사각형 강관을 이용한 비개착 시공에 따른 지반거동의 분석: 모래지반에 대한 모형 토조실험 An experimental study on the ground movement around a square pipe by its penetration for trenchless construction in sandy ground원문보기
본 연구에서는 비개착 공법에서 상부구조물의 하중을 지지하는데 유용한 사각형 강관의 관입이 지반에 미치는 영향을 파악하고자, 모형토조에 강사장치를 이용하여 상대밀도가 일정한 모래지반을 조성하고, 조성된 모래지반에 모형 오거에 의한 굴착과 동시에 사각형 강관이 관입되는 모형 토조실험을 실시하였다. 실험 결과, 토피고가 낮을 경우에는 사각형 강관 주변의 모든 방향으로 대체로 균등하게 영향범위가 나타난 반면, 토피고가 높아질수록 사각형 강관 관입에 의한 영향범위는 주로 강관 상부에서 넓게 나타나고, 특히 상부 영역의 수평 변형률에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 사각형 강관 상부의 모래 표면의 변위는 무차원 관입속도가 약 0.2일 경우에 최소로 나타났다. 또한 사각형 강관의 관입속도가 일정할 경우, 오거의 회전속도에 따라 모래 표면의 변위량이 달라지는 것으로 나타나, 안전시공을 위해서는 시공조건에 적합한 무차원 관입속도의 선정이 중요하다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 비개착 공법에서 상부구조물의 하중을 지지하는데 유용한 사각형 강관의 관입이 지반에 미치는 영향을 파악하고자, 모형토조에 강사장치를 이용하여 상대밀도가 일정한 모래지반을 조성하고, 조성된 모래지반에 모형 오거에 의한 굴착과 동시에 사각형 강관이 관입되는 모형 토조실험을 실시하였다. 실험 결과, 토피고가 낮을 경우에는 사각형 강관 주변의 모든 방향으로 대체로 균등하게 영향범위가 나타난 반면, 토피고가 높아질수록 사각형 강관 관입에 의한 영향범위는 주로 강관 상부에서 넓게 나타나고, 특히 상부 영역의 수평 변형률에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 사각형 강관 상부의 모래 표면의 변위는 무차원 관입속도가 약 0.2일 경우에 최소로 나타났다. 또한 사각형 강관의 관입속도가 일정할 경우, 오거의 회전속도에 따라 모래 표면의 변위량이 달라지는 것으로 나타나, 안전시공을 위해서는 시공조건에 적합한 무차원 관입속도의 선정이 중요하다는 것을 알 수 있다.
This study aims to experimentally investigate ground settlement and ground movement around the square pipe by its penetration in sandy ground. A series of laboratory model tests were carried out with a small-scale auger equipment for penetration of a square pipe as well as a newly designed test box ...
This study aims to experimentally investigate ground settlement and ground movement around the square pipe by its penetration in sandy ground. A series of laboratory model tests were carried out with a small-scale auger equipment for penetration of a square pipe as well as a newly designed test box with a sand raining equipment. From the experiments, it is shown that a square pipe induces ground movement evenly around it in a low overburden condition. However, as the overburden becomes higher, ground movement by a square pipe is concentrated mainly above it. Especially, horizontal strain above the square pipe was mainly dominated by its penetration. In addition, sand surface movement is the smallest in case of the dimensionless penetration rate equal to 0.2. When its penetration rate of the square pipe is fixed, the rotation speed of auger controls surface movement whether it is settlement or heaving. Therefore, the selection of an optimal dimensionless rate for the square pipe is a key design factor to minimize ground settlement in a trenchless construction.
