KR101665862B1

KR101665862B1 - 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트

Info

Publication number: KR101665862B1
Application number: KR1020150047180A
Authority: KR
Inventors: 이충원; 박성용; 김용성
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2016-10-24
Also published as: KR20160104518A

Abstract

본 발명은 원심모형실험에 의한 방조제의 안전성을 예측하기 위한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트에 관한 것으로서, 특히 원심장치에 설치되어 원심력을 제공받는 토조와; 상기 토조 내부에 설치되는 모형방조제와; 상기 토조에 채워지는 물의 수위를 승강(昇降)시키는 조위승강유닛과; 상기 토조의 바닥면에 설치되는 간극수압계와, 상기 모형방조제에 설치되는 수평변위 계측장치로 이루어진 계측기;로 구성되어, 실제 방조제가 조위승강 변동과 수위변동을 통해 어떠한 영향을 받는지를 실험적으로 정확하고 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

원심모형실험을 위한 모형방조제 세트{A Simulated Tide Embankment Set for Centrifugal Model Test}

본 발명은 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트에 관한 것으로서, 특히 모형방조제의 거동을 정확하게 분석하기 위해 실제 응력상태 및 조위승강을 재현할 수 있는 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트에 관한 것이다.

방조제는 간척지를 조석, 파랑, 해수 침투 등으로부터 보호하기 위하여 만드는 제방으로, 고조시에 해수가 월류하지 않고, 파랑에 견디며, 해수침투가 없도록 크기와 재료 및 시공법을 정해서 축조한다. 해일이 발생할 경우 바닷물이 육지로 침입하는 것을 방지하기 위하여 해안을 따라서 설치하기도 한다.

이러한 방제제의 제체는 일반적으로 준설해사로 축조되며, 해측 사석과 필터재층을 통한 제체의 유실을 방지하기 위하여 필터재층에 토목섬유 매트를 설치한다. 그러나 방조제의 끝막이 구간의 경우, 빠른 유속에 의해 필터재가 유실되거나 수중부의 열악한 시공여건으로 인하여 토목섬유매트의 연결부가 파손되는 등 방조제의 시공에 악영향을 미치게 된다.

또한, 이러한 토목섬유매트의 파손은 향후 해측의 조위 승강에 의해 준설해사가 필터재 쪽으로 유출되어 방조제의 침하 및 제체상에 건설된 도로 및 구조물의 안정성을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서 조위 승강 및 토목섬유매트의 파손을 고려한 방조제의 거동을 실증적으로 검토할 필요가 있으며, 이를 위한 방법으로서 원심모형실험을 활용할 수 있다.

여기서, 원심모형실험은 원심장치에 모형지반구조물을 거치하고 고속으로 회전시킬 경우, 이때 가해지는 중력가속도에 비례하여 모형지반구조물의 크기가 증가하는 것으로 간주할 수 있다는 원리(상사법칙)에 의해 실제 구조물의 거동을 모사할 수 있는 물리적 실험을 말한다.

이러한 원심모형실험은 현재 지반공학 전 분야에서 구조물의 거동 연구에 활용되고 있으며, 제체 및 제방에 대해서도 다수의 연구가 수행되었다.

그런데 침투가 발생하는 지반구조물로서의 유사성을 갖는 방조제에 대한 연구는 현재까지도 대단히 제한적인 실정이다. 더욱이 실제 조위승강을 재현할 수 있는 원심모형실험을 위한 모형방조제 및 그 제작방법은 그 연구가 전무한 실정이다.

1. 토목섬유 매트 파손이 방조제 내 준설성토에 미치는 영향(Influence of Damaged Geosynthetic Mat to Dredged Sea Sand Fill inside a Tide Embankment)한국방재학회지 제14권 제1호 통권65호 (2014년 2월) pp.145-154 1738-2416 KCI 2. Dunn, R.J., Simantob, E., and Ko, H.Y. (1984) Centrifuge Modeling of Earth Dam Overtopping, Proc. of 5th EngineeringMechanics Division Specialty Conference, ASCE, pp. 1320-1323.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 할 수 있는 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트는 원심모형실험에 의한 방조제의 안전성을 예측하기 위한 것으로서; 원심장치에 설치되어 원심력을 제공받는 토조와; 상기 토조 내부에 설치되는 모형방조제와; 상기 토조에 채워지는 물의 수위를 승강(昇降)시키는 조위승강유닛과; 상기 토조의 바닥면에 설치되는 간극수압계와, 상기 모형방조제에 설치되는 수평변위 계측장치로 이루어진 계측기;로 구성된다.

