1. 서 론
최근 연약지반 구간에 도로 및 철도건설이 증가하면서 성토구조물의 안정성을 도모하고 침하를 억제시키는 보강공법들에 대한 요구가 증가하고 있다. 그 중 성토지지말뚝 공법은 연약지반의 잔류침하를 억제시킬 뿐 아니라 빠른 시공이 가능하여 효과적인 연약지반 대책공법으로서 적용되고 있다(Magnan, 1994; Shen et al., 2005). 이 공법은 연약지반 층에 일정간격으로 말뚝을 설치하여, 지지강성이 상대적으로 작은 연약지반에 대한 전단저항이 발생되고 이로 인해 성토체 내에 아칭구조를 형성시키는 시스템이다. 이렇게 말뚝과 말뚝 사이에 형성된 아칭구조는 연약지반면에 작용하는 연직응력을 감소시키고 말뚝으로 전달되는 연직응력을 증가시킨다. 앞서 설명한 아칭효과(soil arching effect)는 말뚝의 설치간격, 성토재료의 특성, 성토체의 높이 등에 영향을 받으며(Jones et al., 1990; Hong et al., 2007), 그 효과를 정량적으로 예측하는 것은 쉽지 않다. 이에, 실제 성토지지말뚝 구조는 아칭효과의 불확실성에 대비하고 말뚝으로의 하중전이 효과를 증대시키기 위해서 지지말뚝과 성토지반 경계부에 인장강성을 가진 재료를 보강하는 형태(Geosynthetic-reinforced and Pile-suppoerted (GRPS) embankment method)로 시공한다.
Arul Arulrajah et al.(2013)은 성토지지말뚝이 적용된 다양한 사례 등을 통해 철도구조물에 적용한 토목섬유로 보강된 성토지지말뚝 구조 공법(Fig. 1)의 안전성과 경제성을 평가하였다. 그러나, GRPS 공법이 주로 적용되는 도로, 철도 구간, 교량 접속부 등(Barchard, 2002; Han et al., 2002)은 반복적인 동적하중을 받는 구간이며, 일반적으로 아칭구조에 반복하중이 작용할 경우 연약지반의 변형이 증가할 수 있다. 이에 Han et al.(2009)은 반복하중이 작용하는 GRPS 시스템에 대한 수치해석을 수행하였으며 토목섬유를 보강하지 않은 경우 토목섬유로 보강한 경우에 비하여 보강하지 않은 경우에 25% 더 변형(deformation)이 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 연구는 수치해석을 통한 해석적 결과이며 토목섬유 보강에 따른 강성 증대와 이로 인한 연약지반과 말뚝의 상대적 침하량 감소 차이에 의한 아칭효과 감소 등의 가능성이 있다. 실제로 Lee(2009)은 성토하중이 작용하는 GRPS 시스템에서 토목섬유에 의한 보강효과는 연약지반의 변형을 억제시켜 아칭효과에 의한 하중전이를 감소시킨다고 보고하였다. 이와 같이 토목섬유로 보강된 성토지지말뚝 구조는 지반내 하중전달 작용에 있어 매우 복잡한 하중 전이 특성을 보이지만, 이러한 하중 전이 과정에 대해 명확히 정립되어 있지 않으며 특히 동적하중에 대한 하중 전이 특성은 그 연구가 부족한 실정이다.
따라서 본 논문에서는 동적하중의 작용이 GRPS 성토체의 아칭효과에 미치는 영향과 토목섬유 설치로 인한 하중전달 특성을 분석하기 위하여 실대형 반복재하 실험을 수행하였다. 다양한 매개변수가 주는 영향을 줄이기 위해 성토높이 및 말뚝간격은 현행 설계법 중에 가장 널리 쓰이는 독일 EBGEO의 동적하중 한계성토고 기준을 사용하였으며, 아칭효과와 토목섬유 보강정도의 상관관계를 확인하기 위해 토목섬유의 보강유무와 보강정도를 매개변수로 총 3가지 Case의 실험을 진행하였다. 일련의 실험 결과를 바탕으로 반복하중이 작용하는 GRPS 구조의 아칭 효과와 하중전이 효과에 대하여 분석하였다.
