KR20060011253A - 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대나무 망을 이용한 표층처리공법에 있어서, 현장에서 대형 평판재하시험을 통한 복토 시공단계별 지지력을 평가함으로써, 시공장비별, 보강재별, 복토단계별, 허용지지력의 상호관계를 도출하고, 기존에 제시된 이론식을 이용한 허용지지력 분석을 통하여 현 이론식의 적용성과 대나무 망 공법의 효율성 분석 및 경제적이고 안정적인 표층처리 설계의 기초자료로 활용하고자 하는 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법은 재하판의 종류를 선택하는 단계; 평판재하시험의 대상지점을 선정하는 단계; 평판 재하시험장치를 준비하는 단계; 대상지반의 물리적인 성질을 측정하는 단계; 대상지반면까지 지반을 굴착하는 단계; 재하면을 정형(수평 및 고르기)하는 단계; 재하판을 설치하는 단계; 재하장치를 조립하는 단계; 변위 측정장치를 조립하는 단계; 예비시험하중을 가하고 침하량을 측정하는 단계; 하중측정장치의 영점을 조정하는 단계; 변위 측정장치의 영점을 조정하는 단계; 시험하중을 단계적으로 가하여 그때의 침하량을 측정하는 단계; 극한, 항복하중상태 또는 최대하중까지 단계적으로 재하와 침하측정을 실시하는 단계; 상기한 측정값 정리 및 분석하는 단계로 이루어지는 평판 재하시험방법에 있어서, 상기 분석단계는 각 경우에 대한 지반의 비배수 전단강도(C_u), 대나무망에 대한 재하시험에서 얻어진 지지력비(BCR), 각 조 건별 대나무 망의 강성 등의 상호관계 평가를 통해 최적의 회귀분석식을 이용하여 지지력을 산정함을 특징으로 한다.

대나무 망, 표층처리공법, 재하시험장치, 재하시험방법, 지지력 산정방법

Description

대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법{The support power calculation method of the soft ground reinforced with bamboo net}

도 1은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장

치를 도시한 평면도,

도 2는 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장

치를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장

치를 이용한 재하시험 단면도,

도 4는 토목섬유를 대상으로 하는 복토단계별 재하시험 단면도,

도 5는 대나무 망과 토목섬유를 대상으로 하는 복토단계별 재하시험 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장

치를 이용한 단계별 재하시험 순서도,

도 7은 토목섬유의 단계별 재하시험 순서도,

도 8은 대나무 망과 토목섬유의 단계별 재하시험 순서도,

도 9는 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 평판 재하시험장치를 이용하여

재하시험을 시행하는 과정을 도시한 흐름도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

10 : 재하판 12 : 변위 측정장치

14 : H형강 16 : 마그네틱 홀더

18 : 재하대 20 : 크레인

22 : 준설매립지반 24 : 토목섬유

26 : 대나무 망 28 : 호안

본 발명은 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법에 관한 것으로, 특히 대나무 망을 이용한 표층처리공법에 있어서, 현장에서 대형 평판재하시험을 통한 복토 시공단계별 지지력을 평가함으로써, 시공장비별, 보강재별, 복토단계별, 허용지지력의 상호관계를 도출하고, 기존에 제시된 이론식을 이용한 허용지지력 분석을 통하여 현 이론식의 적용성과 대나무 망 공법의 효율성 분석 및 경제적이고 안정적인 표층처리 설계의 기초자료로 활용하고자 하는 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법에 관한 것이다.

최근, 대규모의 신항만, 신공항, 신도시, 공업단지 및 농업용지 확보를 위한 해안매립과 해안지대를 점유하는 공업단지 및 도로건설이 활발하게 이루어지고 있으나, 과거의 매립 공사와 달리 환경적 문제와 경제적인 이유로 육상 매립토의 확보가 어려워, 준설토를 적극적으로 활용하고 있는 실정이다.

그러나, 준설 매립토와 준설토 투기장을 활용하여 조성된 지반은 준설 매립 후, 10여 년 이상 장기간동안 방치하더라도 자연건조에 의해 표층부만 굳어져 인원의 단순한 출입은 가능하지만 별도의 표층처리를 하지 않고서는 지반개량을 위한 장비의 진입이 어려운 단점이 있다.

일반적으로 이러한 현장의 경우 1∼2년 방치 후, 지반개량을 실시하고 있으나, 공사기간 및 시공성이 매우 불리하다.

따라서, 이를 개선하기 위해 표층에 토목섬유를 포설하고, 초습지용 도저를 이용하여 토사를 포설하거나, 벨트 컨베이어 또는 고압으로 모래를 살포하는 방법, 표층을 전체적으로 고결화시키는 방법, 수평진공 압밀공법, P.T.M(progressive trenching method)등 여러 가지 표층처리공법이 적용되고 있다.

그러나, 복토 두께가 불균등할 경우 과도한 인장응력과 상향의 큰 압력을 받게 되어 액상상태의 준설 매립토가 순간적으로 지표로 유출하거나 장비의 전도 또는 매몰되는 등의 안전사고가 발생한다.

여기서, 상기한 표층처리공법 중 토목섬유(Geotextile)공법은 연약지반 상에 포설하는 토목섬유 자체의 인장력을 발휘하여 과대한 지반변형을 억지하고, 지반의 지지력을 증대시켜 장비의 주행성(Trafficability)을 확보하기 위하여 지반을 토목섬유로 보강하는 공법이다.

