토목섬유로 보강된 성토지지말뚝공법의 타원형 지반 아치 모델링 = Modeling of Ellipsoidal Soil Arch in Geosynthetics Reinforced Piled Embankments

국문 초록 (Abstract)

토목섬유를 보강한 성토지지말뚝공법은 지반 아치와 토목섬유를 통하여 성토 및 공용하중이 연약지반으로 전달되는 것을 최소화시키는 공법이다. 본 논문에서는 성토지지말뚝공법에 대한 실물 대형 실험을 실시하여 지반 아치 현상을 개략적으로 파악하였다. 실험과 동일한 조건의 3차원 유한요소 수치모형을 작성하여 실험 결과와 비교·검증하였고, 일련의 매개변수 연구를 실시하여 지반 아치 구조의 변화를 추적하였다. 수치해석결과를 바탕으로 지반 아치 구조의 가변성을 고려할 수 있는 타원형 지반 아치 이론을 제안하였다.
성토지지말뚝공법에 대한 실물 대형 실험은 총 4가지 토목섬유 보강 조건에서 수행하였다. 성토고에 따라 성토지지말뚝공법의 거동은 2개의 Stage로 구분할 수 있다. Stage 1은 성토고에 따라 지반 아치가 본격적으로 형성되며 말뚝효율이 증가하는 단계이며, 토목섬유 보강에 의한 말뚝효율의 향상을 기대하기 어렵다. Stage 2는 지반 아치가 완전히 형성되어 성토고에 무관하게 말뚝효율이 일정하게 유지되는 단계이며, 토목섬유 보강에 의해 말뚝효율이 향상된다. 토목섬유의 설치는 성토체 하단의 연직변위량을 큰 폭으로 감소시킨다.
유한요소 해석결과에서 최대 주응력 선도와 연직응력 분포도를 바탕으로 가변성 응력 전달 경로를 타원형 지반 아치 구조로 가정하였다. 타원형 지반 아치 구조의 형태를 Ho(outer arch height)와 Hi(inner arch height)를 이용하여 정의하였다. 연약지반 강성, 성토체의 내부마찰각, 토목섬유 인장강성, 그리고 성토체의 높이를 변화시키며 Ho와 Hi의 변화, 즉 타원형 지반 아치 구조의 변화를 추적하였다. Ho와 Hi에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 연약지반 강성이다. 성토체 높이와 내부 마찰각, 토목섬유의 인장강성의 변화는 연약지반 강성과의 조합 조건에 따라 차이를 발생시켰다. 본 연구의 수치 해석 조건에서 연약지반의 강성이 2MPa 이상이면, 연약지반 강성 이외의 다른 매개변수 조건이 지반 아치 변화에 미치는 영향이 미미해진다. 연약지반 강성이 1MPa인 경우, 성토체의 내부마찰각과 정규화된 성토고의 변화에 따른 Hi/Ho는 0.4부근으로 수렴하였다.
본 논문에서는 Ho와 Hi의 변화를 반영할 수 있는 타원형 지반 아치 이론을 개발하였다. Ho와 Hi의 변화시켜 기존 이론들(Hewlett & Randolph, 1988; Zeaske, 2001; Van Eekelen et al., 2013)의 지반 아치 형태를 묘사할 수 있으며, 그 외의 다양한 형상의 지반 아치를 표현할 수 있다. 타원형 지반 아치 이론은 McGuire (2011), Zhuang & Cui (2015)과 같이 타 연구에서 정리한 지반 아치의 형상 변화를 수용할 수 있다. 타원형 지반 아치 이론은 말뚝효율을 약 1.12~1.16배 과대평가하는 경향이 있으나, 성토체 저면에 작용하는 연직 응력의 분포를 보다 현실적으로 가정한다면 측정한 말뚝효율에 가까워지도록 개선될 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Geosynthetic reinforced piled embankment (GRPE) is a method to minimize the vertical load acting on the soft ground through the soil arch and geosynthetic reinforcements. In this study, large-scale experiments on the GRPE were conducted to understand the soil arching phenomenon in GRPE. Three-dimensional finite element models were compared and validated with the experimental results, and a series of parametric studies were conducted to track the changes of the soil arch structure. Based on the numerical results, the ellipsoidal soil arching theory which can consider the variability of the soil arch structure was proposed.
Large-scale experiments on the GRPE were carried out under four different basal reinforcement conditions. The behavior of the GRPE can be divided into two stages. In Stage 1, the soil arching effect is gradually developed, and the pile efficacy is linearly increased according to the embankment height. In Stage 2, the soil arch is completely formed, and the pile efficacy is kept constant regardless of the embankment height. The installation of the geosynthetic reinforcements significantly reduces the vertical displacement of the bottom of the embankment.
