7. 교량기초 설계

7.1 교량기초 사전 검토

7.1.1 설계방향 및 착안사항

7.1.1.1 기본방향

- 기본설계 상세검토 후 보완조사·시험을 통한 설계정수 기초설계 반영

- 과업구간 지반분포 현황 및 시공여건, 교량구조물 형식에 적합한 기초형식 선정

- 기초설계 및 안정성검토시 유효성이 검증된 최신기법 적용

- 지반-구조물 상호작용 고려한 내진설계(SASSI 2000)

- 최적기초시공을 위한 상세 품질보증계획

- 환경오염 및 소음·진동으로 인한 민원을 최소화 할 수 있는 기초시공법 제시

- 선박충돌시 안정성 확보를 위한 교량기초 보호공 계획

7.1.1.2 기초설계시 주요착안 사항

(1) 지지층 선정

- 교각의 위치와 하중규모, 지반조건, 시공성을 고려한 예비 지지층 선정

- 조사시험결과(강도 및 변형특성)을 반영, 안정성 검토 후 최종 지지층 결정

(2) 기초형식 선정

- 작용하중, 지반조건 및 주변여건을 고려한 기초형식 선정

- 안정성, 시공성 및 경제성 등을 종합적으로 비교 분석하여 기초형식 선정

(3) 안정성 검토

- 안정성 검토시 조사시험 결과를 반영한 지반특성 적용

- 이론적·경험적방법등 최신의 검증된 기법적용

- 기초의 수평 및 연직지지력과 변위량 검토

- 교량형식을 감안한 특수기초(앵커리지기초)에 대한 세부 안정성 검토

(4) 내진해석

- 지반조건을 반영한 지진응답해석, 변형률 의존 동적 물성치 산정

- 지반-구조물 상호작용을 고려한 동적해석 및 안정성 검토

(5) 시공 및 유지관리 방안

- 지반의 투수특성과 시공성을 고려한 굴착계획 수립

- 앵커리지 설치를 위한 터파기시 투수해석 및 비탈면 안정성 검토

- 해상 앵커리지 시공을 위한 가물막이 공법의 안정성 확보

- 계측관리를 통한 기초 시공성 및 유지관리방안 확보

- 기초 지지력 검증을 위한 세부재하시험계획 수립

- 항로에 위치한 교량특성을 고려하여 충돌에 대한 방지대책 수립

7.1.2 기본설계분석 및 실시설계방향

7.1.2.1 거금연도교

7.1.2.2 소록교

7.1.2.3 기본설계 교량구조 형식

7.1.3 교량현황 및 실시설계 개선사항

7.1.3.1 거금연도교

7.1.3.1.1 종·평면도

7.1.3.1.2 거금연도교 현황

(1) 위치 : 전남 고흥군 금산읍 대흥리~도양읍 소록리

(2) 구간 : STA. 3+115~5+148m

(3) 연장 : 2,033m

7.1.3.2 소록교

- 종단도

- 소록교 현황

7.1.3.3 금진육교

- 종단도

- 현황

7.1.3.4 거금육교

- 종단도

- 현황

7.1.3.5 실시설계 개선사항

7.1.3.5.1 거금연도교

(1) 주요문제

(1.1) 사장교 주탑이 대수심부에 위치, 기초시공 어려움

(1.2) 접속교가 단경간으로 대심도 우물통시공이 많고 파쇄대 구간에 위치한 교각이 있음

(2) 설계방향

- 교량형식을 장경간 현수교 변경 대수심부를 피해 기초계획, 시공성 경제성 확보

- 경간이 긴 엑스트라도즈드교로로 변경, 교각기초 기수 감소시키고 파쇄대구간을 피하여 교각위치 선정

7.1.3.5.2 소록교

(1) 시점부 교대높이 12m로 토압이 커서 단면이 과대함

- Mass Con'c로 수평력 저감 및 교대 단면 최적화

(2) 소록교 시점측 교대가 계곡부 위치, 자연경관과 부조화

- 노선을 변경하여 교량연장축소 및 자연경관침해 최소화

(3) 지하수위 높은 잔류토상의 직접기초는 불안정함

- 기초형식을 기반암에 지지시킨 말뚝기초로 변경

7.1.3.6 중점착안사항

7.1.3.6.1 우물통기초 시공조건

(1) 현황

- 교각 위치의 수심 : 4.8~24.2m

- 현수교 구간 기반암 심도 : GL-0.7~8.6m

- 접속교 구간 기반암 심도 : GL-7.6~10.8m

(2) 착안사항

- 잔류토 풍화토층 깊어 건조시공 불가능

- 기반암 심도 얕아 건조시공 가능

7.1.3.6.2 접속교 지반조건

(1) 현황

- 토사층의 두께가 11.1m로 두꺼움

- 기초구간에 따라 지반 변형특성의 차이가 큼

- 기반암 하부에 풍화대 분포 구간 존재

(2) 착안사항

- 정밀해석을 통한 안정성 검증

- 인접기초간 부등침하량 교량상판 설계에 반영

7.1.3.6.3 과업구간 환경조건

(1) 현황

- 소록도에 녹지 8등급 지역 분포함

- 현수교 앵커리지 기초 시공시 소록도 및 대화도 자연환경 훼손을 최소화하여야 함

(2) 착안사항

- 대화도측면에 앵커리지를 계획, 자연훼손 최소화

- 지중정착식의 앵커리지로 해안지형의 자연미 살림

7.1.3.6.4 소록교 말뚝시공조건

(1) 현황

- 매우 조밀한 잔류토층이 7.0~10.0m두께로 분포함

- 기초구간에서 50m내에 민가나 측사가 위치하여 소음·진동으로 인한 민원 우려됨

(2) 착안사항

- 소음·진동 영향권, 중굴+T4공법 적용

- 슬라임제거, 선단콘크리트 채움으로 지지력확보

- Con'c채움으로 지지력 확보

7.1.4 지반조사 결과 활용

7.2 교량기초 형식 및 시공법 선정

7.2.1 기초형식 선정 기본방향 및 중점고려사항

7.2.1.1 기초형식선정의 기본방향

