홍승록
(Dept. of Mega Building and Bridge, Sungkyunkwan Univ.)
,
최진욱
(Dept. of Mega Building and Bridge, Sungkyunkwan Univ.)
,
유충식
(Dept. of Civil Engrg, Sungkyunkwan Univ.)
,
이대영
(Geotechnical Engrg Division, KICT)
,
이수형
(Geotechnical Engrg Division, KICT)
,
유인균
(Geotechnical Engrg Division, KICT)
본 논문에서는 투수성 포장 하부구조의 지반에 지오셀 보강에 따른 거동특성을 다루었다. 지오셀을 이용한 포장구조체의 하중지지력 증가효과를 고찰하기 위하여 지오셀 결합부의 유형, 벽 두께, 직경을 변화시켜가며 총 9가지의 실험 케이스의 실내 축소모형실험을 진행하여 무보강 투수성 포장에 비해 지오셀로 보강된 포장 하부구조에서 더 큰 지지력이 발현 되는 것으로 나타났고 지오셀의 단면 형태의 관계 없이 거의 일정한 하중 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 또한 지오셀 속채움 시 지오셀의 형상은 직경 30cm, 두께 1.8mm에서 가장 지지 효과가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 투수성 포장 하부구조의 지반에 지오셀 보강에 따른 거동특성을 다루었다. 지오셀을 이용한 포장구조체의 하중지지력 증가효과를 고찰하기 위하여 지오셀 결합부의 유형, 벽 두께, 직경을 변화시켜가며 총 9가지의 실험 케이스의 실내 축소모형실험을 진행하여 무보강 투수성 포장에 비해 지오셀로 보강된 포장 하부구조에서 더 큰 지지력이 발현 되는 것으로 나타났고 지오셀의 단면 형태의 관계 없이 거의 일정한 하중 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 또한 지오셀 속채움 시 지오셀의 형상은 직경 30cm, 두께 1.8mm에서 가장 지지 효과가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
This paper presents the results of a laboratory investigation of the porous pavement substructure effect when reinforced with geocell. In order to analyze load carrying capacity of Geocell, a series of 9 reduced-scale laboratory tests was performed, changing the type, thickness, diameter of Geocell....
This paper presents the results of a laboratory investigation of the porous pavement substructure effect when reinforced with geocell. In order to analyze load carrying capacity of Geocell, a series of 9 reduced-scale laboratory tests was performed, changing the type, thickness, diameter of Geocell. The results of the analyses indicated that the bearing capacity of the reinforced Geocell increases much more than the non-reinforced Geocell and load carrying capacity was considered to be insignificant according to the type of Geocell. It was also found that the most supportive effects appeared as 30 cm in diameter and 1.8mm in thickness.
This paper presents the results of a laboratory investigation of the porous pavement substructure effect when reinforced with geocell. In order to analyze load carrying capacity of Geocell, a series of 9 reduced-scale laboratory tests was performed, changing the type, thickness, diameter of Geocell. The results of the analyses indicated that the bearing capacity of the reinforced Geocell increases much more than the non-reinforced Geocell and load carrying capacity was considered to be insignificant according to the type of Geocell. It was also found that the most supportive effects appeared as 30 cm in diameter and 1.8mm in thickness.
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문제 정의
최근 들어 국내에서 지오셀의 다짐 등 시공성을 높이고 하중 지지력 향상 방안 강구의 일환으로 지오셀의 단면이하부로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 제품이 생산 적용되고 있으며 이에 본 연구에서는 지오셀 단면의 형태와 단일셀 단면 직경 및 벽 두께 등 형상에 따른 포장 구조체의 하중 지지력에 관한 연구를 수행하였다. 따라서 본 연구에서는 투수성 포장 하부구조 보강용 지오셀의 보강효과를 규명하고 지오셀 단면의 형태와 단일 셀 단면의 직경 및벽 두께 등 형상에 따른 지오셀의 하중 지지력 변화 고찰에 주목적을 두었다. 이에 다양한 형상의 지오셀에 대해 제품별 하중 지지력 변화여부를 검토하기 위해 현장 포장 구조체를 대상으로 축소 모형을 구축하여 이에 대한 하중 재하 실험을 수행하였으며 결과 분석을 통해 지오셀 단면의 형태와 단일 셀 단면의 직경 및 벽 두께 등 형상에 따른 지오셀의 하중 지지력 변화 경향을 고찰하였다.
