본 연구에서는 모형실험을 통하여 구조물 배면의 좁은 공간을 사질토로 되메움 할 때, 되메움 지반의 공간크기와 형태 및 지오그리드의 포설 유/무에 따른 수평토압의 크기와 분포형태를 측정하였다. 8개의 층으로 구성된 벽체를 설치하고 좁은 되메움 지반을 벽체 하단으로부터 이격거리 10cm, 20cm, 30cm, 절취면의 각도는 $90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $60^{\circ}$로 모사하고, 되메움 지반내 지오그리드의 설치 유/무의 조건으로 수평토압을 측정했다. 측정결과 좁은 지반에서 되메움에 의한 수평토압은 아칭형태를 보였고 사면 파괴체 안에 모형지오그리드를 포설할 경우라도 수평토압이 감소된 결과가 나타났다. 본 연구와 유사한 현장의 벽체에 미치는 토압을 산정할 때 되메움 공간의 형상과 크기, 지오그리드 설치 등을 고려한 토압산정식이 적용되여야 할 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 모형실험을 통하여 구조물 배면의 좁은 공간을 사질토로 되메움 할 때, 되메움 지반의 공간크기와 형태 및 지오그리드의 포설 유/무에 따른 수평토압의 크기와 분포형태를 측정하였다. 8개의 층으로 구성된 벽체를 설치하고 좁은 되메움 지반을 벽체 하단으로부터 이격거리 10cm, 20cm, 30cm, 절취면의 각도는 $90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $60^{\circ}$로 모사하고, 되메움 지반내 지오그리드의 설치 유/무의 조건으로 수평토압을 측정했다. 측정결과 좁은 지반에서 되메움에 의한 수평토압은 아칭형태를 보였고 사면 파괴체 안에 모형지오그리드를 포설할 경우라도 수평토압이 감소된 결과가 나타났다. 본 연구와 유사한 현장의 벽체에 미치는 토압을 산정할 때 되메움 공간의 형상과 크기, 지오그리드 설치 등을 고려한 토압산정식이 적용되여야 할 것으로 확인되었다.
In this study, the reinforcing effect of geogrids in the narrow backfill by sand was experimentally studied. In the model tests, the size of space and the slope of the cut off slope were varied out. The resultant and the distribution of lateral earth pressure were measured. Width of backfill space v...
In this study, the reinforcing effect of geogrids in the narrow backfill by sand was experimentally studied. In the model tests, the size of space and the slope of the cut off slope were varied out. The resultant and the distribution of lateral earth pressure were measured. Width of backfill space varied 10 cm, 20 cm, 30 cm at the lower wall level and angle of the cut off slope varied $90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $60^{\circ}$. Geogrids were installed in the backfill. Measured results showed that the distribution of the lateral earth pressure due to the narrow backfill developed in a arching shape. And the earth pressure was reduced due to the reinforcement of the backfill by geogrid. geogrid helps reduction of lateral earth pressure.
In this study, the reinforcing effect of geogrids in the narrow backfill by sand was experimentally studied. In the model tests, the size of space and the slope of the cut off slope were varied out. The resultant and the distribution of lateral earth pressure were measured. Width of backfill space varied 10 cm, 20 cm, 30 cm at the lower wall level and angle of the cut off slope varied $90^{\circ}$, $75^{\circ}$, $60^{\circ}$. Geogrids were installed in the backfill. Measured results showed that the distribution of the lateral earth pressure due to the narrow backfill developed in a arching shape. And the earth pressure was reduced due to the reinforcement of the backfill by geogrid. geogrid helps reduction of lateral earth pressure.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 모래 지반에서 실시한 좁은 되메움 구간의 수평 토압을 측정하여 전체적인 토압 분포가 아칭형상인 것을 확인할 수 있었으며, 좁은지반에 설치된 짧은 보강재의 지반 보강효과를 확인 하였다. 향후 절토부 보강토옹벽 현장 시공시 계측을 통한 추가적인 연구를 수행하면 좁은 지반에 되메움시 전면벽체에 작용하는 토압 및 보강재의 역할을 명확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
가설 설정
그림 2에서 지표면 아래로 깊이 h에 위치하는 두께 dh의 미소요소를 가정한다. 이 요소에 작용하는 힘의 연직 평형 방정식을 취하면 수직력의 적분항은 식 (1)과 같다.
