요약

연약토 개량으로 고속도로 교량 파일 기초의 측방 저항을 증가시키기 위한

설계지침

이 연구의 목표는 교량기초의 저항을 증가시키기 위한 토질개량방법의 실행가능성을 결정하고 증가된 저항을 예측하기 위한 간단한 설계 접근방법을 개발하는 것이다. 교량기초의 측방저항은 종종 고속도로를 설계할 때 중요한 구성요소이다. 횡하중은 지진, 바람, 파 활동, 선박충돌, 교통에 의해 생겨날 수 있다. 그 기초설계자는 기초의 수평지지력이 기둥에서 전달되는 측방수요를 능가한다는 것을 입증해야만 한다. 새로운 기초의 수평지지력이 불충분할 때, 설계자는 대개 교량말뚝의 수나 직경을 증가시킨다. 기존 교량기초에 대해서, 측면저항을 증가시키기 위해 추가적인 말뚝, 현장타설 말뚝이나 마이크로파일이 추가된다. 더구나, 확장된 파일 캡이나 연결보는 기존 파일그룹에 새로운 파일을 구조적으로 연결하는데 종종 필요하다. 이러한 구조적 접근방법이 요구되는 측면저항을 제공하지만, 그들은 또한 상대적으로 비용이 많이 들고 시간이 소비된다. 한 대안적인 접근은 기초 토양 주변의 강도와 강성을 증가시키기 위해 토질개량기술을 사용해서 파일그룹의 측면저항을 증가시키는 것이다. 새로운 건설을 위해서, 토질개량기술은 파일 캡 구역 아래 전체토양부지에 대해 쉽게 시행될 수 있으며 외주부 파일에서 여러 파일직경을 측면으로 확대할 수 있을 것이다. 기존 기초의 보강을 위해서, 토질개량은 파일그룹의 외주 부를 더 쉽게 이루어낼 것이지만, 초고압분사주입공법과 같은 일부 기술들 또한 파일 캡 구역 아래 부지를 다룰 수 있을 것이다. 일반적으로, 토질개량은 단지 10에서 20피트 범위의 비교적 얕은 깊이에서 확대될 필요가 있을 것이다. 측면파일그룹저항을 증가시키기 위한 지반개량능력을 평가하기 위해서, 총16가지의 실제크기의 측면하중시험이 혼합토, 초고압분사주입공법, 다짐된 모래로 대체, 유동성 채움재로 대체, 짧은 쇄석다짐말뚝으로 대체를 포함하는 지반개량방법을 사용한 후 연질점토 내에 있는 파일그룹에 대해 시행되었다. 그 실험에서 교량기초의 측면저항에서 현저한 증가가 비용절감을 위한 잠재성을 가진 토질개량기술로 성취될 수 있다는 사실이 명백히 증명되었다. 일반적으로 연질점토를 개량할 때 가장 큰 이점을 보게 될 것이지만, 산사(느슨한 모래)에서도 현저한 개량이 가능하다. 연점토를 굴착해서 그것을 다짐된 알갱이 조립지반재료와 대체하는 것이 측면파일토양저항 뿐만 아니라 파일 캡에 대한 측면수동저항력을 증가시킨다. 측면저항의 일반적 증가는 10%에서 50%이며, 이것은 강도의 차이가 가장 클 때 발생하는 가장 높은 증가 수치이다. 다짐조립지반재료는 지표아래에서 파일직경5배 그리고 알갱이토양의 완전한 측면저항을 얻기 위해서 파일의 표면을 넘어 파일직경 10배로 확대해야 할 것이다. 혼합토와 초고압분사주입공법과 같은 지반개량기술로 100에서 600 psi의 원래의 압축강도로“소일크리트”시멘트 구체를 만들 수 있다. 현저한 지반개량으로 파일그룹 주변부에서 소일크리트 벽을 얻을 수 있다할 지라도, 그 소일크리트 블록은 캡 아래 파일그룹전체를 능가할 때 가장 효과적이다. 실제규모의 측면하중시험을 하는 동안, 파일 캡 아래 초고압분사주입공법으로 미처리 점토에서 280kips의 측방저항과 비교해서 500kips(160%)까지 측방저항이 증가했다. 소일크리트 벽은 미처리 조건과 연관되어 400kips(185%) 및 170kips(60%)의 증가를 보인 한 파일그룹에 인접한 초고압분사주입공법과 혼합토에 의해 생산되었다. 측방하중 하에서 소일크리트 지역은 파일-토질저항성을 증가시키기보다는 블록으로서 움직이는 경향이 있고 블록후면에 대한 수동저항력과 블록측면에 대한 부착력에서 측방저항을 증가 발전시키는 경향이 있다. 이러한 측방저항은 깊이제한에 대한 설명에 일부 조정이 된 비 배수 상태 하에서 수동저항력과 측전단에 대한 기본적인 토질역학 원리를 이용해서 계산할 수 있다. 수많은 분석에서 약 10피트 보다 더 큰 소일크리트 블록깊이는 파일 캡에서 1.5인치의 측면변위제한에 대한 한계 증가 혜택을 제공할 것이라는 사실을 제시하고 있다. 또한 소일크리트 블록의 측면저항이 소일크리트 강도에 비해 비교적 둔감하다는 것을 보여주고 있다. 그러므로 100psi 보다 더 큰 압축강도를 생산할 수 있는 토질개량기술이 실질적인 목적을 위해 환전할 수 있다. 전단계산은 최소한의 강도요건을 점검하기 위해 사용될 수 있다. 시멘트 블록 또한 연질점토를 굴착해서 그것을 유동성 채움재로 대신함으로써 효율적으로 만들어질 수 있다. 유동성 채움재는 말뚝 박기 전에는 파일 캡 아래에 놓을 수 있고 말뚝 박은 후에는 파일그룹의 주변에 놓을 수 있다. 토양 내 처리와 비교해서, 굴착 후 안정된 굴착을 유지하는 것이 필요한데, 굴착은 연질점토에서 어려울 수 있다. 또한 이 연구에서 유동성 채움재의 변함없는 압축강도를 얻는 문제에 접해있다. 게다가, 처리 2년 후 시험에서 시험편의 강도저하를 보여주었다. 실제크기의 현장시험 및 유한요소법분석은 파일 캡에 인접한 조 밀도의 압축 알갱이 지반지역의 배치나 느슨 모래의 교대는 그 캡에 의해 제공된 측방수동저항력을 크게 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 그 조 밀도지역의 폭이 캡의 높이와 같을 때, 그 수동저항력은 그 캡 높이의 약 4배까지 넓히는 동일한 밀도의 되메움재를 얻을 수 있는 약 60%까지 증가되었다. 되메움폭, 조밀한 모래지반 마찰각, 느슨 모래 마찰각의 기능으로서 수동저항력의 퍼센티지를 계산하기 위해서 보편적인 방정식을 사용할 수 있다. 간단한 비용비교로 지반개량기술은 단순히 더 많은 파일을 박고 파일 캡을 확장함으로써 얻을 수 있는 것 보다 비용이 훨씬 더 적게 들어가는 선에서 증가된 측면파일그룹저항력을 생산하는 잠재력을 가지고 있다는 사실을 나타내고 있다. 비용이 장소에 따라 다양할 것으로 예상되지만, 이러한 결과는 엔지니어가 비용효과적인 기초해결책을 내놓기 위해 그들의 전력을 다하는 노력의 일부로서 이러한 대체 안을 조사해야만 할 것이다.

