토목섬유보강 성토지지말뚝시스템에서의 지반아칭 = Soil arching in geosynthetic-reinforced and pile-supported embankment systems

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 연약지반의 측방유동을 합리적으로 억지할 수 있는 공법인 “토목섬유보강 성토지지말뚝시스템에서의 지반아칭”을 규명하였다.
먼저 캡보말뚝으로 지지된 성토지반에 아칭파괴가 발생하도록 모형실험을 실시하여 지반아치의 형상을 관찰하였다. 그리고 이에 대한 지식과 정보를 확장하여 단독캡말뚝에서의 3차원 지반아칭을 규명하는 모형실험을 실시하였다. 이와같은 지반아칭에 관한 모형실험을 통하여 토목섬유보강 성토지지말뚝시스템의 해석모델을 수립할 수 있었으며, 여기에 지반공학적 의미를 부여해 합리적인 이론해석법을 개발하였다.
제안한 이론해석법을 검증하기 위하여 성토지지말뚝시스템의 일련의 모형실험을 실시하였다. 모형실험결과를 해석결과와 비교할 경우 양호한 일치를 보여, 합리적인 이론해석법임을 증명하였다. 한편 모형실험 및 이론해석법과 병행하여 토목섬유보강 성토지지말뚝에 대한 수치해석을 실시하였다. 수치해석을 통하여 성토지지말뚝시스템에서의 역학적거동특성을 확립할 수 있었다.
토목섬유보강 성토지지말뚝시스템에서의 지반아칭에 관한 연구를 수행하여 얻은 결과를 정리하면 다음과 같이 요약할 수 있다. 성토지지말뚝시스템으로 지지된 성토지반은 성토고 및 말뚝간격에 따라 지반아칭파괴와 펀칭전단파괴가 발생한다. 지반아칭파괴는 말뚝캡보 사이의 간격에 비하여 성토고가 충분히 높은 경우에 발생하며, 캡폭을 두께로 하는 반원통형 아치형상으로서, 내부아치와 외부아치로 도시된다. 말뚝캡 상부지반은 좌우측 두 개의 외부아치의 영향이 중복되어 소성변형이 발생되지 않는 쐐기영역이 존재한다. 단독캡의 성토지지말뚝시스템에서는 돔형태의 3차원 지반아칭으로 설명할 수 있으며, 말뚝의 대각선방향이 단면인 지반아칭으로 해석할 수 있다. 토목섬유가 보강된 경우의 지반아칭은 토목섬유 무보강시의 지반아칭효과에 원호처짐형태의 토목섬유가 연약지반에 작용하는 성토하중을 말뚝으로 전이시키는 것으로 규정할 수 있다.
성토지지말뚝시스템의 하중전이효과는 효율을 통하여 정량적으로 평가할 수 있다. 효율은 일정한 말뚝간격비에서는 성토고가 증가할수록 비선형적으로 증가하여 이후 일정한 값에 수렴한다. 효율은 토목섬유의 인장강도와 연약지반의 탄성계수 등에 복합적으로 영향을 받는다. 모형실험 조건에서 토목섬유를 보강한 경우, 무보강시와 비교하여 말뚝의 효율을 4%?23% 가량 증가하는 것으로 나타난다.
토목섬유보강 성토지지말뚝시스템에 대한 이론해석법으로부터 산정한 효율은 모형실험에 의한 효율과 양호한 일치를 보이고 있다. 이론효율에서는 연약지반의 반력을 고려하지 않을 때의 효율이 가장 크게 나타난다. 지반반력을 고려하여 효율을 산정할 경우에는 토목섬유의 인장강도에 따라 효율에 차이가 발생한다. 이때에는 강성이 큰 토목섬유를 사용하면 하중전이가 커지므로 말뚝의 효율이 높아진다.
