results of a numerical investigation on the long-term behavior of geosynthetic reinforced soil abutment. The investigation was carried out aiming at identifying the governing mechanisms of the long-term deformation of geosynthetic-reinforced soil abutment subjected to sustained loads during service life. A numerical modeling strategy was first established using the Singh-Mitchell creep model and the power law model, respectively, for the backfill and the geosyntehtic reinforcement. A parametric study on the creep properties of the backfill and the geosynthetic reinforcement was then conducted. The results indicated that a geosynthetic reinforced soil structure backfilled with marginal soil may exhibit substantial long-term deformation due to the creep effects caused by both the backfill soil and the geosynthetic reinforcement, the magnitude of which depends largely on the creep properties. This paper highlights the importance of considering the creep effect on load supporting geosynthetic reinforced soil structures when the long-term serviceability requirement is of prime importance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 관점에서 본 논문에서는 보강토 옹벽 공법의 도로 및 철도분야의 하중지지 구조물로서의 적용성 제고를 위한 연구의 일환으로 보강토 옹벽 형태의 교대의 장기거동 특성에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.
이를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 외부하중을 받는 보강토 구조물에 있어서 크리프 효과가 구조물의 사용성에 미치는 영향을 집중적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 앞에 제시한 보강토 교대옹벽을 대상으로 뒤채움흙 및 보강재의 크리프 특성에 따른 장기 거동 특성을 고찰하는데 주 목적을 두었다. 따라서 뒤채움흙으로는 양질의 조립토와 세립분이 다량 함유되어 통일분류법으로 실트질 모래(SM)로 분류되는 흙이 사용되는 경우를 고려하였다.
본 절에서는 보강토 구조물의 장기변위를 야기시키는 인자 중 보강재의 크리프 특성에 따른 장기거동 메카니즘을 고찰하였다. 전면벽체의 변위거동을 보여주고 있는 그림 14에서는 크리프 특성이 큰 보강재가 적용될수록 10년 경과 후 벽체 변위 증가량 또한 증가 하는 경향을잘 관찰할 수 있다.
본 절에서는 표 1에 기술한 S-3 시공조건에 대한 보강토 교대구조물의 해석 결과를 토대로 보강토 교대의 장기거동 특성을 고찰하였다. 먼저 그림 8(a)는 보강토 교대의 시공완료 및 시간경과 단계에서의 벽체 변위 프로파일을 보여주고 있다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 보강토 옹벽 공법의 도로 및 철도분야의 하중지지 구조물로서의 적용성 제고를 위한 연구의 일환으로 보강토 옹벽 형태의 교대의 장기거동 특성에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다.

제안 방법

이때 크리프 포텐셜은 쌍곡선 형태로 정의 되며 그림 18에서와 같이 소성 항복면과 아울러 크리프 항복면을 설정하여 임의 지점에서의 p - q 응력 상태가 크리프 항복면을 벗어나게 되면 크리프 변형이 발생하는 것으로 간주하며 여기서 # = q - ptanβ로 정의되는데 여기서 d과 β는 Drucker-Prager 모델의 점착력과 내부마찰각을 의미한다. 각각 본 연구에서는 뒤채움흙의 크리프 변형 모델링에 있어 Extended Drucker- Prager 모델에 SM 모델을 연계하여 시간영역(time domain)에서의 해석을 수행하였다.
해석에서는 지반공학 분야에 적용성이 뛰어난 범용 유한 요소해석 프로그램인 Abaqus(2007)를 사용하였다. 그림 3은 유한요소해석 모델을 보여주고 있는데 뒤채움 및 블록벽체, 그리고 기초는 가감적분 8절점 평면변형률 요소(CPE8R)를 이용하여 이산화 하였으며 보강재는 2차원 트러스 요소를 이용하여 모델링하였다. 한편, 벽체와 뒤채움흙 사이의 경계면에는 얇은 경계면 요소를 설치하여 상호거동을 모사할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 앞에 제시한 보강토 교대옹벽을 대상으로 뒤채움흙 및 보강재의 크리프 특성에 따른 장기 거동 특성을 고찰하는데 주 목적을 두었다. 따라서 뒤채움흙으로는 양질의 조립토와 세립분이 다량 함유되어 통일분류법으로 실트질 모래(SM)로 분류되는 흙이 사용되는 경우를 고려하였다. 표 1은 뒤채움흙과 보강재의 기본 특성을 나열하고 있다.
