최근에 FRP보강 그라우팅 공법이라 불리는 보강공법이 터널 및 절취사면의 지반보갓 분야에 도입되어 적용이 확대되고 있다. FRP관은 부식 및 화학적 내성이 우수하고 무게에 비하여 강도가 우수하여 취급이 용이하여 기존의 터널 보강재인 강재의 좋은 대체품이 될 수 있다. 그러나 FRP관이 터널의 막장 및 천단부의 보강재로서 적용성을 입증하기 위해서는 보강재 및 보강지반에 대한 역학적 강도특성이 명확하게 평가되어야 한다. 따라서, 본 논문은 지반보강 메카니즘을 고려한 FRP관을 이용한 그라우트체 및 그라우팅 보강지반에 대한 전단특성을 평가하기 위하여 실내에서 그라우트체에 대한 양면 전단시험과 보강지반에 대한 직접전단시험을 실시하였다. 시험결과 FRP 그라우트 보강지반의 전단저항은FRP관의 전단강도에 크게 의존하며 FRP그라우트체의 자체 전단저항은 어느 정도 전단변위가 커진 후에 발휘되는 것으로 확인되었다.
연약지반 상부에 건설되는 구조물의 연약지반 보강에 사용되는 토목섬유의 하나인 지오셀은 평면형태의 지오그리드 보강재와는 다르게 3차원 형태로 제작된 토목섬유 단위 셀(Cell)안에 조립토를 채워 보강하는 시스템으로 종래의 지반보강을 위해 사용되는 지오그리드에서 한 단계 더 진전된 것으로서 삼차원 형태로 제작된 복합재를 이용하여 지반의 강도 및 지지력을 증가시키는 방법이다. 본 논문에서는 지반의 지지력을 증가시킬 수 있는 지오셀 시스템에 대한 지지력 메카니즘을 분석하기 위하여 모형토조를 이용한 평판재하시험을 실시하였고 본 실험을 통하여 지오셀 보강 유 무, 층수와 지오셀 형상에 따라 얕은 기초의 지지력과 연직변위에 미치는 영향을 분석였다.
네일(또는 락볼트)은 토사터널의 NATM 시공 시 보강재로 사용되어진다. 그러나, 네일의 적절한 설치방법이 아직까지 정립되지 않았다. 본 연구에서는 네일의 길이와 위치를 변화하여, 그 효용성을 연구하였다. 그 결과, 네일이 지반보강을 위하여 토사지반에 사용될 시 경제적인 길이는 터널직경의 0.5배이다. 보강의 효용성은 네일의 위치에 따라 터널라이닝 측벽의 하부, 중부, 상부의 순서이다.
일반적으로 사용되는 비탈면 보강공법은 중력식 혹은 가압식 네일링, 앵커 등이 있다. 이들 공법은 주입재 주입압력이 중력식무압 혹은 낮은 압력의 가압에 의한 것으로서, 실제로 단층파쇄대, 붕적층, 이완 및 절리 등이 발달한 지반에서는 일정압력의 가압주입에 의한 지반보강과 보강재에 의한 네일링 효과를 동시에 기대해야 한다. 본 사례에서는 가압주입의 효과를 높이기 위해 보강구간을 일정한 간격으로 나누고 구간별 별도의 주입펌프를 연결하여 보강길이 전구간을 동시에 주입하는 멀티패커시스템(MPS)공법을 소개하고자 한다.
뿌리말뚝을 이용하여 기초 지반을 보강할 때 효과적인 배치 방법을 알기 위하여, 사질토 지반에서 R.H. Bassets와 N.C. Last가 제안한 보강패턴에 대하여, 말뚝 길이, 기초 길이 방향의 말뚝 간격과 말뚝 열의 수를 변화시키며 물리 모형 실험을 실시하였다. 모형 실험 결과에 의하면, 뿌리말뚝 길이와 기초 폭의 비($L_p/B_f$)가 5이상일 때 지지력은 거의 증가하지 않는다. 그리고 기초 길이 방향의 말뚝 간격이 작을수록 지반 보강 효과는 크지만, 기초 길이,방향의 말뚝 간격이 말뚝 직경의 약 6배일 때 말뚝 1개당 보강효과가 가장 좋았다. R.H. Bassett와 N.C.Last가 제안한 보강패턴에서 둘째열 말뚝의 보강 효과가 가장 우수하였으며, 가장 바깥 열의 말뚝은 보강 효과가 거의 없었다.