최근 들어 불투수 면적증가로 인한 도시형 수해의 증가, 하천수의 감소 그리고 지하수의 고갈 등의 물 순환 문제와 열섬현상을 해결하기 위한 방안의 일환으로 투수성 포장이 적용되고 있다. 본 연구에서는 투수성 포장구조체 하부 노상의 하중 지지력 향상을 위한 보강 방안으로 적용되는지오셀 보강 노상에 대한 축소모형실험을 실시하여 지오셀 적용시 보강효과, 지오셀 단면의 형태와 단일셀 단면의 크기 및 벽 두께 등 지오셀의 형상에 따른 보강효과 변화 여부를 검토하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
12 참조). 아울러 각 지오셀의 단면 직경 및 벽 두께가 다른 제품에 대한 하중 지지력 변화 경향 또한 검토하였다.
앞서 기술한 바와 같이 본 연구는 다양한 셀 형상 및 직경, 그리고 벽 두께를 갖는 제품에 대한 보강효과를 검토하였다. 실험에 사용된 지오셀은 얇은 띠 형태 HDPE 시트 벌집 구조를 갖는 대표적인 형태로서 셀의 상･하부 단면 직경이 동일한 일자형 지오셀과 상부 단면이 하부 단면보다 큰 직경을 갖는 사선형 지오셀에 대한 검토를 수행 하여 지오셀 속채움재의 형상 변화와 단면의 크기 변화에 따른 하중 지지력 변화 경향을 평가하였다(Fig.
최근 들어 국내에서 지오셀의 다짐 등 시공성을 높이고 하중 지지력 향상 방안 강구의 일환으로 지오셀의 단면이하부로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 제품이 생산 적용되고 있으며 이에 본 연구에서는 지오셀 단면의 형태와 단일셀 단면 직경 및 벽 두께 등 형상에 따른 포장 구조체의 하중 지지력에 관한 연구를 수행하였다. 따라서 본 연구에서는 투수성 포장 하부구조 보강용 지오셀의 보강효과를 규명하고 지오셀 단면의 형태와 단일 셀 단면의 직경 및벽 두께 등 형상에 따른 지오셀의 하중 지지력 변화 고찰에 주목적을 두었다.
제안 방법
그리고 각 실험마다 채움재인 쇄석의 상대밀도 60%의 균질성을 유지 하기 위하여 실험 전 쇄석량을 측정하였으며 3층 다짐을 실시하여 총 쇄석량 243kg을 투입하였다. 3층 다짐시 지 오셀 변형 발생을 방지하기 위하여 강철 지지 봉을 이용하여 지오셀 직경을 고정시킨 후 쇄석을 충진 하였으며 토조의 영향으로 인한 지지력 증가를 방지하기 위하여 지오셀 설치 시에는 모형토조와 5cm의 이격거리를 두었다.
특히 노상을 조성 한 후 재료분리를 위한 아스테이지를 노상위에 한 겹 깔고 지오셀을 설치하였으며 지오셀을 펼쳐 직경(25cm와 30cm)내에 쇄석을 채워 다짐을 수행하였다. 그리고 각 실험마다 채움재인 쇄석의 상대밀도 60%의 균질성을 유지 하기 위하여 실험 전 쇄석량을 측정하였으며 3층 다짐을 실시하여 총 쇄석량 243kg을 투입하였다. 3층 다짐시 지 오셀 변형 발생을 방지하기 위하여 강철 지지 봉을 이용하여 지오셀 직경을 고정시킨 후 쇄석을 충진 하였으며 토조의 영향으로 인한 지지력 증가를 방지하기 위하여 지오셀 설치 시에는 모형토조와 5cm의 이격거리를 두었다.