이 요소에 작용하는 힘의 연직 평형 방정식을 취하면 수직력의 적분항은 식 (1)과 같다. 단, 이 요소에 작용하는 연직응력은 폭 B에 걸쳐 균등하게 분포한다고 가정한다.
제안 방법
되메움 공간의 형상에 따라 원지반 경사와 연직벽체와의 이격거리를 조정 후 되메움을 실시하였다. 되메움시 균질한 지반을 조성하기 위하여 샌드 커튼 방식(Sand curtain method)을 이용하였다.
따라서, 본 연구에서는 실내 모형토조시험을 이용하여, 굴착면의 경사 및 하부 폭 변화 및 되메움구간에 지오그리드 설치 유무에 따른 수평토압을 측정하여, 되메움폭이 좁은 지반에서 사면파괴체 내에 수평으로 설치된 보강재의 보강효과를 확인하였다.
모형실험과정(그림 10)은 단계별로 벽체의 높이까지 강사한 후 수평토압을 측정하였으며, 소정의 위치에서 보강재를 설치하여 보강재의 효과에 대하여 비교 분석하였다.
뒷채움 지반의 기본물성은 표 1에 표기하였으며 통일분류법(Unified Soil Classification System)으로 분류하면 미세입자가 적고 입도분포가 불량한 모래(SP)이다. 모형지반의 조성은 낙하고를 조정할 수 있는 롤러가 부착된 강사장치(Sand curtain)를 이용하여 상대밀도가 약 78%로 일정하게 조성하였다. 되메움 모형지반은 노건조상태의 모래(Dmax=2.
벽체에 작용하는 되메움 토압을 측정하기 위해서 설치한 계측기의 구성 및 배치는 그림 5와 같으며, 각벽체에 편심이 작용하지 않도록 Load cell을 2개씩(총16개) 설치하였으며 측정은 Tokyo Sokki 사의 TDS-303을 사용하여 측정하였다.
본 연구는 절토부 보강토 옹벽의 배면 또는 구주물 배면에 좁은 공간을 되메움시 토압분포와 짧은 보강재의 보강 효과를 확인하기 위하여 되메움 공간의 크기와 원지반의 굴착 배면경사에 따라 발생하는 수평토압의 크기와 분포 형상을 실내모형실험을 수행하여 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 되메움 공간의 형상 즉, 원지반 굴착면의 경사(A) 및 되메움 하부 폭(B)을 변화시키면서 각위치별 지반의 수평토압을 측정(그림 8과 9)하였으며, 각 CASE에서 지오그리드의 설치 유무(G)에 따른 지오그리드의 보강효과를 확인하였으며, 수행한 실험의 종류는 표 3과 같다.
성토지반과 벽마찰을 최소화하기 위해서 토조 내부에 유리판을 부착하고 그리스를 바른 비닐을 연직벽체와 지반사이에 여러겹 부착하였다. 원지반 굴착면은 충분한 강성의 강판을 이용하여 경사조절이 가능하도록 제작하였으며, 강판에는 에폭시로 되메움 시료를 부착하여 원지반과 동일한 마찰각을 갖도록 하였다. 연직벽체는 크기가 2cm(두께)×7.
되메움시 균질한 지반을 조성하기 위하여 샌드 커튼 방식(Sand curtain method)을 이용하였다. 지반의 상대밀도 조정은 낙하고와 낙하 속도를 조절하여 일정한 상대밀도가 유지되도록 하였으며, 부피를 알고 있는 알루미늄 캔(can)을 설치하고 시험이 완료된 후 캔을 꺼내어서 무게를 측정하여 매시험별 되메움 지반의 상대밀도를 확인하였다.
대상 데이터
보강재는 노건조 상태의 모래인 지반조건 및 실험규모 (scale)를 고려할 때 실제 지오그리드를 적용하기 곤란하여 모형실험에 그리드를 대체할 수 있는 몇가지 재료(모시, 섬유, 철망)에 대한 예비시험 후, 지오그리드와 가장 특성이 유사한 그물망 형태의 섬유를 보강재로 적용하였다(그림 7과 표 2).
