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문제 정의
- 위에 제시한 기존의 연구에서는 동결-융해 반복작용이 사면 및 옹벽 등에 미치는 영향에 대한 중요한 이론적 배경을 마련하는데 큰 역할을 하였다고 할 수는 있으나 옹벽 구조물에 대한 구체적인 연구가 수행된 바 없으며 이와 관련된 구체적이고 종합적인 연구는 매우 미진한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일반옹벽 및 가시설옹벽구조물을 대상으로 반복되는 동결-융해 반복과정이 옹벽의 거동특성에 미치는 영향에 대한 실험적 연구를 수행하고 그 결과를 종합적으로 분석하였다.
- 본 논문에서는 계절적 환경변화로 인한 동결-융해 반복 과정에 노출되는 옹벽구조물의 거동에 관한 축소 모형실험 연구 내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 동결-융해 과정을 모사할 수 있도록 동결 시스템을 고안하여 모형 옹벽 실험 장치를 구축하고 다양한 배면지반의 함수비 및 뒤채움흙의 종류에 대한 실험을 수행하여 동결-융해에 대한 영향 변화를 고찰하였다.
- 본 연구에서는 일반옹벽 및 가시설옹벽에 대한 모형을 구축하는데 있어 상사법칙을 엄격히 적용하여 전면벽체의 두께 및 버팀보 강성 등을 결정한 것은 아니나 예비 시험을 통해 동결-융해의 영향을 충분히 관찰할 할 수 있도록 적정한 강성도를 갖는 부재를 채택하였다. 본 절에서는 모형 옹벽의 각 구성요소와 동결 시스템에 관한 내용을 상세히 기술하였다.
제안 방법
- 가시설옹벽 또한 동일한 토조를 활용하여 구축하였으며 두 단의 버팀보로 지지되도록 구성하였다. 이때 Fig.
- 그 결과를 토대로 제방 라이닝 구조체의 구조적 제원을 수정·제시하여 동결-융해 반복작용에 대응할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 동결-융해과정을 모사하기 위해 먼저 우리나라의 기상청 자료에 대한 분석을 통해 겨울철 동결 온도로서 –10℃를 선정하였으며 이후에 이어지는 융해시에는 25℃의 비교적 높은 온도를 적용하여 단시간(16시간) 동안에 융해가 모델링 되도록 하였다.
- 이때 뒤채움 구간은 층당 50mm 두께로 총 10개층으로 강사하여 조성하였으며 이때 강사높이를 조절하여 약 60%의 상대밀도가 확보될 수 있도록 하였다. 또한, 강사시에는 함수비에 따라 산정된 일정한 양의 물을 분사시켜 정해진 함수비가 확보될 수 있도록 하였다. 이때 일반옹벽의 경우 목재로 제작된 전면벽체를 사용함에 따라 물 분사시 전면 벽체에 수분이 들어가는 것을 최대로 억제하여 목재의 동결-융해로 인한 실험결과의 왜곡될 수 있는 요소를 최소화하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 최대 냉동온도 –15℃의 대용량 냉동고와 100mm 스타이로폼을 이용하여 동결챔버를 대체할 수 있는 간이 냉동시스템을 구축하여 동결-융해 반복 사이클을 모사할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 두께 5mm의 아크릴로 구축된 토조를 활용하여 축소모형실험을 수행하였다. 모형토조 제원은 길이 0.
- 본 연구에서는 일반옹벽 및 가시설옹벽에 대한 모형을 구축하는데 있어 상사법칙을 엄격히 적용하여 전면벽체의 두께 및 버팀보 강성 등을 결정한 것은 아니나 예비 시험을 통해 동결-융해의 영향을 충분히 관찰할 할 수 있도록 적정한 강성도를 갖는 부재를 채택하였다. 본 절에서는 모형 옹벽의 각 구성요소와 동결 시스템에 관한 내용을 상세히 기술하였다.