모형실험은 노상을 조성한 후 지오셀 설치 및 쇄석 채움, 그리고 하중재하의 순으로 수행하였다. 특히 노상을 조성 한 후 재료분리를 위한 아스테이지를 노상위에 한 겹 깔고 지오셀을 설치하였으며 지오셀을 펼쳐 직경(25cm와 30cm)내에 쇄석을 채워 다짐을 수행하였다.
셀 안에 쇄석을 채운 후 5cm의 쇄석 층을 균질하게 추가로 포설하여 모형 노상위에 지오셀 층을 포함하여 총 17cm 두께의 쇄석 층을 형성하였으며 쇄석층 포설 후 편 심을 방지하기 위해 라벨링 측정을 통해 수평을 확인 후하중을 재하 하였다. Fig.
앞서 기술한 바와 같이 본 연구는 다양한 셀 형상 및 직경, 그리고 벽 두께를 갖는 제품에 대한 보강효과를 검토하였다. 실험에 사용된 지오셀은 얇은 띠 형태 HDPE 시트 벌집 구조를 갖는 대표적인 형태로서 셀의 상･하부 단면 직경이 동일한 일자형 지오셀과 상부 단면이 하부 단면보다 큰 직경을 갖는 사선형 지오셀에 대한 검토를 수행 하여 지오셀 속채움재의 형상 변화와 단면의 크기 변화에 따른 하중 지지력 변화 경향을 평가하였다(Fig. 12 참조). 아울러 각 지오셀의 단면 직경 및 벽 두께가 다른 제품에 대한 하중 지지력 변화 경향 또한 검토하였다.
따라서 본 연구에서는 투수성 포장 하부구조 보강용 지오셀의 보강효과를 규명하고 지오셀 단면의 형태와 단일 셀 단면의 직경 및벽 두께 등 형상에 따른 지오셀의 하중 지지력 변화 고찰에 주목적을 두었다. 이에 다양한 형상의 지오셀에 대해 제품별 하중 지지력 변화여부를 검토하기 위해 현장 포장 구조체를 대상으로 축소 모형을 구축하여 이에 대한 하중 재하 실험을 수행하였으며 결과 분석을 통해 지오셀 단면의 형태와 단일 셀 단면의 직경 및 벽 두께 등 형상에 따른 지오셀의 하중 지지력 변화 경향을 고찰하였다.
모형실험은 노상을 조성한 후 지오셀 설치 및 쇄석 채움, 그리고 하중재하의 순으로 수행하였다. 특히 노상을 조성 한 후 재료분리를 위한 아스테이지를 노상위에 한 겹 깔고 지오셀을 설치하였으며 지오셀을 펼쳐 직경(25cm와 30cm)내에 쇄석을 채워 다짐을 수행하였다. 그리고 각 실험마다 채움재인 쇄석의 상대밀도 60%의 균질성을 유지 하기 위하여 실험 전 쇄석량을 측정하였으며 3층 다짐을 실시하여 총 쇄석량 243kg을 투입하였다.
포장구조체의 노상은 평균입경 2mm, 입도범위 0.1∼10mm의 화강풍화토를 이용하여 조성하였으며 현장 도로 조건을 모사할 수 있도록 4.5kg래머를 이용하여 다짐도는 85%를 유지하며 16cm씩 5층 다짐을 통해 조성하였다.
11은 지오셀을 설치하고 쇄석을 충진시킨 후 하중을 재하 하는 실험 순서를 보여주고 있다. 한편, 재하하중은 60mm/min의 변위제어 방식으로 하중을 재하하고 침하를 측정하여 구축된 하중-변위 곡선을 이용하여 극한 하중을 산정하고 이를 비교하였다.
