[논문]지오텍스타일 봉합 인장강도와 지반의 응력증가분 해석

채유미; 김재홍

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.073

초록
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서해안과 남해안 그리고, 하천유역에는 연약지반을 개량하여 산업시설 공간과 농경지 확보를 위해 토목섬유매트 활용이 많아지고 있다. 광대한 연약한 지반을 개량하기 위한 초기단계로 장비 진입을 위해 토목섬유매트를 포설하고 접합하여 넓은 지반의 지지력을 증대시킨다. 토목섬유매트 봉합강도는 원단 인장강도의 50% 정도만 힘을 발휘하고 있어 장비주행성에 융기와 침하 등 지지력 저하의 문제들이 발생한다. 본 연구는 여러 가지 토목섬유매트 봉합기술들을 분석하고 각 방법들의 인장강도를 비교분석하였다. 또한 토목섬유매트의 봉합강도를 증가시켰을 때, 상재하중에 의한 지반내의 응력증가분이 감소하는 경향을 수치해석으로 확인하였다. 봉합강도를 60, 70, 80%으로 향상시켰을 때 토목섬유에 의한 지반의 지지력 증가를 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the west coast, south coast, and river basin, the use of geotextile mats has been increasing to improve the soft ground for making industrial facilities space and farmland. As an initial step to improve the vast and soft ground, the geotextile mats are laid and bonded to increase the bearing capa...

In the west coast, south coast, and river basin, the use of geotextile mats has been increasing to improve the soft ground for making industrial facilities space and farmland. As an initial step to improve the vast and soft ground, the geotextile mats are laid and bonded to increase the bearing capacity of the wide ground for supporting construction equipment. Seam strength of geotextile mats exert a force only about 50% of the tensile strength of the fabric, which causes problems such as uplift and sinking in the soft ground. In this study, various types of geosynthetic matting techniques were investigated and the tensile strength of each method was compared and analyzed. Numerical analysis shows that stress increment in the ground due to the overburden load decreases when the seam strength of the geosynthetics mats is increased. When the seam strength was increased to 60, 70 and 80%, the bearing capacity of ground by geotextile mat was increased.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Case of uplift and settlement in soft ground
그림 Fig. 2. Scheme of Yamanouchi method to calculate bearing capacity with geotextile tensile strength (Yamanouchi, 1985)
그림 Fig. 3. Scheme of Meyerhof method to consider inhomogeneous layer in soft soil (Meyerhof, 1974)
표 Table 1. Punching shear factors with the soil friction angle (Meyerhof, 1974)
표 Table 2. Geotextile Fabric Comparison (Gerard, 1994)
표 Table 3. Physical parameters of materials
그림 Fig. 4. Boundary condition for stress increment in finite element analysis
그림 Fig. 5. Vertical strain by overburden load
그림 Fig. 6. Enlarged figure of Fig. 5 for stress
그림 Fig. 7. Stress increment by overburden load (without geotextile mat)
그림 Fig. 9. Stress increment by overburden load (inertia moment of geotextile mat = 20,000 m⁴)
그림 Fig. 8. Stress increment by overburden load (inertia moment of geotextile mat = 10,000 m⁴)
그림 Fig. 10. Stress increment by overburden load (inertia moment of geotextile mat = 40,000 m⁴)
그림 Fig. 11. Variation of stress increment by overburden load

