[논문]연약지반에 성토시 발생하는 수평변위 억지를 위한 말뚝보강 효과에 대한 수치해석

김재홍

doi:10.12814/jkgss.2011.10.4.001

연약지반에 성토시 발생하는 수평변위 억지를 위한 말뚝보강 효과에 대한 수치해석
Numerical Analysis about Pile Reinforcement Effect for Restraint of Lateral Displacement Occurring in the Embankment on Soft Ground 원문보기

한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.10 no.4, 2011년, pp.1 - 10

초록
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측방유동의 발생이 가능한 해안연약지반에 성토를 시행하면 지표면의 하부에는 수평변위가 발생한다. 이러한 수평변위는 인접지반에 변형을 발생하여 인접 지하에 매설된 각종 기반시설에 영향을 미칠수 있다. 수평변위의 억지대책으로 성토지지말뚝과 억지말뚝을 적용하였고, 억지대책의 효과분석을 위해 무보강지반과 보강지반으로 구분하여 수치해석을 시행하였다. 수치해석 결과는 억지말뚝 보강시가 무보강시보다 1.9배의 효과가 있었다. 성토지지말뚝의 보강은 무보강시보다 2.6배의 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 두 억지대책중 억지말뚝 보강보다 성토지지말뚝 보강이 1.3~1.6배의 효과가 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

When an embankment is performed on the soft ground of the coastal with possibilities of lateral flow, lateral displacement occurs to the bottom of the surface of the ground. This lateral displacement can affect existing infra structures that are buried in the adjacent underground by causing a displacement in the nearby base foundation. Soft ground supporting piles and reinforced piles were applied as reinforcement remedies against the lateral displacement. And for the effect analysis, numerical analysis was performed under the classifications of non-reinforcement base and reinforced base. The result of the numerical analysis showed that the reinforced piles had more effects by 1.9 times than non-reinforced piles. Soft ground supporting piles showed better effects by 2.6 times than non-reinforced piles. Additionally, between the two reinforced remedies, soft ground supporting piles showed greater effects by 1.3-1.6 times than the reinforced piles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 서론에서 밝힌 바와 같이 시험성토를 한 후 말뚝보강에 의한 수평변위 억지효과를 판단하기 위한 시험시공의 수치해석으로 무보강 및 보강대책으로 구분하여 비교하였고, 보강대책은 성토지지말뚝공법과 억지말뚝공법을 적용하여 보강효과를 비교하는 것으로 하였다. 또한, 두 보강대책별로 억지효과를 비교하기 위하여 성토지지말뚝과 억지말뚝을 말뚝 본수, 직경 및 타설길이를 동일하게 적용하였다.
본 연구에서는 연약지반에 성토를 시행후 발생할 수평변위를 억제시키기 위하여 억지말뚝과 성토지지말뚝 공법을 적용하여 수평변위에 대한 말뚝 보강효과를 확인하였다. 수행된 수치해석은 서해안 연약지반에 말뚝보강의 효과를 검증하기 위한 현장 시험시공의 선행 자료로써 추후, 연약지반 성토시에 수평변위를 억제할 필요가 있을 경우 설계 및 참고자료로 활용이 본 연구의 목적이다.
수행된 수치해석은 서해안 연약지반에 말뚝보강의 효과를 검증하기 위한 현장 시험시공의 선행 자료로써 추후, 연약지반 성토시에 수평변위를 억제할 필요가 있을 경우 설계 및 참고자료로 활용이 본 연구의 목적이다.
인접에 급속성토나 고성토시 억지대책이 고려되지 않은 상태에서 수평변위 발생현황 분석을 위해 해석하는 것으로 하였다.

가설 설정

또한, 억지대책인 성토지지말뚝 및 억지말뚝에 대해서 공히 Cap Con'c를 타설하는 것으로 가정하였다.
말뚝 타설후 억지효과를 극대화하기 위하여 캡보 Con'c를 타설하는 것으로 가정하였다.
또한, 억지대책인 성토지지말뚝 및 억지말뚝에 대해서 공히 Cap Con'c를 타설하는 것으로 가정하였다. 성토는 실험시공이 3일간 급속성토로 시공한 사유로 급속성토로 재하하는 것으로 가정하였다.
해석 지점은 성토사면 끝단에서 지표면 하부 10m로 시행하였고, 이격거리에 따른 변위여부를 확인하기 위하여 성토체 3m 앞 지점에서 지표면 하부 10m 까지 수평변위에 대해서 해석하였다. 성토체 상재 하중은 90kN/m²로 가정하였다.
조건을 만족하는 측방토압의 최대치를 산정하려면 말뚝사이의 지반이 Mohr-Coulomb의 항복조건을 만족하는 소성상태에 있다고 가정되어야 한다. 이 가정은 사면전체의 평형상태를 거의 변화시키지 않으면서 말뚝에 부가되는 측방토압을 산정하는 것을 의도한다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

