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문제 정의
- 본 연구에서는 고성토 사면에 시공되어 측방유동 가능성이 있는 교대에 대한 사례를 중심으로 현장조건과 지반 조사 자료를 참고하여 경험적인 방법과 수치해석을 통해 측방유동, 교대의 변위, 사면의 안정성에 대한 검토를 실시하였다. 또한, 보강공법 3개를 선정하여 수치해석을 통해 현장에 적용한 후, 보강 시에 발생하는 측방유동의 결과분석을 실시하여 적절한 보강대책 수립에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 고성토 사면에 시공된 교대는 강우 및 동결･융해 등의 외부영향으로 인해 측방 유동이 발생하며, 교대에 상대변위를 발생시켜 교량 구조물 전체의 안정성과 사용성을 크게 저해하게 된다. 본 연구에서는 고성토 사면에 시공되어 측방유동 가능성이 있는 교대에 대한 사례를 중심으로 현장조건과 지반 조사 자료를 참고하여 경험적인 방법과 수치해석을 통해 측방유동, 교대의 변위, 사면의 안정성에 대한 검토를 실시하였다. 또한, 보강공법 3개를 선정하여 수치해석을 통해 현장에 적용한 후, 보강 시에 발생하는 측방유동의 결과분석을 실시하여 적절한 보강대책 수립에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 고성토 사면에 시공된 교대는 강우 및 동결･융해 등의 외부영향으로 인해 측방 유동이 발생하며, 교대에 상대변위를 발생시켜 교량 구조물 전체의 안정성과 사용성을 크게 저해하게 된다. 본 연구에서는 고성토 사면에 시공되어 측방유동 가능성이 있는 교대에 대한 사례를 중심으로 현장조건과 지반 조사 자료를 참고하여 경험적인 방법과 수치해석을 통해 측방유동, 교대의 변위, 사면의 안정성에 대한 검토를 실시하였다. 또한, 보강공법 3개를 선정하여 수치해석을 통해 현장에 적용한 후, 보강 시에 발생하는 측방유동의 결과분석을 실시하여 적절한 보강대책 수립에 대한 기초자료를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- al.(1994)이 국내에서 발생한 6개 현장 12개 교대의 측방유동 사례에 대한 연구결과를 토대로 교대기초말뚝이 설치된 사면에서 제안한 기준 안전율을 적용하였으며, Table 7과 같다. 수치해석 결과 기본 조건인 말뚝을 고려한 사면 안전율은 1.
- 교대 측방유동에 대한 보강 공법으로 성토부에 압성토로 보강하였을 때의 거동을 확인해보면 성토부에 폭 5.8m, 높이 6.7m로 성토하였으며, 지반 물성은 성토부와 동일한 값으로 해석을 수행하였다. 그 결과 압성토 보강 시 최대전단 변형률을 확인해보면 파괴영역은 기본조건과 비슷한 형태를 나타냈다.
- 교대의 측방유동 방지를 위해 교대 배면에 EPS로 보강하였을 때의 거동을 분석하였다. 해석 결과를 살펴보면 최대 전단변형률은 Fig.
- 25kN/m3를 적용하였다. 교대의 측방유동 방지를 위해 성토부에 1열 억지말뚝으로 보강했을 때와 2열 억지말뚝으로 보강했을 때의 거동을 분석하였다. 억지말뚝(H-300×300×10×15)은 18m 관입되었고, 2.
- 따라서 본 현장에 맞는 최적의 보강공법을 파악하고자 수치해석을 통해 몇 가지 보강공법(압성토, 배면 EPS 적용, 억지말뚝(1열, 2열))을 적용하여 성토단계별 교대의 측방유동을 분석해보았다.
- 본 연구에서는 고성토 사면에 시공되어 측방유동 가능성이 있는 교대에 대한 사례를 중심으로 현장조건과 지반 조사자료를 참고하여 경험적인 방법과 수치해석을 통해 측방 유동, 교대의 변위, 사면의 안정성에 대한 검토를 실시하였다. 또한, 보강공법을 3개(압성토 옹벽, EPS, 억지말뚝)를 선정하여 수치해석을 통해 현장에 적용한 후, 보강 시에 발생하는 측방유동의 결과분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 해석에서는 기본조건, 압성토, 배면 EPS 적용, 억지말뚝(1열, 2열)을 적용하여 성토단계별 교대의 측방유동을 분석하였다. 기본조건의 해석모델링은 교대의 높이를 10.
- 억지말뚝(H-300×300×10×15)은 18m 관입되었고, 2.5m 간격으로 설치하여 해석하였다.
