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제안 방법
- 계측 현황과 침하량은 표 4와 같으며 연구 대상지역의 6개 구간에서 침하량을 계측하였다. 그림 8은 구조물 하부지점의 종단면 설계값과 실측값을 비교한 것이다.
- 기존에 실시된 토질조사 자료 및 설계자료를 토대로 구조물 시공 후 되메우기가 완료된 본 연구대상 현장의 구조물 하부지반에 대한 시추조사, 표준관입시험을 실시하였으며 쉬트파일 인발에 따른 간극수압 및 지하수위의 변화와 구조물 하부기초의 침하를 계측하고 분석하였다.
- 쉬트파일 인발에 따른 영향을 알아보기 위하여 제 1구간과 제 2구간에 간극수압계와 지하수위계를 설치하여 연속적인 쉬트파일 인발에 따른 간극수압 및 지하수위의 변화와 하부지반 침하를 평가하였다. 또한, 구조물 하부기초 계측자료와 기존 문헌의 지반정수를 적용하여 계측시점에 해당하는 침하량을 수치해석 프로그램을 통하여 비교･분석하였으며 추가하중을 고려한 장기침하를 산정하였다.
- 본 연구에서는 대상 현장의 기존 문헌 자료 및 현장사례를 평가하고, 도시철도 하부기초에서 계측된 침하 자료를 사용, 시공 중 발생된 지반공학적 문제점 분석과 쉬트파일인발에 따른 간극수압 및 지하수위 변화와 하부지반의 침하를 평가하였다. 또한, 구조물 하부기초 계측자료와 수치 해석 프로그램을 통하여 얻은 침하량을 비교 분석하고, 추가하중을 고려한 장래 침하를 예측하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 유한요소망에 사용된 요소는 절점과 매개 요소로 구성되었으며, 경계조건 중에서 변위는 양 측면에서 수평 변위만 구속하였고 바닥면에서는 수평 및 연직방향에 대하여 구속하였다. 배수에 대한 경계조건은 하부 점토층 아래에 풍화토 내지 풍화암층이 존재하므로 지표면 부근과 연약층 바닥면에서 양면 배수를 허용하도록 하였다. 본 해석에 적용된 해석단계는 최대한 실제적으로 수행된 공사과정 및 기간을 고려하여 해석하였다.
- 공사 현장에서 갑작스런 지하수위의 감소는 간극수압 역시 감소되는 만큼 하중의 증가 요인으로 작용하게 되어 주변 건물 및 지반 침하로 나타나므로 허용 침하량 이상의 침하 요인이 될 소지가 크다. 본 연구 대상 현장의 경우 쉬트파일 인발에 따라 침하가 발생되었으므로 쉬트파일 인발 여부에 따라 구조물 하부지반에 미치는 영향 요인을 분석하기 위하여 진동 해머식 및 유압식 인발 방법을 적용하여 인발 시 간극수압과 지하수위의 변화를 지속적으로 계측하였다. 진동 해머식 인발의 경우에는 인발시점으로부터 인발길이 23∼28m의 쉬트 파일을 한 번에 연속적으로 인발하였으며, 유압식 인발의 경우에는 인발길이가 8∼10m 까지 반복 인발 후 남은 파일 길이는 진동해머식 인발기를 통하여 인발하였다.
- 본 연구 대상지역의 토목공사는 되메우기 후 도상부설 작업과 부대공사가 진행중이며 구조물 하부지반의 침하량을 측정하기 위하여 구조물 기초에서 레이저를 이용한 레벨측정 장비를 이용하였다. 침하계측은 계측기에 의한 계측관리가 원칙이나 층별 침하계의 경우 되메우기 후 도로의 시공과 쉬트 파일 인발로 인하여 설치가 불가능하거나 계측기 손상으로 인하여 구조물 하부 지반의 침하 측정에 어려움이 있었다.
- 본 연구 대상현장에서는 토류공법 선정시 설계목적, 지형, 지질 및 토질, 시공환경, 공정 등을 고려하여 해안매립지층으로 지하수가 높고, 연약한 지층으로 차수가 시공중에 큰 문제가 될 것으로 판단되어 수밀성이 우수하고 차수성이 양호한 쉬트파일 공법을 적용하였다.
- 본 연구대상 지역의 제 5구간에서 쉬트파일 인발에 따른 지반침하를 계측하였으며, 이 구간은 정거장구간을 포함하며 전 구간에 걸쳐 직선형이다. 또한, 제 4구간의 종점으로부터 정거장 구간에 이르는 본선 구간의 단면의 폭은 일정하고, 정거장 구간에서 단면의 폭이 확장된다.
- 본 연구에서 적용된 구조물 또한 해안 매립 지반에 시공된 도시철도 연장사업의 일환으로서 건설공법은 굴착심도가 약 20m 내외로 연장사업 전구간이 개착공법으로 수행되었고, 흙막이 가시설공법은 굴착심도까지 해성퇴적토인 실트질 점토와 사질토로 구성되어 있어 쉬트파일과 버팀보 공법을 적용하였다. 그러나 토목공사 수행 중 가시설 구조체의 침하, 보일링 및 파이핑 현상에 의한 지반 침하 등 여러 가지 지반공학적 문제들이 발생되었다.
