축소모형실험을 통한 토목섬유 보강토옹벽의 수평변위 및 수직응력 평가 Evaluation of Lateral Deformation and Vertical Stress of Geosynthetics Reinforced Walls by the Scale Model Test원문보기
보강토체 상부에 작용하는 상재하중과 보강재의 인장강도 및 포설 단수가 보강토옹벽의 변형거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 7종류의 축소모형 보강토옹벽을 축조하여 상재하중 재하실험을 수행하였다. 축소모형 보강토옹벽은 $100cm{\times}140cm{\times}100cm$ 크기의 모형토조 내에서 1m 높이로 축조하였으며, 인장강도가 상이한 3종류의 보강재를 사용하여 포설 단수를 5단, 7단, 9단으로 변화시키고, 5종류(50, 100, 150, 200, 250kPa)의 상재하중을 단계적으로 재하하면서 전면벽체의 수평변위와 보강재의 인장변형률 및 보강토체 저면의 수직응력 등을 측정하여 분석하였다. 분석 결과, 전면벽체의 수평변위는 보강토옹벽 하단부에서 가장 작고 보강토옹벽 하단으로부터 0.7H (H : 옹벽 높이) 지점에서 가장 큰 비선형적인 형태를 보여주며, 상재하중이 작고 보강재의 인장강도가 클수록 보강재의 상대적인 보강효과가 크게 발현되어 보강토체 하부의 수직응력이 작게 나타남을 알 수 있었다.
보강토체 상부에 작용하는 상재하중과 보강재의 인장강도 및 포설 단수가 보강토옹벽의 변형거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 7종류의 축소모형 보강토옹벽을 축조하여 상재하중 재하실험을 수행하였다. 축소모형 보강토옹벽은 $100cm{\times}140cm{\times}100cm$ 크기의 모형토조 내에서 1m 높이로 축조하였으며, 인장강도가 상이한 3종류의 보강재를 사용하여 포설 단수를 5단, 7단, 9단으로 변화시키고, 5종류(50, 100, 150, 200, 250kPa)의 상재하중을 단계적으로 재하하면서 전면벽체의 수평변위와 보강재의 인장변형률 및 보강토체 저면의 수직응력 등을 측정하여 분석하였다. 분석 결과, 전면벽체의 수평변위는 보강토옹벽 하단부에서 가장 작고 보강토옹벽 하단으로부터 0.7H (H : 옹벽 높이) 지점에서 가장 큰 비선형적인 형태를 보여주며, 상재하중이 작고 보강재의 인장강도가 클수록 보강재의 상대적인 보강효과가 크게 발현되어 보강토체 하부의 수직응력이 작게 나타남을 알 수 있었다.
This paper presents a study of reinforced earth model wall reinforced by geosynthetics subjected to vertical surcharge. 7 types of reinforced earth model wall were constructed in the model box($100cm{\times}140cm{\times}100cm$) to assess the deformation and stress behavior of model walls ...
This paper presents a study of reinforced earth model wall reinforced by geosynthetics subjected to vertical surcharge. 7 types of reinforced earth model wall were constructed in the model box($100cm{\times}140cm{\times}100cm$) to assess the deformation and stress behavior of model walls according to different tensile strength and laying number of reinforcement and surcharge pressures. 3 types of geosynthetics that have different tensile strength were used as reinforcement. The test was carried out by changing the number of reinforcement to 5, 7, 9, and surcharge pressure to 50, 100, 150, 200, 250 kPa. The model test found that the maximum lateral displacements occurred at the 0.7 H (H : Wall height) position from the bottom of the model wall and vertical stress was low in the smaller surcharge pressure and the larger tensile strength of reinforcement.