제 1 장

소개

교량기초의 측방저항은 종종 고속도로를 설계할 때 중요한 구성요소이다. 횡하중은 지진, 바람, 파 활동, 선박충돌, 교통에 의해 생겨날 수 있다. 실제로, 교량기초설계는 종종 교량기둥의 하중요구에 의해 지배된다. 파일의 크기와 수, 파일그룹레이아웃은 서비스 수준 모멘트, 전단, 축방향하중, 기둥소성힌지 메카니즘에 의해 유발된 모멘트 요구에 저항하기 위해 설계되었다. 그 기초설계자는 기초의 수평지지력이 기둥에서 전달되는 측면요구를 능가한다는 것을 입증해야만 한다. 기초의 측면능력이 불충분할 때, 설계자는 그 기초의 측면저항력을 증가시키기 위한 전략을 개발한다. 이러한 전략에는 대개 수동저항력을 증가시키는 파일 캡을 두껍게 하거나 파일의 수나 직경을 늘리는 것이 포함된다. 기존 교량기초의 측면저항력이 불충분하다는 것이 발견되면, 측면저항을 증가시키기 위해 추가적인 말뚝, 현장타설 말뚝이나 마이크로파일이 추가된다. 더구나, 확장된 파일 캡이나 연결보는 기존 파일그룹에 새로운 파일을 구조적으로 연결하는데 종종 필요하다. 이러한 구조적 접근방법이 요구되는 측면저항을 제공하지만, 그들은 또한 상대적으로 비용이 많이 들고 시간이 소비된다. 한 대안적인 접근은 토양 주변의 강도와 강성을 증가시키기 위해 토질개량기술을 사용해서 파일그룹의 측면저항을 증가시키는 것이다. 지반개량방식에는 (1) 파일 캡의 수동저항력과 (2) 기초파일의 측면저항력을 증가시키는 잠재성이 있다. 개량된 지역은 잠재적으로 비교적 얕을 수 있는데 그것은 파일의 측면저항력이 보통 5에서 10배의 파일직경 내로 이동되었기 때문이다. 비록 토질개량기술이 비용에 있어서 효과적이고 공기를 단축시킨다는 잠재성이 있지만, 이러한 접근의 실질적인 효과성을 평가하도록 엔지니어에게 지침을 주기 위해 시행된 관련시험은 거의 없다. 게다가, 이러한 접근방법을 평가하기 위한 수치를 나타내는 모델도 확인되지 않았다.

