[논문]진동대 실험을 이용한 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 동적주동토압 산정

김다빈; 신은철; 박정준

doi:10.14481/jkges.2019.20.12.15

[국내논문] 진동대 실험을 이용한 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 동적주동토압 산정
Dynamic Active Earth Pressure of Gabion-Geotextile Bag Retaining Wall System Using Large Scale Shaking Table Test 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.12, 2019년, pp.15 - 26

김다빈 (Department of Civil & Environmental Engineering, Incheon National University) , 신은철 (Department of Civil & Environmental Engineering, Incheon National University) , 박정준 (Incheon Disaster Prevention Research Center, Incheon National University)

초록
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본 연구에서는 게비온-식생토낭 옹벽에 대한 동적 특성을 평가하기 위해서 실대형 진동대 실험 시 토조 내부에 포설되는 흙과 식생토낭, 연결재, 게비온 등의 전단특성을 규명하고, 이 결과를 이용하여 실대형 진동대 실험을 수행하였다. 또한, 식생토낭벽체의 기울기, 지반가속도 등의 실험조건으로 실대형 진동대 실험을 실시하여 가속도, 변위, 토압에 대한 게비온-식생토낭 옹벽시스템의 동적 특성을 분석하였다. 결과, 1:0.3 기울기에서는 지진가속도가 $(0.154-0.44)g_n$일 때, 동적주동토압의 작용점은 저면으로 부터 (0.376-0.377)H인 것으로 나타났다. 1:1 기울기에서는 (0.389-0.393)H으로 나타나 기울기가 완만할수록 동적주동토압의 작용점은 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to characterize shearing strength of geotextile bag, connecting materials and gabion. A largescale shaking take tests were conducted to assess kinetic characteristics of gabion-geotextile bag retaining wall. Based on the results of large-scale shaking table test, dynamic characteristics of gabion-geotextile bag retaining wall structure against acceleration, displacement, and earth pressure were also analyzed. The increments of dynamic active earth pressure were determined to be (0.376-0.377)H at 1:0.3 slope and $(0.154-0.44)g_n$ earthquake acceleration, and (0.389-0.393)H at 1:1 slope, suggesting that the increments tend to rise as the slope decreases.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Grain size distribution curve of backfill soil
표 Table 1. Physical properties of soil samples
그림 Fig. 2. Results of compaction test
그림 Fig. 3. Schematic of large-scale direct shear tester
그림 Fig. 4. Cohesion and internal friction angle by material
그림 Fig. 5. Schematic of model ground with slope of geotextile bag
그림 Fig. 6. Installation process of geotextile bag system within the soil box
그림 Fig. 7. Maximum acceleration with height of geotextile bag retaining wall (GBSB1-0.3)
그림 Fig. 8. Maximum acceleration with height of geotextile bag retaining wall (GBSB1-1.0)
그림 Fig. 9. Upper retaining wall acceleration-earth pressure time history curve
그림 Fig. 10. Lateral earth pressure with height of retaining wall
표 Table 2. Lateral earth pressure with height of retaining wall
그림 Fig. 11. Dynamic lateral earth pressure with earthquake acceleration and height of retaining wall
그림 Fig. 12. Action point of load using a graphic solution method

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 게비온과 식생토낭으로 시공된 연성 옹벽의 동적 거동을 분석하였다. 일방향 진동하중을 적용할 수 있는 실대형 규모의 진동대를 사용하여 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 거동을 모사하였다.

가설 설정

또한, 역 T형 옹벽의 저판 끝부분 지점에서 발생하는 수직 가상면의 동적 토압은 옹벽의 외적 안정성을 평가하는 토압이다. Mononobe-Okabe 방법과 유사하게 삼각형 분포이나 벽체 안정성을 평가하기 위한 동적토압은 이와 달리 균등한 분포를 보이고 있어 하중 작용점이 더 높게 위치한다고 평가하였다. 결과적으로 벽체 안정성에는 토압의 크기보다 옹벽 벽체 하단부의 모멘트가 좌우하고 있음을 알 수 있다.