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 토목섬유매트의 새로운 봉합적용법의 개발과 사용의 증대를 위한 여러 연구를 비교분석하여 지오텍스타일에 봉합 인장강도를 향상시켰을 때 지지력에 대한 영향을 유한요소해석 프로그램을 통해 비교 분석할 것이다.
2는 시공장비의 주행성 검토할 수 있는 Yamaouchi 방법을 도식화하여 보여주고 있다. 본 방법은 복토두께에 따른 장비의 분포하중 및 복토하중에 의해 원지반상에 작용하는 하중의 크기와 토목섬유의 인장력을 고려한 원지반 지지력의 크기를 비교하는 방법이다.
지지력이 약한 연약지반을 개량하기 위해 지오텍스타일을 포설하여 장비를 진입시킬 수 있는 지지력을 확보하여야 한다. 본 연구에서는 지반의 지지력을 계산하기 위하여 상재하중에 의한 응력증가분을 확인하여 지오텍스타일의 인장강도 증가에 따른 지지력 향상을 확인하고자 하였다. 연약지반에 포설되는 지오텍스타일은 폭이 대략 4∼6m 정도이기 때문에 넓은 연약지반에 포설하기 위해서 봉합이 필요하다.
본 연구에서 적용한 수치해석에서는 보유하고 있는 상용프로그램의 입력데이터의 제한적인 사용으로 위 2가지 방법의 수식을 이용한 결과와는 비교하지 못하였다. 연약 지반 개량을 위한 시공 시 진입하는 장비들의 주행성 평가를 위하여 향후 시공으로 손상되는 토목섬유 허용인장강도와 비교하기 위해 재료의 물리적 특성을 빔(beam) 재료 특성으로 대체하여 본 연구의 수치해석을 수행하였다.

제안 방법

(1) 국내외 토목섬유매트의 봉합방법과 봉합인장강도 비교를 통해 최적의 봉합기술에 대한 방법을 파악하였다. 원단강도 216.
기존 상용프로그램에서 지오텍스타일의 봉합인장강도를 해석하기에는 입력자료(input data)의 제한성 때문에 본 연구에서 수행한 유한요소해석 프로그램에서는 지오텍스타일 관성모멘트를 증가시켜 봉합인장강도 향상에 따른 지지력 증대효과를 대체하여 비교･분석하였다.
토목섬유의 허용인장력 검토를 위해서 토목섬유 설치 시 및 물리적･화학적 손상 등에 의해 인장강도가 저하되며 사용목적에 따른 영향인자별 적용 안전율을 적용한다. 다음 수식 (3)에 제시된 포설시 손상, Creep 영향에 의한 손상, 화학적 손상, 생물학적 손상으로 4가지 손상에 대한 안전율로 토목섬유 허용인장강도를 감소시켜 계산한다.
봉합인장강도가 상승하여 달라지는 응력증가분의 감소를 확인하기 위하여 4가지의 수직응력 비교분석을 수행하였다. 대칭적인 해석으로 지형조건을 나누었기 때문에 중앙 축을 중심으로 응력증가분을 비교하여 그래프로 확인해 보았다.
봉합인장강도가 상승하여 달라지는 응력증가분의 감소를 확인하기 위하여 4가지의 수직응력 비교분석을 수행하였다. 대칭적인 해석으로 지형조건을 나누었기 때문에 중앙 축을 중심으로 응력증가분을 비교하여 그래프로 확인해 보았다.
본 연구에서 해석한 상용프로그램의 지반과 지오텍스타일의 재료정보는 Table 3에 표시되어 있다. 수치해석의 입력조건의 한계 때문에, 봉합인장강도 50%에서 80%까지 증가하는 것을 모사하기 위하여 재료의 관성모멘트 값을 향상시켜 강도향상에 따른 응력증가분을 계산하였다. 유한요소해석을 이용하여 지오텍스타일을 지반 내에 설치하여 100kPa 상재하중에 의한 응력증가분이 어떻게 감소하고 있는지 확인하고자 상용프로그램을 Fig.
수치해석의 입력조건의 한계 때문에, 봉합인장강도 50%에서 80%까지 증가하는 것을 모사하기 위하여 재료의 관성모멘트 값을 향상시켜 강도향상에 따른 응력증가분을 계산하였다. 유한요소해석을 이용하여 지오텍스타일을 지반 내에 설치하여 100kPa 상재하중에 의한 응력증가분이 어떻게 감소하고 있는지 확인하고자 상용프로그램을 Fig. 4와 같이 경계조건을 결정하였다(GeoStudio, 2016). 일반적으로 지오텍스타일을 연약지반 위에 포설하고 그 위에 양호한 모래질 흙을 타설하여 장비가 진입하기 때문에 Fig.

