한국지반공학회논문집 제37권 7호 2021년 7월 pp. 25 ～ 34 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.37, No.7, July 2021 pp. 25 ～ 34
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2021.37.7.25
토목섬유 봉합효율과 연약지반 허용지지력 현장검증
Seam Efficiency of Geotextile and Verification of Allowable Bearing Capacity of Soft Ground
조 대 성1 Cho, Dae-Sung 채 유 미2 Chae, Yu-Mi 김 재 홍3 Kim, Jae-Hong
Abstract
Since the dredging reclaimed land consisting of soft ground is very weak in support, the difficult and complex factors should be considered in the design to calculate accurate bearing capacity of soft ground. Recently, various reinforcement construction methods of soft ground have been designed for dredged landfills, but the stabilities are predicted by calculating conventional Meyerhof (1974) equation for trafficability in soft ground. Conventional equations increase economic costs by underestimating bearing capacity of weak ground in order to ensure constructive safety, so a modified equation has been proposed from the literature. The paper attempts to experiment and compute important factors, such as stitching fiber and seam tensile strength of geotextiles, that are not theoretically considered and can be identified in the field.
In addition, The evaluation of the bearing capacity of the modified equation is verified to be stable for trafficability through the plate bearing test performed on site.
요 지
연약지반으로 이루어진 준설매립부지는 지반이 매우 연약한 상태이기 때문에 설계시 정확한 지지력을 계산하는 것은 어렵고 복잡한 요인들이 고려되어야 한다. 최근까지 준설매립지를 대상으로 다양한 연약지반처리공법을 설계하 고 있지만, 초기 장비진입을 위해서 기존 Meyerhof(1974) 복합토층 지지력 계산으로 안전율을 예측하고 있다. 기존 방정식들은 시공성 안전을 확보한다는 차원에서 연약지반 지지력을 과소평가하여 경제적 비용이 증가될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 현장여건이 고려된 지지력 식을 제안하였다. 이를 위하여 이론적인 방정식에서 고려되지 못하 는 토목섬유의 봉합사 역할과 봉합인장강도가 지지력에 끼치는 영향을 실험으로 제시하여 적절한 연약지반 지지력을 평가할 수 있도록 제시하였다. 그리고, 현장시험으로 수정방정식 지지력의 안정성이 평판재하시험으로 실측한 값과 비교하여 적절성을 확인하였다. 향후 준설토 매립지반의 설계와 시공시 본 연구 결과가 기초자료로 활용될 것으로 판단된다.
Keywords : Bearing capacity, Soft ground, Plate bearing test, Modified equation
1 정회원, 주식회사 지안산업 기술연구소 책임연구원 (Member, Senior Researcher, Technical Institute, Zian. Co. Ltd.)
2 정회원, 동신대학교 토목환경공학과 박사과정 (Member, PhD Student, Dept. of Civil and Environmental Engrg., Dongshin Univ.)
3 정회원, 동신대학교 토목환경공학과 조교수 (Member, Assistant Prof., Dept. of Civil and Environmental Engrg., Dongshin Univ., Tel: +82-61-330-3133, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2022년 1월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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Fig. 1. Scrolled geotextiles laid on soft ground (KAIA, 2018)
Fig. 2. Sealing of geotextiles by sewing machine (KAIA, 2018)
1. 서 론
연약지반 개량을 위한 준설토의 표층수 배수와 중압 밀 진행, 날씨와 바람에 의한 상층부의 건조상태의 조건 은 항상 일정하지 않아 지지력에 대한 안정성을 예측하 기 쉽지 않다. 공학적으로 연약지반의 안정성은 얕은 기 초의 극한지지력 방정식을 이용하여 토목섬유와 복토 층을 고려한 이론적인 계산을 실제 현장에서 적용하고 있다(Chae et al., 2020; Kim et al., 2019; KAIA, 2018;
Yamanuchi, 1985; Meyerhof, 1974). 해저에 있는 흙을 준설하여 제방 내측으로 이동시켜서 만든 연약지반은 물이 다량 섞여있어 지반 내부에서 침강을 시작하지만 입자가 매우 작기 때문에 여전히 슬러리 상태를 유지한 다. 준설토 지반의 상부표면에서는 햇볕과 바람 등으로 인한 증발이 활발하게 진행되며 증발량이 지반의 하부 에서 상부로 전달되는 물의 양보다 클 때 표층에서는 건조층이 형성되어 강도가 증가되기 시작한다. 준설토 로 제방 내를 성토한 후, 상당기간 방치하거나 물길을 내어 배수처리를 하면 준설토 표면의 건조층은 점차 두 꺼워지며 인력이나 지반 보강용 장비가 진입하더라도 견딜 수 있는 지지력을 가질 수도 있다.
