KR101973657B1

KR101973657B1 - 교대 측방유동 방지용 역아치 구조 및 이를 이용한 개보수공법

Info

Publication number: KR101973657B1
Application number: KR1020180119659A
Authority: KR
Inventors: 이현웅
Original assignee: (주)테르자기
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-10-08
Publication date: 2019-08-26

Abstract

본 발명은 교대의 측방유동을 방지하기 위한 역아치 구조로서, 교대 배면측에 뒤채움 성토를 하지 않고 빈 공간으로 존치시킴으로써 종래 교대 배면 뒤채움 성토의 편재하중이 그 하부의 연약지반에 작용하는 경우에 볼 수 있는 연약지반 침하 및 그 수평전단변형을 방지할 수 있다. 또한, 교대 배면 무성토 공간부(50)의 상부에는 일 단부(72)는 교대 후면에 회전지점으로 지지되고 사면 성토층 쪽 접지부(74)는 교대에서 떨어진 사면 성토층에 고정지점으로 직접 지지되는 아래로 볼록한 역아치형 구조물(70)을 축조함으로써 종래 연약지반에 세워진 교대 배면측 뒤채움 성토로 인한 편재하중이 원천적으로 작용하지 않도록 함으로써 교대의 측방유동을 방지하고, 구조물의 하중과 차량의 주행하중 등을 교대(30) 및 사면 성토층(10)에 안정적으로 분산 전달할 수 있다.

Description

교대 측방유동 방지용 역아치 구조 및 이를 이용한 개보수공법{Inverted Arcuate Structure to prevent Lateral Flow of the Bridge Abutments and Reparing Method using the Same}

교대(橋臺) 배면측 뒤채움 성토하중은 교대 하부의 연약지반에 대하여 편재하중으로 작용한다. 교대 전방에 압성토를 하여 교대 전후방 성토하중의 응력편차를 줄일 수 있으나 일반적으로 배면측 성토하중이 훨씬 더 크기 때문에 그에 따른 편재하중은 교대 배면측 성토층 하부의 연약지반을 수직방향으로 압밀할 뿐만 아니라 그 연약지반을 수평방향으로 거동시킴으로써 교대의 안정에 악영향을 미친다. 교대 배면측 성토층 하부의 연약지반이 교대쪽으로 수평 거동할 경우 그 수평거동압력이 교대의 기초말뚝에 외력으로 작용하여 교대가 수평방향(=교축방향)으로 밀리는 현상이 교대의 측방유동 현상이다.

본 발명은 특히 교대 배면측에 종래 필수적으로 실시된 뒤채움 성토를 하지 않고 빈 공간으로 존치시키고 그 빈 공간의 공중에 걸쳐지는 도로-교량 접속용 역아치형 구조물을 축조함으로써 종래 연약지반에 대한 성토층 편재하중의 작용을 근원적으로 경감시켜 교대의 측방유동을 방지하는 기술에 관한 것이다.

교량은 교량 자체의 하중과 고속주행하는 차량이나 열차의 동하중을 지지하는 구조물이므로 역학적으로 안정되어야 하며 경시적(經時的)으로 변위가 발생하지 않아야 한다. 그러나 흔히 연약한 점성토 지반 위에 축조되는 교대 구조물은 배면토압, 성토에 따른 편재하중, 다짐토압, 연약지반의 침하 및 수평이동활동 등의 영향으로 수평변위에 매우 취약한데, 교대의 측방유동은 연약지반이 주로 교대 배면측 성토에 따른 편재하중의 영향을 받아 압밀에 의한 수직방향 침하와 함께 전단에 의한 측방변위가 성장하여 교대 지지용 기초말뚝을 변형시키고 나아가 교대에도 유해한 영향을 미치게 된다.

교대의 측방유동은 교좌장치, 신축줄눈장치, 날개벽 등의 파손을 초래하여 교량의 균형과 구조안정성을 심각하게 훼손하고 사후적으로 이를 완전히 보수 또는 교체하는데 큰 어려움과 비용이 따르며, 교대구간 도로 단차의 발생에 따른 차량 주행성의 불량과 같은 불편을 초래할 뿐만 아니라 시민의 안전을 위협하기까지 하므로 교대의 수평변위 대책은 교량의 초기 설계시 뿐만 아니라 사후 관리에 있어서도 매우 중요한 문제 중의 하나이다.

교대의 측방유동을 방지하기 위해 종래 연구되고 시도되어 온 기술은 다양하지만 주로 성토하중을 줄이는 관점, 연약지반의 지질을 치환 개량하는 관점, 성토체 하중을 지지하는 기초구조체를 구축하는 관점 등에서 이루어져 왔다.

먼저 종래 성토하중을 줄이는 기술로서는 교대 배면 뒤채움 성토재를 EPS(Expandable Poly-Stylene) 블럭, 경량골재, 박스(BOX), 관 등 경량 성토체로 사용함으로써 성토하중을 줄여 측방유동을 일으키는 응력 편차를 감소시키고자 하는 기술을 들 수 있다.

연약지반의 지질을 개량하는 관점의 기술로서는 샌드드레인(SAND DRAIN)공법, 페이퍼드레인(PAPER DRAIN)공법을 실시하거나 생석회 말뚝 등을 연약지반에 설치하여 물리, 화학적으로 개량하는 기술 등이 있다.

또한 성토체 하중을 지지하는 구조의 기술로서는 교대 뒤채움 성토재 아래의 연약지반에 다수개의 성토지지말뚝을 삽입하고 그 상단부에 소정의 면적을 가지는 말뚝캡(=확장주두)을 씌우거나 주두를 줄기초처럼 연결하거나 성토지지말뚝 위 전체를 덮는 슬래브(=파일슬래브)를 형성하여 연약지반 상부에 성토되는 성토층의 하중 또는 그 편재하중이 직접 성토지지말뚝을 통하여 견고한 지반으로 직접 전달되도록 함으로써 성토하중을 연약지반에 전달되지 않게 차단시키는 성토지지말뚝 설치 기술(등록특허 제10-0205794호, 교대 뒤채움부 성토지지말뚝의 설치구조)이 있다.