뒤채움흙의 크리프 특성은 Liu 등(2009) 연구결과를 참조하여 선정하였으며 보강재의 크리프 특성은 지오그리드에 대한 크리프 시험으로부터 결정된 파라메터를 사용하였다(김재왕, 2010). 본 연구에서 채택한 매개변수 조건을 나타내고 있으며 표 1에서 보이는 바와 같이 다양한 뒤채움흙의 종류와 지오그리드 크리프 특성을 고려하였다.
한편, 벽체와 뒤채움흙 사이의 경계면에는 얇은 경계면 요소를 설치하여 상호거동을 모사할 수 있도록 하였다. 아울러 수직경계조건은 벽체높이(H)의 약 3.5배되는 지점에 설치하여 해석결과에 영향이 미치지 않도록 하였으며 바닥부는 힌지를 설치하여 고정하였다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 보강토 옹벽 공법의 도로 및 철도분야의 하중지지 구조물로서의 적용성 제고를 위한 연구의 일환으로 보강토 옹벽 형태의 교대의 장기거동 특성에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 외부하중을 받는 보강토 구조물에 있어서 크리프 효과가 구조물의 사용성에 미치는 영향을 집중적으로 고찰하였다.
이러한 관점에서 본 논문에서는 보강토 옹벽 공법의 도로 및 철도분야의 하중지지 구조물로서의 적용성 제고를 위한 연구의 일환으로 보강토 옹벽 형태의 교대의 장기거동 특성에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 Singh-Mitchell 크리프 모델과 멱함수(Power law) 크리프 모델을 이용하여 각각 뒤채움흙과 보강재의 크리프 변형을 모델링하는 방안을 구축하였으며 이를 토대로 뒤채움흙과 토목섬유 보강재의 크리프 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 외부하중을 받는 보강토 구조물에 있어서 크리프 효과가 구조물의 사용성에 미치는 영향을 집중적으로 고찰하였다.
Polymer 재질의 지오그리드의 하중응답 특성은 열-점성-탄소성, 이방성 거동을 보인다. 특히 하중이 재하 되는 속도나 온도에 따라 하중응답 특성이 달라지는 점성(viscous) 특성이 매우 강하며 시간 의존적 크리프 특성을 배제할 수 없으므로 설계시에도 크리프 특성을 감안하여 설계인장강도를 설정하는 방법을 채택한다. 따라서 지오그리드가 적용되는 보강토 구조물의 장기 거동에 대한 현실적인 모델링을 위해서는 해석모델링에 이를 충분히 반영하여야 한다.

이론/모형

표 1은 뒤채움흙과 보강재의 기본 특성을 나열하고 있다. 뒤채움흙의 크리프 특성은 Liu 등(2009) 연구결과를 참조하여 선정하였으며 보강재의 크리프 특성은 지오그리드에 대한 크리프 시험으로부터 결정된 파라메터를 사용하였다(김재왕, 2010). 본 연구에서 채택한 매개변수 조건을 나타내고 있으며 표 1에서 보이는 바와 같이 다양한 뒤채움흙의 종류와 지오그리드 크리프 특성을 고려하였다.
Perkins(2000)는 토목합성재료의 모델링에 관한 연구에서 보강재의 크리프 변형을 앞서 언급한 Singh-Mitchell 모델의 근간을 이루고 있는 Power-Law 모델의 적용성을 검토한 결과 적용성이 매우 뛰어난 것으로 보고한 바 있다. 본 연구에서는 Power-Law 모델을 이용하여 보강재의 크리프 거동을 모델링하였다.