상기한 토목섬유공법은 자연 건조시킨 준설매립토 상부에 인력으로 토목섬유를 포설한 후, 그 위에 소형장비로 양질의 토사를 단계적으로 복토하여 지반개량용 중장비를 통행 가능하게 할 수 있는 공법으로 표층처리공법 중 가장 널리 사용되는 방법으로 풍부한 시공 경험 및 실적을 가지고 있다.

상기한 토목섬유공법은 토목섬유의 재료특성상 휨 강성이 거의 없어 성토시 연약지반의 소성유동을 억제할 수가 없으며, 지표면의 거동과 연동하여 수직적으로 변화하기 때문에 장비의 주행성 및 안정성 확보가 곤란하다.

따라서, 토목섬유와 지반의 마찰력이 급격하게 저하되어 필요한 인장강도의 발현이 지연되고, 국부적으로 성토재의 함몰성 침하가 발생한다.

또한, 복토를 균등하게 포설하여도 연직배수재의 시공시 시공구간과 미시공구간에 작용응력 차이로 단차가 발생하여 경우에 따라서는 장비함몰 등 안전시공을 저해하는 요소가 생길 수 있다.

표층처리용 복토는 장비하중을 균등하게 분산시키는 것이 주목적이므로 동일한 두께로 포설되어야 지반공학적 해석논리에 부합되나, 일반적으로 시행되는 도저에 의한 복토 포설방법으로는 기존 지반과의 인접부 시공시 함몰 가능성이 상존하고 있다.

또한, 복토재의 공급과 포설시 관련 장비의 반복적인 운행에 따라 하부지반에 피로 응력이 누적되고, 이어서 성토 진행방향으로 소성유동이 현저하게 발달하여 하부지반의 완전교란은 물론, 복토의 두께도 상당히 두꺼워져 불균등한 복토 포설의 원인이 될 수 있다.

상기한 표층처리공법 중 대나무 망 공법은 휨강성이 크고 인장과 비틀림 저항성이 강한 대나무의 역학적, 재료적인 장점을 이용하여 연약지반 개량시 국부파괴 및 불규칙 침하를 억제하는 공법으로, 준설토 투기장 등의 준설매립지반 개량에 선행하여 시공하고 있는 기존의 토목섬유를 이용한 표층처리공법의 문제점을 개선하고, 경제적이며, 시공의 안정성을 확보할 수 있도록 대나무 망과 저 인장강도의 토목섬유 위에 중장비를 직접 탑재하지 않고 복토용 모래 포설이 가능하도록 고안된 공법이다.

즉, 상기한 토목섬유공법은 넓은 부지를 몇장의 토목섬유로 효과적으로 보강하는 것은 상당한 어려움을 내포하고 있다.

대나무는 우리나에 다량으로 재비되고 있거나, 자생하고 있어 구득이 쉽고, 건설재로서의 재료적 특성도 우수하다.

표층처리공법 본래의 목적을 효과적으로 달성하기 위한 대나무 망 공법의 특징은 다음과 같다.

① 지반개량 품질성능의 향상

대나무 망 시공으로 기존의 토목섬유 단독으로 적용하는 공법보다 지반의 소성유동을 최소화할 수 있으므로 장비의 안정탑재에 필요한 복토 두께를 최소화할 수 있다.

또한, 대나무 망 포설 후 인원이 직접 진입할 수 있으므로 실무적으로 어려웠던 준설매립지반의 초기값에 대한 조사가 가능하여 효율적인 시공관리, 심층개량시공 관리기준 값 설정 및 고품질의 지반개량이 가능하다.

한편, 복토시에는 기존의 공법에 비하여 일률적으로 균등하게 포설할 수 있으므로 균등한 수평배수층의 형성이 가능하여 불필요한 복토 단면을 줄일 수 있다. 지반개량전의 지반고와 초기의 지반특성을 측정할 수 있으므로 계측관리의 신뢰성 을 제고할 수 있어 지반개량의 품질 향상이 가능하다.

② 시공성 향상

표층부의 강도를 조기에 향상시킬 수 있고, 측방유동을 최소화시킬 수 있으므로 준설매립 후 표면건조를 위한 방치기간을 단축시킬 수 있다. 또한 대나무 망의 제작이 단순하고, 복토 포설시 육안 관찰시공이 가능하므로 시공관리가 용이하다. 복토 포설시 포설 두께(1회 최소 10∼20㎝)와 면적의 조정이 가능하고, 기존공법에서와 같이 복토가 한 방향으로 집중되는 현상을 방지할 수 있으며, 균등 포설이 가능하므로 연약층의 유동을 최소화할 수 있다.

보강재 포설 후, 장비의 진입이 불가능한 지역에도 인력의 진출입은 가능하므로 초연약지반에서도 교란의 주요인이 되는 장비의 진입이 없이도 경량의 고압 배사관을 이용한 복토 포설이 가능하다. 장비의 설치ㆍ철거가 용이하고, 복토재 공급장치도 현장여건에 따라 조정이 가능하다.

③ 경제성 제고

대나무의 강성을 최대한 활용하기 때문에 복토 두께가 기존의 공법보다 얇아지고 복토의 포설은 고압을 이용하여 균등한 포설이 가능하므로 초습지용 도저에 의한 기존의 토목섬유공법을 적용한 표층처리공법보다 시공속도가 빨라 공사기간이 전체적으로 약 30%정도 단축된다. 복토 두께 및 모래의 포설 두께가 감소되므로 공사기간이 단축과 경제적인 시공을 동시에 확보할 수 있다.