이론/모형

Yamanouchi 경험식과 달리 원지반 내의 이질층을 고려하며 지지력을 이용한 토목섬유 인장력을 계산할 수 있는 수식으로 Meyerhof 방법을 사용할 수 있다. 기존 Meyerhof의 얕은기초 지지력 공식을 수정하여 토목섬유의 인장력을 수식에 포함시켜 지지력과 함께 식 (2)와 같이 유도할 수 있다.
연약 점성토가 하부에 존재하고 상부에 사질토가 존재하는 이질 지반에 대한 지지력 검토식으로 Meyerhof 수식 (2)을 사용된다. 토목섬유의 인장력을 고려할 수 있도록 Yamanouchi의 경험적인 수식을 변형된 공식이다.

성능/효과

(2) 지오텍스타일을 지반 내에 포설한 뒤 상재하중에 의한 수직 변형률을 측정한 결과, 지오텍스타일 위 지반과 아래지반의 수직 변형률은 대략 10배 정도의 차이가 발생하고 있음을 확인할 수 있었다.
(3) 장비진입을 가정한 100kPa 상재하중으로 지반 내 응력증가분을 비교할 때, 무보강에서 봉합인장강도 80%으로 증가한다면 최대 35kPa의 응력증가분을 감소시킬 수 있었다. 또한, 기존 원단강도의 50% 봉합인장강도에서 접합기술 개발로 인해 80%로 증가된다면 지오텍스타일 포설 바로 아랫부분에서 대략 30kPa 까지 지반의 지지력을 증가시키는 것으로 분석된다.
(3) 장비진입을 가정한 100kPa 상재하중으로 지반 내 응력증가분을 비교할 때, 무보강에서 봉합인장강도 80%으로 증가한다면 최대 35kPa의 응력증가분을 감소시킬 수 있었다. 또한, 기존 원단강도의 50% 봉합인장강도에서 접합기술 개발로 인해 80%로 증가된다면 지오텍스타일 포설 바로 아랫부분에서 대략 30kPa 까지 지반의 지지력을 증가시키는 것으로 분석된다.
본 연구에서는 국내외 토목섬유매트(geotextile mat)의 봉합방법과 인장강도 비교를 통해 최적의 봉합기술에 대한 경향을 파악하였으며, 토목섬유매트의 인장강도 향상이 지반 지지력의 증가율에 많은 영향을 끼치고 있음을 확인할 수 있었다. 특히 현장에서는 butterfly seams를 이용하여 토목섬유매트의 봉합 인장강도를 최대한 발휘할 수 있는 봉합기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.
(2008)은 지오텍스타일 튜브의 봉합거동을 이론적인 연구와 실험을 통하여 효율적인 봉합구조와 합리적인 설계 강도의 결정에 대해 고찰하였다. 봉합사의 강도가 유사한 경우 봉합형태가 봉합인장 강도에 주요한 영향을 미치며, 봉합 이후 봉합사의 긴장상태도 실험 중에 영향을 미치고 있음을 확인하였다. Yuu et al.
지오텍스타일 원단강도의 50% 강도를 봉합인장강도로 인정하는 현재 시공기준으로는 진입 장비의 제한적인 하중과 경제적인 손실이 점점 커져가고 있다. 수치해석으로 얻은 그래프의 예측 결과는 50%의 봉합인장강도를 80%까지 향상시킨다면 지반 내의 지지력 증가분은 최대 30kPa까지 저감시킬 수 있을 것을 판단된다.
(1) 국내외 토목섬유매트의 봉합방법과 봉합인장강도 비교를 통해 최적의 봉합기술에 대한 방법을 파악하였다. 원단강도 216.1kN/m인 직포섬유(woven geotextile)를 다양한 봉합방법으로 비교할 때, butterfly seam 방법의 봉합인장강도는 194.5kN/m 로 원단강도의 90%까지 지지력을 발휘할 수 있었다. 현장에서 공기단축과 시공편의를 위해 일반적으로 50∼60%정도 봉합인장강도를 발휘하는 overlap seam 방법으로 이루어지고 있기 때문에 지지력 증대를 위해 봉합인장강도를 향상시킬 수 있는 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서 적용한 수치해석에서는 보유하고 있는 상용프로그램의 입력데이터의 제한적인 사용으로 위 2가지 방법의 수식을 이용한 결과와는 비교하지 못하였다. 연약 지반 개량을 위한 시공 시 진입하는 장비들의 주행성 평가를 위하여 향후 시공으로 손상되는 토목섬유 허용인장강도와 비교하기 위해 재료의 물리적 특성을 빔(beam) 재료 특성으로 대체하여 본 연구의 수치해석을 수행하였다.
따라서 토목섬유의 봉합에 대한 인장강도를 적절하게 계산하고 연약지반에 진입할 수 있는 장비주행성을 평가해야한다. 수식 (3)에서 제시한 토목섬유의 허용인장강도의 크기를 산정할 수 있으며 이러한 크기를 봉합인장강도로 적용하여 연약지반 위에 놓인 토목섬유매트의 안정성을 계산할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토목섬유매트끼리의 봉합이 필요한 이유는?	과거의 토목섬유 매트는 넓은 폭으로 만들어왔지만, 오늘날의 토목섬유매트는 제한된 폭 인 4∼6m로 제작되고 있다. 따라서 더 큰 면적을 포설하기 위해서는 토목섬유매트끼리의 봉합이 필요하다.
	butterfly seams란 무엇인가?	국외에서 사용하는 방법들이지만 prayer seams는 원단강도의 20%, staple seams는 원단강도의 25∼70% 강도를 발휘한다. 봉합인장강도를 가장 증진시키는 봉합기술 butterfly seams는 staple seams의 변형된 방법으로 원단강도의 90%까지의 높은 강도를 발휘할 수 있고 우수한 결합 특성을 가지고 있다. 또한, 봉합기술인 cap seams는 overlap seams의 변형된 방법으로 비슷한 강도를 발휘할 수 있다(Table 2).
	연약지반에서 시공 장비의 주행성(trafficability) 검토를 위해서는 적용되는 방법은 무엇이 있는가?	일반적으로 연약지반에서 시공 장비의 주행성(trafficability) 검토를 위해서는 적용되는 방법은 Yamanouchi의 반경험적 방법과 Meyerhof의 지지력 공식에서 유도한 방법이 있다. Fig.

