Geotechnical Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. December 2019. 789-799
https://doi.org/10.12652/Ksce.2019.39.6.0789


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 토사유입차단판(soil Flow Protector, FLP)

  •   2.1 공동 및 단차 발생 사례

  •   2.2 토사유입차단판의 특징

  • 3. 실내모형실험

  •   3.1 실험종류

  •   3.2 실험장치

  •   3.3 지반재료

  •   3.4 실험방법

  • 4. 실험 결과 및 분석

  •   4.1 실험 결과

  •   4.2 설치 유・무에 따른 지반거동

  •   4.3 강성에 따른 지반거동

  •   4.4 설치길이에 따른 지반거동

  • 5. 결 론

1. 서 론

일반적으로 교대(abutment), 통로박스(box culvert) 등의 구조물은 측면지반의 도로와 교량 또는 도로와 도로 사이를 연결하는 접속부 역할을 한다. 이러한 구조물들은 침하에 민감하므로 침하가 거의 발생하지 않도록 견고한 지반에 말뚝기초로 지지하여 시공하지만, 구조물 하부의 지반은 다음과 같은 여러 가지 원인에 의해 침하가 발생한다. 연약지반에서는 원지반의 시간에 따른 압밀침하, 지반 건조에 의한 건조수축 등에 의해 침하가 발생하고 일반적인 토사지반에서는 다짐불량에 의한 침하가 발생한다. 이와 같이 다양한 원인에 의해 구조물 저면 하부에는 공동(空洞, cavity)이 생성된다. 생성된 공동으로 유입된 지하수와 측면지반의 토사는 말뚝기초 두부의 부식과 손상을 일으키고, 측면지반의 침하를 가속화하여 더 큰 침하를 유발하는 문제점이 발생한다.

White et al.(2007)은 뒤채움재의 다짐불량과 지반 압축 침하로 인해 구조물 저면 하부에 공동이 발생하고, 공동으로 유입된 지하수에 의해 말뚝기초의 두부의 부식 및 지반의 침식을 발생시키는 것을 확인하였고, Briaud et al.(1997a)은 공동 발생의 원인으로 압축성 원지반상 성토를 제시하였다. 그 외의 공동 발생의 원인으로 구조물 하부의 침투수에 의한 지반 침식(Hearn, 1997) 등에 의해 문제점이 발생하는 것으로 연구되었다.

이러한 문제점들에 대한 대책으로 포장면 덧씌우기(Overlay)의 방법으로 유지・보수를 하고 있지만, 지속적으로 덧씌우기된 포장면의 하중은 측면지반의 계속적인 침하를 유발하고, 공사로 인해 공용중인 도로의 사용성을 저하시켜 추가적인 경제적, 사회적 비용이 소요되게 된다. 이와 같이 현재까지는 국내·외적으로 설계 및 시공 시 구조물 하부의 공동 발생으로 인한 문제점들에 대해 일시적인 대책을 강구하는 방법 밖에는 뚜렷한 해결책이 없는 실정이다.

따라서 말뚝 기초로 지지된 구조물 하부의 공동 발생으로 인한 여러 문제점들을 예방하고, 감소시키기 위해 구조물의 측면에 쉽게 설치가 가능한 토사유입차단판(soil Flow Protector; 이하 ‘FLP’)이 개발되었다. FLP는 지반침하가 발생할 때 지반침하량과 거의 같은 크기의 하향 이동이 발생하게 되어 공동 발생 후에도 측면 지반 토사의 공동으로 유입을 지속적으로 차단하여 측면 지반의 급격한 침하를 방지하는 역할을 한다.

본 연구에서는 말뚝 기초에 의해 지지된 박스구조물이 설치된 사질토지반에서 실내모형실험을 실시하고 FLP의 보강 유・무, 설치길이 그리고 강성 차이에 따른 침하량과 사진분석을 통해 지반거동을 비교・분석하였고, 이 결과를 FLP의 길이 비와 침하량 비의 관계로 나타내어 침하 감소 효과 및 경제성이 최적이 되는 길이 비를 제안하였다.

