2.4 DCM 공법의 설계
2.4.2 DCM 공법 설계시 내・외적 안정검토
(1) 개량체 단면
해양구조물의 기초용으로 사용하던 해상 DCM 개량체 단면은 1,000×2축이 적용되 었으나, 2004년 이후 품질과 경제성이 높은 1,000×4축의 적용이 증가되고 있다. 표 2.4는 DCM 개량체 단면을 각각 비교한 것이다.
구 분 공학적 특성
물리적 특성
함수비 간극수가 개량체와의 화학적 반응에 의해
소비되므로 개량 전보다 약간 감소
단위중량 개량 전보다 약간 증가
투수계수 개량 전보다 크게 감소하며
개량토는 불투수성으로 간주
역학적 특성
일축압축강도 개량 전보다 강도는 크게 증가하며 파괴 변형률은 감소
∼
전단강도
∼
압밀정수 개량토의 압밀침하는 무시
표 2.4 DCM 개량체 단면(유영준, 2008)
(2) 설계기준강도
일축압축강도는 식 (2.1)과 같다. 설계기준강도는 DCM 공법 설계시 허용응력을 설 정하는 기준이 되는 강도로서, 현장에서 나타날 수 있는 개량체의 일축압축강도로 한 다.
(2.1)
여기서,
: 설계기준강도(
)
: 현장강도계수
: 배합강도 보정계수
: 현장 일축압축강도(
)일축압축강도는 현장강도를 고려한 현장강도계수 및 배합강도 보정계수와 현장 일축 압축강도 값을 이용하여 구한다. 이때 현장강도계수는 육상공사의 경우 1/2, 해상
구 분 1,000×4축 1,000×2축
개 량 단 면
특 징
- 2축에 비해 대형장비임 - 2축에 비해 시공 속도가 빠름 - 최근에 적용이 증가하고 있음
- 4축에 비해 기동성이 좋음(육상) - 4축에 비해 1본당 시공이 빠름 - 시공실적이 많음
개 량
면 적 A=3,024 A=1,547
경제성 1.0 1.4
공사의 경우 2/3을 적용한다.
허용압축응력은 식 (2.2)와 같이 설계에 사용하는 전단면이 유효하다고 보고 구한 응력으로서 실제 유효폭에서 허용응력을 보정하기 위해서는 유효단면적을 사용한다.
개량체의 강도와 중첩면의 강도의 비를 β로 표시한다. 기존 말뚝의 접합시키기까지의 안정제의 토출법, 처리기의 교반능력, 시간간격 등에 따라 다르지만 ∼ 정도 로 설정된다.
(2.2)
여기서, : 유효단면계수
: 중첩부의 신뢰도 계수
: 안전율
식 (2.3)과 같이 허용전단응력은 허용압축응력으로부터 구한다.
(2.3)
여기서, : 허용전단응력(
) : 허용압축응력(
)허용인장응력은 일반적으로 설계에서는 적용하지 않는 경우가 많지만, 검토해야 할 경우에 허용인장응력은 식 (2.4)와 같다.
(단 ≤ ) (2.4)
여기서, : 허용인장응력(2이하의 값을 적용)
설계기준강도는 실내배합시험을 수행하기 전에 식 (2.5)이 구할 수 있다.
(2.5)
여기서, k : 목표 설계강도()
목표 설계강도는 육상공사인 경우 =100∼400, 접원 말뚝 해상공사의 경우 500∼1,500, 말뚝식, 벽식, 블록식 해상공사의 경우 1,500∼2,000를 적용한다. 또 한, 이러한 값은 고함수비 지반에는 적용하지 않는다.
개량지반 설계시 개량체는 균일한 강도를 가지는 것으로 가정하는데, 실제 시공에서 는 개량말뚝을 중첩하여 형성하기 때문에 오버랩 시공방법이나 사용하는 시공기계에 따라서 불균일한 개량토가 형성되기도 한다. 따라서 계수 α, β는 저감계수로서 안정처 리토가 균일한 강도를 가지는 지반으로 계산하기 위하여 사용한다. 다음은 계수 설정 할 때의 고려할 사항이다.
1) 재료의 안전율 Fs
허용압축응력 는 일축압축강도를 기준으로 하며, 반복재하, 크리프 등의 영향도 고려해야 한다. 안전율 Fs는 재료의 신뢰성, 설계 계산방법, 하중의 종류, 구조물의 중 요성을 고려하여 적절한 값을 설정해야 한다.
단, 말뚝 재료의 안전율 Fs는 각 계산방법(예를 들어 편심, 원호활동 검토 등) 중에 포함되어 계산하는 것이 일반적이다.
