[논문]DCM 공법으로 개량된 연약지반의 측방유동을 받는 교대 말뚝기초의 거동 분석에 관한 연구

최연호; 강경호

doi:10.9720/kseg.2020.2.131

DCM 공법으로 개량된 연약지반의 측방유동을 받는 교대 말뚝기초의 거동 분석에 관한 연구
A Study on the Behavior of Piled Abutment Subjected to Lateral Soil Movement of Soft Ground Improved by Deep Cement Mixing Method 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.30 no.2, 2020년, pp.131 - 145

최연호 (조선대학교 토목공학과) , 강경호 (조선대학교 토목공학과)

초록
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연약지반 상에 도로성토를 시공할 경우 연약지반에는 편재하중이 작용하게 되어 연약지반의 측방유동이나 활동파괴가 종종 발생하게 된다. 본 연구에서는 연약지반에 설치되는 교대말둑기초의 안정성과 말뚝의 거동특성을 파악하는 것이다. 지반의 측방유동으로 인하여 말뚝에 작용하는 수평하중에 대한 기존 연구자들의 연구내용을 파악하고 유한요소해석을 수행하여 교대말뚝기초의 거동특성과 보강효과를 확인하여 측방유동을 받는 교대말뚝기초의 거동을 연구하였다. 압밀도 분석 결과, 압밀 단계에 따라 연약지반 강도증가율에 의해 연약지반의 강도정수인 점착력은 약 1.1~1.8배 증가하였다. 측방유동 검토 결과, 허용수평변위 기준은 3.8 cm를 사용하는 것이 경제적으로나 시공적인 면에서 타당한 것으로 판단되나, 구조물의 중요도 및 지반의 불확실성 등을 고려하여 시공 시 계측을 실시하고 그에 따른 측방유동에 대한 철저한 안전관리가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The construction on these flimsy ground, activation of unsymmetrical surcharges, can often cause of the embankment road lateral flow or the destruction of the activities. In this study, the stability of the abutment pile foundation installed on soft ground and its behavior has been evaluated. The behavior of the abutment pile foundation under lateral flow was studied by verifying the behavior and reinforcement effects of the abutment pile foundation of previous studies about horizontal loads acting on the pile due to the lateral flow of the ground by performing finite element analysis. As a result of the consolidation analyses, the undrained cohesion or the strength of the soft ground, was increased by about 1.1 to 1.8 times by the increase in the strength of the soft ground according to the degree of consolidation. It is deemed reasonable to use 3.8 cm of the allowable displacement both economically and constructively, but considering the importance of the structure and the uncertainty of the ground, measurement shall be carried out during construction and thorough safety management of the lateral flow should be done.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Standard of cross-sectional diagram of F-value.
그림 Fig. 2. Standard of cross-sectional diagram of I-value.
표 Table 1. Stratum composition
그림 Fig. 3. Boring log.
표 Table 2. Disign integer for soft ground
표 Table 3. Results of review of lateral flow of F-value
표 Table 4. Results of review of lateral flow of I-value
표 Table 5. Results of strength increase of soft ground
표 Table 6. Analysis of pressure density according to step-by-step
그림 Fig. 4. Relation of bank load and shear strength.
표 Table 7. C value considering step-by-step soil and strength increase
그림 Fig. 5. Results of slope/W.
그림 Fig. 6. Strengthening plan for abutment section end-plane.
그림 Fig. 7. Horizontal displacement according to pile length.
그림 Fig. 8. Horizontal displacement of pile foundation by fill material.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 말뚝기초의 수평변위의 기준(15 mm, 38 mm, 50 mm)을 따라 교대 배면의 DCM 보강길이(20 m, 60 m, 80 m)를 결정하여 보강길이에 따른 교대 배면 침하량 및 말뚝기초의 수평변위를 분석하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 측방유동을 보강하는 여러 가지 방법 중 측방변형억제공법인 DCM(deep cement mixing) 공법을 적용하여 보강길이에 따라 국내 ‧ 외 말뚝기초 수평변위 기준에 대한 분석과 측방유동으로 인한 성토단계별 교대 말뚝 기초의 수평거동 특성에 관하여 분석하였으며, 이러한 연구결과를 바탕으로 유사 교대 측방유동 사례에 대한 설계 시 예방적 조치 및 DCM 공법 보강에 대한 검토 자료로 활용하고자 하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 서해안에 위치한 현장사례로서 해당 교대의 인근지역 3곳에서 지반조사를 수행하여 연약지반 상하부로 연약지반 특성 및 지층구성을 확인하고 측방유동에 따른 교대 말뚝기초의 거동에 대하여 분석하였다.

