[논문]호안 제방사면 보강을 위한 지반개량재의 한계소류력 비교

김유성; 김재홍; 서세관; 방인황

doi:10.7843/kgs.2015.31.2.65

호안 제방사면 보강을 위한 지반개량재의 한계소류력 비교
Comparison of Critical Tractive Forces for Application of Soil Improvement Material to Bank Revetment Work 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.31 no.2, 2015년, pp.65 - 73

김유성 (전북대학교 토목공학과) , 김재홍 (전북대학교 토목공학과) , 서세관 (전북대학교 토목공학과) , 방인황 (전북대학교 토목공학과, 엔지니어스(주))

초록
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제방을 보호하기 위하여 법면에 설치되는 호안공사는 국내외 설계기준에 의하여 하상과 호안법면에서의 최대 소류력을 산정하여 제방 사면에 평균적인 개념으로 적용하고 있다. 최근에는 기후변화로 인한 극우강우가 많아지고 호안의 안정성을 위한 평가기법이 제시되지 않기 때문에 호안사면의 수리학적 안정성과 지반공학적 파괴거동의 적절한 평가가 필요하다. 본 연구에서는 하천사면을 보강 시, 최대소류력에 견딜 수 있는 강도를 기존재료인 원지반과 지반개량재를 비교하였다. 지반개량재의 다양한 역학적 실험을 통하여 원지반토와 지반개량재의 함유량에 따른 최적의 혼합비율과 적절한 강도의 양생일을 예측할 수 있었다. 세굴률 시험결과를 바탕으로 원지반토와 지반개량재 혼합토의 허용소류력을 비교 분석한 결과, 호안 제방의 비탈면을 보강하기에 충분한 강도증진과 그에 따른 안정성을 확인할 수 있어 하천호안의 세굴과 침식 방지효과가 있으리라 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The bank revetment work which is conducted on the slope of river bank to protect against flowing water as a geotechnical structure has been applied as an average value of critical tractive force based on domestic and international standard design. Currently, an appropriate evaluation is needed for the hydraulic stability and geotechnical behavior analysis of bank revetments because of the effects of climate change and ambiguous design criterion. This study has compared the critical tractive forces of soil improvement material and conventional materials used for the bank revetment work. Through various experiments, the shear strength of mixtures with soil improvement material was investigated by curing time and mixture ratio. It was found that the critical tractive force of the mixture obtained from a scour test is suitable to the reinforcement of the slope of river bank which has problems such as seepage erosion and scour.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 원지반의 흙을 개량하여 토종자생 식물의 자연적 발아가 가능하며, 기존 공법의 목적과 같은 호안 비탈면의 침식, 세굴의 억제뿐만 아니라, 호안 비탈면 자체의 활동억제와 생태하천을 유지하는 호안보강 공법으로 대안적인 시공방법으로 판단된다. 그러므로 본 연구의 목적은 일축압축강도시험을 통한 지반개량재의 혼합비와 양생일에 따른 강도증대효과를 분석하였고, 세굴률시험을 통해 한계소류력을 측정하여, 하천호안의 세굴 및 침식에 대한 저항 및 적용효과를 검증하였다.
그러나 하천･농수로 등의 호안공법은 유수의 특성을 반영하고, 침식과 세굴을 방지하여 장기적 안정성을 유지할 수 있어야 하므로 인접한 유수의 흐름, 유속, 수심, 하상재료에 따라 그 공법이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 소규모 하천호안, 농수로 등 수변 지역의 식생이 가능한 친환경적이며 경제적인 호안조성 기술을 fly-ash계 지반개량재를 활용하여 기존 공법들의 안정성과 비교하고자 한다.