This study aims to experimentally investigate ground settlement and ground movement around the square pipe by its penetration in sandy ground. A series of laboratory model tests were carried out with a small-scale auger equipment for penetration of a square pipe as well as a newly designed test box with a sand raining equipment. From the experiments, it is shown that a square pipe induces ground movement evenly around it in a low overburden condition. However, as the overburden becomes higher, ground movement by a square pipe is concentrated mainly above it. Especially, horizontal strain above the square pipe was mainly dominated by its penetration. In addition, sand surface movement is the smallest in case of the dimensionless penetration rate equal to 0.2. When its penetration rate of the square pipe is fixed, the rotation speed of auger controls surface movement whether it is settlement or heaving. Therefore, the selection of an optimal dimensionless rate for the square pipe is a key design factor to minimize ground settlement in a trenchless construction.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 비개착공법인 SFT(Simple and Face-less method of construction of Tunnel) 공법(アンダーパス技術協会, 2008)에 사용되는 사각형 강관의 관입과 오거 굴착에 의한 주변 지반의 변형 특성을 실험적으로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 사각형 강관의 관입과 오거 굴착을 모사하기 위한 모형 토조를 새롭게 제작하고 활용하여 사각형 강관의 관입이 주변 모래지반에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 하였다.
5 μm인 CMOS 레이저 변위 센서이다. 본 연구에서는 레이저 변위계의 거치대를 토조 내부의 토피고의 변화에 따라 상하 이동이 가능하도록 제작하였다.
본 연구에서는 모형 토조실험을 실시하여 비개착 공법에 사용되는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 실험적으로 파악하고자 하였다. 이상의 연구로부터 도출된 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 사각형 강관을 모래지반에 관입시킬 때, 사각형 강관의 관입속도(penetration rate, V), 사각형 강관 내부에 위치한 오거의 회전속도(revolution rate, R) 및 오거 피치(pitch, P)를 고려한 무차원 관입속도(dimensionless penetration rate, Vdimensionless = V/(R⋅P))의 변화에 따른 모래지반의 거동을 사각형 강관 상부의 토피고 조건별로 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 파악하기 위하여, 사각형 강관의 관입을 모사하기 위한 모형 토조 실험장비를 제작하였다. 제작된 장비의 상사조건으로는 기하학적인 상사조건(1/10 축소)만을 고려하였으며, 장비는 크게 토조, 굴착장치, 계측장치 및 강사기로 구분된다.
본 연구의 실험에서는 사각형 강관의 관입속도를 1.56 mm/sec로 설정하고 오거의 피치가 33 mm인 조건에 대해, 오거 회전속도와 토피고 조건을 변화시키면서 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다 (표 2). 특히, 사각형 강관의 관입속도와 오거의 피치를 고정한 상태에서 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변화가 가장 작게 나타나는 오거의 회전속도를 도출한 다음, 이를 기준으로 오거의 회전속도를 증가 또는 감소시켜 가면서 사각형 강관 주변 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다.
또한 그림 8에 따르면 모래지반에서 사각형 강관의 관입은 사각형 강관 상부 지반의 수평 변형률에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 사각형 강관 관입에 따른 사각형 강관 상부의 수평 변형률을 자세히 살펴보기 위하여, 그림 9와 같이 각 실험조건별로 사각형 강관의 관입깊이에 따른 강관 상부 모래지반의 수평 변형률의 변화를 파악하고자 하였다. 이때 분석대상은 첫 번째 변형률게이지 설치면(그림 3a 참조)을 기준으로 하였다.
연구에서는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 파악하기 위하여, 시간에 따른 사각형 강관의 관입거리와 강선에 부착된 56개 변형률게이지들로부터 각 지점의 변형률을 동시에 측정하였다. 사각형 강관의 관입거리는 그림 1의 사각형 강관 관입거리 측정용 변위계를 사용하여 1초마다 측정하였으며, 변형률게이지는 개수가 많은 문제로 TokyoSokki사의 데이터로거 TDS-530과 스위칭박스(SSW-50D-05)를 연결하여 각 게이지별로 4초마다 측정하였다.
상기 실험 변수들의 조합 조건이 매우 많고 다양할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 사전의 예비 실험을 통해 모래지반의 변형이 가장 작게 나타나는 실험조건을 도출하였다. 이때 그림 5와 같이 사각형 강관 직상부에 설치된 레이저 변위계를 통해 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변위가 가장 작게 나타나는 조건을 도출하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 비개착공법인 SFT(Simple and Face-less method of construction of Tunnel) 공법(アンダーパス技術協会, 2008)에 사용되는 사각형 강관의 관입과 오거 굴착에 의한 주변 지반의 변형 특성을 실험적으로 파악하고자 하였다. 이를 위하여 사각형 강관의 관입과 오거 굴착을 모사하기 위한 모형 토조를 새롭게 제작하고 활용하여 사각형 강관의 관입이 주변 모래지반에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 하였다. 특히, 오거 굴착에서 핵심이 되는 관입속도, 회전속도 등의 영향을 함께 고려하고자 하였다.