This paper presents a study of reinforced earth model wall reinforced by geosynthetics subjected to vertical surcharge. 7 types of reinforced earth model wall were constructed in the model box($100cm{\times}140cm{\times}100cm$) to assess the deformation and stress behavior of model walls according to different tensile strength and laying number of reinforcement and surcharge pressures. 3 types of geosynthetics that have different tensile strength were used as reinforcement. The test was carried out by changing the number of reinforcement to 5, 7, 9, and surcharge pressure to 50, 100, 150, 200, 250 kPa. The model test found that the maximum lateral displacements occurred at the 0.7 H (H : Wall height) position from the bottom of the model wall and vertical stress was low in the smaller surcharge pressure and the larger tensile strength of reinforcement.
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제안 방법
보강토체 상부에 작용하는 상재하중과 보강재의 종류 및 포설 단수가 보강토옹벽의 거동특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 Table 1에서 보는 바와 같이 7종류의 모형 보강토옹벽을 축조하여 실험을 수행하였다. 1m 높이의 모형 보강토옹벽 축조 시에는 변형억제장치를 사용하여 전면벽체의 변형이 발생하지 않도록 하였으며, 모형 보강 토옹벽 축조가 완료된 이후에는 전면벽체 변형억제장치를 제거한 후 5단계의 등분포하중을 순차적으로 재하하면서 보강토옹벽의 거동을 계측하였다. 상재하중으로는 등분포 하중을 사용하였는데, 총 5단계 하중(50kPa, 100kPa, 150kPa, 200kPa 및 250kPa)을 단계적으로 재하하였다.
모형 보강토옹벽 축조시 뒤채움재의 다짐도를 약 90%로 일정하게 하기 위하여, 수차례의 예비다짐실험을 수행하여 뒤채움흙의 함수비를 17±1%로 조정하였고, 소형 다짐장비인 람마와 소형 손다짐기를 사용하는 다짐방법을 결정하였다. 뒤채움흙의 다짐방법으로 우선 람마를 사용하여 토조 전면을 2회 다짐하고, 람마 다짐시 이완된 성토흙 상부의 다짐과 보강재 포설을 위한 성토층 평탄화를 위해 소형 손다짐기를 사용하여 추가로 다짐하중을 가하였다.
보강토체 상부에 작용하는 상재하중과 보강재의 종류 및 포설 단수가 보강토옹벽의 거동특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 Table 1에서 보는 바와 같이 7종류의 모형 보강토옹벽을 축조하여 실험을 수행하였다. 1m 높이의 모형 보강토옹벽 축조 시에는 변형억제장치를 사용하여 전면벽체의 변형이 발생하지 않도록 하였으며, 모형 보강 토옹벽 축조가 완료된 이후에는 전면벽체 변형억제장치를 제거한 후 5단계의 등분포하중을 순차적으로 재하하면서 보강토옹벽의 거동을 계측하였다.
본 연구에서는 모형 보강토옹벽 축조 시에 전면벽체의 수평변위를 억제시키고 실험을 수행하여 시공 중에는 수 평변위가 발생하지 않았으므로, 각 모형실험마다 Christopher(1993) 방법으로 예측한 수평변위 만큼을 발생시킨 상재하중이 작용한 경우의 수평변위를 시공 중 발생한 수평변 위로 가정하여 상재하중 변화에 따른 전면벽체의 최대 수 평변위 예측값과 실측값을 비교하였다(Fig. 9 참조).
본 연구에서는 보강토체 상부에 작용하는 상재하중과 보강재의 인장강도 및 포설 단수가 보강토옹벽의 수평변 위 및 수직응력에 미치는 영향을 평가하기 위해 다양한 종류의 축소모형 보강토옹벽을 축조하여 실험을 수행하였으며, 실험결과를 분석, 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 토목섬유 보강토옹벽에 대한 축소모형실험을 수행하여, 상재하중과 보강재의 인장강도 및 포설 단수가 보강토옹벽의 변형 및 응력 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, Christopher(1993)에 의해 제안된 방법을 사용하여 상재하중 변화에 따른 모형 보강토옹벽의 수평 변위를 예측하고 실제 측정값과 비교해 보았다.
