[논문]항만 구조물의 내진성능 향상을 위한 배면 지반의 보강방안에 관한 연구

김병일; 홍강한; 김진해; 한상재

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.151

항만 구조물의 내진성능 향상을 위한 배면 지반의 보강방안에 관한 연구
The Study on Improvement Methods for The Seismic Performance of Port Structures 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.151 - 165

김병일 (Expert Group for Earth and Environment) , 홍강한 (Expert Group for Earth and Environment) , 김진해 (Expert Group for Earth and Environment) , 한상재 (Expert Group for Earth and Environment)

초록
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본 연구에서는 저유동성 몰탈 채움을 통한 기존 항만 구조물의 내진성능 향상을 위해 시공 위치에 따라 4가지(자중증가, 활동력 감소 등) 보강방안을 제시하였으며, 이론적 방법 및 수치해석적 방법으로 보강 시 효과(안정성, 시공성, 경제성)를 분석하여 최적 방안을 제시하였다. 본 연구 결과 인공지진파를 적용한 동적 시간이력해석을 수행한 결과 보강 후 수평변위는 보강 전 수평변위에 비해 감소하였으나 보강 방안별 지진시 변위 억제 효과는 큰 차이가 없는 것으로 평가되었다. 강도감소법과 한계평형해석법을 적용하여 원호활동 파괴특성을 검토한 결과 수동말뚝 형태의 개량 방안이 다른 보강방법에 비해 안전성이 높은 것으로 평가되었다. 이는 보강체로 인해 활동 파괴면의 전단강도가 증가하였기 때문이다. 또한, 시공성 및 경제성을 분석한 결과 토압 저감형태(Type 02)와 수동말뚝 형태(Type 03)가 우수한 것으로 나타났다. 다만, 수동말뚝 형태의 경우, 설계법 적용 사례가 미미하고, 지반 조건에 따라 시공이 불가하거나 경제성이 급격히 저감되는 등 여러 가지 제약조건을 가지고 있어 적용시 주의가 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the four types of improvement methods (increase self weight and reducing sliding force etc.) were proposed depending on install location with compaction grouting to improve seismic performance of existing port structure and optimal methods by analyzing the effects of improvement (stability, constructability and economy) by theoretical and numerical methods. From the dynamic time history analysis for artificial seismic waves, the results indicated that the horizontal displacement after improvement decreased compared to before improvement, however the displacement reduction effect among improvement methods was not significantly different. Slope stability based on the strength reduction method and the limit equilibrium analysis method, it is confirmed that the passive pile method is more safe than other methods. It is due to the shear strength at the failure surface is increased. In addition, the analysis of constructability and economy showed that the reduction of earth pressure method (type 02) and the passive pile method (type 03) are excellent. However, in the case of the passive pile method is concerned that there is a shortage of design cases and the efficiency can be reduced depend on various constraints such as ground conditions.

주제어

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. Section for seismic performance evaluation
그림 Fig. 2. Numerical Analysis Section
표 Table 1. Stability (Before improvement)
표 Table 2. Design parameters (Static properties)
표 Table 3. Design parameters for low-flow mortar material
그림 Fig. 3. Improvement types
그림 Fig. 4. Shear plane method (Han, 2015) (Type 03)
표 Table 4. Stability evaluation method with the improvement types
그림 Fig. 5. Stability evaluation method (Type 04) (Modified MOF, 2017)
그림 Fig. 6. Earth pressure with improvement types
그림 Fig. 7. Quasi-static displacement characteristics with improvement types
그림 Fig. 8. Load-displacement with improvement types
그림 Fig. 9. Displacement of improvement soils for type 03
표 Table 5. Reducing effect of displacement
그림 Fig. 10. Time-displacement characteristics
표 Table 6. Design parameters (dynamic properties)
표 Table 7. Stability with the improved alternatives
그림 Fig. 11. Slope stability by strength reduction method
그림 Fig. 12. Slope stability by limit equilibrium method
그림 Fig. 13. Shear plane and shear stress of improved soil
그림 Fig. 14. Improvement plan with improvement types
표 Table 8. Internal stability of the improved soil
표 Table 9. Economic and constructability analysis
표 Table 10. Self-weight at the virtual planes with improvement types
그림 Fig. 15. Earth pressure with Type 02 and Type 03

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 중력식 항만 구조물의 배면 지반보강을 위한 공법으로 적용 빈도가 가장 높은 저유동성 몰탈 채움 공법을 적용하고, 보강 방안에 대한 기존 사례 등을 참조 하여 동일 단면에 대한 다양한 보강 형태에 따른 안정성과 내진성능 향상 효과를 평가하고 각 보강 방안에 대한 고찰 등을 제시 하였다. 또한, 내진성능 향상 효과, 시공성 및 경제성 등을 고려한 최적의 배면지반 보강 방안을 제시하였다.

