⦁요약

뉴욕 주의 스코하리 크리크 위에 건설된 주간 고속도로(I-90) 교량은 1987년 홍수로 인해 붕괴되었는데, 이 사건으로 FHWA는 강과 하천에 건설된 모든 고속도로 교량에 대하여 세굴위기상태를 평가하도록 주 교통국에 요청하였다. 조사결과 많은 교량이 암반상부의 얕은 기초에 건설된 것으로 밝혀졌다. 특히 모래층 수로의 세굴 평가에서는 암반재료가 적절하지 않거나 엄청난 세굴 깊이가 존재하는 것으로 평가되었다. 이것은 암반상부의 교량기초 세굴평가시 새로운 방법의 필요성 인식뿐 만 아니라 “세굴 위험” 리스트상에 많은 교량이 존재함을 인식하게 되었다. 이 연구를 통해 개발된 즉각적이고 잠재적인 이익은 암반상부의 얕은 기초를 보유한 적어도 몇몇 교량은 세굴위험 리스트에서 제거될 수 있다는 것이다.

전통적으로 교량기초에서 세굴은 지질공학자와 지질기술자로부터 입력 자료를 가진 수공학자가 평가한다. NCHRP 프로젝트 24-29는 암석 및 세굴과정과 세굴 민감성을 정확히 반영한다는 점에서 교량기초조건의 특성화 및 설계 세굴 깊이를 계산하는 수공학자들에 게 사용될 수 있도록 암석과 같은 물질에 대한 정보제공에 초점을 맞추고 있다. 본질적으로, 연구는 수공학자들이 사용하는 세굴 관련용어를 토목현장에 적용할 수 있도록 특성화하는 것이다.

이러한 연구의 결과로 얻은 지침과 방식은 교량 오너와 기술자들에게 어느 것이 특이한 교량과 관련될까를 결정하는 암석세굴모드를 평가하는데 사용할 도구를 제공한다. 이 연구에서 다음 4가지의 암석세굴모드를 정의한다.

1. 용해성 있는 암석의 불용성,

2. 공동현상,

3. 내구성 있는 접속 암석 굴식,

4. 분해할 수 있는 암석 물질의 단계적인 덧씌움.

홍수사태 반복 시간은 암반물질의 풍화작용이나 비화작용을 통해서, 또는 내구성 있는 암석의 덩어리들이 진동하거나 밀리는 현상을 일으키는 난류가 진행되는 동안 절리면 속으로 끼어든 자갈 파편조각으로 개구 상태로 남아 있는 연결부에서 심한 물의 순환을 통해서 세굴저항의 감소에 기여할 수 있다. 세굴의 시간비율과 분해할 수 있는 암석물질의 점진적이고 누적되는 세굴에 대한 설계세굴 깊이를 평가하기 위한 절차가 제공되었다. 한계 공동현상의 세굴 처리와 내구성 있는 암괴의 채석과 굴식을 위한 지침 또한 제공되었다. 추천된 절차는 비교적 간단하고 정량적이며 교통기관과 그 외 교량관리담당자에게 유사한 장비와 방식을 사용한다.

이 연구의 가장 중요한 결론들 가운데 하나는 분해될 수 있는 암석물질의 세굴 저항이 암석 특성의 유일한 하나의 기능은 아니라는 것이며 그것은 암반수 상호작용 현상이다. 암석물질 가운데 가장 단단한 것은 지속적이고 강한 노출 상태에 반응하여 차츰 닳게 될 것이고, 반면에 암석물질 가운데 가장 연한 것은 잔잔한 물의 흐름에 반응하여 장시간 동안 부식에 저항할 수 있을 것이다. 물 분사 절단기는 교량 바닥판 보강을 위해 철근콘크리트에서 콘크리트를 제거하는데 사용되고, 물 분사 절단기는 충분한 시간 동안 철근에 분사하면 그 철근을 자르게 될 것이다.

