Evaluation of Minimum Depth Criterion and Reinforcement Effect of the Soil Cover in a Long-span Soil-steel Bridge

Soil-steel bridges are made of flexible corrugated steel plates buried in the well-compacted granular soil. One kind of possible collapses of these structures could be initiated by shear or tension failure in the soil cover subjected to vehicle loads. Current design codes provide the requirements for the minimum depth of the soil cover to avoid problems associated with soil cover failures. However, these requirements were developed for short span (less than 7.7 m) structures which are made of unstiffened plates of standard corrugation (150$\times$50 m). Numerical analyses were carried out to investigate the behavior of long span soil steel bridges according to thickness of the soil cover. The span of structures were up to 20 m and deep corrugated plates (381$\times$140 m) were used. The analysis showed that the minimum cover depth of 1.5 m could be sufficient to prevent the soil cover failure in the structures with a span exceeding 10 m. Additional analyses were performed to verify the reinforcement effect of the concrete relieving slab which can be a special feature to reduce the live-load effects. Analyses revealed that the bending moment of the conduit wall with a relieving slab was less than 20% of that without a relieving slab in a case of shallow soil cover conditions.

장지간 지중강판구조물의 최소토피고 평가 및 토피지반 보강에 대한 수치해석

주변의 뒷채움 흙과 파형강판 벽체의 상호작용을 통해 외력을 지지하는 지중강판구조물에서는 상부의 차량하중에 의해서 토피 지반에서 전단파괴, 또는 인장파괴가 발생하여 구조물의 파손이나 붕괴를 유발할 수 있다. 현재 적용 중인 설계기준들에서는 이를 방지하기 위하여 상부아치 위로 확보해야 하는 최소한의 토피 두께(토피고)를 규정하고 있으나, 이들은 표준형 파형강판으로 제작한 지간 7.7m 이하의 구조물에 대한 수치해석에 바탕을 두고 있으므로, 지간이 그 이상인 장지간 구조물에는 적용기가 어렵다. 이 연구에서는 원형 및 낮은 아치형 단면의 지중강판구조물에 대하여 강판 부재와 뒷채움 지반을 함께 모사한 수치해석을 실시하여 장지간 구조물에 대한 최소토피고의 크기를 분석하였다. 해석 결과, 현재의 시방기준은 장지간 구조물의 최소토피고를 과다산정하는 경향을 보였으며, 지간이 10m 이상일 경우의 최소토피고는 지간의 크기 및 단면형상에 관계없이 1.5m 정도로 나타났다. 최소토피고를 만족하지 못하는 경우에는 토피 지반에 활하중 분산효과가 뛰어난 콘크리트 보강 슬래브를 적용할 수 있는데, 원형 단면의 장지간 구조물에 대한 수치해석을 통해서 보강 슬래브가 토피 지반 위에 재하되는 활하중에 의한 강판 부재의 축력과 휨모멘트를 크게 감소시키는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 토피 두께가 기준에 미달하더라도 적절한 규격의 보강 슬래브를 설치하는 지중강판구조물은 기존의 절차에 따라 축력지배구조로서 설계 및 해석이 가능하다.