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문제 정의
- 그리고 본 연구에서 신장성 보강재로 멤브레인을 사용한 이유는 배부름의 거동특성을 쉽게 파악하기 위한 것으로 보다 보강재 위치별(심도) 그리고 상세한 변위(배부름)를 체크할 목적으로 사용하였다.
- 따라서 본 연구에서는 배부름에 관한 거동특성을 고찰하기 위해 알루미늄 봉을 이용하는 소형모형실험을 통해서 보강재의 신장특성이 보강토 옹벽거동 즉 배부름에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 보강재는 비신장성 보강재로서 창호지와 신장성 보강재로서 멤브레인을 이용하였다.
- 03H(H는 옹벽높이)와 FHWA기준을 대부분 현장에서 적용하고 있는 실정이므로 이에 대한 관련 시방기준을 마련하는 것이 시급하다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 신장성 및 비신장성 보강재를 이용하여 배부름(bulging)에 관한 모형실험을 실시하였으며, 실험결과부터 국내외 수평변위기준에 따른 분석을 표 3과 같이 검토하였다.
제안 방법
- 격자형상은 나무블록의 부분의 중요성을 고려하여 블록의 형상대로 20×20mm 의 격자를 그렸고, 모형지반의 경우에는 가로×세로 각각 32×40mm의 격자를 그렸다.
- 실험순서는 최하단부 블록을 고정시킨 후 그림 1과 같이 단계적으로 블록과 보강재를 연결하여 반복과정을 통하여 소정의 높이까지 모형지반을 제작한다. 그리고 지반의 거동을 관찰하기 위해 모형지반에 격자를 그리고 아크릴 판을 이용하여 모형지반과 동일한 격자를 그려 변형 후의 변위를 체크할 수 있도록 하였다. 격자형상은 나무블록의 부분의 중요성을 고려하여 블록의 형상대로 20×20mm 의 격자를 그렸고, 모형지반의 경우에는 가로×세로 각각 32×40mm의 격자를 그렸다.
- 모형실험은 보강재의 신장성에 따른 거동특성을 비교하기 위해 표 2와 같은 실험조건으로 실시하였다(그림 1참조). 보강재를 넣지 않은 무보강 형태와 비교적 신장성이 큰 멤브레인 보강재를 2개, 4개, 6개, 8개 보강한 형태로 모형실험을 실시하였으며, 보강재는 멤브레인과 창호지 등 2종류를 사용하여 실험하였다.
- 격자형상은 나무블록의 부분의 중요성을 고려하여 블록의 형상대로 20×20mm 의 격자를 그렸고, 모형지반의 경우에는 가로×세로 각각 32×40mm의 격자를 그렸다. 모형지반의 제작과 거동관찰을 위한 준비가 완료되면, 구속시킨 전면 판을 수평으로 이동시킨 후 격자를 이용하여 수직변위와 수평변위를 측정하였다. 특히 수평이동조건으로 실험을 실시함과 동시에 옹벽의 정면과 후면에 옹벽의 거동특성을 살펴 보기위해 카메라 두대를 설치하여 다중노출기법과 고속촬영기법을 이용하여 모형지반의 거동특성을 파악하였다.
- 보강재의 신장성에 따른 배부름의 거동특성을 고찰하기 위해 보강재는 창호지와 멤브레인을 이용하였으며, 멤브레인의 경우 신장성을 달리하기 위해 보강재를 갯수를 증가시켜 4종류의 조건으로 모형실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 실내모형장치를 이용하여 보강재의 신장특성에 따른 보강토옹벽의 모형실험을 실시하였으며, 결론을 다음과 같다.
- 실험순서는 최하단부 블록을 고정시킨 후 그림 1과 같이 단계적으로 블록과 보강재를 연결하여 반복과정을 통하여 소정의 높이까지 모형지반을 제작한다. 그리고 지반의 거동을 관찰하기 위해 모형지반에 격자를 그리고 아크릴 판을 이용하여 모형지반과 동일한 격자를 그려 변형 후의 변위를 체크할 수 있도록 하였다.
- 모형지반의 제작과 거동관찰을 위한 준비가 완료되면, 구속시킨 전면 판을 수평으로 이동시킨 후 격자를 이용하여 수직변위와 수평변위를 측정하였다. 특히 수평이동조건으로 실험을 실시함과 동시에 옹벽의 정면과 후면에 옹벽의 거동특성을 살펴 보기위해 카메라 두대를 설치하여 다중노출기법과 고속촬영기법을 이용하여 모형지반의 거동특성을 파악하였다.
