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문제 정의
- 따라서 본 연구는 국내 간척지에 온실을 건설할 때 온실 기초로서 스파이럴 기초를 사용할 경우에 적절한 매립깊이 및 직경 산정에 필요한 기초자료를 제공하자 수행하였다.
- (2005)는 파이프하우스 건설에 사용되는 기초는 굴착 후 중량이 무거운 기초를 운반하여 세우거나 현장에서 직접 콘크리트 타설하여 기초를 제작한 후 흙으로 되메우기를 하기 때문에 많은 노력이 필요하다고 하였다. 따라서 작업의 효율화 및 경량화를 위해서 직접 굴착 하지 않고 시공할 수 있는 스파이럴의 올바른 시공 방법에 대한 연구를 수행하였다. 뿐만 아니라, 중산간지역 경사지에 파이프 하우스를 건설할 때 작업의 경량화 및 생력화를 위한 시공방법을 개발하기 위해 스파이럴의 역학적 특성인 연직 및 수평내력을 검토하였다.
- 본 연구는 일반 농경지 및 간척지 흙을 대상으로 스파이럴 기초에 대해 다짐률, 직경 및 매립깊이의 변화가 인발저항력에 미치는 영향을 분석하여 온실기초로서 사용가능성을 평가하는 것이다. 이를 위해 실내 모형실험을 조성해서 인발실험을 실시하였다.
제안 방법
- 다짐률 85, 75, 65%의 층별 다짐 횟수는 각각 200, 100 및 0회 정도였다. 각 다짐 조건에 대해 상대밀도는 다짐률 85, 75, 65%에 대해 각각 67, 38, 0%에서 인발 저항력을 측정하였다.
- 뿐만 아니라, 중산간지역 경사지에 파이프 하우스를 건설할 때 작업의 경량화 및 생력화를 위한 시공방법을 개발하기 위해 스파이럴의 역학적 특성인 연직 및 수평내력을 검토하였다. 또한 일본 이사하야 간척지에 건설된 온실이 태풍 등 재해에 취약하여 이에 대응하고자 스파이럴 나선형 모양의 상단에 파이프를 연결한 기초에 대한 수직 및 수평 내력도 검토를 하였다(www.naro.affrc.go.jp). 그리고 Hirata et al.
- 5kgf의 다짐봉을 이용해 흙다짐을 하였다. 모형지반의 균등한 흙 다짐률을 확보하기 위해 50cm 높이의 지반을 6층으로 나누어 매 층마다 동일한 다짐에너지를 주었다.
- 본 실험 장치는 하중 가력을 변위 및 하중제어로 제작하였으나 예비실험결과 하중제어로 실험이 가능하지 않아 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 인발하중을 가력 할 때 변위제어 속도는 1mm·min-1(허용오차 ±10%)로 (Kim과 Yoo, 2013) 연직방향으로 당겨, 인발하중이 최대치를 지나 연화경향을 나타내거나 일정한 값으로 수렴될 때를 종료시점으로 하였다.
- 한편 극한 인발저항력 산정은 연구자 마다 다른 방식을 채택하고 있어 그 결정이 일정하지 않다(Yoon 등, 2003). 본 실험에서는 다짐률 75 및 85%에서 스파이럴 형상에 기인하여 증가 및 감소가 반복하지만 측정한 값의 최대치를 극한 인발저항력으로 결정하였으며, 결과분석도 이를 기준으로 하였다.
- 현재 국내에서는 스파이럴 기초가 다른 분야에서 연약지반 보강 기초로 많이 사용되고 있어, 앞으로 온실기초의 보강을 위한 기초로 활용 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 스파이럴 기초의 기초 설계 자료를 제공할 목적으로 모형실험을 통해 기초의 매립깊이, 흙의 다짐률, 스파이럴 직경, 흙에 따른 인발하중 측정결과를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 따라서 작업의 효율화 및 경량화를 위해서 직접 굴착 하지 않고 시공할 수 있는 스파이럴의 올바른 시공 방법에 대한 연구를 수행하였다. 뿐만 아니라, 중산간지역 경사지에 파이프 하우스를 건설할 때 작업의 경량화 및 생력화를 위한 시공방법을 개발하기 위해 스파이럴의 역학적 특성인 연직 및 수평내력을 검토하였다. 또한 일본 이사하야 간척지에 건설된 온실이 태풍 등 재해에 취약하여 이에 대응하고자 스파이럴 나선형 모양의 상단에 파이프를 연결한 기초에 대한 수직 및 수평 내력도 검토를 하였다(www.