여기서, 상기 모형방조제는 상기 토조의 중앙 부분에 상단으로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 단면을 갖도록 형성되는 사석부와; 상기 사석부의 일측 경사면 상측에 적층되는 필터재와; 상기 필터재의 상면에 설치되는 토목섬유매트와; 상기 토목섬유매트의 상면에 적층되는 준설성토와; 상기 사석부의 타측 경사면 상측에 설치되고, 다수의 관통홀이 형성된 타공패널;로 구성된다.

그리고, 상기 조위승강유닛은 상기 토조의 상측에 설치되는 전동모터와, 전동모터에 연결되어 전동모터의 회전력을 상하 직선운동으로 바꾸는 기어박스와, 상기 기어박스에 연결되어 상하방향으로 움직이는 샤프트로 이루어진 액츄에이터와; 상기 액츄에이터의 샤프트에 연결되어 상하로 승강하는 조위승강체;로 구성된다.

또한, 상기 조위승강체는 상기 사석부의 타측 경사면을 바라보는 면이 경사지게 형성되어, 상기 조위승강체의 경사면과 상기 사석부의 타측 경사면과의 거리가 일정하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트는 실제 방조제에 미치는 응력상태 및 조위승강을 그대로 재현함으로써 모형방조제의 거동을 정확하게 분석할 수 있고, 이러한 분석을 기반으로 실제 방조제의 안정성을 검토하고 개선할 수 있는 이점이 있다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 3가지 케이스에 대한 단면을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 계측기 배치를 보인 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 제작을 위해서 목형을 사용하는 모습을 간단히 보인 도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 제작이 완료된 상태를 보인 도.
도 6은 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 액츄에이터를 설치한 모습을 보인 도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트에 대한 간극수압의 시간이력을 도시한 그래프
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트에 대한 연직변위의 시간이력을 도시한 그래프
도 9는 원심모형실험에 사용되는 원심장치를 간단히 보인 도.

이하, 본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트는 원심장치(C)의 회전암(A)에 설치한 후 고속으로 회전시켜 실제 방조제에 미치는 응력상태 및 조위승강(수위변화)을 그대로 재현함으로써 모형방조제의 거동을 정확하게 분석하고 방조제의 안전성을 예측하기 위한 것이다. 이러한 본 발명은 토조(100)와, 상기 토조(100) 내부에 설치되는 모형방조제(200)와, 상기 토조(100) 상측에 설치되는 조위승강유닛(300)과, 상기 토조(100)와 모형방조제(200)에 설치되는 계측기(400)로 구성된다.

상기 토조(100)는 상기 원심장치(C)의 회전암(A)에 설치되어 원심력을 제공받는 것으로서, 상부가 개방된 투명재질의 직육면체 케이스로 제작된다. 이러한 토조(100)는 내부에 모형방조제(200)가 설치되고 또한 물이 채워지는 공간이 조성된다.

상기 모형방조제(200)는 사석(沙石,Rubble mound)부(210)와, 상기 사석부(210)의 일측면에 설치되는 필터재(220)와, 상기 필터재(220)의 상면에 설치되는 토목섬유매트(230)와, 상기 토목섬유매트(230)의 상면에 적층되는 준설성토(240)와, 상기 사석부(210)의 타측면에 설치되는 타공패널(250)로 구성된다.

상기 사석부(210)는 상기 토조(100) 내부에 모래와 돌을 사용하여 성형되는 것으로서, 토조(100)의 중앙 부분에 하단에서 상단으로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 단면을 갖도록 형성된다. 따라서, 상기 사석부(210)는 일측에 경사면(211, 해측 경사면)이 형성됨과 아울러 타측에도 경사면(212, 육측 경사면)이 형성된다.

상기 필터재(220)는 상기 사석부(210)의 일측 경사면(211)의 상측에 적층된다.

부연하면, 상기 토조(100)에 간극유체로서 물이 채워지는데, 이 물이 채워질 수 있도록 모형방조제(200)의 타측면은 상기 토조(100)의 내측면으로부터 이격되고, 그 반대편(일측면)은 상기 토조(100)의 내측면에 밀착된다. 이렇게 토조(100)의 내측면에 밀착되는 쪽의 사석부(210) 상면에 필터재(220)가 적층된다.

상기 준설성토(240)는 상기 토목섬유매트(230)의 상면에 적층되는 것으로서, 후술할 상기 계측기(400)의 수평변위 계측장치(420)가 설치된다.