④ 친환경적

토목재료는 생산과정에서 많은 환경오염 물질을 배출하고 있으나, 대나무 망 공법은 대체 재료인 자연재료를 사용하므로 환경 친화적이다. 또한 많은 재료와 에너지를 사용하고, 제작과정에서 환경오염 유발물질을 배출하는 공산품 재료에 비하여 자연재배로서 확보되는 자재를 사용하므로 오염부하량 저감의 방안이 되는 자재사용과 오염물질을 발생시키지 않는 친환경적 공법이다.

상기한 바와 같은 장점을 갖는 대나무 망을 이용한 표층처리공법은 판이론에 의한 대나무 매트 기초의 침하심도의 설계는 지금까지 야마노우치(Yamanouchi)의 추정공식을 이용하여 산정하고 있다.

침하해석 원리는 연약지반상에 대나무 매트를 부설한 후, 성토를 실시하면, 매트에는 성토에 의한 재하중, 지반반력 및 매트와 흙 사이의 전단저항이 작용한다.

따라서, 매트를 양단으로 단순 지지된 판으로 보고, 성토 중량과 지반반력은 일정하게 분포한다고 가정하면, 전단저항은 지점에 수평방향으로 작용하는 합력으로 변환시켜 간단한 모델로 단순화시킬 수 있다.

매트의 침하곡선은 포물선 형태로 가정하며, 이에 대한 해는 판이론을 적용 하여 구할 수 있다.

여기서 y : 매트의 침하량, p : 성토의 하중강도, q : 지반반력

S : 매트와 흙 사이의 전단저항 합력, D : 매트의 휨강성

L : 휨강성이 발휘되는 지간거리(√3B), B : 매트의 폭

위 식으로 대나무매트 기초지반의 침하량을 산정하기 위해서는 다음의 순서로 설계입력 변수(parameter)를 결정한다.

① p(하중강도) : p = (총 작용하중 ÷ 매트부설 폭(B))

② q(지반반력) : 판 이론의 지지력식 이용

③ S_a(전단저항) : S_a = C_a + σㆍtanδ

여기서, C_a : 부착력, σ : 연직응력, δ : 보강재와 흙 사이의 마찰각

부착력(C_a)는 Terzaghi의 얕은기초로 보고 C_a = C_u를 적용하고, δ는 대상지반이

=0인 지반이므로 민감도를 고려하여 5°적용

④ S(전단저항합력) : 매트와 흙사이의 전단저항의 합력( S = S_aㆍ B/2)

⑤ D(대나무 휨강성) : D=E_bI

(E_b : 대나무의 탄성계수, I : 대나무 단면2차모멘트)

⑥ b = B/2

⑦ 지반의 포아슨 비 ν = 0.5(포화점토)

⑧ 대나무 매트 설치지반의 지반탄성계수 E = 1ㆍq_u/ε (q_u : 일축압축강도, ε:일축압축시험에 의한 q_u/2 에서의 변형률)

상기한 바와 같은 야마노우치의 판이론에 의한 설계 및 시공은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 대나무 매트의 강성변화에 침하변화가 없으며, 둘째, 지반탄성계수에 민감(지반반력 계수 산정이용)하며, 셋째, 기초폭(B)에 비례한 치환심도가 증가하며, 넷째, 대나무 매트의 강성평가가 합리성을 결여함에 따라 입력변수 평가의 합리성과 평가식의 적용성이 검토 요망된다.

또한, 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 야마노우치의 지지력 이론에 대한 야마노우치의 제안식은 연직배수재 장비주행이 매트 보강효과를 고려한 지지력 모델로써 대상지반의 경우 S_a, r, D_f의 영향이 무시되므로 지반의 허용지지력은 아래와 같이 표현된다.

여기서, Fs : 단기안전율(=2.0), d : 복토두께, b : 접지폭, c : 원지반 점토의 비배수 전단강도(tf/㎡), Tall : 대나무 망과 토목섬유의 허용인장력, θ:대나무 망과 토목섬유가 수평면을 이루는 각(=20°)

상기한 야마노우치 제안식에서 θ는 D_f, r과 함께 재하상태의 변형형상과 관련된 계수로서, 지지력의 산정결과를 크게 좌우하는 부분이나, 현재까지는 D_f, r, θ의 값이 이론적으로 명확히 정립되어 있지 않고, 정량적으로 계측된 결과 역시 부족하므로 실제로는 추정치를 적용하고 있는 실정이다.

또한, 보강재의 인장력 적용 각도는 토목섬유 시공시의 외국사례에 의한 값을 적용하고 있으나, 강성재인 대나무를 인장재로 고려하여 설계할 경우 인장력 적용 각도에 대한 검토가 필요하다.

D_f, r, θ값 중 인장력의 크기를 좌우하는 θ의 값에 대해서는 판정강(坂井强, 1990)의 변형단면 관측연구 결과로부터 θ - c의 관계도에서 구하거나, 재하중에 의해 지반이 침하되는 형태로부터 기하학적으로 θ를 구하는 방법이 있다.