기술 작업시간에 용해할 수 있는 가용성 암석물질은 교량의 기초지지에 사용되지 않는다. 그러므로 가용성 암석의 용해에 관하여 세굴 관련 문제는 용해공동을 채울 수 있는 여러 다른 종류들로 이루어진 흙 물질의 복잡한 세굴 반응이다. 전형적인 공동 채움 흙 물질은 보통은 진흙인 땅에서 비교적 단단한 암석(석회암, 고회암, 또는 대리석) 덩어리들이다. 그 진흙은 점차적으로 제거될 것이지만, 반면에 암괴들은 한계상태가 되면 굴식 될 것이다. 몇 가지 경우에, 단단하지 않은 암괴는 그들이 스스로 외장 층을 형성할 때까지 채워진 공동에 축적될 수 있다.

공동현상은 배수로 터널에 있는 암석에 엄청난 세굴구멍을 남겼다. 그러나 교량이 위치될 가능성이 있는 자연개수로는 공동현상이 발생되기 위해 필요한 수심과 속도조건이 일반적으로 없다. 그래서 예상되는 흐름 수심과 유속은 공동현상이 일어날 가능성이 있거나 가능한지 여부를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 교량이 일반적으로 위치하게 되는 자연수로에서 공동현상을 위한 수압상황은 발생할 가능성이 없는 것 같다.

내구성 있는 암괴의 굴식은 그 암괴의 크기와 모양, 첨두유량에서 수압하중, 교각 주변과 수로 위 암괴 모서리의 고르지 못한 것들을 지나가는 물 흐름에 의해 생기는 난류강도 파동에 의해 좌우된다. 개수로에 적용된 종합적 세굴모형은 암괴 굴식의 시작점에서 속도에 대한 어떤 지침을 제공하는데, 이 모형이 전망이 있는 것 같지만, 이 연구의 일부로서 행할 수 없는 모형눈금이 필요하다. 눈금은 자연수로, 암괴가 있는 수로, 암석바닥의 수로 현장에서 사용되어야 할 것이고, 용수로 시험은 자연수로 위의 교량현장에 적용을 위한 모형을 입증하고 개선하기 위해 수행될 수 있을 것이다.

헤드 컷 부식가능성 지수 및 부식가능성 지수법이 이 연구의 일부로서 평가되었다. 이러한 두 한계조절지수방식은 비슷하며 둘 다 교량이 위치될 가능성이 있는 보통의 자연수로 위에 존재하는 것보다 엄청나게 더 많은 수압에너지가 있는 언 라인 배수로 터널을 위해 개발되었다. 이 연구에서 평가된 교량에 적용된 이 두 지수법의 결과를 보면 수압에너지는 일반적으로 국부적인 암석 덩어리의 부식에 충분하지는 않다는 것이다.

분해할 수 있는 암석물질의 점진적인 세굴은 이 보고서에서 논의된 3개의 교량현장에서 뒷받침되었고, 네 번째 교량은 수십 년이라는 기간 동안 가측 세굴을 경험하지 못했었다는 것이 입증되었다. 민감한 암석물질에서 점진적인 세굴의 본질은 누적되는 수압하중을 고려할 필요가 있고, 수류력은 유속, 수심, 경사면을 잡는 수압 모수이며, 시간이 지나면서 필연적으로 축적될 수 있다. 수류력은 일반적으로 이용할 수 있는 일 유출량계열에서 산정되어서, 축적된 수압모수는 누적 일일 수류력이다. 이 누적모수는 단위 에너지(kW-hr/m²)로 변환될 수 있지만, 그 계산(전단응력× 속도)은 의미 있는 단위일 것 같은 단위 에너지 소멸(ft-lb/s/ft²)의 용어로 알맞게 표현될 수 있다.