- 지반 및 지보재에는 삼각형 요소를 사용하였고, 강관말뚝 및 억지말뚝의 경우에는 보 요소를 사용하여 모델링하였다. 지반의 경계조건은 좌, 우측의 X축 변위를 고정시켰고, 하부는 X, Y축 변위를 고정시켰다.
대상 데이터
- 말뚝 설계는 강관말뚝(508mm, t=12mm)이고 강재의 등급은 SKK400을 적용하였다. EPS 성토고는 10.3m, 설치 폭은 22.3m로 적용하여 해석하였다. EPS의 단위 중량은 EPS공법 적용 시 일반적으로 흔히 사용되는 토목용 EPS의 단위 중량인 0.
- 재료 모델링에 있어서 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암, 경암에 해당하는 지반은 비관련흐름법칙을 따르는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 강관말뚝 및 억지말뚝의 경우에는 탄성모델을 적용하였다.
- 본 해석에서는 기본조건, 압성토, 배면 EPS 적용, 억지말뚝(1열, 2열)을 적용하여 성토단계별 교대의 측방유동을 분석하였다. 기본조건의 해석모델링은 교대의 높이를 10.3m, 길이는 6.4m이고 강관말뚝의 간격은 2.2m, 길이는 18m로 모델링하였다. 말뚝 설계는 강관말뚝(508mm, t=12mm)이고 강재의 등급은 SKK400을 적용하였다.
- 2m, 길이는 18m로 모델링하였다. 말뚝 설계는 강관말뚝(508mm, t=12mm)이고 강재의 등급은 SKK400을 적용하였다. EPS 성토고는 10.
- 본 해석에 사용된 단면은 OOO현장 구간으로 주변 현황은 민가가 다수 분포하고 있다. 원지반으로부터 약 4.
- 연구대상 교대는 10.3m, 길이는 6.4m이고, 고성토 사면에 시공되며, 기초는 강관말뚝기초(508mm, t=12mm)로 설계되어 있다. 연구대상 교대의 설계현황은 Fig.
이론/모형
- 재료 모델링에 있어서 매립층, 퇴적층, 풍화토, 풍화암, 연암, 경암에 해당하는 지반은 비관련흐름법칙을 따르는 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 강관말뚝 및 억지말뚝의 경우에는 탄성모델을 적용하였다.
- 3m 정도의 성토차이가 발생하여 편토압에 의한 측방유동이 예상된다. 측방유동 발생 가능성을 판정하는 방법은 2.3절에 언급한 바와 같이 여러 가지 제안방법이 있으며, 본 검토에서는 Tschebotarioff 법, 도로교 표준시방서(측방유동판정치에 의한 판정), 일본도로공단법(측방유동지수에 의한 판정)을 중심으로 검토하였다.
성능/효과
- (1) 연구대상구조물에 대해 경험적인 방법인 Tschebotarioff 법, 도로교 표준시방서(측방유동판정치에 의한 판정), 일본도로공단법(측방유동지수에 의한 판정)으로 검토해본 결과, 교대가 측방유동의 가능성이 높은 것으로 나타났으며, 수치해석결과에서도 교대기초말뚝의 효과를 고려한 사면전체의 안전율은 1.73으로 나타나 측방유동 가능성이 있는 것으로 나타났다. 이것으로 보아 경험적인 방법으로도 측방유동의 가능성을 충분히 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- (2) 압성토로 보강했을 경우, 측방유동은 약 30% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 14% 정도 감소하는 것으로 나타났으며, EPS로 보강했을 경우, 측방유동은 약 97% 감소하였고, 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 95% 정도 감소하였다. 사면에 억지말뚝으로 보강하였을 경우, 1열 보강 시에 측방유동은 약 5% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 3% 정도 감소하였으며, 2열 보강 시에 측방유동은 약 6% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 4% 정도 감소하였다.
- (3) 연구대상 현장에 보강 대책공법들을 선정하여 적용한 후 재해석을 실시하여 안정성 검토를 실시한 결과, 본 현장에서는 EPS공법이 측방유동에 대한 보강공법으로 가장 적합할 것으로 판단되며, 사면활동에 대한 저항 효과가 가장 좋은 대책공법은 2열 억지말뚝이 가장 적합한 대책공법이라고 사료된다. 향후, 국내 여러 현장을 대상으로 추가적인 분석을 지속적으로 수행하여 보다 국내 여건에 부합하는 설계 기법의 도출이 요구되며, 보강공법 선정 시에 각 현장에 맞는 최적의 조건을 찾기 위한 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 이러한 이유는 EPS가 경량성토재로서 EPS의 단위체적중량이 흙의 약 1/100 정도로 가벼운 경량성에 기인하여 수평토압의 경감효과가 나타났기 때문으로 판단되며, 사면에 억지말뚝으로 보강하였을 경우, 1열 보강 시에는 측방유동은 약 5% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 3% 정도 감소하였다. 2열 보강 시에는 측방유동은 약 6%감소하였고, 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 4% 정도 감소하였다. 이것은 억지말뚝으로 인해 사면활동에 대한 저항 효과가 생기기 때문으로 판단되며, 1열 보강 시에 비해 2열 보강 시 측방유동이 감소하는 이유는 말뚝과 말뚝 사이 지반의 아칭효과로 인하여 억지말뚝의 저항 효과가 증가하기 때문으로 판단된다.
