Evaluation of Stability about Lateral Soil Movement of Bridge Abutment Constructed on Soft Ground

연약지반 위에 시공되는 교대의 측방유동에 대한 안정성 평가

Eval uat i on ofSt abi l i t y aboutLat er alSoi lMovement ofBr i dgeAbut mentConst r uct edonSof tGr ound

유 남 재

김 동 건

전 상 현

Yoo,Nam-J ae Ki m,Dong-Gun J eon,Sang-Hy un

Abst r act

I n t hi spape rst abi l i t y aboutl at e r als oi lmove me ntofbr i dgeabut me ntcons t r uc t e d on t hes of tgr ound,r e i nf or c e dwi t h t hesand c ompac t i on pi l e( SCP)andt hepr e c ons ol i dat on me t hods ,wase val uat e d by us i ng t hec e nt r i f uget e s t i ng f aci l i t y whi c h s t r e s s c ondi t i ons i nf i e l dc oul dber e cons t r uc t e di nt hel abor at or y.

Thel ayout sofmode ls uch asgr ound c ondi t i on,s and c ompac t i on pi l e sand abut me nt wasde t e r mi ne dont hebas i sofs i mi l i t udel aw wi t ht her e duc e ds c al eof1/ 20 0.

Cons t r uc t i on s e que nc e sofi ns t al l i ng SCP,pr e par i ng r e c l ai me dgr ound,pr e c ons ol i dat i ng gr ound and bui l di ng t he pi l e d br i dge abut me nt we r e r e c ons t r uc t e d dur i ng c e nt r i f uge mode l l i ng and me as ur e me nt s of move me nt we r e f ol l owe d i n e ach s e que nc e . Fr om anal yz i ng t her e s ul t s ofme as ur i ng move me nt s oft he mode labut me ntand t hegr ound, me as ur e d l at e r almove me ntofmode labut me ntwas f ound t o be wi t hi n t he al l owabl e val ues ot hats t abi l i t yofabut me ntagai ns tl at e r als l i di ng wasse c ur e d.

키워드 : 측방유동,원심모형실험,교대,안정성

Key wor ds:Lat er a ls oi lmovement ,Cent r i f ugemodelt es t ,Br i dgeabut ment ,St abi l i t y

1.서론

1)

산업화로인한 경제성장과 인구증가로 인해 사회 기반시설의 확충이 필요하게 되었고 이에 따른 토 지 이용 면적이 급속히 증가하고 있는 추세이다.

그러나 국토면적이 협소한 우리나라로서는 불가피 하게 연약지반상에 구조물을 축조하는 경우가 증 가하고 있다.

교량을 지지하기 위한 교대,도로 성토 등 연약 지반상에 실시되는 경우가 많아지고 있으나,구조

* 강원대학교 토목공학과 교수,공학박사

** 강원대학교 대학원 토목공학과 박사과정,교신 저자

***세경대학 토목과,전임강사

물이 축소될 경우,교대나 잔교의 배면 뒤채움이나 도로 성토등은 하부지반에 편재하중으로 작용하게 되어 지반에 측방유동이 발생하게 된다.이는 원천 적으로 교량설치 지점의 기초지반이 매우 연약한 점성토로 되어 있어서 재하되는 교대 배면의 성토 에 의해 발생이 가능하며 이로 인해 상부교량 및 배면지반의 노면에 피해가 발생하게 된다.현재 연 약지반에서의 공사나 교대설치 활용이 증가함에 따라 측방유동으로 인한 지반 변형 또한 자주 발 생하고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 상사성을 고려한 교대 및

말뚝기초를 제작하고 현장에서의 원지반 지층을

실험토조에 모사하여 현장의 응력 조건을 실내에

서 재현할 수 있는 원심모형실험기를 이용하여 연

약지반 위에 시공되는 00지역 교대 단면을 모사하

여 측방유동에 대한 안정성을 평가하고자 하였다.

2.이론적 배경

2. 1교대측방유동 2. 1. 1개요

지반변위의 측면에서 보면 하중의 증가속도와 간극수압의 소산속도와의 차에 따라 전단변형 혹 은 압밀현상에 의한 지반변위가 발생하게 된다.간 극수압의 소산속도에 비하여 급격하게 하중을 재 하 하면 지반에서는 비배수 상태의 전단변형이 일 어나며,하중을 서서히 가하면 압밀현상에 의한 지 반변위가 발생하게 되는데 실제 현장에서는 이들 양자간의 복합적인 지반거동을 보인다.이와 같이 편재하중이 어느 한계를 넘어 소성상태에 도달해 서 과도한 측방변위가 발생하고 측방유동압이 발 생하게 되는 현상을 측방유동이라고 한다.

