[논문]보강토 교대 옹벽의 장기 거동에 대한 수치 모델링

유충식

doi:10.12814/jkgss.2011.10.4.105

보강토 교대 옹벽의 장기 거동에 대한 수치 모델링
Numerical Modeling of Long-Term Behavior of Geosynthetic Reinforced Soil Wall used in Bridge Abutment 원문보기

한국토목섬유학회 논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.10 no.4, 2011년, pp.105 - 112

초록
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본 논문에서는 지속하중이 작용하는 보강토 구조물의 시간의존적 장기거동에 관한 수치 모델링 기법을 다루었다. 먼저 Power Law 기반의 크리프 모델을 이용하여 지오그리드와 뒤채움흙의 크리프 거동의 모델링에 대한 적용성을 검토 하였으며 나아가 보강토 교대 구조물의 장기 거동에 대한 해석에 적용하였다. 그 결과 Power Law 기반의 크리프 모델은 지오그리드와 뒤채움흙으로 구성되는 보강토 교대 구조물에 지속하중 작용시 발생하는 크리프 변형을 적절히 모사할 수 있는 것으로 검토되었으며 크리프 변형이 발생할 수 있는 뒤채움흙을 사용하는 경우 교대 벽체 및 상판기초에 허용치를 초과하는 변위가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 본 연구에서 얻어진 결과의 실무적 적용 방안에 대한 내용을 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the numerical modelling technique for modeling the time-dependent behavior of geosynthetic reinforced soil wall under a sustained load. The applicability of power law-based creep models for modeling the creep deformations of geogrid and reinforced soil was first examined. The modeling approach was then used to simulate the long-term performance of a geosynthetic reinforced soil wall used in a bridge abutment. The results indicated that the power law-based models can be effectively used for modelling the long term behavior of geosynthetic reinforced walls under sustained loading. In addition, it was shown that, when using creep deformation susceptible backfill soils, the abutment wall and the sill beam may experience deformations exceeding allowable limits. Practical implications of the findings from this study are discussed in great detail.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SM모델의 적용성 검토를 위해 뒤채움흙과 지오그리드로 구성되는 보강토에 대한 평면변형률압축(Plane Strain Compression, PSC)시험에 대한 해석을 수행하였다. 그림 5는 모델 검증에 사용된 시험조건을 도식적으로 나타내고 있으며 표 2는 적용된 뒤채움흙 및 지오그리드의 역학적 특성치와 해석순서를 정리하고 있다.
본 연구에서는 보강토 구조물의 장기 성능 평가 기법 개발 관점에서 보강토 구조물의 장기거동에 관한 수치 모델링시 각 구성요소의 모델링 방안을 고찰하고 이를 확장 하여 보강토 옹벽이 교대 옹벽으로 사용되는 경우에 대한 시공조건에 대해 뒤채움흙과 지오그리드의 지속하중 하에서의 응답특성 모델링 방안 및 보강토 구조물 차원에서의 모델링 기법을 제시하였다.
본 연구에서는 보강토 구조물의 장기거동에 관한 수치 모델링 방안 고찰의 일환으로 보강토 옹벽을 구성하는 각 구성요소의 장기 거동 모델링 방안을 검토하였다. 이를 위해 뒤채움흙과 지오그리드에 대한 크리프 거동 모델로서 각각 Singh-Mitchell 모델 및 Power Law 모델의 적용성을 검토하였으며 지오그리드에 대해 수행된 광폭인장 시험 및 보강토 시편에 대한 평면변형률압축시험 결과를 이용 하여 두 모델에 대한 요소수준의 적용성 검토를 수행한 결과 Singh-Mitchell 모델과 Power Law 모델은 보강토의 크리프 특성을 현실적으로 모델링할 수 있는 것으로 나타났다.
유충식과 전한용(2010)은 Power Law 모델 기반의 크리프 모델을 이용하여 지오그리드의 장기거동을 모델링한바 있다. 본 연구에서도 보강토 구조물에 설치되는 보강재의 경우와 같이 일축 인장력이 작용하는 경우에 대한 모델링에 있어 von Mises 모델과 Power Law 모델(이하 PL 모델로 칭함)을 연계하여 하중작용에 따른 점탄소성 거동을 모사한 기법에 대한 적용성을 검토하였다. Power Law 모델(이하 PL 모델로 칭함) 기반의 변형률 경화(strainhardening) 모델을 이용하여 지오그리드의 시간의존적 거동을 모델링할 경우 시간의존적 크리프 변형률 속도( # )는 아래 식 (2)와 같이 정의된다(Perkins, 2000).
본 절에서는 앞서 검토한 크리프 모델의 구조물 수준에서의 적용성 검토를 위해 보강토 교대 구조물에 대한 모델링을 수행하였다. 고려 대상 보강토 옹벽 구조물은 그림 7에서 보이는 바와 같이 높이 6.