56 mm/sec로 설정하고 오거의 피치가 33 mm인 조건에 대해, 오거 회전속도와 토피고 조건을 변화시키면서 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다 (표 2). 특히, 사각형 강관의 관입속도와 오거의 피치를 고정한 상태에서 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변화가 가장 작게 나타나는 오거의 회전속도를 도출한 다음, 이를 기준으로 오거의 회전속도를 증가 또는 감소시켜 가면서 사각형 강관 주변 모래지반의 거동을 파악하고자 하였다.
이를 위하여 사각형 강관의 관입과 오거 굴착을 모사하기 위한 모형 토조를 새롭게 제작하고 활용하여 사각형 강관의 관입이 주변 모래지반에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 하였다. 특히, 오거 굴착에서 핵심이 되는 관입속도, 회전속도 등의 영향을 함께 고려하고자 하였다.
가설 설정
이때 변형률게이지 측정값의 표준편차가 ±50×10-6 strain 이상일 경우를 사각형 강관의 관입에 의해 모래지반이 영향을 받은 것으로 가정하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 Kenny et al.(1997)의 연구결과에 근거하여 Vdimensionless 조건에 따른 사각형 강관의 관입실험을 수행하였다. 이때 Kenny et al.
가로 1.35 m, 세로 0.8 m, 높이 1.00 m로 제작된 토조의 외부를 그림 1과 같이 투명 아크릴과 알루미늄 프레임으로 구성하여, 토사에 의한 토조의 변형을 방지할 뿐만 아니라 실험 중에 모래지반의 거동을 관찰하기가 용이하도록 하였다.
균일한 모래지반을 조성하기 위한 강사기를 제작하여 활용하였으며, 강사기 하부에는 개폐가 가능한 직경이 5 mm인 배출공들을 40 mm의 간격으로 배치하였다(그림 4). 특히 각 배출공에는 외경이 배출공의 직경과 동일하고 길이가 1.
이와 같이 수평으로 설치된 변형률게이지는 모래지반의 수직방향의 변형을 측정하고, 수직으로 설치된 변형률게이지는 수평 방향의 변형을 측정하게 된다. 두 번째 변형률게이지 설치면(2nd layer)에 대해서도 첫 번째 변형률게이지 설치 단면과 동일하게 변형률게이지들을 부착한 강선들을 배치하였다. 이와 같이 본 연구의 실험에 사용된 변형률게이지의 총 개수는 56개이다.
그러나 오거의 회전속도에 대해서는 공사 감독관의 판단에 따르도록 하였기 때문에 현장의 지반조건에 따라 관입속도가 다를 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 사각형 강관 상부의 모래 표면의 변형이 가장 작게 나타난 사각형 강관의 관입속도를 예비실험의 결과로부터 얻어진 1.56 mm/sec로 설정하였다.
변형률게이지가 총 56개로서 개수가 많은 관계로 효과적인 분석을 위하여, 그림 7과 같이 각 변형률게이지를 식별하기 위한 개별 번호를 부여하였다.
사각형 강관 관입속도와 오거의 회전속도는 제어판(그림 1의 우측 하단)에 의해 자동적으로 사각형 강관의 관입과 오거의 회전이 제어되도록 하였다.
사각형 강관의 관입 부분의 반대편에는 오거에 의한 굴착토의 배출을 위한 배출구를 설치하였고, 변위계(LVDT)에 의해 오거와 사각형 강관의 관입거리를 측정하였다(그림 1). 이와 같이 제작된 굴착장치의 주요 사양을 정리하면 표 1과 같다.