- 지형 및 지질특성, 구조물 특성을 종합적으로 분석하여 기초형식 선정

- 지층특성 및 주변환경조건을 반영한 합리적인 기초형식 도출

- 해양특성 및 예상민원을 고려한 최적기초형식 선정

7.2.1.2 기초형식선정시 중점고려사항

(1) 환경적 측면

- 과업구간의 수질오염방지에 유리한 기초형식 선정

- 인근 주거지의 소음·진동영향 적은 기초공법 검토

(2) 수리적 측면

- 파압을 고려한 교량기초 안정성 검토

- 유수의 흐름을 고려한 기초형식 및 규모검토

(3) 지반분포 측면

- 접속교 중앙부 및 현수교 종점부에서 토사 및 풍화암 심도 깊음

- 과업구간의 기반암은 화강편마암으로 절리가 발달함

- 해상 일부 기반암에 단층대 및 파쇄대 존재

(4) 안정성

- 지지력과 수평 및 연직 변위에 대한 안정성을 확보할 수 있는 다각적인 형식 선정 후 비교검토

- 이론적, 경험적 방법 및 수치해석 등 최신기법을 이용한 안정성 검토

(5) 시공성

- 현장상황을 고려한 교각기초의 형식 선정

- 시공기간을 최소화 할 수 있는 기초공법 검토

(6) 경제성

- 기초형식별 공사비검토를 통한 경제적인 형식선정

7.2.1.3 지층조건 및 주변현황 분석

7.2.2 기초형식 검토

7.2.2.1 기본방향

- 지층조건 및 각 토층의 특성을 분석하여 기초하중을 충분히 지지할 수 있는 지지층을 선정

- 과업구간 특성에 최적으로 부합되는 기초형식 및 가설공법 선정

- 교량별 지지층 심도 및 구조물 규모 등을 고려하여 선정

- 지반조건에 따른 가설공법 선정과 시공시 유의사항에 대한 의견을 제시

7.2.2.2 거금연도교 구간

7.2.2.2.1 기초형식 선정배경

7.2.2.2.1.1 현황도

7.2.2.2.1.2 상부구조 형식 및 하중조건

(1) 상부구조 형식

- 주경간이 750m인 1,123m의 현수교와 910m의 엑스트라도즈드교로 이루어진 장대교량(교량연장 = 2,033m)으로서 상부반력 및 수평하중이 큼

(2) 하중조건

- 설계활하중 : DB-24, DL-24(1등교)

- 설계풍속 : V10 = 40m/sec

- 지진가속도계수 : A = 0.154g(내진 1등급교, 지진구역 I : 입찰안내서 기준적용)

- 기타 파압, 유수압, 선박충돌하중 등

7.2.2.2.1.3 현장조건

7.2.2.2.1.4 환경조건

녹지지역 8등급의 소록도와 해상국립공원이 인접해 있는 천혜의 자연환경을 가진 지역으로 기초공사시 해상 부유물등의 확산으로 인한 민원발생이 있을 수 있으므로 시공시 별도의 대책마련 필요

7.2.2.2.1.5 시공조건

- 교량가설에 제한이 있는 방파제로 인하여 일괄가설에 제한이 있음

- 조류속은 1.3knot 정도로 느린 편이지만 P1, P2를 제외한 수심이 9.1~24.2m로 비교적 깊음

- 대부분의 교각위치는 Barge와 해상크레인 진입 용이함

7.2.2.2.1.6 거금연도교 지반조건

7.2.2.2.1.7 주경간교 지반조건

(1) 지반분포상태

(2) 기반암의 역학적 특성 분석

(3) 주탑부 지반조건 검토결과에 의한 중점고려사항

- 지지층 심도 결정시 기반암층이 경사져 있으므로 경사면 하부를 기준으로 근입심도 결정

- 해상시공으로 수심이 19.0~22.7m로 깊고 기반암 심도가 얕으므로 안정성, 시공성 및 경제성을 비교·검토 후 기초 시공법 선정

7.2.2.2.1.8 앵커리지부 지반조건

(1) 기반암 분포현황

(2) 지반분포상태

(3) 기반암의 역학적 특성 분석

(4) 앵커리지부 지반조건 검토결과에 의한 중점고려사항

- 남측앵커리지는 해상과 육상시공을 병행해야 하며 기반암 심도가 깊지않은 조건을 고려하여 선정하고, 안정성, 시공성 및 경제성을 비교·검토 후 시공법 적용

- 북측앵커리지의 경우 남측으로 경사진 지반구조로서 기반암 심도가 깊고 상태가 매우 양호하므로, 기반암의 조건을 최대한 활용할 수 있는 형식으로 선정하되 기반암의 강도특성 및 변형특성을 고려하여 시공법 선정

7.2.2.2.1.9 접속교부 지반조건

(1) 지반분포상태

(2) 기반암의 역학적 특성 분석

(3) 지반조건 검토결과에 의한 중점고려사항

- EPY1~EPY3구간은 수심이 9.1~24.2m로 매우 깊고 기반암의 상태가 기초위치에 따라 편차가 큰 것을 고려하여 기초형식을 선정하고 안정성, 시공성 및 경제성을 비교·검토 후 기초시공법 적용

- P1, P2구간은 수심이 깊지 않으며 주탑구간과 시공조건이 차이는 있으나 기초형식의 일관성을 고려하여 동일한 기초형식을 적용하는 것으로 계획

7.2.2.2.2 거금연도교 기초형식 선정

7.2.2.2.2.1 해상교각 기초형식 선정

(1) 해상 기초형식의 선정조건

- 상부하중에 대한 지지특성이 우수하고, 지층구성 및 지반 특성에 적합한 기초형식 선정

- 구조적인 안정성이 우수한 기초형식 적용

- 시공성 및 가설시 안정성이 우수한 기초형식 선정

- 경제적인 공법의 선정

(2) 기초부지의 지반 및 해양조건

- 대수심기초의 적용성 검토결과로 특수한 기초형식은 배제하고 비교검토 함

- 해저면 아래 얕은 심도에 기반암(양호한 지지층)이 존재한다.

- 비교적 파고는 낮으며 조류속이 있다.