상기 타공패널(250)은 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212) 상측에 설치되는 것으로서, 사석부(210)의 양측면 경사를 유지하기 위하여 사용한다. 이러한 타공패널(250)에는 투수를 위하여 다수의 관통홀(251)이 형성되어 있다.

실제 방조제는 조석간만의 영향을 지속적으로 받는 구조물로서, 조석간만의 모사는 방조제에 대한 원심모형실험시 필수적으로 요구되는 환경 요건이다. 본 발명에서는 모형방조제(200)를 통해 원심모형실험시에 실제와 같이 조석간만, 즉 조위승강을 그대로 모사하기 위한 수단으로 조위승강유닛(300)을 구비하였다.

상기 조위승강유닛(300)은 상기 토조(100)에 채워지는 물의 수위를 승강(昇降)시키기 위한 것, 즉 조위승강을 위한 것으로서, 액츄에이터(310)와, 상기 액츄에이터(310)에 연결되어 상하로 승강하는 조위승강체(320)로 구성된다.

상기 액츄에이터(310)는 상기 토조(100)의 상측에 설치되는 것으로서, 전동모터(311)와 기어박스(312) 및 샤프트(313)로 구성된다.

상기 전동모터(311)는 토조(100)의 상부에 구비된 브라켓(110)에 설치되는 것으로서, 회전력을 제공한다.

상기 기어박스(312)는 상기 전동모터(311)의 모터축에 연결되어 전동모터(311)의 회전력을 상하 직선운동으로 변환한다.

상기 샤프트(313)는 상기 기어박스(312)에 연결되어 상하방향으로 움직이고, 상기 조위승강체(320)의 상면에 연결된다.

상기 조위승강체(320)는 한쪽에 경사면을 갖는 삼각기둥 형상으로 제작된다. 이러한 조위승강체(320)는 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212)을 바라보는 면이 경사면으로 형성되어 상기 조위승강체(320)의 경사면과 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212)과의 거리가 상하 어느 지점에서든 일정하다.

부연하면, 상기 조위승강체(320)는 모형방조제(200)의 앞쪽, 정확하게는 모형방조제(200)를 이루는 타공패널(250)의 바로 앞쪽의 토조(100) 내부에 설치된다. 구체적으로 모형방조제(200)와 마주보는 면은 모형방조제(200)와의 손상을 피하면서 토조(100) 내부에 광범위한 조위승강을 효과적으로 재현하기 위해 사석부(210)와 반대로 경사진, 즉 아래에서 위로 갈수록 단면의 폭이 길어지는 형상을 갖는다.

상기와 같은 형상의 조위승강체(320)가 액츄에이터(310)의 작동에 의해 토조(100) 내부에 채워진 물 속을 향하여 하강하면 물의 수위는 상승하고, 물 바깥쪽을 향하여 상승하면 물의수위는 하강한다. 이러한 작용으로 본 발명에서는 조위승강의 효과를 구현한다.

상기 계측기(400)는 원심모형 실험시에 모형방조제(200)에 미치는 응력상태 및 조위승강에 따른 모형방조제(200)의 변위를 측정하기 위한 것으로서, 상기 토조(100)의 바닥면에 설치되는 간극수압계(410)와, 상기 준설성토(240)에 설치되는 수평변위 계측장치(420)로 구성된다.

상기 간극수압계(410)는 토조(100) 바닥면과 그 외의 부분에 다수개(P1,P2,P3,P4,P5,P6)가 설치되고, 상기 수평변위 계측장치는 준설성토(240)에 다수개(L1,L2,L3)가 설치된다.

다음으로 본 발명의 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 제작방법을 간단히 설명하기로 한다.

본 발명의 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트의 제작방법 크게 준비단계, 다짐시공단계, 준설성토 성형 및 수평변위 계측장치 설치단계, 간극유체 투입단계 및 조위승강유닛 설치단계로 구성된다.

상기 준비단계는 준설해사, 사석(沙石), 필터재 및 토목섬유매트를 준비한다. 그리고 간극수압계(410)가 포화되도록 토조(100) 내 수도수에 침적시킨다. 이후 토조(100)의 측면에 모형방조제의 단면 형상을 유성펜 등을 이용하여 그린다. 다음으로 계측기(400)를 배치한다.

