이용재
(Civil Works Division, SAMBU Construction Co.)
,
여규권
(Head of Office, Technology Research Division, SAMBU Construction Co.)
,
박상원
(Technology Research Division, SAMBU Construction Co.)
,
김홍연
(Technology Research Division, SAMBU Construction Co.)
본 연구에서는 현장잔토를 활용할 수 있고 다짐이 불필요하여 관로공사에 유용한 경량기포혼합토를 지중매설관의 뒷채움재로 이용할 경우 관로의 거동을 조사하기 위하여 시험시공을 실시하고 계측결과를 분석하였다. 동시에 동일한 조건의 새만금 준설토사 뒷채움 시공결과와 비교하였다. 연직토압의 경우 경량기포혼합토 뒷채움 시 준설토사 대비 초기 슬러리 상태에서 25.6% 가량 저감되었고 양생 후에는 준설토사 토압의 10% 이내에 불과하였다. 준설토사 뒷채움 시에는 경량기포혼합토 대비 수평토압의 경우 3.6배 이상, 연직 및 수평변위는 각각 3.2배와 2.6배 가량의 차이를 나타내어 경량기포혼합토의 토압 및 변위저감 효과가 우수한 것으로 나타났다. 매설관 상반부에서 측정된 응력의 경우 토사 뒷채움 시 대체로 압축응력이 발생한 반면, 경량기포혼합토를 타설한 경우 초기 슬러리 상태에서 발생한 부력으로 인하여 고정된 양단부를 지점으로 부(-)의 모멘트가 발생함으로써 상반부에 인장응력이 발생하는 결과를 얻었다. 결론적으로, 새만금에서 준설된 토사를 이용한 경량기포혼합토는 인근 개발지에서 매설관 뒷채움재로 활용하는데 있어 준설토사와 비교하여 매우 우수한 재료이나 타설 시 부력에 대한 대책이 필요하다.
본 연구에서는 현장잔토를 활용할 수 있고 다짐이 불필요하여 관로공사에 유용한 경량기포혼합토를 지중매설관의 뒷채움재로 이용할 경우 관로의 거동을 조사하기 위하여 시험시공을 실시하고 계측결과를 분석하였다. 동시에 동일한 조건의 새만금 준설토사 뒷채움 시공결과와 비교하였다. 연직토압의 경우 경량기포혼합토 뒷채움 시 준설토사 대비 초기 슬러리 상태에서 25.6% 가량 저감되었고 양생 후에는 준설토사 토압의 10% 이내에 불과하였다. 준설토사 뒷채움 시에는 경량기포혼합토 대비 수평토압의 경우 3.6배 이상, 연직 및 수평변위는 각각 3.2배와 2.6배 가량의 차이를 나타내어 경량기포혼합토의 토압 및 변위저감 효과가 우수한 것으로 나타났다. 매설관 상반부에서 측정된 응력의 경우 토사 뒷채움 시 대체로 압축응력이 발생한 반면, 경량기포혼합토를 타설한 경우 초기 슬러리 상태에서 발생한 부력으로 인하여 고정된 양단부를 지점으로 부(-)의 모멘트가 발생함으로써 상반부에 인장응력이 발생하는 결과를 얻었다. 결론적으로, 새만금에서 준설된 토사를 이용한 경량기포혼합토는 인근 개발지에서 매설관 뒷채움재로 활용하는데 있어 준설토사와 비교하여 매우 우수한 재료이나 타설 시 부력에 대한 대책이 필요하다.
Lightweight Foamed Soil (LWFS) is a useful material for underground pipe backfill because of reusability of excavated soil and no compaction effect. In this research, a pilot test is carried out and monitoring results are analyzed to investigate behaviors of a flexible pipe, when LWFS is applied as ...
Lightweight Foamed Soil (LWFS) is a useful material for underground pipe backfill because of reusability of excavated soil and no compaction effect. In this research, a pilot test is carried out and monitoring results are analyzed to investigate behaviors of a flexible pipe, when LWFS is applied as a backfill material. Simultaneously, they are compared with another test case which is backfilled with Saemangeum dredged soil. As a result, the vertical earth pressure of the case backfilled with LWFS slurry presents that decreases as much as 25.6% in comparison with dredged soil and it is only within 10% after solidification. In case backfilled with dredged soil, the horizontal earth pressure is more than 3.6 times of the case used by LWFS and the vertical and horizontal deformation is more than 3.2 and 2.6 times of the case, respectively. It presents excellent effects on earth pressure and deformation reduction of LWFS. The stresses measured at the upper side of the pipe generally present compressive aspects in case backfilled with dredged soil. However, they present tensile aspects in case of LWFS. It is because of negative moment occurred at the center of the pipe due to the buoyancy from LWFS slurry. Conclusively, LWFS using Saemangeum dredged soil is very excellent material to use near the area in comparison with the dredged soil. However, the countermeasure to prevent the buoyancy is required.