본 연구에 사용된 되메움지반은 노건조된 주문진 자연사를 사용하였다. 체분석 결과 입경가적곡선은 그림 6과 같다.
본 연구에서는 2차원 평면조건으로 배면경사 조절이 용이 하도록 크기가 120cm(폭)×90cm(높이)×30cm(길이)인 실내모형토조(그림 4)를 사용하였다.
연직벽체는 크기가 2cm(두께)×7.5cm(높이)×28cm(폭)인 베이크라이트판(Bakelite Plate, E=147,000kgf/cm2, EI=159kgf･cm2) 8개로 제작하였다.
이론/모형
되메움 공간의 형상에 따라 원지반 경사와 연직벽체와의 이격거리를 조정 후 되메움을 실시하였다. 되메움시 균질한 지반을 조성하기 위하여 샌드 커튼 방식(Sand curtain method)을 이용하였다. 지반의 상대밀도 조정은 낙하고와 낙하 속도를 조절하여 일정한 상대밀도가 유지되도록 하였으며, 부피를 알고 있는 알루미늄 캔(can)을 설치하고 시험이 완료된 후 캔을 꺼내어서 무게를 측정하여 매시험별 되메움 지반의 상대밀도를 확인하였다.
성능/효과
(1) 모형실험결과 연직벽체 상부에 작용하는 수평토압은 되메움 하부폭(B)과 관계 없이 이론토압(Jaky식)과 유사하게 나타났으나, 연직 벽체 하부에 작용하는 수평 토압의 분포형상은 되메움 하부 폭(B)이 작을수록 비선형적인 증가를 보였다.
(2) 되메움 하부폭(B)이 작아질수록 연직 벽체에 작용하는 수평토압은 감소하였으며, 아칭현상에 의해 수평 토압이 감소하여 이론토압(Jaky식)보다 최대 70%까지 감소하였다(B10A90G).
(3) 좁은지역에 되메움한 토압의 형태는 벽체상단부는 정지토압에 유사한 직선분포를 보이며, 하단부로 갈수록 실험값은 silo 토압의 형태와 유사하나 최하단부에서 실험값이 최대 약 32% 감소하는 것을 확인하였다.
(4) 원지반 굴착면 경사(A)가 수직에 가까워질수록 수평 토압이 감소하여 최대 이론 토압의 30%로 감소된 토압을 볼 수 있었다.
(5) 되메움 하부폭이 증가하고, 굴착면 경사가 작아질수록 즉, 뒤채움 공간이 증가하면서 토압분포는 이론토압에 가까워지는 경향을 보였다.
(6) 보강재를 설치한 경우가 설치하지 않은 경우보다 수평토압이 작게 측정되었으며, 사면파괴체 내에 보강재를 짧게 설치하여도 지오그리드의 보강효과가 있는 것을 확인하였다.
(7) 보강재 설치시, 굴착면 경사에 무관하게 수평토압이 감소하였다.
그림 11은 각각의 이격거리별로 원지반 굴착경사에 따라 연직벽체에 작용하는 수평토압의 분포를 나타내고 있다. 그림 11(a)에서와 같이 되메움 지반의 하부영역에서 되메움의 깊이가 증가할수록 수평토압이 비선형 적으로 증가하였다. 또한 경사가 수직에 가까워질수록 아칭현상에 의해 수평토압이 감소하여 이론토압(Jaky 식)보다 최대 70%까지 감소하였다.
되메움 지반의 하부폭이 커질수록 연직벽체가 받는 수평토압은 커지는 경향을 보였으며, 이론토압(Jaky식)에 가까워지는 경향을 보였다(그림 12). 하지만 본 연구에서 이격거리가 30cm로 가장 큰 B30A90의 경우도 이론 토압(Jaky 식)의 약 64%로 측정되어 좁은 폭의 되메움된 지반에서의 수평토압은 이론적인 수평토압 공식에 의한 토압보다 감소하는 것을 확인 하였다.
또한 Silo 토압과 비교하여 볼때 실험결과 토압의 분포 양상은 유사하며, 벽체상단부는 작용토압도 거의 유사하나 하단부로 갈수록 이론값이 실험값에 비해 크게 산정되었으며, 최하단부에서 약 21~32% 정도 크게 산정되었다(그림 13).