Fig. 1은 준설된 연약지반 위에 초기 트렌치를 형성하 여 자연배수를 시켜 표층이 건조할 때, 지반보강을 위한 장비진입을 목적으로 토목섬유를 포설하는 모습을 보 여주고 있다. 백호에 윈치를 결합하여 유압을 이용한 견 인은 토목섬유를 스키드(skid) 받침대 위에 실어 평탄 포설이 가능하도록 한다. 기존 토목섬유의 현장으로의 이동은 공장에서 대략 3 m 폭으로 제봉되어 포설되지만, 현장에서도 추가적인 봉합이 이루어진다. Fig. 2에서는
현장에서 가벼운 미싱장비를 이용하여 연약지반위에서 직접 토목섬유끼리의 봉합을 수행한다. 봉합되는 부위 의 봉합인장강도가 원단의 강도를 유지하기 위한 다양 한 방법들이 연구되어왔다. 최근에는 미싱작업과 접합 부위를 접착제로 추가적인 접합을 실시하여 기존 봉합 인장강도보다 접합부가 더 큰 강도를 가질 수 있는 기술 이 개발된바 있다(KAIA, 2018). Fig. 2에서 처럼 봉합부 위의 봉합인장강도가 토목섬유 원단인장강도에 가깝게 향상시키기 위해서 적절한 봉합사로 6선 봉합을 한 후, 추가적인 접합을 위해 접착제 사용에 대한 연구를 설명 하고자 한다.
준설된 연약지반 개량은 표층 건조방법과 토목섬유의 포설 및 봉합, 그리고 복토를 하면서 안전한 지지력을 확보하기 위해서 여러 작업들이 연관된다. 본 연구에서 는 기존에 사용한 15 tonf/m(147 kN/m) 토목섬유매트에 사용된 봉합사가 최근에 많이 사용하고 있는 30 tonf/m (294 kN/m) 매트에서도 사용되어 봉합인장강도가 저하 되는 현장사례를 토대로 봉합사에 대한 자체실험을 수 행하였다. 그리고 토목섬유 봉합에서 접합효율에 대한 실내시험 내용과 이러한 토목섬유 포설 후 복토층과 함 께 고려한 수정방정식의 지지력 계산을 현장에서 수행 된 평판재하시험으로 검증하였다. 그리고 기존에 사용 하고 있는 이론적인 방정식들과의 차이와 수정된 방정 식의 유효성을 확인하고자 하였다. 이는 준설토 연약지 반 개량을 위한 공법설계를 더욱 정확히 수행하는데 경 제적으로 큰 도움이 될 것으로 판단된다.
Fig. 3. six-line seam of geotextiles
Fig. 4. Seam tensile strength of woven geotextile by adhesive (GT15)
Fig. 5. Seam tensile strength of woven geotextile by adhesive (GT30)
2. 토목섬유 봉합방법에 따른 봉합인장강도의 실험 적 검증
2.1 접착제 봉합
토목섬유매트의 봉합특성 분석을 위해 최적 봉합선 및 봉합조건 설정은 일반적으로 현장에서 6선 봉합이 사용되고 있다. 토목섬유매트의 봉합 매커니즘 평가와 분석을 통하여 최적 봉합선 및 봉합조건을 설정하여 Fig. 3과 같이 직포 토목섬유의 6선 봉합이 일반적으로 진행된다.
