1. 서론

일본에서 발생한 2007년 Nigata지진에서는 발전소 내부 도로의 균열, 침하, 융기, 노면침하에 의한 지중배관 덕트의 단차 등으로 도로변형이 발생하여 긴급 상황에서 도로이용이 불가능하였다. 2011년 동일본 태평양지진에서도 발전소 구내 도로에서 액상화에 따른 변형에 의한 잔류경사, 침하, 배수구배 미확보 등의 피해가 조사로 확인 되었다.

액상화가 예상되는 지반의 도로에서는 일반적으로 샌드컴팩션파일(SCP)에 의해 밀대증대공법, 심층혼합처리, 침투주입고화 등 고결공법 액상화 대책으로 액상화를 방지한다. 액상화 대책 공법은 개량범위가 땅속 깊은 방향으로 대규모로 시공됨으로 공사비가 많이 든다. 한편, 이러한 액상화 대책과는 달리, 액상화의 발생을 허용하나 도로 본래의 변형을 억제하여 도로기능을 확보할 수 있다면 개량범위가 소규모로 시공되어 기존공법보다 적은 비용으로 공사가 가능하다.

이 보고서에서는 도로 본래의 성능을 확보하는 변형 방지대책인 터프로드를 제안하고, 지진 시 및 지진 후의 액상화 지반의 과승간극수압의 발생으로부터 소산까지를 고려한 유효응력해석, 원심력 모형 실험으로 부터 구한 잔류변위를 기초로 그 유효성을 확인하였다. 터프로드의 설계에서는 경량토제원의 설정, 도로 변형방지 효과의 지표인 도로부의 잔류변위를 예측할 필요가 있다. 여기서는 경량토 제원의 간이 설정방법, 도로부의 지진시 잔류 변위의 간이 예측방법을 제안하고, 유효응력해석, 원심력 모형 실험으로 부터 얻어진 잔류변위와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.

2. 터프로드

2.1 개요 : 그림 1에 개요도를 나타내었다. 터프로드는 액상화 지반에서의 도로 아래 노상부에 대하여, 노상바닥부분의 지오그리드 포설, 노상부의 되메움 토를 경량토와 안정처리한 흙의 복합으로 구성된 구조적인 도로변형 방지 대책이다.

2.2 특징 : 터프로드는 지진 시에 발생하는 도로변형을 억제하고, 지진 후의 도로기능을 확보 가능하다. 기존 SCP공법과 비교하여 약 50%의 원가절감이 가능하다. 경량토 재료는 Clinker Ash, 제철소에서 발생하는 수쇄슬래그를 이용하여 경제성을 도모하였다.

2.3 원리 : 그림2에 원리를 나타내었다. 대책을 꾀하지 않은 도로에서는 포장, 노반의 중량, 노반의 배수구배에 의해 중량이 있어 하중차이가 크다. 그 결과 액상화 지반에서 발생하는 초기전단응력이 커지기 때문에 지진시의 액상화지반이 측방으로 전파되어 큰 잔류변위가 발생하기 쉽다. 한편, 터프로드에서는 이들 도로부와 일반부에서의 하중차이가 적다. 따라서, 액상화 지반에서 발생하는 초기전단응력이 작기 때문에 액상화지반의 지진시의 잔류변위를 억제 가능하다.

2.4 설계방법 : 지오그리드 사양은 지진 시 안정 해석으로부터 얻어진 필요최대 억지력에 대하여 설정하였다. 되메움 토의 사양은 포장, 노반 등의 자중에 의해 발생하는 액상화지반의 초기전단응력, 도로아래의 평균 유효 피복압력을 기초로 설정하였다. 도로 변형방지 효과의 지표인 도로부의 잔류변위는 진도법을 채용한 간이법 및 유효응력해석에 기초한 상세법으로 추정하는 것으로 하였다.