제안 방법

국내 건설현장에서 수집된 43개 교대의 측방이동 실측자료에 관한 분석을 통해 교대 말뚝기초의 측방이동을 간편하게 평가하는 방안을 제안하였다. 기존의 경험적 지수를 이용한 측방이동판정법으로만 교대의 측방이동 여부를 판단하는 것은 교대의 안정성 측면에서 바람직하지 않다.
기존 지반조사 및 실내시험 결과를 비교해 본 결과 부분적으로 BH-1의 점착력 등이 과대하게 분석되어 적용 설계지반 정수는 2개의 지반조사 Data와 최초 시행된 지반조사로 총 3개의 지반조사 결과의 평균값을 연약지반 설계정수로 사용하여 OO1교의 측방유동에 대한 안정성 판정을 검토하였다.
Tschebotarioff(1973)는 전단변형이 시작되는 시점의 성토하중을 한계하중으로 규정하고, 그 이후부터는 연약지반에 측방변위량이 급격한 증가경향을 나타낸다고 하였다. 또한 토고의 증가에 따라 증가되는 상재압이 연약지반의 비배수 전 단강도의 3배가 되면 연약지반에 전단변형이 발생되기 시작함을 표시하고 있으며, 5.14~7.95배가 되면 전단파괴가 발생 함을 예측할 수 있는 이론식을 제시하였다.
본 검토에서는 안전측으로 검토하기 위하여 가장 낮은 Skempton의 방법 중 상부지반 강도증가율(m)을 고려하여 단계 성토에 따른 연약지반 강도증가를 결정하였다. 강도증가율의 경우 연약지반 단계 성토에 따라 연약지반 강도증가율을 고려하면 Table 5와 같다.
본 연구에서는 DCM 간격 2.0 m × 1.1 m를 기본으로 DCM 보강길이를 20 m, 60 m, 80 m로 변경하여 국내 ‧ 외 말뚝기초 수평변위를 기준으로 성토단계별 교대의 측방유동을 분석하였다.

대상 데이터

1 m를 기본으로 DCM 보강길이를 20 m, 60 m, 80 m로 변경하여 국내 ‧ 외 말뚝기초 수평변위를 기준으로 성토단계별 교대의 측방유동을 분석하였다. 기본조건의 해석 모델링은 교대의 높이 12.5 m, 교대 길이는 4 m이고, 말뚝 설계는 강관말뚝(508 mm, t = 12 mm) 길이 34 m, 강재등급은 STK490을 적용하였다. Fig.

이론/모형

본 연구에서는 측방유동을 보강하는 여러 가지 방법 중 측방변형억제공법인 DCM 공법을 적용하여 보강길이에 따라 국내 ‧ 외 말뚝기초 수평변위 기준에 대한 분석과 측방유동으로 인한 성토단계별 교대 말뚝기초의 수평거동 특성에 관하여 분석하였으며, 결과를 정리하면 다음과 같다.

