[논문]평판재하시험을 이용한 공동 복구재료의 지지특성에 관한 현장실험

박정준; 신희수; 김동욱; 유승경; 윤중만; 홍기권

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.293

[국내논문] 평판재하시험을 이용한 공동 복구재료의 지지특성에 관한 현장실험
A Field Test on Bearing Capacity Characteristics of Materials for Ground Cavity Restoration Based on Plate Bearing Test 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.17 no.4, 2018년, pp.293 - 304

박정준 (Incheon Disaster Prevention Research Center, Incheon National University) , 신희수 (Institute of Technology Research and Development, UCI Tech co. Ltd.) , 김동욱 (Dept. of Civil and Environmental Engineering Incheon National University) , 유승경 (Dept. of Civil Engineering, Myongji College) , 윤중만 (Dept. of Construction Information System, ShinAnsan University) , 홍기권 (Institute of Technology Research and Development, Korea Engineering & Construction)

초록
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본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위하여 개발된 복구재료를 이용하여 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 또한 실험결과를 이용하여 복구재료에 대한 지지력을 비교하였으며, 하중지지특성을 분석하였다. 시험 결과, 팽창매트를 지표로부터 각각 0.1m, 0.2m 하부에 매설한 경우에 원지반의 최대 응력조건에서의 지지효과는 약 66%~70% 정도인 것으로 분석되었지만, 매설깊이에 따른 지지효과의 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 콘크리트매트가 적용된 경우의 지지효과는 원지반에 비하여 약 82%~90%로 나타났으며, 팽창매트로 보강된 경우에 비해서도 약 50% 정도의 지지효과를 보였다. 그리고 복구재료에 따른 허용지지력을 분석한 결과, 팽창매트와 콘크리트매트가 매설된 경우의 허용지지력은 원지반 대비 각각 약 130%~150%와 약 160% 이상을 확보하는 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper described a results of field test based on plate bearing test of the restoration material, which was developed to restore the ground cavity due to sewerage damage. The analysis of bearing capacity characteristics on the restoration materials was performed by experimental results. The results showed that the load bearing capacity in the maximum stress condition of the foundation ground is about 66%-70%, when the expansion mat is embedded at the bottom of 0.1 m and 0.2 m from the ground surface. However, The load bearing capacity of expansion mat according to embedded depth was not large. The load bearing capacity of concrete mats was about 82%-90% compared with that of ground surface, and it showed about 50% of the load bearing capacity compared with the expansion mat. As a result of analysis of allowable bearing capacity according to restoration materials, it was confirmed that the allowable bearing capacity of the expansion mat and the concrete was about 130%-150% and about 160% more than the foundation ground, respectively.

Keyword

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Field tests site
그림 Fig. 2. Test results for engineering properties of soil
표 Table 1. Summary of soil properties
그림 Fig. 3. Materials for ground cavity restoration
그림 Fig. 4. Field tests details
그림 Fig. 5. Plate bearing test cases & installation depth of restoration materials from ground surface
그림 Fig. 6. Procedure of field tests
그림 Fig. 7. Test results of foundation ground
그림 Fig. 8. Test results of ground applied in expansion mat - directly on the ground surface
그림 Fig. 9. Test results of ground applied in expansion mat - G.L. -0.1m
그림 Fig. 10. Test results of ground applied in expansion mat - G.L. -0.2m
그림 Fig. 11. Test results of ground applied in concrete mat - directly on the ground surface
그림 Fig. 12. Test results of ground applied in concrete mat - G.L. -0.1m
그림 Fig. 13. Test results of ground applied in concrete mat - G.L. -0.2m
그림 Fig. 14. Comparison of stress-settlement curve according to restoration materials
그림 Fig. 15. Comparison of allowable bearing capacity according to restoration materials
표 Table 2. Allowable bearing capacity of ground according to restoration materials