등록실용신안 제20-0220890호(시트파일을 이용한 교대 측방유동 방지구조)에서는 교대 배면 뒤채움 성토재의 하부가 되는 지점에 강재로 만들어진 시트파일을 연이어 타입하는 작업을 통해, 교대 지지용 말뚝기초의 옆에 파형(波形)의 평면 형태를 이루면서 연속체로 연이어진 시트파일 울타리를 적어도 1개소 이상 수직 설치하여, 그 시트파일 울타리로 하여금 측방유동압을 차단하는 기술이 개시되어 있다.

또한 특허공개 제10-2003-0097561호(교대의 측방이동 방지구조 및 그의 공법)는 교대 배면의 연약지층 상부에 형성된 성토층의 편재하중을 견고한 기반층에 직접 전달함과 동시에 견고한 기반층과 성토층 사이에 있는 연약지층의 측방유동을 방지함으로써 교대의 이동을 방지할 수 있는 교대의 측방이동 방지구조 기술로써, 교대 뒷부분의 연약지층에 지지되는 지지말뚝과, 이 지지말뚝의 내부를 관통하여 형성되고 그 하단부가 연약지층 하부의 견고한 기반층에 앵커되는 앵커부와, 지지말뚝의 배면에 지지되고 연약지층에 연속적으로 설치되는 시트파일과, 지지말뚝의 상단부에 형성되는 확장된 수평구조체를 포함하여 이루어지는 기술이다.

또한 등록특허 제10-0787021(고성토부 교대구조 및 이의 시공방법)에서는 교대 배면에 수평보강재(스틸스트립, 지오그리드)를 설치하여 교대 배면의 뒤채움 성토로 인한 측방유동을 이 수평보강재로 하여금 저항하게 하여 교대의 이동을 방지하는 기술을 개시하고 있다. 이 기술은 고성토부 교대에 있어서, 교대기초의 하부에 위치된 교대기초 말뚝 상단부의 버림콘크리트와 교대기초 사이 또는 교대 기초의 측면이나 상면에 교대 배면쪽으로 성토층 전단력 증진용 스틸스트립, 지오그리드 등의 수평보강재를 설치하는 기술이다.

교대 배면 성토에 따른 편재하중이 연약지반에 작용하는 것을 방지하기 위해

종래 제안된 전술한 바와 같은 특허 기술들은 그 어느 것도 교대 구축시(교량 초기 설계시)에 반영하고자 하는 기술이지만 교대 배면측 성토, 특히 교대 뒤채움 성토가 이루어지는 것을 전제로 한 기술이기 때문에 그 뒤채움 성토압이 존재하는 이상 여전히 힘의 불균형이 존재하게 되어 교량 완공 이후 사후적으로, 경시적으로 교대 측방유동이 일어나는 현상을 온전히 방지하지는 못한다.

한편, 교량 설계에 있어서 교대를 중심으로 하여 교대의 안쪽인 하천부와 교대의 바깥쪽인 도로부에 있어서 그 각 부분에서의 성토부 허용침하량이 서로 다른 설계기준에 의해 서로 다르게 규율되고 있는 점도 교대의 측방유동과 관련하여 유념하여야 한다.

즉, 교대의 안쪽인 하천부 성토부 허용침하량은 「하천설계기준」에 의해 30cm로 규율되고 있고, 교대는 「구조물 기초설계기준」에 따라 그 성토부 허용침하량은 그 변위가 전혀 허용되지 않는 완전 지지말뚝 등으로 설치되어야 하며, 교대의 바깥쪽인 도로 성토구간의 허용침하량은 「도로설계기준(토공구간)」에 따라 10cm로 규율되고 있다. 이처럼 교대를 중심으로 하여 교대의 안쪽인 하천부와 교대의 바깥쪽인 도로성토부 각 성토부 허용침하량이 서로 다른 설계기준에 의해 서로 다르게 규율되고 있는 것은 도로와 교량이 놓이는 지형과 지질 등 자연조건을 합리적으로 고려하여 융통성이 있게 적용할 수 있다는 가이드이지만 오히려 교대를 중심으로 하여 그 전후방 성토부의 허용침하량이 서로 다른 기준에 의해 상대적으로 다르게 적용될 수 있음으로써 성토에 따른 편재하중이 연약지반에 작용하는 압밀 효과의 정도도 일률적이지 않고 다르게 나타나는 것을 허용하는 결과로 되어 결과적으로 늘 교대 주변에서 부등변위나 측방유동이 발생할 수 밖에 없다. 이는 규정을 바꿔서 해결될 문제도 아니고, 규정을 더 엄밀하게 적용해서 지나친 안전설계로 해결될 문제도 아니며 복합적, 기술적으로 해결해야 할 과제로 남아 있다.

따라서 교량, 특히 교대부 설계시 서로 다른 성토부 허용침하량 기준을 적극 탄력적으로 활용하는 관점에서 접근하기보다 원천적으로 교대부 근처에서 편재하중으로 작용하는 성토부 하중의 관점으로부터 접근하는 새로운 시도가 필요하다. 본 발명은 교대 측방유동의 근본적 요인인 교대 배면 뒤채움 성토압 자체를 아예 없애거나 그 크기를 대폭 줄임으로써 손쉽게 힘의 균형을 도모하여(즉, 편재하중이 생기지 않도록 하거나 미미하게 하여) 침하를 원천 방지하는 관점으로부터 접근하는 기술로서, 종래 교대 주변 성토부 허용침하량을 다르게 규율하는 것을 적용하는 것에서 오는 문제(지나치게 비경제적인 안전설계를 하는 경우 포함)도 해결할 수 있을 것이다.