제안 방법

게비온과 식생토낭의 복합시공 조건은 Fig. 6(a)과 같이 벽면의 마찰을 줄이고자 2중층의 멤브레인 및 비닐을 부착한 후 게비온을 구성하는 격자망을 조립하여 250mm 이하의 쇄석을 채워 넣었다. 이때, 게비온의 형태가 최대한 변하지 않도록 강성의 봉을 게비온의 틀 바깥부분에 설치하였다.
6(e)과 Fig. 6(f)과 같이 모래치환법을 이용하여 건조단위중량을 측정하고, 지반을 조성한 후 광학카메라를 이용하여 실시간 녹화 및 변위 측정을 위하여 각각의 게비온과 식생토낭마다 타점을 설치하였다.
대형직접전단시험기의 구성은 상부와 하부 상자로 구분되어 있고, 각 상자의 크기는 300mm × 300mm, 높이는 200mm이다. LVDT를 수직하중의 작용 지점과 전단 상자의 하부에 설치하여 연직 및 수평변위를 측정하였다. 실험에서 측정되는 변위 및 전단력 값은 TDS- 530 모델의 데이터 로거를 통해 실시간으로 전송된다.
게비온-식생토낭 옹벽 시스템에 대하여 지진 시 발생하는 동적하중에 의한 벽체의 거동을 분석하기 위해, 식생토낭과 게비온, 연결재의 재료적 특성 파악을 위한 대형직접전단시험, 식생토낭 옹벽에 대한 실대형 진동대실험과 수치해석을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
게비온-식생토낭 옹벽 시스템이 적용될 대상지역이 송전탑 등이 설치될 산악지역의 시공조건을 고려하여 최대 옹벽의 기울기 조건을 1:0.3으로 하였으며, 기울기가 완만한 비탈면에 식생토낭 옹벽의 시공을 위해 연결재가 설치될 수 있는 기울기 조건으로 1:1 등의 두 가지 경우로 선정하였다. 또한 배수시설의 중요도와 옹벽을 높게 축조할 대상지역을 위하여 게비온을 이용한 복합시공형태로 실험조건을 선정하였다.
상대적으로 진폭이 크고 피해가 큰 장주기파인 Hachinohe파와 내진안정 해석에서 많이 사용되는 El-Centro파, 그리고 설계응답스펙트럼을 이용하여 인공지진파를 생성한 지반운동수준을 증가시켜가며 진동대 실험을 수행하였다. 그러나, 상사법칙의 적용을 위하여 식생토낭과 토낭사이에 놓여지는 연결재를 축소하게 되면 연결재 상부에 제작된 쇠뿔모양의 돌기도 축소되어 실제 옹벽구조물의 전단 거동을 모사하기 어려워 실규모 크기로 실험을 진행하였다.
내진성능을 평가하기 위하여 실시한 진동대 실험은 1g 진동대를 이용하여 식생토낭 옹벽의 기울기, 지반가속도 수준, 지진파 등의 변수를 고려하였다. 상대적으로 진폭이 크고 피해가 큰 장주기파인 Hachinohe파와 내진안정 해석에서 많이 사용되는 El-Centro파, 그리고 설계응답스펙트럼을 이용하여 인공지진파를 생성한 지반운동수준을 증가시켜가며 진동대 실험을 수행하였다.
3m의 크기이며, 진동대 실험과 같이 수백분의 1초로 동적하중이 작용하는 구조물에는 LVDT의 설치가 어렵고 LVDT가 직접 구조물에 맞닿게 되면서 정확한 측정이 어렵다. 따라서, 본 실험에서는 비접촉식 비디오 신율계를 사용하여 보다 정밀하게 변위를 관측하였다. 비접촉식 비디오 신율계의 오차는 최대 0.
일반적으로 진동대 실험에 이용되는 시료는 입자가 굵은 모래질 흙을 사용하여 뒤채움지반을 구성한다. 따라서, 본 연구에서는 타지역에서 채취한 흙의 입도분포와 유사한 인천지역의 흙 시료를 채취하여 식생토낭 옹벽의 다짐, 전단, 진동대실험 등에 사용하였다.
3으로 하였으며, 기울기가 완만한 비탈면에 식생토낭 옹벽의 시공을 위해 연결재가 설치될 수 있는 기울기 조건으로 1:1 등의 두 가지 경우로 선정하였다. 또한 배수시설의 중요도와 옹벽을 높게 축조할 대상지역을 위하여 게비온을 이용한 복합시공형태로 실험조건을 선정하였다. Fig.
또한, 실대형 진동대 실험을 통하여 El-Centro, Hachinohe의 역사지진파와 인공지진파를 이용하여 식생토낭으로 구성된 모형지반을 모사한 후 0.154gn ~ 0.44gn의 지반가속도를 적용하여 옹벽의 동적거동을 분석하였다.