성능/효과

(1) 단계별 성토하중에 따른 압밀도를 분석하여 연약지반 강도증가율을 고려한 비배수전단강도 산정 시 비배수전단강도는 초기에 비해 성토단계별 약 1.1~1.8배 증가하였으며, 이를 고려하여 측방유동에 대한 안정성을 검토해야 될 것으로 판단된다.
(2) 경험식에 따른 측방유동 검토결과, 측방유동지수 F, I 모두 측방유동 가능성이 있는 것으로 확인하였으며, 이론식에 따른 측방유동성 평가한 결과, 1단계 성토 시 측방유동에 의한 전단파괴와 2단계, 3단계 성토 시 전단변형이 나타날 수 있음을 확인하여 측방유동 가능성이 있는 것으로 검토되었다.
(3) 측방유동에 의한 원호활동 검토 시 이론식 및 경험식에서 분석한 바와 같이 기준안전율이 미확보 되어 측방유동에 대해 불안정한 것으로 나타나 설계 단계에서의 종합적 예측과 그에 따른 보강 방안이 절실함을 알 수 있다.
(4) DCM 공법으로 보강길이에 따라 말뚝기초의 수평변위에 대한 수치해석 검토결과, 국내 말뚝기초 수평변위의 최소 허용기준인 15 mm 이하의 변위를 만족시키기 위해서는 과대설계가 요구되어지며, 시공성 및 경제성에 불리하므로 현장조건에 따라 국외 말뚝기초 수평변위 허용기준인 38 mm도 고려해야 될 것으로 판단된다.
(5) 대부분 말뚝기초의 수평변위가 점토층과 사질토층의 경계면 부근에서 수평변위가 급격하게 나타났다. 이는 다층 지반의 효과(layer effect)를 고려한 해석 시 비유동 층으로 말뚝을 지지하는 역할을 하는 사질토층의 지지력이 실제깊이에 의한 지지력보다 작게 산정되어 변위가 더 커지게 되어 점토층과 사질토층의 경계에서의 말뚝변위가 급격하게 발생한 것으로 분석되었다.
DCM 20 m 보강 후 상부성토재료 변경에 따른 말뚝기초의 수평거동 분석 결과, 경량성토재료를 사용할 경우 1.49 cm로 국내 최소기준인 15 mm 이내로 확보됨을 확인하였다. 그러나 경량성토 및 ESP의 경우 부력에 취약하므로 현장조건을 고려하여 적용해야 한다.
DCM 60 m 보강 후 상부성토재료 변경에 따른 말뚝기초의 수평거동 분석 결과, 일반성토재료 중 단위중량이 낮은 재료를 사용할 경우 1.49 cm로 국내 최소기준인 15 mm 이내로 확보됨을 확인하였다. 그러나 단위중량이 낮은 재료의 경우 철저한 시공다짐, 원호활동에 대한 안정성을 확보한 후 적용해야 될 것으로 판단된다.
DCM 80 m 보강 후 상부성토재료 변경에 따른 말뚝기초의 수평거동 분석 결과, 모든 성토재료에서 국내 최소기준인 15 mm 이내로 확보됨을 확인하였다. 이는 시공성 및 경제성이 상당히 낮으므로 현장조건을 고려하여 합리적인 설계가 필요하다.
DCM 보강길이 변화에 따른 말뚝기초의 수평거동 분석 결과, 치환길이가 길어짐에 따라 말뚝기초에 미치는 수평변위는 감소하는 것으로 나타났으며, 국내 기준 적용 시 20 m로 시공성 및 경제성을 고려하여 합리적인 설계방법이 필요할 것으로 판단된다.
원호활동 검토결과, Fig. 5와 같이 1단계 성토 시 안전율은 1.313, 2단계 성토 시 안전율은 1.164, 3단계 성토 시 안전율 은 1.119, 공용 시 안전율은 1.042로 모두 기준안전율인 교대 말뚝기초의 사면안정 기여효과 미반영 시 1.5를 만족하지 못하는 것으로 검토되어 이론식 및 경험식과 동일하게 측방유동 가능성이 있으므로 대책공법의 적용이 필요한 것으로 검토되었다.
여기서 U는 압밀도(percent consolidation)이며, B는 쌓기기간, N은 방치기간이다. 잔류침하량 10cm 이하로 나타나 허용침하량 이내로 압밀됨을 확인하였으며, 단계별 압밀도를 확인하였다.
지반조사 분석 결과, 연약지반 심도는 대부분 0~25.0 m 이상으로 분포하는 것으로 분석되었으며, 추가 지반조사 중 BH-1의 경우 교대 배면에 위치하여 지반조사를 수행하였으므로 가장 신뢰성이 있는 결과이나, SB-2-1 구간이 교대배면 가운데 부분이므로 SB-2-1 시추주상도의 결과로 단면을 설정하였다.
단계별 성토하중에 따라 압밀이 진행되면서 연약지반 강도증가가 높아지므로 강도증가율 및 압밀도를 이용하여 연약 지반 강도증가에 따른 비배수전단강도 증가를 식 (3)에 적용하여 Table 7과 같이 계산하였다. 초기 비배수전단강도에 비해 단계성토별 비배수전단강도는 약 1.1~1.8배 증가하였으며, 1단계 성토 시 가장 높은 1.4~1.8배 증가함을 나타내었다. 이는 1단계 성토 시 가장 높은 성토고 높이(5 m)에 따라 압밀되어 나타난 결과로 판단되며, 2단계, 3단계 시 비배수전단강도의 증가는 1.
측방유동에 관련된 교대, 말뚝기초 및 지반에 관한 요인을 고려하며, 교대의 측방유동이 지반구조물의 안정문제에 깊은 관련이 있으므로 성토의 안정계수를 기본으로 보정계수를 활용 측방유동의 유무를 판정한 결과, 검토 지반의 측방유동 가능성이 검토되었다.
3 m 구간에서 압밀된 점토층이 확인되었다. 표준관입시험 결과 N치는 0/30~11/30(회/cm)로 연경도는 매우연약~연약한 상태로 분석되었으며, 암회색으로 포화상태이다.
0 m의 층후로 분포하고 있으며, 구성성분은 자갈섞인 실트질모래로 이루어져 있다. 표준관입시험 결과 N치는 3/30~5/30 (회/cm)로 느슨한 상태로 분석되었으며, 암갈색으로 습윤상태이다.
3 m의 층후로 분포하고 있으며, 구성성분은 자갈섞인 모래로 이루어져 있고, 암회색의 포화상태이다. 표준관입시험 결과 N치는 7/30~31/30 (회/cm)로 느슨~조밀한 상대밀도가 확인되었다.

