연약지반을 매립후 굴착을 시행할 경우 흙막이벽체를 설치하더라도 배면지반에 지반파괴가 발생한다. 이를 최소화하기 위해 억지말뚝을 적용 후 실내모형 실험을 시행하여 억지효과를 규명하였다. 모형토조내 점토를 충진하고 계측시스템을 이용하여, 무보강일 경우와 억지말뚝으로 보강한 경우를 설정하여 굴착에 따른 배면지반의 침하, 간극수압, 토압을 측정하였다. 모형실험 결과 억지말뚝으로 보강할 경우 무보강시와 비교할 때 굴착 단계의 증가와 배면지반의 침하가 감소된 것으로 평가되었다. 간극수압은 보강여부와는 크게 상관없었고, 침하율은 적게 나타났다. 또한, 굴착깊이가 배면지반에 매우 큰 영향을 미치고, 굴착지점과 가까울수록 최대 침하가 발생되는 것으로 평가되었다.
연약지반을 매립후 굴착을 시행할 경우 흙막이벽체를 설치하더라도 배면지반에 지반파괴가 발생한다. 이를 최소화하기 위해 억지말뚝을 적용 후 실내모형 실험을 시행하여 억지효과를 규명하였다. 모형토조내 점토를 충진하고 계측시스템을 이용하여, 무보강일 경우와 억지말뚝으로 보강한 경우를 설정하여 굴착에 따른 배면지반의 침하, 간극수압, 토압을 측정하였다. 모형실험 결과 억지말뚝으로 보강할 경우 무보강시와 비교할 때 굴착 단계의 증가와 배면지반의 침하가 감소된 것으로 평가되었다. 간극수압은 보강여부와는 크게 상관없었고, 침하율은 적게 나타났다. 또한, 굴착깊이가 배면지반에 매우 큰 영향을 미치고, 굴착지점과 가까울수록 최대 침하가 발생되는 것으로 평가되었다.
When conducting excavations after burying the soft ground, even if the retaining walls are installed, failure often occurs within backfill. In order to minimize the occurrences of failures, model test was performed after the installation of stabilizing piles to investigate the stabilizing effects. T...
When conducting excavations after burying the soft ground, even if the retaining walls are installed, failure often occurs within backfill. In order to minimize the occurrences of failures, model test was performed after the installation of stabilizing piles to investigate the stabilizing effects. The model chamber is set up with clay foundation reinforced with and without stabilizing piles. During the excavation of clay foundation, the subsidence, pore water pressure, and soil pressure along the excavation were measured. As a result of the model test, the increase of excavation levels and the reduction of subsidence of back ground were observed with the stabilizing piles, compared to those without the stabilizing piles. The installation of stabilizing piles does not influence the pore water pressure change, but induces less subsidence rate. In addition, the depth of excavation has a significant effect on the back ground and it was evaluated that the maximum subsidence occurs as it is closer to the excavation point.
When conducting excavations after burying the soft ground, even if the retaining walls are installed, failure often occurs within backfill. In order to minimize the occurrences of failures, model test was performed after the installation of stabilizing piles to investigate the stabilizing effects. The model chamber is set up with clay foundation reinforced with and without stabilizing piles. During the excavation of clay foundation, the subsidence, pore water pressure, and soil pressure along the excavation were measured. As a result of the model test, the increase of excavation levels and the reduction of subsidence of back ground were observed with the stabilizing piles, compared to those without the stabilizing piles. The installation of stabilizing piles does not influence the pore water pressure change, but induces less subsidence rate. In addition, the depth of excavation has a significant effect on the back ground and it was evaluated that the maximum subsidence occurs as it is closer to the excavation point.
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문제 정의
본 연구에서는 연약지반 굴착시 흙막이 벽체의 변형으로 인한 굴착 배면지반의 파괴를 최소화 하고자 억지대책으로 억지말뚝을 적용하기로 하였다. 무보강시와 억지말뚝으로 보강할 경우를 구분하여 실내에서 모형 토조를 이용한 일련의 실험을 시행하여 억지효과를 검증하였다.
현재까지 굴착에 따른 연구는 수없이 진행되어 왔다. 본 연구는 굴착으로 발생하는 배면지반의 파괴에 대한 억지대책으로 억지말뚝을 적용 후 효과를 규명하기 위하여 무보강시와 억지말뚝 보강으로 구분하여 실내실험을 시행하였고 억지말뚝 보강효과에 대한 결과를 다음과 같이 도출하였다.
가설 설정
6) 고정용 합판과 각목은 소정의 위치까지 점토를 충진한 후 제거한다.