7.2.2.2.2.2 앵커리지형식 선정

- 남측앵커리지

- 북측앵커리지

7.2.2.2.2.3 시·종점부교대 기초형식 선정

7.2.2.2.2.4 거금연도교 지점별 기초형식결과

7.2.2.3 소록교 구간

7.2.2.3.1 현황도

7.2.2.3.2 기초형식 선정배경

7.2.2.3.2.1 지반조건(소록교)

(1) 지층단면

(2) 지층상태

- 상부 퇴적층 : GL.-1.4~4.3m, 전답, 매립층

- 잔류토층 : GL.-1.2~10.0m

- 풍화암 : 시점부 ⇒ GL.-10.2~12.0m, 종점부 ⇒ 풍화암층 없음

- 기반암 : GL.-3.0~21.5m

(3) 기반암 특성

- 기반암은 편마암의 연·경암으로 보통풍화정도 및 보통강함 정도를 보임

- TCR : 18~100%, RQD : 0~90%

- 공내재하시험으로부터 측정된 현장 변형계수(연·경암) : 9,532~22,580kg/㎠

(4) 중점고려 사항

- 인근 주거단지를 고려하여 환경친화적이고 시공성 및 경제성을 감안한 형식 선정

- 깊은기초의 경우 안정성을 확보할 수 있는 적정 근입깊이 선정

7.2.2.3.2.2 상부구조 형식 및 하중조건

(1) 상부 구조형식

- PSC 박스거더교

(2) 하중조건

- 설계활하중 : DB-24, DL-24(1등교)

- 지진가속도계수 : A = 0.098g(내진 1등급교, 지진구역 II)

7.2.2.3.3 소록교 기초형식 선정

7.2.2.3.4 지점별 적용 기초형식 선정결과

7.2.2.4 금진육교 구간

7.2.2.4.1 기초형식 선정배경

(1) 지반조건

- 상부토층 8.8~10.2m로 분포

- 풍화암은 0.4~8.3m 층두께로 분포

- 풍화암은 기반암의 완전풍화대로 매우조밀하며 실트질 세립내지 중립모래로 분해됨

- 지하수위 GL.-12.3~17.9m

(2) 상부형식

- π형 라멘교

(3) 하중조건

- 설계활하중 : DB-18, DL-18

- 지진가속도계수 : A = 0.098g(내진 1등급교, 지진구역 II)

(4) 중점고려사항

- 터파기 시공성, 경제성을 감안하여 적정 형식 선정

- 직접기초의 경우 안정성을 확보할 수 있는 적정 근입깊이 선정

(5) 적용방안

- A1 : 지지층인 풍화암 심도가 얕으므로 직접기초 적용

- A2 : 토사층 심도를 고려하여 기초저면 Mass Concrete타설 후 직접기초 적용

7.2.2.4.2 금진육교 기초형식 선정

(1) A1, A2 개요도

(2) 기초형식 선정사유

- 토사층 심도가 깊지않고 지하수위가 낮음

- 터파기시 지하수위에 의한 지반연화현상 발생하지 않음

- A2의 경우 토사층두께가 10.2m로 교대높이가 높아지므로 하부 Mass Concrete 타설 후 직접기초 설치

7.2.2.4.3 지점별 적용 기초형식

7.2.2.5 거금육교 구간

7.2.2.5.1 기초형식 선정배경

(1) 지반조건

- 표토층 0.4m로 분포

- 풍화토층 11.1m 층두께로 분포

- 시추심도 범위에서 지하수위 나타나지 않음

- 상부 풍화토는 기반암의 완전풍화대로 실트질 모래로 이루어져 있으며, 조밀 내지 매우조밀 상태임

(2) 상부형식

- 사장교

(3) 하중조건

- 설계활하중 : DB-24, DL-24(1등교)

- 지진가속도계수 : A = 0.098g(내진 1등급교, 지진구역 II)

(4) 중점고려사항

- 거금연도교 휴게소 보도육교로 사용

- 주위환경과의 조화 및 기초의 경우 안정성을 확보할 수 있는 적정 지지층 선정

(5) 적용방안

- 풍화암의 심도는 깊게 나타났으나 보도육교로 상부하중이 작고 풍화토층이 매우 단단하며 지하수위도 나타나지 않음 ⇒ 풍화토층에 지지하는 직접기초

7.2.2.5.2 거금육교 기초형식 선정

(1) P1, P2, PY1, A1 개요도

(2) 기초형식 선정사유

- 지지층인 잔류토층의 상대밀도가 조밀이상으로 양호함

- 보도육교로 상부하중이 작음

- 터파기시 지하수위에 의한 영향 없음

7.2.2.5.3 지점별 적용 기초형식

7.2.3 기초 시공법 검토

7.2.3.1 우물통 기초 시공방안

7.2.3.1.1 지지층 심도에 따른 시공방안 검토

7.2.3.1.1.1 침설식 우물통 기초(선정)

(1) 개요도

(2) 가설방법

- 우물통 제작장에서 콘크리트 외벽제작

- 우물통 거치장소 준설 및 면고르기

- 해상크레인으로 우물통운반 및 거치

- 강재거푸집 이용, Lot별 구체 축조 후 거푸집 해체

- 우물통 내부굴착 및 침설

- 부력선까지 수중콘크리트 타설

- 내부 해수 배출

- 격벽설치 후 상부슬래브 타설

(3) 적용성

- 우물통 설치시 굴착이 필요한 모든 교각에 대하여 시공이 적합한 것으로 평가됨

7.2.3.1.2 거치식 우물통 기초

(1) 개요도

(2) 가설방법

- 우물통제작장에서 콘크리트 외벽제작

- 우물통거치 장소 표토층 제거 후 발파 및 면고르기

- 우물통 저면과 세굴방지용 사석채움

- 우물통 저면과 굴착저면 밀착을 위해 Grouting실시

- 부력선까지 수중 콘크리트 타설

- 내부 해수 배출

- 격벽설치 후 상부슬래브 타설

(3) 적용성

- 지지층 심도가 얕은 경우에 시행가능

- P1, P2접속교 및 PY1지역의 경우 상부토층은 깊지 않으나 암굴착량이 많아 시공성이 결여됨

7.2.3.2 말뚝기초 시공법 선정

7.2.3.2.1 말뚝기초 시공법 비교

7.2.3.2.1.1 말뚝 재료의 선정

- 본 과업의 말뚝기초 시공법에 대하여 검토한 결과 현장타설말뚝에 비해 기성말뚝의 적용성이 우수한 것으로 판단됨

- 교축직각방향으로 말뚝기초의 지지층이 경사져있는 교대부의 지반특성을 감안할 때 시공성을 향상시키기 위해서는 강관말뚝을 적용하는 것이 바람직 할 것으로 판단됨