  Base on the maximum principal stress directions and vertical stress distributions obtained by numerical results, the stress transfer paths of the GRPE were assumed by the 3D ellipsoidal soil arch. The shape of the ellipsoidal soil arch can be defined by Ho (outer arch height) and Hi (inner arch height). The changes of Ho and Hi were summarized with the soft soil stiffness, the internal friction angle of the embankment, the geosynthetic tensile stiffness, and the embankment height. The most critical factor affecting the shape of the ellipsoidal soil arch is the soft soil stiffness. If the soft soil stiffness is more than 2 MPa, the influence of other parameters for shaping the soil arch becomes negligible. When the soft soil stiffness is 1 MPa, the variation of Hi/Ho versus the internal friction angle and height of embankments is converged to 0.4.
  In this thesis, an ellipsoidal soil arch theory is proposed to consider the changes in Ho and Hi. By adjusting the Ho and Hi, existing soil arch theories (Hewlett and Randolph, 1988; Zeaske, 2001; Van Eekelen et al., 2013) can be described, and the other dome-shaped soil arch also can be expressed. An ellipsoidal soil arch theory can accommodate the changes in soil arch shape summarized in other studies such as McGuire (2011) and Zhuang and Cui (2015). The elliptical soil arch theory tends to overestimate the pile efficiency by about 1.12-1.16 times. However, by assuming that the distribution of the vertical stress acting on the bottom of the embankment is more realistic as the model of the Van Eekelen et al. (2013), it will be improved to approach the measured pile efficacy.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구 배경
• 1.2 연구 목적과 방법
• 1.3 연구 제한조건
• 1.3.1 연약지반과 말뚝
• 1.3.2 성토체
• 1.3.3 토목섬유
• 1.4 논문의 구성과 내용
• 제 2 장 문헌 연구
• 2.1 성토지지말뚝공법의 힘 전달 구조
• 2.2 지반 아치 이론
• 2.2.1 Hewlett & Randolph(1988)의 이론 모델
• 2.2.2 Zaeske(2001)의 이론 모델
• 2.2.3 Van Eekelen(2015)의 이론 모델
• 2.3 토목섬유의 막 효과(membrane effect) 이론
• 2.4 국내외 관련연구
• 2.4.1 미국
• 2.4.2 유럽
• 2.4.3 중국
• 2.4.4 국내
• 2.4.5 국내외 문헌연구 조건 비교
• 제 3 장 실물 대형 실험
• 3.1 실물 대형 실험 조건
• 3.2 실물 대형 실험 결과 및 분석
• 3.2.1 말뚝 효율
• 3.2.2 성토체 하부면의 연직 변위
• 3.3. 소결
• 제 4 장 2차원 유한 요소 해석
• 4.1 개요
• 4.2 2차원 수치 해석 모형
• 4.2.1 유한 요소 해석망
• 4.2.2 해석에 사용한 물성치
• 4.2.3 수치해석 방법
• 4.2.4 매개변수 해석 조건
• 4.3 2차원 수치 해석 결과 및 분석
• 4.3.1 성토체 내부의 변위 분포와 지반 아치 형상
• 4.3.2 토목섬유 강성 변화에 따른 연직 변위 발생량 차이
• 4.3.3 토목섬유의 강성변화에 따른 말뚝 효율의 차이
• 4.3.4 토목섬유에서 발생하는 인장력 분포의 변화
• 4.4 매개변수 조건별 말뚝효율 증가량
• 4.5 소결
• 제 5 장 3차원 유한 요소 해석
• 5.1 개요
• 5.2 3차원 수해석 모형
• 5.2.1 유한 요소 해석망
• 5.2.2 해석에 사용한 물성치
• 5.2.3 유한 요소 해석 모형 검증
• 5.2.4 매개변수 해석 조건
• 5.2.5 유한 요소 해석 결과의 분석 방법
• 5.3 3차원 수치 해석 결과를 이용한 지반 아치 구조의 형상화
• 5.4 매개변수 조건에 따른 지반 아치 구조 추적
• 5.4.1 최외곽 아치 높이(Ho)의 결정
• 5.4.2 내부 아치 높이(Hi)의 결정
• 5.4.3 타 연구결과와의 비교
• 5.5 소결
• 제 6 장 타원형 지반 아치 이론 모형의 개발
• 6.1 개요
• 6.2 타원형 지반 아치 모형의 힘의 평형 방정식 유도
• 6.3 타원형 지반 아치 모형을 이용한 매개변수 연구
• 6.3.1 연직 응력 분포의 비교
• 6.3.2 말뚝효율의 비교
• 6.4 소결
• 제 7 장 타원형 지반 아치 이론 모형의 검증
• 7.1 성토지지말뚝공법 관련 실험 문헌 조사
• 7.2 타원형 지반 아치 이론과 실험 결과 간의 비교 분석
• 제 8 장 결론
• 참고문헌
• ABSTRACT
• 국 문 초 록