연구에서는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 파악하기 위하여, 시간에 따른 사각형 강관의 관입거리와 강선에 부착된 56개 변형률게이지들로부터 각 지점의 변형률을 동시에 측정하였다. 사각형 강관의 관입거리는 그림 1의 사각형 강관 관입거리 측정용 변위계를 사용하여 1초마다 측정하였으며, 변형률게이지는 개수가 많은 문제로 TokyoSokki사의 데이터로거 TDS-530과 스위칭박스(SSW-50D-05)를 연결하여 각 게이지별로 4초마다 측정하였다.
사각형 강관의 관입에 의한 모래지반의 변화를 계측하기 위하여, 그림 2와 같이 직경이 1.8 mm인 강선에 1축 변형률게이지(120Ω, 길이 1 mm)를 부착한 계측망을 그림 3(a)와 같이 사각형 강관의 상부와 측면으로부터 30～50 mm 간격으로 배치하였다.
상기 실험 변수들의 조합 조건이 매우 많고 다양할 수 있기 때문에, 본 연구에서는 사전의 예비 실험을 통해 모래지반의 변형이 가장 작게 나타나는 실험조건을 도출하였다. 이때 그림 5와 같이 사각형 강관 직상부에 설치된 레이저 변위계를 통해 사각형 강관 직상부 모래 표면의 변위가 가장 작게 나타나는 조건을 도출하고자 하였다.
이때 본 연구의 실험에서는 그림 1의 제어판에서 0～10까지의 스케일로 표시된 다이얼방식의 조절장치에 의해 사각형 강관의 관입속도를 설정한 후, 실제 실험 시에 변위계에 의해 측정된 관입속도를 분석에 활용하였다. 또한 오거의 회전속도는 역시 그림 1의 제어판에서 0～1800까지의 스케일로 표시된 다이얼방식의 별도 조절장치에 의해 설정되며 감속비 등을 고려하여 환산하였다.
현장에서 일반적으로 적용되는 가로 800 mm, 세로 800 mm의 사각형 강관에 대해 기하학적 상사로 모사한 가로 80 mm, 세로 80 mm, 길이 800 mm인 사각형 모형 강관을 제작하였으며, 모형 강관 내부에는 모형 지반의 굴착을 위한 오거(auger)를 설치하였다. 이때 피치(pitch)가 33 mm인 오거를 사각형 내부에서 0～85 RPM 범위의 회전속도로 굴착 회전이 가능하도록 하였다. 이와 같이 사각형 강관 모형과 오거로 구성되는 토조 전면의 굴착장치는 정확한 수평방향의 관입을 도모하기 위해 설치한 선형 가이드 베어링(linear guide bearing)의 상부에 장착되어, 0～700 mm/min의 관입속도 범위 내에서 전기모터에 의해 정밀한 굴착실험이 이루어지도록 하였다(그림 1)
이때 피치(pitch)가 33 mm인 오거를 사각형 내부에서 0～85 RPM 범위의 회전속도로 굴착 회전이 가능하도록 하였다. 이와 같이 사각형 강관 모형과 오거로 구성되는 토조 전면의 굴착장치는 정확한 수평방향의 관입을 도모하기 위해 설치한 선형 가이드 베어링(linear guide bearing)의 상부에 장착되어, 0～700 mm/min의 관입속도 범위 내에서 전기모터에 의해 정밀한 굴착실험이 이루어지도록 하였다(그림 1)
첫 번째로 토피고가 80 mm인 조건에서 임의로 사각형 강관의 관입속도를 3.31 mm/sec로 설정한 후 오거의 회전속도를 변화시켰다. 3.
균일한 모래지반을 조성하기 위한 강사기를 제작하여 활용하였으며, 강사기 하부에는 개폐가 가능한 직경이 5 mm인 배출공들을 40 mm의 간격으로 배치하였다(그림 4). 특히 각 배출공에는 외경이 배출공의 직경과 동일하고 길이가 1.1 m인 강관들을 연결하여, 토조 내부에 설치된 계측용 강선들을 훼손하지 않으면서 높은 상대밀도를 얻을 수 있도록 하였다.
대상 데이터
사용된 레이저 변위계는 측정 중심거리가 85 mm (±20 mm)이고, 분해능이 2.5 μm인 CMOS 레이저 변위 센서이다.