제안 방법

기존 콘크리트 블록 및 식생매트 공법이 갖고 있는 소하천의 제방 및 농수로의 문제점들을 보완 대처하는 공법을 제시하고자 지반개량재를 사용하여 한계소류력에 대한 적합강도 발현을 확인하고자 물리적･역학적 특성을 조사하고 세굴률 시험을 통해 소류력에 대한 안정성을 확인하였다. 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
세굴률 시험용 시료는 일축강도를 측정했던 혼합비와 양생일을 토대로 원지반토의 일축압축강도의 3배 이상을 나타내고 있는 혼합비 6%와 9%를 이용하였고, 0, 7, 28일을 양생한 혼합토를 사용하여 시험을 수행하였다.
원지반토를 대상으로 지반개량재 혼합하여 압축강도를 분석하기 위하여 A다짐시험 결과를 기준으로 시료를 제작하고 일축압축시험을 실시하였다. 양생 0, 1, 3, 7, 28일에 대하여 지반개량재 혼합비 0(원지반토), 3, 6, 9, 12%의 조건으로 시료를 1～3개씩 제작하여 평균값을 찾고자 하였다. Fig.
원지반토를 대상으로 지반개량재 혼합하여 압축강도를 분석하기 위하여 A다짐시험 결과를 기준으로 시료를 제작하고 일축압축시험을 실시하였다. 양생 0, 1, 3, 7, 28일에 대하여 지반개량재 혼합비 0(원지반토), 3, 6, 9, 12%의 조건으로 시료를 1～3개씩 제작하여 평균값을 찾고자 하였다.
지반개량재 공법은 원지반토에 교반하여 사용하는 분말제로, 대상지반의 이용효율을 극대화하기 위해 일반토, 연약토 및 고함수비 유기질토 등 모든 종류의 토질을 효과적으로 개량하여 재이용이 가능하도록 한 재료이다. 주된 재료는 fly-ash를 사용하여 포졸란 반응이 일어나도록 약간의 화학재료들을 첨가하여 만들어진 지반개량재를 사용하여 본 연구를 수행하였다.
하천에서 발생하는 소류력에 대하여 호안 비탈면의 활동 저항성의 효과 등을 검증하고자 일반 하천호안의 흙(원지반토)을 채취하여, 지반개량재 혼합토의 강도특성을 분석하였다. 지반개량재 혼합토의 세굴 및 침식에 대한 저항성을 관찰하기 위해 실제 하천호안인 전북 전주시 전미동 만경강 일원을 원지반토로 선정하고 시료를 채취하였다.

대상 데이터

하천에서 발생하는 소류력에 대하여 호안 비탈면의 활동 저항성의 효과 등을 검증하고자 일반 하천호안의 흙(원지반토)을 채취하여, 지반개량재 혼합토의 강도특성을 분석하였다. 지반개량재 혼합토의 세굴 및 침식에 대한 저항성을 관찰하기 위해 실제 하천호안인 전북 전주시 전미동 만경강 일원을 원지반토로 선정하고 시료를 채취하였다. 원지반토의 실내 물성시험결과를 Table 1에 나타내었고, 입도분포곡선과 다짐곡선을 Fig.

이론/모형

한계소류력은 세굴이 발생하기 시작할 때 지반에 적용되는 전단응력을 의미하며, 이때의 유속을 한계유속이라 한다. 실제 현장에서 제방 법면을 보호하기 위해서 하천유속을 관찰하여 그에 따른 소류력 시험을 검증해야하지만, 본 연구에서는 국제 표준시험기준에 의해 수행하였다.