- 1은 모형실험에 사용한 스파이럴 기초의 제원을 나타낸 것이다. 스파이럴 기초는 직경 50, 70, 90mm의 강판을 나선형으로 비틀어서 제작을 하였으며, 비틀림 각도는 4o이다. 그리고 기초의 두께는 각각 6, 9, 6mm이며, 스파이럴의 길이는 500mm로 전부 동일하다.
- 인발하중을 가력 할 때 변위제어 속도는 1mm·min-1(허용오차 ±10%)로 (Kim과 Yoo, 2013) 연직방향으로 당겨, 인발하중이 최대치를 지나 연화경향을 나타내거나 일정한 값으로 수렴될 때를 종료시점으로 하였다. 실험은 각각의 스파이럴에 대해서 매립깊이 300, 400, 500mm로 나누어 2회씩 반복실험을 하여 그 평균값을 실험결과로 이용하였다. 2회 반복한 측정결과가 5%이상 차이가 나는 경우에는 서로 유사한 측정치가 나올 때 까지 반복 실험을 하였다.
- 본 연구는 일반 농경지 및 간척지 흙을 대상으로 스파이럴 기초에 대해 다짐률, 직경 및 매립깊이의 변화가 인발저항력에 미치는 영향을 분석하여 온실기초로서 사용가능성을 평가하는 것이다. 이를 위해 실내 모형실험을 조성해서 인발실험을 실시하였다. Fig.
- 한쪽 측면은 아크릴로 제작하여 흙의 다짐높이를 직접 눈으로 확인 가능하게 하여 흙다짐 조성이 원활히 이루어 질 수 있게 하였다. 인발실험 시 하중재하는 Power jack 과 AC 모터로 인발하중을 가력 하였으며, 가력과 동시에 Universal test machine(DUS204LCD, 미래 산업, Korea)을 통해 하중과 변위를 계측하였다. 로드셀 (TCLP-500KA, Sokki Kenkyuoio Co.
대상 데이터
- 모형실험에 사용한 시료는 일반 농경지 및 간척지의 2종류 흙에 대해 실험을 하였다. 농경지 흙은 진주시 인근 농경지에서 채취하였고 간척치 흙은 새만금 간척지내 매립지에서 채취하였다. Table 1은 각 흙에 대해 물리적, 역학적 특성을 분석한 결과 이며 Fig.
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3. 흙시료 및 모형지반
모형실험에 사용한 시료는 일반 농경지 및 간척지의 2종류 흙에 대해 실험을 하였다. 농경지 흙은 진주시 인근 농경지에서 채취하였고 간척치 흙은 새만금 간척지내 매립지에서 채취하였다.
- 실험에 사용한 토조는 800(B) × 1,000(L) × 600(H)mm 크기의 강재로 제작되었다.
성능/효과
- 농경지 흙(a)에서 매립깊이에 따른 하중-변위 그래프는 깊이가 증가할수록 최대인발저항력은 증가하였고 또한 다짐률이 증가 할수록 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 간척지 흙(b)에서도 농경지 흙과 마찬가지로 매립깊이 및 다짐률이 증가할수록 최대 인발하중은 증가하는 경향을 나타냈다.
- 각 직경별로 다짐률 증가에 따른 극한 인발저항력 변화는 Fig. 6에서 보이는 바와 같이 농경지 흙(a)과 간척지 흙(b) 모두 다짐률이 증가할수록 극한인발저항력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 농경지 흙의 경우는 다짐률이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상승 효과는 각각 1117.
- Fig. 6에서 보는 바와 같이, 일반 농경지와 간척지 흙에서 모두 다짐률이 증가 할수록 최대인발저항력도 증가 하는 경향을 확인 할 수 있었다. 다짐률 65%의 경우에는 거의 인발하중을 발휘하지 못하며 다짐률이 증가할수록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 보였다.
- 그 결과 모든 실험 조건에서 간척지 흙이 농경지 흙 보다 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다. 가장 큰 인발저항력 값은 농경지 흙의 경우 491.2kgf, 간척지 흙의 경우 267.9kgf로 가장 단단한 지반의 다짐율 85%, 측정 최대매설깊이에서 나타났다. 평균적으로 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 약 1.