확률가중 접근방법이 기존의 홍수빈도 사태를 수류력과 반복횡단면에서 관찰된 세굴이나 전문화된 지질공학적 실험실 시험결과에서 근사치를 낸 세굴을 근거로 한 경로반응을 사용함으로써 사건에 근거한 세굴깊이로 전환하기 위해 사용되었다. 홍수빈도와 관계있는 흐름에 대한 내구성은 그 분석에 포함되어야만 한다. 홍수빈도 사건의 범위와 관계있는 연간으로 환산된 세굴깊이는 시간 비율 세굴을 만들어 내기 위해서 결합될 수 있는데, 이것은 이 연구목표들 가운데 하나이다. 여러 해 동안 교량의 사용수명에 연간 평균 세굴깊이를 곱한 것은 설계세굴깊이를 생산하며, 그것은 또 다른 연구의 목표이다.

이 연구의 결과는 반복횡단면이 있는 기존의 교량현장에서 분해할 수 있는 암석물질의 점진적 제거의 세굴모드에 가장 큰 신뢰성을 가지고 적용될 수 있다. 그러한 교량에 대해서, 과거 세굴깊이는 문서로 기록되었고 실증적인 세굴수치(즉, 수류력의 단위 당 세굴깊이)를 생산하는 누적 일일 수류력과 비교될 수 있다. 과거 세굴을 기록한 반복횡단면 없이, 그 분석은 수정된 슬레이크 내구성 시험의 결과에 의존해야 한다. 이러한 시험결과는 수류력 단위들에서 표현된 암석물질의 분류특성에 근거한 암석바닥 수로 반응을 정량화하는 전망 있는 기회를 제공하는 것 같다. 연구된 교량 현장들 가운데 하나 만이 반복횡단면 자료(캘리포니아 Redding의

Sacramento에서 SR-273)가 있는 지질공학 시험결과를 눈금으로 매기는 기회를 준다. 두 번째 교량현장(플로리다 잭슨 카운티의 Chipola River 주간고속도로 10번)은 어떤 측정도 할 수 없는 한계조건의 세굴에 어떤 측정도 할 수 없는 세굴이 왜 발생했는지를 설명하는 지질공학 시험자료와 조화되어왔던 계산된 누적 일일 수류력을 제공한다. 추가적인 교량현장은 눈금과 절차를 확인할 필요가 있다.

반복횡단면은 세굴을 문서로 기록 입증하는 가장 좋은 방법이다. 이 연구에서 사용된 횡단면은 해석을 위해 몇 가지 문제를 제기시켰는데 그 조사가 잘 기록되지 않았고 교량을 따라 있는 부합하지 않는 위치들이 수로 깊이 측정을 위해 사용되었기 때문이다. 반복횡단면의 값은 부합되는 위치에서 더 많은 측정이 취해진다면 개선될 것이다. 그것은 교각에서 세굴과 교각 사이의 세굴을 구별하는데 도움이 될 것이다.

제1장. 배경과 목적

제2장. 연구 접근

제3장. 결과 및 적용

제 4 장

결론, 추천사항, 제안 연구

4.1 고속도로 실례에 결과 적용성

암반상부의 교량기초에서 세굴평가를 위한 개선된 방식의 필요성이 광범위하게 인식되었다. 이 보고서에서 묘사된 연구의 결과들은 암석바닥 수로 위에 기반을 둔 제안된 교량의 설계에 뿐만 아니라 암석바닥 수로 상부의 기존 교량 및 기초개축설계나 세굴 대책의 평가에 적용될 수 있다. 이러한 연구결과의 직접적인 장점은 암석 상부의 얕은 기초를 가진 세굴위험 교량리스트에서 삭제되는 것일 것이다.(p162:9~15))

4.2 결론 및 추천사항

전통적으로 교량기초에서 세굴은 지질공학자와 공학 기술자로부터 입력 자료를 가진 수공학자가 평가한다. NCHRP 프로젝트 24-29는 암석 및 세굴과정과 세굴 민감성을 정확히 반영한다는 점에서 교량기초조건의 특성화에 민감할 수 있고 설계 세굴 깊이를 계산하는 수공학자들에 의해서 사용될 수 있는 암석과 같은 물질에 대한 정보제공에 초점을 맞추고 있다. 본질적으로, 그 연구는 수공학자들이 사용하는 세굴 관련용어와 토목현장 용어를 일치시키기 위해 노력한다.