10) 예비압밀과정에서는 모형 토조와 탱크에 연결된 밸브를 열어 간극수를 배출한다.
11) 굴착과정에서는 물통의 밸브를 잠그고 수위를 흙막이 벽체의 중앙부분까지 채워 지하수위를 유지한다. 억지대책 실험 시에는 이때 억지말뚝을 설치한다.
제안 방법
본 연구에서는 연약지반 굴착시 흙막이 벽체의 변형으로 인한 굴착 배면지반의 파괴를 최소화 하고자 억지대책으로 억지말뚝을 적용하기로 하였다. 무보강시와 억지말뚝으로 보강할 경우를 구분하여 실내에서 모형 토조를 이용한 일련의 실험을 시행하여 억지효과를 검증하였다.
금번 실내 모형실험을 수행하기 위한 모형 토조는 100cm × 80cm × 40cm의 규격에 외벽은 아크릴 15mm로 제작하였다. 실험 중 모형 토조의 변형을 방지하고자 강제프레임을 설치하였고 누수방지를 위하여 이음부는 실리콘으로 처리하였다.
또한, 억지대책 효과를 재현할 억지말뚝은 흙막이 벽체와 동일한 재질로 직경 1인치(2.54cm), 두께 0.5mm, 길이 60cm의 중공단면으로 제작하였다.
01mm이다. 모형토조 상단에 거치대를 이용하여 설치하였으며, 10분 간격으로 데이터를 측정하였다.
굴착에 따른 토압의 변화를 확인하고자 흙막이벽체 후면(굴착배면)에 흙막이벽체 최상단으로 부터 10cm, 25cm, 40cm, 50cm 위치에 4개소, 흙막이벽체 전면(굴착면)에는 흙막이벽체 최상단으로 부터 40cm, 50cm의 위치에 토압계 2개소를 흙막이벽체에 접착하여 설치하였다. 토압계를 부착할 위치에는 사포를 이용하여 표면을 정리 후 전용 접착제를 이용하여 부착하였다.
0m로 하였다. 데이터로거(CR1000)에 연결하여 10분 간격으로 데이터를 측정하였다. 토압계는 별도의 보호과정을 거치지 않고 흙막이 벽체에 붙여 모형지반에 설치하였다.
간극수압의 영향을 확인하고자 간극수압계를 설치하였다. 토압계와 달리 흙막이 벽체에 부착하지 않고 흙막이 벽체를 기준으로 전후면에 10cm 이격하여 굴착배면측은 모형지반 상단에서 20cm, 40cm, 60cm 위치에 3개소, 굴착측은 모형지반상단으로 부터 50cm, 60cm의 위치에 2개소를 설치하였다.
측정범위는 0∼200kPa이며, 데이터로거(CR1000)에 연결하여 10분 간격으로 데이터를 측정하였다.
간극수압의 영향을 확인하고자 간극수압계를 설치하였다. 토압계와 달리 흙막이 벽체에 부착하지 않고 흙막이 벽체를 기준으로 전후면에 10cm 이격하여 굴착배면측은 모형지반 상단에서 20cm, 40cm, 60cm 위치에 3개소, 굴착측은 모형지반상단으로 부터 50cm, 60cm의 위치에 2개소를 설치하였다. 측정범위는 0∼200kPa이며, 데이터로거(CR1000)에 연결하여 10분 간격으로 데이터를 측정하였다.
간극수압계는 모형지반에 직접 설치하면 측정이 잘 되지 않고 반복실험을 수행하면 망실될 수 있다. 이러한 문제를 해결하고자 섬유망과 주문진 표준사를 이용하여 센서를 보호하였다. 모형지반에 설치하기 전에 기포를 제거하기 위해 24시간 수침시켜 사용하였다.
12) 굴착을 시행하면서 굴착에 따른 굴착배면 지반의 침하, 토압, 간극수압의 변화를 관찰한다.
실험 방법은 무보강 실험이나 억지대책보강 실험 모두 동일하게 1단계를 10cm 씩 굴착하는 것으로 가정하여 총 4단계 굴착을 하는 것으로 계획하였다. 굴착은 흙막이벽체의 영향이 최소화되도록 시행하였고, 1단계 굴착시간은 20여분으로, 단계별 굴착 유지시간은 24시간으로 계획하였다.
실험 방법은 무보강 실험이나 억지대책보강 실험 모두 동일하게 1단계를 10cm 씩 굴착하는 것으로 가정하여 총 4단계 굴착을 하는 것으로 계획하였다. 굴착은 흙막이벽체의 영향이 최소화되도록 시행하였고, 1단계 굴착시간은 20여분으로, 단계별 굴착 유지시간은 24시간으로 계획하였다.