후속연구

(6) 측방유동 설계 시 간략법으로 원호활동만을 검토하는 경향이 있으나 이는 성토하중에 의한 교대 하부 말뚝기초의 수평변위에 관한 위험요소를 고려하지 않은 설계방법으로 이론식 및 원호활동 검토와 유한요소 해석을 이용한 교대 하부 말뚝기초의 수평변위에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 성토재료의 하중을 조절하여 시공 시 측방유동에 대한 말뚝기초의 수평변위를 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반의 측방유동이란?	지반의 측방유동은 연약지반 상에 옹벽이나 교대를 설치하고 뒷채움을 수행하는 경우, 구조물 전면부와 배면부의 성토차로 편차토압이 발생하여 연약지반의 하부에서 횡방향의 압력을 받아 유동하는 현상이다.
	측방유동이 발생하는 지반에 지하구조물이 있을 시 발생하는 문제점은?	측방유동이 발생하는 연약지반에 말뚝기초와 같은 지하구조물이 설치되어 있으면 지하구조물은 유동지반으로부터 측 방토압을 받는다. 이로 인하여 지하 구조물에 과잉 휨응력, 변위, 전단응력 등으로 인한 문제가 발생한다.
	국내에서 측방유동을 예방하지 못하는 이유는?	공용 중에 유지관리비용이 소요된 경우를 대상으로 하여 교대의 측방유동(수평변위) 실태조사를 수행하였고, 총 125개 교량에서 문제가 있는 것으로 파악되었으나(Choi, 2017), 현실적으로 측방토압을 받는 연약지반의 공학적인 특성을 완벽하게 파악하거나 설계단계에서 측방유동의 특성을 정밀히 분석하기까지 여전히 많은 기술적, 경제적인 한계가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 시공 시 현장계측을 이용하여 설계단계에서 예측하지 못한 지반거동을 파악하 거나, 사전 설계 시 수치해석을 통하여 시공단계별 거동상태에 대한 예측이 필요하다 하지만 현재 우리나라 설계기준이나 설계 시방서 등에서는 측방유동을 정량적으로 평가할 수 있는 판정기준이나 평가방법 등이 구체적으로 규정되어 있지 않은 상태로 설계 시 검토하기에는 어려운 실정이다.

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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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