7.2.3.2.2 강관말뚝 항타시 소음·진동영향검토

7.2.3.2.2.1 개요

(1) 국내외의 소음, 진동 규제기준에 대한 검토를 시행하여 본 과업구간 적용기준 수립

- 말뚝재료의 선정

- 항타지층 분석

- 주변여건분석

- 항타장비선정

(2) 구조물별 말뚝항타시 소음, 진동치를 인근에 있는 민가와 대상물 이격거리별로 예측하고, 예측된 소음, 진동치가 각종 규제기준치의 허용치 이내에 포함되는지 검토

- 소음, 진동기준 설정

- 소음, 진동 영향반경 파악

- 항타 공해여부 검토

(3) 지역에 대한 지층 현황 파악 및 항타공법 적용시 예상 지지층까지 항타 시공 가능성 여부 판단 ⇒ 지층조건을 바탕으로 항타가능성을 검토

(3.1) 관입 지층 평가

(3.2) 항타해석

- 항타관입성

- 항타응력

(4) 지층구성 및 환경영향 검토결과를 종합적으로 분석하여 말뚝기초 시공법 수립

- 항타공법

- 매입공법

7.2.3.2.2.2 환경조건에 대한 검토

7.2.3.2.2.2.1 소음영향 검토

(1) 생활소음 규제기준(소음진동규제법 시행규칙 제29조의 2 제3항 관련 별표7의 2)

주) 1. 소음이 측정방법과 평가단위는 소음·진동공정시험방법에서 정하는 바에 따른다.

2. 대상지역의 구분은 국토이용관리법(도시지역의 경우에는 도시계획법)에 의한다.

3. 규제기준치는 대상지역을 기준으로 하여 적용한다.

4. 옥외에 설치한 확성기의 사용은 1회 2분이내, 15분 이상의 간격을 두어야 한다.

5. 공사장의 소음규제기중은 주간의 경우 1일 최대작업시간이 2시간 이하일때는 +10dB을, 2시간 초과 4시간 이하일때는 +5dB을 규제기준치에 보정한다.

(2) 교통 소음의 한도(소음진동규제법 시행규칙 제37조 관련 별표10)

주) 대상지역의 구분은 국토이용관리법에 의하여, 도시지역은 도시계획법에 의함

(3) 소음 규제기준 허용치 선정

본 과업구간 주변의 주요구조물들은 주거지역, 취락 지역으로 구분할 수 있으므로 본 검토에서는 이상의 자료들을 바탕으로 주간 (08:00~18:00) 작업시 소음에 대한 허용기준치를 70dB(A)로 선정하였음

(3.1) Pile 항타시 소음 영향 검토

- 검토조건

건설기계 중 고소음 발생장비의 소음도 측정 예 (환경연구원 자료)

- 이격거리별 예측 소음 및 진동도 산정

음원의 전파(거리감쇠공식)

SPL_γ = SPL₀ (SPL_T) - 20log(γ/γ₀)

여기서,

SPL_γ : 수음점까지의 거리가 γ지점에서 개별투입장비의 발생소음도(dB(A))

SPL₀(SPL_T) : 소음원으로부터 γ₀ 지점에서 장비합성소음도 (dB(A))

γ : 소음원으로부터 예측점까지의 거리(m)

γ₀ : 소음원으로부터 기준점까지의 거리 (m, = 15m)

- 항타작업시 이격거리별 예측소음도(점음원 감쇄공식 적용)

- 항타소음의 전달 및 감쇠특성에 관한 연구결과 (대한건축학회논문집, 1999. 12)

공회전시 발생되는 소음은 항타소음에 비해 거리가 멀어져도 큰 감쇄가 발생되지 않으므로 항타소음과 함께 이에 대한 검토가 필요

유압식 항타공법 적용시 발생되는 소음을 항타시와 공회전시로 구분하여 소음레벨의 변화 및 감쇄특성을 파악 ⇒ 거리에 따른 소음레벨의 예측 상관식 제시

- 거리에 따른 소음레벨의 예측상관식

(3.2) 소음에 대한 영향 검토결과

- 말뚝항타 시공시 이격거리별 소음정도를 예측한 결과 디젤해머 항타시 400m, 유압해머 항타시 150m 이상일 경우 허용소음치 이내인 것으로 나타났음 ( → 장비의 공회전시 발생되는 소음을 포함한 검토결과 )

7.2.3.2.2.2.2 진동 영향 검토

(1) 진동에 대한 영향검토기준

- 허용 진동속도에 기준치는 대상구조물에 따라 다르며 국가별로도 다양한 기준을 제시하고 있으므로 본 검토에서는 이러한 기준들을 정리하고 적절한 기준값을 선정

(2) 각국의 진동에 대한 규제기준

(2.1) 독일의 허용진동기준(DIN 4150, 서울지하철 및 부산지하철 허용기준)

(2.2) 미국 광무국의 허용 진동기준(USBM)

(2.3) 캐나다의 허용진동기준(Edwards 와 Northwood, 1960)

(2.4) 일본의 허용진동기준

(2.5) 우리나라의 허용진동기준

- 국가 또는 지방자치단체에서 설정한 진동허용기준에 대한 구체적인 규제조항은 아직까지 없는 상황임

- 일반적인 경우 외국의 자료를 참고하여 서울지하철 2, 3호선 건설당시 설정한 기준과 독일의 기준과 동일한 부산지하철의 기준 등을 적용하고 있음

- 최근의 환경분쟁 조정사례를 살펴보면 ‘서울 민사 지법 합의 50부 판례(95.1.13)’에서 0.2cm/s를 발파진동 허용 기준치로 규정한 예가 있음

(3) 진동규제기준 허용치 선정

- 본 과업구간에서 말뚝시공시 진동허용 기준치는 가옥, 콘크리트 건물의 경우 독일기준을 준용한 서울 지하철의 상한 기준을 고려하여 4.0cm/s로 선정

- 구조물 외에 주거지역의 인체에 대한 허용진동규제기준은 일본의 경우와 독일과 우리나라에서 적용하는 기준치를 참고로 하여 0.2cm/sec를 적용하여 말뚝시공시 진동으로 인한 피해를 최소로 하는 것을 원칙으로 하였음

(4) 이격거리별 항타진동속도 검토

(4.1) Attewell과 Farmer는 많은 현장에서의 실측과 결과치의 회귀분석에 의하여 다음과 같이 말뚝의 항타에 의한 진동속도 추정식을 제안하였음

V = 32.36{√(W)/S}^1.61

여기서,

V : 최대진동속도(mm/sec)

W : 해머에너지 (KN-m)

R : 수평거리 (m)