2. 토사유입차단판(soil Flow Protector, FLP)

2.1 공동 및 단차 발생 사례

Briaud et al.(1997b)은 말뚝기초로 지지된 구조물에서의 지반 침하 원인을 Fig. 1과 같이 교대를 예로 나타내고, 그 원인을 침하량에 민감하게 설계된 교대, 압축성 원지반상 성토, 성토하중에 의한 지반 압축, 설계 오류로 인한 짧은 접속슬래브, 팽창성 흙과 같은 뒤채움재료의 불량 등으로 정리하였다. 이러한 원인에 의해 발생하는 문제점으로는 Fig. 2(a)와 같이 구조물 하부에 공동이 생성되어 지하수가 고이고, Fig. 2(b)와 같이 유입된 지하수에 의해 말뚝기초에 부식이 발생하며, Fig. 2(c)와 같이 접속부 포장체의 침하량 차이로 균열이 발생하게 된다.

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Fig. 1.

Settlement of Approach Slab over the Joining area Bridge & Embankment (Briaud et al., 1997b)

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Fig. 2.

Problems Due to the Difference Settlement between the Structure Supported by the Pile Foundation and the Lateral Ground

2.2 토사유입차단판의 특징

구조물 하부 공동 발생으로 인해 유발되는 문제점으로는 Fig. 3(a)와 같이 포장부의 균열 및 파손으로 인한 차량 주행성 및 안정성 저하, 측면지반의 토사 유입으로 인한 말뚝두부 손상, 구조물의 부등침하 등이 있다. 이에 대한 대책으로 Fig. 3(b)와 같이 여러 가지 원인에 의해 구조물 하부에 공동이 발생하더라도, 구조물 측면에 FLP를 설치함으로서 측면지반 토사의 공동으로 유입을 차단하여 침하량을 감소시키고 토사에 의한 말뚝두부 손상을 방지하여 안정성을 확보할 수 있다.

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Fig. 3.

Features of FLP for Countermeasures of Cavity Generation (Yoo et al., 2018)

2.3 토사유입차단판의 설치

FLP는 기존 구조물 및 새로 시공되는 구조물 측면의 뒤채움 공간에 Fig. 4(a)와 같이 인접하여 설치하고, 침하에 의해 FLP의 하향 이동이 발생 시 구조물과 FLP의 틈새로 토사가 유입되는 것을 방지하기 위해 Fig. 4(b)와 같이 채움재를 충전한다. 이때, 구조물과 FLP는 접합되지 않기 때문에 FLP는 침하 발생 시, 지반침하량과 거의 같은 크기의 하향 이동이 발생하여 공동이 발생하더라도 공동 표면으로부터 관입깊이가 변하지 않아 측면 지반 토사의 공동으로 유입을 지속적으로 차단하여 급격한 침하를 방지하는 역할을 한다.

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Fig. 4.

Installation Method of FLP on Field

3. 실내모형실험

3.1 실험종류

실험은 FLP에 의한 침하 감소 효과를 확인하기 위해 설치 유・무를 다르게 하여 실시하였고, 침하 감소 효과 및 경제성이 최적인 설치길이를 산정하고자 박스구조물의 하단 모서리를 기준으로 상・하부가 동일하게 50 mm이고 전체 길이 100 mm인 FLP를 시작으로 상・하부의 길이를 50 mm씩 증가시켜 전체길이 600 mm까지 각각의 실험을 수행하였다. 또한 강성에 따른 침하량 감소 효과를 확인하고자 FLP의 두께를 각각 3.0 mm, 10.0 mm로 구분하여 실험을 진행하였다. 실험의 종류는 Table 1과 같다.

Table 1. Types of Test

Contents Stiffness of FLP Thickness of FLP (mm) Length of the upper part of FLP (mm) Length of the lower part of FLP (mm) Total length of FLP (mm)
Non Non-reinforcement - - - -
F_U50_L50 Flexible 3.0 50 50 100
F_U100_L100 100 100 200
F_U150_L150 150 150 300
F_U200_L200 200 200 400
F_U250_L250 250 250 500
S_U50_L50 Stiff 10.0 50 50 100
S_U100_L100 100 100 200
S_U150_L150 150 150 300
S_U200_L200 200 200 400
S_U250_L250 250 250 500
S_U300_L300 300 300 600

* Note : Non, Non-reinforcement; F, Flexible; S, Stiff; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 50, 100, 150, 200, 250, 300, The length of the upper and lower parts of the FLP