상기 다짐시공단계는 먼저 사석부(210)의 자립을 위해 다수의 관통홀(251)이 형성된 타공패널(250)을 사석부(210)의 해측면(토조 내에 물이 채워지는 면)에 설치한다. 그리고 준비된 목형을 사용하여 각 층마다 사석, 필터재, 토목섬유매트 및 준설성토를 시공한다. 이때 준설성토는 토조의 내벽에 인접한 유로차단을 위해 실리콘 그리스(silicon grease)로 지수(止水)를 수행한다. 그리고, 준설성토는 흙의 체적을 계산 및 투입하여 다짐도(Rc) 90%로 시공한다.

상기 준설성토 성형 및 수평변위 계측장치 설치단계는 먼저 설계된 기울기에 맞게 준설성토를 성형한다. 그리고 수평변위 계측장치(420)를 설치하여 모형방조제의 제작을 완료한다.

상기 간극유체 투입단계에서는 간극유체를 토조 내부에 만조위까지 투입 및 방치하여 모형방조제(200)를 포화시킨다. 여기서 간극유체는 물을 사용하며 침투수면의 가시화를 위해 우라닌(Uranine) 수용액을 혼합한다. 간극유체로 모형방조제(200)를 포화시킨 이후에 간조위까지 배수하고 토조를 원심모형실험기로 이동 및 거치시킨다.

상기 조위승강유닛 설치단계는 토조(100) 내부, 모형방조제(200)의 타공패널(250) 앞쪽으로 조위승강유닛(300)을 설치한다. 부연하면 액츄에이터(310)의 샤프트(313) 하단에 조위승강체(320)를 연결한다.

상술한 방법에 의해 제조되는 모형방조제 세트는 원심모형실험시에 조위승강체(320)의 승강에 의하여 토조(100)에서 실제와 같은 조위승강을 그대로 재현함으로써 모형방조제(200)의 거동을 정확하게 예측할 수 있다.

<실험예>

1. 원형모형실험장비

본 발명의 일 실시예에서 사용되는 원심장치(C)는 회전반경 5.0m, 유효반경 4.5m의 제원을 갖는다. 본 원심장치는 최대 2,400kg의 모형하중에 대해 100g까지의 원심재하가 가능하며, 실험 최대용량은 240 g-ton이다. 모형방조제가 설치된 토조를 원심장치(C)의 회전암(A)의 단부에 거치하며, 회전암(A)의 크기는 1.2mㅧ1.2mㅧ1.2m, 토조(100) 크기는 1.2mㅧ0.45mㅧ0.7 m이다.

이때, 계측용 컴퓨터를 원심장치(C)의 중앙부에 설치하여 원심장치와 함께 회전하도록 구성하였으며, 광섬유 로터리 조인트(Fiber Optic RotaryJoint, FORJ)를 이용한 컴퓨터 통신을 활용함으로써 효과적인 계측을 수행할 수 있고, 원심장치의 하단에 유체 로터리 조인트(Fluid Rotary Joint)가 설치되어 원심재하 중에 실험에 필요한 용수, 공압, 유압 등을 토조(100) 내로 공급할 수 있다.

2. 원형모형실험 과정

2.1 모형방조제 단면설계

원심모형실험을 위한 모형방조제의 단면은 조석간만의 차가 큰 서해에 접하고 있는 한반도 남부에 시공되어 있는 실제 방조제의 설계단면에 근거하였다. 아래 [표 1]에 각 Case의 실험조건을 정리하였으며, 도 1a 내지 도 1c에 각 Case에 대한 모형방조제의 단면을 도시하였다.

Case 1과 Case 2-1은 토목섬유매트(230)가 파손된 상태를 모사한 것인 반면에, Case 2-2는 토목섬유매트(230)가 파손되지 않은 상태를 모사한 한 것이다.

모형방조제(200)는 사석부(210)의 사면 경사 유지를 위해 투수를 완전히 허용하는 두께 t=1 mm 두께의 타공패널(250)을 사석부(210)의 해측 경사면(212)에 설치하였다.

실제 방조제의 필터재층은 3층으로 설계되어 있으나, 각 필터재층의 입경이 육측 사석면으로부터 500 mm 이상, 14~200 mm, 1.5~76 mm로서 그 범위가 대단히 넓게 구성되어 있어 시공 여건 및 위치에 따라 필터재의 입도가 범위 내에서 충분히 변화할 가능성이 있다.

또한 사석의 경우에도 끝막이 구간에서 약 1.0 m~1.5 m 크기의 규격석을 사용하는 데 반해, 일반 구간에서는 재료의 입경을 구분하지 않아 넓은 입경범위를 갖는 재료를 사용하고 있다.