제안 방법

본 연구에서는 중력식 항만 구조물의 배면 지반보강을 위한 공법으로 적용 빈도가 가장 높은 저유동성 몰탈 채움 공법을 적용하고, 보강 방안에 대한 기존 사례 등을 참조 하여 동일 단면에 대한 다양한 보강 형태에 따른 안정성과 내진성능 향상 효과를 평가하고 각 보강 방안에 대한 고찰 등을 제시 하였다. 또한, 내진성능 향상 효과, 시공성 및 경제성 등을 고려한 최적의 배면지반 보강 방안을 제시하였다.
본 고찰에서는 이론적 방법과 수치해석을 통해 두 방안에 대한 토압 저감 효과를 정량적으로 평가하였다. 수치해 석 결과는 아래의 Fig.
본 연구에서는 동토압(Mononobe and Matsuo,1929, and Okabe, 1926)의 작용 위치에 수평하중(=k_h ⋅ W)을 총 3단계에 걸쳐 단계적으로 증가시켜 가면서 구조물 위치별 변 위를 예측하는 유사정적 해석을 수행하였다. 해석은 지반 범용 유한요소 해석 프로그램인 Plaxis V.
130g를 적용하였다. 외적 안정성 검토결과 지진시 지지력과 활동에 대한 보강이 요구되므로 배면의 뒤채움 사석구간에 저유동성 몰탈 채움공법을 적용하는 것으로 계획하였다.
그러나, 본 보강 방안에 대한 내진성능 향상에 관한 공학적 효과와 시공성 및 경제성 등에 대한 체계적인 비교 연구 결과가 없어, 다양한 형태로 설계 및 보강되고 있다. 이에 본 연구 에서는 중력식 항만 구조물의 배면 지반보강을 위한 공법 으로 적용 빈도가 가장 높은 몰탈채움 공법을 적용하여, 각 보강 방안에 대하여 동일 단면으로 안정성과 내진성능 향상 효과 및 경제성 등을 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서 대상으로 한 사례 단면은 퇴적층 하부를 굴착 한 후 기초 사석과 콘크리트 블록을 축조한 전형적인 중력식 항만 구조물이며 Fig. 1과 같다.

이론/모형

본 절에서는 보강 방안별 연구 대상단면의 전단파괴 특성을 평가하고자 강도감소법(SRM, Stress Reduction Method; Plaxis)과 한계평형해석법(LEM, Limit Equilibrium Method; Slope/W)을 적용하였고, 강도감소법의 파괴면과 한계평 형해석에서 원호활동 파괴면의 특징을 분석하였다. 단순한 형태의 경우 두 방법의 이론적 안전율은 동일하지만, Han (2015)에 따르면 한계평행해석의 경우 말뚝식 개량체의 휨이나 회전 파괴를 평가할 수 없으므로 강도감소법도 함께 검토해야 함을 제시한 바 있다.
다만, 토압이 “Negative”인 경우 작용하지 않는 것으로 하였다. 블록식 구조물 배면에서의 토압은 뒷 굽이 짧을 경우임을 고려하여 Coulomb 토압이론을 적용하였다. (b)의 경우 기존 구조물에 대하여는 개량체에 의 한 토압 감소효과를 고려하였고, 개량체 외부에서는 토압 감소를 고려하지 않았다.
Table 1에 제시된 안정성 검토에서 사용된 지반 및 개량체 관련 정수는 Tables 2∼3과 같다. 해 석시 일반적인 지반은 Mohr-coulomb 모델을 적용하였으며, 개량체의 경우 배치간격 및 개량율을 고려하여 점착력 및 마찰각을 적용하였다. 수위는 전면은 저수위(L.