하중재하는 30cm의 직경의 원형 재하판을 이용하여 휨이나 변형을 방지하고자 스테인리스 스틸재질을 두께 15mm의 강성 재하판을 사용하였다. 한편, 하중은 20ton 용량의 유압재하장치를이용하였으며 재하 하였으며 이때 편심 발생을 방지하기 위하여 재하판 설치 후 라벨링 측정을 통해 재하 판의 수평을 유지하도록 하였으며 실험에서 사용된 재하판의 위치를 동일하게 하기 위하여 재하판에 직접적으로 하중을 재하하는 로드셀의 위치를 실험 전에 Fig. 10(c)와 같이 모형 토조 중간에 고정하여 실시하였다. 본 실험에 사용된 모형 장치와 하중재하장치의 제원은 Fig.
대상 데이터
모형실험은 가로 100cm, 세로 80cm 그리고 높이를 80cm의 모형토조를 이용하여 수행하였다. 하중재하는 30cm의 직경의 원형 재하판을 이용하여 휨이나 변형을 방지하고자 스테인리스 스틸재질을 두께 15mm의 강성 재하판을 사용하였다.
지 오셀 채움재로는 평균입경 20mm이고 입도범위 2∼30mm인 쇄석을 사용하였다.
모형실험은 가로 100cm, 세로 80cm 그리고 높이를 80cm의 모형토조를 이용하여 수행하였다. 하중재하는 30cm의 직경의 원형 재하판을 이용하여 휨이나 변형을 방지하고자 스테인리스 스틸재질을 두께 15mm의 강성 재하판을 사용하였다. 한편, 하중은 20ton 용량의 유압재하장치를이용하였으며 재하 하였으며 이때 편심 발생을 방지하기 위하여 재하판 설치 후 라벨링 측정을 통해 재하 판의 수평을 유지하도록 하였으며 실험에서 사용된 재하판의 위치를 동일하게 하기 위하여 재하판에 직접적으로 하중을 재하하는 로드셀의 위치를 실험 전에 Fig.
이론/모형
지오셀 보강지반의 극한지지력은 Terzaghi의 지지력 공식을 바탕으로 미 육군 공병단(1981)에서 제안한 식를 이용하여 평가할 수 있다.
성능/효과
(1) 지오셀로 보강된 노상의 실험결과 무보강 노상에 비해 하중-변위 곡선의 기울기가 증가하고 하중 지지력이 30% 이상 증가하는 것으로 나타나 투수성 포장 시공시 노상을 지오셀로 보강할 경우 포장구조체의 하중 지지력 증가 효과를 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
(2) 지오셀의 단면 형태(일자형 및 사선형)에 따른 하중지지력 변화 경향을 검토한 결과 단면 형태에 관계없이 거의 일정한 하중 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 노상 보강용 지오셀 선정 시 지오셀의 단면 형태는 하중 지지력 관점 보다는 경제성 및 시공성을중심으로 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(3) 지오셀 단면의 직경에 따른 보강 효과를 고찰한 결과셀 단면의 직경이 증가할수록 (25cm → 30cm) 지오셀벽 두께에 따라 하중 지지력이 45～60%정도 향상되는 것으로 검토 되었다.
(4) 지오셀 벽 두께에 따른 보강효과를 고찰한 결과 벽 두께가 증가할수록 지오셀 단면 직경에 따라 하중 지지력이 20～40%이상 향상되는 것으로 검토 되었다. 이러한 경향은 지오셀의 벽 두께는 보강 지반의 하중 지지력에 큰 영향을 미치는 인자인 것을 의미하며 다만 이러한 벽 두께 증가로 인한 하중지지력 증가는 직경이 작은 지오셀에서 더 뚜렷하게 나타나는 것으로 검토되었다.
(2) 지오셀의 단면 형태(일자형 및 사선형)에 따른 하중지지력 변화 경향을 검토한 결과 단면 형태에 관계없이 거의 일정한 하중 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 노상 보강용 지오셀 선정 시 지오셀의 단면 형태는 하중 지지력 관점 보다는 경제성 및 시공성을중심으로 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
5mm)의 극한지지력으로 정규화한 결과를 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 전반적으로 직경의 크기에 관계없이 벽 두께가 증가할수록 하중 지지력이 증가하는 것으로 검토되었다. 즉, Fig.