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위하여 개발된 복구재료를 이용하여 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 이를 통해 복구재료에 대한 지지력 비교와 하중지지특성을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 복구하기 위하여, 지중매설물을 교체해야 하는 개착식 현장에 적용할 수 있는 다양한 복구재료에 대한 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 또한 실험결과를 이용하여 복구재료에 대한 지지력을 비교하였으며, 하중지지특성을 분석하였다.
개착식 공동복구를 위한 목적으로 개발된 팽창매트와 콘크리트매트로 보강되는 지반은 토사유실에 따른 공동발생이나, 과도한 상부하중이 재하되더라도 지반함몰의 재발생이 나타나지 않아야 하기 때문에, 이를 평가하기 위한 평판재하시험을 수행하였다. 평판재하시험은 KS F 2444(2018)에 의거하여 실시하였으며, 현장실험 내용 및 과정을 Fig.
본 연구에서는 제한적인 매설깊이에 따라 복구재료의 개별적인 지지특성을 분석하였다. 그러나 요구되는 개착식 복구상황에 따른 적용성 확대를 위해서는 팽창매트와 콘크리트매트를 복합적으로 매설하는 경우의 지지특성과 함께, 현장실험으로 구현하기 어려운 다양한 조건에 대하여 수치해석적 연구가 추가 수행될 필요가 있을 것으로 사료된다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 복구하기 위하여, 지중매설물을 교체해야 하는 개착식 현장에 적용할 수 있는 다양한 복구재료에 대한 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 또한 실험결과를 이용하여 복구재료에 대한 지지력을 비교하였으며, 하중지지특성을 분석하였다.
전술한 바와 같이, 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위한 복구재료에 2종류를 활용하였다. 먼저, 팽창매트는 폴리올과 MDI계 이소시아네이트로 구성되는 각각의 액제 기반의 팽창재료를 불투수성의 신장성 섬유로 제작된 매트에 주입된 후, 액제가 혼합․팽창을 통해 일정한 팽창성능과 강도를 확보하게 되는 재료이다.
먼저, 팽창매트는 폴리올과 MDI계 이소시아네이트로 구성되는 각각의 액제 기반의 팽창재료를 불투수성의 신장성 섬유로 제작된 매트에 주입된 후, 액제가 혼합․팽창을 통해 일정한 팽창성능과 강도를 확보하게 되는 재료이다. 팽창재료의 특성은 기존 연구(Park et al., 2018b)에서 규명된 바 있으며, 시트의 경우에는 상하로 팽창이 억제되고 전후좌우 방향으로 신장성의 필름을 적용하여 자유팽창이 가능하도록 유도하였다. 또한 육면체의 구조로 조적이 가능하여 공동 또는 시공이 요구되는 규모에 따라 다수의 팽창매트를 조적하는 방식으로 시공이 가능하도록 개발되었다(Fig.
, 2018b)에서 규명된 바 있으며, 시트의 경우에는 상하로 팽창이 억제되고 전후좌우 방향으로 신장성의 필름을 적용하여 자유팽창이 가능하도록 유도하였다. 또한 육면체의 구조로 조적이 가능하여 공동 또는 시공이 요구되는 규모에 따라 다수의 팽창매트를 조적하는 방식으로 시공이 가능하도록 개발되었다(Fig. 3(a)).
4와 같이, 평판재하시험에 적용하기 위한 팽창매트는 내부 팽창재료의 충분한 팽창성과 강도를 확보하기 위하여 팽창 후 4시간 동안 경화되도록 하였다. 그리고 콘크리트매트는 토목섬유 보강재 사이에 위치한 시멘트의 최소한의 강성 확보를 위하여 72시간동안 경화되도록 하였다. 평판재하시험의 종류는 각각의 복구재료와의 정량적 비교를 위하여 대조군이 형성되도록 복구재료 미적용 상태의 원지반 표면과 함께, 각 복구재료의 설치 위치(지표면 직하, G.
그리고 콘크리트매트는 토목섬유 보강재 사이에 위치한 시멘트의 최소한의 강성 확보를 위하여 72시간동안 경화되도록 하였다. 평판재하시험의 종류는 각각의 복구재료와의 정량적 비교를 위하여 대조군이 형성되도록 복구재료 미적용 상태의 원지반 표면과 함께, 각 복구재료의 설치 위치(지표면 직하, G.L. -0.1m, G.L. -0.2m)에 따라 실시하였다(Fig. 5).
현장실험 과정을 요약하면, 외부에 노출된 대상현장의 표층 0.5m를 제거한 후, 10개소의 대상구역에 대하여 0.6m 깊이로 굴착을 실시하였다. 그리고 Fig.
6m 깊이로 굴착을 실시하였다. 그리고 Fig. 5와 같이 지표면 직하 및 지표로부터 0.1m와 0.2m의 깊이에 각 시험종류에 따른 복구재료를 포설한 후, 토사를 되메움하여 동일한 다짐에너지를 적용하여 다짐을 실시함으로서 복구된 지반을 모사하였다. 이 때, 복구재료 미적용 구간의 경우에도 동일한 깊이로 굴착 후 다짐시공을 실시하여, 복구재료가 적용된 경우와 동일한 조건을 모사하여 평판재하시험을 실시하였다.
2m의 깊이에 각 시험종류에 따른 복구재료를 포설한 후, 토사를 되메움하여 동일한 다짐에너지를 적용하여 다짐을 실시함으로서 복구된 지반을 모사하였다. 이 때, 복구재료 미적용 구간의 경우에도 동일한 깊이로 굴착 후 다짐시공을 실시하여, 복구재료가 적용된 경우와 동일한 조건을 모사하여 평판재하시험을 실시하였다.
평판재하시험의 하중단계는 98kPa 이하 또는 시험 목표하중의 1/6이하로 6단계에 걸쳐 수행하였으며, 각 단계별 하중 증가 후 최소 15분 이상 하중을 유지하도록 하였다. 또한 지반침하의 측정은 정밀도 0.
01mm이하가 되거나, 1분간의 침하량이 누적침하량의 1% 이하가 되면 침하의 진행이 정지된 것으로 판단하였다. 항복하중강도는 시험결과를 이용하여 P-S, LogP-LogS, S-logt의 곡선을 도시하여 산정하였다.
평판재하시험 결과를 이용한 허용지지력은 최대 시험 하중강도와 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 안전율을 3으로 적용하였으며, 응력, 침하량, 시간과의 관계를 이용하는 경우에는 항복하중강도에 안전율 2를 반영하여 산정하였다.
본 연구에서는 하수관 손상 등과 같은 원인에 의해 발생한 공동을 개착식으로 복구하기 위하여 개발된 복구재료를 이용하여 평판재하시험 기반의 현장실험을 실시하였다. 이를 통해 복구재료에 대한 지지력 비교와 하중지지특성을 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
평판재하시험의 하중단계는 98kPa 이하 또는 시험 목표하중의 1/6이하로 6단계에 걸쳐 수행하였으며, 각 단계별 하중 증가 후 최소 15분 이상 하중을 유지하도록 하였다. 또한 지반침하의 측정은 정밀도 0.01mm의 변위계를 이용하여 하중 재하가 된 시점에서부터 하중이 일정하게 유지되는 15분까지 1, 2, 3, 5 10, 15분에 각각 침하량를 측정하였다. 그리고 15분간 침하량이 0.