연약지반 복토공사 설계시방서에 의하면, 현장에서 6 선봉합의 봉합인장강도는 원단강도의 50%로 가정하기 때문에 본 연구에서는 30과 15 tonf/m의 원단인장강도를 갖는 토목섬유를 사용하여 접착제 살포 후, 봉합인장강 도를 증가시키고자 하였다. 토목섬유(geotextile)의 원단인 장강도 30 tonf/m는 GT30으로 15 tonf/m 원단인장강도는 GT15로 표기하여 6가지의 접착제 종류를 GT30-M105, GT30-A031, GT30-L401, GT30-M403, GT30-M200, GT30- M4601으로 실내시험을 수행하였다. 접착제는 에폭시 접 착제보다 내시공성이 좋고 염수저항성이 우수한 시아 노 아크릴레이트계 6 종류이다. 현장에서 많이 사용하 며 점도와 경화시간에 따라 차이가 있고 M105(mxbon 105), A031(axia 031), L401(loctite 401), M403(mxbon 403), M200(mxbon mr 200), M4601(mxbon 4601)로 표 시하여 나뉜다. 접착제 분사는 봉합사 사이와 봉합사 위 2가지 위치에서 분사하여 봉합인장강도가 큰 값을 선택 하여 접착제 별 비교하였다(Figs. 4∼5). 직포매트 접착 제 부가 후 봉합인장강도는 GT30-M105가 239.96 kN/m 로 가장 높게 나타났으며, 이는 원단 인장강도의 최대 80%까지 향상됨을 확인하였다. 실제로 봉합인장강도
시험 시 봉합부 모서리에서 파단이 발생하였으며, 이는 접착제에 의한 봉합부 경화로 접착제 점도가 봉합인장 강도에 영향을 미친다고 판단되었다(Quality test standards for construction works, 2020).
실내시험에서 접착제는 적정양을 분사하는데 주변 환 경이 좋은 조건이지만, 현장 접착 시공시 직포매트 봉합 을 위한 분사하는 접착제의 정량적인 양을 결정하는 것 은 중요하다. 최적 접착제 분사량과 분사위치 설정을 위 한 객관적 지표를 다양한 분사량에 의해 비교･분석하였 다. GT15의 경우 접착제 분사위치를 봉합사에 직접 분 사하는 방법과 봉합사와 봉합사 사이에 분사하였을 경 우 두가지 모두 비슷한 봉합인장강도를 나타내었다. 그 러나 GT30에서는 접착제를 봉합사에 직접 분사한 경우 와 봉합사 사이에 분사한 경우는 큰 차이를 보였다. GT30 시편에서 봉합사 사이에 분사할 때 봉합인장강도는 239.96 kN/m(≈80%)으로 나타났으나, 봉합사에 직접 접착제를 분사할 때는 144.57∼154.19 kN/m(≈50%)로 측정되어 봉
Fig. 6. Optimal injection condition of adhesive in woven geotextile (GT15)
Fig. 7. Optimal injection condition of adhesive in woven geotextile (GT30)
Fig. 8. Schematic design of optimal injection condition of adhesive for maximum seam tensile strength (GT15)
Fig. 9. Schematic design of optimal injection condition of adhesive for maximum seam tensile strength (GT30)
(a) Non-spray (b) GT15 (15g/m) (c) GT15 (25g/m) (a) Non-spray (b) At suture fiber (c) Between s.f.
Fig. 10. Broken by injection quantity at GT15 Fig. 11. Broken by location of spray at GT30
※note : s.f. = suture fiber
합사 사이에 분사하는 것이 효율적이라고 판단하고 분 사량에 대한 적정성을 실내시험으로 분석하였다.
Figs. 6∼7은 접착제의 분사량에 대한 봉합인장강도 의 차이를 보여주고 있으며 Figs. 8∼9는 단위미터(m) 당 적정 접착제 분사량이 토목섬유 원단인장강도 15와 30 tonf/m 사이의 차이를 보여주고 있다. 여기에서 빨간 색과 하얀색으로 표기한 ‘x’ 표식은 모든 봉합사 위에 직 접 분사한 위치와 봉합사 사이마다 접착제 분사한 위치
를 나타낸다.