이러한 연구의 결과로 얻은 지침과 방식은 교량 오너와 그들의 기술자들에게 모드 가운데 어느 것이 특이한 교량과 관련될까를 결정하는 암석세굴모드를 평가하는데 사용할 도구를 제공한다. 이 연구에서 다음 4가지의 암석세굴모드를 정의한다.

1. 용해성 있는 암석의 해소,

2. 공동현상,

3. 내구성 있는 접속 암석 굴식,

4. 분해할 수 있는 암석 물질의 단계적인 덧씌움.(p162:22~32)

교량 오너들은 유동 흐름조건을 상관하지 않고 세굴에 민감한 것으로서 낮은 RQD 값(즉, 75퍼센트 미만)을 가진 암석 덩어리를 정의하기 위해 선택할지도 모른다. 각 면 위에 내구성 있는 4인치 입방체 암석으로 구성된 불연속적인 암석덩어리는 핵심이 평행이거나 불연속면에 수직방향이라면 100%의 RQD값을 가질 수 있을 것이다. 같은 암석덩어리는 핵심이 두 개의 불연속면에 45도 방향이라면 제로 퍼센트의 RQD 값을 가질 것이다. 결과적으로 높은 RQD 값은 그 자체로 암석덩어리가 수로에서 흐르고 있는 난류의 첨두유량 특성을 이해하지 않는다면 채석과 굴식에 저항할 가능성이 있다는 것을 입증하기에 적합하지 않다. 마찬가지로, 낮은 RQD 값이 암석덩어리가 모든 하천 유량 상황 하에서 채석과 굴식에 쉽다는 것을 반드시 입증하는 것은 아닐 것이다.(p163:46~p164:7)

이 연구의 일부로서 5개 교량이 조사되었다. 한 교량은 암석과 같은 질을 가진 제4기 빙하시대의 층을 이룬 빙하 퇴적물위에 기초가 세워졌다(뉴욕 Schoharie Creek 위의I-90). 두 개의 교량은 제3기 해저 퇴적암 위에 기초가 세워졌다(플로리다의 Chipola River 상부의 I-10은 백운석 같은 석회암 위에, 반면에 오리건 주의 Mill Creek 상부의 주 도로 22는 암괴덩어리 실트암 위에 기초가 세워졌다.) 두 개의 교량은 백악기나 쥬라기 해저 또는 하천의 퇴적암반 위에 기초가 세워졌다(캘리포니아 Sacramento River 상부의 주 도로 273은 얇은 바닥의 실트암 위에, 유타 주의 Montezuma Creek 상부의 주 도로 262는 점토암의 기저를 이루는 사암 위에 기초가 세워졌다). 5개 교량의 지질구조는 퇴적암으로 구성되어있다. 화성암과 변성암 유형은 아마도 이 보고서에서 설명된 퇴적암반의 반응과 일치하는 여러 방법으로 수정된 슬레이크 내구성 시험에 반응할 것이다. 풍화되거나 변화된 사력질의 화강암은 신선하거나 변화하지 않은 비슷한 미세 결정립의 화강암보다 더 급속하게 제거될 것으로 예상될 것이다. 변성암의 범위는 퇴적암 같은 낮은 등급의 점판암에서 중간 등급의 편암과 높은 등급의 편마암까지인데, 이것은 광물학에 따른 것이다. 어떤 변성암은 꽤 내구성이 있을 수 있는(즉, 규암) 반면, 어떤 다른 변성암은 꽤 분해가 될 수 있다(즉, 운모편암). 파쇄, 풍화, 교체의 정도가 물론 유수에 대한 암석의 반응을 제어할 수 있다. 이러한 이유로, 각 교량현장의 지질학적 구조는 수력에 대한 있음직한 반응에 대해 명확하게 평가되어야만 한다.(p165:7~26)