- 실험에서는 뒤채움흙 혹은 배면토사의 종류에 따른 동결-융해 반복과정의 영향을 고찰하기 위해 주문진 표준사 및 화강풍화토를 사용하여 축소 모형을 구축하였다. 즉, 일반옹벽의 경우 주문진표준사로 뒤채움을 실시하였으며 가시설옹벽의 경우 모래질의 화강풍화토(Decomposed Granite Soil, DGS)와 #200체 통과량(Fine content, FC)을 20%로 증가시킨 실트질 화강풍화토(DGS-FC20)를 이용하여 굴착대상 지반을 구축하였다.
- 실험조건으로는 먼저 일반옹벽의 경우 뒤채움흙의 함수비와 동결-융해 영향과의 관계를 고찰하기 위해 3~9% 범위의 총 네 가지 함수비에 대한 실험을 수행하였다. 이때 뒤채움 구간은 층당 50mm 두께로 총 10개층으로 강사하여 조성하였으며 이때 강사높이를 조절하여 약 60%의 상대밀도가 확보될 수 있도록 하였다.
- 가시설옹벽의 경우 버팀보 및 벽체를 설치한 상태에서 다짐을 통해 지반을 형성한 후 벽체전면의 흙을 제거하는 방법으로 굴착과정을 모사하여 동결이전의 초기조건을 구축하였다. 이때 굴착지반은 3kg의 다짐봉을 이용하여 75회 다지는 방법으로 형성하였으며 이후 실험과정은 일반 옹벽과 동일한 방법을 적용하였다.
- 실험조건으로는 먼저 일반옹벽의 경우 뒤채움흙의 함수비와 동결-융해 영향과의 관계를 고찰하기 위해 3~9% 범위의 총 네 가지 함수비에 대한 실험을 수행하였다. 이때 뒤채움 구간은 층당 50mm 두께로 총 10개층으로 강사하여 조성하였으며 이때 강사높이를 조절하여 약 60%의 상대밀도가 확보될 수 있도록 하였다. 또한, 강사시에는 함수비에 따라 산정된 일정한 양의 물을 분사시켜 정해진 함수비가 확보될 수 있도록 하였다.
- 1(a)]. 이때 뒤채움흙과 전면벽체간의 이격된 부분으로 흙입자가 유실되는 것을 방지하기 위해 부직포를 벽체 배면에 설치하여 필터의 역할을 하도록 하였다.
- 본 논문에서는 계절적 환경변화로 인한 동결-융해 반복 과정에 노출되는 옹벽구조물의 거동에 관한 축소 모형실험 연구 내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 동결-융해 과정을 모사할 수 있도록 동결 시스템을 고안하여 모형 옹벽 실험 장치를 구축하고 다양한 배면지반의 함수비 및 뒤채움흙의 종류에 대한 실험을 수행하여 동결-융해에 대한 영향 변화를 고찰하였다. 각 옹벽 형식별 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 일반 옹벽의 경우 LVDT(1조: 최상단 설치)와 토압계(2조), 그리고 온도센서(4조)를 이용하여 계측을 수행하였으며 가시설 옹벽의 경우 벽체 변위계(3조) 및 배면 토압계(1조) 그리고 온도센서(4조)를 설치하여 관련 데이터를 확보 하였다. 이와 아울러 스프링 버팀보 축력은 변위량을 측정하고 이를 스프링계수를 토대로 환산하여 동결-융해에 따른 변화를 분석하였다. Fig.
- 이후, 벽체 고정장치를 제거한 후 냉동고를 이용하여 일정한 온도(약 –10℃) 및 시간(16 시간) 동안 동결상황을 모사한 후에 다시 8시간 동안 온풍기를 작동하여 융해과정을 모사하였다(Fig. 4).
- 실험이 진행되는 동안 벽체변위 및 배면토압, 뒤채움흙 내의 온도 등을 Table 3에 제시한 사양의 계측기와 TDS-303데이터 로거를 활용하여 2초간의 간격으로 수집하였다. 일반 옹벽의 경우 LVDT(1조: 최상단 설치)와 토압계(2조), 그리고 온도센서(4조)를 이용하여 계측을 수행하였으며 가시설 옹벽의 경우 벽체 변위계(3조) 및 배면 토압계(1조) 그리고 온도센서(4조)를 설치하여 관련 데이터를 확보 하였다. 이와 아울러 스프링 버팀보 축력은 변위량을 측정하고 이를 스프링계수를 토대로 환산하여 동결-융해에 따른 변화를 분석하였다.