Fig. 10은 15 tonf/m(GT15) 토목섬유매트를 사용하여 접착제 분사량이 없을 때와 15 g/m, 25 g/m에 대한 파단 유형을 확인한 것이고, Fig. 11은 원단인장강도 30 tonf/m (GT30) 매트를 사용하여 최적 접착제 분사량인 50 g/m 을 사용하여 분사된 위치에 따른 파단 유형을 관찰한 결과이다. Fig. 11은 적정 분사량을 파악하였기 때문에 2가지 시편에 공통적으로 효율적인 접착제인 M105를
Fig. 12. Additional tensile strength experiments to review suture and original strength
사용하여 비교한 것을 보여준다.
GT15 시편에서는 봉합사에 직접 분사와 봉합사 사이 에 접착제를 분사해도 봉합인장강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단되지만, GT30은 봉합사에 직접 분사 한 것과 봉합사 사이에 분사한 것은 봉합인장강도에 큰 차이가 나타난다. GT15의 경우, 접착제에 의한 봉합부 경화로 원단의 신축성을 저하시켜 인장력을 감소시킨다 고 판단된다. Fig. 10에서는 GT15-M105 시편에서 접착 제 분사 없이 파단(Fig. 10(a)), 15 g/m 분사량 일 때 파 단(Fig. 10(b)), 25 g/m 분사량 일 때 파단(Fig. 10(c)) 모습 을 보여준다. 직포매트의 봉합부 파괴실험(GT30-M105) 에서 접착제 없이 파단되는 모습(Fig. 11(a)), 봉합사 사 이에서 파단되는 모습(Fig. 11(b)), 그리고 봉합부 모서 리(edge)에서 파단되는 모습(Fig. 11(c))을 보여주고 있 다. 이러한 이유는 응력집중이 봉합부 모서리에 작용되 지만 접착제가 모서리 내부로는 충분히 침투되지 않기 때문에 접착력이 저하되었기 때문이다. 따라서 접착제 분사 위치는 봉합사에 직접 분사 또는 양단 모서리 내부 에도 분사되도록 하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
2.2 봉합사(suture fiber) 종류에 따른 봉합인장강도
봉합사의 역할은 넓은 연약지반 개량을 위해 포설되는 두루마리 형태의 토목섬유와 토목섬유의 연결을 하기 위 해 사용된다. 좋은 봉합사의 조건으로는 인장강도가 높 고, 굵기가 균일해야하며, 원단인 토목섬유의 조직반응 과 손상이 적어 다루기 쉬워야 한다. 봉합사는 토목섬유 와 유사한 재질로 되어 있어야 한다. 기존 15 tonf/m 토목 섬유매트를 사용할 때, 일반적으로 3,000 데니아(denier,
D)의 섬유 굵기를 지닌 봉합사를 사용하고 있으나 최근 에 토목섬유 원단 자체가 두터워지고 원단의 인장강도 가 향상되면서 더 굵은 봉합사가 요구되고 있다.
현장에서 최근까지 많이 사용하는 토목섬유는 15 tonf/m 원단인장강도를 갖는 geotextile이었는데, 점차적으로 연 약지반 개량이 넓게 확대되고 더욱더 강한 지반 지지력 이 요구되는 시공 현장이 발생하면서 30 tonf/m 원단인 장강도를 갖는 geotextile의 사용량이 증가하고 있다. 시 험규정에 맞게 의뢰를 하기에는 너무 많은 실험 횟수와 비용이 요구되므로, 파단되는 과정을 확인하고자 자체 적으로 개발한 인장시험 장치를 이용하여 각 원단에 맞 는 봉합사의 적정성을 파악하고자 Fig. 12에서처럼 실 내시험을 수행하였다. 개발된 인장시험장치로 원단인장 강도(original strength) 수치를 측정한 뒤, 봉합사와 6선 직선봉합, 그리고 사선봉합(Fig. 12-right)과 접착제를 사 용한 봉합인장강도의 차이를 확인하고자 하였다. 여기 에서 S형 봉합은 일반적인 직선봉합에 대한 강도 향상 의 한계를 느끼면서 추가적으로 물결모양의 사선봉합 을 의미한다. 직선봉합(straight sealing)에서 10, 7, 4 mm 로 봉합사 간격을 다르게 적용하여 비교하였다.
