Journal of the Korean Geotechnical Society ISSN:1229-2427(Print) 2288-646X(Online) 한국지반공학회 논문집

PHC-W흙막이벽체와 결합된 지하증설벽체의 테스트베드를 구축중에 있다. 지하증설벽체의 제원을 결정하기 위하여 실대형 지하증설벽체의 핵심 부재를 제작하여 휨강도실험 및 전단강도실험을 실시하였다. 원형 PHC말뚝의 단면 형상을 개량하여 개발된 PHC-W 흙막이벽체를 건축물 지하벽체로 활용하기 위하여 합성증설벽체와 비합성증설벽체를 제작하여 휨강도 및 전단강도 실험을 수행하였다. 합성증설벽체와 비합성증설벽체에서 휨모멘트 강도 실험값 및 전단강도 실험값이 유사한 수준으로 나타났으므로 합성증설벽체 대신에 시공이 간편하고 비용이 절감될 수 있는 비합성증설벽체를 적용할 수 있다는 것을 확인하였다. 실대형 모형 증설벽체는 두께 200mm로 제작되었는데, PHC-W흙막이벽체와 결합된 지하증설벽체의 경우 동등 지하실 규모의 통상적인 지하벽체보다 두께를 100∼200mm 정도 절감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

테르쟈기는 트랩도어 처짐에 기반한 상부지반의 수직활동면을 가정한 2차원 아칭식을 제안하였다. 이후 관련 식은 3차원 터널굴착조건과 경사활동면을 고려할 수 있도록 확장되었다. 본 연구에서는 3차원 터널굴착조건에서 비등방 지반조건을 반영하여 터널 횡방향 및 종방향에서의 지반물성치 및 활동면의 경사각을 달리하여 고려할 수 있도록 더욱 확장된 아칭식을 유도하고 제시하였다. 제시된 식을 이용하여 다양한 조건(지반물성치, 경사활동면, 굴착조건, 상재하중, 토압계수)에서 발생되는 수직응력에 대해 조사하였고 테르쟈기의 2차원 아칭식과도 비교하였다. 조사결과, 발생 수직응력은 굴착폭 및 굴착길이, 경사각, 상재하중이 증가할수록 증가했고 점착력과 마찰각, 토압계수가 감소할수록 증가하였으며, 굴착길이가 작을 때와 횡방향 지반물성치에 의해서 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 테르쟈기 2차원 아칭식과 비교하여 발생 수직응력은 더 작은 것으로 나타났고 그 차이정도는 지반물성치, 경사활동면, 3차원 터널굴착 조건에 따라 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 제시된 3차원 아칭식은 터널굴착으로 인한 복잡한 아칭현상을 보다 잘 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

대구경북지역 셰일 및 이암은 다른 암석에 비해 강도가 낮고 풍화에 약하므로 이러한 암석의 포화상태나 균열 발달 정도가 강도에 미치는 영향에 대해 분석할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 대구경북지역 토목공사 현장에서 셰일 및 이암을 채취한 다음 흡수율, SEM, 화학성분, 내구성시험과 같은 기본 물성시험을 실시하였으며, 셰일에 비해 이암의 공극률(흡수율)은 31%(25%) 정도로 6(8)배 정도 높은 값을 보였다. 물에 쉽게 풀리는 이암의 경우 활성도가 높은 스멕타이트 군의 점토광물이 많이 포함되어 있는 것으로 나타났다. 채취한 암석을 소형 정육면체로 가공한 다음 일축압축시험을 실시하여 암석의 건조 및 포화 상태에 따른 일축압축강도를 비교하였다. 또한, 전자레인지를 이용하여 암석 공극 내 물을 가열시켜 내부에서 균열이 발생하도록 유도하였으며, 작동시간을 달리하여 내부 균열의 발생 정도에 따른 강도를 비교하였다. 건조된 셰일과 이암의 일축압축강도는 평균 62MPa, 11MPa이며, 이를 포화시키면 일축압축강도는 셰일은 평균 33MPa, 이암은 4MPa로 47% 및 64% 정도 감소하였다. 전자레인지로 15초 작동시켜 균열을 유발할 경우 포화 상태보다 셰일은 49%, 이암은 52% 정도 강도가 감소하였다. 20초 정도 작동 시 대부분의 암석이 여러 조각으로 파쇄되었으며, 이때 소형 암석 내부의 온도는 200도 정도였다.