- 일반옹벽에 대한 실험은 [모형옹벽 구축] ⇒ [냉동 챔버를 이용한 동결] ⇒ [챔버내 온풍기를 이용한 융해]의 순으로 수행되었다. 즉, 먼저 전면벽체를 인위적으로 고정시킨 상태에서 주문진 표준사를 강사하여 60%의 상대밀도로 뒤채움을 수행하여 옹벽을 축조하였다. 이후, 벽체 고정장치를 제거한 후 냉동고를 이용하여 일정한 온도(약 –10℃) 및 시간(16 시간) 동안 동결상황을 모사한 후에 다시 8시간 동안 온풍기를 작동하여 융해과정을 모사하였다(Fig.
- 실험에서는 뒤채움흙 혹은 배면토사의 종류에 따른 동결-융해 반복과정의 영향을 고찰하기 위해 주문진 표준사 및 화강풍화토를 사용하여 축소 모형을 구축하였다. 즉, 일반옹벽의 경우 주문진표준사로 뒤채움을 실시하였으며 가시설옹벽의 경우 모래질의 화강풍화토(Decomposed Granite Soil, DGS)와 #200체 통과량(Fine content, FC)을 20%로 증가시킨 실트질 화강풍화토(DGS-FC20)를 이용하여 굴착대상 지반을 구축하였다. Table 1과 2는 각각 주문진 표준사 및 화강풍화토의 지반공학적 특성을 보여주고 있다.
- 한편 가시설 옹벽의 경우 굴착대상 지반의 종류(화강풍화토 혹은 세립분 20% 함유 화강풍화토)를 변화시키며 실험을 수행하여 지반종류에 따른 동결-융해 영향을 평가하였다. 지반조성시 최적함수비를 대상으로 할 경우 지반조성의 어려움으로 인해 최적함수비보다 다소 낮은 9%를 초기 함수비로 하여 실험을 수행하였다.
- 이때 일반옹벽의 경우 목재로 제작된 전면벽체를 사용함에 따라 물 분사시 전면 벽체에 수분이 들어가는 것을 최대로 억제하여 목재의 동결-융해로 인한 실험결과의 왜곡될 수 있는 요소를 최소화하였다. 한편 가시설 옹벽의 경우 굴착대상 지반의 종류(화강풍화토 혹은 세립분 20% 함유 화강풍화토)를 변화시키며 실험을 수행하여 지반종류에 따른 동결-융해 영향을 평가하였다. 지반조성시 최적함수비를 대상으로 할 경우 지반조성의 어려움으로 인해 최적함수비보다 다소 낮은 9%를 초기 함수비로 하여 실험을 수행하였다.
- Table 1과 2는 각각 주문진 표준사 및 화강풍화토의 지반공학적 특성을 보여주고 있다. 한편, 일반옹벽의 경우 주문진 표준사를 일정 높이에서 강사하여 상대밀도 60%로 뒤채움을 실시하였으며 가시설옹벽의 경우 DGS와 DGS-FC20을 10층 다짐을 통해 78%의 다짐도가 확보되도록 굴착지반을 조성하였는데 이때 동결-융해로 인한 영향을 확인하기 위해 뒤채움지반 및 배면토를 조성시 비교적 느슨한 상태로 조성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 두께 5mm의 아크릴로 구축된 토조를 활용하여 축소모형실험을 수행하였다. 모형토조 제원은 길이 0.9m, 높이 0.6m, 폭 0.4m이며 일반옹벽의 경우 두께 20mm의 목재를 이용하여 전면벽체를 구축하였다[Fig. 1(a)]. 이때 뒤채움흙과 전면벽체간의 이격된 부분으로 흙입자가 유실되는 것을 방지하기 위해 부직포를 벽체 배면에 설치하여 필터의 역할을 하도록 하였다.