3.2 실험장치

3.2.1 평면변형률 모형토조

본 연구에서 적용된 박스구조물은 도로와 연결된 연속 구조물로서 평면변형율 조건을 적용하기 위해 Fig. 5와 같이 평면변형율 모형토조를 이용하여 실험을 실시하였고, 그 거동을 2차원으로 단순화(Choi et al., 2018; Tatsuoka et al., 2014)하여 결과를 비교・분석하였다. 모형토조의 내부제원은 길이 1700 mm, 높이 760 mm, 폭 410 mm이고, 평면변형률 조건을 만족하기 위해 두께 30 mm의 투명아크릴로 모형토조의 벽체를 형성하였으며, 가로 × 세로의 간격을 280 mm × 380 mm의 추가적인 철제 보강으로 변형 발생을 억제하였다. 모형토조의 하부에는 진동을 발생시킬 수 있는 진동 모터를 설치하였고, 발생된 진동을 용이하게 전달하기 위해 스프링을 설치하였다.

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Fig. 5.

Side View and Front View of Plain Strain Soil Tank

3.2.2 박스구조물 모형

실제 박스구조물은 말뚝기초에 의해 견고한 지반에 지지되어 있지만, 본 연구에서는 모형토조 상부프레임에 고정하여 침하 발생 시 박스구조물의 자중에 의한 침하는 발생하지 않도록 하였다. 박스구조물 모형의 규격은 Fig. 6과 같이 두께 20 mm의 투명 아크릴을 이용하여 가로 × 세로 × 높이가 408 mm × 350 mm × 340 mm로 제작되었지만, 실제 박스구조물 측면에 성토되는 지반의 높이는 박스구조물 바닥에서부터 250 mm이다.

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Fig. 6.

Indoor Test Model of Box Structure

3.2.3 FLP 모형

FLP 모형의 제작은 Fig. 7과 같이 3 mm(연성), 10 mm(강성)로 두께가 다른 두 종류의 직사각형 아크릴판을 사용하였고, FLP의 폭은 토조의 폭(410 mm)과 마찰이 발생하지 않도록 양쪽으로 1 mm 작게 408 mm로 제작하였다.

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Fig. 7.

Indoor Test Model of Soil Flow Protector with Stiffness

3.3 지반재료

지반조성 시 사용된 지반재료는 주문진 표준사이고, 물리적 특성은 Table 2와 같다. 주문진 표준사와 같은 사질토는 낙하고에 따라 밀도가 변화하고, 밀도 변화에 따라 역학적 특성 역시 달라지므로, 실험 시 밀도를 일정하게 유지하여 지반을 조성하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 모래뿌리기 장치를 이용하여 낙하고 0.1 m에서 강사법(Ko et al., 1996; Son et al., 2003; Bautista et al., 2006)으로 밀도를 일정하게 지반을 조성하였으며, 이 때의 건조밀도는 평균 1.487 g/cm3이고, 상대밀도는 44.5 %이다.

Table 2. Physical Characteristics of Jumun-Jin Standard Sand

Specific gravity, Gs 2.650
Water content, w (%) 0.90
Average particle size, D50 0.580
Effective particle size, D10 0.448
Uniformity coefficient, Cu 1.370
Coefficient of curvature, Cg 0.960

3.4 실험방법

느슨하고 일정한 밀도의 지반을 조성하기 위해 낙하고 0.1 m를 유지하여 모래를 포설하였다. 실험은 설치되는 FLP 모형의 하부 높이까지 모래를 포설한 후, 박스구조물이 설치되는 수평위치를 고려하여 FLP 모형을 미리 설치하고 모형토조 벽면과 FLP 모형 사이에 그리스(grease)를 도포하였다. 그 후 FLP 모형의 배면과 전면에 토압차이가 발생하지 않도록 박스구조물의 바닥 높이까지 모래를 포설한 후, 모래의 침투 방지 및 마찰을 최소화하기 위해 박스구조물과 FLP 모형의 접촉면에 그리스를 도포하고 박스구조물을 설치하였다.