두 번째 변형률게이지 설치면(2nd layer)에 대해서도 첫 번째 변형률게이지 설치 단면과 동일하게 변형률게이지들을 부착한 강선들을 배치하였다. 이와 같이 본 연구의 실험에 사용된 변형률게이지의 총 개수는 56개이다.
이때 사각형 강관의 좌우측이 대칭인 점을 고려하여 사각형 강관의 좌측에만 변형률게이지를 집중적으로 설치하였다. 첫 번째 변형률게이지 설치면(1st layer)에 수평으로 설치된 변형률게이지의 개수는 16개이고, 수직으로 설치된 변형률게이지의 개수는 12개이다. 한 위치에 수평방향과 수직방향의 변형률게이지가 모두 설치되는 8개 측점에서는 변형률게이지가 부착된 강선들을 이격시켜 겹치지 않게 설치하였다.
현장에서 일반적으로 적용되는 가로 800 mm, 세로 800 mm의 사각형 강관에 대해 기하학적 상사로 모사한 가로 80 mm, 세로 80 mm, 길이 800 mm인 사각형 모형 강관을 제작하였으며, 모형 강관 내부에는 모형 지반의 굴착을 위한 오거(auger)를 설치하였다. 이때 피치(pitch)가 33 mm인 오거를 사각형 내부에서 0～85 RPM 범위의 회전속도로 굴착 회전이 가능하도록 하였다.
성능/효과
1. 모래지반에서 사각형 강관의 관입이 주변 지반에 영향을 미치는 범위는 토피고가 클수록 넓어지는 경향을 보였으나, 이는 변형량의 절대적인 크기에 상관없이 모래 표면까지 강관 관입의 영향이 미치기 때문이다. 특히, 토피고가 클수록 강관의 관입은 강관 상부의 수평 변형률에 큰 영향을 미치며, 반면 강관 하부의 수평 변형률과 측면부의 수직 변형률에 미치는 영향은 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.
2. 관입속도를 1.56 mm/sec로 일정하게 고정시킨 상태에서 오거의 회전속도를 변화시킨 결과, 오거의 회전속도에 따라 사각형 강관 주변지반의 영향범위와 모래 표면의 변위가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 특히, 오거의 회전속도가 13.
3. 이상과 같은 모형 토조실험 결과로부터 사각형 강관 관입에 의한 지반의 거동은 강관의 무차원 관입속도와 토피고에 따라 다르게 나타남을 확인하였다. 그러나 본 연구의 실험은 모형 토조실험과 관련 계측센서의 설치와 관련된 근본적인 한계로 인해 모래지반에 대해서만 수행되었기 때문에, 강관 관입에 의한 모래지반의 거동을 분석한 결과라는 한계가 있다.
31 mm/sec로 설정한 후 오거의 회전속도를 변화시켰다. 3.31 mm/sec의 관입속도에서는 오거의 회전속도가 67 RPM 까지 높아져도 강관의 전방에서 융기가 3 cm 이상 나타나는 것을 확인하였다. 이 결과는 본 연구의 모형 굴착장치를 사용할 때, 관입속도가 3.
또한 토피고가 160 mm로서 클 경우라도 사각형 강관의 관입에 의한 수평 변형률의 영향범위는 모래표면까지 해당하는 것으로 나타났다(그림 8 참조). 그러나 사각형 강관 하부의 수평 변형률은 토피고가 낮을 경우에는 그림 9의 사각형 강관 상부의 수평변형률과 같이 뚜렷한 변화양상을 보이지는 않지만 사각형 강관으로부터 60 mm까지 영향범위가 나타남을 확인할 수 있었다. 반면 토피고가 높아지고 오거의 회전속도가 빠를 경우의 사각형 강관 하부의 수평변형률은 그림 11의 관입길이 530 mm 부근의 결과와 같이 미미한 수준으로 나타났다.
31 mm/sec 이상이 되면 회전속도에 관계없이 사각형 강관 직상부 모래표면에서 융기가 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 관입속도를 2.29 mm/sec로 낮추고 실험을 실시한 결과, 오거의 회전속도가 26 RPM일 때 침하량이 약 6 mm로서 가장 작게 나타났다. 하지만 관입속도 2.