- 실험이 진행되는 동안 벽체변위 및 배면토압, 뒤채움흙 내의 온도 등을 Table 3에 제시한 사양의 계측기와 TDS-303데이터 로거를 활용하여 2초간의 간격으로 수집하였다. 일반 옹벽의 경우 LVDT(1조: 최상단 설치)와 토압계(2조), 그리고 온도센서(4조)를 이용하여 계측을 수행하였으며 가시설 옹벽의 경우 벽체 변위계(3조) 및 배면 토압계(1조) 그리고 온도센서(4조)를 설치하여 관련 데이터를 확보 하였다.
성능/효과
- (1) 일반옹벽에 대한 실험 결과 모든 초기 함수비 조건에 있어 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 벽체 변위가 증가하는 것으로 검토되었으며 지반의 함수비가 클수록 증가량 또한 크게 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 동결-융해 사이클 수가 증가할수록 벽체 변위 또한 증가하는 것으로 나타나 동결-융해 사이클 수는 옹벽의 거동을 평가하는데 중요한 인자인 것으로 검토되었다.
- (2) 동결-융해 사이클 단계에서 일반옹벽의 벽체 변위 증 분량을 검토한 결과 전반적으로 첫 번째 사이클에서 변위 증가가 가장 크게 발생하고 그 이후 사이클에서는 증가량이 점진적으로 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 동결-융해 과정에서 동결시 수평 토압이 증가하고 융해시 감소하는 전형적인 경향을보였으며 이는 벽체 변위 누적의 결과로 이어지는 것으로 검토되었다.
- (3) 가시설옹벽의 경우 세립분 함유량을 인위적으로 20%정도로 증가시킨 경우에 있어 동결-융해 사이클에 따른 변위가 더 크게 발생하는 것으로 검토되었다. 또한 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 버팀보 축력 또한 주기적으로 증가 및 감소 현상을 보였으며 전체적으로 세립분 함유량이 많은 지반일수록 동결-융해로 인한 버팀보 축력 증가량이 큰 것으로 검토되었다.
- 먼저 Fig. 7(a)에서 보이는 바와 같이 사이클 수가 증가할수록 벽체 변위 또한 증가하는 것으로 나타나 동결-융해 사이클 수는 옹벽의 거동을 평가하는데 중요한 인자인 것으로 나타났다. 한편, Fig.
- 보이는 바와 같이 대기중에서 측정한 온도는 계획된 온도의 범위내에서 변화하는 경향을 잘 보여주고 있으나 토체내에서는 동결시 0℃이하로 유지하는 것은 매우 어려운 것으로 검토되었다. 따라서 실험 중 배면토 전체의 동결은 사실상 어려웠던 것으로 판단되나 배면토 상부영역은 동결에 근접한 상태를 유지한 것으로 판단되었다. 이러한 실험장비적 제약은 본 연구의 결과에 있어 정량적으로는 영향을 미쳤을 것으로 판단되나 정성적인 경향 측면에서는 큰 영향을 미치지 않았을 것으로 판단된다.
- (3) 가시설옹벽의 경우 세립분 함유량을 인위적으로 20%정도로 증가시킨 경우에 있어 동결-융해 사이클에 따른 변위가 더 크게 발생하는 것으로 검토되었다. 또한 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 버팀보 축력 또한 주기적으로 증가 및 감소 현상을 보였으며 전체적으로 세립분 함유량이 많은 지반일수록 동결-융해로 인한 버팀보 축력 증가량이 큰 것으로 검토되었다.
- 11은 동결-융해 사이클이 진행됨에 따른 버팀보 축력 변화 경향을 보여주고 있다. 배면지반 종류에 따라 버팀보에서의 축력양상이 다소 차이가 있기는 하나 이 그림에서 잘 관찰 할 수 있는 바와 같이 전반적으로 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 버팀보 축력 또한 주기적으로 증가 및 감소 현상을 보이고 있어 계절적인 환경변화인 동결-융해로 인해 버팀보의 축력이 일정범위에서 증가할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 지반종류별 버팀보 축력 증가량을 고찰하면 세립분을 인위적으로 20%정도로 증가시킨 지반 (DGS with 20%FC)의 경우가 화강풍화토(DGS)로 이루어진 지반에 비해 버팀보 축력이 30% 이상 크게 발생하는 것으로 검토되었다.