2. 1. 2측방유동압의 분포형태

측방 유동압의 분포 형태는 지반조건,주위환경 에 따라 여러 가지 양상으로 나타난다.실제로 측 방유동압의 분포를 시공전 예측하기란 무척 난해 하며,지금까지의 수치해석이나 실내실험 또는 현 장계측을 통해 얻어진 유동토압의 분포형태는 다 음과 같다.

그림 1측방유동토압의 분포형태

측방 유동압 분포형태 가운데 연약지반의 측방 유동을 받는 수동말뚝에 가장 널리 이용돠는 것은 이등변 삼각형 분포이다.그림과 같이 교대 기초말 뚝에 작용하는 측방유동압으로 Ts c he bot ar i of f 가 제시하였다.여기서 이등변 삼각형 정점에 작용하 는 힘 P

는 다음과 같다.

P

=

⋅

⋅h⋅B

( 1)

여기서,

:유동토압계수( ≃ ^{0. 8)}

:성토의 단위 중량 h :성토고

B :말뚝 직각 방향의 작용폭( 2. 5d)

2. 2원심모형실험 2. 2. 1기본원리

원심모형실험의 기본원리는 축소된모형을 인위 적으로 증가시킨 자중효과로 상쇄시킴으로써 힘의 평형관계를 유지하는데 있다.그림 2 와 같이 2차원 평면 변형상태에서 임의의 요소에 작용하는 힘의 평형식은 다음과 같다.

σ

σ

τ

τ

X Y

그림 2힘의 평형상태

∂

∂x + ∂

∂y + Y= 0 ( 2) 여기서,X,Y는 X,Y방향의 자중이다.

이와 같은 평형식에서 원심모형실험에서는 1/ N 의 축소된 모형을 사용하고 흙의 자중을 N배 가속 시킴으로서 평형관계식이 다음과 같아진다.

∂

∂(x/N) + ∂

∂( y/N) + N⋅X= 0 ( 3 )

∂

∂(x/N) + ∂

∂( y/N) + N⋅Y= 0 ( 4 )

위와 같은 관계식에서 N값은 서로 상쇄되어 일 반적인 힘의 평형방정식과 동일하게 된다.따라서 원심모형실험에서는 축소된 모형으로 흙의 자중을 인위적으로 증가시키어 현장 원형구조물의 초기 응력 상태를 재현시키고 어떠한 형태의 경계조건 에서 응력이 가하여져도 기본적인 힘의 평형 관계 식을 만족시킴으로 원심모형실험에서 현장과 동일 한 재질의 시료를 사용하여 시험을 수행하면 현장 구조물과 같은 응력-변형 거동을 원심모형실험에 서 재현시킬 수 있다. ( Sc hof i e l d,198 8;Ko,198 8)

모형실험에서 원형구조물의 거동을 정확히 재현

시키기 위하여 상사성( Si mi l ar i t y) 이 만족되는 조건

에서 원형의 거동을 지배하는 요소가 모형실험에

서 모사 되어야 한다. 원형과 모형의 상사관계 및

축척관계는 차원해석( Di me ns i onal Anal ys i s ) 이나 미분 방정식( Di f f e r e nt i alEquat i ons) 을 사용하여 구 할 수 있다.차원해석은 어느 변수들에 의하여 표 시되는 자연현상의 물리적 관계를 나타내는 방정 식은 동차원이어야 한다는 차원의 동차성 원리 ( Pr i nc i pl eofDi me ns i onalHomoge ne i t y) 에 근거한 다.