FLP의 침하 감소 효과를 분석하고자, 모형토조 하부에 설치된 진동모터를 이용하여 강제로 지반침하를 발생시켰다. 이 때의 진동은 0 s에서 1440 s까지 발생시켰고, 침하량의 측정은 각각의 시간까지 진동 발생 후, 박스구조물에서 일정 거리별 떨어진 위치까지 모형토조 벽체 전・후면 및 중간 세 곳에서 침하량을 측정하고 그 값을 각각 평균하였으며, 진동에 의한 침하량이 거의 수렴할 때를 기준으로 실험을 종료하였다. Fig. 8은 박스구조물과 FLP 모형을 설치하고, 지반 조성을 완료한 모습이다.

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Fig. 8.

Front View of Box Structure and Soil Flow Protector

여기서 박스구조물 및 모형토조 좌측면 벽면방향으로의 수평변위 발생으로 인한 침하 거동의 영향을 제거하기 위해, 박스구조물 및 모형토조 좌측면의 수평변위를 구속하였다. 이로 인해 좌측면 벽면에서 벽면 마찰에 의한 침하감소 경향이 나타났으나, 그 범위는 벽면을 따라 미소 구간에서 나타나 박스구조물 하부의 전체적인 침하에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 그리고 모형토조의 우측면은 박스구조물 폭(B)의 3배 이상 떨어진 곳에 위치시켜 벽면마찰에 의한 침하거동의 영향을 최소화하였다.

4. 실험 결과 및 분석

4.1 실험 결과

4.1.1 진동시간에 따른 침하량

FLP의 설치 유・무와 상관없이 진동시간 60 s, 120 s, 180 s, 360 s, 720 s, 1440 s에 따른 지반의 침하 거동은 Fig. 9와 같이 진동시간 1440 s 이후에는 거의 수렴하는 경향이 나타났다. 따라서 최종 진동시간 1440 s를 기준으로 지반 거동을 비교・분석하였다.

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Fig. 9.

Settlement by Vibration Times

4.1.2 실험종류별 침하량

실험종류별 진동시간 1440 s 후의 침하량을 FLP의 강성에 따라 Tables 3 and 4와 같이 정리하였다. 결과를 보면, FLP를 설치함으로서 침하량이 감소하는 경향을 나타내었다.

Table 3. Results of Settlement according to Installation of the FLP After 1440 s (the Case of Flexible Material)

Distance from end of box structure (mm) Settlement (mm)
Non F_U50_L50 F_U100_L100 F_U150_L150 F_U200_L200 F_U250_L250
35.0 63.3 47.0 44.0 41.7 41.7 44.0
87.5 62.7 47.7 44.7 43.1 42.7 44.7
175.0 65.0 51.0 47.0 45.7 45.0 46.7
262.5 68.7 55.3 51.0 49.7 49.3 49.7
350.0 72.5 58.7 54.3 52.7 53.3 52.7
437.5 75.0 60.3 56.7 55.1 55.3 55.7
525.0 78.0 62.7 58.7 57.1 57.3 58.7
612.5 80.5 64.0 60.8 59.2 59.3 60.2
700.0 82.4 66.0 63.0 60.7 60.3 61.7
875.0 85.8 68.7 65.5 62.4 62.8 63.5
1050.0 88.7 70.5 66.2 63.1 63.9 64.6

* Note : Non, Non-reinforcement; F, Flexible; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 50, 100, 150, 200, 250, The length of the upper and lower parts of the FLP

Table 4. Results of Settlement according to Installation of the FLP After 1440 s (the Case of Stiff Material)

Distance from end of box structure (mm) Settlement (mm)
Non S_U50_L50 S_U100_L100 S_U150_L150 S_U200_L200 S_U250_L250 S_U300_L300
35.0 63.3 44.3 31.4 28.0 25.9 24.3 23.6
87.5 62.7 44.4 32.6 29.0 26.6 25.7 24.9
175.0 65.0 46.7 34.6 31.0 28.6 27.7 27.0
262.5 68.7 51.3 38.3 34.0 31.3 30.3 29.5
350.0 72.5 54.6 41.3 37.3 34.3 33.2 32.4
437.5 75.0 57.2 43.8 39.5 36.7 35.0 34.1
525.0 78.0 58.8 46.3 41.2 38.3 36.7 35.9
612.5 80.5 60.7 47.9 42.3 39.1 37.7 36.8
700.0 82.4 62.7 49.5 43.0 39.6 38.2 37.3
875.0 85.8 65.3 51.0 43.6 40.1 38.7 37.7
1050.0 88.7 66.6 51.6 44.0 40.4 39.0 38.1