각 하중단 계에서 하중재하에 따른 벽체 수평변위 발생은 하중재하후 대략 10분 정도에 수렴하는 것으로 나타나, 각 하중단 계별로 15분 동안 하중을 재하하였다. 하중재하시 토압계와 변위계(LVDT)를 이용하여 전면벽체의 수평변위 및 벽체에 작용하는 수평토압을 측정하였고, 스트레인게이지를 부착하여 보강재의 인장변형을 측정하였다. 또한, 보강토체 하부 중앙에 토압계를 설치하여 수직응력을 측정하였다.
대상 데이터
모형실험에서 뒤채움흙으로 사용한 흙시료은 화강풍화 토이며, 입도분포곡선은 Fig. 2와 같다.
본 연구에서는 보강재의 종류에 따른 영향을 고찰하기 위하여 지오네트 1종류와 인장특성이 다른 지오그리드 2종류를 사용하였는데, 축소모형실험의 스케일효과를 고려하여 비교적 인장강도가 작은 보강재를 선정하였다. 지오네트는 고밀도 폴리에틸렌을 원료로 하여 기층지반안정용 으로 제작된 제품을 사용하였고, 지오그리드는 고강도 폴 리에스테르사를 제직하여 격자모양의 원단으로 만든 후 PVC로 코팅하여 제조한 결합형 지오그리드를 사용하였다.
이론/모형
그동안 보강토옹벽의 수평변위를 예측하기 위하여 다양한 방법들이 시도되었다. 본 연구에서는 적용이 단순하며 보강재의 인장특성과 수직간격을 고려할 수 있는 Christopher(1993)에 의해 제안된 방법을 사용하여 모형 보강토옹벽 의 수평변위를 예측하고 실제 측정값과 비교해 보았다.
성능/효과
(1) 전면벽체 수평변위는 보강재의 인장강도 크기 및 포설 단수에 관계없이 모형 보강토옹벽 하단부 에서 가장 작고 보강토옹벽 하단에서 0.7H 지점에서 가장 큰 비선형적인 형태가 나타났으며, 이는 보강토체와 기초부 사이 및 하중재하판과 보강토체 사이의 마찰저항에 기인하는 것으로 판단된다. 또한, 옹벽 높이별 보강재의 인장변형률 변화 형상도 수평변위 변화 형상과 유사하게 나타났다.
(2) 모형 보강토옹벽의 최대 수평변위 비율(δmax/H x 100%)은 상재하중이 증가할수록 비선형적으로 증가하며, 보강재의 인장강도가 커질수록, 보강재의 포설 단수가 많아질수록 일정한 값에 수렴해가는 형태를 보여주어 보강재의 보강효과가 증가하지 않게 되는 어떠한 한계 인장강도와 포설 단수가 존재함을 알 수 있다.
(3) 모형 보강토옹벽의 최대 수평변위 계측값은 대체적으로 Christopher(1993) 방법으로 산정한 예측값과는 달리 상재하중이 커질수록 수평변위가 더욱 크게 발생하는 비선형적인 형태를 보여주며, 예측값과 계측값의 편차가 5단 보강인 경우는 최대 25∼35% 정도로 크게 나타나나 7∼9단 보강인 경우는 상재하중 증가에 따른 보강재의 변형계수 변화가 작기 때문에 최대 15% 이하로 나타남을 알 수 있다.
(4) 보강재의 인장강도 크기 및 포설 단수에 관계없이 상재하중이 증가할수록 재하판의 침하량과 보강토체 하부의 수직응력이 거의 직선적으로 증가하며, 상재하중이 작고 보강재의 인장강도가 클수록 보강재의 상대적인 보강효과가 크게 발현되어 보강토체 하부의 수직응력이 작게 나타남을 알 수 있다. 또한, 보강재의 포설 단수가 증가할수록 상재하중(Pv) 대비 수직응력 (σv) 비율(σv/Pv)이 거의 직선적으로 감소함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
보강토옹 벽이란 무엇인가?