2. 2. 2원심모형실험기 제원

사용된 원심모형시험기의 용량은 20 g․t on이며 시험가능 한 모형 토조의 크기는 50 0×5 00×60 0mm 이고,원심모형기의 중심축으로부터 Hi nge 까지의 거리가 1 m,Swi ng Bas ke t 의 저면 까지 거리는 1. 35 m이다.Sl i p Ri ng은 총 4 0개의 Channe l 이고 Condi t i one r 의 구동 및 Vi de oCame r a의 전원을 공 급하는 Sl i p Ri ng을 분리 설치하였으며,2개의 유 압식 Sl i pRi ng은 원심모형시험기의 하단에 설치하 였다.또한 Zoom기능과 위치조절기능을 갖춘 폐쇄 회로( CCTV) 와 35mm SLR Came r a가 원심모형시 험기의 중심 축 좌우에 설치되어 45 °각도로 설치 된 반사경을 통해 실험과정을 Moni t or i ng할 수 있 으며,CCTV의 경우 Sl i p Ri ng을 통해 외부에 비 치된 VTR과 TV와 연결되어 있어 실험과정을 녹 화할 수 있다.

강원대학교 토목공학과 지반공학연구실에 위치 한 원심모형실험기는 연약지반의 압밀거동에 관한 연구( 강대수,19 77 ;전동욱,199 7) ,역T형 옹벽의 거동특성( 엄재경,199 6) ,사면에 인접한 옹벽의 거 동특성( 이명욱,199 8) ,모래다짐말뚝의 특성연구( 김 상진,2 002 ) 등 다양한 지반공학 거동특성 연구에 사용되어 왔다.

3.실험방법

3. 1기본물성시험

과업대상 시료의 비중을 측정하기 위하여 KS F 23 08에 의거하여 비중시험을 총 3 회 수행하였고, 흙의 컨시스턴스( Cons i s t e nc e )중 액성한계,소성한 계를 구하기 위하여 KS F 230 3,KS F 2 304 에 의 거하여 아터버그 한계시험을 수행하였다.시험은 액성한계 4회,소성한계 4 회를 수행하였다.

과업대상 시료에 대한 입도분포를 파악하기 위 하여 KS F 230 2에 의거하여 체분석시험 실시하였 다.시료의 대부분이 # 200 체( 0 . 0 74mm) 를 통과하는 조건을 감안하여 KS A 5 101 -1에 규정한 시험용 체를 이용하여 씻기방법으로 # 20 0번체 통과량을 구하였다.

3. 2원심모형실험 3. 2. 1실험 개요

강재압밀 토조를 이용하여 원지반 조성 후 교대 를 주 단면으로 하여 현장 지반조건 및 구조물 제

원에 근거한 상사성과 모형토조의 제원을 감안하 여 현장조건을 1/ 2 00 축소하여 모형시험을 수행하 였다.

3. 2. 2모형 제작

교대모형 기초는 현장타설말뚝( D=1, 0 00) 으로, CTC 3. 5～4. 0m,2 ×8=1 6본으로 구성하였고,교대부 는 현장조건의 단위중량에 맞게 Pol yc oat 와 표준사 를 혼합하여 제작하였다.

교대기초부는 모형말뚝 상부에 안착시킬 수 있 도록 말뚝 간격과 동일하게 캡 형식으로 제작하였 고,원형 말뚝의 EA,EI 에 대한 상사성을 적용 ( D=3. 8mm,t =0. 3 mm) 하여 말뚝 재질은 강성의 스 테인리스 소재 사용하였다.

16412

9

3.5

1.0

1.9 0.6

2.8

3.7 2.7

0.4 0.5

1.3

MC 기초판 Polycoat

교대부

0.9 0.9

17 9

1220@7 = 140

35 Unit : mm

교대 정면도 교대 기초

그림 3교대기초 개요도

3. 2. 3지반 조성

현장의 원지반 지층은 매립층 4 . 5m, 퇴적층 10 . 8 m,풍화대 13 . 1 m,기반암 12 . 4 m로 이루어져있 다.이를 모사하기 위하여 상부에서 공기압으로 튜 브를 팽창시켜 하중을 가할 수 있는 강재압밀토조 사용하여 지반조건과 동일하게 강재압밀 토조에 지층을 조성하였다.

기반암은 변형 및 전단파괴 등이 발생하지 않는 것으로 가정하여 고강도 MC-nyl on으로 모사하였 고,풍화대 및 매립층은 현장조건과 유사한 토사를 이용하여 현장의 단위중량을 맞추어 조성하였다.

또한 퇴적층은 설계에 적용된 비배수 전단강도 s u( kPa) =2. 1×Z( m) +14. 5 을 적용하여 s u=3 5. 3kPa로 조성하였다.