여러 가지의 실험 결과, 15 tonf/m 토목섬유에 대해서 는 3,000 denier 봉합사를 사용해도 무방하지만, 30 tonf/m 토목섬유 사용시 3,000 denier를 사용하면 대부분 봉합 사 강도가 작기때문에 봉합사 파단이 먼저 발생한다. 따 라서 30 tonf/m 토목섬유를 포설할 때에는 4,000 denier 를 사용해야 봉합인장강도가 원단인장강도의 50% 이상 의 강도가 발현되었다. 더 강한 5,000 denier를 사용하더 라도 4,000 denier 봉합사와 유사한 강도를 갖기 때문에 경제적인 비용을 감안한다면, 30 tonf/m 토목섬유매트에
Fig. 13. Tensile strength test of six wire-sealed geotextile by S-type and straight sutures
Table 1. Tensile strength test report of suture fiber with adhesive (FITI testing & research institute, 2018)
Test #
Seam tensile strength of geotextile (kN/m)
GT15 GT30
Straight sealing Straight sealing Diagonal sealing (S-type)
Suture Suture + adhesive Suture Suture + adhesive 30°suture 30°suture + adhesive No.1
No.2 No.3 No.4 No.5
88.4 75.8 (50.5%) 90.9 (60.6%)
87.3 86.1
111.8 96.7 100.0
95.0 112.4 (75%)
116.9 132.9 127.5 129.6 133.4 (45%)
167.4 171.3 (57.1%) 212.1 (70.7%)
166.5 255.3 (85.1%)
178.8 207.6 (69.2%)
184.5 186.6 (62.2%) 235.8 (78.6%)
230.7 (76.9%) 176.4 208.8 273.0 (91.0%) 299.1 (99.9%)
Average 85.7 (57.1%) 103.2 (69%) 128.02 (43%) 194.5 (64.8%) 198.7 (66.2%) 273.6 (79.2%)
는 4,000 denier 봉합사가 적절할 것으로 판단된다. 또한 실험 결과들에서 직선으로 봉합하는 것보다는 사선(S형) 으로 봉합할 때 더 높은 인장강도를 보이며, 추가적인 접착제 사용이 봉합인장강도를 향상시키는 것으로 나 타났다.
2.3 봉합방법에 따른 봉합인장강도
연약지반 개량을 위한 토목섬유(geotextile)의 재료적 관심은 가격 경쟁력의 확보와 단기 또는 장기적인 거동 의 안정성을 위한 방안으로 변화하고 있다. 제품의 생산 과정에서 이뤄지는 봉제(stitching seam)공정은 제품 단 가상승의 주원인이며 단기 또는 장기거동의 안정성에 도 봉합부는 중요한 인자로서 그 거동을 좌우하는 요인 이 된다. Table 1은 5회에 걸쳐 시험 규격에 맞게 진행 된 인장강도 시험으로 원단인장강도 크기에 따라 봉합 인장강도가 어느 정도 비율의 강도를 갖고 있는지 확인 한 실험 결과를 보여준다. 앞장에서 언급한 최적의 접착
제 M105와 GT15는 3,000 denier, GT30은 4,000 denier 봉합사를 4 mm 간격으로 미싱작업과 접착봉합을 하여 인증 시험원에서 얻어졌다.
여수·광양 산업단지와 목포근교의 연약지반 개량공 사가 많이 진행되고 있어 토목섬유 활용 횟수가 증가하 고 있다. 최근에는 30 tonf/m 토목섬유매트의 활용이 많 아지고 있다. 시험에 수행되었던 토목섬유매트의 원단 인장강도는 15와 30 tonf/m를 갖고 있으며 이들 원단을 서로 봉합하면 설계기준 시방서 기준으로 50% 강도만 을 인정하기 때문에 각각 75와 150 kN/m의 봉합인장강 도를 발휘한다고 시공 시 가정한다. Table 1은 토목섬유 를 봉합하는 일반적인 봉합사(4,000 denier)를 활용하여 일반적인 직선봉합과 S형(30°)봉합 인장강도를 5회 시 험으로 얻은 결과를 비교한 것이다.