가설 설정

해석 모델링에 있어서 뒤채움흙과 벽체블록, 기초는 8절점 가감적분 고체요소(CPE8R)를 사용하여 이산화 하였으며, 지오그리드는 트러스요소(T2D3)를 적용하여 모델링하였다. 재료모델링에 있어서 벽체블록, 기초는 선형 탄성재료로 가정하였으며 벽체와 뒤채움흙의 미끄러짐 거동은 User-Subroutine 기능인 UMAT을 이용하여 벽체와 뒤 채움흙 사이에 인터페이스 요소를 구현하여 모사하였다.
해석 대상 옹벽은 단위중량 γ = 20 kN/m3을 갖는 실트질 모래를 이용하여 뒤채움 되는 것으로 가정하고 뒤채움 흙의 항복규준으로서 Extended Drucker-Prager 모델을 적용하였다.

제안 방법

광폭인장시험의 해석 모델링에 있어 보강재는 3절점 트러스요소(T2D3)를 이용하여 모델링하였으며 하중재하 순서에 입각해 지속하중에 대한 모델링을 수행하였다. 그림 3은 해석에 적용된 모델을 보여주고 있으며 표 1은 광폭인장시험 조건 및 해석에 적용된 물성, 그리고 하중이력을 정리하고 있다.
본 연구에서는 앞에 기술한 뒤채움흙 및 지오그리드 보강재의 크리프 모델을 제공하는 범용 유한요소프로그램 Abaqus 6.7(Abaqus, 2007)을 이용하여 시간영역(time domain)에서 보강토의 장기 거동에 관한 모델링 방안을 고찰하였다. 즉, 앞서 기술한 Extended Drucker-Prager 항복규준과 SM 모델을 연계하여 뒤채움흙의 장기 거동을 모델링하는 방안과 Power Law 모델을 이용한 보강재의 장기거동 모델링 방안을 검토하였다.
지속하중 시험은 PET 재질로 제조된 10 ton/m의 인장강도를 가진 지오그리드에 대해 수행하였으며 지오그리드에 대한 구체적인 내용은 Kongkitkul(2004)에서 제시되어 있다. 본 해석에서 적용한 PL 모델 파라메터는 실험결과에 대한 역해석을 통해 습득하였다.
시공과정의 모델링에 있어 [블록설치 ⇒ 뒤채움흙 포설 ⇒ 보강재 포설]로 이루어지는 일련의 시공과정을 상세히 모델링 한 후 상판하중을 작용시키고 3000일 동안에 대한 해석을 수행하였다.
앞에 제시된 PL 기반 크리프 모델에 대해 지속하중이 작용하는 지오그리드 보강재의 하중 응답특성 모델링에 있어서의 적용성 검토를 위해 Kongkitkul(2004)가 수행한 보강재 광폭인장시험 조건을 모델링하고 그 결과를 비교하였다.
7(Abaqus, 2007)을 이용하여 시간영역(time domain)에서 보강토의 장기 거동에 관한 모델링 방안을 고찰하였다. 즉, 앞서 기술한 Extended Drucker-Prager 항복규준과 SM 모델을 연계하여 뒤채움흙의 장기 거동을 모델링하는 방안과 Power Law 모델을 이용한 보강재의 장기거동 모델링 방안을 검토하였다.
해석 모델링에 있어서 뒤채움흙과 벽체블록, 기초는 8절점 가감적분 고체요소(CPE8R)를 사용하여 이산화 하였으며, 지오그리드는 트러스요소(T2D3)를 적용하여 모델링하였다. 재료모델링에 있어서 벽체블록, 기초는 선형 탄성재료로 가정하였으며 벽체와 뒤채움흙의 미끄러짐 거동은 User-Subroutine 기능인 UMAT을 이용하여 벽체와 뒤 채움흙 사이에 인터페이스 요소를 구현하여 모사하였다.
구체적인 시험방법과 재하조건은 유충식 등(2005)에 기술되어 있다. 해석 모델링에 있어서 본 시험이 평면변형률시험 조건임을 감안하여 뒤채움흙은 8절점 가감적분 고체요소(CPE8R)를 이용하였으며 지오그리드는 3절점 트러스 요소로 모델링하였다.