폐타이어는 높은 인장저항력으로 인하여 지반보강에 사용될 수 있을 뿐 아니라 재활용시 대량처리에도 효과적이다. 폐타이어를 지반보강재로 사용하기 위하여 타이어 트레드만을 이용한 트레드매트를 제작하였다. 현장에서 화강풍화토지반을 조성하여 트레드매트의 보강효과를 알아보기 위하여 트레드매트와 상업용 지오그리드 각각에 대한 평판재하시험을 수행하였다. 그리고 지반보강재 인접 지반에서의 응력과 변형을 알아보기 위해 수치해석을 수행하였다. 트레드매트는 상업용지오그리드 못지 않은 지반보강효과를 나타내었다. 유한요소해석결과 지반보강재 바로 밑에서 응력의 현저한 감소를 나타내었으며 보강재로 인한 응력분포를 확인할 수 있었다. 최종적으로 폐타이어의 대량처리를 위한 수단으로 지반보강을 위한 트레드매트의 사용이 제안되었다.
다양한 방식으로 제작된 유리섬유 강화 플라스틱관(FRP pipe)의 인장 및 휨강도 시험 결과로부터 제작방식에 따른 FRP관의 강도 특성을 비교 검토하였다. 또한, 사면보강대책으로서 FRP 그라우팅 공법의 현장 적용성을 평가하기 위하여, FRP 그라우팅에 따른 지반강도의 증진효과 및 보강재의 인발저항력을 산정하였다. 이를 위하여, 지반의 상대밀도 및 구속압에 따른 보강재 인발저항력의 변화 및 압력주입에 의한 확공효과 평가를 위하여 실내모형실험이 이루어졌다. 또한, FRP 그라우팅이 시공된 현장에서 공내재하시험, 투수시험, 그리고 시추공전단시험 등을 실시하여 FRP 그라우팅에 의한 지반보강 효과 및 차수효과를 정량적으로 산정하였다.
본 연구는 단독말뚝 또는 군말뚝 형태의 기초 하부를 터널이 근접통과할 경우 말뚝의 거동을 파악하기위해 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 이때 터널과 말뚝기초 사이의 지반보강 조건별로 수치해석을 수행하여 결과를 분석하였다. 수치해석에서는 터널굴착으로 인해 유발된 말뚝침하, 축력, 전단응력 및 터널 주변지반의 전체변위를 고찰하였다. 단독말뚝의 두부침하는 지반보강의 범위가 가장 넓은 경우 지반보강을 고려하지 않은 말뚝에 비해 약 16% 감소하며, 말뚝의 최대 축력 또한 지반보강을 고려하지 않은 말뚝에 비해 약 30% 감소하는 것으로 분석되었다. 터널굴착에 따른 말뚝의 거동은 지반보강길이 (종방향 보강)보다는 보강각도(횡방향 보강)에 대해 더 크게 영향을 받는 것으로 분석되었다. 한편 오직 기초판 보강만을 실시한 군말뚝의 경우 선단부근 지반의 변위는 보강을 고려하지 않은 조건의 지반 변위와 비슷하게 나타났다. 이에 비해 말뚝두부에서는 기초판이 말뚝을 크게 구속하여 타 조건 말뚝의 경우에 비해 말뚝상부에서 축력이 약 2.5배 증가하는 것으로 분석되었다. 본 연구를 통해 보강조건에 따른 단독말뚝 및 군말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자를 심도 있게 고찰하였다.
본 연구에서는 국내외에서 널리 사용되고 있는 액상화 보강 및 지반 보강 공법들에 대해 공법 특성별로 검토하고, 각 보강방안의 경제성 및 보강효과를 분석하였다. 또한 분석 결과를 바탕으로 신설구조물 및 기존구조물의 액상화 보강시 적절한 보강 방안 적용성 평가를 수행하였다. 보강방안 별 경제성, 보강효과를 바탕으로 보강 방안의 적용성을 평가한 결과, 신설 구조물의 보강시에는 대형장비를 적용하여 시공성이 확보되는 다짐계열 공법이 유리하며, 기존 구조물에서는 저유동성 몰탈 주입공법(C.G.S공법) 및 고압분사공법(J.S.P공법)의 적용이 적절할 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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