본 연구에서는 매입말뚝 주면부의 하중전이 거동을 확인하기 위하여 14본의 강관매입말뚝에 대한 정재하시험을 수행하였다. 정재하시험을 통하여 하중-침하 곡선 및 축하중 분포를 계측하였으며, 그 결과 말뚝-지반 사이에서 발생되는 주면마찰력을 정량화 하였다. 이를 토대로 강관매입말뚝의 일반적인 하중전이곡선 형태를 도출하였다. 본 연구결과, 말뚝의 주면하중전이 거동은 연성과 취성파괴 두 가지 형태로 나타났다. 그 결과, 강관매입말뚝의 t-z 곡선을 쌍곡선(일수현상이 없는 경우)과 톱니 형태(일수현상이 있는 경우 또는 표준관입저항치, N≥50 인 풍화암 이상) 로 각각 제안하였다. 그때의 최대주면마찰력은 쌍곡선의 경우 지반의 N치 또는 암반의 일축압축강도, 톱니 형태의 경우 주입된 시멘트풀에 의해 형성된 쏘일-시멘트층의 일축압축강도의 영향을 받는 것으로 나타났다.

한계평형법 이론들을 사용하기 위해서는 극한 파괴 상태에서 나타나는 파괴 전단면을 찾아야 한다. 강도 감소법에서는 유한요소해석의 수치해가 일정 반복 횟수 이내에 수렴하지 못하는 시점을 극한 파괴 상태로 정의한다. 하지만 Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL)기법을 유한요소해석에서 사용하면 극한 파괴 상태에 도달하여도 수치해의 비수렴 상황이 발생하지 않으므로 이러한 정의는 사용하기 어렵다. 본 연구에서는 CEL 기법을 이용한 유한요소해석에서 지반의 극한 파괴 상태를 감지할 수 있는 객관적인 물리량 기준을 제시하였다. 비배수 조건의 연약지반이 연속기초 하중을 받는 경우 극한 파괴 상태에 해당하는 이론적 하중에서 소성 소산 에너지의 변화속도가 민감하게 변화함을 찾을 수 있었다.

본 연구는 측방이동으로 인한 구조물의 안정성에 영향을 주는 각 인자(성토 높이, 성토부로부터 지하매설물까지의 이격 거리, 연약지반의 깊이, 연약지반의 압축지수 및 팽창지수)별에 대한 합리적이고 경제성 있는 보강길이를 제시하였다. 이러한 결과들을 토대로 각 인자들의 영향 정도를 파악하고, 어떠한 인자가 측방이동에 가장 영향을 미치는가를 파악하였다. 유한요소 해석프로그램을 이용하여 연약지반 상에 성토가 이루어지는 경우의 단면을 모델링하여 해석을 수행하였으며, 연약지반의 보강은 심층혼합공법(DCM)을 이용하였다. 그 결과 성토 높이 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 9～50%, 연약지반 심도 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 13～30%, 성토부로부터 지하 매설물의 이격 거리 감소에 따른 보강길이의 증가율은 약 7～25%, 압축지수 증가에 따른 보강길이의 증가율은 약 3～25%로 나타났다. 또한 각 인자별로 서로에 대한 영향성을 분석하였다. 그 결과 연약지반 심도의 보강길이 최대 최소 기울기 비는 이격거리 변화에 큰 영향을 받았으며 이외의 인자들은 연약지반 심도의 변화에 따라 최대 최소 기울기 비가 큰 영향을 받았다. 한편 연약지반의 심도가 깊어질수록 성토높이에 따른 보강길이의 최대-최소기울기의 비는 3.75, 이격 거리에 따른 보강길이의 최대-최소기울기의 비는 4.3, 압축지수에 따른 최대-최소기울기의 비는 2.5로 나타났다. 이를 통해 세 개의 인자는 연약지반의 심도에 대한 영향을 크게 받는 것으로 확인되었다.