그러나, 지반의 침하형태로부터 구하는 방법은 지반의 침하 형태를 원 또는 직선으로 가정하고, 접근해야 하므로 대상지반의 특성을 반영하기 힘든 단점이 있다.

따라서, 상기한 야마노우치의 지지력 평가식은 접지폭 증대에 따라 지지력이 감소되며, 대나무 망의 인장강도의 평가의 합리성이 결여되며 T = σ×A=2500×A, 대나무 망의 변형강이 커지며, 허용인장강도 평가를 위한 안전율(FS=2.0)을 적용해야 하는 문제가 있다.

따라서, 상기한 대나무 망으로 보강된 지반의 지지력의 평가를 위해 야마노우치의 지지력 평가식을 이용하였으나, 재료 자체의 특성상 토목섬유는 인장재인 반면 대나무 망은 강성재라는 역학적 차이점이 있으므로, 향후 연구를 통한 기존 제안식의 수정보완의 필요성이 제기되었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 써, 대나무 망을 이용한 표층처리공법에 있어서, 현장에서 대형 평판재하시험을 통한 복토 시공단계별 지지력을 평가함으로써, 시공장비별, 보강재별, 복토단계별, 허용지지력의 상호관계를 도출하고, 기존에 제시된 이론식을 이용한 허용지지력 분석을 통하여 현 이론식의 적용성과 대나무 망 공법의 효율성 분석 및 경제적이고 안정적인 표층처리 설계의 기초자료로 활용하고자 하는 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 대나무 망으로 보강한 토목섬유를 연약한 표층지반에 포설함으로써, 연직배수재 시공장비의 주행 안정성을 확보하려는 표층처리공법에 있어서, 현장에서 정적하중에 대한 흙의 지지력 시험 방법(KS F 2444)을 준용한 대형 평판재하시험을 수행하여 품질 및 시공관리에 필요한 기초지반의 허용지지력 및 침하량 등 지반공학적인 자료인 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법은 재하판의 종류를 선택하는 단계; 평판재하시험의 대상지점을 선정하는 단계; 평판 재하시험장치를 준비하는 단계; 대상지반의 물리적인 성질을 측정하는 단계; 대상지반면까지 지반을 굴착하는 단계; 재하면을 정형(수평 및 고르기)하는 단계; 재하판을 설치하는 단계; 재하장치를 조립하는 단계; 변위 측정장치를 조립하는 단계; 예비시험하중을 가하고 침하량을 측정하는 단계; 하중측정장치의 영점을 조정하는 단계; 변위 측정장치의 영점을 조정하는 단계; 시험하중을 단계적으로 가하여 그때의 침하량을 측정하는 단계; 극한, 항복하중상태 또는 최대하중까지 단 계적으로 재하와 침하측정을 실시하는 단계; 상기한 측정값 정리 및 분석하는 단계로 이루어지는 평판 재하시험방법에 있어서, 상기 분석단계는 각 경우에 대한 지반의 비배수 전단강도(C_u), 대나무망에 대한 재하시험에서 얻어진 지지력비(BCR), 각 조건별 대나무 망의 강성 등의 상호관계 평가를 통해 최적의 회귀분석식을 이용하여 지지력을 산정함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장치를 도시한 평면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장치를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장치를 이용한 재하시험 단면도이며, 도 4는 토목섬유를 대상으로 하는 복토단계별 재하시험 단면도이며, 도 5는 대나무 망과 토목섬유를 대상으로 하는 복토단계별 재하시험 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장치를 이용한 단계별 재하시험 순서도이며, 도 7은 토목섬유의 단계별 재하시험 순서도이며, 도 8은 대나무 망과 토목섬유의 단계별 재하시험 순서도이며, 도 9는 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 평판 재하시험장치를 이용하여 재하시험을 시행하는 과정을 도시한 흐름도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처 리공법의 평판 재하시험장치는 지표면에 밀착되며, 원형으로 이루어지는 재하판(10)과; 상기 재하판(10)의 좌우로 각각 설치되는 변위 측정장치(12)와; 상기 재하판(10)의 좌우에 각각 설치되는 H형강(14)과; 상기 변위 측정장치(12)에 일측이 고정 설치됨과 동시에 타측은 H형강(14)과 일체로 연결되는 한 쌍의 마그네틱 홀더(16)로 구성된다.

여기서, 상기 재하판(10)상에 재하대(18)를 고정 설치하여, 재하하중을 측정한다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험은 재하판(10)의 종류를 선택하는 단계; 평판재하시험의 대상지점을 선정하는 단계; 평판 재하시험장치를 준비하는 단계; 대상지반의 물리적인 성질을 측정하는 단계; 대상지반면까지 지반을 굴착하는 단계; 재하면을 정형(수평 및 고르기)하는 단계; 재하판(10)을 설치하는 단계; 재하장치를 조립하는 단계; 변위 측정장치(12)를 조립하는 단계; 예비시험하중을 가하고 침하량을 측정하는 단계; 하중측정장치의 영점을 조정하는 단계; 변위 측정장치(12)의 영점을 조정하는 단계; 시험하중을 단계적으로 가하여 그때의 침하량을 측정하는 단계; 극한, 항복하중상태 또는 최대하중까지 단계적으로 재하와 침하측정을 실시하는 단계; 상기한 측정값 정리 및 분석하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 대나무 망을 이용한 표층처리공법의 평판 재하시험장치는 하중재하를 위한 재하판(10)으로는 원형 철판(D=1500㎜, t=75㎜)을 사용하였으며, 재하하중은 강철판을 이용한 사하중 재하방식을 사용하였다.