성능/효과

(1) 원지반토와 지반개량재의 혼합토는 양생 1일까지 강도가 급격히 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있다. 혼합비 6% 이상일때는 원지반토의 다짐시료보다 3배 이상의 강도를 나타내고 있어, 강도개선의 효과가 양생 후 즉시 발휘되기 때문에 호안 제방을 보호하기 위한 공법으로 적용이 가능할 것이라 판단된다.
(2) 지반개량재 6%와 9%를 혼합한 시료가 양생 1일이 지나지 않더라도 한계소류력은 기존의 식생공법에 해당하는 평떼(Block-sod), 초본류 파종(Herbaceous plant seeding) 및 식생매트 공법(Vegetation-mat method)의 한계소류력의 크기보다 1.5배에서 크게는 6배까 지 상회하고 있는 것을 알 수 있다.
(3) 다짐을 실시하지 않은 원지반토의 한계소류력과 비교하면 지반개량재 6%와 9% 혼합토는 양생을 실시하지 않았을 때, 약 60～70배의 한계소류력 값을 나타내고 양생 28일이 지나면 그 이상의 한계소류력을 나타내고 있어 세굴 및 침식에 보강이 가능할 것으로 판단된다. 기존에 많이 시공되고 있는 콘크리트 블락 보호공이나 돌망태 공법 등 경제적인 비용을 절감하기 위한 대처공법이 가능하리라 판단된다.
63으로 원지반에 비해 약 60～70배의 값을 나타내고 있다. 그리고 이러한 시료들의 차이를 Fig. 20에서 알 수 있듯이, 양생 28일 후에는 100배에 도달하여 지반개량재를 사용하여 보강한 시료는 소류력에 대한 저항이 현저히 증가한다는 것을 관측할 수 있었다.
모든 지반개량재 혼합비에서 양생 1일까지 급격히 강도가 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있음을 실험결과를 통하여 알 수 있었다. 또한, Fig. 17에서 나타난 바와 같이, 혼합비 6% 이상일 때는 대상토의 다짐시료보다 3배 이상의 강도를 나타내고 있어, 강도개선의 효과가 양생즉시 발휘되고, 보강효과가 뚜렷이 나타나고 있음을 알 수 있다.
18에서는 혼합비에 따른 일축압축강도의 증가추세를 나타내었다. 모든 지반개량재 혼합비에서 양생 1일까지 급격히 강도가 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있음을 실험결과를 통하여 알 수 있었다. 또한, Fig.
1과 2에 각각 나타내었다. 시험결과 곡률계수는 7.55이며, 균등계수는 0.75로 나타나 입도분포가 불량하며, 통일분류법(USCS)상 SC(점토질 모래)로 분류되었다.
일축압축강도 시험결과들에서 알 수 있듯이 원지반토를 보강하기 위하여 지반개량재을 혼합하는 과정에서 양생일과 원지반토와의 혼합비율에 따른 강도가 현저히 증가하였다. 그러나 지반개량재를 사용한 하천호안 사면에서는 식생을 고려하기 때문에 적절한 혼합비율과 경제적인 양생일수를 고려하여 최적의 지반개량재 혼합률을 선택해야한다.