(4.2) 항타장비 (HH-7, 유압해머)

- Ram 중량 : 7ton, 7 × 9.81 = 68.67KN

- Stoke : 1.2m

- 항타효율 : 0.9

- Energy : 74.16KN·m ( = 68.67 × 1.2 × 0.9)

(4.3) 이격 거리별 예측 진동속도(Attewell, Farmer 제안식 적용)

(5) 진동에 대한 영향 검토결과

- 유압해머(HH-7)로 말뚝항타시 발생되는 진동속도를 Attewell과 Farmer의 제안식에 의해 이격거리별 진동 속도를 산정말뚝항타시 진동에 관한 영향원 반경을 50m로 결정

7.2.3.2.2.2.3 항타공법 적용시 소음 및 진동에 관한 규제 기준 및 영향원

7.2.3.2.2.3 말뚝기초 항타 시공에 따른 소음·진동 영향도 검토결과

- 말뚝 시공 계획 위치 : 소록교 교대A1, 교각P1, P2

- 소음 및 진동에 대한 환경영향 검토결과 : 항타공법 불가

7.2.3.2.2.4 지층 및 환경조건에 의한 시공법 검토

말뚝이 풍화토를 관입해서 시공될 경우엔 항타가능성 분석결과로 미루어 볼 때 항타공법을 적용 하는것이 가능하며, 자갈 및 전석을 포함한 퇴적토 및 붕적토층의 경우에는 항타공법 적용 불가능

(1) 교량별 항타가능성 검토결과

(2) 결론

- 지층 및 환경조건에 대한 검토결과 소록교 말뚝시공 구간에 저소음, 저진동 공법인 매입말뚝 계획함

7.2.3.2.3 매입말뚝 시공법 비교

주) SIP : Soil Cemented Injected Pile, PRD : Percution Rotary Drilling

- 말뚝시공구간이 소음·진동영향권이므로 말뚝항타시공을 전면배제함

- 기반암까지 굴착하여 지지시키기 위하여 오거비트 선단에 T-4의 부착이 필요함

- 선단부의 슬라임을 고압공기로 분출제거하고 강관내부선단 5D이상을 콘크리트로 속채움하여 유해한 침하를 방지하고 충분한 지지력을 확보함

7.3 교량기초 안정성 검토

7.3.1 설계지반정수의 적용

7.3.1.1 개요

- 기초의 지지력, 거동특성 등 안정성 검토 항목별 적용 지반정수 도출

- 실내시험, 현장시험 및 기존문헌의 제안값을 종합 검토한 후 기초위치에 따른 적용지반정수 도출

- 강도특성, 변형특성, 투수특성 및 내진특성의 4가지 특성으로 구분하여 세부지반정수 산출

7.3.1.1.1 지층별 지반정수 도출을 위한 시험항목 및 적용방향

7.3.1.2 설계지반정수 결정방법

7.3.1.3 토사층의 설계지반정수 결정

- 시추조사결과 퇴적층, 풍화토층이 분포하는 지층특성을 보이고 있음

- 주경간교 주탑 PY2지역의 경우 실트가 함유된 느슨한 모래층 분포

- 지층별 표준관입시험 결과 지표부근은 느슨하고, 하부로 갈수록 조밀해지는 일반적인 경향을 보임

7.3.1.3.1 토사층의 강도정수 및 단위중량 산정

- 내부마찰각 : Dunham 식 적용 ⇒ ø = √(12N) + 15

- 단위중량 : 일본 토질공학회에서 제시한 N치에 따른 단위중량 산정기준 적용

7.3.1.3.2 원지반 토사층의 변형계수 (Em) 및 포와송비 산정

토사층의 변형계수 및 포와송비는 문헌에서 제시하는 값을 상호 비교하여 토질특성에 합당하다고 판단된 값을 선정함 ⇒ Schmertmann의 관계식 (E_m = αN (kgf/㎠), α = 10 적용)

7.3.1.4 풍화암의 설계지반정수 결정

- N치 50/10 이상의 실트섞인 모래성분을 보이고 있음

- 시험값을 우선적으로 고려하되 보다 합리적인 정수결정을 위하여 문헌값을 참조함

- 풍화암의 설계정수 산정

7.3.1.5 기반암(연·경암)의 설계지반정수 결정

- 전체 구간중에서 기초지지층에 해당하는 기반암에 대한 현장시험값과 RMR 분류결과를 비교·분석하여 설계지반정수 결정

- 단위중량 : 일축압축강도 시험값 적용

- 점착력, 내부마찰각 : 시추공전단시험, RMR에 의한 추정

- 변형계수, 포와송비 : 공내재하시험, RMR에 의한 추정

7.3.1.5.1 암반의 강도정수 산정결과

- 거금연도교

- 소록교

7.3.1.5.2 단위체적중량 및 포와송비 산정결과

- 거금연도교

- 소록교

7.3.1.5.3 변형계수 산정결과

실내시험보정 방법, 경험적 방법(RMR), Hoek ＆ Brown(2002), 공내재하시험결과 및 공내재하시험과 RMR 관계식을 이용한 방법 등을 이용하여 교량구간 암반의 변형계수 산정

- 거금연도교

- 소록교

7.3.2 우물통기초의 안정성 검토

7.3.2.1 개요

(1) 지지력

- 이론적 방법 및 경험적 방법을 적용한 기반암지지 우물통기초의 허용지지력을 산정하고 3차원 유한요소해석기법을 통한 최대지반반력을 평가하여 외력에 대한 기초의 안정성 검증수행

(2) 침하 및 변위

- 암반의 변형특성 및 기초형상을 고려한 3차원 유한요소해석을 추가로 수행하여 안정성 검증 수행

- 중요구간에 대해서는 지점간의 부등침하에 대한 안정성 검토 실시

7.3.2.1.1 우물통기초 설계 흐름도

(1) 설계흐름도

(2) 설계개념 ⇒ 강체이론

7.3.2.1.2 우물통기초 안정조건

7.3.2.2 우물통기초의 근입심도 및 최적규모 산정

7.3.2.2.1 우물통기초 근입심도 결정

- 지반 및 상부구조물 현황을 고려한 적정 기반암 근입심도 산정

- 우물통 지지층은 연암을 기본으로 하여 적정 지지력이 발휘되는 깊이로 함

- 개략적인 지지력 및 기반암 근입심도 산정시 선단지지력은 200tonf/㎡, RQD 10이상 지반으로 함

7.3.2.2.2 근입심도산정

주) 근입심도는 우물통 설치위치 중앙기준으로 산정

7.3.2.2.3 우물통기초 규모결정

- 우물통직경에 따른 안정성검토 수행으로 우물통규모 결정

- 상세설계 전 개략검토를 통한 최적 우물통규모를 산정하여 기초자료로 활용

- 검토하중은 가장 위험하다고 판단되는 지진시하중을 적용하여 검토함

- 지지력 및 변위에 대한 안정성 검토 시행

7.3.2.2.4 검토결과

7.3.2.2.4.1 거금연도교 접속교 P1

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 수평저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊어 침설식 우물통기초로 가정하여 검토 수행