3. 유효응력해석에 기초한 도로변형방지 효과

3.1 목적 : 터프로드에서는 도로부의 잔류변위가 변형방지효과의 지표이기 때문에 지진시 및 지진 후의 잔류변위에 기초하여 대책효과를 확인하여야 한다. 지진 시에는 액상화지반에서 발생하는 초기전단응력을 규정하는 지진 시 유효 응력해석을 실시하고 도로부의 지진 시 잔류변위에 기초하여 대책효과를 검토한다. 지진 후 유효응력해석에서는 도로부의 지진 후 잔류변위에 기초하여 대책효과를 검토하며 해석 프로그램은 Obayashi에서 개발한 EFECT를 사용하였다.

3.2 방법 : 지진 시 유효응력해석에서는 대책 없음, 되메움토를 경량토로 일정하게 한 지오그리드+경량토, 되메움 토를 안정 처리토로 일정하게 한 지오그리드+안정 처리토, 터프로드의 4가지 경우에 대하여 검토하였다. 해석에서는 지오그리드를 보 요소, 지오그리드와 되메움 토와의 경계를 죠인트 요소, 좌우경계, 바닥면 경계를 점성요소로 하고 ①자중해석, ② 흙 기둥모델의 유효응력해석 ③전체모델의 유효 응력해석의 순서로 하였다. 지진파는 해구형지진으로 가정하고, 스팩트럼은 건설성고시의 KOKURN2H를 이용하였다. 지진 후 유효해석응력 해석에서는 2가지 경우에 대하여 검토하였다.

3.3 결과 : 보고서에서는 해석결과에 의한 흙 기둥모델로 얻어진 과승간격 수압비의 시간력을 나타내었다. 다음으로 전체모델로 얻어진 지진 종료시의 잔류변위 그래프와 지진종료시의 노면의 잔류변위 비교 해석결과를 나타내고 있다. 대책 없음에서는 노견 직하의 액상화한 지반이 좌우로 퍼짐과 동시에 융기하여, 노면의 잔류침하, 노면의 잔류경사가 발생하고 있다. 지오그리드+경량토에서는 Klinker Ash가 경량이기에 액상화한 지반이 도로부에 침범함과 동시에 노견부가 융기하고, 노면의 잔류경사가 발생하였다. 지오그리드+안정 처리토에서는 노견직하의 액상화한 지반의 변형이 적으나 좌우로 퍼지기 때문에 노면의 잔류침하, 노면의 잔류경사가 발생하였다. 터프로드에서는 노견부 직하의 액상화한 지반 도로부에 침범이 적어, 노견부의 융기, 노면의 잔류침하가 작게 발생하였고, 노면의 잔류경사는 당초 노면의 배수 구배를 유지하였다. 보고서에서는 지진 후 유효변위응력해석의 흙 기둥 모델로 얻어진 과승간격수압비와 수직변위의 시간력을 나타내고 있으며, 대책 없음과 터프로드의 전체 모델로 얻어진 지진 시(t=81.92), 지진 후 (t= 10081.92s)의 노면의 잔류변위를 나타내고 있다.

4. 모형실험에 기초한 도로변형방지 효과

4.1 목적 : 3장에서 설정한 유효응력해석 조건을 가능한 반영하고, 더불어 단순화한 조건에서의 터프로드의 원심모형실험을 실시하여 도로부의 잔류변위에 기초한 대책효과를 검토하였다.

4.2 방법 : 실험에서는 모형축적을 1/20으로 하고, 알루미늄 제품의 강재토조(2000Χ700Χ650, 측면 : 아크릴)로 구획된 판을 설치하고, 대책 없음과 터프로드를 동시에 가진 하였다. 토조측 벽에서는 컬러모래를 격자형으로 설치하였다.