* Note : Non, Non-reinforcement; S, Stiff; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 50, 100, 150, 200, 250, 300, The length of the upper and lower parts of the FLP

4.2 설치 유・무에 따른 지반거동

FLP의 설치 유・무에 따른 지반거동을 분석하기 위해 FLP가 설치되지 않은 경우(Non)와 FLP의 길이가 300 mm (S_U150_U150)인 경우의 침하량을 Fig. 10과 같이 나타내었고, 그 결과를 무보강일 때의 침하량을 기준으로 Table 5와 같이 침하량 비로 나타내었다. 결과를 보면 FLP를 설치함으로서 침하량은 44.2~52.8 % 만이 발생하여 평균 50.0 % 감소하는 것으로 분석되었다. 여기서, 일반적으로 공동이 발생하게 되면 지반은 일반적으로 공동 최측면에서 가장 큰 침하가 발생하고 멀어질수록 감소하지만, Fig. 11과 같이 침하 전・후 색모래의 거동을 분석한 결과, 공동 최측면 보다 일정 거리 떨어진 위치에서 더 큰 침하가 발생하여 이와 같은 결과를 나타내었다. 그리고 사진분석 결과, Fig. 12(a)와 같이 무보강인 경우 지반이 침하함에 따라 공동으로의 토사 유입이 발생하였지만, Fig. 12(b)와 같이 FLP를 설치함으로서 토사의 유입이 차단되어 침하가 감소하였다.

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Fig. 10.

Settlement according to Distance from the Edge of the Structure with FLP

Table 5. Results of Ratio of Settlement with Installation of the FLP

Distance from end of box structure (mm) Ratio of settlement, S_U150_L150 / Non
35.0 0.442
87.5 0.463
175.0 0.477
262.5 0.495
350.0 0.515
437.5 0.527
525.0 0.528
612.5 0.525
700.0 0.522
875.0 0.508
1050.0 0.496
Average 0.500

* Note : Non, Non-reinforcement; F, Flexible; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 50, The length of the upper and lower parts of the FLP
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Fig. 11.

Ground Behavior Before and After Settlement Analyzed From Sand Line (Non)

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Fig. 12.

Soil Inflow with Installation of the FLP

4.3 강성에 따른 지반거동

FLP의 재료 강성 차이에 따른 지반거동을 분석하기 위해, 연성(F_U150_L150), 강성(S_U150_ L150)으로 구분하여 실험을 실시하였고, 결과를 Fig. 13과 같이 나타내었으며, Table 6과 같이 침하량 비로 정리하였다. 침하량은 무보강일 때와 비교하여 연성에서 평균 28.4 %, 강성에서 평균 50.0 % 감소하여 FLP의 강성이 높을수록 침하량 감소에 효과적인 것으로 분석되었다. 그리고 Fig. 14와 같이 최종 침하 후의 FLP의 변형 형태를 사진분석한 결과, 박스구조물 하단의 모서리를 기준으로 연성인 경우의 FLP 상부의 변위는 거의 발생하지 않았고, 하부에서만 약 20.0 mm의 변위가 발생하였다. 그러나 강성인 경우에는 FLP의 상부는 구조물 배면 방향으로, 하부는 구조물 방향으로 동시에 약 4.0 mm 변위가 발생하였다. 따라서 FLP의 강성이 충분히 크면 FLP 상부의 지반에서는 수동토압이 발생하여 안정성에 유리할 것으로 판단된다.

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Fig. 13.

Settlement according to Distance from the Edge of the Structure with Stiffness of FLP

Table 6. Results of Ratio of Settlement with Stiffness of the FLP

Distance from end of box structure (mm) Ratio of settlement
F_U150_L150 / Non S_U150_L150 / Non
35.0 0.659 0.442
87.5 0.687 0.463
175.0 0.704 0.477
262.5 0.724 0.495
350.0 0.727 0.515
437.5 0.734 0.527
525.0 0.732 0.528
612.5 0.735 0.525
700.0 0.737 0.522
875.0 0.727 0.508
1050.0 0.711 0.496
Average 0.716 0.500

* Note : Non, Non-reinforcement; F, Flexible; S, Stiff; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 150, The length of the upper and lower parts of the FLP
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Fig. 14.