2. 토목섬유보강 성토지지말뚝(GRPS) 시스템의 하중전이 메커니즘
GRPS 공법이 적용된 성토체내의 하중전이는 말뚝(pile), 연약지반(soft ground), 토목섬유(geosynthetic), 성토지반(embankment) 간의 상호작용을 통해 상부로부터의 하중을 분담하고 최종적으로 말뚝에 전달하는 메커니즘을 가진다. Fig. 2는 상부의 하중이 말뚝에 집중되는 메커니즘을 보여주며, 크게 두 가지 작용에 의한 것으로 분류할 수 있다(Van Eekelen et al., 2012). 첫 번째 작용은 말뚝사이의 성토지반 내부에서 발현된 아칭구조에 의한 하중전달(A)이다. 이러한 아칭효과는 토목섬유가 보강되지 않은 경우 성토하중 대부분이 말뚝으로 전달되는 주요 원리이다. 두 번째 작용은 토목섬유에서 발생하는 인장력의 수직성분에 의한 하중전달(B)이다. 이는 첫 번째 작용인 아칭효과에 의해 말뚝으로 전이되고 남은 하중(B+C)이 연약지반으로 전달(C)되는데, 그 하중의 일부(B)를 인장강성을 가진 토목섬유가 부담함으로서 발생한다. 따라서, 최종 말뚝으로 전달되는 성토하중은 A+B+C 중 A+B가 되며, 나머지 C는 연약지반에 전이되는 메커니즘이 형성된다.
2.1 아칭효과로 인한 성토하중 전이
Terzaghi(1943)는 아칭효과를 항복하는 토체의 응력이 주변의 안정된 지지체로 전이되는 현상이라고 정의하였다. 성토체를 구성하는 흙과 같은 입상재료는 외부 힘에 의해 특정 부분이 항복하면서 변형이 발생한다. 그러나, 주변에 변위가 발생하지 않는 안정된 부분이 존재한다면, 그 입자들 사이에는 항복하는 부분을 원래의 위치로 유지하려는 전단저항이 발생하여 아칭구조를 형성한다. 이에, 아칭구조는 변위가 발생하지 않는 부분의 응력을 증가시키고, 반대로 변형이 발생한 부분의 응력은 감소시키는 아칭효과를 가진다. GRPS 시스템에서 안정된 지지체는 상대적으로 강성이 큰 말뚝이 해당되며, 기존의 수많은 연구들은 실험을 통하여 아칭효과를 확인한 바 있다(Hewlet et al., 1988; Low et al., 1994; Zaeske, 2001; Heitz, 2006; Chen et al., 2008). Hewlet et al.(1988), Low et al.(1994), Chen et al.(2008)은 유리벽을 통해 아칭형상을 관찰하였으며, 실험결과를 토대로 GRPS 설계를 위한 아치모델을 제안하였다. 또한, Huat et al.(1994)은 현장계측 결과 분석을 통해, 말뚝기초로 전달되는 하중이 아칭효과의 발현에 따라 증가된다고 보고하였다. 일반적으로 앞서 언급한 연구자들은 아칭효과가 말뚝기초로 지지되는 성토체의 거동에 중요한 역할을 하며, 일정 높이 이상으로 성토한 경우에는 성토하중 대부분이 지반아치로 인해 말뚝으로 전달된다고 발표하였다. 또한 Hong et al.(2003)은 성토지지말뚝에 대한 모형실험을 통해 말뚝으로 전달되는 성토하중이 성토지반 속에 발달하는 지반아치에 의해 성토를 할수록 선형적으로 증가한다고 증명하였다. 그러나 아칭효과의 크기는 말뚝 사이의 거리, 성토체의 높이, 성토재료의 특성, 연약지반의 강성 등 다양한 요소들에 따라 영향을 받으며, 현행 설계법에서는 말뚝간격에 대한 성토높이를 중요한 요소로 제시하고 있다(Kempfert et al., 2004; EBGEO, 2010; Hewlett et al., 1988).
2.2 토목섬유 보강효과로 인한 성토하중 전이
토목섬유를 보강한 성토지지말뚝 상부에 성토가 진행되면, 연약지반에 작용하는 연직응력은 토목섬유의 인장력에 의해 감소한다. 이는 토목섬유의 인장성분이 말뚝의 연직하중으로 전이되기 때문이다. Han et al.(2002), Lee(2006)는 토목섬유가 말뚝에 전달하는 하중을 증가시키고 말뚝기초의 설치간격을 증가시키는 역할을 한다고 보고하였다. 그러나 지반이 매우 연약한 경우에는 토목섬유의 처짐량이 비교적 크게 발생되어 이에 따른 인장력도 커지는 반면, 강성이 있는 지반에서는 토목섬유의 보강효과가 상대적으로 작아질 수 있다. 따라서, 토목섬유의 보강효과는 토목섬유 하부에 존재하는 지반의 연경도에 따라 큰 영향을 받는다(Lodder et al., 2012).