- 연직지지력에 대해서는 11.5m의 직경으로 만족하나 수평지지력에 대해서는 15.0m의 직경을 확보하여야 함

- 수평지지력에 의해 우물통 크기는 결정되며 수평지지력에 대한 안정성 확보를 위해 직경을 16.0m로 선정

7.3.2.2.4.2 거금연도교 접속교 EPY1

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 수평저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊어 침설식 우물통기초로 가정하여 검토 수행

- 연직지지력에 대해서는 17.5m의 직경으로 만족하나 수평지지력에 대해서는 18.0m의 직경을 확보하여야 함

- 우물통 크기는 수평지지력에 의해 결정되며 수평지지력에 대한 안정성 확보를 위해 직경을 20.0m로 선정

7.3.2.2.4.3 거금연도교 접속교 EPY2

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 수평저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊어 침설식 우물통기초로 가정하여 검토수행

- 연직지지력에 대해서는 15.0m의 직경으로 만족하나 수평지지력에 대해서는 17.5m의 직경을 확보하여야 함

- 우물통 크기는 수평지지력에 의해 결정되며 최적 우물통 크기는 19.0m로 선정 검토의견

7.3.2.2.4.4 거금연도교 접속교 EPY3

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 저면 전단 저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊지 않아 거치식 우물통기초로 가정하여 검토수행

- 연직지지력에 대해서 17.8m의 직경으로 만족하며 변위 및 저면전단력에 대해서는 안전한 것으로 판단됨

- 우물통 크기는 연직지지력에 의해 결정되며 최적우물통 직경은 19.0m로 산정됨

7.3.2.2.4.5 거금연도교 접속교 P2

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 저면 전단 저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊지 않아 거치식 우물통기초로 가정하여 검토수행

- 연직지지력에 대해서 16.0m의 직경으로 만족하며 변위 및 저면전단력에 대해서는 안전한 것으로 판단됨

- 우물통 크기는 연직지지력에 의해 결정되며 최적우물통 직경은 16.0m로 산정됨

7.3.2.2.4.6 거금연도교 주경간교 PY1

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 저면 전단 저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊지 않아 거치식 우물통기초로 가정하여 검토수행

- 연직지지력에 대해서 17.0m의 직경으로 만족하며 변위 및 저면전단력에 대해서는 안전한 것으로 판단됨

- 상부교각의 크기를 고려하여 우물통 크기는 24.0m로 선정

7.3.2.2.4.7 거금연도교 주경간교 PY2

(1) 연직지지력

(2) 수평변위

(3) 전도

(4) 저면 전단 저항력

(5) 검토의견

- 근입심도가 깊지 않아 거치식 우물통기초로 가정하여 검토수행

- 연직지지력에 대해서 19.0m의 직경으로 만족하며 변위 및 저면전단력에 대해서는 안전한 것으로 판단됨

- 상부교각의 크기를 고려하여 우물통 크기는 24.0m로 선정

7.3.2.2.5 우물통기초 현황

7.3.2.3 연직지지력에 대한 안정성 검토

7.3.2.3.1 검토개요

- 암반을 지지층으로 하는 기초는 지지층에 전달되는 상부하중의 크기와 기초저면 기반암의 풍화 및 균열의 정도에 따라 다음과 같은 파괴가 발생할 수 있음

- 본 과업구간 우물통기초는 근입비(D_f/B)가 1 보다 작아 직접기초와 유사한 지지력발현을 보이나, 기반암에 근입시켰으므로 측면지반의 구속효과를 고려함

7.3.2.3.2 이론적 방법의 적용성 검토

7.3.2.3.2.1 Hoek-Brown 지지력 공식의 적용성

- 실내암석시험 결과(일축압축) 및 암반상태에 따른 상수(m, s) 도입함

- 암반의 RMR및 Q값에 대한 m, s 값과의 상관관계를 암반 Type별로 제시함

- 현장 암반의 RMR값이 작아 암반의 상태가 불량한 것으로 판정할 경우, 암반의 연직지지력이 과소평가 되어 토사층의 지지력보다 작은 값으로 산정되는 문제점이 있음

7.3.2.3.2.2 Bell 지지력 공식의 적용성

- Bell공식은 일반적으로 토사지반에 지지된 직접기초의 전반전단파괴(Soil Type General Shear Failure) 산정식과 유사하며 암반의 지지력 계수 및 강도정수를 적용

- 암반의 강도정수 산정시 암반의 RMR 분류결과를 적용하므로 Hoek-Brown에서 Type에 따른 m,s값의 적용하는 것과 같이 현장특성 반영이 가능함

- RMR분류결과 암반의 상태가「불량~보통」으로 판정되어 토사와 유사한 전반전단파괴가 발생할 것으로 예상되는 경우에 대하여 적용성이 양호함

7.3.2.3.2.3 적용성 평가결과

- 본 과업구간의 암반지지 우물통 기초의 경우 대부분 기반암에 2.0~7.63m의 심도에 지지시켰으며, RMR 분류결과 불량~보통정도(III~IV)의 분류등급으로 나타남

- 풍화정도에 따라 암반상태가 불량으로 판정된 경우에는 Hoek-Brown식에 의한 평가보다는 Bell식에 의한 허용지지력 평가가 타당할 것으로 판단됨

7.3.2.3.2.4 Hoek-Brown방법

(1) Hoek-Brown 공식

(1.1) Hoek-Brown 공식

q_a = C_f1[(mq_ucσ'₃ + sq² _uc)^1/2 + σ'₃] / F

σ'₃ : (mq_ucq_s + sq² _uc)^1/2 + q_s

q_a : 암반상 기초의 허용지지력

q_uc : 암석의 일축압축강도

m, s : 암반의 종류 및 상태에 따른 상수

C_f1, C_f2 : 기초모양에 따른 보정계수

F : 안전율(상시 : 2, 폭풍시, 지진시 : 3)