(2010)은 옹벽의 동적토압 산정을 위한 탄성이론식을 제안하였으며 매개변수 연구를 통하여 유연도 감소에 따라 동적 토압이 감소하며 작용점 위치도 낮아지는 것으로 평가하였다. 또한, 제안된 탄성 이론식에 따르면 Mononobe- Okabe 방법이 옹벽에 작용하는 동적토압을 과소평가할 수 있다고 제안하였다.
내진성능을 평가하기 위하여 실시한 진동대 실험은 1g 진동대를 이용하여 식생토낭 옹벽의 기울기, 지반가속도 수준, 지진파 등의 변수를 고려하였다. 상대적으로 진폭이 크고 피해가 큰 장주기파인 Hachinohe파와 내진안정 해석에서 많이 사용되는 El-Centro파, 그리고 설계응답스펙트럼을 이용하여 인공지진파를 생성한 지반운동수준을 증가시켜가며 진동대 실험을 수행하였다. 그러나, 상사법칙의 적용을 위하여 식생토낭과 토낭사이에 놓여지는 연결재를 축소하게 되면 연결재 상부에 제작된 쇠뿔모양의 돌기도 축소되어 실제 옹벽구조물의 전단 거동을 모사하기 어려워 실규모 크기로 실험을 진행하였다.
식생토낭의 접촉면에 대한 마찰특성을 알아보기 위하여 대형 직접전단시험을 실시하였으며, 대형직접전단시험기의 모식도는 Fig. 3과 같다. 대형직접전단시험기의 구성은 상부와 하부 상자로 구분되어 있고, 각 상자의 크기는 300mm × 300mm, 높이는 200mm이다.
일방향 진동하중을 적용할 수 있는 실대형 규모의 진동대를 사용하여 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 거동을 모사하였다. 실대형 진동대 실험 시 모형토조 내부에 포설되는 흙과 식생토낭, 연결재, 게비온 등의 전단특성을 파악하기 위하여 대형 직접전단시험을 실시하였다. 또한, 실대형 진동대 실험을 통하여 El-Centro, Hachinohe의 역사지진파와 인공지진파를 이용하여 식생토낭으로 구성된 모형지반을 모사한 후 0.
44g_n의 지반가속도를 적용하여 옹벽의 동적거동을 분석하였다. 실대형 진동대 실험을 통해 가속도, 변위, 토압에 대한 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 동적 특성을 분석하였다.
실험에서 측정되는 변위 및 전단력 값은 TDS- 530 모델의 데이터 로거를 통해 실시간으로 전송된다. 실험 시 수평변위는 1mm/min의 속도로 제어하였고, 수직응력은 50kPa, 100kPa, 150kPa의 조건으로 각각 재하하였다.
22g_n를 적용하였다. 옹벽의 파괴거동을 확인하기 위하여 지반운동 수준은 0.22g_n를 기준으로 각각 70%, 100%, 150%, 200%를 증폭하여 입력지진파를 조정하였다.
본 연구에서는 게비온과 식생토낭으로 시공된 연성 옹벽의 동적 거동을 분석하였다. 일방향 진동하중을 적용할 수 있는 실대형 규모의 진동대를 사용하여 게비온-식생토낭 옹벽 시스템의 거동을 모사하였다. 실대형 진동대 실험 시 모형토조 내부에 포설되는 흙과 식생토낭, 연결재, 게비온 등의 전단특성을 파악하기 위하여 대형 직접전단시험을 실시하였다.
지진 시 발생하는 식생토낭 옹벽의 변위는 옹벽 전면방향의 변위, 배면방향의 변위, 실험 종료 후 발생된 최종변위 등 세 가지로 구분하여 평가하였다. 결과, El-Centro지진파, Hachinohe지진파, 인공지진파가 적용된 GBSB1-0.
진동대 실험을 진행하면서 식생토낭 옹벽의 동적 거동을 평가하기 위해 지진가속도에 따른 변위, 토압, 가속도를 측정하였다. 진동대의 크기는 3m 길이의 정방형이고, 모형토조는 폭 1m, 길이 2.
(2017)은 식생토낭의 현장실험 적용을 위해 실내실험을 통하여 식생토낭의 다짐특성에 관한 연구를 수행하였다. 현장실험에 적용한 대상지반과 동일한 흙을 이용하여 실대형 진동대 실험에 적용하여 동일한 지반조건으로 구성하고, 다짐봉으로 3 4회의 다짐을 실시하여 Fig. 2와 같이 결과를 나타내었다.