성능/효과

(1) 지진파를 적용한 동적 시간이력 해석 결과 보강 전 지 진시 수평변위에 비하여 보강 후 수평변위는 감소하였으나, 정적 변위와 달리 보강방안 별 감소된 동적 수평 변위는 유사한 것으로 나타났다.
(2) 지진시 보강 방안별 원호활동에 대한 안정성 검토 결과 수동말뚝형태(Type 03)가 다른 보강 방안에 비하여 안전율 증가 폭이 큰 것으로 평가되었다.
(3) 보강방안별 시공성 및 경제성에 대한 검토 결과 토압 저감형태(Type 02)와 수동말뚝형태(Type 03)의 보강 방안이 시공성 및 경제성 부분에서 우수하며, 토압 제 거형태(Type 04)가 시공성 및 경제성 부분에서 가장 비효율적인 것으로 나타났다.
(4) 자중을 증가시키고자 뒷굽 상부 및 끝단에 보강을 실시하는 경우(Type 01)는 토압을 감소시키고자 뒷굽 끝단부터 보강이 적용된 형태와 유사하므로 효율성이 높지 않은 것으로 나타났다.
(5) 내진성능 향상 효과, 시공성 및 경제성을 분석한 결과 수동말뚝 형태의 개량 방안(Type 03)이 가장 우수한 것으로 나타났다. 그러나, 저유동성 몰탈 채움공법에 대한 수동말뚝 설계법의 적용성 문제, 단계별 인상과 채움에 따른 개량체의 품질에 대한 불확실성, 지반고 정점 또는 가상고정점 발생 심도에 대한 불확정성 및 저유동성 몰탈 채움공법의 시공한계성(경질층에서의 확장 등) 등을 고려할 경우, 본 형태는 여러 가지 제약 조건이 있으므로 적용시 주의가 요구된다.
(6) 지반파괴 범위까지 저유동성 몰탈을 충전하여 토압을 감소시키는 방안(Type 02)의 경우 개량체의 품질, 지 반고정점 및 시공성 등의 영향이 적고, 수동말뚝형태 의 방안과 유사한 내진성능 향상 효과, 시공성 및 경제 성을 확보할 수 있는 것으로 평가되어 적용성이 높은 것으로 나타났다.
3(b)에 대한 안정성 검토 방법은 일본 CDM 연구회 (2005)에 제시된 방법을 적용하였다. 본 방법에 따르면 시멘트계 혼합처리공법을 이용한 기존 구조물의 배후 지반 을 개량함으로써 지진시의 토압을 경감시켜 내진성능의 향상을 도모할 수 있다. 시멘트계 혼합처리공법으로 개량된 개량지반은 점착력(c)이 내부마찰각(φ)에 비해 매우 큰 재료가 되므로 설계상 점성토(c soil)로 간주하고, 지진시 토압을 저감시키는 방법으로 설계한다.
10(b)는 구조물 최상단의 수평변위를 시간에 따라 도시한 것이다. 수치해석을 통하여 지진시 각 보강 방안별 수평변위를 예측한 결과 21.34mm∼21.74mm으로 보강 전 수평변위 23.50mm에 비하여 약 2.0mm정도의 수 평변위가 감소하였다. 또한, Type 03가 가장 우수한 동적변위 저감효과를 나타내었으나, 전체 보강방안별로는 큰 차이는 아닌 것으로 판단된다.
이상에서 제시한 바와 같이 수치해석 및 이론적 평가를 통해 토압 저감효과를 평가한 결과, 본 연구 단면(개량체 간격 2.5D)에서는 약 2.0정도의 응력분담비가 도출되어 미 개량부에서는 약 0.5배 정도의 토압 저감효과가 있는 것으로 나타난다. 다만, 응력분담비(토압저감비)를 적용하는 경우는 말뚝식과 벽식 개량 형태에 해당하므로 이와 동일한 조건으로 복합지반 정수와 응력분담비를 적용하고도 안정성이 확보되는 경우 2열 이상 개량조건에서는 2열은 부벽식, 3열 이상은 격자식을 적용하면 시공성과 경제성이 개선될 수 있으므로 이에 대한 적용성 등 추가 연구가 요구된다.
이는 개량체의 휨강성이 충분히 높고, 지반고정점이 말뚝의 가상고정점보다 조기 출현하여 개량체 길이가 작았기 때문이다. 이상의 결과는 개량 체가 짧은 경우에도 개량체 하단이 고정된다면 변위 저감 효과가 발휘될 수 있음을 나타내는 것으로 판단된다.
토압을 감소시키는 방안 중 주동파괴선까지 개량하는 경우(Type 02) 지반고정점의 영향을 받지 않고, 내진성능 향상 효과, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있었다.