배면경사가 90°이고 되메움 구간에 그리드를 포설한 경우 6.3~9.1%의 토압감소 효과를 보이며, 이격거리 30cm에서는 그리드가 없는 경우 이론값의 64.8%의 토압을 가지고, 보강재를 포설한 경우 이론값의 60.3%의 수평 토압이 작용하였다.
본 연구의 모든 CASE에서 보강재를 설치한 경우 설치하지 않은 경우보다 수평토압이 작게 측정되었으며, 보강재를 예상파괴면 밖으로 포설하지 않고 사면 파괴체(되메움구간)내에만 설치하여도 수평토압이 일부 감소하는 보강효과를 확인하였다. 그림 14~16은 배면경사가 60, 75, 90°일 때 보강재 설치 유무에 따른 수평토압 분포를 나타낸다.
되메움 지반의 하부폭이 커질수록 연직벽체가 받는 수평토압은 커지는 경향을 보였으며, 이론토압(Jaky식)에 가까워지는 경향을 보였다(그림 12). 하지만 본 연구에서 이격거리가 30cm로 가장 큰 B30A90의 경우도 이론 토압(Jaky 식)의 약 64%로 측정되어 좁은 폭의 되메움된 지반에서의 수평토압은 이론적인 수평토압 공식에 의한 토압보다 감소하는 것을 확인 하였다.
후속연구
본 연구에서는 모래 지반에서 실시한 좁은 되메움 구간의 수평 토압을 측정하여 전체적인 토압 분포가 아칭형상인 것을 확인할 수 있었으며, 좁은지반에 설치된 짧은 보강재의 지반 보강효과를 확인 하였다. 향후 절토부 보강토옹벽 현장 시공시 계측을 통한 추가적인 연구를 수행하면 좁은 지반에 되메움시 전면벽체에 작용하는 토압 및 보강재의 역할을 명확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강토 옹벽의 토압을 산정하는 이론은 무엇이 있는가?
보강토 옹벽의 토압을 산정하는 이론은 일반적으로 Rankine 및 Coulomb토압이 이용되고 있으며, 실제거동을 모사할 수 있는 이론으로는 Silo 이론이 적용될 수 있다.
토압계수는 어디에 사용되는가?
사일로와 같은 좁은 공간의 토압적용에 사용되는 토압계수 K는 Janssen(1895)이 실험을 통해 처음으로 소개하였다. Marston and Anderson(1913)은 Rankine(1857)의 주동토압계수인 K0 = σ1/σ3를 사용하였다.
관 매설을 위한 트렌치나 사일로와 같은 좁은 공간을 되메움할 경우 아칭에 의한 어떤 현상이 발생하는가?
원지반에 좁은 도랑을 굴착하여 암거를 설치한 후 되메움한 지반은 원지반에 비하여 느슨하므로 되메움한 흙이 자중으로 압축하여 안정될때 원지반 벽면과 되메움 지반사이에 마찰력이 작용하여 암거에 작용하는 토압은 자중에 의한 토압보다 작아지는 경향을 보인다. 이러한 현상은 아칭에 의한 것으로 관 매설을 위한 트렌치나 사일로와 같은 좁은 공간을 되메움할 경우에 발생한다.
참고문헌 (10)
문창열 (1999), "비대칭 좁은 공간에서의 되메움 토압에 관한 연구", 한국지반공학회 논문집, 제15권, 제4호, pp.261.
Jaky J. (1944), "The coefficient of earth pressure at rest", J. SOC Hungarian Architects and Engrs., Vol.78, No.22, pp.355-358.
Janssen, H. A (1895), "Versuche fiber Getreide Druck in Silozellen", Proceeding of Institute of Civil Engineers, London, England, Vol.39, No.3, pp.1045-1049.
Krynine, D. P. (1945), "Stability and stiffness of cellular cofferdams", Transactions, ASCE, Vol.110, pp.1175-1178.
Marston, A. and Anderson, A. O. (1913), "The Theory of Loads on Pipes in Ditches and Tests of coment and Clay Drain Tile and Sewer Pipe", Iowa Engineering Experiment Station Bulletin, Iowa stage collage, No.31, pp.181.
Rankine, W. J. M. (1857), "On the stability of loose earth", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol.147, No.2, pp.9-27.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.