사면 구조물은 시간이 경과함에 따라 대상지반에서 각종 열화 현상이 진행되어 내구성의 저하로 인한 붕괴가 발생할 수 있으며, 사용 연한을 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 이러한 지반 열화에 따른 사면안정에 대한 접근방안은 지반의 물리적 특성 및 기하학적인 구조에 국한하여 분석하는 기존의 한계 평형 해석과는 또 다른 개념이라 할 수 있다. 본 연구에서는 사면의 열화 특성과 관련하여 각종 문헌 조사를 통하여 비교분석을 수행하고, 전단강도 저감에 대한 최적의 제안식들로서 지수함수, 로그함수 및 역쌍곡선 함수를 제시하고, 열화에 취약한 양산 단층대의 셰일층에서 붕괴가 발생한 경부고속철도 절토사면을 대상으로 사례분석을 실시하였다. 본 연구에서는 사례분석을 통하여 향후 열화로 인한 사면 안전성과 관련하여 정량적인 평가를 위한 최적의 강도 저하 곡선을 도출하고 한계평형해석에 의한 안정해석을 할 수 있는 접근 방법을 제시하였다.

볼트 수직이음 PHC말뚝 및 용접이음 PHC말뚝에 대한 휨강도시험을 실시하여 각 이음 PHC말뚝의 성능을 비교 분석하였다. 200N･m이상의 토크치로 체결한 볼트 수직이음 PHC말뚝에서는 가장 낮은 하중단계인 20kN에서도 볼트 수직이음구에서 좌우로 꺾인 변형 양상(직선 v형 라인)이 나타났으며 PHC말뚝 본체는 완전한 직선 형태를 유지하고 있었으므로 볼트 수직이음 PHC말뚝은 말뚝의 가장 중요한 성능인 일체화 거동을 하지 않았다. 체결토크가 풀린 즉, 20N･m의 토크치로 체결한 볼트 수직이음 PHC말뚝은 각 하중 단계에서 이음부위에 대하여 양쪽으로 대칭된 직선 V형 상태의 변위 양상을 나타내고 있었다. 각 하중 단계에서 하중 제거 시 이음말뚝은 하중 재하 전의 상태로 돌아가지 않았으므로 탄성 재료 거동을 나타내지도 않았다. 재하단계에 따른 이음부 변위 및 재하 하중 제거 후의 잔류 변위, 이음 PHC말뚝의 파괴하중 및 3가지 기본 성능 등을 비교한 결과 볼트 수직이음 PHC말뚝의 이음 품질은 용접이음 PHC말뚝의 이음 품질에 크게 미달하였다. 따라서 200N･m 이상의 토크치로 체결한 볼트 수직이음 PHC말뚝이나 체결토크가 풀린 볼트 수직이음 PHC말뚝은 이음말뚝의 기본 성능에 크게 미달하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 고화제를 이용하여 개량된 노상재료의 배합에 따른 공학적 특성과 지지력을 분석하기 위하여 실내 및 현장시험을 실시하였다. 노상토 개량에 고화제로 사용된 재료의 주성분은 CaO와 SO3이다. 고화제를 현장 토공재료인 저소성 점토(CL)와 혼합한 후 입도분포는 체 굵기가 커질수록 상대적으로 통과율이 낮아져 실트질 모래(SM)로 흙의 종류가 바뀌었을 뿐 아니라 소성지수와 수정 CBR 등의 공학적 특성이 노상토에 적합하게 개선되었다. 동일한 에너지로 다짐된 개량토의 다짐곡선으로부터 최대건조단위중량은 현장토 대비 약 6%가량 증가하고 최적함수비는 약간 감소하여 상당히 입도가 개선되었다. 실내 CBR 시험에서도 동일한 다짐에너지에서 적당량의 고화제를 투입한 개량토의 단위중량과 강도 증대효과가 현저히 크게 나타났다. 고화제 투입 후 조립분의 비율이 상대적으로 증가함으로 인하여 현장토 대비 초기다짐 시 팽창비가 3.3배 이상 감소되었고, 최종다짐 시에는 6.5배 이상 작게 나타났다. 시험시공이 이루어진 구간에서 일축압축강도는 설계강도 이상을 확보하면서 균질한 값을 유지하였다. 동일한 시공조건으로 현장에 적용한 후 확인시험 결과에서도 다짐 1일 후 시험한 6개소 모두의 지지력계수가 적절한 수준에서 목표값을 상회하고 그 변동성도 양호한 것으로 나타났다.