대상 데이터

본 절에서는 앞서 검토한 크리프 모델의 구조물 수준에서의 적용성 검토를 위해 보강토 교대 구조물에 대한 모델링을 수행하였다. 고려 대상 보강토 옹벽 구조물은 그림 7에서 보이는 바와 같이 높이 6.4m 옹벽 상부에 폭 1m 높이 2m의 상판기초가 벽체 전면으로 부터 1m 이격되어 위치하고 상판기초에는 길이 30m의 상판이 거치되는 조건으로서 축강성 J = 500 kN/m의 지오그리드가 길이 1.25H(즉, 8m), 연직간격 0.4m로 설치되는 경우를 고려하였다. 보강토 교대에 대한 구체적인 제원 및 하중 조건은 유충식과 전한용(2010)의 논문에 기술되어 있다.

데이터처리

보강토 교대에 대한 구체적인 제원 및 하중 조건은 유충식과 전한용(2010)의 논문에 기술되어 있다. 해석은 상용 유한요소프로그램 Abaqus 6.7(Abaqus, Inc., 2007)을 사용하였다.

성능/효과

이러한 변위 거동에 관한 경향은 시간에 따른 보강토 교대의 변위 거동에 관한 결과를 보여주고 있는 그림 9에서 보다 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 즉, 그림 9(a)는 상판기초의 최대 수직 및 수평변위에 대한 시간 이력을 보여주고 있으며 그림 9(b)에서는 시간 경과에 따른 벽체 변위 증가 경향을 보여주고 있는데 그림 9(a)에서 관찰할 수 있는 바와 같이 시공 완료 후 상판기초의 수평 및 연직변위는 멱함수 형태로 발생하고 특히 기초 침하는 최대 30mm 이상 발생하는 것으로 검토되었다. 또한 그림 9(b)에서 관찰할 수 있는 바와 같이 보강토 옹벽 수평변위는 벽체 하단에서 약 2/3H 되는 지점에서 최대치가 발생하며 수평변위 프로 파일 역시 시간경과에 따라 변위가 증가하는 전형적인 추세를 잘 보여주고 있다.
아울러 Singh-Mitchell 모델과 Power Law 모델의 적용 성을 구조물 수준으로 확장하여 교량의 교대부 상판지지옹벽으로 적용되는 보강토 교대에 대한 해석 모델링을 수행한 결과 벽체 및 뒤채움구간의 변위, 그리고 보강재의 크리프 변형률 발생경향 등에 있어서 현실적인 모델링이 가능한 것으로 검토되었으며 크리프 변형이 크게 발생할 수 있는 뒤채움흙을 사용하는 경우 교대 벽체 및 상판기초에 허용치를 초과하는 변위가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 따라서 장･단기 안정성 및 사용성 확보가 중요한 보강토 구조물의 장기 성능 평가에 있어 본 연구에서 고찰한 Singh-Mitchell 모델 및 Power Law 모델이 효율적으로 적용될 수 있는 것으로 판단된다.
보다 구체적으로 살펴보면 R = 20에서 1시간동안의 지속하중 작용시 PSC 실험 및 해석에서 각각 Δεcr =1.2% 및 Δεcr = 1.5% 정도가 발생하는 것으로 검토되었는데 이러한 수치는 약 10%이내의 차이를 보이는 것으로서 본 연구에서 채택한 모델링방법은 적절한 것으로 판단된다.
아울러 Singh-Mitchell 모델과 Power Law 모델의 적용 성을 구조물 수준으로 확장하여 교량의 교대부 상판지지옹벽으로 적용되는 보강토 교대에 대한 해석 모델링을 수행한 결과 벽체 및 뒤채움구간의 변위, 그리고 보강재의 크리프 변형률 발생경향 등에 있어서 현실적인 모델링이 가능한 것으로 검토되었으며 크리프 변형이 크게 발생할 수 있는 뒤채움흙을 사용하는 경우 교대 벽체 및 상판기초에 허용치를 초과하는 변위가 발생할 수 있는 것으로 검토되었다. 따라서 장･단기 안정성 및 사용성 확보가 중요한 보강토 구조물의 장기 성능 평가에 있어 본 연구에서 고찰한 Singh-Mitchell 모델 및 Power Law 모델이 효율적으로 적용될 수 있는 것으로 판단된다.
그림에서 제시되어 있는 해석 결과는 각 지속하중단계에서의 크리프 변형률을 기준으로 할 때 실험결과 대비 10% 내외의 차이를 보여 잘 일치하는 경향을 관찰할 수 있다. 이러한 결과는 PL 기반의 크리프 모델로 지속하중이 작용하는 지오그리드의 장기 성능 평가에 대한 시뮬레이션이 가능 하다는 것을 보여주는 것으로서 PL 기반의 크리프 모델의 적용성이 높은 것으로 검토 되었다.
본 연구에서는 보강토 구조물의 장기거동에 관한 수치 모델링 방안 고찰의 일환으로 보강토 옹벽을 구성하는 각 구성요소의 장기 거동 모델링 방안을 검토하였다. 이를 위해 뒤채움흙과 지오그리드에 대한 크리프 거동 모델로서 각각 Singh-Mitchell 모델 및 Power Law 모델의 적용성을 검토하였으며 지오그리드에 대해 수행된 광폭인장 시험 및 보강토 시편에 대한 평면변형률압축시험 결과를 이용 하여 두 모델에 대한 요소수준의 적용성 검토를 수행한 결과 Singh-Mitchell 모델과 Power Law 모델은 보강토의 크리프 특성을 현실적으로 모델링할 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