해석에서는 지반공학 분야에 적용성이 뛰어난 범용 유한 요소해석 프로그램인 Abaqus(2007)를 사용하였다. 그림 3은 유한요소해석 모델을 보여주고 있는데 뒤채움 및 블록벽체, 그리고 기초는 가감적분 8절점 평면변형률 요소(CPE8R)를 이용하여 이산화 하였으며 보강재는 2차원 트러스 요소를 이용하여 모델링하였다.

성능/효과

(1) 교대 보강토 옹벽 벽체의 장기 변위 형태는 벽체 하단부로부터 2/3 지점에서 최대 변위가 발생하는 경향을 보였으며 지오그리드 및 뒤채움흙의 크리프 변형으로 인해 발생하는 시간 의존적 장기 변위는 쌍곡선 내지 멱함수(power function)의 형태를 보임과아울러 본 해석조건에 있어 크리프 변위는 시공완료 후 약 2년 이내에 대부분이 발생하는 것으로 검토되었다.
(2) 뒤채움흙에 따른 크리프 거동을 검토한 결과 시공완료 직후의 거동 측면에서는 뒤채움흙에 따라 별다른 차이를 보이지 않으나 시간이 경과함에 따라 뒤채움 흙의 세립분 함유량이 증가할수록 구조물 수준의 장기 변위가 크게 증가하여 사용성 측면에서의 문제가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 보강토 교대와 같이 높은 수준의 외부하중을 지지하는 경우 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동으로 인해 시간 의존적 변형이 발생하므로 사용성 측면의 설계에서는 이에 대한 예측과 반영이 중요한 것으로 나타났다.
(3) 동일한 지오그리드를 사용하더라도 뒤채움흙의 크리프 특성에 따라 보강토 구조물 수준의 장기 변위가 달라 질 수 있는 것으로 나타났으며 각각의 크리프 특성이 클수록 상대 재료의 크리프 거동이 가속화 되는 경향을 보였다. 이러한 경향은 보강토 구조물 수준의 크리프 변형은 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동의 복합적인 상호작용으로 결정됨을 의미하는 것으로서 크리프 특성이 작은 보강재를 사용하더라도 세립분을 다량 함유한 크리프 특성이 큰 뒤채움흙을 사용하여 뒤채움할 경우 보강토 구조물 수준에서는 우려할 수준의 시간 의존적 장기 거동이 발생할 수 있음을 의미한다.
여기서 고려된 뒤채움흙(S-1, S-2, S-3)의 지반공학적 특성과 크리프 특성 파라메터는 표 1에 정리되어 있다. 먼저 시공 완료 10년 후 전면벽체의 수평변위 프로파일을 정리하고 있는 그림 11(a)를 관찰하면 시공완료 직후(EOC)에는 뒤채움흙 종류별 전면벽체 수평변위가 별 차이를 보이지 않고 있으나 10년 후에는 뒤채움흙의 종류에 따라 최대 130mm~200mm의 벽체 변위가 발생하는 것으로 분석되었다. 한편, 시공 완료 후 시간 경과에 따른 수평변위 발생경향을 제시하고 있는 그림 11(b)에서는 위와 같은 경향을 보다 구체적으로 관찰할 수 있는데 보이는 바와 같이 세립분 함유량이 많아 큰 점착력 성분을 보유하는 뒤채움흙 S-3의 경우 시공완료 후 최대 80mm 정도의 크리프 변위가 발생하는 것으로 나타나 보강토 구조물의 장기변위 측면에서 보강재의 크리프 거동뿐만이 아니라 뒤채움흙의 크리프 거동도 중요하게 다루어 져야 함을 보여 주고 있다.
한편, 그림 8(b)는 시공완료 후 시간경과에 따른 벽체 최대 변위 및 상판기초 침하 발생 경향을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 크리프 현상으로 인한 변위 발생 경향은 멱함수(power function)의 형태를 따름을 알 수 있으며 크리프 변위는 시공완료 후 약 2년 이내에 대부분이 발생하는 것으로 검토되었다.