Deformation Shape with Stiffness of the FLP

4.4 설치길이에 따른 지반거동

4.4.1 연성일 때

FLP의 설치길이에 따른 지반의 거동을 분석하기 위해 3 mm 두께인 FLP의 상・하부가 동일하게 50 mm이고 전체 100 mm (F_U50_L50)인 길이를 시작으로 상・하부의 길이를 50 mm씩 증가시켜 전체길이 500 mm (F_U250_L250) 까지 각각의 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 15와 같이 나타내었다. Table 7의 침하량 비 결과를 보면, FLP가 연성인 경우 설치길이가 100~400 mm까지 증가함에 따라 침하 감소 효과는 20.9~28.4 %로 증가하는 경향을 나타내었지만, 설치길이가 500 mm인 경우에는 27.0 %로 감소하였다. 이는 FLP의 강성이 충분히 크지 않을 경우 일정 설치길이 이상에서는 길이 증가에 따른 휨강성이 작아져 침하량이 오히려 증가하는 것으로 판단된다.

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Fig. 15.

Settlement according to Distance from the Edge of the Structure with Length of FLP (Flexible Material)

Table 7. Results of Ratio of Settlement with Length of the FLP (the Case of Flexible Material)

Distance from end of box structure (mm) Ratio of settlement
F_U50_L50 / Non F_U100_L100 / Non F_U150_L150 / Non F_U200_L200 / Non F_U250_L250 / Non
35.0 0.742 0.695 0.659 0.658 0.695
87.5 0.760 0.712 0.687 0.680 0.712
175.0 0.785 0.723 0.704 0.692 0.718
262.5 0.806 0.743 0.724 0.718 0.723
350.0 0.809 0.749 0.727 0.736 0.726
437.5 0.804 0.756 0.734 0.738 0.742
525.0 0.803 0.752 0.732 0.735 0.752
612.5 0.795 0.755 0.735 0.737 0.748
700.0 0.801 0.765 0.737 0.732 0.748
875.0 0.800 0.763 0.727 0.732 0.740
1050.0 0.795 0.746 0.711 0.720 0.728
Average 0.791 0.742 0.716 0.716 0.730

* Note : Non, Non-reinforcement; F, Flexible; U, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; L, The length of the upper part of the FLP reference to the edge of the box structure; 50, 100, 150, 200, 250, The length of the upper and lower parts of the FLP

4.4.2 강성일 때

10 mm 두께인 FLP의 설치길이에 따른 지반의 침하거동을 분석하고자 상・하부 전체 길이 100 mm (S_U50_L50)~600 mm (S_U300_L300)까지 100 mm씩 증가시켜 실험을 수행하였고, Fig. 16과 같이 박스구조물에서 떨어진 거리에서의 침하량을 나타내었다. 그 결과 Table 8과 같이 FLP의 길이가 증가함에 따라 침하량은 25.7~56.8 %까지 감소하여 FLP의 강성이 클 경우에는 설치길이가 증가함에 따라 침하감소에 효과적이고, 그 경향은 점차 수렴하는 것으로 나타났다. 따라서 침하 감소 효과와 경제성에 최적인 길이를 산정할 필요가 있다.

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Fig. 16.

Settlement according to Distance from the Edge of the Structure with Length of FLP (Stiff Material)

Table 8. Results of Ratio of Settlement with Length of the FLP (the Case of Stiff Material)

Distance from end of box structure (mm) Ratio of settlement
SF_U50_L50 / Non S_U100_L100 / Non S_U150_L150 / Non S_U200_L200 / Non S_U250_L250 / Non S_U300_L300 / Non
35.0 0.700 0.495 0.442 0.410 0.384 0.373
87.5 0.709 0.521 0.463 0.424 0.409 0.397
175.0 0.719 0.532 0.477 0.440 0.426 0.415
262.5 0.746 0.558 0.495 0.456 0.442 0.430
350.0 0.753 0.569 0.515 0.474 0.458 0.447
437.5 0.762 0.585 0.527 0.489 0.467 0.455
525.0 0.753 0.594 0.528 0.491 0.471 0.460
612.5 0.754 0.595 0.525 0.486 0.468 0.457
700.0 0.761 0.601 0.522 0.481 0.464 0.453
875.0 0.761 0.594 0.508 0.467 0.451 0.439
1050.0 0.751 0.582 0.496 0.456 0.440 0.430
Average 0.743 0.566 0.500 0.461 0.444 0.432