이러한 관점에서 본 발명은 교대의 측방유동을 방지하기 위하여 교대 배면측 연약지반이 수직 압밀침하 및 교대쪽으로 수평전단변형 거동되는 것을 방지함으로써 교대를 지지하는 기초말뚝에 유해한 외력이 작용하지 않도록 한다는 상위 기본 관점에서는 종래기술들과 그 기술사상을 공유하지만, 본 발명은 종래 필수적으로 실시되지 않으면 안되는 것으로 인식되어 온 교대 배면측 뒤채움 성토를 전면 생략함으로써 특히 교대 배면측 근방의 연약지반에 대해 고성토 편재하중이 원천적으로 작용하지 않도록 한다는 점에서 종래기술들과 그 작동 메카니즘이 결정적으로 다르며, 이로써 교대 전후방의 연약지반에 작용하는 힘의 균형을 꾀함으로써 연약지반의 거동을 일으키지 않게 하는 작용효과가 확실하고 공기를 줄이며 공비도 크게 절감할 수 있다. 이는 토목분야 주요기술 중의 하나인 교량설계에 있어서 교대 측방유동이라는 종래로부터의 난제를 해결할 수 있는 유력한 대안이며, 교대 설계에서 새로운 공법의 개발 요청에 부응하는 기술이다.

본 발명에서 교대 배면측 뒤채움 성토를 전면 생략함으로써 남게 되는 빈 공간에, 한 쪽 단부는 교대 후면에 지지되게 하고 다른 쪽 접지부는 사면 성토층에 의해 직접 지지되는 역아치형 구조물을 세우고 그 상부에 교대 접속 어프로치 슬래브를 설치함으로써 도로와 교량이 연결될 수 있으며 이런 새로운 교대 구조에 의해 도로하중 및 차량의 주행하중도 빈 공간부 하부의 지중(연약지반)에 전달되지 않는다.

참고로 연약지반상에 성토 혹은 뒤채움 등으로 편재하중을 가할 경우 지반의 측방유동이 발생할 것인가의 여부를 판단할 수 있는 간편한 경험적 방법으로서, 예컨대 Tschebotarioff(1973)가 제안한 상재하중 판정법(상재하중 P=(γH) ≥ 3Cu일 경우 전단변형시작, P=(γH) ≥ 5.14Cu일 경우 전단파괴시작으로 판단), 일본도로공단(일본고속도로조사회,1981)가 제안한 측방유동지수 판정법(측방유동지수 F=(Cu/γH X 1/H < 0.04 일 경우 측방유동 가능성 있는 것으로 판단) 및 한국도로공사(김성환 등,1996)이 제안한 수정 I지수 판정법 (수정 아이지수 MI=(α·γH/Cu≥ 1.5 일 경우 측방이동 가능성이 있는 것으로 판단) 등이 있는데, 이들 간이 경험칙을 적용함에 있어서도 어느 것이나 성토의 단위중량(γ)에 성토고(H)의 곱으로표시되는 γH 값의 크기와 연약지반의 평균점착력(Cu)과의 상대적 크기 비교에 의해 지반의 측방유동이 발생할 것인가 여부가 경험적으로 판단되는 바, 본 발명에서처럼 교대 배면 뒤채움 성토체를 걷어낼 경우 γH의 값이 결정적으로 낮아져 지반의 측방유동이 일어나지 않게 될 수 있다.

본 발명은 종래 필수적으로 실시되지 않으면 안되는 것으로 인식되어 온 교대 배면측 뒤채움 성토를 생략하여 그 공간을 빈 공간으로 만듦으로써 교대 배면측 연약지반에 대해 성토압이 원천적으로 작용하지 않도록 하거나 크게 경감시켜 교대 측방유동을 방지할 수 있는 새로운 교대 축조 기술을 제공하며, 이를 위해 교대 배면측 뒤채움 성토를 생략할 경우 생기는 교대와 도로 사이의 무성토 빈공간을 구조적으로 안정되게 연결하는 한편 도로하중 및 차량 등의 주행하중을 교대 및 교대로부터 떨어진 사면 성토층에 분산 전달할 수 있는 역아치 구조를 제공함으로써 토압을 경감할 수 있고 부등침하를 방지하며 궁극적으로 교량과 교대 및 교대 주변 지반의 안정성을 확보하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 과제를 해결하기 위하여, 전면에 교좌장치(14)를 장착하기 위한 교좌대(12)가 형성되고, 후면에 역아치형 구조물(70)의 단부(72)를 지지하기 위한 결합대(32)가 형성되며, 확대기초부(31)의 밑면이 기초말뚝(6) 위에 지지되는 교대(30); 교대(30)의 확대기초부(31)의 후방 지상으로부터 점차 후방으로 경사지게 북돋아져 노상면까지 연장되는 사면 성토층(10); 교대(30) 배면으로부터 사면 성토층(10) 사이 지면 상부에 형성되는 교대 배면 무성토 공간부(50); 교대(30) 쪽 단부(72)는 교대(30)에 형성된 결합대(32)에 의해 지지되고 사면 성토층 쪽 접지부(74)는 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 역아치형 구조물(70); 역아치형 구조물(70)이 접지되는 사면 성토층(10)의 법면에 포설되는 석재지정층(60); 및, 역아치형 구조물(70)의 상부에 설치되는 어프로치 슬래브(22);를 포함하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조에 의해 달성된다.

상기 역아치형 구조물(70)은 철골조, 철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조 또는 철골과 철근콘크리트의 복합 구조로 제작되며, 내부에 트러스 구조의 보강부재가 더 설치될 수 있으며, 역아치형 구조물(70)의 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 접지부(74)는 콘크리트로 피복되는 구조체인 것을 특징으로 한다.

또, 역아치형 구조물(70)은 반원형 또는 그보다 작은 중심각의 곡면을 갖는 호형의 구조물이며, 그 저면이 상기 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되어 하중작용과 변형 시 접지 면적이 더 넓어지는 구조인 것을 특징으로 하며, 역아치형 구조물(70)의 지지구조는 교대 쪽 단부(72)는 교대 후면에 형성된 상기 결합대(32)에 회전지점으로 지지되고, 접지부(74)는 사면 성토층(10)에 고정지점으로 직접 지지되는 것을 특징으로 한다.