위에 제시된 뒤채움흙에 따른 보강토 교대의 시간 의존적 거동 특성을 정리하면 시공완료 직 후의 거동 측면에서는 뒤채움흙에 따라 별다른 차이를 보이지 않으나 시간이 경과함에 따라 뒤채움흙의 세립분 함유량이 증가할수록 구조물 수준의 장기거동 측면에서 변위가 크게 증가하여 사용성 측면에서의 문제가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 보강토 교대와 같이 높은 수준의 외부하중을 지지하는 경우 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동으로 인해 시간 의존적 변형이 발생하므로 사용성 측면의 설계에서는 이에 대한 예측과 반영이 필요함을 의미하며 이를 최소화하기 위해서는 그림 13에서 제시된 바와 같이 무엇보다 크리프 변형이 작게 발생하는 뒤채움흙의 선정이 무엇보다 중요한 것으로 나타났다.
그림 14. 보강재의 크리프 특성에 따른 벽체 변위

위에서 관찰된 경향은 그림 15에 제시된 보강재에 유발되는 크리프 변형률 경시변화에서 또한 관찰할 수 있는데 보이는 바와 같이 10년 경과 후 발생하는 보강재 크리프 변형률은 G - 3와 G - 2 공히 거의 차이가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 반면 뒤채움 영역에서의 크리프 변형률을 보여주고 있는 그림 16에서는 G - 3가 적용된 경우에 크리프 변형률 수준이 가장 높게 발생하는 것으로 나타났는데 이는 G - 3를 적용한 경우 크리프 변형이 크게 발생하므로 뒤채움흙으로의 하중전이가 발생하여 뒤채움 영역에서 더 큰 크리프 변형이 발생하기 때문으로 이해할 수 있다(Liu 등 2009).
여기서 EOC(end of construction)는 [보강토 옹벽 및 상판기초, 상판설치]의 전 시공과정이 완료된 상황을 의미한다. 이 그림에서 관찰할 수 있는 바와 같이 벽체 변위 형태는 벽체 하단부로부터 2/3 지점에서 최대 변위가 발생하는 경향을 보여주고 있으며 EOC 단계에서 약 120mm 정도의 최대 변위가 발생한 후지오그리드 및 뒤채움흙의 크리프 변형으로 인해 시간이 경과함에 따라 10년 경과시 최대 80mm정도의 추가 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 그림 8(b)는 시공완료 후 시간경과에 따른 벽체 최대 변위 및 상판기초 침하 발생 경향을 보여주고 있다.
즉, 그림 17 및 18에서 관찰할 수 있는 바와 같이 동일한 크리프 특성을 보유하는 보강재를 사용하더라도(예를 들어 G - 1) 보강재의 크리프 변형률은 크리프 특성이 훨씬 큰 S-3으로 뒤채움된 경우가 S-1으로 뒤채움 된 경우보다 벽체 변위가 두 배 이상 크게 발생하는 것으로 나타났으며 보강재 크리프 변형률 또한 거의 유사한 경향을 보이고 있다. 이러한 경향은 보강토 구조물 수준의 크리프 변형은 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동의 복합적인 상호작용으로 결정됨을 의미하는 것으로서 크리프 특성이 작은 보강재를 사용하더라도 세립분을 다량 함유한 크리프 특성이 큰 뒤채움흙을 사용하여 뒤채움할 경우 보강토 구조물 수준에서는 우려할 수준의 시간 의존적 장기 거동이 발생할 수 있음을 의미한다고 하겠다.