참고문헌 (9)

An, B.-W., Lim, D.-Y., Lee, K.-Y., Chung, C.-G. and Jeon, H.-Y. (2009) "Interpretation of Geogrids Junction and Tensile Behaviors by Finite Element Analysis", Textile Science and Engineering, Vol.46, No.4, pp.239-244.
Yuu, J., Oh, Y.-I. and Jeon, H.-Y. (2007), "A Comprehensive Consideration on the Seam Strength of Geotextile Tubes: (1) failure behaviors and the required strength", Korean Geosynthetics Society, Vol.2007, No.11, pp.241-246.
Yuu, J., Oh, Y.-I. and Jeon, H.-Y. (2008), "A Comprehensivie Consideration on the Seam Strength of Geotextile Tubes: (2) Basics of the Stitching Seam", Korean Geosynthetics Society, Vol.2008, No.4, pp.215-210.
Jeon, H. Y., Yuu, J. J. and Chang, Y. C. (2008), "Seaming Behaviors Interpretation of Geotextile Tube", Fall Geotechnical Engineering Conference, Vol 2008, pp.1593-1603.
Gerard P.T.M. and van Santvoort (1994), "Geotextiles and Geomembranes in Civil Engineering", revised edition, A.A. Balkema, Rosmalen, Netherlands.
GeoStudio (2016), User manual of Slope/W and Sigma/W, Calgary, Canada.
Leshchinsky, D. (2004), "Design software for soft soils," Geotechnical Fabrics Report, March, Vol.22, Number 2, pp.18-23.
Meyerhof, G. G. (1974), "Ultimate Bearing Capacity of Footings on Sand Layer Overlying Clay", Canadian Geotechnical Journal, Vol.11, No.2, pp.224-229.
Yamanouchi, T. (1985), "Recent development in the used synthetic geofabrics and geogrids," Symposium on Recent Developments in Ground improvement techniques, Bangkok, pp.205-224.

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