따라서, 본 실험예에서는 모형방조제(200)의 필터재(220)가 상대적으로 큰 입경(100 mm~250 mm, 본 발명의 모형방조제에서는 2 mm~5 mm)으로만 구성되며, 사석부 또한 1.0 m~1. 5 m(본 발명의 모형방조제에서는 20 mm~30 mm)의 큰 입경의 재료로 시공된 경우(Case 1)와, 필터재가 큰 입경(100 mm~250 mm , 모형에서는 2 mm~5mm) 및 작은 입경(16 mm, 모형에서는 0.32 mm)의 2개 층으로 구성되며, 사석 또한 넓은 입경범위(0.1 m~1.5 m, 모형에서는 2 mm~30 mm)를 갖는 재료로 시공된 경우(Case 2)를 모사하였다.

그리고 Case 1은 토목섬유매트(230)가 파손된 상태를, Case 2-1과 Case 2-2는 각각 토목섬유매트(230)가 파손된 상태 및 토목섬유매트(230)가 파손되지 않은 상태를 고려하여 조위승강에 따른 방조제 내 준설성토(240)의 거동을 고찰하였다. 여기서 토목섬유매트(230)는 두께 3 mm의 투수성 토목섬유를 사용하였으며, 토목섬유매트(230)의 일부를 절단하여 파손상태를 모사하였다.

준설성토(240)는 실제 방조제의 건설에 활용된 준설 해사를 사용하였으며 통일분류법상으로 SM으로 분류된다. 정수위 투수시험 결과, 투수계수는 1.0 x 10⁴cm/sec로 나타나, 일반적인 실트의 투수성이 αx 10⁴~ 10⁵ cm/sec의 범위에 있음을 고려할 때 투수성이 큰 실트로 평가된다.

또한, 실제 방조제에서의 준설성토의 상부는 90%의 다짐도로 관리되었으며 준설성토의 하부는 물다짐에 의해 시공되었고 상대밀도(Dr)는 70%로 나타났다. 이러한 상대밀도는 중간~조밀한 상태의 범위에 해당되며(Dr=50~85%), Lee and Singh(1971)의 경험식인 Rc=80+0.2Dr에 의해 다짐도(Rc)는 90%~97%로 계산할 수 있다.

따라서 , 본 실험에서는 준설성토 전체의 다짐도(Rc)를 90%로 설정하였으며 물다짐 등의 영향으로 실제 함수비가 높을 것으로 예상되므로, 본 실험에서는 준설성토의 함수비를 최적 함수비보다 습윤측인 18%로 설정하였다. 실험에 사용된 준설성토의 재료적 성질을 [표 2]에 나타내었다. 여기서부터 특별한 언급이 없는 한, 길이를 포함한 모든 물리량은 50 g 원심장에서의 실규모(Prototype)로 환산된 값을 서술한다.

2.2 모형방조제 제작

모형방조제의 제작시, 50 g의 원심가속도를 설정하여 1/50의 축소모형을 제작하 였다.

먼저, 토조(100)에 모형방조제의 형상을 유성펜으로 그리고, 토조의 저면에 24시간 이상 포화시킨 간극수압계(410)를 부착한다. 도 2에서 HWOST는 대조평균만 조위(hihg water of ordinary spring tides)를 의미하고, LWOST는 대조평균간조위(low water of ordinary s pring tides)을 의미하며, EL은 평형고도(equation level)를 의미한다.

이후, 사석부(210)의 자립을 위해 두께 1mm의 타공패널(250)을 사석부(210)의 해측부 경사면(212)에 설치한다. 모형방조제 축조시 변형 및 붕괴를 방지하 기 위하여 목형을 제작 및 활용하였으며(도 3a 및 도 3b), 각 층마다 사석부(210), 필터재(220), 토목섬유매트(230) 및 준설성토(240)를 시공한다.

토목섬유매트의 파손을 고려한 Case 1과 Case 2-1은 토목섬유매트를 준설성토의 제3층, 제5층에 분리하여 설치하고, 토목섬유매트의 파손을 고려하지 않은 Case 2-2는 토목섬유매트를 준설성토의 제3층에서 제5층까지 한 번에 설치하였다.

이후, 준설성토의 층별 체적을 계산하여 다짐도(Rc)=90%로 시공하였다(ρdmax=1.622 g/cm3). 여기서, 변형율의 국소화를 고찰하여 조위승강에 따른 모형방조제 내 준설성토의 거동을 분석하기 위한 화상해석을 PTV(Particle Tracking Velocimetry)법에 의거하여 수행하기 위하여, 준설성토의 각 층이 시공될 때마다 직경 5mm, 길이 7mm의 표점을 설치하였다.