제안 방법

또한, 두 보강대책별로 억지효과를 비교하기 위하여 성토지지말뚝과 억지말뚝을 말뚝 본수, 직경 및 타설길이를 동일하게 적용하였다. 단, 말뚝 길이는 말뚝비를 고려하여 각각의 길이를 달리하여 타설하는 것으로 계획하였다.
본 연구는 서론에서 밝힌 바와 같이 시험성토를 한 후 말뚝보강에 의한 수평변위 억지효과를 판단하기 위한 시험시공의 수치해석으로 무보강 및 보강대책으로 구분하여 비교하였고, 보강대책은 성토지지말뚝공법과 억지말뚝공법을 적용하여 보강효과를 비교하는 것으로 하였다. 또한, 두 보강대책별로 억지효과를 비교하기 위하여 성토지지말뚝과 억지말뚝을 말뚝 본수, 직경 및 타설길이를 동일하게 적용하였다. 단, 말뚝 길이는 말뚝비를 고려하여 각각의 길이를 달리하여 타설하는 것으로 계획하였다.
말뚝과 지반의 경계조건은 경계면(interface)을 고려하지 않았고, 메쉬 생성과정에서 말뚝은 강성으로 지반은 표 1의 지반 물성치를 고려하여 모델링하였다. 이와 같은 사유는 본 해석의 말뚝은 일반적인 말뚝해석에서 적용하는 부마찰력을 고려하지 않고 무보강과 보강에 따른 억지효과를 해석하기 위해 지지력만 받는 것으로 가정하였기 때문이다.
대부분 억지말뚝의 경우 절개사면의 안정대책 억지말뚝을 사용하지만 해안 연약지반에 성토시 측방유동을 방지하기 위하여 성토체 사면 끝단에 억지말뚝을 설치하여 억지효과를 확인한다. 말뚝배치는 재하성토체 측으로 5본을 외측 방향으로 4본을 설치하였고 말뚝길이는 5~10m로 하였다. 말뚝 간격은 열간격과 횡간격을 모두 1m씩 하였고 어긋나게(zigzag)로 배치하였다.
성토지지말뚝으로 보강하였을 때 측방유동의 억지효과를 살펴보기 위해 말뚝을 3 × 3열로 배치 관입하였다.
5m의 두께로 매립하였고 원지반 하부는 5m 실트질 모래층과 그 하부로 5m 두께의 점토 섞인 실트층을 모델링하였다. 실제 현장에서는 말뚝과 지반이 3차원으로 거동하나, 본 연구에서는 현장 시험시공에 따른 사전 설계개념의 수치해석으로 해석을 단순화하기 위하여 평면변형율(plane-strain) 조건으로 해석하였다. 무보강지반외에 다른 지반에도 동일하게 적용하였다.
연약지반에 성토시 발생하는 지중 수평변위를 억지시키기 위해 보강대책으로 억지말뚝과 성토지지말뚝을 적용하여 무보강과의 수평변위 억지효과를 분석한 수치해석의 결론은 다음과 같다.
즉, 말뚝주변의 아칭현상에 의한 실질적인 파괴는 아칭영역중 외부아치의 천정부에서 발생하는 정상파괴(Crown-failure)가 가장 먼저 일어난다. 이 때의 측방토압을 산정하기 위하여 극좌표를 사용한 해석이 이루어졌다. 말뚝주변의 지반아칭영역중에서 지반파괴의 형태는 크게 정상파괴와 캡파괴가 있다.
지표면(사면선단)에서 발생한 수평변위와 지중 최대수평변위와의 관계를 확인하였다. 표 4와 같이 성토체 끝단을 기준으로 무보강지점에서는 지표면보다 최대측방변위 지점에서 약 1.
그림 3(a)는 무보강지반 해석의 모델링이다. 표 1과 같이 원지반에 준설 해사를 1.5m의 두께로 매립하였고 원지반 하부는 5m 실트질 모래층과 그 하부로 5m 두께의 점토 섞인 실트층을 모델링하였다. 실제 현장에서는 말뚝과 지반이 3차원으로 거동하나, 본 연구에서는 현장 시험시공에 따른 사전 설계개념의 수치해석으로 해석을 단순화하기 위하여 평면변형율(plane-strain) 조건으로 해석하였다.
무보강, 성토지지말뚝, 억지말뚝의 해석 모델링은 하부지반을 포함한 전체지반의 경계를 현장조건과 동일하게 자유로 하였다. 해석 지점은 성토사면 끝단에서 지표면 하부 10m로 시행하였고, 이격거리에 따른 변위여부를 확인하기 위하여 성토체 3m 앞 지점에서 지표면 하부 10m 까지 수평변위에 대해서 해석하였다. 성토체 상재 하중은 90kN/m²로 가정하였다.
해석결과를 바탕으로 지중에서 최대측방변위가 발생한 위치를 확인하였다. 그림 7과 같이 연약층 두께에 지표면으로부터 깊이를 나누어 최대측방변위가 발생한 위치를 살펴보면 표 3과 같이 성토체 끝단이나 3m 이격지점에서 최대측방변위가 발생한 위치는 0.