3. 반복하중이 작용하는 섬유보강 성토지지말뚝(GRPS) 시스템
3.1 반복하중에 의한 하중전이 변화
섬유보강 성토지지말뚝(GRPS) 시스템 상부에는 차량운행에 따른 반복 동적 반복하중이 작용하게 되며, 이는 앞서 설명한 하중전달 시스템에 추가적인 응력을 발생시켜 전체 시스템 거동에 변화를 가져온다. Fig. 3은 Heitz (2006)이 주장한 반복하중에 대한 GRPS 시스템의 거동을 보여주며, 기존의 성토하중 전달 메커니즘에서 보다 토목섬유의 역할을 중요하게 보고 있다. 반복적인 하중이 작용함에 따라 성토 지반내에 입자 재배열이 이루어지고, 이로 인해 전체 시스템에서는 압축현상이 발생하게 된다. 또한, 지반 아칭부에서는 전단 결속력이 저하되어, 펀칭 전단으로 인한 응력을 유발하며, 토목섬유에서는 추가적인 응력이 발생하여 전체 보강구조의 변형이 증가하게 된다. 그러나 연구를 통하여 토목섬유가 충분히 보강된 경우라면 실질적으로 아칭구조가 반복하중에 견딜 수 있음을 증명한 바 있다(Hewlet et al., 1988; Heitz, 2006).
이와 같이, 반복하중의 작용은 GRPS 시스템의 하중전달 현상을 아칭효과에서 토목섬유 보강효과로 전이시키는 결과를 낳을 수 있다. Heitz et al.(2008)은 1.1m×1.1m 크기의 GRPS 실험체를 구성하여 반복하중 재하를 수행한 결과, 아칭효과가 감소함에 따라 토목섬유의 변형이 증가하는 현상을 확인하였으며, 반복하중으로 인해 재 형성된 아칭구조가 기존 정적하중 전달요소간의 분담효과에 변화를 가져온다고 제시하였다.
3.2 아칭효과가 발현되기 위한 요구조건
현재까지 각국에서 제안하는 섬유보강 성토지지말뚝공법에 관한 설계는 대부분 2단계로 이루어진다. 첫 번째는 앞서 설명한 성토지반 내 아칭구조에 의하여 말뚝에 전달되는 하중(A)을 예측하는 부분이고, 두 번째 단계는 말뚝사이 연약지반으로 전이되는 하중(B+C)을 지지하는 토목섬유의 설계이다. 대표적으로 영국의 BS8006-1 (2010), 독일의 EBGEO(2010), 네덜란드의 CUR226(2010) 등이 있으며 연약지반에 전달되는 연직응력이 토목섬유 인장력의 수직성분으로 지지되는 것을 가정하고 있다. 그러나 동적하중을 고려한 GRPS 시스템의 합리적인 설계방법은 아직 개발되지 못한 상황이며, 동적하중 적용시 요구조건으로는 Table 1에서와 같이 EBGEO(2010)에서 권고하는 설계사항 중 일부만이 제시되어 있다. EBGEO(2010)에 따르면 동적하중 작용시 아칭효과가 발현되기 위해서는 최소한 말뚝 최대 순간격의 2배 이상의 성토고를 확보하는 것을 요구하고 있다. Table 1은 GRPS 공법에서 아칭효과가 발현되기 위한 주요 요소로 갖추어야 할 말뚝의 순간격 및 성토높이에 대한 EBGEO 설계법의 요구사항을 보여준다. 여기서 sd는 대각선 방향 말뚝 순간격, d는 말뚝직경, sx와 sy는 직사각형 배치의 경우 양방향 말뚝 간격을 의미한다.
4. 실대형 동적 반복하중 실험 개요
4.1 실험계획 및 조건
본 실대형 반복재하 실험은 GRPS 시스템에서 성토 후 열차하중과 같은 차량하중이 반복적으로 작용할 경우 아칭효과와 토목섬유의 인장력이 기여하는 하중전이 특성을 분석하기 위하여 진행되었다. Fig. 4는 반복재하를 위한 성토체 조성 전･후의 대형토조 모습으로 전체적인 실험 규모(5m × 5m × 3m)를 보여준다.