또한, 변위 측정장치(12)는 재하에 의한 지반 변위 등의 영향을 받지 않도록 재하 위치로부터 2.4m이상 이격된 부동점에 기초를 둔 변위 측정장치(12)를 재하대(18)까지 돌출시켜, 단계별 하중재하에 따른 연직변위를 측정하였다. 복토 단계별 시험하중은 시공장비 탑재시 작용하는 응력에 상응하는 하중을 시험 하중으로 재하하였다.

상기한 바와 같은 평판 재하시험 결과 일반적으로 허용지지력은 설계자가 하중조건, 지반조건 등을 종합적으로 판단하여 정역학적인 지지력 계산방법에 의하여 지지력을 추정하나, 재하시험 결과에 의해서 허용지지력을 산정할 때는 대체로 극한하중을 안전률로 나누어서 구한다. 또한 현장 여건에 따라 장기 허용지지력은 항복하중강도/2 또는 극한하중강도/3 중 작은 값을 채택하며, 단기 허용지지력은 항복하중 강도를 채택한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 단기 허용지지력은 장기 허용지지력의 두배로 보는 방법이 가장 일반적인 방법이다. 본 발명에서 대상으로 하는 표층처리공법의 경우 현장 여건을 고려해 볼 때 구조물 기초 등의 장기 허용지지력 개념이 아닌, 지반개량 공법 적용을 위한 장비의 주행성 확보를 위한 목적이므로 단기 허용지지력 개념으로 보는 것이 보다 합리적이다. 따라서, 본 발명에서는 지반의 허용지지력 산정시 단기 개념의 허용지지력을 적용하였다.

대형 평판재하시험을 수행한 결과, 각 복토단계별 허용지지력을 산정한 결과 대나무 망으로 보강된 구역의 허용지지력이 토목섬유만으로 보강된 구역보다 다소 크게 나타났다.

본 발명에서 사용한 장비접지압 및 허용지지력은 모두 원지반에 작용하는 것을 기준으로 비교하였으며, 복토 두께는 시험 계획시 1.0m, 1.5m, 2.0m 였으나, 실제 시험시 측정된 정확한 값을 사용하였다.

한편, 본 발명에서는 원지반 조건이 동일하다는 가정하에 표층처리공법 재료로 사용된 토목섬유와 대나무 망의 성능차이를 비교하는 것이 합리적이므로 원지반 허용지지력을 보정한 후에 보강재에 의한 지지력을 더하여 허용지지력 값을 정규화하였다.

따라서, 현장에서 시행한 대형 평판재하시험 자체에서 산정된 허용지지력은 단기 허용지지력 값이지만, 본 발명에서 평가시 사용된 허용지지력은 정규화된 허용지지력을 사용하였다. 또한 토목섬와 대나무 망을 사용한 각각의 경우에 대해서 산정한 허용지지력이 장비접지압의 1.2∼1.5배로 나타나, 지지력 조건을 만족하는 것으로 판단된다.

특히, 본 발명의 평판 재하시험의 목적은 대나무 망으로 보강된 지반의 지지력 평가를 위한 것으로서, 현장에서의 장비조건별 복토단계가 모델링된 시험을 통한 관계식의 산정은 의미가 크다고 할 수 있다.

그러나, 현장 여건상 지반조건의 범위가 다소 국한된 점이 있으므로, 보다 많은 자료들을 통한 신뢰성 있는 공학적 특성 파악이 필요한 것으로 판단된다.

또한, 본 발명의 보강효과 분석에서는 각 보강재 별로 지반의 허용지지력에 미치는 보강효과를 알아보기 위하여 다음과 같이 지지력 비를 산정하여 보았다.

즉, 지지력 비란 보강전 허용지지력과 보강후 허용지지력과의 비율로서, 지 지력의 비가 클수록 보강재의 보강효과가 크게 작용하고 있음을 알 수 있다.

BCR = q_a/q_o

여기서, BCR : 지지력 비 (Bearing Capacity Ratio)

q_a : 대형 평판재하시험으로부터 구한 허용지지력

q_o : 보강 전 허용지지력

각 보강재 지지력 비 산정결과, 그림에서 보는 바와 같이 대나무 망(1.0×1.0m)의 경우 BCR = 3.36∼5.85 정도로 보강효과가 가장 크게 나타났고, 토목섬유(15tf/m)의 경우에는 BCR = 2.19∼3.59 정도로 가장 작게 나타났다. 따라서 대나무 망이 토목섬유보다 보강재로서 지지력 보강효과가 1.5∼1.7배 정도 뛰어남을 알 수 있다.

이하, 본 발명의 허용지지력 산정결과를 야마노우치의 제안식과 비교 설명한다.

대형 평판재하시험의 결과와 동일한 조건을 이론적 제안식에 적용하여 실측값과 비교하기 위해 재하판(10)의 직경 1.5m 정사각 재하판(B=L=1.33m)으로 환산하여 1.33×1.33(하중작용폭(B)×하중작용길이(L))로 두고 이를 야마노우치의 제안식 에 적용하여 허용지지력을 산정하면 다음과 같다.