29 mm/sec에서는 사각형 강관의 전방에서 침하가 발생한 후 사각형 강관이 침하 위치에 도달하면 침하발생량과 유사한 크기의 융기가 발생하는 것으로 관찰되었다. 따라서 관입속도를 더 낮출 경우 침하량이 줄어들 것으로 예상되어 관입속도를 1.56 mm/sec로 낮추어 예비 실험을 해본 결과, 회전속도가 13.9 RPM일 때 침하량이 약 4 mm 정도 발생하여 앞선 관입속도 조건들과 비교할 때 침하량이 가장 작게 나타났으며 침하 후에 융기현상도 나타나지 않았다. 반면, 관입속도를 1.
임종철 등(2000)은 배출공의 직경(3, 6, 7 mm)과 강사 높이에 따른 주문진사의 밀도 변화를 연구하였고, 그 결과 강사높이가 약 80 cm 이상이 되면 일정한 밀도를 얻을 수 있는 것으로 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 임종철 등(2000)의 연구결과에 근거하여 강사 높이를 1 m 이상으로 적용하였고, 그 결과 모형 모래지반의 상대밀도를 약 85%로 일정하게 유지할 수 있었다.
56 mm/sec보다 더 낮추었을 때는 오거의 회전에 의해 침하가 지속적으로 발생하는 문제가 발생하였다. 따라서 이상과 같은 예비실험 결과, 강관의 관입속도로는 1.56 mm/sec가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
31 mm/sec의 관입속도에서는 오거의 회전속도가 67 RPM 까지 높아져도 강관의 전방에서 융기가 3 cm 이상 나타나는 것을 확인하였다. 이 결과는 본 연구의 모형 굴착장치를 사용할 때, 관입속도가 3.31 mm/sec 이상이 되면 회전속도에 관계없이 사각형 강관 직상부 모래표면에서 융기가 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 관입속도를 2.
2인 경우에 모래 표면의 변위가 가장 작게 나타났다(표 3). 이상의 결과로부터 사각형 강관이 모래지반에 관입할 때 강선에 부착된 변형률게이지에 의한 계측은 단순히 영향범위를 상대적으로 비교하는 목적으로만 의미가 있으며, 절대적인 지반 변형을 판단하는데 활용하기는 어려운 것으로 판단하였다.
이상의 결과로부터, 토피고가 낮고 오거의 회전속도가 상대적으로 느릴 때는(Case 3) 사각형 강관 직상부와 대각선 방향 모두에서 인장 수평 변형률이 발생함을 확인할 수 있다. 이는 오거의 회전속도가 느리기 때문에 강관 주변의 전 방향의 모래가 모두 유입되고 오거 내부에 모래가 상대적으로 충만된 상태에서 관입이 이루어져서 주변 모래지반에 인장 변형이 발생한 것으로 판단된다.
반면, 토피고가 증가하고 오거의 회전속도가 빠를수록 사각형 강관 관입에 의한 모래지반의 수평이동을 나타내는 수직 변형률은 그림 10과 같이 거의 발생하지 않았다. 이와 같은 결과로부터 토피고가 증가할수록 사각형 강관 주변의 지반은 사각형 강관 상부지반의 자중에 의한 모래지반의 수직이동이 지배적이라는 것을 알 수 있다.
토피고가 80 mm로서 토피고 낮은 모래지반에 사각형 강관을 관입한 결과, 사각형 강관 주변의 영향 범위는 사각형 강관으로부터 약 60 mm까지(정사각형인 사각형 강관 한 변의 길이를 W라 할 때 약 1W, 그림 3a 참조) 인 것으로 나타났다(그림 8a～그림 8c). 특히, 오거의 회전속도가 빠른 경우에는(Case 1) 사각형 강관 하부의 수평 변형률과 측면의 수직 변형률의 영향범위가 다소 감소하는 것으로 나타났다.