일반적으로 말뚝의 설치간격, 성토고, 토목섬유 등은 상재하중이 말뚝으로 전달되는 메커니즘에 영향을 미치는 매우 중요한 변수이며 본 실험에서는 토목섬유의 보강유무와 보강정도를 매개변수로 결정하였다. Case 1은 무보강 GRPS 구조로 반복하중을 아칭효과만으로 말뚝에 전달시킨다. 토목섬유 적용으로 인한 하중전달 메커니즘의 변화를 비교･분석하기 위해서 Case 2와 Case 3은 보강층수를 다르게 하여 토목섬유의 인장강성이 각각 40kN/m, 150kN/m이 되도록 구성하였다. Fig. 5와 Table 2는 실험 Case에 따른 실험체의 구성도를 간략하게 보여준다. 말뚝사이의 중심간격은 캡 폭의 3배(1.2m)가 되도록 하였으며, 말뚝사이의 무리말뚝 간섭을 배제하기 위하여 국내에서 가장 많이 사용하는 값을 적용한 것이다. 또한, 성토지반내 아칭거동에 중요한 요소인 성토높이는 말뚝 최대 순간격(1.247m)의 약 2배에 해당하는 2.6m로 조성하였다. 이는 독일의 GRPS 공법 설계 권고사항인 EBGEO에서 동적하중의 영향을 검토하지 않아도 되는 성토고 기준의 한계높이이다.
4.2 실험구성 재료
GRPS 공법을 적용한 실대형 실험체를 조성하기 위하여 강철 말뚝, 연약지반 모사품, 토목섬유(지오그리드), 성토재료를 사용하였다.
4.2.1 말뚝
실물크기 말뚝에 대한 반복재하실험을 위하여 말뚝은 폭이 40cm인 정방형 캡을 포함하여 높이가 40cm인 강철로 제작되었다. Fig. 6(a)는 실험에 사용된 말뚝을 배치한 전경으로 콘크리트 슬래브 위에 총 16개의 말뚝이 4×4로 배치된 모습을 보여준다. 이 후, 말뚝의 수평방향 변위를 구속하기 위하여 말뚝사이를 강철프레임과 볼트로 고정하였다.
4.2.2 연약지반 모사품
국내에 분포된 연약지반의 강성은 매우 다양하며, GRPS 시스템에서는 아칭의 발현정도와 직접적인 관련이 있다. Iglesia et al.(1999)은 지하구조물과 주변지반 사이의 상대적 변위가 구조물 유효폭의 약 2～6%가 될 때 아칭이 발생하는 경향을 보인다고 제시했다. 연약지반을 모사하기 위한 재료는 Iglesia et al.(1999)의 결과를 바탕으로 연약지반이 말뚝 순간격의 2～6%의 충분한 침하가 발생하여 최대 아칭이 발현되도록 스폰지를 사용하였다. 폴리우레탄폼(Polyurethane Foam)으로 제작된 스폰지의 탄성계수는 40kPa이며 압축실험을 통해 확인하였다. Fig. 6(b)는 연약지반 모사품인 폴리우레탄폼이 말뚝사이에 두께 40cm, 폭이 5m인 정방형으로 배치된 전경을 보여준다.
