KR200220890Y1 - 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조 - Google Patents

Abstract

본고안은 연약지반 지역에 축조되는 교대를 안정시키기 위한 것에 관한 것으로서, 교대배면의 뒷채움 성토하중에 의해 발생하는 연약지반층의 측방유동압을 유연하게 차단토록 함으로써 교대의 측방이동을 방지하여 주는데 목적이 있으며, 이 목적을 달성하기 위해 본고안은 연약지반 지역에서 교대(1)의 연직하중을 받아주도록 연약층(2)을 지나 견고한 기반층(3)에 정착되는 말뚝기초(4)를 설치하고 그 말뚝기초(4)위에 교대(1)를 축조하도록 설계된 교량에 있어서, 교대(1) 배면 뒤채움 성토재(5)의 하부가 되는 지점에 강재(鋼材)로 만들어진 시트파일(s)을 연이어 타입하는 작업을 통해, 상기 말뚝기초(4)의 옆에 파형(波形)의 평면형태를 이루면서 일연체로 연이어진 시트파일(s) 울타리를 적어도 1개소이상 설치하여서, 그 시트파일(s) 울타리로 하여금 교대 배면 뒤채움 성토재(5)의 하중에 의해 발생되는 연약층(2)의 측방유동압을 유연하게 차단토록 함을 기술 구성상의 특징으로 하며, 공기가 대폭적으로 단축되고, 공사비가 크게 절감되며, 교량구조물의 안정성을 확실하게 보장하여 줄 뿐만 아니라, 연약지반에 건설되는 여타 구조물에도 다양하게 응용시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조{Lateral Movement Prevention Structure of Bridge Abutment for using Sheet piles}

본고안은 연약지반 지역에 축조되는 교대를 안정시키기 위한 것에 관한 것으로, 특히 교대의 말뚝기초 옆에 시트파일을 타입하고 이것으로 하여금 교대배면의 뒷채움 성토하중에 의해 발생하는 연약지반층의 측방유동압을 미리 차단토록 함으로써, 교대의 측방이동을 방지하기 위한 것에 관한 것이다.

최근에는 교량을 지지하기 위한 교대, 도로의 노반 등이 연약지반상에 구축되는 경우가 많아지고 있다.

그러나 이러한 구조물이 연약지반상에 축조될 경우, 교대의 배면 뒷채움이나 도로의 성토 등이 하부지반의 편재하중으로 작용하여 지반의 측방유동을 유발시키게 된다.

주지된 바와 같이 측방유동(側方流動)이란, 연약지반(soft layer)위에 성토를 하여 둑쌓기(embankment)를 하거나 교대 배면에 뒷채움 성토를 하는 경우처럼 편재하중이 작용하면 연약지반 내의 응력(應力)과 간극수압(間隙水壓)이 증가되면서 체적이 수축되어 지반의 침하(settlement)를 일으키고, 더욱 하중이 증가하면 과잉간극수압의 급증에 따라 강도가 떨어지고 소성영역(sliding circle)이 확대되면서 토립자의 자립이 어렵게 되어 횡방향으로 소성적인 유동이 발생됨으로써 측방변위(lateral deflection)를 일으키게 되며, 지표면은 융기(heaving)되고 결국에는 지반의 활동파괴를 유발하게 되는 현상을 말한다. (도1. 성토에 의한 연약지반 측방유동과 파괴패턴 참조)

이와 같이 측방유동이 발생될 가능성이 보이는 연약지반에 교대의 기초말뚝이 설치되어 있으면 말뚝은 지반으로부터 측방유동압을 받게 된다. 통상적으로 말뚝이 수평으로 이동하려면 지반으로부터 저항을 받게 된다. 그러나 불안한 사면지반에서는 기초말뚝이 측방유동압에 저항하여 줄 수 있는 지반의 저항력도 크게 부족하게 되어 상부구조물은 수평으로 이동할 수밖에 없게 된다.

즉, 도2의 도시와 같이, 연약지반상에 말뚝기초를 박고 그 위에 교대를 건설할 경우, 교대배면의 뒤채움 성토하중에 의해 하부 연약층이 침하하면서 교대방향으로 측방유동압이 발생되고, 이 측방유동압이 말뚝기초 위의 교대를 측방으로 이동시키게 된다.