그림에서 제시된 바와 같이, 야마노우치 제안식을 사용하여 복토 두께별 허용지지력을 산정한 결과, 4.06∼7.76tf/㎡으로 나타났다. 특히 대나무 망(1.0×1.0)을 사용한 경우의 허용지지력이 가장 크게 나타났으며, 토목섬유(15tf/m)만을 사용하여 보강한 경우가 가장 작게 나타났다.

특히, 본 발명에서는 대나무 망으로 보강된 지반의 지지력의 평가를 위해 기존의 토목섬유에서 사용된 지지력 평가식을 이용하였으나, 재료 자체의 특성상 토목섬유는 인장재인 반면 대나무 망은 강성재라는 역학적 차이점이 있으므로, 향후 추가 연구를 통해 기존 제안식의 수정 보완이 필요하다.

또한, 본 발명에서는 대나무 망을 표층처리공법으로 이용할 경우의 지지력 평가를 위해 기존의 토목섬유에 적용된 지지력 평가식을 이용하였다. 그러나, 재료 자체의 특성상 토목섬유는 일정한 변형이 발생했을 때 최대 인장력을 발휘하여 보 강효과를 나타내는 인장재인 반면, 대나무 망의 경우 인장재라기 보다는 재료 자체의 강성으로 지반의 지지력을 증대시키는 강성재로서 인장력에 의한 토목섬유와는 달리 인장력 외의 강성효과 등에 의한 보강효과를 기대할 수 있는 등의 역학적 차이점이 있다.

따라서, 대나무 자체의 강성효과와 격자 구조인 망의 하중분산 효과 등이 검증되지 않은 현 단계에서는 기존의 이론을 적용하여도 안전측이 되므로 무리는 따르지 않을 것으로 판단된다.

다음에, 제시된 표는 대형 평판재하시험의 결과 및 지지력 이론식에 의해 산정된 허용지지력을 비교한 결과이다.

토목섬유와 대나무 망으로 보강된 경우에 대해서 각 복토 두께별 허용지지력을 대형 평판재하시험 및 이론식을 이용하여 산정한 결과, 그림에서 보는 바와 같 이, 메이어호프(Meyerhof) 제안식을 사용한 경우가 가장 크게 선정되었고, 그 다음은 야마노우치 제안식을 사용한 경우와 현장 대형 평판재하시험 결과 순으로 나타났다.

특히, 현장 대형 평판재하시험 결과 산정된 허용지지력 값이 가장 작게 선정되었으며, 이 경우 3단계 복토시에는 허용지지력이 장비 접지압 보다 작게 평가되어 지지력이 부족한 것으로 평가되었고, 1, 2단계 복토시에는 허용지지력이 장비 접지압 보다는 1.3∼1.5배 크게 나타났으므로 허용지지력 조건은 만족하는 것으로 판단된다.

한편, 현장 대형 평판재하시험을 통해 구한 실측 지지력 값과 이론식에 의한 허용지지력 값의 차이 정도를 좀더 정확히 알아보기 위해 θ값이 20˚인 경우와 10˚인 경우에 대하여 각각 비율을 산정해 보았다. 산정 결과 θ=20˚적용시 야마노우치 제안식의 경우에는 실측값 보다 약 1.2∼1.8배 정도 크게 산정되었다.

또한, θ=10˚적용시에는 야마노우치 제안식의 경우 실측값 보다 약 0.9∼1.2배 정도로 거의 비슷하게 나타났다.

따라서, 이론식 적용시 메이어호프 보다는 야마노우치 제안식의 경우 적용성이 더 우수한 것으로 보이며, θ값 적용시에도 20˚보다는 10˚를 적용한 경우가 현장 실측값에 더욱 가깝게 나타남을 알 수 있다.

θ-c의 관계도 분석

야마노우치 제안식에서 θ는 D_f, r과 함께 재하상태의 변형형상과 관련된 계수로서 지지력의 산정결과를 크게 좌우하는 부분이나, 현재까지는 D_f, r, θ의 값이 이론적으로 명확히 정립되어 있지 않고, 정량적으로 계측된 결과 역시 부족하므로 실제로는 추정치를 적용하고 있는 실정이다. 또한 보강재의 인장력 적용 각도는 토목섬유 시공시의 외국사례에 의한 값을 적용하고 있으나 강성재인 대나무를 인장재로 고려하여 설계할 경우 인장력 적용 각도에 대한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

D_f, r, θ값 중 인장력의 크기를 좌우하는 θ의 값에 대해서는 판정강(坂井 强, 1990)의 변형단면 관측연구 결과로부터 θ - c의 관계도에서 구하거나, 재하중에 의해 지반이 침하되는 형태로부터 기하학적으로 θ를 구하는 방법이 있다.

그러나, 지반의 침하형태로부터 구하는 방법은 지반의 침하 형태를 원 또는 직선으로 가정하고 접근해야 하므로 대상지반의 특성을 반영하기 힘든 단점이 있다.

따라서, 본 발명에서는 실제로 현장에서 실시된 대형 평판재하시험의 결과와 현장 베인시험의 결과를 이용하여 θ - c의 관계를 다음과 같이 검토하였다.