대상 데이터

대형직접전단시험기의 구성은 상부와 하부 상자로 구분되어 있고, 각 상자의 크기는 300mm × 300mm, 높이는 200mm이다.

성능/효과

(1) 재현주기 2400년 붕괴방지 수준인 0.22g을 기준으로 ∼0.154g 0.44g을 적용한 진동대 실험결과, 실험 중 발생하는 상대변위는 ±5mm 이내로 발생하였으며, 실험 종료 후에는 1mm 이내로 거의 변위가 발생하지 않았다.
(2) 진동대 실험결과, 게비온-식생토낭 옹벽의 하단부에서는 벽면과 뒤채움지반 사이에서 위상차는 발생하지 않았다.
(3) 식생토낭 벽체의 기울기는 정적상태의 주동토압, 지진시 동적주동토압 증가분의 작용점에 영향을 미친다.
(4) 식생토낭 옹벽 시공 시, 동적토압이 작용하는 높이까지게비온을 복합시공하면, 옹벽 자체에 작용하는 관성력을 감소시키고 벽체에 작용하는 동적토압에 의한 작용점을낮춰 벽체에 작용하는 모멘트력을 감소시킬 수 있다.
(5) 식생토낭과 게비온으로 시공된 연성 옹벽의 동적 거동에 관한 연구를 종합하면 기울기에 상관없이 극한의 지진하중에서도 상당히 안정적인 거동특성을 보인다.
Fig. 4의 결과를 보았을 때, 식생토낭과 흙 사이의 전단강도는 마찰각보다는 흙과 식생토낭 사이의 점착력으로 강도가 발현되고, 게비온과 흙 사이의 전단강도는 마찰각의 증가로 발현되었다. 또한, 식생토낭과 식생토낭 사이의 전단 특성은 흙과 토낭 사이의 점착력 보다 감소하였지만, 지오텍스타일의 마찰저항 때문에 내부마찰각은 커진 결과를 보였다.
0 조건에서 옹벽 높이에 대한 동적수평토압을 나타낸 것이다. GBSB1-1.0은 모든 조건에서 Mononobe-Okabe의 이론식보다 동적토압은 저면으로부터 0.5H 지점까지는 작게 나타내고, 0.5H부터 상부지점까지는 크게 나타났다. 반면 기울기가 1:0.
각각의 지진파를 도시하고 회귀분석한 결과, GBSB1- 0.3에서는 지진가속도가 0.154g 의 작용점은 저면으로부터 0.376H인 것으로 나타났다.
게비온과 복합식 식생토낭 옹벽은 게비온이 설치되어있는 0.5H 부근까지 최대가속도가 줄어들거나 유지되고, 식생토낭이 시작되는 0.5H부터 상부까지 최대가속도가 급격히 증가하는 경향을 보였다.
지진 시 발생하는 식생토낭 옹벽의 변위는 옹벽 전면방향의 변위, 배면방향의 변위, 실험 종료 후 발생된 최종변위 등 세 가지로 구분하여 평가하였다. 결과, El-Centro지진파, Hachinohe지진파, 인공지진파가 적용된 GBSB1-0.3과 GBSB1- 1.0의 두 가지 경우 모두 실험 중에는 게비온으로 이루어진 벽체에서는 뒤채움 방향으로 미소한 변위가 일어난 것을 확인하였다. 게비온 부분이 뒤채움의 방향으로 변위가 발생하였다는 것은 뒤채움지반의 방향으로 동적토압이 작용할 때, 게비온에서 발생하는 관성력이 더 해져서 관성력이 큰 상태에서 다시 옹벽방향으로 동적토압이 발생함에 따라 일어난 현상으로 분석된다.