무보강 실험에서는 흙막이벽체만 설치하였지만 억지대책실험에서는 흙막이벽체와 억지말뚝을 설치하는 것으로 계획하여 흙막이벽체에서 배면지반 측으로 10cm 이격하여 총 3개의 억지말뚝을 흙막이 벽체와 동일한 방향으로 배치하였다.
굴착이 완료된 후 굴착에 따른 흙막이 벽체의 거동과 배면지반 상단의 균열 현황을 조사하였다. 사진으로 정성적인 확인보다 정량적인 확인이 필요하여 디지털카메라를 이용하여 사진촬영을 하여 이를 캐드 도면으로 전환하였다.
굴착이 완료된 후 굴착에 따른 흙막이 벽체의 거동과 배면지반 상단의 균열 현황을 조사하였다. 사진으로 정성적인 확인보다 정량적인 확인이 필요하여 디지털카메라를 이용하여 사진촬영을 하여 이를 캐드 도면으로 전환하였다.
대상 데이터
금번 실내 모형실험을 수행하기 위한 모형 토조는 100cm × 80cm × 40cm의 규격에 외벽은 아크릴 15mm로 제작하였다.
3은 모형 토조 개념도이다. 토조 측면에는 지하수위 유지 물탱크를 설치하였다. 모형 토조와 물탱크에 밸브를 설치하여 지반 안정화 과정에서 발생하는 간극수 배출이 가능하도록 하였고, 점토 충진 후 인공지반 안정화를 목적으로 사용할 하중 재하판(80cm × 40cm)과 이를 제어 가능한 Control Panel이 장착되어 있다.
모형 토조내 인공지반을 조성하고자 사용된 시료는 경기도 안산 지역의 연약점토를 채취하여 사용하였다. 현장에서 시료를 채취한 후 실험실에서 물성과 역학실험을 수행하였고 그 결과는 Table 1과 같다.
굴착모형 실험에 사용할 흙막이벽체는 stainless 재질(t=0.5mm)로 60cm × 40cm의 규격으로 제작하여 토조 벽체에서 20cm 이격하여 설치하였다.
4는 금번 실내실험을 위한 모형토조내 계측기 설치 현황이다. 굴착에 따른 모형지반의 거동을 분석하기 위하여 미소변위계(LVDT)를 흙막이벽체에서 8cm, 28cm, 48cm 이격한 위치에 총 3개소를 설치하였다. 측정범위는 0∼100mm이며, 분해능은 0.
성능/효과
침하량을 비교하면 무보강에서는 3단 굴착 시 최대 침하량이 89.35mm로 나타났고, 보강실험에서는 4단 굴착 시 최대 침하량이 59.28mm로 발생하여 약 30.0mm 차이를 보였으며 보강효과가약 1.5배 차이가 났다. 두 실험에서 동일한 3단 굴착을 기준으로 비교하면 보강실험이 28.
5배 차이가 났다. 두 실험에서 동일한 3단 굴착을 기준으로 비교하면 보강실험이 28.33mm의 침하량이 발생하여 침하량에서는 보강에 따라 약 3배 정도 차이가 발생한 것으로 확인되었다.
8(b)는 억지말뚝 보강 시 굴착에 따른 토압계측 결과이다. 대부분 토압이 감소하는 경향이나 굴착배면측의 가장 낮은 4번 토압계의 토압이 무보강에서는 약 5Kpa 대의 일정한 토압과는 달리 최대 20Kpa에서 15Kpa로 서서히 감소하여 토압이 크게 작용하는 것으로 나타났다. 이는 굴착배면 지반이 굴착으로 인해 압축되는 과정에서 억지말뚝설치로 굴착배면 측 하단부인 4번 토압 계가 크게 영향을 받은 것으로 억지말뚝 설치로 인해 하부지반의 억지효과에 기인한 것으로 판단된다.
Fig. 9(b)는 보강시 간극수압 결과로 설치 위치별로 간극수압의 작용이나 시간경과에 따라 간극수압이 약 5Kpa대의 감소를 보이며 보강시와 유사하게 나타났다. 이로써 간극수압의 소산은 보강여부와는 큰 관계가 없는 것으로 판단된다.
14는 본 연구의 굴착 깊이에 따른 흙막이 벽체의 변위량이다. 무보강 실험에서는 약 0.5% 정도이며, 억지보강 시험에서는 약 0.2%의 변위가 발생한 것으로 나타났다.