종래 일반적인 방법으로 완공된 교대에 측방유동이 발생한 경우 본 발명의 역아치 구조를 이용하여 이를 개보수하는 공법은, 사면 성토층(10)의 법면과 교대(30)의 배면 사이에 설치된 어프로치 슬래브(22)와 도로 성토체(60) 상면 높이까지 채워져 있던 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 걷어냄으로써 사면 성토층(10)의 법면과 교대(30)의 배면 사이를 교대 배면 무성토 공간부(50)로 만드는 제1단계; 교대(30)의 흉벽 후면에 결합대(32)를 형성하는 제2단계; 역아치형 구조물(70)이 접지되는 사면 성토층(10)의 법면에 석재지정층(80)을 포설 다짐하는 제3단계; 교대 배면 무성토 공간부(50)의 상부에, 일 단부(72)는 교대(30) 의 흉벽 후면에 형성된 결합대(32)에 회전지점으로 지지되고 접지부(74)는 사면 성토층(30)에 고정지점으로 지지되어 사면 성토층(30)과 일체로 거동하는 역아치형 구조물(70)을 축조하는 제4단계; 역아치형 구조물(70)의 윗면에 지지되면서 교대(30)와 도로(24) 사이에 놓여져 차량 또는 열차를 주행 가능하게 하는 상기 어프로치 슬래브(22)를 다시 축조하는 제5단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 해결하고자 하는 과제 및 그 과제 해결을 위한 전술한 바와 같은 수단의 실시에 의해, 본 발명은 종래 필수적으로 실시되지 않으면 안되는 것으로 인식되어 온 교대 배면측 뒤채움 성토를 전면 생략함으로써 교대 배면측 근방의 연약지반에 대해 교대 전후방에서 그 연약지반에 작용하는 힘의 균형을 꾀할 수 있어 교대의 측방유동을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 교대 배면측 뒤채움 성토를 전면 생략함으로써 형성되는 빈 공간 상부에 아래로 볼록한 역아치형 구조물을 구축함으로써 교대 배면측 근방의 연약지반에 대해서는 아무런 압축하중을 가하지 않으면서 도로하중 및 차량 등의 주행하중을 교대와 교대로부터 떨어진 위치의 사면 성토층에 분산 지지시킬 수 있는 새롭고 뚜렷한 작용효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의해 교량의 고질적인 문제인 교대 측방유동을 방지하는 한편 교대 배면의 부등침하로 인한 도로면 단차 발생도 방지할 수 있고 지중구조물이 있는 지반의 부등침하 및 그 전단변형의 문제도 해결할 수 있다.

또한 시설별로 관계 규정과 설계기준이 다를 수 밖에 없는 교대 설계에 있어서 필연적으로 발생되는 문제를 기술적으로 해결할 수 있다.

도 1 (A) 내지 도1(H) 각 도면은 종래 교량 건설 시 성토층에 시공되는 교대의 일반적인 축조 공정을 순차적으로 도시한 도면이다.
도 2는 연약지반에 시공되는 교대의 측방유동 토압이 작용하는 기본 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 교대 측방유동 방지용 역아치 구조의 개념도이다.
도 4는 역아치 구조물의 내부에 설치되는 트러스 구조의 보강부재와 콘크리트로 피복되는 접지부에 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 교대 측방유동 방지용 역아치 구조의 또 다른 실시례의 개념도이다.

도 1(A)부터 도 1(H)까지 도면은 종래 교량 건설 시 성토층에 시공되는 교대(30)의 일반적인 축조 공정을 순차적으로 도시한 것으로서, 이들 도면을 참조하여 교대의 일반적인 축조 공정을 설명하면 다음과 같다.

도 1(A)는 1차 성토층(4)을 도시한 도면이다. 1차 성토층(4)의 높이는 기초말뚝(6)의 지지 깊이 등을 고려하여 결정되며, 1차 성토층(4)의 교대 앞쪽 지면(4a)은 교대의 밑면이 놓이는 교대지지말뚝(6)의 상면 높이로 결정될 수 있다. 도면부호 2는 1차 성토 전의 원지반을 나타낸다.

도 1(B)와 도 1(C)는 교대 하부구조의 도면으로써, 도 1(B)는 교대를 지지하는 기초가 말뚝기초인 경우에 1차 성토면 높이까지 교대 지지용 기초말뚝(6)이 삽입된 것을 도시한 도면이고, 도 1(C)는 교대 지지용 기초말뚝(6) 위에 교대(30)를 축조한 것을 도시한 것이다.

도 1(D)는 노상면까지 2차 성토한 것을 도시한 것으로서 일반적으로 사면 성토층(10)은 1차 성토면 후방으로부터 소정의 성토경사각(θ)를 두어 점증 후상향하도록 성토된다.

도 1(E)는 교대 상부구조를 축조하는 것을 도시한 도면으로서 교대의 전방 교좌대(橋座臺, 12)에 교좌장치(교량받침, 14)를 장착하고 그 상부에 교량 거더(16)의 일 단부가 올려놓여진 후 거더(16) 위에 바닥판이 시공된다.

도 1(F)는 3차 성토, 즉 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 마친 것을 도시한 것이다 . 3차성토(=교대 배면 뒤채움 성토)는 교대 축조에 있어서 본 발명과 가장 중요한 연관을 갖는 공정으로서, 교대 직후방의 교대 배면 공간을 채우며 노상면까지 높게 고성토(高盛土)된다. 따라서, 큰 수직토압(Vf)에 의해 연약지반이 수평전단력(Hf)에 의해 수평거동하는 요인으로 작용한다.

도 1(G)는 압성토(20) 및 보호블록을 시공한 것을 도시한 것이고, 도 1(H)는 도로 포장과 부속 구조물를 설치한 것을 도시한 것이다. 어프로치 슬래브(22)를 타설하고 콘크리트 또는 아스콘(아스팔트 콘크리트)로 포장하며, 신축줄눈장치(도시하지 않음)를 시공한다.