대상 데이터

평판재하시험 기반의 현장실험은 인천에 위치한 유휴부지에서 실시되었으며, Fig. 1은 실험계획에 의거하여 각각의 복구재료 매설을 위한 실험부지의 전경을 나타낸 것이다. 또한 현장 지반의 공학적 특성을 파악하기 위한 실내시험 결과를 요약하면 Fig.

이론/모형

개착식 공동복구를 위한 목적으로 개발된 팽창매트와 콘크리트매트로 보강되는 지반은 토사유실에 따른 공동발생이나, 과도한 상부하중이 재하되더라도 지반함몰의 재발생이 나타나지 않아야 하기 때문에, 이를 평가하기 위한 평판재하시험을 수행하였다. 평판재하시험은 KS F 2444(2018)에 의거하여 실시하였으며, 현장실험 내용 및 과정을 Fig. 4, Fig. 5 및 Fig. 6에 나타내었다.

성능/효과

흙 시료의 비중은 2.67로서, 4.2%의 소성지수를 갖는 실트질 또는 약간의 점토질이 포함된 흙으로 확인되었으며, 체분석과 비중계분석을 통한 흙의 종류는 통일분류법에 의해 실트질모래(SM)인 것으로 나타났다. 그리고 다짐시험 결과, 최대건조단위중량과 최적함수비는 각각 19.
2%의 소성지수를 갖는 실트질 또는 약간의 점토질이 포함된 흙으로 확인되었으며, 체분석과 비중계분석을 통한 흙의 종류는 통일분류법에 의해 실트질모래(SM)인 것으로 나타났다. 그리고 다짐시험 결과, 최대건조단위중량과 최적함수비는 각각 19.3kN/m³ 및 11%인 것으로 파악되었다.
7은 복구재료가 적용된 지반의 지지력과 비교를 위한 원지반의 지지력시험 결과를 나타낸 것이다. 최대 시험 하중강도는 339.5kPa이고, 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 325kPa로 확인되었으며, 이 때 허용지지력은 각각 113.2kPa, 108.3kPa로 나타났다. 항복하중강도는 P-S 곡선과 S-log t 곡선에 의한 하중강도 값으로 확인 할 수 있었으며, 각각 213kPa, 339.
3kPa로 나타났다. 항복하중강도는 P-S 곡선과 S-log t 곡선에 의한 하중강도 값으로 확인 할 수 있었으며, 각각 213kPa, 339.5kPa이고, 이 때 허용지지력은 106.5kPa, 169.8kPa으로 산정되었다. 따라서 허용지지력은 최소값으로 나타난 P-S 곡선에 의해 106.
10은 팽창매트가 적용된 지반에 대하여 매설 깊이에 따른 지지력시험 결과를 나타낸 것이다. 먼저, 팽창매트가 지표면 직하에 매설된 경우, 최대 시험하중강도는 424.4kPa로 나타났으며, 재하판 직경 10% 침하량에 부합하는 하중강도는 349kPa로서, 허용지지력은 각각 141.5kPa, 116.3kPa으로 산정되었다. 항복하중강도는 P-S 곡선에 의해 확인할 수 있었으며, 허용지지력이 100.
그리고 팽창매트를 지표로부터 각각 0.1m, 0.2m 하부에 매설한 경우, 339kPa의 응력조건에서 침하량은 원지반 대비 약 30%∼34% 정도만 발생한 것으로 미루어, 지중에서 침하량이 감소된 만큼의 지지효과를 보유한 것으로 판단하였다.
3kPa인 것을 알 수 있었다. P-S 곡선, Log P-Log S 곡선 및 S-Log t 곡선의 항복하중강도에 의한 허용지지력은 각각 190kPa, 162.5kPa, 212.2kPa인 것으로 확인되었다. 마지막으로, 지표로부터 0.
2kPa인 것으로 확인되었다. 마지막으로, 지표로부터 0.2m 깊이에 팽창매트가 매설된 경우에는 Log P-Log S 곡선에 의한 허용지지력 137.5kPa이 최소값으로 나타났다.