지층조성 후 현장조건의 비배수 전단강도 모사 를 위해 공기압으로 압밀을 유도한 강제압밀로 20 kPa까지 단계별 하중 재하 ( 포화 → 5→ 10→

20 kPa) 하였고,강재압밀 완료 후 중력가속 시 침하

양상을 확인하기 위하여 me s h l i ne 을 도료한 후, 현장 강도를 모사하기 위한 자중압밀을 수행하였 다.

Clay 아크릴토조

공기압배출구 상부 배수관

하부 배수관 Air Bag

다공판

그림 4강재압밀토조 모식도

그림 5원지반 조성

3. 2. 4SCP( SandCompac t i onPi l e)타설 원지반 개량을 위한 SCP를 모사하고자 모래말 뚝을 다짐한 후 동결시켜 실험에 앞서 제작하였고, 실험용 SCP는 타설의 용이성과 모래말뚝의 연속 성 확보를 위해 직경 20mm로 적용하였다.

SCP의 연직방향 설치를 위하여 SCP 설치용 거 치대를 사용하였고,동결된 SCP를 분리하여 현장 의 조건과 동일하게 교대기초부와 배면부의 치환 율을 각각 고려하여 점토층을 굴착하여 공벽을 유 지한 후 동결된 SCP를 삽입시켜 타설 완료하였다.

그림 6SCP 타설 전경

그림 7SCP 타설 완료

3. 2. 5선행하중재하

점토층 상부에 현장 단위중량과 동일하게 매립 층을 조성하고 SCP 타설 후 선행하중 재하 및 50 g 중력가속을 수행하여 개량효과를 도모하였으 며,선행하중은 비다짐 조건에서 현장의 단위중량 을 구현할 수 있도록 슬래그를 적용하였다.중력가 속 시 도면상의 사면경사각 유지하였고,슬래그 상 부 및 매립층 상부에 변위계를 설치하여 침하량을 측정하였다.

그림 8선행하중 재하 전경

3. 2. 6교대부 설치

선행하중을 위해 시공된 성토층을 제거하고,교 대저판 설치를 위해 모래매립층 굴착하였다.말뚝 기초가 최하부층인 기반암에 타입되도록 기초 타 설 가이드를 활용하여 기반암층까지 수직 타설하 여 기반암층에 미리 천공해 놓은 말뚝 위치부에 정확히 관입시켜 말뚝타설 모사하였다.

수평변형 분석을 위해 모형말뚝은 현장말뚝과 EI ,EA에 대한 상사법칙 적용되었고,직경 3 . 8 mm, 두께 0 . 3 mm의 강관을 적용하여 직경 1m의 현장타 설말뚝으로 모델링되었다.

그림 9말뚝 타설 전경

그림 10교대부 설치완료

3. 2. 7보강토 옹벽 설치

현장모사를 위하여 교대 측면에 보강토 옹벽 모 형을 설치하고,배면과 전면에 매립을 수행하였다.

교대와 옹벽부에 미리 설치해 둔 조인트 볼트를 체결하여 일체형 구조물 모사하였고,매립재는 현 장단위중량을 구현하기 위해 슬래그 사용하였다.

그림 11보강토 옹벽 설치

그림 12옹벽 매립

3. 2. 8계측기 설치 및 공용하중 재하

공용하중 15 kPa을 모사하기 위해 추가 성토를 수행하였고,교대부에 연직 및 수평 LVDT,지표 면에 연직 LVDT 설치하여 변위 거동을 관찰하고 자 하였다.중력가속 시 변위계가 분리되지 않도록 교대 수평부에 고정핀 사용하였고,5 0g의 중력수준 으로 원심모형실험기를 변위 수렴시점까지 가속하 였다.

그림 1 3원심모형실험 전경

4.실험 결과

4. 1기본물성시험 결과

시험결과 시료의 비중은 2. 72 3～2. 73 3의 범위로 나타났으며,평균은 2. 72 7,표준편차는 0. 00 5로 분 석되었다.본 연구에서는 시험의 결과를 바탕으로 하여 2. 727 을 적용하기로 하였다.

액성한계는 1 5. 28%,소성한계 15. 28 %,소성지수 ( PI ) 는 2 5. 10%로 나타났다.소성도표를 나타낸 결 과 CL에 속하는 것으로 나타났다.