이상과 같은 교대(30)의 일반적인 축조 공정 중에서 본 발명의 기술내용과 가장 대비되는 공정은 도 1(F) 공정으로서, 본 발명은 종래 반드시 시공하지 않으면 안되는 것으로 인식되어 온 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 생략하는 것을 중요한 기술적 특징의 하나로 한다.

도 2는 연약지반에 시공되는 교대(30)의 측방유동 토압이 작용하는 기본 개념도로서, 교대(30)의 직후방 위치에서 비교적 짧은 시간 동안 노상면 높이까지 채워지는 교대 배면 뒤채움 성토(18)는 교대 하부의 연약지반에 대하여 큰 집중하중으로 작용하여 지반의 압밀침하와 부등침하를 유발하고 이로 인해 연약지반을 수평방향으로 이동시켜 교대 지지 기초말뚝(6)에 대하여 횡방향 압력(=교대의 측방유동토압)으로 작용함으로써 교대(30)가 교축 방향으로 측방유동하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 교대 측방유동을 방지하기 위해 교대 배면 무성토 공간부(50)와 그 상부에 축조되는 역아치 구조의 개념도이다. 본 발명의 실시례를 도시한 도 3부터의 도면에서 종래 공법의 도 1과 동일한 부분과 장치에 대해서는 같은 부호를 사용하였다.

교대 측방유동을 방지하기 위해 교대 배면측 무성토 구간을 조성하고 그 상부에 축조되는 본 발명의 역아치 구조는, 전면에 교좌장치(14)를 장착하기 위한 교좌대(12)가 형성되고, 후면에 역아치형 구조물(70)의 일 단부(72)를 지지하기 위한 결합대(32)가 형성되며, 확대기초부(31)의 밑면이 기초말뚝(6) 위에 지지되는 교대(30); 교대(30)의 확대기초부(31)의 후방 지상으로부터 점차 후방으로 경사지게 북돋아져 노상면(路上面)까지 연장되는 사면 성토층(10); 교대(30) 배면으로부터 사면 성토층(10) 사이 지면 상부에 형성되는 교대 배면 무성토 공간부(50); 교대(30) 쪽 단부(72)는 교대(30)에 형성된 결합대(32)에 의해 지지되고 접지부(74)는 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 역아치형 구조물(70); 역아치형 구조물(70)이 접지되는 사면 성토층(10)에 포설 다짐되는 석재지정층(80); 및, 역아치형 구조물(70)의 상부에 설치되는 어프로치 슬래브(22)를 포함하여 이루어진다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 핵심적인 기술사항은 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 생략하여 종래와 같은 교대 배면 뒤채움 고성토 하중이 연약지반에 집중 작용하는 것을 원천적으로 배제함으로써 종래 교대가 연약지반에 축조될 경우 고질적인 문제였던 교대 배면 뒤채움 성토압에 의해 교대(30)의 측방유동이 야기되는 문제를 해결하는 것이고, 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 생략하여 생긴 교대 배면 무성토 공간부(50) 상부에 구조적으로 강성과 안정성이 높은 역아치형 구조물(70)을 축조하여 교대(30)와 도로(24)를 연결하는 것이다.

도 4는 역아치형 구조물(70)의 내부에 설치되는 트러스 구조의 보강부재와 콘크리트로 피복되는 접지부(74)에 대한 개념도이다. 본 발명을 구성하는 역아치형 구조물(70)은 내부에 트러스 구조의 보강부재가 더 설치될 수 있으며, 전체적인 골조는 철골조, 철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조 또는 철골과 철근콘크리트의 복합구조로 제작될 수 있다. 역아치형 구조물(70)의 골조에 트러스 구조의 보강부재를 더 설치함으로써 교대(30)와 도로(24)를 잇는 역아치형 구조물(70)의 스팬을 충분히 확보하고 구조안정성을 더 높일 수 있다.

나아가, 본 발명의 역아치형 구조물(70)을 이루는 주요 구조부재는 H-빔 등 철골재가 보다 바람직하다. 역아치형 구조물(70)의 호(弧)부재와 현(弦)부재에 해당하는 구조부재를 철골재로 제작하는 경우 자체 하중 및 구조물 상부에 작용하는 하중에 대해 호와 현의 철골부재에 모두 인장력이 작용한다. 위로 볼록한 일반 아치형 구조물에서는 호(弧) 부재가 압축력을 받기 때문에 장 스팬으로 설계되는 경우 강재의 특성상 좌굴에 취약할 수밖에 없는데, 아래로 볼록한 역아치형 구조에서는 호 부재가 인장력을 받기 때문에 철골재의 강점을 더욱 발휘할 수 있고, 그만큼 같은 량의 철골재로 더 긴 스팬의 거더 구조물을 설계하고 축조할 수 있는 것이다.

또, 역아치형 구조물(70)의 사면 성토층(10)에 접하는 접지부(74)는 콘크리트로 피복되는 것이 바람직하다. 역아치형 구조물(70)의 주요 부재가 철골을 포함하는 골조인 경우 철골과 사면성토층(10) 또는 석재지정층(80)이 직접 닿게 되면 철골재의 부식에 취약할 수밖에 없다. 따라서, 역아치형 구조물(70)의 장기적인 내구성 확보를 위해 사면 성토층(10) 또는 석재지정층(80)에 접지되는 부분은 콘크리트로 피복된 철근콘크리트조 또는 철골철근콘크리트조로 제작된다.

석재지정층(80)은 사면 성토층(10) 법면의 토사 유실을 방지할 뿐만 아니라, 역아치형 구조물(70)의 내구성을 강화하고 역아치형 구조물(70)의 지지 기반을 보강하는 역할을 하는 지정(地定)으로써, 잡석 뿐 아니라 사석 또는 쇄석을 소정의 두께로 포설 다짐하여 형성할 수 있다.