지 오셀 채움재로는 평균입경 20mm이고 입도범위 2∼30mm인 쇄석을 사용하였다. 사용된 화강풍화토와 쇄석의 입도 분포 곡선은 Fig. 9와 같으며 이 데이터를 바탕으로 통일 분류법(USCS)을 적용한 결과, 본 실험에 사용하는 화강풍 화토는 SP에 해당하는 입도분포가 균질하지 않는 모래질 흙으로 분류되었으며 쇄석의 경우 GP에 해당하는 입도분포가 균질하지 않은 자갈로 분류되었다.
8mm 지오셀의 경우 직경 증가시 약 45% 정도의 하중 지지력 향상 효과가 있는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 지오셀 단면 직경은 보강 지반의 하중 지지력에 큰영향을 미치는 인자인 것을 의미하며 다만 직경 증가로 인한 하중 지지력 증가율은 벽 두께가 증가할수록 다소 감소 하는 것으로 검토되었다. 반면 본 연구에서는 지오셀 직경 25cm와 30cm에 대한 지지력을 평가 하였으나 더 많은 종류의 지오셀 직경 변화에 대한 지지력 실험을 통하여 단위체적당 투입되는 채움재양 변화에 대한 지지력 변화의 비교연구가 향후 수행되어야 한다고 판단된다.
즉, Fig. 16(a)에서는 직경 25cm 지오셀의 경우에 대한 결과를 보여주고 있는데 벽 두께 증가(1.5mm → 1.8mm)시 하중 지지력이 40%이상 향상되는 것으로 검토 되었으며 직경 30cm 지오 셀의 경우 벽 두께 증가시 약 20% 정도의 하중 지지력 향상 효과가 있는 것으로 검토되었다.
즉, 무보강 지반의 경우 하중 증가에 따라 침하가 증가하다가 재하하중 3.2ton에서 60mm의 침하가 발생하나 지오셀 보강조건의 경우 동일한 침하에 해당하는 재하하중이 30∼50% 증가하는 것으로 나타나 지오셀 보강에 따른 노상 보강 효과를 확보할 수 있는 것을 확인 할 수 있다.
후속연구
(5) 제시된 연구결과는 현장 포장구조체를 축소한 모형에 대한 하중 재하시험 결과이며 따라서 사용된 지오셀단면의 직경 대비 모형 재하판 크기의 치수효과(scale effect)가 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단되므로 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다.
이러한 경향은 지오셀 단면 직경은 보강 지반의 하중 지지력에 큰영향을 미치는 인자인 것을 의미하며 다만 직경 증가로 인한 하중 지지력 증가율은 벽 두께가 증가할수록 다소 감소 하는 것으로 검토되었다. 반면 본 연구에서는 지오셀 직경 25cm와 30cm에 대한 지지력을 평가 하였으나 더 많은 종류의 지오셀 직경 변화에 대한 지지력 실험을 통하여 단위체적당 투입되는 채움재양 변화에 대한 지지력 변화의 비교연구가 향후 수행되어야 한다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
투수성 포장의 장단점은 무엇인가?
최근 인구증가와 산업화로 인한 도시개발은 콘크리트, 아스팔트 포장 등으로 인한 불투수 면적을 증가시켜 도시형 수해의 증가, 하천수의 감소, 지하수의 고갈, 물 순환 문제와 열섬현상 문제를 발생시키는 주요원인으로 지목되고 있는데 이러한 도심지 불투수면의 증가로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안의 일환으로 최근 들어 투수성 포장에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 투수성 포장은 우천 시 우수를 노상까지 침투시키는 포장으로 노면배수를 통해 물 순환 체계를 개선시키는 효과가 있으나 우수 침투로 인해 노반 또는 노상 층의 지지력 약화가 발생할 수있어 하부 지반을 보강하기 위한 다양한 토목섬유 보강 공법 연구가 진행되어 오고 있다. 특히 토립자의 구속 효과가 탁월하여 하부보강에 활용되고 있는 지오셀을 이용한 지반의 지지력 개선 연구가 활발히 진행되고 있으며 국외에서는 다양한 시공조건에 적용되고 있다.