대상 데이터
- 모형지반은 길이 50mm이고 직경이 각각 1.6mm와 3.0mm의 알루미늄 봉 두 종류를 이용하였으며, 중량비 2:3의 비율로 혼합하여 지반을 제작하였다(김성태, 2005). 알루미늄 봉으로 지반은 형성한 이유는 비중과 내부마찰각의 값이 모래와 유사하며, 단시간에 모형지반을 형성하여 실험기간을 단축할 수 있다.
- 따라서 본 연구에서는 배부름에 관한 거동특성을 고찰하기 위해 알루미늄 봉을 이용하는 소형모형실험을 통해서 보강재의 신장특성이 보강토 옹벽거동 즉 배부름에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 보강재는 비신장성 보강재로서 창호지와 신장성 보강재로서 멤브레인을 이용하였다.
- 모형실험은 보강재의 신장성에 따른 거동특성을 비교하기 위해 표 2와 같은 실험조건으로 실시하였다(그림 1참조). 보강재를 넣지 않은 무보강 형태와 비교적 신장성이 큰 멤브레인 보강재를 2개, 4개, 6개, 8개 보강한 형태로 모형실험을 실시하였으며, 보강재는 멤브레인과 창호지 등 2종류를 사용하여 실험하였다.
- 본 실험은 블록식 보강토옹벽을 재현하기 위해 나무블록을 이용하였으며, 블록의 크기는 가로×세로×폭이 각각 20×20×50mm다.
- 본 연구에서 사용한 보강재는 신장성이 매우 작은 창호지와 신장성이 매우 큰 멤브레인을 이용하였다. 멤브레인과 창호지의 폭×길이는 각각 5×200mm이다.
- 본 연구에서 사용한 실내모형실험장치는 사진 1과 같으며, 크기는 가로×세로×폭이 각각 460×240×50mm로서 두 가지 타입의 알루미늄 봉을 일정한 중량비로 혼합하여 포설하였다.
성능/효과
- 아울러 멤브레인 보강재의 경우 8개로 보강재를 증가시킨 경우 2개를 보강한 경우보다 수평과 수직변위감소량은 78%정도로 크게 감소하였다. 결과적으로 멤브레인 보강재의 갯수를 증가시킬 경우, 즉 보강재의 신장성이 수직 및 수평변위에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 따라서 보강토옹벽의 설계시 신장성이 큰 보강재를 사용할 경우 반드시 보강재의 신장성 고려한 횡방량 변위량 즉 배부름(Bulging)을 예측하여 설계전 옹벽 전면구배를 계획하여야 하며, 지속적인 연구를 통하여 신장성 보강재를 적용하는 보강토옹벽의 경우에는 이에 대한 관련 기준을 마련해야 할 것이다.
- 결과적으로 허용기준을 초과하는 모형실험의 경우에도 보강토체는 안정하였다. 하지만 배부름에 따른 응력집중과 시각적인 불안감 그리고 여러 가지 변수들 즉 뒤채움재의 다짐도, 보강재와 뒤채움 강성비, 보강재의 포설길이, 보강재와 옹벽 전면판의 결속형태 등 횡방향 변형에 미치는 영향인자 등을 고려한 연구가 지속적으로 진행하여 이에 대한 관련기준을 마련토록 해야 할 것이다.
- 2cm 정도가 발생한 것으로 나타났다. 그리고 시공완료 후에는 시간경과에 따른 수평변위 발생이 급격히 감소하여 일정한 값으로 수렴하고 있으며, 수평변위는 옹벽높이의 1% 이내로 수렴되므로 안정한 것으로 평가하였다.
- 2cm에서 가장 크게 발생하였다. 그리고 최대수평변위는 멤브레인 2개를 보강한 경우 1.2cm정도가 발생하였으며, 멤브레인 보강재 4개, 6개, 8개를 보강한 경우에는 0.8cm, 0.7cm, 0.4cm정도가 발생하여 2개를 보강한 경우보다 횡방향변위가 약 33.3~66.7%정도 변위가 감소하였다.
- 보강토옹벽의 허용 벽체변위량 FHWA 1.67%를 기준하여 평가할 경우, 멤브레인을 6개까지 보강할 때에는 0.4cm보다 수평변위가 크게 평가되었다. 한편 멤브레인 8개를 보강한 경우에는 허용기준 0.
- 그림 11과 12는 보강재의 신장성에 따른 수평변위와 수직변위를 나타낸 그림이다. 수직과 수평변위량은 멤브레인 2개를 보강한 경우에서 8개까지 증가시켰을 경우 순서대로 수직 및 수평변위량은 감소하였다. 특히 창호지와 같이 신장성이 매우 작은 경우에서는 수직 및 수평변형량이 매우 미소하게 나타났지만, 멤브레인과 같이 신장성이 클 경우에는 상대적으로 많은 수직 및 수평변위가 발생하였다.