- 본 연구에서는 대상 현장의 기존 문헌 자료 및 현장사례를 평가하고, 도시철도 하부기초에서 계측된 침하 자료를 사용, 시공 중 발생된 지반공학적 문제점 분석과 쉬트파일인발에 따른 간극수압 및 지하수위 변화와 하부지반의 침하를 평가하였다. 또한, 구조물 하부기초 계측자료와 수치 해석 프로그램을 통하여 얻은 침하량을 비교 분석하고, 추가하중을 고려한 장래 침하를 예측하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 배수에 대한 경계조건은 하부 점토층 아래에 풍화토 내지 풍화암층이 존재하므로 지표면 부근과 연약층 바닥면에서 양면 배수를 허용하도록 하였다. 본 해석에 적용된 해석단계는 최대한 실제적으로 수행된 공사과정 및 기간을 고려하여 해석하였다. 총 3단계의 되메우기 후 일정기간을 방치하고 녹지성토와 열차하중을 고려하여 실시하였으며, 본 단면 해석에 사용된 지반정수는 표 6과 같다.
- 이에 대상 현장의 기존 문헌 자료 및 현장사례를 평가하고, 도시철도 하부기초에서 계측된 침하 자료를 사용, 시공 중 대상 현장에서 발생된 지반공학적 문제점을 분석하였다. 쉬트파일 인발에 따른 영향을 알아보기 위하여 제 1구간과 제 2구간에 간극수압계와 지하수위계를 설치하여 연속적인 쉬트파일 인발에 따른 간극수압 및 지하수위의 변화와 하부지반 침하를 평가하였다. 또한, 구조물 하부기초 계측자료와 기존 문헌의 지반정수를 적용하여 계측시점에 해당하는 침하량을 수치해석 프로그램을 통하여 비교･분석하였으며 추가하중을 고려한 장기침하를 산정하였다.
- 연구대상 현장의 쉬트파일 인발에 따라 구조물 하부지 반의 교란되고 연약화된 것으로 판단되어 하부지반의 지층상태 및 거동 특성 분석을 위해 1 구간과 2 구간 각각 5곳, 8곳에 심도 17∼21m 위치까지 시추조사와 표준관입 시험을 수행하여 지층의 연경도 및 조밀도를 나타내는 N값을 비교 분석하였다.
- 유한요소망에 사용된 요소는 절점과 매개 요소로 구성되었으며, 경계조건 중에서 변위는 양 측면에서 수평 변위만 구속하였고 바닥면에서는 수평 및 연직방향에 대하여 구속하였다. 배수에 대한 경계조건은 하부 점토층 아래에 풍화토 내지 풍화암층이 존재하므로 지표면 부근과 연약층 바닥면에서 양면 배수를 허용하도록 하였다.
- 이에 대상 현장의 기존 문헌 자료 및 현장사례를 평가하고, 도시철도 하부기초에서 계측된 침하 자료를 사용, 시공 중 대상 현장에서 발생된 지반공학적 문제점을 분석하였다. 쉬트파일 인발에 따른 영향을 알아보기 위하여 제 1구간과 제 2구간에 간극수압계와 지하수위계를 설치하여 연속적인 쉬트파일 인발에 따른 간극수압 및 지하수위의 변화와 하부지반 침하를 평가하였다.
- 본 해석에 적용된 해석단계는 최대한 실제적으로 수행된 공사과정 및 기간을 고려하여 해석하였다. 총 3단계의 되메우기 후 일정기간을 방치하고 녹지성토와 열차하중을 고려하여 실시하였으며, 본 단면 해석에 사용된 지반정수는 표 6과 같다.
대상 데이터
- 공사현장의 지반조사 자료를 참조하면 전반적으로 구조물 기초저면 지반은 잡석치환 2m, N치가 50 이상인 자갈층 7m, N치가 20 이상인 실트질 점토 5m, N치가 12정도인 점토 퇴적층 9m로 구성되어 있다. 길이 26m 정도의 U-Type 쉬트파일 인발을 위하여 진동해머가 사용되었다. 즉, 구조물 박스 상부의 되메우기 종료 후 쉬트파일의 인 발에 따른 침하량은 38mm 정도로 나타났다.
- 대상 현장은 준설매립지역으로서 G.L. -16m∼G.L.-18m 의 위치에 구조물 기초공사를 수행하도록 설계되어 있다.
- 0m, 열차하중이 33 KN/m2이다. 또한, 현장에서 적용되는 되메우기 및 녹지성토를 위한 토사는 인근 사토장에 적치되어 있는 대상 현장의 굴착 토사로서 점토질 실트이며 해석을 위한 물성치 또한 동일하게 적용하였다.
- 연구대상지역의 지질은 주로 선캠브리아기의 편마암 및 이를 관입한 쥬라기의 흑운모 화강암이 기반암을 이루며, 기반암은 흑운모 화강암으로써 기반암 상부에는 장기간의 풍화로 생성된 풍화토 및 풍화암이 덮고 있고 풍화대 상부는 해수에 의해 운반 퇴적된 해성퇴적층이 덮고 있다.
이론/모형
- 본 연구 대상 검토 구간의 최종 침하량을 산정하기 위하여 2차원 유한요소프로그램인 CAIN RDA(CAIN RDA, Crip Aided Internet For Roadbed Thickness Design and FE Analysis)를 사용하였고, CAIN RDA는 2차원 유한요소프로그램이며 철도 노반 해석/설계 통합 자동화 분야, 연약지반 개량 공법 해석 분야(SCP, PBD)등으로 일반적인 지반분야 뿐만 아니라 특화시공까지 도입될 수 있는 지반 법용 유한요소 해석/설계 프로그램이다(지구환경전문가그룹, 2008; Russell, 1990; Woods and Clayton, 1992).
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