따라서, 토압실험 결과를 바탕으로 억지말뚝 보강실험의 경우 굴착저면 상부 주동토압은 Pa =1/2KaγH12 (여기서, Ka:주동토압, r:단위중량, H:높이)로 나타났고, 굴착저면 하부의 경우 상부를 상재하중으로 처리하여 Po = KaγH1H2+1/2KaγH22로 제안할 수 있다.
16은 모형 지반내 토압 분포를 비교한 것이다. 굴착범위내의 토압 분포를 살펴보면, 무보강의 경우 굴착 깊이 중간이나 저면의 토압이 유사한 크기로 작용하고 있으나, 억지말뚝 보강에서는 배면 지반 측의 굴착하부는 Rankine의 주동토압을 넘어선 TerzaghiPeck이 제안한 범위에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 억지말뚝의 억지효과에 기인한 것으로 판단된다.
(1) 굴착으로 인한 배면지반 파괴의 경향은 무보강과 억지말뚝보강 모두 굴착초기에 침하가 크게 발생하나 점점 수렴하는 형상으로 확인되었고, 억지말뚝 보강일 경우 무보강시와 비교하면 굴착단계의 증가와 최대 침하량에서 약 1.5배 정도가 동일 굴착단계(3단계 굴착)시를 비교하면 침하량이 약 3배 정도 차이가 발생함을 알 수 있다.
(2) 간극수압의 소산 경향은 간극수압계의 설치 위치에 따라 높은 위치의 간극수압계가 크게 발생하였으며, 대부분 5kpa 크기로 감소하는 것으로 나타났다. 지하수위 보다 높은 위치의 간극수압계는 간극수압이 가장 적게 나타났고, 무보강 시와 보강시가 유사한 결과를 보여 보강여부와 관계가 적은 것으로 판단된다.
(3) 침하의 영향범위는 굴착 깊이의 2배 정도이며, 최대 침하가 발생하는 위치는 흙막이벽체 배면으로부터 굴착 깊이의 1/2에 해당하는 것을 알 수 있다. 또한, 굴착에 따른 흙막이 벽체의 변위량은 무보강과 억지말뚝 보강시가 Clough and O'Rourke(1990)의 제안식의 범위내로 발생되는 것으로 확인되었다.
(4) 침하량과 토압의 분포, 흙막이 벽체 변형을 종합하면 굴착시 배면지반의 파괴에 대하여 억지말뚝 적용이 효과가 있는 것으로 판단된다. 향후 지속적인 연구로 억지말뚝의 간격이나 배치 등의 굴착시 억지말뚝 적용에 따른 설계법에 대한 연구와 제안식이 필요하다.
후속연구
(4) 침하량과 토압의 분포, 흙막이 벽체 변형을 종합하면 굴착시 배면지반의 파괴에 대하여 억지말뚝 적용이 효과가 있는 것으로 판단된다. 향후 지속적인 연구로 억지말뚝의 간격이나 배치 등의 굴착시 억지말뚝 적용에 따른 설계법에 대한 연구와 제안식이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
융기현상이 발생하는 이유는?
매립이 완료된 부지에 각종 건축공사 시 지하주차장이나 기타 지하공간의 활용을 위해 지하터파기(굴착)를 시행한다. 연약지반에 굴착을 시행할 경우 흙막이벽체를 설치하더라도 굴착으로 인하여 굴착면 측으로 흙막이벽체가 이동(수평변위)하여 굴착배면에는 지반파괴(침하)가 발생하고 굴착면 하부에는 굴착배면지반 토압의 이동으로 융기현상이 발생한다(Fig. 1).
지하터파기를 시행하는 이유는?
이렇게 조성된 부지는 대부분 산업단지나 주거단지로 개발되고 있다. 매립이 완료된 부지에 각종 건축공사 시 지하주차장이나 기타 지하공간의 활용을 위해 지하터파기(굴착)를 시행한다. 연약지반에 굴착을 시행할 경우 흙막이벽체를 설치하더라도 굴착으로 인하여 굴착면 측으로 흙막이벽체가 이동(수평변위)하여 굴착배면에는 지반파괴(침하)가 발생하고 굴착면 하부에는 굴착배면지반 토압의 이동으로 융기현상이 발생한다(Fig.
무엇을 최소화 하기 위해 억지말뚝을 적용하였는가?
연약지반을 매립후 굴착을 시행할 경우 흙막이벽체를 설치하더라도 배면지반에 지반파괴가 발생한다. 이를 최소화하기 위해 억지말뚝을 적용 후 실내모형 실험을 시행하여 억지효과를 규명하였다.
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