후속연구

(3) 다짐을 실시하지 않은 원지반토의 한계소류력과 비교하면 지반개량재 6%와 9% 혼합토는 양생을 실시하지 않았을 때, 약 60～70배의 한계소류력 값을 나타내고 양생 28일이 지나면 그 이상의 한계소류력을 나타내고 있어 세굴 및 침식에 보강이 가능할 것으로 판단된다. 기존에 많이 시공되고 있는 콘크리트 블락 보호공이나 돌망태 공법 등 경제적인 비용을 절감하기 위한 대처공법이 가능하리라 판단된다.
본 연구에서 세굴률에 대응하기 위해 사용하는 지반 개량재는 하천의 하상토 또는 농수로주변에서 쉽게 취득할 수 있는 원지반토와 결합하여 식생이 가능한 고강도의 자연친화적 토질재료로의 개량이 가능하므로 이와 같은 장점을 호안조성에 충분히 활용 가능할 것으로 판단되고 있다. 따라서 이와 같은 개량토의 장점을 소규모 하천 또는 농수로 호안에 적용이 가능할 경우, 콘크리트와 같은 인공구조물이 아닌 원지반토를 이용한 자연 상태의 영구적 안정호안사면의 형성이 가능할 것이다. 또한, 원지반의 흙을 개량하여 토종자생 식물의 자연적 발아가 가능하며, 기존 공법의 목적과 같은 호안 비탈면의 침식, 세굴의 억제뿐만 아니라, 호안 비탈면 자체의 활동억제와 생태하천을 유지하는 호안보강 공법으로 대안적인 시공방법으로 판단된다.
따라서 이와 같은 개량토의 장점을 소규모 하천 또는 농수로 호안에 적용이 가능할 경우, 콘크리트와 같은 인공구조물이 아닌 원지반토를 이용한 자연 상태의 영구적 안정호안사면의 형성이 가능할 것이다. 또한, 원지반의 흙을 개량하여 토종자생 식물의 자연적 발아가 가능하며, 기존 공법의 목적과 같은 호안 비탈면의 침식, 세굴의 억제뿐만 아니라, 호안 비탈면 자체의 활동억제와 생태하천을 유지하는 호안보강 공법으로 대안적인 시공방법으로 판단된다. 그러므로 본 연구의 목적은 일축압축강도시험을 통한 지반개량재의 혼합비와 양생일에 따른 강도증대효과를 분석하였고, 세굴률시험을 통해 한계소류력을 측정하여, 하천호안의 세굴 및 침식에 대한 저항 및 적용효과를 검증하였다.
본 연구에서 세굴률에 대응하기 위해 사용하는 지반 개량재는 하천의 하상토 또는 농수로주변에서 쉽게 취득할 수 있는 원지반토와 결합하여 식생이 가능한 고강도의 자연친화적 토질재료로의 개량이 가능하므로 이와 같은 장점을 호안조성에 충분히 활용 가능할 것으로 판단되고 있다. 따라서 이와 같은 개량토의 장점을 소규모 하천 또는 농수로 호안에 적용이 가능할 경우, 콘크리트와 같은 인공구조물이 아닌 원지반토를 이용한 자연 상태의 영구적 안정호안사면의 형성이 가능할 것이다.
(1) 원지반토와 지반개량재의 혼합토는 양생 1일까지 강도가 급격히 발현되고, 양생 7일이 지나면 대부분의 강도가 발현되고 있다. 혼합비 6% 이상일때는 원지반토의 다짐시료보다 3배 이상의 강도를 나타내고 있어, 강도개선의 효과가 양생 후 즉시 발휘되기 때문에 호안 제방을 보호하기 위한 공법으로 적용이 가능할 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한계소류력은 무엇인가?	이 침식특성은 한계소류력과 그 이후의 흐르는 물에 의해 야기되는 소류력과 지반의 세굴률과의 관계로 구성된다. 한계소류력은 세굴이 발생하기 시작할 때 지반에 적용되는 전단응력을 의미하며, 이때의 유속을 한계유속이라 한다. 실제 현장에서 제방 법면을 보호하기 위해서 하천유속을 관찰하여 그에 따른 소류력 시험을 검증해야하지만, 본 연구에서는 국제 표준시험기준에 의해 수행하였다.
	세굴률은 무엇으로 정의할 수 있는가?	따라서, 세립토 지반의 세굴해석은 흐르는 물의 침식유발능력 뿐만 아니라 지반의 침식저항능력을 고려하여야 하며, 이는 세굴률 실험을 통해 정량화할 수 있다. 세굴률은 주어진 유속에 대해 지반이 침식되는 속도(mm/hr)로 정의된다. 이 침식특성은 한계소류력과 그 이후의 흐르는 물에 의해 야기되는 소류력과 지반의 세굴률과의 관계로 구성된다.
	세립토 지반의 세굴해석이 흐르는 물의 침식유발능력 뿐만 아니라 지반의 침식저항능력을 고려해야 하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 조립토의 침식저항능력은 중력과 마찰력이 지배하여 비교적 단순한 반면, 세립토의 침식저항능력은 중력과 마찰력 뿐만 아니라 흙입자의 물리･화학적 성질 및 전기적 성질에도 의존하여 매우 복잡한 양상을 보인다. 조립토에서는 호안에 작용하는 유체의 침식유발능력이 급격히 상승하는 경우, 단시간 내에 세굴이 발생하여 한계소류력에 도달하는 반면, 세립토는 침식저항능력이 조립토에 비해 크고 저항메커니즘이 달라 상대적으로 느리게 침식이 진행된다. 따라서, 세립토 지반의 세굴해석은 흐르는 물의 침식유발능력 뿐만 아니라 지반의 침식저항능력을 고려하여야 하며, 이는 세굴률 실험을 통해 정량화할 수 있다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
McNeil, J., Taylor, C., and Lick, W. (1996), "Measurement of Erosion of Undisturbed Bottom Sediments with Depth", Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.122, Issue.6, pp.316-324.

상세보기
Shields, A. F. (1936), "Application of Similarity Principles and Turbulence Research to Bed-load Movement", Mitteilungen der Preussischen Versuchsanstalt fur Wasserbau und Schiffbau, Berlin, Germany, Vol.26, pp.5-24
Ministry of Construction & Transportation (MOCT) (2006), "Practical Standard for River Conservation Work", pp.3-49.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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