4.3 결과 : 실험에서 얻어진 과승 간격 수압비에서는 대책 없음으로 지하수 부근으로부터 심부까지 일정하게 액상화가 발생하였다. 터프로드에서는 경량토를 이용한 고운자갈에 의한 배수성, 전압에 의한 고밀도화의 영향도 생각되어지나, 도로부 직하의 과승간격수압의 상승이 억제되었다. 수평변위는 둘 다 S측으로 이동하였으나, 터프로드가 이동이 적었다. 가속도에서는 대책 없음이 중립축 이동이 크고, 터프로드는 이동이 적었다. 연직변위에서는 대책 없음의 경우 도로부 중앙에서 단부와 비교하여 큰 잔류침하가 발생하였으나, 터프로드에서는 대책 없음과 비교하여 침하가 작게 발생하였다. 실험에서 얻어진 지진시, 지진후의 터프로드에 의한 변형방지 효과의 경향은 지진 시, 지진 후 유효응력해석으로 얻어진 변형방지 효과의 경향과 일치하였다.

5. 경량토제원의 설정방법

5.1 목적 : 터프로드에서는 액상화 지반에서 발생하는 초기전단 응력을 멀리 떨어진 지반에서 가능한 같아지도록 지오그리드와 경량토를 병행하는 도로변형대책의 적절한 경량토 제원을 설정하여야 한다.

5.2 방법 : 그림3에 대상으로 하는 대책 없음과 터프로드의 단면을 나타내었다. 터프로드에서는 지오그리드 제원을 지진 시 안전 해석에 의해 부족한 억제력을 지오그리드로 분담시켜 별도 설정하는 것으로 하였다.

그림 3 대상단면

경량토 제원은 지오그리드에 의한 인장보강재의 효과는 고려하지 않고 도로변형을 방지하기 위해 도로부 중량, 도로구배에 의해 발생하는 액상화지반의 초기전단응력을 저감시켜 잔류침하, 잔류경사를 억제하는 조건을 설정하는 것으로 하였다. 경량토의 재료 및 정수에서 경량토폭을 변수로 하여 해석을 실시하고, 하중분포를 나타내었다.

5.3 결과 : 결과로는 경량토폭 7.8.m, 경량토폭 13m에서 얻어지는 도로부 직하의 초기전단응력, 도로단부에서 얻어지는 초기전단응력의 비교를 나타내었다. 대책 없음에서는 지진시 도로부의 액상화한 지반이 측 방향으로 부풀어 오를 가능성이 높다. 경량토 13m에서는 지진시에 주변의 액상화한 지반이 도로부에 침입할 가능성이 높다. 경량토 폭 7.8m(터프로드)에서는 도로단부 부근에서의 절대량이 작기 때문에 지진시에 주변의 액상화한 지반이 도로에 침입하는 것을 억제할 가능성이 높다고 생각된다. 도로단부에서의 초기전단응력에서는 경량토 폭 5.2m에서 절대량이 최소이다. 한편 경량토 폭 7.8.m 에서는 초기전단응력의 절대량은 경량토 5.2m보다 크나, 부호가 마이너스로 도로부의 액상화한 지반의 측방향으로 솟아오름을 억제할 가능성이 크다고 생각된다. 이들 해석결과는 지오그리드+경량토에서는 주변의 액상화한 지반이 도로부에 크게 침투하여 그림4의 경량토 폭 13.0.m.의 초기전단응력의 부호, 절대량의 경향과 일치하였다. 터프로드에서는 주변의 액상화한 지반의 도로부에의 침투가 적게 억제되어 그림4의 경량토 7.8.m의 초기전단응력의 부호, 절대량 경향과 일치하였다.

6. 지진시 잔류 변위의 예측 방법

6.1 목적 : 터프로드에서는 도로부의 지진 시 잔류 변위가 대책 효과의 지표이기 때문에 유효응력해석에 의한 상세예측방법과 동등하게 간이 설계방법도 필요하다. 여기서는 도로부의 지진 시 잔류변위에 관하여 경량토에 의한 액상화지반의 초기전단응력의 저감효과, 지오그리드에 의한 인장보강재의 효과를 고려한 간이 예측방법을 검토하였다.