13은 콘크리트매트가 적용된 지반에 대하여 매설 깊이에 따른 지지력시험 결과를 나타낸 것으로 허용지지력의 산정은 앞선 팽창매트 적용의 경우와 동일하다. 그 결과, 콘크리트매트가 매설된 모든 깊이에 대한 허용지지력은 최대 시험하중강도에 의해 약 170kPa로 유사하게 나타났으며, 매설깊이(지표면 직하, G.L. -0.1m, G.L. -0.2m)에 따른 침하량은 각각 9.63mm, 4.68mm, 5.20mm인 것을 알 수 있었다. 이 때, 모든 시험에 있어서 재하판직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 확인할 수 없었다.
먼저, Fig. 14(a)에서 보는 바와 같이, 팽창매트가 지표면 직하에 매설된 경우, 동일한 응력조건에서의 침하량은 복구재료가 적용되지 않은 경우에 비하여 최대 약 4mm정도 작게 발생하였으며, 응력-침하곡선의 경향을 바탕으로 지지거동에는 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다. 그리고 팽창매트를 지표로부터 각각 0.
2m 깊이에 매설된 경우, 339kPa의 동일한 응력조건에서 발생한 침하량은 원지반 대비 약 10%∼18%에 해당하는 것으로 분석되었으며, 응력-침하 거동 또한 유사한 것을 알 수 있었다. 그리고 침하량은 원지반을 제외하고 지표면 직하에 매설하였을 때에 가장 크게 나타났지만, 그 크기는 약 5mm 정도로서, 동일 조건에서 팽창매트로 보강된 경우와 비교해도 약 50% 정도의 침하량 감소 효과를 보이는 것으로 판단되었다.
(1) 응력-침하 관계로부터, 팽창매트를 지표로부터 각각 0.1m, 0.2m 하부에 매설한 경우에 원지반의 최대 응력조건에서의 지지효과는 약 66%∼70% 정도인 것으로 분석되었지만, 매설깊이에 따른 지지효과의 차이는 크지 않은 것으로 확인되었다.
그리고 팽창매트를 매설한 경우에도 약 130%∼150% 정도의 허용지지력을 확보하는 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과로부터 지표에서 발생하는 사용하중에 대하여 큰 지지력을 확보하기 위해서는 콘크리트매트를 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(2) 콘크리트매트가 적용된 경우의 원지반 최대 응력조건에 대한 지지효과는 약 82%∼90%로 분석되었으며, 동일 조건에서 팽창매트로 보강된 경우에 비해서도 약 50% 정도의 지지효과를 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
(3) 복구재료에 따른 허용지지력을 분석한 결과, 콘크리트매트가 매설된 경우가 원지반 대비 약 160% 이상의 허용지지력을 확보하는 것으로 분석되었다. 그리고 팽창매트를 매설한 경우에도 약 130%∼150% 정도의 허용지지력을 확보하는 것으로 나타났으며, 이와 같은 결과로부터 지표에서 발생하는 사용하중에 대하여 큰 지지력을 확보하기 위해서는 콘크리트매트를 활용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
5kPa로 산정되었다. 그리고 팽창매트가 지표로부터 0.1m에 매설된 경우, 최대 시험하중강도와 재하판 직경 10% 침하량에 대응하는 하중강도는 각각 503.9kPa 및 478kPa로 나타나 허용지지력은 각각 169.7kPa과 159.3kPa인 것을 알 수 있었다. P-S 곡선, Log P-Log S 곡선 및 S-Log t 곡선의 항복하중강도에 의한 허용지지력은 각각 190kPa, 162.
2m 하부에 매설한 경우를 보면, 지지 효과의 차이가 크지 않은 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 팽창매트의 지지효과를 확보하기 위해서는 매설깊이가 0.1m 이상이 되어야 할 것으로 판단되었다.