- 파괴영역은 기본조건에 비해 폭이 좁아진 것으로 나타났으며, 성토 사면 하부에서 응력이 집중되는 것으로 나타났다. EPS 보강에 따른 최대수평변위는 성토사면부에서는 1.21mm가 발생하여 기본조건에 비해 약 97% 감소한 것으로 나타났으며, 교좌부에서는 2.53mm로 나타나 기본조건에 비해 약 95% 감소하였다. 이것은 교대 배면 성토하중의 경감으로 인한 것으로 판단된다.
- 그러나 실제 시공 시 압성토 공법은 시간의 경과에 따라 변위가 지속적으로 발생하고 누적되는 구조물로서 장기간의 안정성을 확보하기는 어려울 것으로 판단된다. EPS로 보강했을 경우, 측방유동은 약 97% 감소하였고, 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 95% 정도 감소하였다. 이러한 이유는 EPS가 경량성토재로서 EPS의 단위체적중량이 흙의 약 1/100 정도로 가벼운 경량성에 기인하여 수평토압의 경감효과가 나타났기 때문으로 판단되며, 사면에 억지말뚝으로 보강하였을 경우, 1열 보강 시에는 측방유동은 약 5% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 3% 정도 감소하였다.
- 48kN･m로 휨모멘트의 허용치 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. 또한, 휨응력에 대한 검토 결과 각각 101.21MPa, 87.46MPa, 105.87MPa로 항복응력 140MPa로 나타났으며, 전단응력에 대한 검토 결과 각각 4.34MPa, 2.54MPa, 2.24MPa로 허용 전단응력인 80MPa 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- 75kN･m로 휨모멘트의 허용치 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. 또한, 휨응력에 대한 검토 결과 각각 101.31MPa, 87.56MPa, 106.74MPa로 항복응력 140MPa로 나타났으며, 전단응력에 대한 검토 결과 각각 4.36MPa, 2.54MPa, 2.24MPa로 허용 전단응력인 80MPa 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- 38kN･m로 휨모멘트의 허용치 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. 또한, 휨응력에 대한 검토 결과 각각 42.35MPa, 31.23MPa, 18.34MPa로 항복응력 140MPa로 나타났으며, 전단응력에 대한 검토 결과 각각 0.49MPa, 0.21MPa, 0.36MPa로 허용 전단응력인 80MPa 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- 49kN･m로 휨모멘트의 허용치 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. 또한, 휨응력에 대한 검토 결과 각각 99.03MPa, 85.72MPa, 104.11MPa로 항복응력 140MPa로 나타났으며, 전단응력에 대한 검토 결과 각각 4.13MPa, 2.41MPa, 2.12MPa로 허용 전단응력인 80MPa 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- 06kN･m로 휨모멘트의 허용치 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. 또한, 휨응력에 대한 검토 결과 각각 99.35MPa, 86.14MPa, 107.51MPa로 항복응력 140MPa로 나타났으며, 전단응력에 대한 검토 결과 각각 4.12MPa, 2.46MPa, 2.21MPa로 허용 전단응력인 80MPa 이내로 나타나 안전한 것으로 판단된다. Fig.
- (2) 압성토로 보강했을 경우, 측방유동은 약 30% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 14% 정도 감소하는 것으로 나타났으며, EPS로 보강했을 경우, 측방유동은 약 97% 감소하였고, 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 95% 정도 감소하였다. 사면에 억지말뚝으로 보강하였을 경우, 1열 보강 시에 측방유동은 약 5% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 3% 정도 감소하였으며, 2열 보강 시에 측방유동은 약 6% 감소하였고 교대 교좌부의 최대수평변위는 약 4% 정도 감소하였다. 1열 보강 시에 비해 2열 보강 시 측방유동이 감소하는 이유는 말뚝과 말뚝 사이 지반의 아칭효과로 인하여 억지말뚝의 저항 효과가 증가하기 때문으로 판단된다.