대상 데이터

본 해석의 조건은 현장 시험시공의 배경이 된 경기도 안산시 매립현장의 현장과 동일하게 원지반 상단에 인천 앞바다에서 준설한 해사를 매립한 지층과 원지반 하부로 실트질 모래층, 점토섞인 실트층으로 구분한다. 배수조건은 비배수 조건으로 하였고, Mohr-Coulomb의 파괴규준모델을 사용하였다.
배수조건은 비배수 조건으로 하였고, Mohr-Coulomb의 파괴규준모델을 사용하였다. 해석에 사용한 물성치는 동 현장의 지반조사 보고서(한국수자원공사, 2003)를 참고하였으며 표 1과 같다.

이론/모형

본 해석의 조건은 현장 시험시공의 배경이 된 경기도 안산시 매립현장의 현장과 동일하게 원지반 상단에 인천 앞바다에서 준설한 해사를 매립한 지층과 원지반 하부로 실트질 모래층, 점토섞인 실트층으로 구분한다. 배수조건은 비배수 조건으로 하였고, Mohr-Coulomb의 파괴규준모델을 사용하였다. 해석에 사용한 물성치는 동 현장의 지반조사 보고서(한국수자원공사, 2003)를 참고하였으며 표 1과 같다.
본 연구에 사용한 프로그램은 연약지반 해석으로 현재 많이 사용되고 있는 유한요소해석 범용 프로그램인 PLAXIS 8.2를 이용하였다(PLAXIS, 2002). PLAXIS 8.