(1.2) 근입효과 개념도

(2) 암반 Type별 RMR과 m, s값과의 상관관계

(3) 과업구간 기반암인 화강편마암(Rock Type E)에 대한 RMR과 m, s의 관계식

7.3.2.3.2.5 Bell 지지력 공식

q_ult = C_f1cN_c + C_f2(B/2)γN_γ + γDN_q

여기서,

B : 기초 폭(m)

D : 기초의 근입 깊이(m)

γ : 암반의 유효단위 중량(tonf/㎥)

C_f1, C_f2 : 기초의 형상계수(Hoek-Brown방법과 동일)

N_c = 2N_ø ^1/2(N_ø + 1)

N_γ = N_ø ^1/2(N_ø ² - 1)

N_q = N_ø ², N_ψ = tan²(45˚ + ø/2)

C, ø = 기초암반의 점착력, 내부마찰각

7.3.2.3.2.6 이론적 방법에 의한 지지력 산정

- Hoek-Brown식 및 Bell식에 지지력 산정시 적용된 상수 및 정수

- 이론적 방법에 의한 허용지지력 산정결과

7.3.2.3.3 경험적 방법에 의한 지지력 산정

7.3.2.3.3.1 NAVFAC(DM7) - 암반 기초지지력 경험치의 범위

주) 연한 암반이나 사질토 지반에서 기초는 인접 최저 지표고로부터 최소 0.5m는 근입되어야 함

7.3.2.3.3.2 도로교 표준시방서 - 암반의 최대 지반반력의 상한치(1996)

7.3.2.3.3.3 Peck ＆ Hansen 방법

7.3.2.3.3.4 Canadian Foundation Engineering Manual - 일축압축강도를 이용한 암반 허용지지력

q_a = K_sp · q_u(core)

여기서,

q_a : 허용지지력(tonf/㎡)

q_u(core) : 암석 코아의 일축압축강도(tonf/㎡)

K_sp : 안전율 3을 포함한 경험적 계수 (범위 : 0.1~0.4)

(1) 경험적 방법에 의한 허용지지력의 상한치 결정

- 경험적 산정방법을 근거로 RQD, 실내시험(일축압축) 및 현장시험(공내재하시험)결과치 범위에 대한 허용지지력의 상한치를 결정

(1.1) 교각별 기초 암반의 현장조사 및 실내시험시험 결과

(1.2) 경험적 방법에 의한 허용지지력 상한치 선정

(1.3) 허용지지력 상한치 선정에 대한 평가

- 경험적 방법에 의한 허용지지력의 교각별 상한치의 범위는 130~250 tonf/㎡정도를 보임

- 검토된 상한치를 이론적 방법으로 구한 지지력의 상한치로 규정하여 허용지지력으로 선정

7.3.2.3.4 허용지지력의 결정

7.3.2.3.4.1 허용지지력 선정원칙

경험적 방법을 이용하여 허용지지력의 상한치를 결정하고, 이론적 방법으로 산정된 값과 비교평가 후 최소값을 허용지지력으로 결정하고 RMR 분류결과 불량(Ⅳ등급)인 경우에는 Bell식과 경험적 방법중 최소값을 적용한다.

(1) 허용지지력 선정결과

(2) 연직지지력에 대한 안정성 판정

- 상시지반의 허용지지력

- 지진시 지반의 허용지지력

7.3.2.4 전면 수평지지력 및 저면 전단저항력에 대한 안정성 검토

7.3.2.4.1 검토개요

- 우물통 기초의 외력에 대한 수평방향 저항은 기초저면의 마찰저항에 의한 전단저항력과 전면 지반의 수동저항에 의한 수평지지력등에 의해 복합적으로 발현됨

- 도로교 설계기준의 전면지반의 허용수평지지력 및 저면 허용전단 저항력 산정방법을 적용함

7.3.2.4.2 허용수평지지력에 대한 안정성 검토

7.3.2.4.2.1 우물통기초 전면 지반의 허용 수평지지력 산정방법

(1) 우물통기초의 지반 반력도

P_p1 = K_p1γ₁h₁ + 2c₁√(K_p1) + K_p1q

P_p2 = K_p1γ₂h₂ + 2c₂√(K_p2) + K_p2(q + γ₁h₁)

P_p3 = K_p1γ₃h₃ + 2c₃√(K_p3) + K_p3(q + γ₁h₁ + γ₂h₂)

(2) 수동 토압계수의 산정

K_P(K_EP) : 상시(지진시) 수동토압계수

δ(δ_E) : 평상시(지진시) 벽면과 흙의 마찰각

α : 지표면과 수평면이 이루는 각도

안전율 : 상시 1.5, 지진시 1.1

7.3.2.4.2.2 우물통 전면지반 수평지지력 안정성 검토결과

- 토사 허용 수평지지력

- 풍화암 허용 수평지지력

- 기반암 허용 수평지지력

7.3.2.4.3 저면지반 전단저항력에 대한 안정성 검토

(1) 우물통기초 저면지반 전단저항력 산정방법

H_u = c_BA' + V tanø_B

H_u : 저면과 지반사이의 전단저항력 (tonf)

V : 부력을 제외한 기초저면의 연직력 (tonf)

A' : 기초저면의 유효재하면적 (㎡)

c_B : 기초저면과 지반과의 부착력 (tonf/㎡)

ø_B : 기초저면과 지반과의 마찰각 (。)

(2) 우물통 저면 전단저항력 안정성 검토결과

- 허용 전단 저항력

7.3.2.5 수평 및 연직변위에 대한 안정성 검토

7.3.2.5.1 검토개요

우물통기초의 수평변위는 설계지반면을 기준으로 하며, 도로교 설계기준에 제안된 강체이론을 적용하여 산정하며, 연직변위는 우물통상단을 기준으로 하며, 저면지반의 탄성변형량과 우물통본체의 탄성변형량의 합으로 산정한다.