4.2.3 토목섬유
성토지지말뚝에 사용되는 토목섬유 보강재는 성토하중의 분산효과와 말뚝사이 성토체의 아칭효과를 극대화할 수 있도록 작은 인장변형률에서 높은 인장강도를 발현하는 것이 중요하며, 장기적으로 성토체의 부등침하가 발생하지 않도록 허용 인장변형률이 작아야 한다(Lee et al., 2014). 본 실험에서 사용된 토목섬유는 PET재료를 PP로 피복한 지오그리드(geogrid) 제품으로 Table 3은 각 Case별 보강된 토목섬유의 특성을 보여주며 Fig. 6(c)는 지오그리드를 배치한 모습이다. 1겹으로 보강(Case 2)한 경우에는 양방향 인장력을 가진 지오그리드를 사용하였고, 2겹으로 보강(Case 3)한 실험에서는 일방향 인장력을 가진 지오그리드를 직각방향으로 배치하여 양방향의 인장성분을 발휘하도록 하였다. 또한 토목섬유의 손상을 방지하기 위해서, case 2와 case 3 실험은 말뚝두부에 10cm 두께로 흙을 포설한 후 토목섬유를 설치하였으며, 2겹으로 보강한 Case 3의 경우에는 추가적으로 토목섬유의 사이에 10cm의 간격을 두어 성토를 실시하였다. EBGEO 설계방법에 따르면 토목섬유를 보강하는 경우, 말뚝두부와 토목섬유의 사이를 15cm 이하(1겹 보강의 경우) 또는 30cm 이하(2겹 보강하는 경우)의 간격을 두어 성토하도록 권장하고 있지만, 본 실험에 사용된 촘촘한 격자형태의 토목섬유(지오그리드)는 상대적으로 자갈 등의 간섭을 적게 받을 것으로 예상하여 약 10cm 정도의 간격을 적용하였다.
4.2.4 성토재료
본 실험의 성토재료로는 경기도 안양-성남 고속도로 산간 구간에서 채취한 화강풍화토를 사용하였다. Table 4는 성토재료의 물리적 성질을 보여주며, 강성과 강도 결정을 위하여 실내 및 현장 재료시험을 수행한 결과 성토재료로 적합한 것으로 평가되었다. Fig. 6(d)는 단계적으로 층 다짐 성토를 하는 실험 전경으로 성토 후에 물 치환법 현장밀도 시험을 통해 성토지반의 적절한 상대 다짐도를 확인하였다.
4.3 계측기 설치
토목섬유로 보강된 성토지지말뚝시스템에서 말뚝으로 전달되는 수직하중은 성토지반의 아칭효과에 의한 부분(load part A)과 토목섬유 인장력의 수직성분(load part B)으로 나눌 수 있으며 서로 영향을 주게 된다(Lee, 2009). 그러나 기존의 설계기법들은 상호 의존적인 이 두 종류의 하중전달 작용 사이의 상관관계에 대해서는 고려하지 않고 있다. 본 실험에서는 반복하중을 분담하는데 있어서 아칭과 토목섬유 사이의 정확한 상관관계를 파악하기 위해 전달되는 수직하중을 분리하여 측정하였다. Fig. 7(a)는 실험에 사용된 계측기와 측정 방법을 보여준다. 먼저 말뚝 전체에 작용하는 축력(하중 A+B, Fig. 2)을 측정할 수 있도록 말뚝 캡 부분에 하중계를 삽입하였고, 말뚝에 작용하는 하중 중에 토목섬유에 의하여 전이되는 하중을 배제하고 아칭효과에 의한 부분(하중 A, Fig. 2)만 분리하기 위하여 토목섬유 상부에는 말뚝캡과 동일한 크기를 가진 지중 하중계를 설치하였다. 또한, 일부 말뚝으로 전달되지 못하고 연약지반으로 직접 전이된 수직응력을 측정하기 위해 직경 10cm인 원형 토압계를 사용하였다.
Fig. 7(b)는 계측기의 위치를 나타내며, 반복하중을 재하한 지점 하부에 위치한 가운데 말뚝 2개 부분에 하중계를 매립하였다. 말뚝에 매립된 하중계 2본만을 사용한 무보강 Case 1을 제외하고 Case 2, Case 3 실험에서는 Fig. 7(b)와 같이 토목섬유를 기준으로 위, 아래 하중계 2본과 토압계 1본을 추가적으로 설치하였다.
4.4 동적 반복하중 조건
열차운행에 따라 GRPS 시스템에 작용하는 동적 반복하중을 모사하기 위하여 Fig. 8과 같이 침목과 레일을 체결한 궤도를 성토부 중앙에 배치하였다. Fig. 9는 실대형 실험에 적용된 반복하중 조건을 나타내며, 반복재하 장치가 안전하게 작동할 수 있는 최대하중 220kN을 축하중으로 10만회 반복재하 하였다. GRPS 시스템의 하중전달 특성에 있어서, 반복하중 재하 주파수의 크기는 지지말뚝 간격에 비해 성토높이가 확보되지 않은 경우에 영향을 준다. 반복하중의 재하 주파수의 크기가 큰 경우에는 동적 하중으로 인한 아칭 감소비가 증가하며 말뚝 간격 대비 성토고의 크기가 작을수록 그 경향이 뚜렷하게 나타난다(Heitz et al., 2008). 본 실대형실험에서는 독일 EBGEO 설계법의 권고사항에 따라 말뚝 순 간격에 비하여 충분한 성토높이를 확보하였으므로, 하중재하 주파수(f)는 KTX 차량의 객차 축간 거리인 18.7m를 고려하여 열차의 설계속도를 약 270km/h로 반영한 결과인 4Hz를 적용하였다.