토목섬유의 봉합은 미싱과 접착제의 사용으로 봉합인 장강도가 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있으며, 직선 미싱봉합(Fig. 13-right)보다는 사선으로 봉합(Fig. 13-left) 하는 방법이 인장강도가 더 크게 나타남을 알 수 있었
다. 봉합사 사이에 접착제의 분사가 적절히 잘 된다면 거의 원단인장강도 수준으로 발전이 가능함을 보여준 다. Fig. 13은 같은 토목섬유 시편을 사용하여 S형봉합 과 직선봉합의 파단되는 순간을 보여주고 있으며, 같은 시간에 직선봉합이 먼저 파단되고 있어 봉합인장강도 가 S형봉합보다 작게 나타나는 실험결과를 얻었다.
3. 연약지반의 복합토층의 지지력 산정 3.1 기존 지지력 방정식과 수정지지력 방정식 비교
준설매립지 연약지반의 허용지지력을 평가할 때 가 장 불안한 요인 중 하나는 장비 진입시 안전사고가 펀칭 전단파괴로 발생할 수 있다는 것이다. Meyerhof(1974) 의 지지력에 계산을 위한 이론은 다양한 전단파괴를 고 려한 단층이나 연약지반이 포함된 이질층 지반에서 얕 은 기초를 계산할 수 있는 조건은 하중이 작용하는 표층 지반이 충분한 강도를 확보하는지가 중요하다. 기존 문 헌에 제시되고 있는 얕은 기초 지지력을 산정하는 가정 은 균질한 지반상태를 대상으로 기술되었으나, 본 연구 의 경우는 토목섬유매트를 포설한 복합지반과 같이 여 러 재료들을 고려해야하는 불균질한 조건이다. 상부는 복토층과 같은 견고한 지반, 하부는 연약한 준설토 지반 이 존재하는 층상지반에서 Meyerhof(1974) 이론에 의하 면, Eq. (1)을 이용하여 허용지지력을 산정할 수 있다 (Kim et al., 2019).
⋅
tan
sin
(1)
여기에서 허용지지력, 안전율, 접지압 폭, 접지압 길이, 연약지반 점착력, 복토층 단위중량,
복토층 높이, 펀칭전단계수, 복토층 내부마찰 각, 토목섬유 봉합인장강도, 보강재와 수평면이 이 루는 각(≈15°) 이다.
Yamanouchi(1985) 방정식은 복토층 두께가 장비의 분포하중으로 작용하고 복토층 하중에 의해 원지반에 작용하는 하중의 크기가 토목섬유의 인장력 이내로 작 용하여 원지반 지지력의 크기를 산정한다. 연약지반 위 에 토목섬유매트의 포설이 지지력의 보강 효과를 고려
한 기초지반의 지지력 평가모델은 Eq. (2)와 같이 간소 하게 표현할 수 있다(Kim et al., 2019).
⋅ ⋅ sin (2)
위 2가지의 수식들은 현재 연약지반 개량을 위한 초 기 시공으로 장비주행성을 확보하기 위해 안정성 평가 를 예측한다. 토목섬유의 봉합인장강도는 원단인장강도 의 50%로 가정하고 수식에 적용하여 그 위 복토층인 토사나 쇄석의 강도를 적절하게 고려되지 못하는 단점 을 내포하고 있다. 수식 내 계수들을 적절하게 대입하지 못하고, 복합 이질층의 지지력 평가가 상대적으로 과소 평가되어 경제적인 비용이 많이 소요되어 위 2개의 방 정식을 상호보완하여 수정방정식 Eq. (3)을 제안하였다 (Kim et al., 2019).