그림 14소성 도표

입도분석 시험결과 # 200 번체 통과율은 96. 8%로 나타났고,점토시료는 통일분류상 CL로 분석되었 고,입도분석결과로부터 분석된 입경가적곡선을 아 래에 나타내었다.

그림 15입경가적곡선

4. 2원심모형실험 결과 4. 2. 1원지반 변위 검토

모래 매립층 중앙부에 LVDT를 설치하여 침하 량을 측정하여 SCP타설 및 모래 매립층 조성 후 50 g의 중력가속도로 원심모형실험을 수행한 결과, 약 11 4일 경과 후 7 12. 5mm의 지반침하가 발생하 는 것으로 나타났다.점토층 침하가 일부 발생하였 고,대부분 매립층에서 침하가 주로 발생하였다.

그림 1 6SCP 타설 후 지반침하곡선

슬래그를 이용한 성토 후 성토부와 매립층에 각 각 LVDT를 설치하여 침하량 측정한 결과,선행성 토하중 재하 6 개월 후 재하구간은 577 . 3mm,미재 하구간은 74 . 4 mm 침하발생하였다.

그림 17선행하중재하 후 지반침하곡선

교대부 검토 결과 직경 1 m 현장타설말뚝기초를

적용한 교대설치 후 활동에 대한 징후는 나타나지

않았다. 교대설치 후 교대부 최대 수평변위는

14 . 2 mm로 말뚝 및 교대 수평변위 기준이하로 분

석되었고,시공단계를 고려한 원심모형실험을 이용

하여 교대부 변위 및 지반거동을 검토한 결과 측

방유동에 대한 안정성이 확보되는 것으로 판단된

다.

그림 1 8교대부 변위

4. 2. 2모형 말뚝 타설

실험종료 후 모형실험상 SCP 및 말뚝 타설 확 인한 결과 SCP와 말뚝 모두 계획된 위치와 심도 에 설치된 것으로 나타났다.

그림 19SCP 타설 확인

그림 20말뚝 타설 확인

4. 2. 3점토층 함수비 분포

실험 종료 후 점토층의 위치별 함수비를 측정하 였다.측정결과 31 . 2 3%～49 . 80%의 범위로 분포하 였고,3c m×3c m 개량부에서 함수비가 더 낮게 분 포하는 것으로 나타났으며 심도에 따라 함수비 분

포가 유사하게 나타났다.

그림 21심도별 함수비 분포

그림 2 2함수비 측정

5.결론

본 연구에서는 연약지반 위에 시공되는 교대의 측방유동에 대한 안정성 평가를 위하여 원심모형 실험을 수행하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

원심모형실험은 시공과정을 반영하여 단계적으 로 수행하였으며,1/ 20 0의 축소모형에 대하여 50g 의 중력가속도로 수행하였다.

원심모형실험에 의한 원지반 변위 검토 결과, SCP 타설 및 모래 매립층 조성 후 약 11 4일 경과 후 7 12. 5 mm의 침하가 발생하는 것으로 나타났고, 대부분 매립층에서 침하가 발생하였다.슬래그를 이용하여 선행성토하중을 재하한 결과 재하 6개월 후 재하구간에서는 57 7. 3mm, 미재하 구간은 74 . 4 mm의 침하가 발생하는 것으로 분석되었다.

교대 및 옹벽 설치 후 원심모형실험을 통하여

교대부 변위 검토 결과,직경 1 m 현장타설말뚝기

초를 적용한 교대설치에 따른 활동에 대한 징후는

나타나지 않았다. 교대부의 최대 수평변위는 14 . 2 mm로 나타나 말뚝 및 교대 수평변위 기준이 하로 분석되었다.따라서 시공단계를 고려한 원심 모형실험을 이용하여 교대부 변위 및 지반거동등 을 검토한 결과 측방유동에 대한 안정성이 확보되 는 것으로 판단된다.

실험종료 후 SCP와 말뚝의 타설 전경을 확인한 결과 모두 계획된 위치와 심도에 설치되어 실험이 정확히 수행되었음을 확인하였고,원심모형실험에 따른 점토층의 함수비를 측정한 결과,3 1. 23 %～

49 . 8 0%의 범위로 나타났고,치환율이 높은 3 c m×

3c m 개량부의 개량효과가 가장 크게 나타난 것으 로 분석되었다.

참 고 문 헌

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197 3.