2) 단면유효계수
복수의 교반기를 가지는 시공장비로 개량하는 경우, 그림 2.5와 같이 개량체 단면은 복수의 원주로 나타난다. 또한, 벽식이나 블록식에서는 안정처리토를 중첩하여 개량체 를 만들면 일부 미처리부가 남게 된다. 단면유효계수 α는 해당되는 미처리부분에 대하 여 영향을 보정하기 위한 계수이다(연안기술센터, 2000).
(a) 교반기의 유효폭 (b) 교반기의 접합면 그림 2.5 교반기의 유효폭 및 접합면(한국지반공학회, 2018)
계수 를 취하는 방법은 외력 방향 또는 종류(전단, 인장, 압축)에 따라 다르다. 예 를 들어 연직방향으로 작용하는 전단력 또는 접합부분에 직각으로 움직이는 응력을 고 려할 경우 가장 협소한 접합부분에 응력이 집중되는 것을 가정하여 계산하는 것이 안 전측이 된다. 한편, 연직방향에 발생하는 직각 응력을 고려할 경우에는 원주의 전면적 을 유효하게 봐도 된다. 여기서 전자의 고찰방법을 유효폭에 의한 계수 , 후자의 고 찰방법을 유효면적에 의한 계수 로 한다.
① 유효폭에 의한 단면유효계수
유효폭에 의한 은 작은 값으로 결정한다.
a) 시공장비에 의해 결정하는 경우
그림 2.5에서 시공장비의 축간격을 Dx, Dy로 하고 원주가 겹친 길이를 lx, ly로 하 며, 은 식 (2.6)과 같이 이들 비율 중 작은 값을 결정한다.
min
(2.6)
b) 오버랩에 의해 결정하는 경우
그림 2.5에서 R을 교반기의 직경, D를 축간격, d를 오버랩폭으로 하여 결정하는
는 식 (2.7)과 같다.
(2.7)② 유효면적에 의한 계수
유효면적에 의한 는 식 (2.8)와 같다.
(2.8)
여기서, A1 : 그림 2.5에서 굵은 선으로 둘러싼 면적 A2 : 그림 2.5에서 사선으로 표시한 면적
③ 오버랩부의 신뢰도계수
개량체의 강도와 오버랩부의 강도의 비를 로 표시한다. 기존 말뚝체를 접합시키 기까지의 안정재의 토출법, 처리기의 교반능력, 시간간격에 따라 다르지만 =0.8∼0.9 정도로 설정한다. 또한, 목표값을 사용하여 설계를 할 경우에는 ∙ = 0.8 정 도로 허용압축응력을 산정한다. 오버랩부의 소요폭에 대해서는 ∙ = 0.8 정도를 만족해야 한다.
④ 접원랩식의 경우 저감계수 ∙
소규모 공사이거나 대상 항만의 수심이 얕은 공사의 경우 2축 타입의 소형 작업선 을 사용하는 경우가 있다. 이때에는 그림 2.6과 같이 개량체 1방향만 오버랩시키는 접원랩식을 취하는 경우가 많다. 이 형식은 접원에 전단응력이 전달될 수 있어 블록 식과 유사한 모양의 구조체로 볼 수도 있다. 접원랩식의 저감계수로서 목표값을 이용하여 설계할 경우에는 ∙ = 0.8로 적용한다.
그림 2.6 접원랩식 개량지반 배치 개념도(한국지반공학회, 2018)
(3) 외적안정검토
개량체에 작용하는 외력은 일반적으로 착저형이며, 지지층이 잘 다져진 모래지반 또 는 암반인 경우의 설계는 지역별 진도를 사용한다. 또한, 개량지반이 부유형일 경우에 는 지진응답해석을 산정할 필요가 있다. 개량지반에 적용할 수 있는 지진 시 토압을 산정하기 위한 진도는 지역별 설계 진도에 지반종별 계수와 중요도 계수를 곱하여 사 용한다. 통상적으로 배면 매립시공의 경우 외부 안정계산과 같은 값을 사용한다.
배면 매립의 재하속도가 빠른 경우 주동토압은 배면을 채우기 전 정지토압과 성토에 의한 과잉간극수압을 사용한다. 반면, 재하속도가 상당히 늦은 경우, 압밀에 의한 배면 토압변화를 고려한다. 개량지반의 후방 연직면에서 사질토 및 점성토에서 작용하는 전 단을 고려해 저면의 반력분포를 계산할 필요가 있다.
벽과 벽 사이에 미개량토가 발생할 경우 미개량토는 부착력에 의해 장벽과 일체형태 로 거동하는 것으로 고려한다. 벽식은 블록식에 비해서 개량체의 형상이 복잡하므로 국부적인 응력집중으로 현행 설계법으로 평가하기 어려워 유한요소해석을 실시하여 응 력도를 검토할 필요가 있다.