여기서, F_s : 단기안전율(=2.0), q_a : 지반의 허용지지력(대형 평판재하시험, tf/㎡), d : 복토두께(m), b : 접지폭(=1.33m), c : 비배수 전단강도 (현장베인시험, tf/㎡), T_all : 대나무 망과 토목섬유의 허용인장력, θ : 대나무 망과 토 목섬유가 수평면과 이루는 각(°)

현장에서 실시한 대형 평판재하시험 결과로부터 토목섬유와 대나무 망 공법의 θ값을 역산한 결과, 위에서 보는 바와 같이 대나무 망의 경우 θ값이 약 7.3° ∼11.7°, 토목섬유의 경우 약 7.9°∼13.2°로 분포하는 것을 알 수 있다.

또한, 기존 연구에서 제시된 토목섬유로 보강된 지반에서 인장력이 작용하는 각도의 범위가 대체로 20°∼30°정도의 범위에 분포한 것에 비하면 대나무 망의 경우에는 다소 작은값을 보이는 것으로 나타났다. 이는 기존의 토목섬유는 재료 자체가 유연한 인장재인 반면 대나무 망은 자체 강성을 가진 강성재라는 역학적 차이점이 있어 대나무 망이 하중에 견디는 힘이 토목섬유보다 커서 나타난 결과로 판단된다.

현장에서 대형 평판재하시험시 측정한 각 보강재별 복토시 지반 융기고를 살펴보면, 토목섬유를 사용한 경우 융기고가 가장 높고, 대나무 망(1.0×1.0m)을 사용한 경우의 융기고가 가장 작은 것을 알 수 있다. 이는 앞에서 살펴 본 각 보강재별 θ값의 차이와 같은 경향을 나타내는 것으로, 다음 그림에 제시된 바와 같이 θ 값이 커질수록 융기고 또한 높아지는 것을 알 수 있다.

복토 작업시 토목섬유와 같이, θ값이 크면 연약지반의 융기고 역시 커지기 때문에 복토의 균등 포설이 어렵다고 할 수 있다. 이러한 측면에서 볼 때 대나무 망은 재료 자체의 인장력에 의한 지반 보강효과 뿐만 아니라 토목섬유와 달리 자체 강성을 가지고 있어 θ값을 줄일 수 있고, 연약지반의 융기고를 낮출 수 있기 때문에 복토의 균등 포설 작업이 원활하여 시공의 품질 및 안정성을 증대시키는 효과가 뛰어나다.

시공단계별 최소 복토두께 산정

본 발명에서는 대나무 망 공법의 각 시공단계에 따른 장비 적용시 최소 복토두께를 산정해 보았다. 산정방법은 다음에 제식된 식을 사용하였으며, 지반의 비배수전단강도 및 각각의 θ값에 해당하는 최소 복토두께를 산정하였다.

산정결과는 다음 그림에 제시된 바와 같으며, 각 장비별 최소 복토두께는 비 배수전단강도 및 θ값을 크게 적용할수록 작아지는 것으로 나타났다. 따라서 추후 대나무 망을 이용한 표층처리공법 설계시에 본 발명의 검토결과를 참고할 수 있을 것으로 생각되나, 본 발명에서는 제한된 현장 시험 결과를 이용한 것으로 향후 보다 많은 연구 및 검토를 통하여 대나무 망 공법에 가장 적합한 지반변형각 θ값 및 각 현장 여건에 가장 적합한 최소 복토두께를 평가해 주어야 할 것이다.

설계도표제안

기존의 지지력 평가식을 통해 실측결과를 비교한 결과, 대나무와 같은 강성재를 보강재로 사용하는 경우에 대한 현행 지지력 평가식의 적용성이 떨어짐을 확인할 수 있었다. 이는 토목섬유와 같은 보강재는 일정한 변형이 발생했을 때 최대의 힘(인장력)을 발휘하여 보강효과를 나타내는 인장재인 반면, 대나무 망과 같은 보강재는 인장재라기 보다는 강성으로 지반지지력을 증대시키는 강성재로서 인장력에 의한 토목섬유와는 달리 인장력 외의 강성효과 등에 의한 보강효과를 기대할 수 있는 등의 역학적 차이점에 기인한다고 판단된다.

따라서, 본 발명에서는 대나무 망 도입에 따른 대나무의 재료적 특성을 고려할 수 있는 지지력 평가방법을 정립하고자 한다.

대나무 망의 강성평가

판의 양쪽에 등간격의 보강재를 갖는 보강판에 대한 Huffington의 연구 결과에 따르면, 강판의 한쪽 면에만 보강재가 있는 보강판의 종방향 휨강성 D_x 는 다음과 같다.

여기서, a는 리브간격이고, ey는 판의 중앙면으로부터 단면 중립축까지의 거리이고, I_n 은 중립축에 대한 보강재의 단면 2차 관성모멘트이다.

대나무 망의 경우는 두께가 무한히 작은 판에 등간격의 보강체를 갖는 보강판으로 가정하여 다음과 같은 강성식을 사용한다.

여기서, E : 대나무의 탄성계수, a : 배치간격, I_n, n,가상 기초폭내의 단면 2차모멘트(=n×1), n : 가상기초폭 내의 대나무 개수, I : 대나무 단면2차 모멘트

설계도표

앞에서 살펴본 바와 같이, 기존의 지지력 평가식은 대나무 망을 보강재로 사용한 경우에 대한 적용성이 떨어지며, 또한 대나무망 보강시 지반 파괴메카니즘 등에 대한 명확한 정립이 어렵기 때문에 이론적 평가식의 도입은 쉬운일이 아니다.