Lightweight Foamed Soil (LWFS) is a useful material for underground pipe backfill because of reusability of excavated soil and no compaction effect. In this research, a pilot test is carried out and monitoring results are analyzed to investigate behaviors of a flexible pipe, when LWFS is applied as a backfill material. Simultaneously, they are compared with another test case which is backfilled with Saemangeum dredged soil. As a result, the vertical earth pressure of the case backfilled with LWFS slurry presents that decreases as much as 25.6% in comparison with dredged soil and it is only within 10% after solidification. In case backfilled with dredged soil, the horizontal earth pressure is more than 3.6 times of the case used by LWFS and the vertical and horizontal deformation is more than 3.2 and 2.6 times of the case, respectively. It presents excellent effects on earth pressure and deformation reduction of LWFS. The stresses measured at the upper side of the pipe generally present compressive aspects in case backfilled with dredged soil. However, they present tensile aspects in case of LWFS. It is because of negative moment occurred at the center of the pipe due to the buoyancy from LWFS slurry. Conclusively, LWFS using Saemangeum dredged soil is very excellent material to use near the area in comparison with the dredged soil. However, the countermeasure to prevent the buoyancy is required.
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문제 정의
이와 같이 국내에서 여러 가지 유동성 채움재에 대한 연구는 많이 이루어졌으나 기포가 혼입된 경량기포혼합토를 매설관 채움재로 사용할 경우의 거동은 연구가 미진한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 경량기포혼합토를 연성 지중매설관의 뒷채움재로 이용할 경우 관로의 거동을 조사하기 위하여 시험시공 및 계측을 실시하고, 동일한 조건의 토사 뒷채움 시공결과와 비교하였다.
제안 방법
3)을 이용하였고, 경량기포혼합토 타설 과정에서 발생할 수 있는 관로의 부상을 방지하기 위하여 거치 후 양단부는 토사를 이용하여 고정하였다. 경량기포혼합토 시공은 먼저 기초를 타설 및 양생한 후 관로를 거치하고 계측기를 설치하였으며, 이후 3단계에 걸쳐서 타설 및 양생을 실시하였다. 준설토사 성토는 기초부에 잡석을 포설한 후 단계별로 포설 및 살수, 다짐을 반복하여 조성하였다.
경량기포혼합토 타설 및 준설토 성토와 함께 1개월 동안 연직 및 수평토압, 연직 및 수평변위와 매설관 재료의 응력을 계측하고 그 결과를 분석하였다.
경량기포혼합토의 타설 단계에서 굳지 않은 시료를 2회 채취하여 양생일(5/7/14/28일)에 따른 물성시험을 실시하였다. Fig.
관로는 취급이 간편하고 거동측정이 용이한 파형강관(Φ1,500, 2.7t, L=15m, E=2.01×105MPa, ν=0.3)을 이용하였고, 경량기포혼합토 타설 과정에서 발생할 수 있는 관로의 부상을 방지하기 위하여 거치 후 양단부는 토사를 이용하여 고정하였다.
경량기포혼합토의 설계에 있어 주된 인자는 단위중량과 일축압축강도이다. 단위중량은 현장 여건상 지하수위 상승을 고려하여 11kN/m3로 설정하였고, 일축압축강도는 Table 2와 같이 사하중(DL)과 활하중(LL), 그리고 안전율(F.S=3.0)을 고려하여 계산된 요구강도(qreq.) 이상이 되도록 결정하였다. 사하중은 토피고와 단위중량을 이용하여 계산하고 활하중은 DB-18에 해당하는 윤하중을 2:1 응력분포법을 이용하여 관에 미치는 등분포하중으로 환산하였다.
뒷채움재 시공 전 매설관 외부의 천단 및 좌·우 측면부에 연직 및 수평토압계를, 같은 위치의 내부에 각각 연직 및 수평변위계와 상부 사분원 단면에 22.5°간격으로 다섯 개의 변형률계를 설치하여 시공단계 및 완료 후 관로의 거동을 관찰하고자 하였다(Fig. 5).
) 이상이 되도록 결정하였다. 사하중은 토피고와 단위중량을 이용하여 계산하고 활하중은 DB-18에 해당하는 윤하중을 2:1 응력분포법을 이용하여 관에 미치는 등분포하중으로 환산하였다.