위에 제시된 바와 같이 장･단기 안정성 및 사용성 확보가 중요한 보강토 구조물의 장기 거동 평가에 있어 본 연구에서 고찰한 Singh-Mitchell 모델과 Power Law 모델을 이용하여 뒤채움흙과 지오그리드 보강재의 크리프 변형 대한 적절한 수치해석 모델링이 이루어 질 경우 보강토 구조물의 장기 성능 평가가 효율적으로 이루어 질 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토목합성재료를 이용하여 보강토 구조물을 교량이나 철도노반 건설시 사용할 경우 가장 우려되는 사항은 무엇인가?	특히, 국외에서는 그림 1과 같이 철도 혹은 도로분야 교량 건설시 성토부 혹은 교대부에 교량 구조물의 일부로서 널리 활용되고 있다(Mannsbart and Kropik, 1996; Won 등, 1996; Wu 등, 2001; Abu-Hejleh 등, 2000). 토목합성재료를 이용하는 보강토 구조물을 교량이나 철도노반 건설시 사용할 경우 가장 우려되는 사항은 장기적 관점에서의 구조물 자체의 변형이라고 하겠다. 즉, 벽체의 과다 변위 및 뒤채움구간의 과다 침하는 상부 구조물의 부등침하로 이어지며 이로 인해 교대부와 상판에 단차(bridge bump)가 발생하는 등 다양한 문제가 발생할 수 있어 이러한 우려는 보강토 구조물의 적용성 확대에 대한 장애가 되고 있다.
	보강토 구조물에 지속하중이 작용할 경우 발생하는 시간의존적 잔류변위는 무엇에 의해 좌우되는가?	보강토 구조물에 지속하중이 작용할 경우 발생하는 시간의존적 잔류변위는 보강토 구조물을 이루고 있는 구성요소의 크리프 변형특성에 좌우된다. 따라서 보강토의 주 구성요소인 뒤채움흙의 크리프 특성은 잔류변위에 지대한 영향을 미치므로 해석 모델링에 있어서 뒤채움흙의 크리프 특성을 적절히 모델링하여야 한다.
	국외에서 토목합성보강재(geosynthetics)를 이용하는 보강토 공법은 어디에 활용되고 있는가?	지오그리드와 같은 토목합성보강재(geosynthetics)를 이용하는 보강토 공법은 민간 및 공용 구조물 시공에 있어 기존 공법의 대체공법으로서 그 적용성이 확대되고 있다. 특히, 국외에서는 그림 1과 같이 철도 혹은 도로분야 교량 건설시 성토부 혹은 교대부에 교량 구조물의 일부로서 널리 활용되고 있다(Mannsbart and Kropik, 1996; Won 등, 1996; Wu 등, 2001; Abu-Hejleh 등, 2000). 토목합성재료를 이용하는 보강토 구조물을 교량이나 철도노반 건설시 사용할 경우 가장 우려되는 사항은 장기적 관점에서의 구조물 자체의 변형이라고 하겠다.

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유충식, 김선빈, 김영훈, 한 대희 (2007), "지속하중 및 반복하중 재하시 보강토 옹벽의 잔류변형 특성", 한국지반공학회논문집, 제23권, 제6호, pp.5-21.
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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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