결과적으로 파일 주변의 개량되었던 지역에서 토양에 파일기초를 설계하기 위해 이용할 수 있는 어떠한 절차도 없다. 이러한 이유로, 측면파일그룹저항력 증가를 위한 토질개량방식이 실제로 드물게 시행되었다. 파일기초가 새로운 기초인지 기존의 기초인지에 따라 두 가지의 상이한 개량계획을 사용할 수 있다. 새로운 파일기초를 위한 토질개량은 그것이 다양한 기술을 사용해서 파일을 설치하기 전에 발생할 수 있기 때문에 비교적 직접적이다. 측면파일강성은 대개 중요한 토질-파일 상호작용 지역 내의 토질강성에 영향을 받는데, 대부분의 열악한 지역에서는 대략 지표에서 4에서 5배까지의 파일직경 깊이이다. 이 경우에 토질개량은 파일 캡 흔적 내에서 전체토양블록에 대해서 수행될 수 있으며, 외주부 파일에서 측면으로 약 3에서 4배까지 그리고 그림 1-1에서 설명하듯이 수직으로 파일직경 약 4에서 5배까지를 확장할 수 있다.

이 경우에, 모든 파일은 개량된 토양에 위치시킬 수 있으며 증가된 저항력은 상당히 클 수 있다. 기존 파일기초의 경우에, 토질개량은 그림 1-2에서 보여 지듯이 내부 파일에의 실제적인 접근 때문에 자주 파일그룹의 외주부에 한정될 것이다. 이 경우에, 증가된 측방저항력은 그 그룹의 가장자리에서 파일에 응집될 수 있고, 내부 파일을 위해 발생할 수 있는 어떠한 증가도 거의 없다. 대신에 그 기초 하에서 토질은 새로운 기초를 위해 또는 심지어 초고압분사주입공법과 같은 기술로 기존의 기초를 개량할 수 있다. 기초하의 토질개량은 그 개량이 내부 파일에 이를 것이기 때문에 외주부 주변을 단지 개선하는 것 보다 더 큰 측면저항력 증가 생산을 위한 잠재성을 가지고 있을 것이다. 게다가, 파일기초 주변에서 시멘트 “소일크리트”지역을 만들어내는 과정이 증가된 구조적 강성을 지닌 보강된“초강력 파일”처럼 작용할 지역을 잠재적으로 생산할 수 있을 것이다.

제2장. 이용 가능한 지반개량 사례 경험 및 접근

제3장. 현장 재하시험의 유한요소 모델링

제4장. 단항재하시험의 유한요소 모델링

제5장. 군항재하시험의 유한요소 모델링

제6장. 변수연구

제7장. 단순화 모델 개발

제 8 장

결론

논문검토의 결과, 실제규모의 현장시험, 수치분석, 그리고 마지막으로 간략하게 정리된 분석을 근거로, 다음의 결론을 내렸다.

1. 토질개량기술로 교량기초의 현저한 측방저항력 증가를 달성할 수 있다. 대개 연 점토를 개량할 때 가장 큰 헤택을 볼 수 있었지만, 느슨한 모래에서도 상당한 토질개량이 가능할 수 있다.