후속연구

본 연구에서는 제한적인 매설깊이에 따라 복구재료의 개별적인 지지특성을 분석하였다. 그러나 요구되는 개착식 복구상황에 따른 적용성 확대를 위해서는 팽창매트와 콘크리트매트를 복합적으로 매설하는 경우의 지지특성과 함께, 현장실험으로 구현하기 어려운 다양한 조건에 대하여 수치해석적 연구가 추가 수행될 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공동의 복구 방법은 어떻게 구분할 수 있는가?	한편, 지중의 공동에 기인한 지반함몰 피해를 사전에 방지하거나 또는 그 피해를 최소화하기 위해서는 지반함몰 발생원인 규명, 장기적인 유지관리와 함께, 지반함몰을 유발하는 원인자인 공동에 대한 복구대책 마련이 매우 중요하다. 공동의 복구 방법은 공동발생 지반의 개착여부에 따라 크게 비개착식과 개착식으로 구분할 수 있다. 비개착식 공동복구 방법은 그라우팅 공법이 대표적이며, 이는 공동탐사결과의 확인을 실시하는 확인천공을 이용하기 때문에, 교통통제 등과 같은 사회적 비용을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다.
	지반함몰을 유발하는 가장 큰 원인은 무엇인가?	최근 도심지에서 종종 발생하고 있는 지반함몰 현상은 주로 지하공간의 개발 및 활용에 따른 토사 유출 등에 의해 나타나고 있다. 특히, 지중에 시공된 하수관거의 노후화, 흙막이 및 터널 굴착공사 등에 의한 지반함몰 발생은 전체 발생건수 대비 95% 이상을 차지하는 것으로 보고된 바 있다(The Seoul Institute, 2016).
	대표적인 비개착식 공동의 복구 방법의 장점은 무엇인가?	공동의 복구 방법은 공동발생 지반의 개착여부에 따라 크게 비개착식과 개착식으로 구분할 수 있다. 비개착식 공동복구 방법은 그라우팅 공법이 대표적이며, 이는 공동탐사결과의 확인을 실시하는 확인천공을 이용하기 때문에, 교통통제 등과 같은 사회적 비용을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 그라우트 재료의 유동성에 따라 지반 내 간극까지 충진할 수 있는 성능을 보유하고 있다. 그러나 시멘트계 모르타르와 약액을 함께 사용하고 정량적인 요구량 주입이 어려우며, 종종 검증되지 않은 재료의 사용으로 환경적인 문제를 야기할 수 있는 것으로 보고된 바 있다(Yu et al.

참고문헌 (13)

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Park, J. J., Kim, J. H., Kim, K. S., Kim, D. and Hong, G. (2018a), "Evaluation on Behavior Characteristics of a Pocketable Expansion Material for Ground Cavity Based on Wheel Tracking Test Results", Journal of the Society of Disaster Information, Vol.14, No.1, pp.79-88.
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You, S. K., Kim, J. B., Han, J. G., Hong, G. G., Youn, J. M. and Lee, k. I. (2017), "A Study on Simulation of Cavity and Relaxation Zone using Finite Element Method", Journal of Geosynthetics Society, Vol.16, No.4, pp.67-74.
Yu, N. J., Choi, J. H. and Lee, K. I. (2017), "Fundamental Study on the Development of Filling Materials for Trenchless Emergency Restoration of Ground Cavity", Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.2, pp.97-107.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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