[논문]시공이력을 반영한 고성토 암버력 지반의 침하거동 분석

배경태; 김태훈; 강인규; 이원재; 유남재; 이강일

문제 정의

본 연구에서는 암버력을 성토 단계별로 동다짐 할 경우 하부 성토지반의 구속압 증가로 인하여 지반의 변형특성이 초기상태와 차이가 발생할 것으로 예상됨에 따라 시공이력을 반영한 예상 침하량을 평가하기 위하여 사석재료의 시공이력을 반영한 해석모델로 일반적으로 사용하고 있는 Duncan and Chang(1970) 쌍곡선 모델을 적용하여 고성토 암버력 지반의 침하거동을 분석하였다. 또한, 수치해석을 통하여 예측한 시공과정에 따른 암버력 동다짐 지반의 침하량을 실시공시 각 성토 단계별 하중 증가에 의한 지중침하계 계측결과 및 대형평판재하시험 하중-침하 관계와 비교/검토 하였다.

가설 설정

1과 같이 암버력을 성토 단계별로 동다짐 할 경우 하부 성토지반의 구속압 증가로 인하여 지반의 변형특성이 초기상태와 차이가 발생할 것으로 예상됨에 따라 시공이력을 반영한 수치해석(FLAC-2D)을 수행하여 성토 단계별 거동해석을 실시하였다(한국지반공학회, 2008). 단계별 성토에 따른 암버력 동다짐 지반에 대한 거동을 폭 10m의 단위요소로 가정하여 높이 7m 단위로 단계 성토에 따른 거동을 분석하였다. 해석에 사용한 격자요소망은 그림 2.

제안 방법

그림 2.1과 같이 암버력을 성토 단계별로 동다짐 할 경우 하부 성토지반의 구속압 증가로 인하여 지반의 변형특성이 초기상태와 차이가 발생할 것으로 예상됨에 따라 시공이력을 반영한 수치해석(FLAC-2D)을 수행하여 성토 단계별 거동해석을 실시하였다(한국지반공학회, 2008). 단계별 성토에 따른 암버력 동다짐 지반에 대한 거동을 폭 10m의 단위요소로 가정하여 높이 7m 단위로 단계 성토에 따른 거동을 분석하였다.
기 수행된 고성토 암버력 지반의 시공품질 및 계측관리 사례연구(배경태 등, 2009b)에서 각 층의 상단에 설치한 지중침하계로부터 계측한 성토 단계별 침하량 및 평판재하시험의 하중 증가에 따른 침하량을 수치해석으로 도출한 예측 침하량과 비교하였다. 이를 위하여 예측 침하량은 표 2.
그러나 이 같은 기초공법은 시공방법의 효율성 측면과 기초공사의 경제성 측면에서 보다 심도 있는 적정성 검토가 요구되는 상황이며 더욱이 변전기기의 허용부등침하량(5mm)이 매우 엄격하여 과도한 침하발생을 억제할 수 있는 기초공법이 요구되고 있다. 따라서 시공여건을 고려한 고성토(高盛土) 암버력 지반의 부등침하량을 허용범위 이내로 억제하고 변전기기의 안정성을 확보하기 위하여 기존 롤러다짐에 의한 암성토를 성토 단계별 동다짐(dynamic compaction, 그림 1.2) 공법으로 변경하고 장기 creep 침하까지 고려하여 변전기기 기초공법을 말뚝지지 전면기초(piled raft)로 설계 변경하였다(배경태 등, 2009a).
본 연구에서는 암버력을 성토 단계별로 동다짐 할 경우 하부 성토지반의 구속압 증가로 인하여 지반의 변형특성이 초기상태와 차이가 발생할 것으로 예상됨에 따라 시공이력을 반영한 예상 침하량을 평가하기 위하여 사석재료의 시공이력을 반영한 해석모델로 일반적으로 사용하고 있는 Duncan and Chang(1970) 쌍곡선 모델을 적용하여 고성토 암버력 지반의 침하거동을 분석하였다. 또한, 수치해석을 통하여 예측한 시공과정에 따른 암버력 동다짐 지반의 침하량을 실시공시 각 성토 단계별 하중 증가에 의한 지중침하계 계측결과 및 대형평판재하시험 하중-침하 관계와 비교/검토 하였다.
암버력을 단계별로 성토 동다짐할 경우 하부 성토지반의 구속압 증가로 지반의 변형특성이 초기상태와 차이가 발생할 것으로 예상됨에 따라 시공이력을 반영한 수치해석을 실시하여 각 층의 상단에 설치한 지중침하계로부터 계측한 성토 단계별 침하량 및 각 층의 상단에서 수행한 평판재하시험으로부터 도출한 하중 증가에 따른 침하량과 비교, 고찰하였다.
기 수행된 고성토 암버력 지반의 시공품질 및 계측관리 사례연구(배경태 등, 2009b)에서 각 층의 상단에 설치한 지중침하계로부터 계측한 성토 단계별 침하량 및 평판재하시험의 하중 증가에 따른 침하량을 수치해석으로 도출한 예측 침하량과 비교하였다. 이를 위하여 예측 침하량은 표 2.4와 같이 전절에서 수행한 수치해석 결과를 이용하였으며, 지중침하계에 의한 계측 값은 표 3.1과 같이 동다짐 타격점 상부에 설치한 한 값을 적용하고 평판재하시험에 의한 침하량은 표 3.2와 같이 각 단계별로 2회 수행한 평균값을 사용하였다(대우건설, 2009).