5. 실대형 동적 반복하중 실험 결과
5.1 실험 데이터 분석방법
반복재하에 앞서 노반안정화를 위한 예비 시험으로 정적하중을 재하하였지만 이 후 반복하중에 의해 증가된 하중값만을 실험결과로 나타내었다. 결과 데이터는 초당 100Hz로 계측된 하중값이며, FFT 해석으로부터 1차 진동수 성분이 입력 하중 진동수 4Hz임을 확인하였다. 또한, 계측과정에서 발생하는 노이즈 성분을 제거하기 위하여 하중계와 토압계에서 계측된 모든 raw data를 대상으로 Band pass 필터링을 실시하여 응답 주파수 4Hz 성분의 하중변화 진폭을 추출하였다. Fig. 10은 무보강 실험(Case 1)의 일부 raw data를 보여주며, Fig. 11은 3-5Hz band pass 필터링을 수행한 결과를 나타낸다. 모든 실험의 결과 데이터는 이와 같은 방법으로 일정한 간격의 반복하중 재하 횟수에 따라 측정된 수직하중의 최대 진폭을 추출하여 작성하였다.
5.2 말뚝 설치 하중계(Load-Cell) 결과
말뚝에 매립된 하중계 2본과 말뚝 위치 지오그리드 상부에 배치된 하중계 2본은 각각 이론상 같은 하중값이 측정되어야 하지만 실험적 오차가 발생하므로 평균값을 나타내었다. Fig. 12는 하중계에서 측정된 수직하중을 반복재하 횟수에 따라 타나낸 그림이다. 말뚝 위치의 지오그리드 상부에서 측정된 하중 A는 성토지반내 형성된 아칭효과에 의해서 전이된 하중을 의미하며, 지오그리드 하부의 말뚝에서 측정된 하중 A+B는 아칭효과와 더불어 토목섬유의 인장성분으로 최종 전이된 하중을 의미한다. 그러므로 Fig. 12에서 재하 횟수에 따른 두 하중의 차이는 오직 토목섬유의 인장성분으로만 전달된 하중을 보여준다.
Fig. 12(a)는 무보강 실험인 Case 1에서 측정된 말뚝이 부담하는 하중을 나타내며 재하횟수에 상관없이 비교적 일정한 하중이 오로지 아칭효과에 의해 말뚝으로 전달되었다. 반면 토목섬유를 보강한 Case 2,3 실험들은 각각 Fig. 12(b), (c)에서와 같이 모든 위치의 하중계가 반복재하 초기에 가장 큰 수직하중을 보이며 재하할수록 줄어들어 약 1,000회 이후부터 일정한 값으로 수렴하였다. 또한 지오그리드 하부의 말뚝에서 측정된 수직하중 A+B는 평균적으로 무보강의 경우 약 1.17t, 1겹 보강(40kN/m)의 경우 약 1.12t, 2겹 보강(150kN/m)의 경우 약 1.15t으로, 토목섬유의 보강유무와 보강정도에 상관없이 비슷하였다. 그러나 말뚝 위치의 지오그리드 상부에서 측정된 수직하중 A는 1겹 보강(40kN/m)의 경우 약 1.06t으로 말뚝에서 측정된 수직하중(A+B) 1.12t과 큰 차이가 없었지만, 2겹 보강(150kN/m)한 실험에서는 말뚝에서 측정된 수직하중(A+B) 1.15t의 65%에 해당하는 작은 하중 값이 측정되었다.