역아치형 구조물(70)의 아래로 볼록한 곡면은 반원형 또는 그보다 작은 중심각을 갖는 호형(弧形)인 것이 바람직하다. 또, 그 저면이 상기 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되어, 역아치형 구조물(70) 및 그 상부하중에 의한 하중작용과 변형 시 역아치형 구조물(70)과 사면 성토층(10) 간의 접지면적이 더 넓어지고, 사면 성토층(10)의 압축변형을 통해 지지력이 커지면서 오히려 역아치 구조의 구조안정성과 구조물의 균형이 더욱 강화되는 것을 특징으로 한다.

역아치형 구조물(70)을 교면과 동일한 폭의 단일 부재로 제작하게 되면 그 중량이나 부피가 너무 커 시공성이 떨어지는 경우, 각 차로폭에 상응하는 폭을 갖는 여러 개의 역아치형 구조물(70)로 분리 제작하여 시공할 수 있다. 이 경우 그 차로폭 단위마다 별개의 양 단부(72)와 접지부(74)의 지지구조를 채택하는 것이 바람직하다.

상기 역아치형 구조물(70)의 일 단부(72)는 교대(30)의 흉벽 후면에 형성된 결합대(32)에 힌지구조의 회전지점(回轉支點)으로 지지되고, 접지부(74)는 사면 성토층(10)에 고정지점(固定支點)으로 직접 지지되는 것을 또 한 특징으로 한다. 역아치형 구조물(70)의 교대(30) 흉벽 후면 결합대(32)에 힌지구조의 회전지점으로 지지되는 일 단부(72)는 수평 수직방향의 변위는 구속되지만 회전은 자유롭게 이루어져 이 단부에서 휨응력이 생기지 않으며, 역아치형 구조물(70)의 고정지점으로 지지된 다른 쪽 접지부(74)는 수평, 수직 및 휨변형이 모두 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되어 사면 성토층(10)과 일체로 거동하게 된다.

역아치형 구조물(70)의 접지부(74)는 끝단에서부터 소정의 중심각에 해당하는 아래로 볼록한 호상(弧狀)의 부분이 상기 사면 성토체(10)에 파고들어가 접지되는 구조로 이루어진다. 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되는 역아치형 구조물(70)의 접지부(74)의 지점(支點)은 그 끝단에 한하지 않고 역아치형 구조물(70) 저면의 호상(弧狀) 역아치면 중 일정한 면적 부분이 사면 성토층(10)에 접지된다. 역아치형 구조물(70)의 하부 역아치면은 호상(弧狀)으로 아래로 볼록한 곡면(曲面)이고 사면 성토층(10)의 법면은 평면(平面)이므로, 역아치형 구조물(70)의 하부 역아치면이 사면 성토층(10)에 일정 부분 파고들어가는 구조로 접하게 되는 것이다.

이렇게 역아치형 구조물(70)의 일정한 부분이 사면 성토층(10)에 침입하는 형태의 접지구조를 이룸으로써, 사면 성토층(10)에 역아치형 구조물(70)을 지지하기 위한 별도의 기초 구조물을 축조하지 않고 역아치형 구조물(70)을 사면 성토층(10)이 직접 지지하게 할 수 있으며, 이런 연결을 통해 역아치형 구조물(70)과 사면 성토층(10)이 일체로 거동하게 하는 것이 본 발명의 주요한 또 한 특징이다. 역아치형 구조물(70)의 하부 역아치면이 사면 성토층(10)과 일부 도로 성토체(60)에 침입하게 설치함으로써 접지면적을 더 넓히고 사면 성토층(10)과의 접합과 일체화 거동을 한층 더 실현할 수 있는 것이다.

교대 안쪽 하천부의 성토부 허용침하량은 「하천설계기준」에 의해 30cm로 규정되어 있고, 교대는 「구조물 기초설계기준」에 따라 그 성토부 허용침하량이 그 변위가 전혀 허용되지 않는 완전 지지말뚝 등으로 설치되도록 규정되어 있으며, 교대의 바깥쪽인 도로 성토구간의 허용침하량은 「도로설계기준(토공구간)」에 따라 10cm로 규율되고 있다. 이처럼 교량 설계에 있어서 교대를 중심으로 하여 교대의 안쪽인 하천부와 교대의 바깥쪽인 도로부, 각 부분에서의 성토부 허용침하량이 서로 다른 설계기준에 의해 다르게 적용되고 있는 국내 실정이 부등변위나 측방변형을 일으킬 수 있는 요인이 되고 있다.

일반적으로 위로 볼록한 아치형의 구조물은 양 단부에 압축하중이 집중적으로 작용하기 때문에 사면 성토층(10) 쪽 단부에도 반드시 별도의 기초를 설계에 반영하고 시공해야 한다. 그러나, 본 발명의 역아치형 구조물(70)을 사면 성토층(10)이 직접 지지하는 방법을 통해, 「구조물 기초설계기준」에 구속되지 않고 역아치형 구조물(70)이 변위가 있는 사면 성토층(10)과 일체화 거동하면서 또한 하중을 안정적으로 분산시킬 수 있도록 하였다. 또한, 역아치의 일부 내지 절반 정도까지 사면 성토층(10)과 접하게 하여 일체로 거동하기 때문에, 역아치형 구조물(70)에 작용하는 수직 수평하중 및 휨모멘트에 대한 응력이 크고, 나아가 하중에 의한 불가피한 변위가 진행될수록 접지면적이 커지고 지지력도 더 증가해서 구조안정성이 커질뿐만 아니라, 접합체 간에 늘 균형을 맞출 수 있는 구조를 이룬다. 교량 구조물, 특히 연약지반 위에 세워지는 교대에서 큰 숙제로 부각되어 온 구조안정성과 구조체 간 균형의 문제를 이렇게 본 발명의 역아치 구조를 통해 해결할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 교대(30) 배면에 성토하여 도로부와 연결하는 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 생략 배제함과 아울러, 교량과 기초와 성토체와의 서로 다른 변위기준을 허용하고 실제 발생하는 변위차를 완충할 수 있는 구조로 양쪽 단부(72)와 접지부(74)의 서로 다른 변위기준에 적응할 수 있는 역아치 구조를 개발하였다. 교대(30) 쪽 단부(72)는 변위를 허용하지 않는 완전지지 구조로, 사면 성토층(10) 쪽 접지부(74)는 일정 변위가 허용되는 사면 성토층(10)을 포함하는 도로 성토체(60)와 함께 거동하는 역아치 구조인 것이다.