56 mm/sec로 일정하게 고정시킨 상태에서 오거의 회전속도를 변화시킨 결과, 오거의 회전속도에 따라 사각형 강관 주변지반의 영향범위와 모래 표면의 변위가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 특히, 오거의 회전속도가 13.9 RPM보다 클 경우에는 모래 표면에서 주로 침하가 발생하고, 반대로 13.9 RPM보다 작으면 융기가 발생하는 것으로 나타났으며 이는 토피고 조건에 따라서도 다소 차이를 보였다. 따라서 강관의 관입 시공 시에 상부 지표에서 발생하는 변위를 최소화하기 위해서는 지반조건과 토피고 조건에 적합한 오거 회전속도의 선정이 중요할 수 있을 것으로 사료된다.
토피고가 80 mm로서 토피고 낮은 모래지반에 사각형 강관을 관입한 결과, 사각형 강관 주변의 영향 범위는 사각형 강관으로부터 약 60 mm까지(정사각형인 사각형 강관 한 변의 길이를 W라 할 때 약 1W, 그림 3a 참조) 인 것으로 나타났다(그림 8a～그림 8c). 특히, 오거의 회전속도가 빠른 경우에는(Case 1) 사각형 강관 하부의 수평 변형률과 측면의 수직 변형률의 영향범위가 다소 감소하는 것으로 나타났다.
모래지반에서 사각형 강관의 관입이 주변 지반에 영향을 미치는 범위는 토피고가 클수록 넓어지는 경향을 보였으나, 이는 변형량의 절대적인 크기에 상관없이 모래 표면까지 강관 관입의 영향이 미치기 때문이다. 특히, 토피고가 클수록 강관의 관입은 강관 상부의 수평 변형률에 큰 영향을 미치며, 반면 강관 하부의 수평 변형률과 측면부의 수직 변형률에 미치는 영향은 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
이상과 같은 모형 토조실험 결과로부터 사각형 강관 관입에 의한 지반의 거동은 강관의 무차원 관입속도와 토피고에 따라 다르게 나타남을 확인하였다. 그러나 본 연구의 실험은 모형 토조실험과 관련 계측센서의 설치와 관련된 근본적인 한계로 인해 모래지반에 대해서만 수행되었기 때문에, 강관 관입에 의한 모래지반의 거동을 분석한 결과라는 한계가 있다. 따라서 향후에는 다양한 지반조건을 모사할 수 있는 실험방법 및 실험장비의 개발과 현장 계측자료와의 비교 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
그러나 본 연구의 실험은 모형 토조실험과 관련 계측센서의 설치와 관련된 근본적인 한계로 인해 모래지반에 대해서만 수행되었기 때문에, 강관 관입에 의한 모래지반의 거동을 분석한 결과라는 한계가 있다. 따라서 향후에는 다양한 지반조건을 모사할 수 있는 실험방법 및 실험장비의 개발과 현장 계측자료와의 비교 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이상의 선형 연구결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 비개착공법에 의한 지하 연결통로의 공사 시에 강관을 관입하는 작업은 주변 지반에 상대적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 공정이므로 상세한 분석이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모형 토조실험을 실시하여 비개착 공법에 사용되는 사각형 강관의 관입에 따른 모래지반의 거동을 실험적으로 파악한 결과는 무엇인가?
1. 모래지반에서 사각형 강관의 관입이 주변 지반에 영향을 미치는 범위는 토피고가 클수록 넓어지는 경향을 보였으나, 이는 변형량의 절대적인 크기에 상관없이 모래 표면까지 강관 관입의 영향이 미치기 때문이다. 특히, 토피고가 클수록 강관의 관입은 강관 상부의 수평 변형률에 큰 영향을 미치며, 반면 강관 하부의 수평 변형률과 측면부의 수직 변형률에 미치는 영향은 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.
2. 관입속도를 1.56 mm/sec로 일정하게 고정시킨 상태에서 오거의 회전속도를 변화시킨 결과, 오거의 회전속도에 따라 사각형 강관 주변지반의 영향범위와 모래 표면의 변위가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 특히, 오거의 회전속도가 13.9 RPM보다 클 경우에는 모래 표면에서 주로 침하가 발생하고, 반대로 13.9 RPM보다 작으면 융기가 발생하는 것으로 나타났으며 이는 토피고 조건에 따라서도 다소 차이를 보였다. 따라서 강관의 관입 시공 시에 상부 지표에서 발생하는 변위를 최소화하기 위해서는 지반조건과 토피고 조건에 적합한 오거 회전속도의 선정이 중요할 수 있을 것으로 사료된다.