2. 연질점토를 굴착해서 그것을 다짐된 조립 지반재료와 대체하는 것이 측면파 일 토질저항 뿐만 아니라 파일 캡에 대한 측방수동저항력을 증가시킨다. 측방저항 의 일반적 증가는 10%에서 50%이며, 이것은 강도의 차이가 가장 클 때 발생하는 가장 높은 증가 수치이다. 다짐조립지반재료는 지표아래에서 5파일직경 그리고 알갱이토양의 완전한 측면저항을 얻기 위해서 파일의 표면 아래로 10배 파일직경까지로 확장해야 할 것이다.

3. 혼합토와 초고압분사주입공법과 같은 지반개량기술로 100에서 600 psi의 원래의압축강도로“소일크리트”시멘트 양을 만들 수 있다. 현저한 지반개량으로 파일 그룹 주변부에서 소일크리트 벽을 얻을 수 있다할 지라도, 그 소일크리트 블록은 캡 아래 파일그룹전체를 능가할 때 가장 효과적이다. 실제규모의 측면하중시험을 하는 동안, 파일 캡 아래 초고압분사주입공법으로 미처리 점토에서 280kip의 측면 저항과 비교해서 500kips(160%)까지 측면저항이 증가했다. 소일크리트 벽은 미처리 조건과 연관되어 400kips(185%) 및 170kips(60%)의 증가를 보인 한 파일그룹에 인접한 초고압분사주입공법과 혼합토에 의해 생산되었다.

4. 측면하중 하에서 소일크리트 지역은 파일-토질저항성을 증가시키기보다는 블록 으로서 움직이는 경향이 있고 블록후면에 대한 수동저항력과 블록측면에 대한 부 착력에서 측면저항을 증가 발전시키는 경향이 있다. 이러한 측면저항은 일부 조 정이 된 비 배수 상태 하에서 수동저항력과 측전단에 대한 기본적인 토양역학 원 리를 이용해서 계산할 수 있다. 수많은 분석에서 약 10피트 보다 더 큰 소일크리 트 블록깊이는 파일 캡에서 1.5인치의 측면변위제한에 대한 제한 증가 혜택을 제공할 것이라는 사실을 제시하고 있다.

5. 시멘트 블록 또한 연질점토를 굴착해서 그것을 유동성 채움재로 대신함으로써 효율적으로 만들어질 수 있다. 유동성 채움재는 말뚝박기 전에는 파일 캡 아래에 놓을 수 있고 말뚝박은 후에는 파일그룹의 주변에 놓을 수 있다. 토양 내 처리와 비교해서, 굴착 후 안정된 굴착을 유지하는 것이 필요한데, 굴착은 연질점토에서 어 려울 수 있다. 또한 이 연구에서 유동성 채움재의 변함없는 압축강도를 얻는 문 제에 접해있다. 게다가, 처리 2년 후 시험에서 시험편의 강도저하를 보여주었다.

6. 수치분석에서 소일크리트 블록의 측면저항이 소일크리트 강도에 비해 비교적 둔 감하다는 것을 보여주고 있다. 그러므로 100psi 보다 더 큰 압축강도를 생산할 수 있는 토질개량기술이 실질적인 목적을 위해 완전할 수 있다. 전단계산은 최소 한의 강도요건을 점검하기 위해 사용될 수 있다.

7. 실제크기의 현장시험 및 유한요소방식분석은 파일 캡에 인접한 좁은 밀도의 압 축 알갱이 지반지역의 배치나 산사의 교대는 그 캡에 의해 제공된 측면수동저항 력을 크게 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 그 좁은 밀도지역의 폭이 캡의 높이와 같을 때, 그 수동저항력은 그 캡 높이의 약 4배를 넓히는 동일한 밀도의 되메움 재를 얻을 수 있는 약 60%까지 증가되었다. 되메움폭, 조밀한 모래지반 마찰각, 산사 마찰각의 기능으로서 수동저항력의 퍼센티지를 계산하기 위해서 보편적인 방정식을 사용할 수 있다.

8. 간단한 비용비교로 지반개량기술은 단순히 더 많은 파일을 박고 파일 캡을 확장 함으로써 얻을 수 있는 것 보다 비용이 훨씬 더 적게 들어가는 선에서 증가된 측 면 파일그룹저항력을 생산하는 잠재력을 가지고 있다는 사실을 나타내고 있다. 비용이 장소에 따라 다양할 것으로 예상되지만, 이러한 결과는 엔지니어가 비용 효과적인 기초해결책을 내놓기 위해 그들의 전력을 다하는 노력의 일부로서 이러 한 대체 안을 조사해야만 할 것이다.