즉, 교대(30)와 도로(24)의 간격이 큰 경우에도 중간기초 없이 그 간격에 대응할 수 있는 내력을 가진 역아치형 구조물(70)로 교대(30)와 도로(24)를 연결함으로써 교대(30) 배면에 교대 배면 무성토 공간부(50)를 충분히 확보할 수 있고, 교대(30) 쪽의 단부(72)는 「구조물 기초설계기준」에 따른 기초로 설치되며, 도로 성토체(60)와 연결된 사면 성토층(10) 쪽 접지부(74)는 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되어 사면 성토층(10)과 일체화 거동하도록 함으로써 사면 성토층(10)을 포함하여 도로 성토체(60)의 변위기준에 적응할 수 있고 침하 등 변위 발생 시 오히려 압축변형되는 사면 성토층(10) 및 일부 도로 성토체(60)와 일체화 거동함으로써 접지면적이 더 커지고 지지력도 증가한다. 이를 통해 교량의 구조안정성이 향상되고 교량을 구성하는 구조체 간의 균형을 지속적으로 유지할 수 있다.

이렇듯 본 발명의 역아치 구조는 교대의 측방유동을 방지할 뿐만 아니라, 시간이 경과하면서 구조적으로 더욱 안정되어 교량의 성능을 높이게 된다. 따라서, 침하 등 변위가 발생해도 교대(70)와 역아치형 구조물(70)을 포함한 주요 구조체를 보수하거나 교체할 필요가 발생하지 않으며, 변위에 따른 교량과 도로의 보수공사는 노면의 보수로 간단하게 조치가 이루어질 수 있다.

따라서 본 발명의 역아치 구조는 서로 다른 변위기준을 역아치형 구조물(70)과 양 단부의 상이한 지지구조로 완충하고 그 하부에 충분한 교대 배면 무성토 공간부(50)의 확보를 용이하게 하는 구조로써, 이를 달성하는 구조물의 효과적인 형태로서 일반적인 아치형태가 아닌 아래로 볼록한 역아치 형태를 채택한 것이다. 이렇게 역아치형 구조물(70)의 양 단부(72)와 접지부(74)를 각기 다른 역학적 지지구조로 지지함으로써 역아치형 구조물(70)을 통해 전달되는 구조물 자중과 차량 등의 동하중을 효율적으로 분산 지지할 수 있으며 지지부의 구조안정성을 더욱 도모할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 역아치형 구조물(70)의 단면은 박스형, 사각형, H-자형 등 일반적으로 상용되는 형식으로 프리캐스트 콘크리트 또는 철근콘크리트 구조나 철강구조로 사용되며, 구성부재간 접합은 고장력 볼트나 용접 또는 강재 연결방식 등 종래 공지된 다양한 방식의 것을 채용할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 교대 측방유동을 방지하기 위해 교대 배면측 무성토 구간에 축조되는 역아치 구조에서 채용할 수 있는 역아치형 구조물(70)은 그 곡면의 구성이 반원형이거나 그보다 작은 곡면(1/4원호형, 1/3원호형 등)을 가질 수 있으며, 그 결정에 영향을 미치는 요소는 지지토양의 상태 및 이와 관련한 사면 성토층(10)의 성토 경사각(θ)이다. 동일한 경사각의 사면 성토층(10)에 대해 중심각이 큰 원호형의 역아치형 구조물(70)일수록 사면 성토층(10)과의 접지면적이 크게 되므로, 이런 상관관계를 구조설계에 반영하여 역아치형 구조물(70)의 규격을 결정할 수 있다. 사면 성토층의 경사각(θ)는 대체로 45도 내외의 자연구배 안식각을 갖게 되고, 사면설계기준에 따라 소단과 법면보호공에 상용되는 공법이 적용되며, 이 경사각(θ)이 낮아질 경우 역아치형 구조물(70)의 스팬은 더 길게 설계되어야 할 것이다.

종래 일반적인 방법으로 완공된 교대에 측방유동이 발생한 경우, 본 발명의 역아치형 구조물(70)을 이용하여 이를 개보수하는 공법은 다음과 같다.

사면 성토층(10)의 법면과 상기 교대(30)의 배면 사이에 설치된 어프로치 슬래브(22)와 도로 성토체(60) 상면 높이까지 채워져 있던 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 걷어냄으로써 사면 성토층(10)의 법면과 교대(30)의 배면 사이를 교대 배면 무성토 공간부(50)로 만드는 제1단계; 교대(30)의 흉벽 후면에 결합대(32)를 형성하는 제2단계; 역아치형 구조물(70)이 접지되는 사면 성토층(10)에 석재지정층(80)을 포설 다짐하는 제3단계; 교대 배면 무성토 공간부(50)의 상부에, 일 단부(72)는 교대(30)의 흉벽 후면에 형성된 결합대(32)에 회전지점으로 지지되고 접지부(74)는 사면 성토층(30)에 고정지점으로 지지되어 사면 성토체(30)와 일체로 거동하는 역아치형 구조물(70)을 축조하는 제4단계; 역아치형 구조물(70)의 윗면에 지지되면서 교대(30)와 도로(24) 사이에 놓여져 차량 또는 열차를 주행 가능하게 하는 어프로치 슬래브(22)를 다시 축조하는 제5단계;를 포함하여 교대 배면측 무성토 구간에 축조되는 역아치 구조를 이용한 교대 측방유동 발생에 대한 개보수공법을 실시할 수 있다.