또한, 준설성토부에는 토조의 벽에 인접한 유로를 차단하기 위해 실리콘 그리스(Silicon grease)를 도포하여 지수(止水)를 시행하였다. 준설성토의 다짐 시공 후에는 실제 방조제의 건설 후 방치에 따른 압밀을 고려하고 원심장에서의 안정성을 확보하기 위하여, 현 상태에서 50 g의 원심재하 에 의한 안정화작업을 30분간 수행하였다.

이후, 설계된 기울기에 맞게 준설성토를 성형하고 표점을 최종적으로 설치하여 모형방조제의 제작을 완료하였다.

2.3 간극유체의 투입 및 실험 전 화상 촬영

동적원심모형실험의 경우, 침투시간과 동적시간과의 상사법칙을 일치시키기 위해 실리콘 오일 또는 메토로즈 수용액의 점성을 N g의 원심장 에서 실험시 N배로 조정하여 사용하는 것이 일반적이다.

그러나, 본 원심모형실험에서는 동적 조건을 고려하지 않으므로, 간극유체로서 물을 사용하였으며, 이때의 실규모(Prototype)에서의 시간은 원심모형실험에 대한 시간의 상사법칙에서 따라 N²배가 된다. 여기서, 침투수면의 가시화를 위하여 수돗물 150L에 수공학 분야에서 추적자 조사 등에 사용되는 색소인 우라닌(Uranine: Fluorescein so dium, Yellow No.202) 12 g을 희석하여 우라닌 수용액을 제조하여 실험에 사용하였다.

이때, 우라닌 수용액을 모형방조제의 간조위(EL.(-)3.0 m)까지 투입하고 24시간동안 방치하여 수면 아래를 포화시키고, 화상해석을 위한 실험 전 표점들의 위치를 확보하기 위해 모형방조제의 화상을 디지털카메라로 촬 영하였다.

2.4 원심모형실험기 내 토조 거치 및 계측기 연결

도 5는 모형방조제(200)의 제작이 완료된 토조(100) 내부에 조위승강유닛(300)이 설치된 상태를 찍은 사진이다. 토조 내부에 조위승강을 모사하기 위해서 토조(100)에 설치된 조위승강체(320)를 원심모형기의 액츄에이터(310)에 결합한다. 여기서, 액츄에이터(310)를 최대속도인 5 mm/sec로 가동하는 경우, 간조위에서 만조위까지 도달하는 시간은 50 g의 원심장에서 약 1.59일로 나타났으며, 조위승강의 반복을 고려하는 경우에는 액츄에이터의 역전에 소요되는 시간을 포함할 때 약 1.80일이 소요되는 것으로 나타났다.

따라서, 실제 소요시간인 0.25일을 만족하기 위해선 액츄에이터의 성능을 향상시킬 필요가 있으나 본 실험에서는 조위승강의 모사 자체에 주안점을 두었다. 이후, 준설성토의 변위 측정을 위하여 3개의 변위계(LVDT, Linear Vari ableDifferential Transformer)를 설치한다. 또한, 간극수압계 및 변위계를 데이터 로거(Data logger)에 연결하여 계측 데이터를 자동으로 기록한다. 본 실험에서의 계측 데이터의 취득시간간격(Sampling rate)은 1 00 msec로 설정하였다.

2.5 원심장치로부터 토조 철거, 실험후 화상 촬영 및 굴착 조사

실험 완료 후, 원심장치(C)로부터 토조(100)를 철거하고 실험 후 화상을 촬영하여, 실험 전후의 화상을 통해 각 표점의 변위를 분석하여 화상해석에 반영함으로서 모형방조제 내 준설성토의 변형 메커니즘을 분석하였다. 또한, 굴착조사를 통해 필터재 내로의 준설해사 유실여부를 확인하였다.

3.원심모형실험 결과

3.1 간극수압 및 연직변위

도 7 및 도 8은 각각 Case별 간극수압 및 연직변위의 시간이력을 나타낸 그래프이다. 본 실험에서는 실규모(Prototype) 환산 200일간 조위승강을 수행하였으며, 방조제를 구성하는 각 재료(사석, 필터재, 토목섬유매트 및 준설성토)의 투수계수가 크므로 모든 Case에서 간극수압은 정수압(P1)과 유사하게 거동하는 것으로 나타났다. 따라서 토목섬유매트 파손부 인근의 준설성토는 조위승강과 유사한 수위변동을 경험할 것으로 사료된다.