결국 이러한 현상은 교량 구조물에 막대한 피해를 입히게 되며, 그 피해사례가 많이 보고되고 있는 실정이다.

이러한 교량의 피해는 크게 2가지로 구분된다.

하나는 도3a의 도시와 같이, 연약지반층의 측방유동압에 의해 교대가 말뚝기초와 함께 교량의 상부구조물쪽으로 수평이동하여 교량의 상부구조물을 압박함으로써 교량의 상부구조물이 파괴되는 경우이며,

다른 하나는 도3b의 도시와 같이, 연약지반층의 측방유동압에 의해 교대가 뒤로 기울어져 교량의 상부구조물이 교대로부터 탈락하는 경우이다.

종래 위와 같은 교대측방이동에 의한 교량의 피해를 방지하기 위해 몇 가지 대책공법들이 사용되고 있는 바, 이를 유형별도 구분해 보면,

a) 도4a의 도시와 같이, 뒤채움 성토재를 EPS, 경량골재, 박스(box), 관 등의 경량재로 사용하여 성토하중을 경감시키는 공법이 있고,

b) 도4b의 도시와 같이, 샌드드레인(sand drain), 페이퍼드레인(paper drain) 등을 연약지반상에 설치하여서, 연약지반을 고결시키는 공법이 있으며,

c) 도4c의 도시와 같이, 뒤채움 성토재가 위치하는 연약지반상에 말뚝기초를 설치하고 그 위에 슬래브를 형성하여서, 성토하중을 연약지반 상부에서 차단시키는 공법이 있고,

d) 도4d의 도시와 같이, 교대내측에 앞채움 성토를 하거나, 인접교각에 지지되는 콘크리트 구조체를 설치하여서, 교대이동을 구조적으로 억제시키는 공법이 있다.

위와 같은 공법들 중에서 우리나라의 경우, a) EPS를 이용해 성토하중을 경감시키는 공법과, b) 샌드드레인(sand drain)을 이용해 연약지반을 고결시키는 공법을 주로 사용하고 있다.

그러나, a) EPS를 이용해 성토하중을 경감시키는 공법은 시공속도가 빠르고 공사소음이 없는 장점은 있으나, 지하수위가 높을 시 성토재의 부력문제가 발생하고, 공사비가 고가이며, 연약지반의 침하에 따른 대책이 요구되는 등의 문제점이 있었다.

그리고, b) 샌드드레인(sand drain)을 이용해 연약지반을 고결시키는 공법은 상기한 공법들 중에서 가장 확실한 공법이기는 하나, 지반압밀에 장시간이 소요되어 본공사가 지연되고, 공사비가 고가이며, 공사소음이 크게 발생되는 문제점이 있었다.

한편으로, 상기한 c) 성토하중을 연약지반 상부에서 차단시키는 공법과, d) 교대이동을 구조적으로 억제시키는 공법은 시공경험이 부족하고 지형적인 조건에 제약을 많이 받게 되어 우리나라에서 적용하기에는 곤란할 뿐만 아니라, 공사기간이 길게 소요되고 공사비도 많이 소요되어 현실적으로 채택되지 않는 공법에 불과 하였다.

이에 따라, 본고안은 연약지반 지역에 설치되는 교대의 측방이동을 방지하는데 있어 종래 공법들에서 나타나는 제반 문제점을 해소하기 위해 안출한 것이다.

따라서, 본고안의 목적은 연약지반상에 설치되는 교대의 말뚝기초 옆에 시트파일을 설치하는 간단한 공사를 통해, 교대배면의 뒷채움 성토하중에 의해 발생하여 교대의 말뚝기초에 영향을 끼치는 연약지반층의 측방유동압을 미리 유연하게 차단토록 하여 측방유동압에 의한 교대의 측방이동을 방지함으로써, 교량구조물의 안정성을 보장하여 주기 위한 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조를 제공하는데 있다.