5.3 연약지반 토압계 결과
Fig. 13은 토압계로 계측된 말뚝 사이 중앙 연약지반 구간에서의 수직응력을 재하횟수에 따라 도시한 그림으로, Fig. 13(a)는 1겹 보강한 case2, Fig. Fig. 13(b)는 2겹 보강한 case 3의 결과이다. 연약지반 상부에서 계측된 수직응력은 아칭효과 및 인장력으로 말뚝으로 전이되고 남은 연약지반에 직접적으로 가해지는 하중을 의미한다. 그림에 나타나듯이 연약지반에 가해지는 수직응력은 0.2～0.3kPa 정도이며 반복재하횟수가 증가해도 값이 일정하게 나타났다. 이는 말뚝에서 계측된 하중보다 훨씬 작은 값을 보이고 있으며, 이는 토목섬유의 보강으로 인해 연약지반이 부담해야하는 하중이 급격히 감소되는 것을 의미한다. 또한, case2와 case3 실험에서 계측된 토압계가 유사한 값을 보이는데, 이는 말뚝으로 최종 전이된 하중이 지오그리드 보강 정도와 무관하게 일정하게 나타난 하중계의 결과와도 일치한다. 단, 본 실험에서 설치된 토압계는 실험 조건상 연약지반층 위에 설치되어 지지층이 단단하지 못하여 정확한 수직응력을 측정하였다고 보기에는 한계가 있을 수 있다.
6. 매개변수별 하중전이 특성 분석
6.1 기존 연구결과와 실대형 반복재하실험 결과의 비교
성토 후 반복하중이 작용하는 GRPS 공법 시스템에서 토목섬유의 보강으로 인한 하중전달 메커니즘의 변화를 분석하기 위하여 다음 Fig. 14와 같이 하중계 계측위치에 따른 평균 수직하중을 나타내었다. 실험 Case별 평균 수직하중은 반복재하 초기에 측정된 하중을 제외하고 1,000회 이후 수렴한 수직하중의 평균값을 나타낸다. 토목섬유를 보강하지 않은 Case 1 실험에서는 아칭효과로 인한 하중전달(A)이 곧 최종 말뚝으로 집중되는 수직하중(A+B)과 같음을 알 수 있으며, 지오그리드 하부 말뚝에서의 수직하중(A+B)이 토목섬유를 보강한 Case 2,3 실험에서와 비슷하게 측정되었다. 그러나 아칭효과로 인한 반복하중의 전이(A)는 무보강 실험 결과값을 기준으로 40kN/m 보강한 경우(Case 2)는 약 10%, 150kN/m로 보강한 경우(Case 3)는 약 35% 정도 줄어드는 것으로 나타났다. 즉, 토목섬유의 보강유무와 보강정도에 상관없이 최종 말뚝이 부담하는 반복하중에는 차이가 없지만, 강성이 큰 토목섬유로 보강할수록 아칭효과가 줄어들고 줄어든 아칭효과만큼 토목섬유의 인장력이 분담한 것으로 보인다. 일반적으로 성토지반내 아칭구조는 말뚝과 연약지반 사이의 상대적인 침하발생으로 형성되는데 인장력을 가진 토목섬유가 연약지반 위에 보강되면 말뚝사이에 지지강성이 생기게 된다. 이로 인해 연약지반의 상대변위가 감소하게 되어 아칭효과는 감소하고, 강성이 큰 토목섬유가 분담하는 반복하중이 증가하는 것으로 판단된다.
본 실대형실험의 결과는 선행 연구자들의 결과와 일치한다. Moormann et al.(2016)은 반복하중을 받는 GRPS 구조에서 성토지지말뚝의 하중분담률은 보강층수에 영향을 받지 않는다고 평가하였다. 또한, Lee(2009)은 성토하중이 말뚝으로 전이되는 효과가 토목섬유의 보강 증가에 따라 아칭효과에서 인장효과로 전이되는 현상을 확인하였다. Moorman et al.(2016)의 연구는 해석적 기법에 국한되어 있으며 아칭효과에서 인장효과로 전이되는 매커니즘을 명확히 규명하지 못하고 있으며, Lee (2009)의 연구는 정적하중을 대상으로 한 해석적 부분에 한정하고 있으나, 본 연구의 실대형 동적 반복재하 실험결과와 부합하는 것을 알 수 있다. 반면 토목섬유 보강유무를 매개변수로 GRPS 시스템에 반복하중을 적용한 2차원의 DEM 해석 결과, Han et al.