sin tan
(3) 위에 설명한 3가지 수식에 대한 비교분석은 접지하중 의 덤프트럭이나 토사 또는 쇄석을 포설하는 컨테이너 장비 예를 들어 폭() 1 m와 길이() 3 m의 접지압 면적 으로 하중을 가할 때 허용지지력에 대한 평가를 수행하 였다. 연약지반의 점착력()과 복토층의 내부마찰각() 을 평균적인 물성값으로 가정하여 복토층 두께()에 따 라 3가지 방정식이 어떻게 지지력을 평가하고 있는지 비교하였다. Figs. 14∼15에 나타낸 수정방정식의 지지 력 산정 결과는 과소평가하는 Meyerhof(1974) 방정식 결과 값과 비교적 지지력을 크게 평가하는 Yamanouchi (1985) 방정식 결과 값의 중간에 위치한다(Kim et al., 2019). 수정방정식은 연약지반에 가장 위험한 펀칭전단 파괴를 고려하였고, 복토층의 전단강도를 고려하여 실 질적인 지지력 평가에 중요한 요인들을 보완해서 구성 되어졌다. 기존에 연약지반 보강 설계에서는 지지력을 작게 평가하는 Meyerhof(1974) 방정식 결과값이 기준이 되어 경제적인 비용이 많이 소요되기 때문에 연약지반 의 현장 검증을 통해 적절한 계산식을 사용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 수정방정식의 지지력 결과값 들의 검증을 위해서 연약지반 현장에서 베인전단시험 과 평판재하시험으로 수행하여 방정식 적용성을 검토 하였다. 3가지의 방정식에 적용한 지반의 강도정수와
Table 2. Soil properties for modified equation (Kim et al., 2019)
(kN/m3) b (m) L (m) (kN/m2) (°) (kN/m2) ′ (°) (m)
Values 17 or 21 1 1 or 3 25 4.45 15 150 35 4 0
Fig. 14. Comparison of allowable bearing capacity by three equations (unit weight = 17 kN/m3)
Fig. 15. Comparison of allowable bearing capacity by three equations (unit weight = 21 kN/m3)
Fig. 16. Vain shear strength test on soft ground by digging up sand mat layer
연약지반의 하중조건에 대해서 Table 2에 제시하고 있 다. Fig. 14는 토사로 토목섬유 포설 후 높이(H)별로 복 토한 허용지지력을 계산한 결과이고, Fig. 15는 쇄석으 로 복토한 후 연약지반의 허용지지력을 계산한 결과를 비교하였다(Kim et al., 2019).
3.2 평판재하시험(PBT)에 의한 지지력 방정식 검증
현장에서 수행된 평판재하시험은 연약지반의 지지력 을 측정하여 제시된 수정방정식의 지지력 예측을 검증 하기 위해서 진행되었다. 수정방정식으로 계산되어지는 지지력 결과 값들은 그 위치의 점착력 강도가 입력되기 때문에 현장과 이론방정식의 지지력을 비교하기 위하 여 각 시험 위치마다의 베인전단시험을 수행하여 점착 력 값을 획득하였다(Fig. 16). 3가지의 지지력 방정식을 비교하기 위해서는 적용한 연약지반 점착력의 평균 크 기는 43.7 kN/m2이었기 때문에 현장에서 수행한 베인전 단시험 측정범위가 37∼48 kN/m2 이내에 들어온 지점 에서만 복토층에 의한 지지력을 평가하였다.
이 시험은 지반조사 방법 중 지름 30∼75 cm의 원형 재하판을 놓고 하중을 가하여 기초의 지지력 계수를 직 접 측정하는 시험 방법을 말한다(Fig. 17). 넓은 연약지 반에서 내부 전단강도인 점착력의 크기는 위치별로 다 양한 크기를 갖고 있다. 배수가 잘되거나 잘 건조된 위
치라면 좀 더 높은 전단강도를 갖기 때문에 그 위치에서 평판재하시험을 수행할 때 지지력의 크기가 다른 위치 와 다소 차이를 보일 수 있다.