- (1994)이 국내에서 발생한 6개 현장 12개 교대의 측방유동 사례에 대한 연구결과를 토대로 교대기초말뚝이 설치된 사면에서 제안한 기준 안전율을 적용하였으며, Table 7과 같다. 수치해석 결과 기본 조건인 말뚝을 고려한 사면 안전율은 1.73으로 기준 안전율을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 그러나 압성토에 의해 성토부 사면 폭이 넓어져 파괴영역이 기본조건에 비해 교대에서 멀어진 것을 확인할 수 있었다. 압성토 보강에 따른 최대수평변위는 성토사면부에서는 37.53mm가 발생하여 기본조건에 비해 약 30% 감소하는 것으로 나타났으며, 교좌부에서는 54.28mm로 나타나 기본조건에 비해 14% 감소하였다. 한편 사면안전율은 1.
- 이것은 억지말뚝으로 인해 사면활동에 대한 저항 효과가 생기기 때문으로 판단되며, 1열 보강 시에 비해 2열 보강 시 측방유동이 감소하는 이유는 말뚝과 말뚝 사이 지반의 아칭효과로 인하여 억지말뚝의 저항 효과가 증가하기 때문으로 판단된다. 연구대상 현장이 측방유동의 우려가 있을 것으로 판단되어 보강 대책공법들을 선정하여 적용한 후 재해석을 실시하여 안정성 검토를 실시한 결과, 본 현장에서는 EPS공법이 측방유동에 대한 보강공법으로 가장 적합할 것으로 판단되며, 사면활동에 대한 저항 효과가 가장 좋은 대책공법은 2열 억지말뚝이 가장 적합한 대책공법이라고 사료된다.
- 73으로 나타나 측방유동 가능성이 있는 것으로 나타났다. 이것으로 보아 경험적인 방법으로도 측방유동의 가능성을 충분히 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 파괴영역은 1열로 보강했을 경우와 유사하게 나타났고, 1열 말뚝에 비해 영역은 작은 것으로 나타났다. 최대수평변위는 성토사면부에서는 50.3mm가 발생하여 기본조건에 비해 약 6% 감소한 것으로 나타났으며, 교좌부에서는 59.89mm로 나타나 기본조건에 비해 약 4% 감소하였다. 이것은 1열로 보강했을 때와 큰 차이가 발생하지 않은 것으로 나타났다.
- 최대수평변위는 성토사면부에서는 51.3mm가 발생하여 기본조건에 비해 약 5% 감소한 것으로 나타났으며, 교좌부에서는 60.61mm로 나타나 기본조건에 비해 약 3% 감소하였다. 한편 사면안전율은 1.
- )에 의한 판정법이 있다. 측방유동지수(F)에 의한 판정법에서는 배면성토하중과 점성토의 비배수 전단강도와의 관계에 점성토의 두께를 고려하였으며, 측방유동판정수(I)에 의한 판정법은 배면성토하중과 점성토의 비배수 전단강도와의 관계에 점성토층의 두께와 교대말뚝기초의 제원을 반영한 것으로 분석되었다. 그리고 수정 측방유동판정수(MI)에 의한 판정법은 1995년 한국도로공사에서 국내 140여 개의 교대 자료를 수집･분석하여 제안한 방법이다.
- 10(a)와 같다. 파괴영역은 기본조건에 비해 폭이 좁아진 것으로 나타났으며, 성토 사면 하부에서 응력이 집중되는 것으로 나타났다. EPS 보강에 따른 최대수평변위는 성토사면부에서는 1.
후속연구
- 향후, 국내 여러 현장을 대상으로 추가적인 분석을 지속적으로 수행하여 보다 국내 여건에 부합하는 설계 기법의 도출이 요구되며, 보강공법 선정 시에 각 현장에 맞는 최적의 조건을 찾기 위한 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 수치해석 및 실측치를 비교･분석함으로써 지금보다 신뢰성 있는 연구가 뒤따라야 할 것이다.
- (3) 연구대상 현장에 보강 대책공법들을 선정하여 적용한 후 재해석을 실시하여 안정성 검토를 실시한 결과, 본 현장에서는 EPS공법이 측방유동에 대한 보강공법으로 가장 적합할 것으로 판단되며, 사면활동에 대한 저항 효과가 가장 좋은 대책공법은 2열 억지말뚝이 가장 적합한 대책공법이라고 사료된다. 향후, 국내 여러 현장을 대상으로 추가적인 분석을 지속적으로 수행하여 보다 국내 여건에 부합하는 설계 기법의 도출이 요구되며, 보강공법 선정 시에 각 현장에 맞는 최적의 조건을 찾기 위한 연구도 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 수치해석 및 실측치를 비교･분석함으로써 지금보다 신뢰성 있는 연구가 뒤따라야 할 것이다.
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