하천횡단 교량의 기초세굴 관리방안 도출 및 안정성 평가

국문 초록 (Abstract)

하천횡단 교량의 기초세굴 관리방안 도출 및 안정성 평가 최 현 철 (지도교수 : 고 준 영) 우리나라는 1960년부터 산업화의 영향으로 도로, 철도 등의 사회간접 자본(SOC)사업이 활발히 진행되었으며, 이는 국가 경제성장과 물류 이동 의 동맥역할을 수행해왔다. 그러나, 기상이변과 같은 자연재난과 함께 성 수대교(1994년) 및 삼풍백화점(1995년) 붕괴와 같은 대규모 사고는 시 설물 안정성 확보의 중요성을 일깨웠다. 이에『시설물 안전법』및『중처 법』등 관련 법령의 제정 및 개정이 지속적으로 추진되었다. 특히, 1989~2000년간 미국 내 교량 붕괴 사례에서 52%가 홍수와 하상 세굴 에 의한 것으로 조사되었으며, 국내에서도 여주 신진교(2010년)와 왜관 철교(2011년) 등의 붕괴가 세굴로 인해 발생한 바 있다. 본 연구에서는 세굴관리에 대한 첫 단계로 객관적인 데이터 확보를 할 수 있도록 노력하였다. 현재 하천횡단 교량기초의 세굴안정성 평가를 위 한 수중점검은 수중잠수사(토목 비전문가)의 정성적인 평가로 진행되어 왔으나, 수중촬영 사진은 세굴위치를 구분하지 못하고, 소나(Sonar)측정 은 객관적으로 성과물 판독이 어려워 세굴 진행상황을 예측하기 어려웠다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 측량기술 등(GPS, 음향측심기) 첨단 기술을 활용하여 하천에 설치된 교량 하상지표면을 간접적으로 측정하였 다. 측량장비 등에 대한 데이터 검증으로 인력 수중잠수부가 동일시간대에 수심을 측정하여 그 차이를 비교하였으며, 이렇게 검증까지 마친 데이터 (좌표 및 수심)를 활용해 3D로 하상지표가 구현이 되는 3D 하상지도 제 작 S/W를 개발하였다. 이렇게 제작된 3D 하상지도를 활용해 현재 국부세굴이 발생되고 있는 교각의 위치 및 최대세굴량을 알아낼 수 있었으며, 준공 후 공용기간(yr) 을 고려하여 연평균 세굴량(m/yr)을 산출하였다. 그 결과 연구대상 교량 의 향후 세굴에 대한 안정성 대책을 마련해야 하는 시기를 추정할 수 있 었다. 본 연구에서 세굴에 따른 교량 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램을 이용하여 매개변수 연구를 수행하였다. 분석결 과, 세굴 각도와 깊이가 증가할수록 주요 부재력에서 비대칭성이 뚜렷하 게 나타났으며, 기초 폭이 넓어질수록 구조적 안정성이 개선되는 경향을 확인하였다. 특히, 30°세굴 조건에서 부재력 및 변위 변동이 두드러지게 나타났으며 이는 구조적 안정성 평가에서 중요한 지점임을 시사한다. 본 연구 대상 하천횡단교량의 유수방향(교축직각방향)에 대한 세굴 분석결과 오목형 세굴이 72개소(50%), 볼록형 세굴이 49개소(34%), 편측 세굴이 24개(16%)소로 조사되었으며, 세굴각도는 3~24°의 분포를 보였다. E 교 P4의 경우 안정성의 한계각도를 분석한 결과 37°를 초과하는 경우 불안정한 상태를 보이는 것으로 판단되었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 향후 유지관리시 편측 세굴각도가 37°를 초과할 경우에는 세굴피해 예 방을 위한 보수·보강대책일 필요할 것으로 사료된다. 3D 하상지도 기술을 활용한 세굴 상태 모니터링은 교량 기초의 세굴 진행 상황을 정량적으로 평가하는 데 효과적임을 입증하였으며, 이를 통 해 세굴 심화로 인한 구조적 위험성을 사전에 예측하고 대책을 마련할 수 있었다. 본 연구의 결과는 교량 설계 기준과 유지관리 전략 개선에 중요 한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구목적 1
• 2. 연구방법 5
• Ⅱ. 이론적 고찰 및 연구동향 8
• 1. 교량 세굴 개요 8
• 1.1. 총 세굴 8
• 1.2. 세굴의 종류 9
• 2. 고속도로 구조물에서의 세굴 방지 설계 16
• 2.1. 설계에 의한 세굴 저감 16
• 2.2. 교량 설계시 고려사항 18
• 3. 세굴 취약 교량에 대한 유지관리 22
• 3.1. 세굴대책 구성요소 22
• 3.2. 필터 23
• 3.3. 사석 26
• 3.4. 격납 용기 28
• 3.5. 요약 30
• 4. 국내 연구동향 31
• 4.1. 하천 등을 횡단하는 도로교량 설계 31
• 4.2. 수중기초 세굴에 대한 유지관리 32
• 5. 국외 연구동향 36
• 6. 소결 38
• Ⅲ. 유지관리단계 수중기초 점검기준 및 현 상황 39
• 1. 법령 기준 (시설물 안전법) 39
• 2. 세굴 안전성 평가 41
• 3. 하천횡단 교량 수중점검 개요 46
• 4. 경부선 (가)교 수중점검 실태조사 47
• 4.1. 외관조사 48
• 4.2. 하상상태 조사 50
• 4.3. 현장조사 결과 54
• 4.4. 소결 54
• 5. 평택제천선 (나)교 수중점검 실태조사 55
• 5.1. 외관조사 56
• 5.2. 하상상태 조사 57
• 5.3. 현장조사 결과 60
• 5.4. 소결 60
• 6. 서해안선 (다)교 정밀안전진단 수중점검 실태 비교분석 61
• 6.1. 개요 61
• 6.2. 성과품 비교 62
• 6.3. 소결 64
• Ⅳ. 하천횡단 교량의 기초세굴 관리방안(3D 하상지도 중심) 65
• 1. 개요 65
• 2. 3D 하상지도 제작을 위한 대상교량 현황 68
• 2.1. 중부내륙 고속도로 A교 설계현황 69
• 2.2. 남해 고속도로 C교 설계현황 72
• 2.3. 중부내륙 고속도로 D교 설계현황 75
• 2.4. 부산외곽 고속도로 E교 설계현황 79
• 3. 3D 하상지도 교량기초(구조물) 초기치 설정 81
• 4. 음향측심기를 활용한 수중측량 및 검증 82
• 5. 3D 하상지도 결과 분석 92
• 6. 소결 101
• Ⅴ. 하천횡단 교량 안정성 평가 및 수치해석 102
• 1. 개요 102
• 2. 수치해석 검증 방법 102
• 3. 수치해석 모델링 및 결과 105
• 4. 영향인자 분석을 통한 교량 안정성 검토 107
• 4.1. 기초조건에 대한 영향분석 115
• 4.2. 말뚝조건에 대한 영향분석 119
• 4.3. 세굴에 따른 기초조건 변화에 대한 영향분석 123
• 4.4. 세굴에 따른 말뚝조건 변화에 대한 영향분석 133
• 4.5. 극한 세굴조건에 대한 분석 143
• 4.6. 좌/우측 말뚝에 대한 분석 147
• 5. 소결 149
• Ⅶ. 결론 150
• 참고문헌 153
• ABSTRACT 155
• 부 록 158