현장 시험 부지에서 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 볼트 수직이음 PHC말뚝에 대한 시험시공을 실시하고 시공중 건전성을 동재하시험으로 확인하고 시공 후 말뚝의 건전성을 직접 확인하였다. 그 결과를 분석하여 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 볼트 수직이음 PHC말뚝의 시공 중 건전성을 동재하시험의 건전도지수(β지수)로 평가할 수 있는지에 대하여 연구하였다. 이론적으로 말뚝 선단에 매우 인접하거나 선단끝단에서 발생하는 손상(특히 확장판 선단부착구 자체의 변형)은 시험기술의 특성상 건전도지수로 정확한 평가하는 데에는 한계가 있었다. 말뚝의 선단부에 바로 인접해서 발생하거나 말뚝선단 끝단에서의 손상을 PDA시험을 통하여 명확하게 평가하는 데에는 시험기술의 이론에 대한 고도의 지식과 경험이 요구되었다. 다른 볼트 수직이음구로 인하여 실질적인 1차원 파동전달이 용접이음에서와 다를 수 있다는 점, 타격에 의해 발생하는 응력파의 파장이 볼트 수직이음구 높이(약 100mm)보다 클 수 있다는 점, PDA 분석 기능 중 베타 프로세싱(Beta processing)이라는 기능 등이 매우 심도 있는 지식과 경험을 토대로 평가해야만 더욱 정밀한 판단이 이루어질 수 있다는 점 등을 종합적으로 고려할 때 일반적인 건전성 평가기술로 볼트 수직이음의 건전성을 평가하는 데에는 한계가 있었다.

수평하중에 대한 말뚝의 휨강도를 증대시키기 위해 얇은 두께의 강관 내부에 PHC말뚝을 합성한 콘크리트 충전 강관(PCFT)말뚝이 개발되었다. PCFT말뚝의 휨강도를 강관말뚝과 비교하기 위하여 직경이 동일한 PCFT말뚝과 강관말뚝에 대해 휨강도시험을 수행함과 동시에 한계상태설계법으로 P-M 상관도를 작도하였다. 그리고 PCFT말뚝의 하단에 PHC말뚝을 연결한 PCFT 복합말뚝의 수평지지력과 수평거동을 기존의 강관 복합말뚝(HCP) 및 강관말뚝과 비교하기 위하여 총 4본의 시험말뚝을 시공하고 수평재하시험을 수행하였다. 휨강도시험 결과 PCFT말뚝의 휨강도는 두께 12mm의 강관말뚝보다 18.7% 향상되었고, 동일한 휨하중에서 말뚝의 변위량은 강관말뚝보다 50% 감소하였다. 그리고 P-M 상관도로부터 연직하중을 받는 PCFT말뚝은 강관말뚝보다 휨내력이 크게 증가한 반면, 인발하중을 받는 PCFT말뚝은 강관말뚝보다 휨내력이 감소함을 알 수 있었다. 또한 시험말뚝에 대한 수평재하시험의 결과에 따르면 상부말뚝의 길이가 동일한 경우 PCFT 복합말뚝은 HCP보다 수평지지력이 60.5% 컸고, 두께가 12mm인 강관말뚝보다 35.8% 큰 것으로 나타났다.

교량, 터널 옹벽 등의 콘크리트 구조물에서 수행되는 손상 조사 및 검사 방법은 일반적으로 검사원이 현장에서 직접 측량 도구를 사용하여 시각적으로 검사하는 방법이다. 이 방법은 검사원의 주관성에 크게 의존하기 때문에 기록의 객관성과 신뢰성이 떨어지게 된다. 따라서 균열을 자동으로 탐지하고 균열 특성을 객관적으로 분석할 수 있는 새로운 이미지분석기법이 필요하다. 본 연구에서는 콘크리트 이미지에서 균열을 검출하고 특성(균열의 길이, 폭)을 분석하기 위한 딥러닝 및 이미지분석기법을 개발하였다. 균열 검출과 해당 균열의 특성을 얻기 위해 두 가지 단계의 방법이 제안되었다. 제안된 방법의 성능을 검증하기 위하여 라벨이 있는 다양한 균열 이미지가 사용되었으며, 균열 판단과 구획화에 대해 90% 이상의 정확도를 확인하였다. 최종적으로 실제 촬영된 균열 영상의 균열 특성을 분석하고 실제 측정치와 오차를 확인하여 개발된 기법의 성능을 검증하였다.