이론/모형

국내 OO 사력댐 거동해석에 활용된 대형삼축압축시험 결과(한국수자원공사, 2008)로부터 본 검토대상 현장의 암버력 동다짐 지반의 입도분포와 단위중량이 유사한 사력층에 해당하는 Zone-2 구간의 사석재료에 대해 분석된 Duncan and Chang(1970) 쌍곡선 모델 변수를 해석물성치로 적용하였다(그림 2.4). 해석에 사용한 모델 변수는 표 2.
사석 재료의 시공이력을 반영한 해석모델로 일반적으로 사용하고 있는 Duncan and Chang(1970) 쌍곡선 모델을 적용하였다. 모델의 개요는 그림 2.

성능/효과

(1) 2단계 이상 성토시 하부지반은 구속압의 증가로 초기 탄성계수 값의 2.3～3.4배 정도 증가하는 것으로 나타났으며, 9단계 성토시 최대 침하량은 성토층 중앙부에서 발생하며 86.1mm 정도 발생하는 것으로 나타났다. 이를 시공단계별 각 층의 상단에 설치한 지중침하계로부터 계측한 침하량과 비교하기 위하여 계측기 설치위치에서의 예상침하량을 분석한 결과 최대 침하량은 5단 성토 상부에 설치한 계측기에서 9단 성토 다짐 후 72.
(2) 수치해석에 의한 예측침하량에 비해 지중침하계에 의한 계측침하량과 평판재하시험에 의한 침하량은 유사한 경향을 보이며 상대적으로 적은 값을 나타내고 있어 안정성인 시공관리가 이루어진 것으로 사료된다.
(3) 예측침하량과 계측치의 차이는 해석에 적용한 Duncan and Chang(1970) 쌍곡선 모델 변수가 현장 암버력 재료로부터 결정된 변수 값이 아니라 국내 OO 사력댐 거동해석에 활용된 대형삼축압축시험 결과로부터 결정된 유사 변수 값을 사용하여 차이가 발생한 것으로 판단되며, 동다짐 특성에 따라 타점부와 비타점부간의 다짐에너지 차이로 침하량의 차이가 크게 발생한 것으로 판단된다.
4에 나타내었다. 분석결과 최대 침하량은 5단 성토 상부에 설치한 계측기에서 9단 성토 다짐 후 72.2mm 발생하는 것으로 분석되었다.
1mm 정도 발생하는 것으로 나타났다. 이를 시공단계별 각 층의 상단에 설치한 지중침하계로부터 계측한 침하량과 비교하기 위하여 계측기 설치위치에서의 예상침하량을 분석한 결과 최대 침하량은 5단 성토 상부에 설치한 계측기에서 9단 성토 다짐 후 72.2mm 발생하는 것으로 분석되었다.

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