토목섬유보강 성토지지말뚝시스템의 수치해석 결과로부터 성토지반의 역학적거동특성을 파악할 수 있다. 성토가 진행됨에 따라서 주응력이 말뚝캡 방향으로 회전하며, 연약지반 상부에는 성토고가 증가함에도 주응력 방향에 큰 변화가 없다. 이러한 결과는 토목섬유보강 성토지지말뚝시스템에서의 지반아칭을 간접적으로 보여주고 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 토목섬유보강 성토지지말뚝시스템 4
• 1.2.1 성토지지말뚝시스템의 분류 5
• 1.2.2 지반아칭현상 6
• 1.3 연구목적 9
• 1.4 연구내용 10
• 1.5 참고문헌 13
• 제2장 성토지지말뚝시스템의 기존연구 고찰 15
• 2.1 개요 15
• 2.2 지반아칭의 이론적 연구 17
• 2.2.1 2차원 지반아칭 17
• 2.2.2 3차원 지반아칭 20
• 2.2.3 간편법 24
• 2.3 지반아칭의 실험적 연구 26
• 2.3.1 Bujang et al.(1993)의 모형실험 26
• 2.3.2 Low et al.(1994)의 모형실험 29
• 2.3.3 Horgan and Sarsby(2002)의 모형실험 30
• 2.3.4 Eekelen et al.(2002)의 모형실험 32
• 2.3.5 Chew et al.(2004)의 실물모형실험 34
• 2.4 지반아칭의 수치해석 36
• 2.4.1 Kempton et al.(1998)의 수치해석 36
• 2.4.2 Rogbeck et al.(1998)의 수치해석 40
• 2.4.3 Han and Gabr(2002)의 수치해석 41
• 2.5 성토지지말뚝시스템의 시공사례 44
• 2.5.1 태국의 Nakhon Sawan Highway (Homberg, 1979) 44
• 2.5.2 스코틀랜드 M9, M876도로 (Reid and Buchanan, 1983) 45
• 2.5.3 영국의 Stansted Airport (Jones et al., 1990) 47
• 2.5.4 독일의 철도제방 (Gartung and Verspohl, 1996) 49
• 2.6 참고문헌 52
• 제3장 성토지지말뚝시스템의 지반아칭에 관한 실험 55
• 3.1 연구개요 55
• 3.2 캡보말뚝으로 지지된 성토지반의 모형실험 56
• 3.2.1 모형실험장치 56
• 3.2.2 사용시료 61
• 3.2.3 실험계획 및 과정 64
• 3.2.4 모형실험결과 64
• 3.2.5 고찰 및 분석 69
• 3.2.6 요약 76
• 3.3 단독캡말뚝시스템으로 지지된 성토지반의 모형실험 77
• 3.3.1 모형실험장치 77
• 3.3.2 사용시료 84
• 3.3.3 실험계획 및 과정 92
• 3.3.4 모형실험결과 96
• 3.3.5 고찰 및 분석 118
• 3.3.6 요약 124
• 3.4 참고문헌 126
• 제4장 성토지지말뚝시스템에서의 지반아칭해석법 제안 127
• 4.1 캡보말뚝시스템의 지반아칭 이론해석법 127
• 4.1.1 지반아칭이론 127
• 4.1.2 펀칭파괴이론 136
• 4.2 단독캡말뚝시스템의 지반아칭 이론해석법 138
• 4.2.1 토목섬유 무보강시 지반아칭 이론해석 138
• 4.2.2 토목섬유 보강시 지반아칭 이론해석 142
• 4.3 지반아칭 이론해석법 고찰 150
• 4.3.1 해석단면 150
• 4.3.2 아칭파괴이론과 펀칭파괴이론 고찰 151
• 4.3.3 토목섬유 무보강시 해석결과 156
• 4.3.4 토목섬유 보강시 해석결과 158
• 4.3.5 기존 이론과의 비교 160
• 4.4 요약 162
• 4.5 참고문헌 164
• 제5장 성토지지말뚝시스템의 하중전이에 관한 실험 165
• 5.1 연구개요 165
• 5.2 캡보말뚝시스템의 하중전이 모형실험 165
• 5.2.1 모형실험장치 165
• 5.2.2 사용시료 168
• 5.2.3 실험계획 및 과정 169
• 5.2.4 모형실험결과 170
• 5.2.5 분석 및 고찰 171
• 5.2.6 요약 179
• 5.3 단독캡말뚝시스템의 하중전이 모형실험 180
• 5.3.1 모형실험장치 180
• 5.3.2 사용시료 180
• 5.3.3 실험계획 및 과정 182
• 5.3.4 모형실험결과 187
• 5.3.5 고찰 및 분석 198
• 5.3.6 요약 206
• 5.4 참고문헌 207
• 제6장 성토지지말뚝시스템의 지반아칭에 관한 수치해석 208
• 6.1 수치해석 개요 208
• 6.2 캡보말뚝시스템의 수치해석 208
• 6.2.1 해석단면 208
• 6.2.2 수치해석 계획 210
• 6.2.3 수치해석의 타당성 검증 212
• 6.2.3 수치해석 결과 및 분석 214
• 6.3 단독캡말뚝시스템의 수치해석 222
• 6.3.1 해석단면 222
• 6.3.2 수치해석 계획 223
• 6.3.3 수치해석의 타당성 검증 224
• 6.3.4 수치해석 결과 및 분석 226
• 6.4 요약 235
• 6.5 참고문헌 236
• 제7장 결론 및 제언 237
• 7.1 결론 및 요약 237
• 7.2 추후연구 제언 239
• 부록 240
• 국문초록 257
• Abstract 259