성능/효과
11은 뒷채움 재료별로 측정위치에 따른 관의 응력분포를 다이어그램으로 나타낸 것이다. 경량기포혼합토로 채움된 관로는 측면부로 갈수록 인장응력이 감소하는 경향이 있고 전반적으로 18일 경과 후에도 10~15%의 응력증가를 보였다. 준설토사로 채움된 관로는 8일 경과 후에는 천단부에서 거의 응력발생이 없고 측면부로 갈수록 압축응력이 증가하였으나, 그로부터 10일 경과 후(18일)에는 측면부의 압축응력이 천단부의 인장응력으로 전이되는 양상을 나타내었다.
경량기포혼합토와 실트질 모래의 준설토사를 가지고 연성 매설관을 뒷채움한 경우 관 주변의 거동을 비교한 결과 타설 직후 연직토압은 경량기포혼합토의 굳지 않은 슬러리 상태로 인하여 준설토사 대비 약 25.6% 적은 값을 보였으나, 타설 종료일로부터 22일 후에는 10% 이내에 불과하여 양생 후 자중경감효과가 큰 것으로 나타났다. 준설토사로 뒷채움 시 경량기포혼합토와 비교하여 수평토압은 최소 3.
관로의 변형 계측결과 Fig. 9와 같이 관로 천단부와 측면부에서의 연직 및 수평변위는 뒷채움 재료에 상관없이 각각 하향 및 외측으로 발생하였고, 경량기포혼합토는 최종 타설 후 3.8~5.1mm 증가, 준설토사는 성토 후 0.3~2.2mm 변화하는데 그쳤다. 이들 변위는 18일 이후 모두 수렴하였다.
셋째, 유동성이 커서 장거리 펌프압송이 가능하고 평탄성 확보(self-leveling)가 용이하여 다짐이 불필요하다. 넷째, 토질에 관계없이 품질이 낮은 건설잔토도 활용할 수 있어 친환경적이다.
01kPa)에 더 가깝게 나타났다. 동일한 조건에서 준설토사로 성토한 경우는 성토완료 이후 완만하게 토압이 감소하였으며, 그 속도는 약 0.31kPa/day로 작았다. 최대토압은 22.
6배 가량 크게 발생하였다. 매설관 상반부 4분원에서 측정된 응력은 토사 뒷채움 시 대체로 압축응력이 발생한 반면, 슬러리 상태의 경량기포혼합토를 타설한 경우 초기에 발생한 부력으로 인하여 고정된 양단부를 지점으로 부(-)의 모멘트가 발생함으로써 관로 상반부에 인장응력이 발생하는 결과를 얻었다. 따라서, 경량기포혼합토를 지중관로 매설에 활용할 경우 부력에 대비할 필요가 있으며, 특히 연장이 긴 관로시공과 자중이 적은 파형강관 등의 경우에 별도의 관로파괴를 방지하기 위한 장치가 필요할 것으로 판단된다.
강성 및 연성관에 대하여 토사, 모래 및 CLSM 재료를 가지고 뒷채움한 경우 수치해석 결과 CLSM 재료는 관의 구조적 강성을 증진시켜 지표면과 관의 침하를 현저히 감소시키고 관 벽의 변위도 감소시켰다. 뿐만 아니라 연성관을 CLSM으로 뒷채움 한 경우에는 강성관을 토사로 채운 경우보다도 변위가 줄어 경제적인 연성관 매설공법으로 활용할 수 있음이 확인되었다. 동일한 조건에서 실내모형시험 결과 CLSM은 연성관 주변을 강성화시키고 연성관과 재료가 일체화되어 하나의 암괴(rock mass)와 같은 거동특성을 나타낸다(Park et al.
5). 사용된 모든 계측기는 전기저항 방식으로서 토압계는 최대 2MPa, 변위계는 500mm, 변형률계는 10~15% 변형률까지 측정이 가능하다. Fig.
, 2006). 세립 모래질의 해양준설토를 플라이애쉬 대체재로 이용하여 CLSM을 제조하고 이를 매설관 뒷채움재로 실내모형시험한 결과 모래나 현장 발생토를 이용한 경우에 비하여 현저히 변위가 감소하는 효과를 얻었고, 관 벽의 변형률도 상대적으로 매우 작게 발생하였다. 또한, 수직 및 수평토압 저감효과가 모두 크나 상대적으로 수평토압의 저감이 우수하고 0.
둘째, 고화재 첨가량에 따라 강도를 인위적으로 조절할 수 있다(보통 qu = 100∼ 1,000kN/m2). 셋째, 유동성이 커서 장거리 펌프압송이 가능하고 평탄성 확보(self-leveling)가 용이하여 다짐이 불필요하다. 넷째, 토질에 관계없이 품질이 낮은 건설잔토도 활용할 수 있어 친환경적이다.