불투수면의 증가로 인한 문제점을 해결하기 위해 주목받고 있는 방법은?
최근 인구증가와 산업화로 인한 도시개발은 콘크리트, 아스팔트 포장 등으로 인한 불투수 면적을 증가시켜 도시형 수해의 증가, 하천수의 감소, 지하수의 고갈, 물 순환 문제와 열섬현상 문제를 발생시키는 주요원인으로 지목되고 있는데 이러한 도심지 불투수면의 증가로 인한 문제점을 해결하기 위한 방안의 일환으로 최근 들어 투수성 포장에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 투수성 포장은 우천 시 우수를 노상까지 침투시키는 포장으로 노면배수를 통해 물 순환 체계를 개선시키는 효과가 있으나 우수 침투로 인해 노반 또는 노상 층의 지지력 약화가 발생할 수있어 하부 지반을 보강하기 위한 다양한 토목섬유 보강 공법 연구가 진행되어 오고 있다.
지오셀의 형상에 따른 보강효과 변화 연구에 대한 결과는?
(1) 지오셀로 보강된 노상의 실험결과 무보강 노상에 비해 하중-변위 곡선의 기울기가 증가하고 하중 지지력이 30% 이상 증가하는 것으로 나타나 투수성 포장 시공시 노상을 지오셀로 보강할 경우 포장구조체의 하중 지지력 증가 효과를 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
(2) 지오셀의 단면 형태(일자형 및 사선형)에 따른 하중지지력 변화 경향을 검토한 결과 단면 형태에 관계없이 거의 일정한 하중 지지력을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 노상 보강용 지오셀 선정 시 지오셀의 단면 형태는 하중 지지력 관점 보다는 경제성 및 시공성을중심으로 선정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(3) 지오셀 단면의 직경에 따른 보강 효과를 고찰한 결과셀 단면의 직경이 증가할수록 (25cm → 30cm) 지오셀벽 두께에 따라 하중 지지력이 45～60%정도 향상되는 것으로 검토 되었다. 이러한 경향은 지오셀 단면 직경은 보강 지반의 하중 지지력에 큰 영향을 미치는 인자인 것을 의미하며 다만 직경 증가로 인한 하중 지지력 증가율은 벽 두께가 증가할수록 다소 감소하는 것으로 검토되었다. 반면 본 연구에서는 지오셀 직경 25cm와 30cm에 대한 지지력을 평가 하였으나 더 많은 종류의 지오셀 직경 변화에 대한 지지력 실험을 통하여 단위체적당 투입되는 채움재양 변화에 대한 지지력 변화의 비교연구가 향후 수행되어야 한다고 판단된다.
(4) 지오셀 벽 두께에 따른 보강효과를 고찰한 결과 벽 두께가 증가할수록 지오셀 단면 직경에 따라 하중 지지력이 20～40%이상 향상되는 것으로 검토 되었다. 이러한 경향은 지오셀의 벽 두께는 보강 지반의 하중 지지력에 큰 영향을 미치는 인자인 것을 의미하며 다만 이러한 벽 두께 증가로 인한 하중지지력 증가는 직경이 작은 지오셀에서 더 뚜렷하게 나타나는 것으로 검토되었다.
(5) 제시된 연구결과는 현장 포장구조체를 축소한 모형에 대한 하중 재하시험 결과이며 따라서 사용된 지오셀단면의 직경 대비 모형 재하판 크기의 치수효과(scale effect)가 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단되므로 추가적인 실험이 필요할 것으로 판단된다.
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