최근 전세계적으로 지오그리드 등의 토목섬유(geosynthetics)를 사용한 보강토옹벽이 폭넓게 사용되고 있다. 보강토옹 벽은 뒤채움흙과 보강재 사이의 마찰특성을 활용하여 수 직벽체를 형성한 성토구조물로서, 보강재의 형상 및 인장 특성, 뒤채움흙의 입도 및 물성, 상재하중의 형태 및 크기 등에 많은 영향을 받는다.
모형 보강토옹벽의 최대 수평변위 비율은 변수에 따라 어떤 모습을 보이는가?
(2) 모형 보강토옹벽의 최대 수평변위 비율(δmax/H x 100%)은 상재하중이 증가할수록 비선형적으로 증가하며, 보강재의 인장강도가 커질수록, 보강재의 포설 단수가 많아질수록 일정한 값에 수렴해가는 형태를 보여주어 보강재의 보강효과가 증가하지 않게 되는 어떠한 한계 인장강도와 포설 단수가 존재함을 알 수 있다
보강토옹 벽의 거동특성에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구로 어떤 연구들이 수행되었는가?
이러한 보강토옹벽의 거동특성에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구가 모형실험과 현장계측 및 수치해석적 방법 등을 통해 많이 수행되어 왔다. Leschinsky & Vulova(2001)는 유한차분법에 근거한 수치해석기법을 활용하여 보강재 길이, 강도 및 설치간격, 상재하중 등 다양한 인자들이 보강토옹벽의 파괴메커니즘에 미치는 영향을 고찰하였고, Ghionna et al.(2002)은 실대형 실험을 통해 보강재 종류가 보강토옹벽의 거동에 미치는 영향을 평가하였으며, Wong & Broms(1994), Pinto & Cousens(1999) 등은 일련의 모형실험을 통해 보강재 길이 및 설치간격, 상재하중 등이 보강토옹벽의 거동특성 및 파괴메커니즘에 미치는 영향을 고찰한 바 있다.
참고문헌 (10)
Adib, M. (1995), Internal Lateral Earth Pressure in Earth Walls, PhD. dissertation, Univ. of Washington, USA, 391p.
Chew, S. H. and Mitchell, J. K. (1994), "Deformation Evaluation Procedure for Reinforced Soil Walls", Fifth International Conference on Geotextiles, Geomembranes and Related Products, Singapore, Vol. 1, pp.171-176.
Christopher, B. R. (1993), Deformation Response and Wall Stiffness in Relation to Reinforced Soil Wall Design, PhD. Dissertation, Purdue Uni., 354p.
Christopher, B. R., Gill, S. A., Giroud, J. P., Juran, I., Mitchell, J. K., Schlosser, F., and Dunnicliff, J. (1990), Reinforced Soil Structures, Federal Highway Administration, FHWA-RD-89-043, Washington, D.C., Vol. 1, 283p., Vol. 2, 158p.
Ghionna, V. N., Fioravante, I., and Vicari, M. (2002), "Full Scale Test on a Retaining Wall with Non-uniform Reinforcments", Geosynthetics-7th ICG, pp.279-282.
Jewell, R. A. and Milligan, G. W, E. (1989), "Deformation Calculations for Reinforced Soil Walls", Twelfth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Rio de Janeiro, Vol.2, pp.1257-1263.
Jewell, R. A., (1988), "Reinforced Soil Wall Analysis and Behavior", The Application of Polymeric Reinforcement in Soil Retaining Structures,
Leshchinsky, D. and Vulova, C. (2001), "Numerical Investigation of the Effects of Geosynthetic Spacing on Failure Mechanisms in MSE Block Walls", Geosynthetics International, Vol.8, No.4, pp.343-365.
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