(2005)은 중력식 안벽 및 옹벽에 대하여 1g 진동대 모형실험을 수행하여 구조물의 관성력이 동적 토압에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 구조물의 관성력과 뒤채움재가 벽체에 미치는 동적토압간의 위상차이로 인하여 실제 옹벽에 작용하는 동적토압은 이론에 의한 동적 토력보다 작게 발생하였으며, Mononobe-Okabe 방법으로 산정한 동적 토력을 상한 값으로 평가하였다.
동적주동토압 증가분의 작용점은 회귀분석식에 의해 GBSB1-0.3인 경우 0.428H ~0.578H로 분석되었고, GBSB1-1.0인 경우 0.450H ~0.590H로 나타나 Seed and Whitman이 제안한 0.6H보다 작은 결과 값을 보인다.
9에 나타낸 바와 같이 옹벽 상단부는 벽체와 뒤채움지반의 구속이 없고, 자중의 영향이 작아져서 옹벽의 상부로 갈수록 더 큰 가속도가 측정된 결과이다. 둘째로, 게비온 복합식 식생토낭 옹벽 저면으로부터 게비온이 설치되어있는 0.5H까지 최대가속도는 감소하거나 유지되는 경향을 보이며, 0.5H부터 상부까지는 다시 급격히 증가하는 경향을 보인다. 또한 기울기가 완만한 1:1의 경우, 게비온과 식생토낭이 접합하는 0.
5H부터 상부까지는 다시 급격히 증가하는 경향을 보인다. 또한 기울기가 완만한 1:1의 경우, 게비온과 식생토낭이 접합하는 0.5H 지점에서 최대가속도가 현저하게 감소하는 경향을 나타났다. 이것은 기울기가 1:0.
4의 결과를 보았을 때, 식생토낭과 흙 사이의 전단강도는 마찰각보다는 흙과 식생토낭 사이의 점착력으로 강도가 발현되고, 게비온과 흙 사이의 전단강도는 마찰각의 증가로 발현되었다. 또한, 식생토낭과 식생토낭 사이의 전단 특성은 흙과 토낭 사이의 점착력 보다 감소하였지만, 지오텍스타일의 마찰저항 때문에 내부마찰각은 커진 결과를 보였다. 토낭과 토낭 사이에 연결재를 설치하였을 때의 전단특성은 연결재를 설치하지 않았을 때보다 지오텍스타일과 연결재의 연결강도 증가로 인하여 내부마찰각이 증가하였다.
셋째로 옹벽의 기울기가 완만해짐에 따라 최대가속도의 증폭율은 작아진다.
식생토낭에 작용하는 수평토압은 식생토낭 옹벽의 기울기와 상관없이 저면으로부터 약 0.3H지점에서 최대이고, 0.3H로부터 하부로 갈수록 수평토압이 급격히 감소하며 옹벽의 상부로 갈수록 수평토압의 크기가 점차적으로 감소하는 경향을 보인다. GBSB1-1.
요약하면, 첫째로 게비온-식생토낭 옹벽의 하단부에서는 벽면과 뒤채움지반 사이에서 위상차는 발생하지 않았다. 위상차가 발생하지 않은 것은 지진가속도에 의해 벽면과 뒤채움지반과의 거동이 일치하기 때문이다.
장주기 Hachinohe 지진파가 적용된 경우, 입력가속도 대비 최대 가속도는 각각 96%∼164%, 80%∼149%, 91%∼120%, 87%∼123%의 증폭율을 보였다.
최대 가속도 위치는 세 가지의 지진파 조건 모두 옹벽의 상부인 0.75H ∼0.95H 지점에서 최대가속도가 측정되었다.
인공지진파의 경우, 입력가속도 대비 최대 가속도는 각각 115%∼204%, 109%∼211%, 100%∼213%, 102%∼209%의 증폭율을 나타내었다. 최대가속도 위치는 세 가지의 지진파 조건 모두 옹벽의 상부인 0.75H 0.95H 지점에서 최대가속도가 측정되었다.