성능/효과

(1) 연약지반 성토시 하부지반 수평변위가 대부분 0.1Z/H 이내에서 발생하는 것으로 나타났다. 무보강시에는 지표면과 최대측방변위 차이가 성토지지말뚝이나 억지말뚝 보강보다 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.
(2) 억지말뚝보강보다 성토지지말뚝보강이 1.3~1.6배 효과가 있어 전체적으로 성토지지말뚝이 억지말뚝보다 효과가 있는 것으로 판단된다.
(3) 지표면 부근에서는 성토지지말뚝이 보강효과가 뛰어난 것으로 나타났고, 성토체에서 거리가 이격될수록 억지말뚝보다 성토지지말뚝의 보강효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
9배 정도의 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 성토체 끝단에서 3m 이격된 지점의 효율을 성토지지말뚝이 약 1.93배, 억지말뚝이 약 1.17배 효과가 있는 것으로 판단되었다. 성토체 끝단이나 3m 이격된 지점 모두 하부 0.
변위분포 확인 결과 무보강의 경우 성토에 의한 수평변위가 가장 크게 나타나고, 억지말뚝, 성토지지말뚝 보강 순으로 나타났다. 또한, 성토체 끝단이나 끝단에서 3m 이격지점에서 모두 지표 하부에서는 효과가 발휘되지 않은 것으로 나타났고, 지표면 0.6Z/H 지점에서 지표면까지 말뚝보강에 대한 억지효과가 있는 것으로 분석되었다.
또한, 억지말뚝 보강지반은 성토체 끝단에서는 12~97mm의 수평변위가 발생하였고 성토체 끝단에서 3m 이격지점은 11~81mm의 변위가 발생하였다. 변위분포 확인 결과 무보강의 경우 성토에 의한 수평변위가 가장 크게 나타나고, 억지말뚝, 성토지지말뚝 보강 순으로 나타났다. 또한, 성토체 끝단이나 끝단에서 3m 이격지점에서 모두 지표 하부에서는 효과가 발휘되지 않은 것으로 나타났고, 지표면 0.
2는 연약지반의 압밀거동 뿐만 아니라 과압밀 점토 그리고, 사질토 및 암반지반에도 적용이 가능한 다양한 재료모형을 갖고 있다. 본 프로그램은 매우 낮은 전단강도의 지반에 굴착 또는 성토하는 경우에 지반의 붕괴를 포함한 변형해석이 가능할 뿐만 아니라 압밀침하 등의 복잡한 지반변형을 계산할 수 있다.
그림3(c)는 무보강지반의 응력분포도이다. 성토단면 하부의 응력이 크고, 응력이 전단면에 대하여 발생하나 성토체에서 이격될수록 감소하는 것으로 나타났다.
성토지지말뚝과 억지말뚝과의 보강에 따른 효율을 분석하기 위하여 무보강시 발생한 변위와 억지대책 적용시 발생한 변위를 비교한 결과는 그림 8과 같다. 성토체 끝단에서 성토지지말뚝보강과 무보강과의 효율은 최대 2.6배의 효율이 있었고, 억지말뚝과 무보강과의 효율을 비교하면 최대 1.9배 정도의 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 성토체 끝단에서 3m 이격된 지점의 효율을 성토지지말뚝이 약 1.
17배 효과가 있는 것으로 판단되었다. 성토체 끝단이나 3m 이격된 지점 모두 하부 0.6Z/H ~ 1.0Z/H에서는 성토지지말뚝보다 억지말뚝이 보강효과가 있는 것으로 나타났으나 지중 하부보다는 지표면 가까이서 성토지지말뚝 보강의 효율이 뛰어난 것으로 해석되었다.
또한, 성토체 끝단에서 수평변위 발생한 것으로 나타났다. 억지말뚝 타설구간외에는 연직으로 변위가 발생하였고, 변위발생 부위도성토지지말뚝보다 크게 발생한 것으로 해석되었다. 그림 5(c)는 억지말뚝보강 지반의 응력분포도로서 그림 4(c)의 성토지지말뚝 보강 효과와 비교하면 연직변위가 크게 발생한 것으로 나타났다.
또한, 억지대책인 성토지지말뚝 보강과 억지말뚝 보강에 대해서도 상호보강 효율을 분석한 결과를 살펴보면 그림 9와 같다. 억지말뚝보다 성토지지말뚝이 1.3~1.6배 효과가 있으며, 성토체에서 이격될수록 억지말뚝보강보다 성토지지말뚝 보강의 효과가 있는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연약지반에서 수평변위가 크게 발생할시 문제점은 무엇인가?	이런 연약지반에 성토를 시행하면 필히 연직변위와 수평변위가 발생하게 된다. 특히, 수평변위가 크게 발생할시에는 성토체 인접에 구조물이 존재할 경우 변형이나 파괴가 되는 피해가 발생한다. 이를 억제하기 위한 방법으로는 압밀촉진공법, 지반개량공법, 보강토와 같은 지반강화 공법이 있고, 성토 본체의 측방부를 눌러 성토의 안정을 확보하는 압성토공법과 EPS 블록을 사용하여 상부하중을 저감하는 하중경감 공법이 있다(홍성훈, 1995).
	지반아칭현상의 성토하중의 비율이 얼마인지 정확한 예측이 어려운 이유는 무엇인가?	성토지지말뚝시스템에서는 성토지반의 아칭현상에 의하여 대부분의 성토하중이 말뚝 혹은 말뚝캡으로 전달된다. 그러나 지반아칭현상이 말뚝의 간격, 캡의 크기, 성토고 및 성토재료의 물성치 등에 따라 영향을 받기 때문에, 성토하중의 비율이 얼마인지 정확한 예측을 하는 것이 대단히 어려운 문제이다.
	수평변위를 억제하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	특히, 수평변위가 크게 발생할시에는 성토체 인접에 구조물이 존재할 경우 변형이나 파괴가 되는 피해가 발생한다. 이를 억제하기 위한 방법으로는 압밀촉진공법, 지반개량공법, 보강토와 같은 지반강화 공법이 있고, 성토 본체의 측방부를 눌러 성토의 안정을 확보하는 압성토공법과 EPS 블록을 사용하여 상부하중을 저감하는 하중경감 공법이 있다(홍성훈, 1995).

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원문보기 상세보기
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Terzaghi, K. (1943), Theoretical soil mechanics, John Wiley & Sons, New York, pp.66-75.

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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