실험 종료시 변위는 Case 1에서 L1(사면중앙부)에서 91.3 mm, L2(사면어깨부 )에서 144.5 mm, L3(천단부)에서 40.7 mm로 전체적으로 큰 침하량이 발생하며, 사면어깨부인 L2에서 최대의 변위가 발생하였으며, Case 2-1에서는 L1에서 41.7 mm, L2에서 27.5 mm, L3에서 11.4 mm 발생하여, 사면 중앙부인 L1에서 최대의 변위가 발생하였다. 그러나, Case 2-2에서는 L1에서 24.6 mm, L2에서 26.0 mm, L3에서 22.8 mm발생하여, 전체적으로 침하량은 작으며 등침하의 경향이 나타났다.

이와 같은 변위경향의 차이로부터 조위승강에 따른 준설성토부의 거동양상이 Case에 따라 다른 것으로 나타났으며, 그 원인을 명확히 하기 위해 모형방조제의 준설성토를 토목섬유매트 부근까지 굴착하여 관찰을 실시하고, 화상 해석을 통하여 준설성토의 변형메커니즘을 구체화하였다.

3.2 관찰 및 굴착조사

원심모형실험 종료 후, Case 1에서는 준설성토(240)의 사면중앙부, 사면어깨부 및 천단부에서 부등침하에 의한 인장균열이 나타났으며, 토조(100)의 스크린을 통해 관찰한 결과 토목섬유매트 파손부를 중심으로 다량의 준설해사가 유실되어 필터재 내에 혼입되었음을 알 수 있었다.

이와 같은 상황은 조위승강에 의한 침투수의 지속적인 유입 및 유출로 인해 토목섬유매트 파손부에 인접한 필터재층 내로 준설해사가 유실된 것이 준설성토 침하의 직접적 원인이 된 것으로 판단되며, 이로 인해 토목섬유매트 파손부의 직상부인 L2의 침하량이 가장 크게 나타났다.

한편, Case 2-1에서는 준설성토 표면의 균열은 나타나지 않았으며, 토목섬유매트의 파손에도 불구하고 토조의 스크린 관찰 및 토목섬유매트 설치 위치까지의 굴착조사로부터 준설해사의 유실은 확인되지 않았다. 이는 두 필터재층 중 작은 입경으로 조성된 층과 준설성토의 D50이 model scale로 각각 0.32 mm, 0.13 mm로서 필터재의 입경이 준설성토 보다는 다소 크나, 준설성토의 입자가 유실되기에는 필터재층의 간극이 충분히 크지 않았다.

그러나, 이 Case에서는 토목섬유매트의 인장강도에 의한 필터재층의 지지력 증가효과를 기대할 수 없으므로, 작은 구속응력으로 인해 지지력이 가장 작을 것으로 예상되는 필터재층 상부에 인접한 L1의 침하량이 가장 크게 나타났다.

토목섬유매트의 파손을 고려하지 않은 Case 2-2 또한 준설성토 표면의 균열은 나타나지 않았으며, 토조의 스크린 관찰 및 토목섬유매트 설치 위치까지의 굴착조사로부터 준설해사의 유실은 확인되지 않았다. 이 Case에서는 준설성토의 침하량이 전체적으로 작게 나타났으며, 등침하의 경향이 확인되었다.

4.결론

본 실험에서는 원심모형실험을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 모형방조제의 실제 응력상태 및 조위승강 과정을 거의 동일하게 재현하는 것을 통하여 토목섬유매트의 파손여부에 따른 실제 방조제 내 준설성토의 거동을 분석 및 구체화하였다. 본 실험으로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

1) 모형방조제의 필터재가 상대적으로 큰 입경으로 구성되며 토목섬유매트의 파손을 고려한 Case 1에서는 조위승강에 의한 침투수의 지속적인 유입 및 유출에 의해 준설해사가 토목섬유매트 파손부에 인접한 필터재층 내로 유실됨을 굴착조사를 통해 확인하였다. 또한, 화상해석 결과 토목섬유매트 파손부의 대변위 및 토목섬유매트 파손부로부터 준설성토의 사면중앙부 및 천단부에 걸쳐 전단변형율이 집중되는 경향이 나타나 준설해사의 유실경향이 명백히 나타났다. 이로 인해 준설성토의 사면중앙부, 사면어깨부 및 천단부에서 부등침하에 의한 인장균열이 나타났으며, 토목섬유매트 파손부의 직상부인 L2의 침하량이 가장 크게 나타났다.