후속연구

(5) 식생토낭과 게비온으로 시공된 연성 옹벽의 동적 거동에 관한 연구를 종합하면 기울기에 상관없이 극한의 지진하중에서도 상당히 안정적인 거동특성을 보인다. 향후 다양한 옹벽의 높이, 뒤채움지반의 보강의 유무, 지하수위, 충분한 뒤채움길이, 수직지진하중 등을 고려한 연구를 추가적으로 수행하여 보다 합리적인 식생토낭 옹벽의 설계가 이루어질 수 있도록 해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	토낭과 토낭 사이에 연결재를 설치하였을 때 증가하는 내부마찰력은 어떤 장점을 가져다 주는가?	토낭과 토낭 사이에 연결재를 설치하였을 때의 전단특성은 연결재를 설치하지 않았을 때보다 지오텍스타일과 연결재의 연결강도 증가로 인하여 내부마찰각이 증가하였다. 따라서, 이러한 전단특성 결과가 반영된 게비온과 식생토낭을 복합시공하면, 벽체에 작용하는 모멘트력을 감소시켜 벽체에 안정성을 확보할 수 있다.
	식생토낭의 단점은?	식생토낭은 현장에서 발생되는 유용토를 토낭 내부에 채움 하여 옹벽의 벽체를 구성할 재료로 사용한다. 흙을 감싸는 식생토낭은 부직포로 이루어져 내부에 채움되어 있는 흙을 구속하며, 재료의 특성상 힘을 가하면 변형을 일으키는 성질의 연성구조이기 때문에 다짐을 하지 않으면 벽체의 안정성을 저하시킨다. 실제 시공 시 장비의 접근이 용이하고 시공성이 좋은 조건을 갖는 현장에서는 뒤채움지반과 식생토낭의 다짐이 충분히 이루어지지만, 도서 산간지역과 같은 현장조건에서는 다짐장비의 진입이 곤란하고 식생토낭을 시공할 때에도 인력이 직접적으로 투입되어 다짐관리가 매우 어렵다.
	동적토압의 특징은?	지진 시 옹벽구조물에는 정적토압 외에도 동적토압이 발생한다. 동적토압은 추가적으로 발생되는 수평하중으로서 구조물의 안정성에 영향을 주며, 뒤채움 지반의 거동, 기초지반, 벽체의 유연성 및 관성력, 지진파 등에 영향을 받는다(Anderson et al., 2008).

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저자의 다른 논문 :

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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