DCM 공법으로 지반개량된 해안구조물의 설계는 시멘트-흙시스템을 지중구조물로 고려하여 전체 구조체의 지지력, 전도, 활동에 대한 외적안정성을 검토한다. 외력으로 는 본체공에 작용하는 지진시의 관성 혹은 토압에 의해서 발생하는 상재하중, 수평력, 본체공의 자중 등에 의해 개량체에 작용하는 연직력, 호안에서 육지측, 방파제에서는 항외측 개량체의 주동측에 작용하는 토압합력, 바다쪽 혹은 항내측에서 개량체의 수동 측에 작용하는 토압합, 개량체에 작용하는 지진 시 관성력, 개량체의 유효중량, 개량체 의 수동측 측면에 작용하는 연직전단력, 개량체의 주동측 측면에 작용하는 연직전단력, 개량체 저면에 작용하는 지반반력, 개량체 저면에 작용하는 전단저항력, 단부의 지반반 력강도 등이 있다.
벽식의 경우 미개량 부분을 포함하므로 검토항목에 따라서는 외력을 개량토와 미개 량토로 분리하여 설정할 필요가 있다. 장벽간의 미개량토의 지진 시 관성력과 유효중 량을 고려해야 한다.
개량체에 작용하는 외력은 그림 2.7과 같으며, 나타낸 기호는 다음과 같다.
는 본체의 상재하중, 자중 등에 의해 개량체에 작용하는 연직력()이며,
는 본체에 작용하는 지진 시 관성에 발생하는 수평력 혹은 토압()이다. 는 개량 체의 주동측 측면에 작용하는 연직전단력()이며, 는 개량체의 주동측(방파제에 서는 항외측, 호안에서 육지측)에 작용하는 토압 합력()이다. 또한, 는 개량체 의 수동측 측면에 작용하는 연직전단력()이며, 는 개량체의 수동측(항내측 혹 은 바다쪽)에 작용하는 토압 합력()이다. 은 개량체에 작용하는 지진시 관성 력()을 나타내며, 은 개량체의 유효중량(), 는 개량체 저면에 작용하는 지반반력(), 은 개량체 저면에 작용하는 전단저항력(), , 는 단부의 지 반반력강도()를 나타낸다(한국지반공학회, 2018).그림 2.7 DCM 외적안정검토(한국지반공학회, 2018)
외력은 벽식의 경우만 고려한다.
는 긴 벽간의 미개량토의 지진시 관성력()이며, 는 긴 벽간의 미개량토의 유효중량()이다. 또한, x, y는 각각의 외력 작용점과 그림 2.7에 나타낸 개량체의 좌측하단(O로 표시)과의 거리를 나타낸다.
1) 활동 검토
활동에 대한 안전율은 식 (2.9)와 같다. 활동에 대한 안전율은 상시에는 1.2 이상, 지 진시에는 1.0 이상이다.
(2.9)
2) 전도 검토
전도에 대한 안전율은 식 (2.10)과 같다. 전도에 대한 안전율은 상시에는 1.2 이상, 지진시에는 1.1 이상이다.
(2.10)
3) 지지력 검토
개량체 저면에 작용하는
과
로부터 현지반의 지지력을 검토한다. 벽식 개량의 경 우에 지지력 검토는 단부의 , 가 식 (2.11)로 구한 허용지지력
보다 낮은 것을 확 인하는 것이다. 하층의 기초지반이 사질토일 경우 지반의 허용지지력을 구하는 방법은 식 (2.11)과 같다.
( ≥
인 경우)
( ≤
인 경우) (2.11)여기서,
∙
′
∙
′ ∙
,
: 지지력 계수
: 기초지반 모래층의 유효 토피압(
)
: 기초지반 모래층의 유효 단위체적중량(
)
: 안전율은 평상시 2.5 이상, 지진시 1.5이상
: 긴 벽의 법선방향 길이(m)
: 단 벽의 법선방향 길이(m)
: 개량폭(m)4) 외부안정검토의 기준
케이슨 기초의 외부 안정검토 기준을 정리하면 표 2.5와 같다.
표 2.5 개량체의 외적 안정성 검토기준(한국지반공학회, 2018)
구 분
활 동 전 도 지 지 력
안전율
평상시 1.20 1.20 1.00
지진시 1.00 1.10 1.00
(4) 내적안정검토
케이슨 기초의 내적안정검토는 그림 2.8과 같이 개량지반을 지중구조물로 가정하여 내부 응력검토를 하는 것으로 개량지반에 발생하는 내부응력은 허용전단응력 및 허 용압축응력보다 작아야 한다. 작용하는 외력은 배면 매립토의 시공속도 등에 의해 변화하므로 충분히 고려하여 결정되어야 한다.