- 9%로 급격히 증가하는 경향을 나타냈다. 간척지 흙의 경우도 다짐률이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상승 효과는 833.3% 및 494.8%로 나타났다. 이는 스파이럴 직경이 50mm일 때를 나타낸 결과이지만 스파이럴 직경이 70mm 및 90mm인 경우도 비슷한 경향을 보였다.
- 그리고 두 흙의 극한 인발저항력을 비교하기 위해 간척지 흙에 대한 농경지 흙의 인발저항력 비 F/R도 함께 나타냈다. 그 결과 모든 실험 조건에서 간척지 흙이 농경지 흙 보다 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다. 가장 큰 인발저항력 값은 농경지 흙의 경우 491.
- 실험조건에 따른 극한 인발저항력은 매립깊이 증가에 따른 인발 하중 상승효과 보다 직경 크기 증가에 따른 상승효과가 더 크게 나타났다. 그리고 다짐률 증가에 따른 극한 인발저항력은 다른 조건들에 비해서 증가 폭이 상당히 큰 경향을 보였다. 따라서 일반적인 농경지뿐만 아니라 간척지와 같이 연약지반에 스파이럴 기초를 설치할 경우에도 기초의 매립깊이, 다짐율, 스파이럴 직경 등을 증가 시키면 인발저항력이 높아져 연약지반 보강 기초로 사용 가능 할 것으로 판단된다.
- 1%로 농경지 흙과 비슷한 인발 상승효과를 나타냈다. 그리고 직경 다짐률 65%에서 매립깊이가 30cm에서 40cm, 40cm에서 50cm로 깊어질 때 상승효과는 각각 170.6 및 134.5%로 나타났다. 농경지 흙 다짐률 85%, 매립깊이 50cm의 기초는 장치의 최대하중 이상의 인발하중이 예상되어 측정하지 못했다.
- 농경지 및 간척지 흙의 극한 인발저항력 비교결과 농경지 흙이 간척치 흙보다 상대적으로 1.2~3.0배 더 큰 값을 나타냈다. 또한 두 흙 모두 매립깊이, 다짐률이 증가할수록 극한 인발저항력은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었고, 모두 비슷한 하중-변위 곡선을 보였다.
- 6에서 보이는 바와 같이 농경지 흙(a)과 간척지 흙(b) 모두 다짐률이 증가할수록 극한인발저항력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 농경지 흙의 경우는 다짐률이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상승 효과는 각각 1117.4 및 620.9%로 급격히 증가하는 경향을 나타냈다. 간척지 흙의 경우도 다짐률이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상승 효과는 833.
- 6에서 보는 바와 같이, 일반 농경지와 간척지 흙에서 모두 다짐률이 증가 할수록 최대인발저항력도 증가 하는 경향을 확인 할 수 있었다. 다짐률 65%의 경우에는 거의 인발하중을 발휘하지 못하며 다짐률이 증가할수록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 매립 깊이 증가에 따른 최대 인발저항력 변화보다 흙의 다짐률 변화에 따른 증가효과가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다.
- 다짐률 85, 75, 65%의 층별 다짐 횟수는 각각 200, 100 및 0회 정도였다. 각 다짐 조건에 대해 상대밀도는 다짐률 85, 75, 65%에 대해 각각 67, 38, 0%에서 인발 저항력을 측정하였다.
- 다짐률이 65%인 아주 느슨한 흙에서는 최대하중에 도달한 후 변위가 증가하여도 하중은 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지하는 경향을 보였다. 그러나 다짐률 85%인 아주 단단한 흙에서는 초기변위에서 인발하중이 빠르게 증가 한 후에 하중이 완만하게 증가하다가 다시 빠르게 증가하는 경향을 나타냈다.
- 83배 큰 값을 나타냈다. 다짐률이 85, 75 및 65% 일 때 극한 인발저항력은 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 각각 2.2~3.0, 1.3~2.4및 1.2~2.5배 크게 나타났다. 또한 극한 인발저항력은 다짐률 85%일 때가 가장 큰 차이를 보였다.
- 또한 매립 깊이 증가에 따른 최대 인발저항력 변화보다 흙의 다짐률 변화에 따른 증가효과가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 따라서 온실의 기초를 설치하기 위해 구멍을 파서 다시 뒤메우기를 할 때에는 단단하게 다짐으로써 인발저항력을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 5배 크게 나타났다. 또한 극한 인발저항력은 다짐률 85%일 때가 가장 큰 차이를 보였다.