3. 이상과 같은 모형 토조실험 결과로부터 사각형 강관 관입에 의한 지반의 거동은 강관의 무차원 관입속도와 토피고에 따라 다르게 나타남을 확인하였다. 그러나 본 연구의 실험은 모형 토조실험과 관련 계측센서의 설치와 관련된 근본적인 한계로 인해 모래지반에 대해서만 수행되었기 때문에, 강관 관입에 의한 모래지반의 거동을 분석한 결과라는 한계가 있다. 따라서 향후에는 다양한 지반조건을 모사할 수 있는 실험방법 및 실험장비의 개발과 현장 계측자료와의 비교 분석에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
비개착공법은 무엇으로 구분되는가?
도로 또는 철도 등의 기존 구조물 하부에 지하 연결통로를 건설하기 위해 널리 사용되고 있는 비개착공법은 함체견인공법, 강관추진공법, 엘리먼트(element) 견인･추진공법, 패널(panel) 추진공법 등으로 구분되며(한국철도시설공단, 2010), 일반적으로 횡단구간에 대해 강성이 큰 원형 강관이나 사각형 강관을 관입시켜 루프(roof)를 형성함으로써 강관 상부의 구조물 자중과 교통하중을 지지하는 개념을 이용한다. 비개착공법은 그 활용이 늘어가는 추세에 비해 개착식 터널공법(배규진과 이규필, 2001; 배규진 등, 2003)과 비교할 때 관련 연구가 상대적으로 부족한 상황이다.
비개착공법은 일반적으로 어떤 개념을 이용하는가?
도로 또는 철도 등의 기존 구조물 하부에 지하 연결통로를 건설하기 위해 널리 사용되고 있는 비개착공법은 함체견인공법, 강관추진공법, 엘리먼트(element) 견인･추진공법, 패널(panel) 추진공법 등으로 구분되며(한국철도시설공단, 2010), 일반적으로 횡단구간에 대해 강성이 큰 원형 강관이나 사각형 강관을 관입시켜 루프(roof)를 형성함으로써 강관 상부의 구조물 자중과 교통하중을 지지하는 개념을 이용한다. 비개착공법은 그 활용이 늘어가는 추세에 비해 개착식 터널공법(배규진과 이규필, 2001; 배규진 등, 2003)과 비교할 때 관련 연구가 상대적으로 부족한 상황이다.
참고문헌 (10)
노정민 (2006), "RPS공법을 이용한 횡단터널 굴착의 수치해석", 인천대학교 대학원 석사학위 논문, p. 32.
배규진, 이규필 (2001), "복개터널 라이닝 해석을 위한 모델링 기법에 관한 연구", 터널기술, 제3권, 제2호, pp. 13-22.
배규진, 정형식, 이규필 (2003), "복개 터널구조물에 작용하는 편토압 고려를 위한 수치해석적 연구", 터널기술, 제5권, 제3호, pp. 227-239.
엄기영, 신민호, 김지훈 (2001), "철도지하횡단공사시 현장계측을 통한 지반거동 분석", 한국철도학회, 2001년도 추계학술대회논문집, pp. 546-551.
임종철, 이태형, 안민홍 (2000), "지지력 실험을 통한 모래지반의 내부마찰각 추정에 대한 연구", 대한토목학회논문집, 제20권, 제6-C호, pp. 495-506.
한국철도시설공단 (2010), "고속철도 지하횡단구조물 공법기준 정립 및 안정성평가 연구", p. 5.
FHWA(2007), "GEOTECHNICAL ENGINEERING CIRCULAR NO. 8 Design and Construction of Continuous Flight Auger (CFA) Piles", FHWA-HIF-07-03, p. 171.
Kenny, M.J., Canakci, H., Andrawes, K.Z. (2007), "Desification of granular soils during CFA pile augering", Ground improvement geosystems, Thomas Telford, London, pp. 135-138.
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