- 신장성 보강재의 경우 FHWA의 기준 1.67%를 적용하여 분석한 결과 NH-5의 경우를 제외하고 모든 조건에서 기준을 초과하였으며, BS 8006(1995)의 기준 0.44%를 적용할 경우에는 모든 조건에서 기준을 초과한 것으로 평가되었다. 한편 국내 지반공학회 허용변위량 기준, 3.
- 보강토옹벽의 배부름형태는 멤브레인을 보강한 경우 강성이 낮을수록 활모양과 같은 형상을 나타내고 있으며, 이와 반대로 강성이 클수록 직선적인 형태를 나타내고 있다. 즉 보강재의 강성은 보강토옹벽의 변위형태에 많은 영향을 미치는 인자임을 알 수 있었으며, 전반적으로 보강재의 강성이 증가함에 따라 최대수평변위의 발생지점이 벽체 상부로 이동하는 경향을 보이고 있다. 벽체변위의 발생 원인은 보강재의 강성뿐만 아니라 모형실험 특성상 모형 지반 제작 후 수평이동조건으로 제작과정에서 억제된 변위가 다소 크게 나타난 점과 멤브레인 보강재의 변형계수가 매우 작은 보강재를 적용한 것도 실험상 주요 영향인자라고 할 수 있다.
- 보강토옹벽의 배부름형태는 멤브레인을 보강한 경우 강성이 낮을수록 활모양과 같은 형상을 나타내고 있으며, 이와 반대로 강성이 클수록 직선적인 형태를 나타내고 있다. 즉 보강재의 강성은 보강토옹벽의 변위형태에 많은 영향을 미치는 인자임을 알 수 있었으며, 전반적으로 보강재의 강성이 증가함에 따라 최대수평변위의 발생지점이 벽체 상부로 이동하는 경향을 보이고 있다. 벽체변위의 발생 원인은 보강재의 강성뿐만 아니라 모형실험 특성상 모형 지반 제작 후 수평이동조건으로 제작과정에서 억제된 변위가 다소 크게 나타난 점과 멤브레인 보강재의 변형계수가 매우 작은 보강재를 적용한 것도 실험상 주요 영향인자라고 할 수 있다.
- 44%를 적용할 경우에는 모든 조건에서 기준을 초과한 것으로 평가되었다. 한편 국내 지반공학회 허용변위량 기준, 3.0%를 적용할 경우에는 NH-2조건을 제외한 모든 단면은 기준을 만족한 것으로 평가되었다.
후속연구
- 결과적으로 멤브레인 보강재의 갯수를 증가시킬 경우, 즉 보강재의 신장성이 수직 및 수평변위에 상당한 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 따라서 보강토옹벽의 설계시 신장성이 큰 보강재를 사용할 경우 반드시 보강재의 신장성 고려한 횡방량 변위량 즉 배부름(Bulging)을 예측하여 설계전 옹벽 전면구배를 계획하여야 하며, 지속적인 연구를 통하여 신장성 보강재를 적용하는 보강토옹벽의 경우에는 이에 대한 관련 기준을 마련해야 할 것이다.
- 보강토옹벽의 횡방향 변위를 지배하는 요인은 뒤채움재의 다짐도, 보강재와 뒤채움 강성비, 보강재의 포설길이, 보강재와 옹벽 전면판의 결속형태, 옹벽 전면판의 변형특성이 있다. 본 연구에서 파악하고자 하는 신장성에 따른 옹벽의 거동과 더불어 상기의 영향인자에 관한 연구가 지속적으로 진행된다면 횡방향 변위량을 예측할 수 있으며, 이 결과를 이용하여 실시 설계전 옹벽 전면구배를 계획할 수 있을 것이다.
- 5m당±20mm로 제한하고 있다. 이와 같이 보강토옹벽의 수평변위의 허용치는 매우 보수적으로 규정하고 있는 것으로 판단되며, 보강토옹벽의 여러 가지 고려조건과 더불어 보강재의 신장특성에 따른 거동을 파악하여 현실적인 수평변위의 기준을 마련해야 할 것이다.
- 결과적으로 허용기준을 초과하는 모형실험의 경우에도 보강토체는 안정하였다. 하지만 배부름에 따른 응력집중과 시각적인 불안감 그리고 여러 가지 변수들 즉 뒤채움재의 다짐도, 보강재와 뒤채움 강성비, 보강재의 포설길이, 보강재와 옹벽 전면판의 결속형태 등 횡방향 변형에 미치는 영향인자 등을 고려한 연구가 지속적으로 진행하여 이에 대한 관련기준을 마련토록 해야 할 것이다.
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