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문제 정의
- 본 논문에서는 독일의 설계기준 EBGEO의 이론과 수치해석 기법을 이용하여 성토지지말뚝의 거동특성 및 안정성을 검토하였다. 거동분석을 위한 검토단면은 연약지반 개량 시 침하 안정성과 공사비 측면에서 큰 영향을 미치는 인자 중 하나인 성토고와 연약지반 층두께를 변수로 하여 단면을 선정하였다.
- 본 논문에서는 상용프로그램인 Plaxis 3D를 이용하여 3차원유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
- 따라서 국내 적용을 위해서는 연약지반의 특성을 반영한 이론적 분석, 수치 해석 등을 통한 검증이 수행되어야 한다. 본 연구는 성토지지말뚝공법 설계방법 중 네델란드 Houten 철도에 대한 현장계측결과(Van Duijnene, 2010)와 비교적 유사한 결과를 나타내는 EBGEO(German Recommendation for Geosynthetic Reinforced Earth Struchure) 설계방법과 수치해석을 통하여 성토지지말뚝의 거동특성을 분석하고 국내 적용성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 성토지지말뚝의 국내 적용성을 분석하기 위해 성토고와 연약지반 두께에 따른 말뚝의 효율과 토목섬유에 작용하는 인장력을 수치해석적인 방법과 이론적인 방법으로 분석하였다. 분석결과로부터 다음의 결론을 얻었다.
가설 설정
- 현수선방법은 토목섬유가 Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같이 상부하중에 의하여 일종의 막(membrane)과 같이 변형하고, 인장응력의 수직성분은 말뚝으로 성토하중의 전달을 향상시킨다고 가정하고 있다. 독일의 EBGEO는 이러한 설계법 중의 하나이다.
- 빔 방법은 Fig. 2(b)와 같이 토목섬유를 3층 이상 설치할 경우에 주로 사용하며, 토목섬유와 주변 재료를 일종의 복합재료층으로 가정한다. 토목섬유는 하중전달층 내 재료를 횡방향으로 구속하여 하중 전달층 내에서 아칭효과가 발생하도록 하며, 아치 내부의 흙쐐기 무게를 지지하는 역할도 한다고 가정한다.
- 토목섬유에 작용되는 인장력은 띠형태의 토목섬유에 작용하는 삼각형 분포의 선하중에 대하여 단위띠 요소에 대한 힘을 평형을 고려하여 산정한다. 연약지반의 지반반력은 선형 스프링형태로 지지된다고 가정하며 연약지반의 탄성계수를 층두께로 나눈 값을 적용한다. EBGEO 에서는 단위 폭당 작용되는 최대 인장력을 식 (11)와 같이 산정하며 Fig.
- 2(b)와 같이 토목섬유를 3층 이상 설치할 경우에 주로 사용하며, 토목섬유와 주변 재료를 일종의 복합재료층으로 가정한다. 토목섬유는 하중전달층 내 재료를 횡방향으로 구속하여 하중 전달층 내에서 아칭효과가 발생하도록 하며, 아치 내부의 흙쐐기 무게를 지지하는 역할도 한다고 가정한다. 현재 각국에서 제안하고 있는 성토지지말뚝공법의 거동을 방법 개념별로 정리하면 Table 1과 같다.
- 토목섬유에 작용되는 인장력은 지반에 전달되는 하중이 Fig. 8과 같이 삼각형 하중분포로 말뚝 사이의 말뚝캡 폭 두께의 띠형태 토목섬유에 작용한다고 가정하여 산정한다. 토목섬유에 작용되는 하중 Q는 지반에 전달되는 하중과 하중의 영향면적으로부터 산정되며 식 (9), (10)과 같다.
- 말뚝캡의 경우 탄성체로 해석하였으며, 토목섬유는 인장력에만 저항하는 geogrid 모델을 적용하였다. 토목섬유와 흙 사이의 경계면은 완전부착된 것으로 가정하였다. 수치해석 모델링시 측방향 경계는 상부하중에 의한 전단변형의 영향범위 이상으로 적용하였다.
- EBGEO 설계법은 Zaeske(2010) 모델을 적용하여 비늘형태의 아칭영역에 대한 소성역학의 적용을 통해 유도한 식을 이용하는 방법이다. 한계응력상태의 아치가 말뚝사이의 토목섬유와 연약지반 상부에 형성된다고 가정하며, 토목섬유와 연약지반에 전달되는 하중은 아치의 평형을 고려하여 계산된다. Fig.
- 연약지반과 말뚝의 강성차이는 성토체 내부의 아칭구조를 유발시키고 이를 통해 상대적으로 큰 하중이 말뚝두부로 전달된다. 형성된 아치의 상부에서는 하중이 말뚝방향으로 전달되고 아치 하부의 토체 하중은 연약지반 방향으로 전달된다고 가정한다. 연약지반 방향으로 전달되는 하중의 일부는 양질의 다져진 조립재와 토목섬유로 보강된 하중전이층(Load Transfer Platform)을 통해 연약지반으로 전달되는 하중을 저감시킬 수 있다.
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