- 0배 더 큰 값을 나타냈다. 또한 두 흙 모두 매립깊이, 다짐률이 증가할수록 극한 인발저항력은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었고, 모두 비슷한 하중-변위 곡선을 보였다. 실험조건에 따른 극한 인발저항력은 매립깊이 증가에 따른 인발 하중 상승효과 보다 직경 크기 증가에 따른 상승효과가 더 크게 나타났다.
- 다짐률 65%의 경우에는 거의 인발하중을 발휘하지 못하며 다짐률이 증가할수록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 매립 깊이 증가에 따른 최대 인발저항력 변화보다 흙의 다짐률 변화에 따른 증가효과가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 따라서 온실의 기초를 설치하기 위해 구멍을 파서 다시 뒤메우기를 할 때에는 단단하게 다짐으로써 인발저항력을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
- 또한 두 흙 모두 매립깊이, 다짐률이 증가할수록 극한 인발저항력은 증가하는 경향을 관찰할 수 있었고, 모두 비슷한 하중-변위 곡선을 보였다. 실험조건에 따른 극한 인발저항력은 매립깊이 증가에 따른 인발 하중 상승효과 보다 직경 크기 증가에 따른 상승효과가 더 크게 나타났다. 그리고 다짐률 증가에 따른 극한 인발저항력은 다른 조건들에 비해서 증가 폭이 상당히 큰 경향을 보였다.
- 6에서는 다짐률 65 및 85%의 인발저항력 뿐만 아니라 다짐률 75%의 극한 인발저항력 포함하여 각각의 흙별로 직경의 변화에 따른 인발저항 변화를 나타내었다. 여기서 알 수 있듯이 스파이럴의 직경 크기가 증가할수록 극한 인발저항력은 증가하는 경향을 보였다. 농경지 흙에서 매입깊이가 30cm에서 40cm, 40cm에서 50cm로 깊이질 때 인발 저항 상승효과는 113.
- 이는 스파이럴 직경이 50mm일 때를 나타낸 결과이지만 스파이럴 직경이 70mm 및 90mm인 경우도 비슷한 경향을 보였다. 이 결과로부터 알 수 있듯이 다짐률이 증가 할수록 인발상승 효과는 상당히 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 이상에서 알 수 있듯이 극한 인발저항력은 흙의 다짐률, 매입깊이, 스파이럴의 직경에 따라 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서 온실기초로서 스파이럴 기초를 간척지 같은 연약지반에 사용할 경우, 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 극한인발저항력이 약 1.
후속연구
- 이상에서 알 수 있듯이 극한 인발저항력은 흙의 다짐률, 매입깊이, 스파이럴의 직경에 따라 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서 온실기초로서 스파이럴 기초를 간척지 같은 연약지반에 사용할 경우, 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 극한인발저항력이 약 1.2~3배 이상 차이가 나므로 연약지반 보강 기초로 사용할 경우에는 스파이럴의 직경을 더 크게 또는 스파이럴의 깊이를 더 깊이 매설하여 인발력을 높일 수 있도록 해야 할 것이다.
- 그리고 다짐률 증가에 따른 극한 인발저항력은 다른 조건들에 비해서 증가 폭이 상당히 큰 경향을 보였다. 따라서 일반적인 농경지뿐만 아니라 간척지와 같이 연약지반에 스파이럴 기초를 설치할 경우에도 기초의 매립깊이, 다짐율, 스파이럴 직경 등을 증가 시키면 인발저항력이 높아져 연약지반 보강 기초로 사용 가능 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 강우에 의한 흙의 완전 포화된 상태를 고려하지 않았기 때문에 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이번 연구에서는 스파이럴 기초의 피치의 간격에 다른 인발저항력 검토는 수행되지 않았기 때문에 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 스파이럴 기초를 국내 온실 기초로 사용한 사례는 거의 없으며 일본에서 스파이럴을 온실 기초로 사용한 사례가 있다. 현재 국내에서는 스파이럴 기초가 다른 분야에서 연약지반 보강 기초로 많이 사용되고 있어, 앞으로 온실기초의 보강을 위한 기초로 활용 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 스파이럴 기초의 기초 설계 자료를 제공할 목적으로 모형실험을 통해 기초의 매립깊이, 흙의 다짐률, 스파이럴 직경, 흙에 따른 인발하중 측정결과를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
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