(2009)은 보강한 경우가 무보강시보다 말뚝으로의 응력집중비가 약 2배 가량 증가함을 보였으며, 토목섬유가 말뚝기초에 전달되는 하중을 증가시킨다고 하였다. 이는 본 논문에서 실시한 실대형 반복재하 실험 분석과는 상반되는 결과이지만, Han et al.(2009)의 해석결과는 하중전이 메커니즘에 큰 영향을 미치는 요소인 말뚝 순 간격에 대한 성토고의 비율(h/s)이 약 1인 모델을 바탕으로 수행하였기 때문에, 본 실대형실험(h/s=2.0) 결과와 직접적으로 비교하기는 어렵다. 추후, 말뚝 간격비를 다르게 하여 실대형 반복재하 실험을 진행한다면, 보다 정확한 분석으로 기존 연구결과와 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
6.2 반복재하 초기 말뚝으로 전달되는 하중의 변화
반복재하 횟수에 따른 수직하중을 보여준 Fig. 12를 통해 토목섬유를 보강한 실험(Case 2,3)에서 동적하중의 반복재하 초기 하중전달효과가 감소하는 현상을 확인하였다. 이를 보다 정확하게 분석하기 위하여 Fig. 15와 같이 반복재하 초기시점과 종료직전에 측정한 수직하중을 나타내었다. Fig. 15(a)는 말뚝 위치의 지오그리드 상부에서 측정된 수직하중으로, 아칭효과로 인한 하중 A의 전달이 초기 반복하중에 의해서 약 5-8% 정도 감소되며 감소되는 기울기는 비슷하게 나타났다. 또한, 초기 감소된 아칭효과가 최종 말뚝으로의 하중전달 효과에도 영향을 미치는 것을 Fig. 15(b)를 통해 확인할 수 있다. 이는 성토하중에 의해서 형성된 정적 아칭구조가 반복하중 재하시 발생되는 진동에 의해 붕괴되고 재형성되는 과정을 통해 아칭구조가 약해진 것으로 판단된다. 또한, 반복적인 하중이 초기의 아칭효과를 감소시키는 것을 의미하며, 한계 성토고 이하에서는 반복하중에 의해 아칭이 약해질 수 있는 가능성을 내포한다.
7. 결 론
본 연구에서는 토목섬유의 보강유무와 보강정도를 매개변수로 실물크기의 성토지지말뚝 시스템을 조성하여 동적 반복재하 실험을 수행하고, 이 실험에서 얻은 하중계 및 토압계 측정값을 바탕으로 다음과 같은 결론들을 도출하였다.
(1)말뚝에 매립된 하중계의 계측 결과, 평균적으로 모든 case 실험에서 유사한 하중값을 보였으며 이는 토목섬유의 보강유무와 보강정도에 상관없이 최종 말뚝이 부담하는 하중이 같음을 나타낸다.
(2)말뚝 위치 지오그리드 상부에 배치된 하중계의 계측 결과, 토목섬유를 보강하지 않은 경우에 아칭효과로 인한 하중전달이 가장 크게 나타났으며 토목섬유의 보강 정도가 증가함에 따라 아칭효과로 전달되는 하중이 작아지는 것을 확인하였다. 이는, 한계성토고로 조성된 GRPS 시스템에서 강성이 큰 토목섬유로 보강할수록 아칭효과가 줄어들고 줄어든 아칭효과만큼 토목섬유의 인장력이 분담한 다는 것을 의미한다. 이는 토목섬유로 인해 연약지반의 상대변위가 감소하게 되고 이로 인해 아칭효과 감소하였기 때문으로 판단된다.
(3)토목섬유를 보강한 실험(Case 2,3)에서 계측된 반복재하 횟수에 따른 연약지반 상부의 수직응력은 0.2～0.3kPa으로 유사하게 나타났다. 이는 아칭효과 및 토목섬유의 인장력으로 인해 말뚝으로 전이되고 남은 반복하중을 의미하며, 연약지반이 부담해야하는 하중이 급격히 감소하는 것을 보여준다.
(4)반복재하 초기, 토목섬유를 보강한 실험(Case 2,3)에서 반복하중 전달효과가 약 5-8% 정도 감소하는 현상을 확인하였다. 이는 성토하중에 의해서 형성된 정적 아칭구조가 반복하중 재하시 발생되는 진동에 의해 붕괴되고 재형성되는 과정을 통해 아칭구조가 약해진 것으로 판단된다. 또한, 반복적인 하중이 초기의 아칭효과를 감소시키는 것을 의미하며, 한계 성토고 이하에서는 반복하중에 의해 아칭이 약해질 수 있는 가능성을 내포한다.