4.3 제안 연구

수많은 연구 활동들이 암석 세굴을 평가하는 방식을 눈금으로 매기고 정제하여 개선하는데 잠재적으로 사용될 것 같다. 이러한 제시된 연구 활동에는 현장조사, 실험실 시험, 공학적 분석이 포함된다. 전망 있는 현장조사에는 내구력 있는 암괴가 홍수유출량에 의해 굴식 되었던 현장의 정확한 위치를 찾아내고 특징화하는 임무 뿐 만 아니라 분해할 수 있는 암석물질이 점진적인 세굴을 겪었던 현장을 잘 문서화한데 대한 평가를 맡아 착수할 수 있을 것이다. 자연수로 상에서 내구력 있는 암괴의 굴식과정은 이때에 분명히 기술공학적 눈금은 없다. 산의 규모 처리에 관한 지형학 문헌에서는 알라스카와 파키스탄에 있는 어떤 급경사, 고에너지 자연수로에서 암괴 굴식과 공동현상을 기록했다. 그러나 이러한 수로는 교량기초가 놓일 만한 위치가 아니다. 채석과 굴식에 민감한 제한된 암괴 크기와 모양은 교량현장에서 전형적인 유속과 수심의 범위에 대해 개선될 필요가 있다.(p165:28~39)

수정된 슬레이크 내구력 시험결과는 전체적인 시험이 진행되는 동안 가장 적은 내구력의 점토암 샘플은 가장 급속하게, 가장 큰 내구력의 사암 샘플은 매우 적게 제거되었다는 점에서 시험된 암석유형 가운데 샘플 내구력에 따른 범위 내에서 반응하는 중간적인 내구력 샘플과 일치한다. 시험은 시험 개수로에서 흐르는 물일때 다른 암석유형의 암괴의 세굴비율을 기록하기 위해 필요하다. 이러한 개수로 시험결과는 비용이 비싸지 않은 수정된 슬레이크 내구력 시험결과가 더 높은 신뢰감으로 사용될 수 있도록 하기 위해서 수정된 슬레이크 내구력 시험결과와 상호 관련되어야 할 것이다.(p166:12~18)

약한 암석물질의 물리적인 특징과 강한 토층은 오버래핑과 비슷할 수 있다. 수정된 슬레이크 내구력 시험결과는 동등하게 누적된 일일 수류력의 면에서 동등한 평균 세굴비율을 정량화하기 위해 사용되는 것 같다. 현지함수량함량에서 입방체나 덩어리로 자르도록 해야 하는 충분히 거친 점토의 샘플은 각각의 무게가 대략 50그램이고 슬레이크 내구성 시험 드럼에 놓이는데, 오븐건조이 어떤 경우에도 샘플에 사용되지 않는다면 시험에 적합해야만 할 것이다. 이 전망성 있는 연구영역은 수정된 슬레이크 내구력 시험과 관계있는 분류특성의 이해로 이끌 수 있을 것이다.(p166:19~25))

자연현상의 중요성은 추가적으로 고려할만 하다. 수공학자는 홍수빈도분석을 수행하는데 익숙하지만, 슬레이킹 암석물질이 있는 수로에서 세굴은 가뭄의 빈도와 심각성에 의해 지배될 수 있다. 처리모델이 해소물질생산비율을 수로 세굴 평가에 포함시키고 형성될 수 있도록 하기 위해서 가뭄빈도를 평가하는 절차가 개발되어야 할 것이다.(p166:26~30)

암석유형 기초 물리학 특성, 수력학적 부하에 근거한 암석의 세굴저항에 대한 일반화를 이끌 수 있는 암석 세굴 평가 결과에 대한 데이터베이스가 수립될 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다. 암질평가(RMR)나 Norwegian 암질평가품질(Q)시스템과 같은 암반 특성화 접근방법은 세굴반응지수에 신뢰성 있는 기초를 제공하는 암반에 대한 충분한 상세를 포착할 수 있다. 화강암, 변성암, 퇴적암의 다양한 유형의 암석에 대한 상당한 수의 암석 세굴 평가가 신뢰성 있는 암석 세굴 반응 지수가 개발되도록 하기 위해 필요하게 될 것이다.(p166:31~37)