도1은 성토에 의한 연약지반 측방유동과 파괴패턴을 나타낸 도면

도2는 연약지반상에 구축된 교대의 측방이동 상태를 나타낸 도면

도3a는 교대의 측방이동에 의해 교량 상부구조물이 파괴된 예시도

도3b는 교대의 측방이동에 의해 교량 상부구조물이 탈락된 예시도

도4a는 종래 교대 배면의 성토하중을 경감시키는 공법에 의한 시공예시도

도4b는 종래 교대 배면의 연약지반을 고결시키는 공법에 의한 시공예시도

도4c는 종래 교대 배면의 성토하중을 차단시키는 공법에 의한 시공예시도

도4d는 종래 교대이동을 구조적으로 억제시키는 공법에 의한 시공예시도

도5는 본고안의 교대측방이동 방지구조에 따른 일 시공예시도

도6은 도5의 일 시공예 중 교대부근의 평면구조도

도7은 본고안의 교대측방이동 방지구조에 따른 다른 시공예시도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:교대 2:연약층

3:기반층 4:말뚝기초

5:성토재 6:밑바닥선

s:시트파일

이하, 본고안의 기술구성을 본고안의 시공예들에 의한 첨부도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도5, 도6 및 도7은 연약지반상에 설치되는 교대 구조물에 본고안의 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조가 적용된 시공예들을 나타내고 있는 것으로서, 도5 및 도7은 정면상태의 입면구조를 나타내고 있고, 도6은 도5의 일 시공예 중 교대부근의 평면구조를 나타내고 있다.

이들 시공예에서 보여주고 있는 바와 같이 본고안은, 연약지반 지역에서 교대(1)의 연직하중을 받아주도록 연약층(2)을 지나 견고한 기반층(3)에 정착되는 말뚝기초(4)를 설치하고 그 말뚝기초(4)위에 교대(1)를 축조하도록 설계된 교량에 있어서,

교대(1) 배면 뒤채움 성토재(5)의 하부가 되는 지점에 강재(鋼材)로 만들어진 시트파일(s)을 연이어 타입하는 작업을 통해, 상기 말뚝기초(4)의 옆에 파형(波形)의 평면형태를 이루면서 일연체로 연이어진 시트파일(s) 울타리를 적어도 1개소이상 설치하여서, 그 시트파일(s) 울타리로 하여금 교대 배면 뒤채움 성토재(5)의 하중에 의해 발생되는 연약층(2)의 측방유동압을 유연하게 차단토록 함을 기술구성상의 기본적인 특징으로 한다.

상기와 같이 시공된 교량에서, 교대(1)의 연직하중은 말뚝기초(4)에 의하여 견고한 기반층(3)에 지지된다. 그리고, 교대 배면 뒤채움 성토재(5)로 인한 상재하중도 말뚝기초(4)의 횡방향 지지력에 의해 지지된다.

시트파일(s)은 흙막이와 차수공법으로 사용되는 구조물로서 일반 토목공사에 많이 사용되고 있기 때문에 자재취득과 시공이 용이하며, 연성이 비교적 좋아서 측방유동압에 유연하게 대처하여 주는 장점이 있다.

본고안의 교대측방이동 방지구조에서 사용되는 시트파일(s)이 지지해야 할 하중은 연약지반내에서 발생되는 측방유동압 뿐이므로 이에 대하여 시트파일(s)의 종류와 규격을 설계하면 된다.

시트파일(s)의 시공깊이는 연약층(2)을 지나 견고한 기반층(3)에 그 하단의 일부가 관입될 때까지 한다. 이때 N치(N-value, 중량 63.5kg의 망치를 75㎝ 높이에서 자유낙하시켜 30㎝박는데 필요한 타격횟수) 30∼50까지 시공 가능하다.

그리고, 시트파일(s)은 그 상단 머리부분이 상부 성토재(5)의 수평토압을 받지 않도록 교대(1) 밑바닥선(6) 이하로 위치되게 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 교대와 가장 가까운 거리에 위치하는 시트파일(s) 울타리는 시트파일 (s)의 상단 머리부분의 변위를 고려하여 교대(1)로부터 옆으로 일정부분 이격시킨 위치에 설치한다. 이때 교대(1)와의 가장 적당한 이격거리는 15㎝정도이다.