본 발명은 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 생략하는 구조이므로 종래 교대 배면 좌우 양단에 뒤채움 성토를 가두기 위해 사용되었던 날개벽도 불필요하게 되어 본 발명에서 무성토 구간 상부 공중에 설치되는 역아치형 구조물(70)은 그 저면이 그대로 공중에 노출되는 구조이지만 외관상의 이유 등으로 종전처럼 날개벽 또는 그 유사 구조물을 존치시킬 수도 있다.

도 5는 역아치형 구조물(70)의 무게중심이 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 접지부(74) 쪽으로 더 기울도록 설계된 역아치 구조의 또 다른 실시례를 도시한 것이다. 이와 같이 본 발명의 역아치 구조에 사용되는 역아치형 구조물(70)은 다양하게 변형된 형태로 설계되고 적용될 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 설명에서 본 발명의 효력이 미치는 범위는 본 명세서에 도시하여 설명한 것에 한정되지 않으며, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서로부터 균등하게 추론할 수 있는 기술적 범위는 모두 본 발명의 범위 내의 것으로 이해되어야 하고, 그 구체적인 범위는 청구범위로 기재한 발명의 균등범위이다.

2 : 원지반 4 : 1차 성토층
4a : (1차 성토층의 교대 앞쪽) 지면 4b : (1차 성토층의 교대 뒷쪽) 지면
6 : (교대 지지용) 기초말뚝
10 : 사면 성토층
12 : 교좌대 14 : 교좌장치
16 : 교량 거더 18 : 교대 배면 뒤채움 성토
20 : 압성토 22 : 어프로치 슬래브
24 : 도로
30 : 교대 31 : 확대기초부
32 : 결합대
50 : 교대 배면 무성토 공간부
60 : 도로 성토체
70 : 역아치형 구조물 72 : (교대 쪽) 단부
74 : (사면 성토층 쪽) 접지부
80 : 석재지정층 θ : 성토경사각

Claims

전면에 교좌장치(14)를 장착하기 위한 교좌대(12)가 형성되고, 후면에 역아치형 구조물(70)의 일 단부(72)를 지지하기 위한 결합대(32)가 형성되며, 확대기초부(31)의 밑면이 기초말뚝(6) 위에 지지되는 교대(30);
상기 교대(30)의 상기 확대기초부(31)의 후방 지상으로부터 점차 후방으로 경사지게 북돋아져 노상면까지 연장되는 사면 성토층(10);
상기 교대(30) 배면으로부터 상기 사면 성토층(10) 사이 지면 상부에 형성되는 교대 배면 무성토 공간부(50);
상기 교대(30) 쪽 상기 단부(72)는 상기 교대(30)에 형성된 상기 결합대(32)에 의해 지지되고 상기 사면 성토층(10) 쪽 접지부(74)는 상기 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 역아치형 구조물(70);
상기 역아치형 구조물(70)이 접지되는 상기 사면 성토층(10)에 포설 다짐되는 석재지정층(80); 및,
상기 역아치형 구조물(70)의 상부에 설치되는 어프로치 슬래브(22);를 포함하는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항에서,
상기 역아치형 구조물(70)은 철골조, 철근콘크리트조, 철골철근콘크리트조 또는 철골과 철근콘크리트의 복합구조로 제작되며, 내부에 트러스 구조의 보강부재가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항 또는 제2항에서,
상기 역아치형 구조물(70)의 상기 사면 성토층(10)에 의해 지지되는 상기 접지부(74)는 콘크리트로 피복되는 구조체인 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항 또는 제2항에서,
상기 역아치형 구조물(70)은 반원형 또는 그보다 작은 중심각의 곡면을 갖는 원호형의 구조물이며, 그 저면이 상기 사면 성토층(10)에 의해 직접 지지되어 하중작용과 변위 시 접지면적이 커지면서 구조안정성이 더 향상되는 구조인 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항 또는 제2항에서,
상기 역아치형 구조물(70)의 도로 폭 방향 지지는 도로의 주행 차로폭 길이 단위마다 분할 지지되는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항 또는 제2항에서,
상기 역아치형 구조물(70)의 일 단부(72)는 상기 교대(30)의 흉벽 후면에 형성된 상기 결합대(32)에 회전지점으로 지지되고, 상기 접지부(74)는 상기 사면 성토층(10)에 고정지점으로 직접 지지되는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
제1항 또는 제2항에서,
상기 역아치형 구조물(70)의 상기 접지부(74)는 끝단에서부터 소정의 중심각에 상당하는 호상(弧狀)의 저면이 상기 사면 성토층(10)에 파고들어가 접지되는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조.
종래 일반적인 방법으로 완공된 교대에 측방유동이 발생한 경우 이를 개보수하기 위한 공법으로서,
사면 성토층(10)의 법면과 교대(30)의 배면 사이에 설치된 어프로치 슬래브(22)와 도로 성토체(60) 상면 높이까지 채워져 있던 교대 배면 뒤채움 성토(18)를 걷어냄으로써 사면 성토층(10)의 법면과 교대(30)의 배면 사이를 상기 교대 배면 무성토 공간부(50)로 만드는 제1단계;
교대(30)의 흉벽 후면에 결합대(32)를 형성하는 제2단계;
역아치형 구조물(70)이 접지되는 사면 성토층(10)에 석재지정층(80)을 포설 다짐하는 제3단계;
상기 교대 배면 무성토 공간부(50)의 상부에, 일 단부(72)는 교대(30) 의 흉벽 후면에 형성된 결합대(32)에 회전지점으로 지지되고 접지부(74)는 상기 사면 성토층(30)에 고정지점으로 지지되어 상기 사면 성토층(30)과 일체로 거동하는 역아치형 구조물(70)을 축조하는 제4단계;
역아치형 구조물(70)의 윗면에 지지되면서 교대(30)와 도로(24) 사이에 놓여져 차량 또는 열차를 주행 가능하게 하는 어프로치 슬래브(22)를 다시 축조하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교대 측방유동 방지용 역아치 구조를 이용한 개보수공법.