이 그림에서 관찰할 수 있는 흥미로운 경향은 세립분이 가장 적게 함유된 S-1으로 뒤채움한 경우가 S-2로 뒤채움한 경우 보다 지오그리드 크리프 변형률이 더 크게 발생하였다는 점이다. 즉, 뒤채움흙 S-2가 사용된 경우가 S-1으로 뒤채움한 경우보다 더 큰 크리프 변위가 발생하는 것으로 나타났으나 보강재 수준에서는 그 경향이 역전되어 S-1가 적용된 경우에 지오그리드의 크리프 변형률 수준이 더 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 점착력이 작은 S-1이 뒤채움흙의 전단저항 능력 측면에서 S-2보다 작기 때문에 시공완료 직후(EOC) 지오그리드에는 더 큰 축력이 발생되고 이에 따라 더 큰 수준의 크리프 변형률이 발생하기 때문으로 이해할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보강토 옹벽 공법의 도로 및 철도분야의 하중지지 구조물로서 적용성 제고를 위한 연구 결과는?	(1) 교대 보강토 옹벽 벽체의 장기 변위 형태는 벽체 하단부로부터 2/3 지점에서 최대 변위가 발생하는 경향을 보였으며 지오그리드 및 뒤채움흙의 크리프 변형으로 인해 발생하는 시간 의존적 장기 변위는 쌍곡선 내지 멱함수(power function)의 형태를 보임과아울러 본 해석조건에 있어 크리프 변위는 시공완료 후 약 2년 이내에 대부분이 발생하는 것으로 검토되었다. (2) 뒤채움흙에 따른 크리프 거동을 검토한 결과 시공완료 직후의 거동 측면에서는 뒤채움흙에 따라 별다른 차이를 보이지 않으나 시간이 경과함에 따라 뒤채움 흙의 세립분 함유량이 증가할수록 구조물 수준의 장기 변위가 크게 증가하여 사용성 측면에서의 문제가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 보강토 교대와 같이 높은 수준의 외부하중을 지지하는 경우 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동으로 인해 시간 의존적 변형이 발생하므로 사용성 측면의 설계에서는 이에 대한 예측과 반영이 중요한 것으로 나타났다. (3) 동일한 지오그리드를 사용하더라도 뒤채움흙의 크리프 특성에 따라 보강토 구조물 수준의 장기 변위가 달라 질 수 있는 것으로 나타났으며 각각의 크리프 특성이 클수록 상대 재료의 크리프 거동이 가속화 되는 경향을 보였다. 이러한 경향은 보강토 구조물 수준의 크리프 변형은 뒤채움흙과 보강재의 크리프 거동의 복합적인 상호작용으로 결정됨을 의미하는 것으로서 크리프 특성이 작은 보강재를 사용하더라도 세립분을 다량 함유한 크리프 특성이 큰 뒤채움흙을 사용하여 뒤채움할 경우 보강토 구조물 수준에서는 우려할 수준의 시간 의존적 장기 거동이 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서 보강토 구조물의 장기거동의 제어를 위해서는 뒤채움흙의 선정이 매우 중요한 것으로 판단된다.
	사용성 한계 요구조건이란 무엇인가?	폴리머 합성재료인 지오그리드가 활용되는 보강토 공법에 있어 지오그리드의 크리프 거동에 대한 우려로 인해 장기적 하중지지 구조물로서 활용되는 것에 많은 우려가 있는 것이 사실이다. 특히, 영구 하중지지 구조물은 사용연한 동안 허용변위 이하의 변위가 발생하여야 한다는 사용성 한계 요구조건(serviceability limit requirement)을 만족시켜야 하므로 보강토 구조물의 장기 변형 발생에 대한 우려는 엔지니어링 관점에서 매우 중요한 부분이라고 할 수 있다.
	교대 구조물에 생길 수 있는 문제점은 무엇인가?	최근 들어 일본 및 북미, 유럽 등지에서는 교량구조물의 교대를 보강토 구조물로 시공하는 사례가 늘어가고 있다(그림 1). 이러한 교대 구조물은 교량의 상판하중이 지속적으로 작용하고 차량의 반복하중이 구조물의 사용연한동안 반복적으로 작용하는 하중조건에 노출되는데 옹벽이나 기타 토류구조물과 같이 보강토 구조물도 사용연한동안 하중이 지속적으로 작용하거나 반복하중이 작용하게 되면 시공중 발생하는 변위이외에 지속하중이나 반복하중으로 인한 잔류변위가 발생하게 된다. 따라서 교대와 같은 중요 구조물은 안정성을 유지하여야 함과 더불어 사용성(serviceability) 또한 확보되어야 하므로 보강토 구조물을 교대부에 적용시에는 이에 관한 고려가 뒤따라야 한다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
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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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