시험 현장에서 점토의 전단강도시험과 평판재하시험
Fig. 17. Plate bearing test after laying sand mat layer on the soft ground
Fig. 18. Verification of bearing capacity of modified equation by PBT
을 동일한 위치에서 실시하여 연약지반의 지지력 결과 를 Fig. 18에 나타내었다. 3가지의 이론방정식과 함께 표시하였지만, Meyerhof(1974) 방정식 결과는 연약지반 지지력을 과소평가되고 있었으며 Yamanouchi(1985) 방 정식은 실측치 값들보다 대부분 과소평가되었지만, 어 느 한지점에서는 실측치보다 과대평가된 결과도 보였 다. 그러나 수정방정식은 현장에서 직접 측정한 지지력 크기보다는 작게 예측하고 있어서 Meyerhof(1974) 방정 식으로 설계기준을 계획할 때보다는 많은 경제적인 비 용을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 논문은 연약지반 보강을 위해 사용되는 토목섬유 의 봉합방법과 효율에 대해서 실내시험으로 봉합인장
강도의 비교분석을 하였으며, 복합토층의 지지력 계산 을 위한 수정방정식의 검증을 위해서 연약지반 현장에 서 직접 수행한 평판재하시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 일반적으로 15 tonf/m 토목섬유매트에서는 3,000 denier 봉합사를 사용하여 원단강도의 50% 이상의 인장강도를 유지하여 사용해왔으나, 최근에 많이 사 용하고 있는 30 tonf/m 토목섬유매트에 대한 적절한 봉합사 결정을 위해 4,000 denier 봉합사로 실내시 험을 수행하였고, 그 결과 유지하지 못했던 원단강 도 50% 이상의 봉합인장강도를 보였다.
(2) 연약지반 초기 시공에 필요한 장비주행성(trafficability) 의 안정성을 위해서는 미싱기계로 토목섬유의 봉합 뿐만 아니라 접착제로 추가 봉합을 수행한다면 원단 인장강도의 50%에서 평균적으로 70∼80%까지 봉 합인장강도를 높일 수 있었다. 또한, 6선 직선봉합 의 일반적인 방법보다는 S형(30°)으로 6선 봉합을 수행하였을 때 봉합인장강도는 원단인장강도까지 증가할 수 있다는 실험 결과를 얻었다.
(3) 봉합인장강도()를 기존 원단강도의 50%만 적용할 지라도 Meyerhof(1974) 방정식은 과소평가하여 경 제적인 비용이 많이 소요될 수 있으며, Yamanouchi (1985) 방정식으로 수행한 지지력 설계방법은 연약 지반의 일정하지 않은 전단강도 특성을 고려하지 못 해 안전사고의 위험성을 내재하고 있어 안전성을 담 보하지 못할 수도 있다. 이에 현장 평판재하시험으 로 검증된 수정방정식을 적용한다면 시공의 안정성 과 경제성을 향상시킬 수 있다고 판단된다.
(4) 연약지반 지지력방정식은 기존 원단강도의 50% 인 장강도보다는 훨씬 큰 봉합인장강도()를 적용할 수 있도록 본 연구에서 토목섬유의 봉합과 접착방법 을 실험적으로 증명하였으며, 지지력에 대한 설계방 법의 검토와 수정이 지속적으로 병행되어야 할 것으 로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2020년도 동신대학교 대학원 대학혁신지 원사업(DS-콜로키움)에서 지원받았으며, 정부(교육부) 의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초 연구사업임(No. 2020R1I1A307511011).
참고문헌 (References)
1. Chae, Y. M. and Kim, J. H. (2020), “Numerical Analysis for Evaluation of Bearing Capacity on Soft Ground with Geotextile”, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.40, No.2, pp.217-223.
2. FITI testing & research Institue (2018), Test service by industries, Busan Branch Office.
3. Kim, S. H., Chae, Y. M., and Kim, J. H. (2019), “Modification of Bearing Capacity Formula Considering Seam Tensile Strength of Geotextile in Soft Ground”, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.35, No.12, pp.59-67 (in Korean).
4. Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement (KAIA) (2018), Development of sealing technology and efficient installation method for increasing joint strength of geotextile in soft ground,
R&D Report, 18RDRP-B076564-05, South Korea (in Korean).
5. Meyerhof, G. G. (1974), “Ultimate Bearing Capacity of Footings on Sand Layer Overlying Clay”, Canadian Geotechnical Journal, Vol.11, No.2, pp.224-229.
6. Quality test standards for construction works (2020), KS K ISO 10319, Guidelines for Quality Management of Construction Works, Notice of Ministry of Land, Infrastructure and Transport, “3.6 Quality test standards”. (in Korean)
7. Yamanouchi, T. (1985), “Recent Development in the Used Synthetic Geofabrics and Geogrids”, Symposium on Recent Developments in Ground improvement Techniques, Bangkok, pp.205-224.
Received : June 17th, 2021 Revised : July 5th, 2021 Accepted : July 5th, 2021