후속연구

(7) 토압을 감소시키는 방안(Type 02)과 수동말뚝 형태의 개량 방안(Type 03)을 적용할 경우, 현재의 접원식 또는 블록식 개량 대비 시공성 및 경제성이 크게 개선되 지만 아직까지 불명확한 점이 많으므로 안전측 설계를 위해 격자식을 적용하거나 복합지반 정수를 직접 적용한 토압과 응력분담비로부터 미개량부의 토압을 산정하여 보수적인 값을 적용하는 등의 대처가 필요하고, 이에 대한 추후 실험 및 연구 등의 검증이 필요 한 것으로 판단된다.
5배 정도의 토압 저감효과가 있는 것으로 나타난다. 다만, 응력분담비(토압저감비)를 적용하는 경우는 말뚝식과 벽식 개량 형태에 해당하므로 이와 동일한 조건으로 복합지반 정수와 응력분담비를 적용하고도 안정성이 확보되는 경우 2열 이상 개량조건에서는 2열은 부벽식, 3열 이상은 격자식을 적용하면 시공성과 경제성이 개선될 수 있으므로 이에 대한 적용성 등 추가 연구가 요구된다.
전단면이 설계대비 하향 이동한 것은 개량체가 완전 강체가 아닌 일정 강성을 갖는 탄소성체이기 때문에 변형에 따른 것이라 판단된다. 따라서 향후 본 보강 방안에 대한 설계시 2개의 전단면에서 전단응력을 확인하여 안전측 설계를 수행할 필요가 있는 것으로 판단된다.
기존 구조물에 작용되는 토압을 완전히 소거하고자 지중 연속 구조물 형태로 개량하여 개량부분 자체의 안정성을 확보하는 경우(Type 04) 변위 저감 효과, 원호활동 안 정성 증대 효과는 적으면서 보강량이 과대한 것으로 평가된다. 본 방안은 현재 적용되고 있는 블록식 개량과 유사한 형태지만 공학적, 시공성 그리고 경제성 측면에서 매우 불리하므로 추후 개선이 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진성능이란 무엇인가?	내진성능이란 지진에 대해 기존 구조물이 견딜 수 있는 정도를 나타내는데, 성능평가는 기존 구조물이 목표성능 (요구성능)을 확보하고 있는지를 평가하는 것이다. 일반적 인 내진성능 평가 절차는 기존 구조물의 내진그룹화를 위하여 개략적으로 수행되는 예비평가와 기존 구조물이 소요 내진성능을 확보하고 있는지를 평가하는 상세평가로 진행된다.
	저유동성 몰탈 채움을 통한 기존 항만 구조물의 내진 성능을 향상하기 위하여 마련된 보강방안별 효과는 어떤 차이가 있는가?	본 연구에서는 저유동성 몰탈 채움을 통한 기존 항만 구조물의 내진성능 향상을 위해 시공 위치에 따라 4가지(자중증가, 활동력 감소 등) 보강방안을 제시하였으며, 이론적 방법 및 수치해석적 방법으로 보강 시 효과(안정성, 시공성, 경제성)를 분석하여 최적 방안을 제시하였다. 본 연구 결과 인공지진파를 적용한 동적 시간이력해석을 수행한 결과 보강 후 수평변위는 보강 전 수평변위에 비해 감소하였으나 보강 방안별 지진시 변위 억제 효과는 큰 차이가 없는 것으로 평가되었다. 강도감소법과 한계평형해석법을 적용하여 원호활동 파괴특성을 검토한 결과 수동말뚝 형태의 개량 방안이 다른 보강방법에 비해 안전성이 높은 것으로 평가되었다. 이는 보강체로 인해 활동 파괴면의 전단강도가 증가하였기 때문이다. 또한, 시공성 및 경제성을 분석한 결과 토압 저감형태(Type 02)와 수동말뚝 형태(Type 03)가 우수한 것으로 나타났다. 다만, 수동말뚝 형태의 경우, 설계법 적용 사례가 미미하고, 지반 조건에 따라 시공이 불가하거나 경제성이 급격히 저감되는 등 여러 가지 제약조건을 가지고 있어 적용시 주의가 요구된다.
	저유동성 몰탈 채움공법의 내진 보강 원리는 무엇인가?	저유동성 몰탈 채움공법(주입공법)은 굵은 골재, 잔골 재, 시멘트 및 물을 혼합하여 슬럼프 5.0cm 이하로 제작한 몰탈을 사석 내 공극에 채워 고결체를 형성하고 지중에 방사형으로 압력을 가함으로써 주변지반을 압밀 및 강화시키고 흙의 공극을 감소시켜 흙의 밀도증가 및 구조물 지지력을 증가시키는 공법으로 국내 내진 보강시 가장 일반적 으로 적용되고 있다. 저유동성 몰탈 채움공법은 CGS(Consolidation Grouting System) 공법으로도 알려져있으나 일반적인 CGS공법은 주로 지반을 강제 변위시켜 발생된 공간에 저유동성 몰탈을 주입하는 것이지만, 내진성능 보강을 위해서는 주로 사석 내 기 형성된 공극을 채우는 충전 개념으로 이용되고 있다.

참고문헌 (14)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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