6.2 방법 : 대책 없음과 터프로드의 단면을 비교하면 도로부의 지진시잔류변위는 다음과 같은 절차로 예측하였다. ①초기 전단응력비 : 노반중량, 노상중량, 노면구배에 의해 발생하는 도로단부에서의 액상화지반의 초기 전단응력비(초기전단응력/초기평균유효응력)의 심도분포를 설정한다. 경량토에 의한 효과는 초기전단응력비의 저감으로 반영된다. ②잔류전단 변형-초기전단응력비의 노모그램 : 지반조건(N값 등), 지진동 레벨에 따라 약상화지반의 초기 전단응력비를 변수로 하는 실내실험, 요소 해석 등에 기초한 노모그램을 설정한다. ③잔류전단변형 : 노모그램에 의해 액상화지반의 초기 전단응력비에 따른 잔류전단변형을 추정한다. ④잔류변위 : 액상화지반의 잔류전단변형, 액상화층 두께, 도로 폭 등을 이용하여 면적등가의 조건을 가정한 잔류 변위를 추정한다. 지오그리드에 의한 인장보강재의 효과는 잔류수평변위의 구속으로 반영한다. 보고서에서는 면적등가의 조건을 반영한 잔류변위의 예측방법을 나타내었다. 대책 없음에서는 지반내에서 측방향으로의 코사인형의 잔류수평변위를 가정하고 도로중앙의 잔류침하를 추정하였다.

지오그리드+안정 처리토 에서는 지오그리드에 의한 인장보강재의 효과를 고려하여 액상화 지반에 측방향으로의 상하 코사인형의 잔류수평변위를 가정하여 도로중앙부의 잔류침하를 추정하였다. 지오그리드+경량토와 터프로드에서는 동등하게 액상화 지반에서 도로부에의 상하코사인형의 잔류수평변위를 가정한 도로단부의 잔류침하(융기)를 추정하였다. 잔류변위의 예측은 대책없음, 지오그리드+경량토( 경량토 폭 21.6m), 지오그리드+안정처리토 (경량토 폭 0m), 터프로드 (경량토 폭 7.8m)의 4가지로 하였다. 유효피복토압은 경량토 하단(G.L. -1.7m)의 도로 폭 15.6m의 평균이다.

 그림 4. 도로 직하부, 도로단부의 초기전단응력 

6.3 결과 : 각 경우별 도로단부에서 얻어진 초기전단응력비의 비교를 나타내었다. 터프로드에서는 다른 경우와 비교하여 초기전단응력비의 절대량이 작아 부호가 대부분 마이너스이고, 도로부의 액상화 지반의 측 방향으로의 이동이 억제되었다. 터프로드에서는 대책 없음과 비교하여 잔류침하(융기)가 약1/5로 억제되었다. 그림5.에 간이 예측방법으로 얻어진 잔류변위를 나타내었다. 앞에서 얻어진 지진시 유효응력 해석으로 얻어진 잔류변위, 원심력실험으로 얻어진 지진 시 잔류변위와 비교하면 간이예측방법으로 얻어진 도로변위는 상세 예측방법, 원심모형실험과 잘 일치하였다.

7. 결론

지오그리드와 경량토를 병행한 액상화 지반에서의 도로변형 대책인 터프로드에 관하여 그 유효성과 설계방법을 검토하였다. 1)터프로드에서는 액상화 지반에서 발생하는 초기전단응력을 먼곳의 지반과 같이 가능한 저감시킴으로써 지진시의 액상화에 따른 도로변형의 방지가 가능하다. 2) 터프로드에서는 액상화 지반에서 발생하는 초기전단응력을 가능한 저감시켜 잔류침하, 잔류경사를 작게 함으로써 조건에 따른 최적의 경량토제원을 설정할 수 있다. 3) 터프로드에서는 경량토의 효과, 지오그리드 효과를 고려한 간이예측방법에 의해 지진시의 도로변형을 예측 가능하다.