상기 시트파일(s) 울타리는 측방유동압을 원활하게 분산하도록 교대의 양 단부쪽에 위치하는 선단부들을 교대쪽으로 경사지면서 구부러지는 평면형태로 설치한다. 이때 경사도는 135°를 유지시키는 것이 측방유동압을 원활히 분산시키는데 가장 유리하다.

본고안을 실시함에 있어서 시트파일(s) 울타리는 도5의 도시와 같이 1열만 매설하여도 측방유동압을 충분히 차단시킬 수도 있으나, 경우에 따라서는 도7의 도시와 같이 2열(또는 다열)로 매설하여서 측방유동압에 대처하는 능력을 배가시킬 수도 있다.

한편, 본고안은 교대 말뚝기초(4)와 동시에 상기 시트파일(s)을 시공할 수 있기 때문에 공사기간이 아주 짧게 소요된다.

이상과 같이 시공되는 본고안은 측방유동을 원천적으로 방지하는 구조가 아니고 측방유동을 허용하되, 이 측방유동압을 말뚝기초 바로 앞에서 시트파일 울타리라는 구조체에서 의하여 유연하게 차단시킴으로써, 짧은 시간에 경제적으로 교대의 측방이동을 방지하여 주는 구조이다.

한편, 본고안은 연약지반상에 설치되는 교대의 안정 뿐만 아니라, 연약지반 지역에 건설되는 토목 구조물(예를 들어, 도로의 노반) 등에도 충분히 응용할 수 있는 것으로, 이에 대한 설명은 본고안의 기술사상에 따르면 용이하게 실시 가능하므로 생략한다.

상기와 같이 이루어지는 본고안은 시트파일을 이용하여 교대의 말뚝기초로 가해지는 측방유동압을 유연하게 차단시켜 교대의 측방이동을 방지하여 줌으로써 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 시공이 간단하고 교대의 말뚝기초와 동시에 공사를 진행시킬 수 있음으로써 공기가 대폭적으로 단축되는 효과가 있다.

둘째, 값싸고 구하기 쉬운 시트파일을 이용함으로써 공사비가 크게 절감된다.

셋째, 교량구조물의 안정성을 확실하게 보장하여 줄 뿐만 아니라, 연약지반에 건설되는 여타 토목구조물에도 다양하게 응용시킬 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본고안은 연약지반 지역에 건설되는 교대 등의 토목구조물의 안정성을 빠르고 간단하면서 저렴한 비용으로 확보하여 주는 매우 유용한 고안이다.

Claims (5)

1. 연약지반 지역에서 교대(1)의 연직하중을 받아주도록 연약층(2)을 지나 견고한 기반층(3)에 정착되는 말뚝기초(4)를 설치하고 그 말뚝기초(4)위에 교대(1)를 축조하도록 설계된 교량에 있어서,

   교대(1) 배면 뒤채움 성토재(5)의 하부가 되는 지점에 강재(鋼材)로 만들어진 시트파일(s)을 연이어 타입하는 작업을 통해, 상기 말뚝기초(4)의 옆에 파형(波形)의 평면형태를 이루면서 일연체로 연이어진 시트파일(s) 울타리를 적어도 1개소이상 설치하여서, 그 시트파일(s) 울타리로 하여금 교대 배면 뒤채움 성토재(5)의 하중에 의해 발생되는 연약층(2)의 측방유동압을 유연하게 차단토록 함을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 시트파일(s)은 연약층(2)을 지나 견고한 기반층(3)에 그 하단의 일부가 관입될 때까지 타입함을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 시트파일(s)은 그 상단 머리부분이 상부 성토재(5)의 수평토압을 받지 않도록 교대(1) 밑바닥선(6) 이하로 위치되게 설치함을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 시트파일(s)은 그 상단 머리부분의 변위를 고려하여 교대(1)로부터 옆으로 일정부분 이격시킨 위치에 설치함을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 시트파일(s) 울타리는 측방유동압을 원활하게 분산하도록 교대의 양 단부쪽에 위치하는 선단부들을 교대쪽으로 경사지면서 구부러지는 평면형태로 설치함을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 교대측방이동 방지구조.