- 2와 같이 최대 냉동온도 –15℃의 대용량 냉동고와 100mm 스타이로폼을 이용하여 동결챔버를 대체할 수 있는 간이 냉동시스템을 구축하여 동결-융해 반복 사이클을 모사할 수 있도록 하였다. 예비 시험결과 본 냉동시스템은 장비의 제약상 배면토 전체의 완벽한 동결은 다소 어려운 점은 있으나 우리나라 겨울철 최저온도 환경의 구현이 가능한 것으로 검토되었다.
- 따라서 실험 중 배면토 전체의 동결은 사실상 어려웠던 것으로 판단되나 배면토 상부영역은 동결에 근접한 상태를 유지한 것으로 판단되었다. 이러한 실험장비적 제약은 본 연구의 결과에 있어 정량적으로는 영향을 미쳤을 것으로 판단되나 정성적인 경향 측면에서는 큰 영향을 미치지 않았을 것으로 판단된다.
- (2) 동결-융해 사이클 단계에서 일반옹벽의 벽체 변위 증 분량을 검토한 결과 전반적으로 첫 번째 사이클에서 변위 증가가 가장 크게 발생하고 그 이후 사이클에서는 증가량이 점진적으로 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 동결-융해 과정에서 동결시 수평 토압이 증가하고 융해시 감소하는 전형적인 경향을보였으며 이는 벽체 변위 누적의 결과로 이어지는 것으로 검토되었다.
- 배면지반 종류에 따라 버팀보에서의 축력양상이 다소 차이가 있기는 하나 이 그림에서 잘 관찰 할 수 있는 바와 같이 전반적으로 동결-융해 사이클이 진행됨에 따라 버팀보 축력 또한 주기적으로 증가 및 감소 현상을 보이고 있어 계절적인 환경변화인 동결-융해로 인해 버팀보의 축력이 일정범위에서 증가할 수 있음을 알 수 있다. 한편, 지반종류별 버팀보 축력 증가량을 고찰하면 세립분을 인위적으로 20%정도로 증가시킨 지반 (DGS with 20%FC)의 경우가 화강풍화토(DGS)로 이루어진 지반에 비해 버팀보 축력이 30% 이상 크게 발생하는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 세립분이 많이 포함된 지반일수록 동결-융해가 가시설 구조물의 거동에 미치는 영향이 더 큼을 의미한다고 하겠다.
후속연구
- (4) 본 연구에서 사용한 동결시스템의 제약상 배면지반의 동결과정에서 완전한 동결조건의 확보하기 어려워다는 점이 정량적인 실험결과에 다소의 미쳤을 것으로 판단되며 향후 장비 보완이 이루어진 추가 연구를 통해 완전 동결시의 결과와의 비교가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 채택한 동결 및 융해 온도, 그리고 동결-융해 지속시간 등은 예비시험 결과 및 실험 환경적 여건을 고려하여 설정하였으며 또한 급속한 온도변화 환경에서 실험이 이루어졌다는 제약이 있다고 할 수 있다. 따라서 이러한 사항들은 정량적인 측면에서 실험 결과에 영향을 미쳤을 것으로 판단되며 향후 장기적인 연구를 통해 실험방법에 대한 설정 근거의 마련이 필요할 것으로 판단된다.
- 4). 본 연구에서 적용한 동결시간(16시간) 선정 배경은 실험여건(실험 소요 시간 및 장비 용량)을 고려한 것으로서 객관적인 판단에 근거한 것은 아니며 동결시간이 옹벽의 거동에 미치는 영향 또한 향후 추가 고려가 필요한 항목이라고 판단된다.
- 위에서 검토된 내용에 근거할 때 세립분이 많이 포함된 지반에 시공되는 가시설 구조물의 경우 동결-융해로 인해 벽체변위 및 버팀보 축력이 증가할 수 있을 것으로 판단되며 우리나라와 같은 사계절이 뚜렷한 환경에서는 설계시안전율을 충분히 확보하여 동결-융해와 같은 계절적 영향에 대비하는 설계가 필요할 것으로 판단된다.
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