10kN/m3를 다소 상회하였으나 이후 범위 내에 위치할 것으로 판단된다. 일축압축강도는 14일 이후 증가속도가 다소 둔해졌으나 지속적으로 증가하는 추세이며 목표강도 200kPa를 충분히 상회하였다.
6% 적은 값을 보였으나, 타설 종료일로부터 22일 후에는 10% 이내에 불과하여 양생 후 자중경감효과가 큰 것으로 나타났다. 준설토사로 뒷채움 시 경량기포혼합토와 비교하여 수평토압은 최소 3.6배 이상 크게 측정되어 경량기포혼합토의 토압경감효과는 우수한 것으로 나타났다. 준설토사 성토 시 연직 및 수평변위는 경량성토와 비교하여 각각 3.
이렇게 발생된 토압차이는 불안정했던 우측의 토압이 시간경과에 따라 감소하여 좌측의 토압과 수렴하는 양상을 나타내었다. 타설 및 성토 후 경량기포혼합토와 준설토사의 수평토압은 최소 3.6배 이상의 차이를 보여 경량기포혼합토의 토압경감효과가 큰 것으로 나타났다. 한편, 상재하중 변화가 없는 상태에서 경량기포혼합토의 타설 후 연직 및 수평토압이 크게 감소하는 것은 양생과정 즉, 수화반응에 의한 재료수축에 따른 영향으로 보이며, 수화반응이 진행되어 고화되면서 일정한 토압으로 수렴하는 것으로 판단된다.
6% 가량 적은 토압을 나타낸 반면, 타설 종료일로부터 22일 후 경량성토 계측결과는 토사성토의 10% 이내에 불과하였다. 타설 직후 연직토압의 차이는 굳지 않은 경량기포혼합토 슬러리와 토사의 단위중량에 의한 결과이며, 그 이후 시간경과와 함께 토사 성토지반이 안정화되면서 다소 토압이 감소하고, 경량기포혼합토 또한 고화되어 그 차이는 매우 커지는 것이다.
후속연구
매설관 상반부 4분원에서 측정된 응력은 토사 뒷채움 시 대체로 압축응력이 발생한 반면, 슬러리 상태의 경량기포혼합토를 타설한 경우 초기에 발생한 부력으로 인하여 고정된 양단부를 지점으로 부(-)의 모멘트가 발생함으로써 관로 상반부에 인장응력이 발생하는 결과를 얻었다. 따라서, 경량기포혼합토를 지중관로 매설에 활용할 경우 부력에 대비할 필요가 있으며, 특히 연장이 긴 관로시공과 자중이 적은 파형강관 등의 경우에 별도의 관로파괴를 방지하기 위한 장치가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경량기포혼합토의 설계에 있어 주된 인자는 무엇인가?
매설관의 뒷채움 조건은 경량기포혼합토 및 준설토사에 대하여 각각 동일한 제원의 단면을 조성하였다. 경량기포혼합토의 설계에 있어 주된 인자는 단위중량과 일축압축강도이다. 단위중량은 현장 여건상 지하수위 상승을 고려하여 11kN/m3로 설정하였고, 일축압축강도는 Table 2와 같이 사하중(DL)과 활하중(LL), 그리고 안전율(F.
경량기포혼합토란?
경량기포혼합토는 CLSM과 재료나 용도면에서 매우 유사하나 경량화시켜 그 기능을 향상시켰다는 면에서 차이가 있다. 경량기포혼합토는 각종 토사(현장 발생토, 준설토 등)에 물과 고화재(시멘트 등), 그리고 기포를 혼합하여 제조한 경량의 고강도 흙으로 정의할 수 있다. 혼합 직후에는 유동성이 매우 크나 시간에 따라 점차 강도를 발현하는 성질은 시멘트 혼합물과 유사하다.
경량기포혼합토의 주된 공학적 특성은 무엇인가?
경량기포혼합토의 주된 공학적 특성을 요약하면 다음과 같다. 첫째, 기포 혼합량을 조정함으로써 단위중량을 임의로 조절할 수 있다(보통 6~12kN/m3). 둘째, 고화재 첨가량에 따라 강도를 인위적으로 조절할 수 있다(보통 qu = 100∼ 1,000kN/m2). 셋째, 유동성이 커서 장거리 펌프압송이 가능하고 평탄성 확보(self-leveling)가 용이하여 다짐이 불필요하다. 넷째, 토질에 관계없이 품질이 낮은 건설잔토도 활용할 수 있어 친환경적이다.
참고문헌 (11)
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