4.4.3 최적 길이 비

최적 길이 비는 FLP의 설치길이를 박스구조물의 높이로 나눈 것으로 실제 현장에서 적용하기 위한 비의 개념이다. 길이로 제시를 하면 실제 적용 시 다양한 구조물의 높이에 대해 직접 적용함에 있어 어려움이 있기 때문에 비의 개념으로 표기하여 최적 길이 비를 직접 적용할 수 있다.

FLP의 강성에 따른 최적 길이 비를 산정하기 위해 Fig. 17과 같이 FLP 길이 비와 침하량 비 관계 그래프로 나타내었다. 결과를 보면 FLP가 연성인 경우에는 길이가 증가함에 따라 침하량이 감소하다 일정 길이 이상에서는 오히려 증가하였지만, 강성인 경우에는 길이가 증가하면서 침하량은 감소하고 일정 길이 이상에서는 점차 수렴하는 경향이 나타났다. 따라서 최적 길이 비는 FLP가 연성인 경우에는 Fig. 17(a)와 같이 변곡점의 값을 적용하였고, 강성인 경우에는 Fig. 17(b)와 같이 최대 곡률점을 구하기 위해 곡선의 초기와 말기 직선에 가까운 구간의 접선을 서로 연결하여 최적 길이 비를 산정하였다. 그 결과 박스구조물 높이(H = 250 mm)에 대한 FLP의 최적 길이 비는 연성인 경우 1.38, 강성인 경우 0.73으로 산정되었다.

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Fig. 17.

Optimum Installation Length with Stiffness of FLP

5. 결 론

본 연구에서는 구조물 하부 공동 발생으로 인한 대책공법인 토사유입차단판의 설치 및 강성에 따른 침하감소 효과와 최적 길이를 산정하고자 실내모형실험을 실시하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 실내모형실험 결과 FLP가 설치되지 않은 경우와 비교하여 FLP의 길이가 300 mm인 경우의 침하량은 평균 50 % 감소하였고, 사진분석 결과 FLP의 설치함으로서 측면지반 토사의 공동으로 유입이 차단되어 침하가 감소하는 것으로 분석되었다.

(2) FLP 재료강성이 연성, 강성인 경우의 침하량은 무보강일 때를 기준으로 연성에서 평균 28.4 %, 강성에서 평균 50.0 % 감소하여 FLP 재료강성이 높을수록 침하량 감소에 효과적이었고, 사진분석 결과 FLP의 강성이 충분히 크면 박스구조물 하단 모서리를 기준으로 상부의 지반에서는 수동토압이 발생하여 안정성에 유리하다.

(3 )FLP가 연성일 경우의 침하량은 길이가 증가함에 따라 감소하다가 일정 길이 이상에서는 오히려 증가하였으나, 강성인 경우에는 길이가 증가함에 따라 침하량은 감소하는 경향을 나타내었고 일정 길이 이상에서는 점차 수렴하는 것으로 나타났다.

(4) FLP의 침하 감소 효과와 경제성이 최적이 되는 길이 비는 박스구조물 높이(H = 250 mm)에 대해 연성인 경우 1.38, 강성인 경우 0.73이다.

제시된 연구결과에 의해 FLP의 침하 감소 효과를 입증하였고, 최적 길이 비를 산정하였다. 다만 본 연구에서 수행된 실내모형실험은 느슨한 사질토지반에서 진동에 의해 발생한 침하량으로부터 그 결과를 분석하였기에, 실제 현장에 합리적으로 적용할 수 있도록 침하량 분석 외 토압, 점성토와 같은 그 성질이 대별되는 조건의 지반, 지반조건에 따른 지하수 흐름을 고려하는 등의 다양한 조건에서의 실험이 더 수행되어 추가적인 연구가 필요하다.

Acknowledgements

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2018R1D1A1B07048553).

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