따라서, 본 발명에서는 실제현장에서 대나무 망 보강에 따른 지지력 산정결과를 바탕으로 지지력을 평가할 수 있는 도표를 도입하였다.

지지력 도표는 각 경우에 대한 지반의 비배수 전단강도(C_u), 대나무망에 대한 재하시험에서 얻어진 지지력비(BCR), 각 조건별 대나무 망의 강성 등의 상호관계 평가를 통해 최적의 회귀분석식을 이용하여 작성하였다.

실험결과 분석

BCR : Bearing Capacity Ratio

q_a : 보강지반의 허용지지력

q_a0 : 무보강지반의 허용지지력

D : 대나무 망의 강성

H : 복토 두께

지지력 평가 예

① 지반조건 평가

- 지반의 비배수 전단강도(C_u : 0.28tf/㎡)

- 원지반 허용지지력 : q_a = cN_c = 5.4×0.28 = 1.512tf/㎡

② 복토고 평가

-복토고 : 1.0m

-복토재 단위중량 : 1.8tf/㎥

③ 장비의 접지압 평가

-장비 총중량 : 습지도저 19tf

-궤도의 폭(B) : 0.76m

-궤도의 길이 : 2.8m

-응력 환산폭(B') : B' = B + 2Htanθ=0.76+2×1×tan30=1.91m

④ 대나무 망 평가

-대나무 외경(d₁) : 0.05m

-대나무 내경(d₂) : 0.04m

-배치간격(S) : 0.75m

-탄성계수(E) : 933,800tf/㎡

-단면2차모멘트(I) : 1.81E-07 m⁴

-보강단면 개수(n=B'/S) : 2.55개

-보강단면 2차모멘트(I_n) : 4.62E-07

-강성계수(D) : D= EㆍI_n /S = 0.58tfㆍm

⑤ 허용지지력 결정

- D×H=0.58tfㆍ㎡

-BCR : 4.1

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대나무 망으로 보강한 연약지반의 지지력 산정방법은 대나무 망을 이용한 표층처리공법에 있어서, 현장에서 대형 평판재하시험을 통한 복토 단계별 지지력을 평가하고, 기존에 제시된 야마노우치의 이론식을 이용하여 허용지지력을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

첫째, 현장 재하시험에서 얻어진 보강재별 허용지지력이 현재의 야마노우치 이론식에 의한 예측값보다 작게 측정되는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 대형 평판재하시험을 통한 보강재별 지지력 비산정결과 대나무 망(1.0×1.0m)의 경우 보강효과가 가장 크게 나타났고, 토목섬유(15tf/m)의 경우가 가장 작게 나타나 대나무 망이 토목섬유보다 지지력 보강효과가 1.5∼1.7배 정도 뛰어난 것으로 판단된다.

둘째, 이론식을 사용하여 복토 두께별 허용지지력을 산정한 결과, θ값 적용시 기존에 일반적으로 적용하던 값인 20°보다는 10°를 적용한 경우가 현장 실측값에 더욱 가깝게 나타난 것으로 보아, 기존의 야마노우치 이론식의 θ값 적용시 다소 과대평가된 것으로 판단된다.

셋째, 대형 평판재하시험 결과로부터 역산한 θ값이 토목섬유의 경우 약 7.3°∼11.7°의 범위로 분포하는 것으로 나타나, 대나무 망의 경우에는 토목섬유로 보강된 지반에서 인장력이 작용하는 각도의 범위보다 다소 작은 값을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 강성재인 대나무를 인장재로 고려하여 설계할 경우 인장력 적용각도에 대한 평가가 필요할 것으로 판단된다.

넷째, θ값에 따른 지반 융기고 검토 결과 θ값이 작아질수록 지반의 융기가 적게 발생하는 것으로 나타났으며, 융기고가 낮은 경우 복토의 균등 포설 작업이 원활하여 시공의 품질 및 안전성을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 재하판의 종류를 선택하는 단계;

   평판재하시험의 대상지점을 선정하는 단계;

   평판 재하시험장치를 준비하는 단계;

   대상지반의 물리적인 성질을 측정하는 단계;

   대상지반면까지 지반을 굴착하는 단계;

   재하면을 정형(수평 및 고르기)하는 단계;

   재하판을 설치하는 단계;

   재하장치를 조립하는 단계;

   변위 측정장치를 조립하는 단계;

   예비시험하중을 가하고 침하량을 측정하는 단계;

   하중측정장치의 영점을 조정하는 단계;

   변위 측정장치의 영점을 조정하는 단계;

   시험하중을 단계적으로 가하여 그때의 침하량을 측정하는 단계;

   극한, 항복하중상태 또는 최대하중까지 단계적으로 재하와 침하측정을 실시하는 단계;

   상기한 측정값 정리 및 분석하는 단계로 이루어지는 평판 재하시험방법에 있어서,

   상기 분석단계는 각 경우에 대한 지반의 비배수 전단강도(C_u), 대나무망에 대한 재하시험에서 얻어진 지지력비(BCR), 각 조건별 대나무 망의 강성 등의 상호관계 평가를 통해 최적의 회귀분석식을 이용하여 지지력을 산정함을 특징으로 하는 대나무 망을 이용한 연약지반의 지지력 산정방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 지지력비(BCR) = 2.9734e0.5791D×H로 이루어짐을 특징으로 하는 대나무 망을 이용한 연약지반의 지지력 산정방법.

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