2) 필터재가 큰 입경 및 작은 입경의 2개 층으로 구성되며 토목섬유매트의 파손을 고려한 Case 2-1에서는 필터재층의 간극이 작아 준설해사의 유실은 확인되지 않았으나, 토목섬유매트의 인장강도에 의한 필터재층의 지지력 증가 효과를 기대할 수 없으므로 작은 구속응력으로 인해 지지력이 가장 작을 것으로 예상되는 필터재층 상부에 인접한 L1의 침하량이 가장 크게 나타났다. 화상해석 결과, 사면중앙부, 사면선단부 및 토목섬유매트 파손 부에서 전단변형율이 집중되었다.

3) 필터재의 구성은 동일하나 토목섬유매트의 파손이 없는 Case 2-2에서는 토목섬유매트의 인장강도가 필터재층의 지지력에 기여함에 의해 준설성토의 침하량이 전체적으로 작게 나타났으며, 등침하의 경향이 확인되었다. 화상해석 결과, 변위벡터는 토목섬유매트가 파손된 Case에 비해 고르게 분포하였으며, 전단변형율은 비교적 미소하였다.

4) 실제 방조제의 필터재층은 입도범위가 대단히 넓게 구성되어 있어 시공여건 및 위치에 따라 필터재의 입도가 범위 내에서 충분히 변화할 가능성이 있다. 따라서, 토목섬유매트의 파손시 실제 준설성토의 침하에는 준설해사의 유실 및 필터재층의 지지력 감소가 복합적으로 작용할 것으로 판단된다. 그러므로, 방조제 내 준설성토의 안정성을 확보하기 위해서는 토목섬유매트의 파손을 최대한 억제하여 준설해사의 유실을 막고, 불가피하게 준 설해사가 유실되는 경우 그라우팅 또는 널말뚝 시공 등을 통해 방조제를 유지 보수할 필요가 있다.

100: 토조 110: 브라켓
200: 모형방조제 210: 사석부
211: 경사면 212: 경사면
220: 필터재 230: 토목섬유매트
240: 준설성토 250: 타공패널
251: 관통홀 300: 조위승강유닛
310: 액츄에이터 311: 전동모터
312: 기어박스 313: 샤프트
320: 조위승강체 400: 계측기
410: 간극수압계 420: 수평변위 계측장치
C: 원심장치 A: 회전암

Claims

원심모형실험에 의한 방조제의 안전성을 예측하기 위한 것으로서,
원심장치(C)에 설치되어 원심력을 제공받는 토조(100)와; 상기 토조(100) 내부에 설치되는 모형방조제(200)와; 상기 토조(100)에 채워지는 물의 수위를 승강(昇降)시키는 조위승강유닛(300)과; 상기 토조(100)와 모형방조제(200)에 설치되는 계측기(400);로 구성되되,
상기 모형방조제(200)는 상기 토조(100)의 중앙 부분에 상단으로 갈수록 좁아지는 사다리꼴 단면을 갖도록 형성되는 사석부(210)와; 상기 사석부(210)의 일측 경사면(211) 상측에 적층되는 필터재(220)와; 상기 필터재(220)의 상면에 설치되는 토목섬유매트(230)와; 상기 토목섬유매트(230)의 상면에 적층되고 실리콘 그리스(silicon grease)로 지수 처리된 준설성토(240); 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212) 상측에 설치되고 다수의 관통홀(251)이 형성된 타공패널(250);로 구성되고,
상기 조위승강유닛(300)은 상기 토조(100)의 상부에 구비된 브라켓(110)에 설치되는 전동모터(311)와, 상기 전동모터(311)에 연결되어 전동모터(311)의 회전력을 상하 직선운동으로 바꾸는 기어박스(312)와, 상기 기어박스(312)에 연결되어 상하방향으로 움직이고 조위승강체(320)의 상면에 연결되는 샤프트(313)로 구성된 액츄에이터(310)와; 상기 액츄에이터(310)에 연결되어 상하로 승강하는 조위승강체(320);로 구성된 것을 특징으로 하는 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트.
삭제
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 조위승강체(320)는 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212)을 바라보는 면이 경사지게 형성되어, 상기 조위승강체(320)의 경사면과 상기 사석부(210)의 타측 경사면(212)과의 거리가 일정한 것을 특징으로 하는 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트.
청구항 1에 있어서,
상기 계측기(400)는 토조(100)의 바닥면에 설치되는 간극수압계(410)와;
상기 준설성토(240)에 설치되는 수평변위 계측장치(420);로 구성된 것을 특징으로 하는 원심모형실험을 위한 모형방조제 세트.