- 안정기준

7.3.2.5.2 수평 및 연직변위에 대한 안정성 검토

7.3.2.5.2.1 우물통기초 변위 산정방법(도로교 설계기준(2000) 하부기초편 p. 169~178참조)

7.3.2.5.2.2 우물통 수평변위 및 연직변위 안정성 검토결과

- 허용수평변위

- 허용연직변위

7.3.2.6 유한요소해석을 통한 우물통기초 설계 유효성 검증

7.3.2.6.1 검토개요

- 지반의 강도정수 및 우물통의 형상을 적절하게 고려할 수 있으며, 시공 단계별로 우물통기초 및 주변지반의 거동에 대한 정확한 파악 가능

- 기존 계산법에서는 정밀한 고려가 불가능했던 우물통기초에 작용하는 분포하중(유수압, 파압)을 심도별로 재현 가능

- 기초내의 각 위치별 응력 및 변위에 대한 검토 및 소성영역 등과 같은 위험구간의 판정 가능

7.3.2.6.2 해석대상 선정 및 검토조건

7.3.2.6.2.1 검토대상 및 검토내용

- 지반의 상태가 불량하여 안전성에 대한 확인을 필요로 하는 기초

- 최대 상부하중이 작용하는 구간 및 구조적 중요도가 큰 기초

- 인접 기초와 형식이 달라지는 경우

7.3.2.6.2.2 검토대상 기초 선정

7.3.2.6.2.3 검토내용

주) 파괴율 : 전단강도에 대한 전단응력비로써 파괴율이 1.0 이상이면 소성파괴 가능성이 있음

7.3.2.6.2.4 검토조건

(1) 유한요소해석 일반

(2) Boundary Condition

주) ○ : Free, X : Fix

(3) 콘크리트 물성치

주) 콘크리트의 탄성계수

E = 15,000√f_ck (f_ck ≤ 300kgf/㎠)

E = 70,000 + 10,500√f_ck (f_ck 〉 300kgf/㎠)

7.3.2.6.3 유한요소해석 결과

7.3.2.6.3.1 접속교 EPY1

(1) 우물통기초 검토단면

(2) 설계지반정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

(3) 작용하중

주1) 유수압과 파압은 구조물의 측면에 위치별로 수평력으로 작용시킴 (구조계산서 참고)

주2) 연직력과 모멘트 하중이 큰 교축방향 안정성을 검토함

(4) 안정성검토 결과 및 분석

(4.1) 분석

- 연직변위 : Max = 1.779cm

- 수평변위 : Max = 1.265cm

- 연직반력 : Max = 99.5tonf/㎡

- 저면전단력 : S = 6,714tonf

- 격벽응력 : Max = 313.4tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.53

주) 휨과 축방향력을 받는 압축부재의 허용응력은 강도설계법 규정에 따라 계산한 값의 40%를 취함 ⇒ 격벽부 콘크리트의 허용압축응력 : 0.4 × f_ck = 0.4 × 3,500 = 1,400 tonf/㎡

(4.2) 검토결과

- 변위는 구조계산결과값보다 약간 큰 값을 제시하고, 응력은 다소 작은 값을 제시하지만, 모두 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.2.6.3.2 접속교 EPY3

(1) 우물통기초 검토단면

(2) 설계지반정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

(3) 작용하중

주1) 유수압과 파압은 구조물의 측면에 위치별로 수평력으로 작용시킴 (구조계산서 참고)

주2) 연직력과 모멘트 하중이 큰 교축방향 안정성을 검토함

(4) 안정성검토 결과 및 분석

(4.1) 분석

- 연직변위 : Max = 1.530cm

- 수평변위 : Max = 0.903cm

- 연직반력 : Max = 93.3tonf/㎡

- 저면전단력 : S = 8,143tonf

- 격벽응력 : Max = 403.2tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.68

주) 휨과 축방향력을 받는 압축부재의 허용응력은 강도설계법 규정에 따라 계산한 값의 40%를 취함 ⇒ 격벽부 콘크리트의 허용압축응력 : 0.4 × f_ck = 0.4 × 3,500 = 1,400 tonf/㎡

(4.2) 검토결과

- 변위는 구조계산결과값보다 약간 큰 값을 제시하고, 응력은 다소 작은 값을 제시하지만, 모두 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.2.6.3.3 접속교 P2

(1) 우물통기초 검토단면

(2) 설계정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

(3) 작용하중

주1) 유수압과 파압은 구조물의 측면에 위치별로 수평력으로 작용시킴 (구조계산서 참고)

주2) 연직력과 모멘트 하중이 큰 교축방향 안정성을 검토함

(4) 안정성 검토 결과 및 분석

(4.1) 분석

- 연직변위 : Max = 0.185cm

- 수평변위 : Max = 0.149cm

- 연직반력 : Max = 85.4tonf/㎡

- 저면전단력 : S = 6,289tonf

- 격벽응력 : Max = 407.7tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.26

주) 휨과 축방향력을 받는 압축부재의 허용응력은 강도설계법 규정에 따라 계산한 값의 40%를 취함 ⇒ 격벽부 콘크리트의 허용압축응력 : 0.4 × f_ck = 0.4 × 3,500 = 1,400 tonf/㎡

(4.2) 검토결과

- 변위는 구조계산결과값보다 약간 큰 값을 제시하고, 응력은 다소 작은 값을 제시하지만, 모두 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.2.6.3.4 현수교 PY1

(1) 우물통기초 검토단면

(2) 설계정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

(3) 작용하중

주1) 유수압과 파압은 구조물의 측면에 위치별로 수평력으로 작용시킴 (구조계산서 참고)

주2) 연직력과 모멘트 하중이 큰 교축방향 안정성을 검토함

(4) 안정성 검토 결과 및 분석

(4.1) 분석

- 연직변위 : Max = 0.317cm

- 수평변위 : Max = 0.204cm

- 연직반력 : Max = 103.7tonf/㎡

- 저면전단력 : S = 8,116tonf

- 격벽응력 : Max = 430.2tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.41

주) 휨과 축방향력을 받는 압축부재의 허용응력은 강도설계법 규정에 따라 계산한 값의 40%를 취함 ⇒ 격벽부 콘크리트의 허용압축응력 : 0.4 × f_ck = 0.4 × 3,500 = 1,400 tonf/㎡

(4.2) 검토결과

- 변위는 구조계산결과값보다 약간 큰 값을 제시하고, 응력은 다소 작은 값을 제시하지만, 모두 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.2.6.4 불연속체 수치해석을 통한 PY-1의 안정성 검토

- 주경간교 PY-1 구간에 불연속체를 고려한 UDEC 해석을 실시하여 그 안정성을 평가함

- PY-1 설치 후 하중으로 인해 경사지 기반암에 불연속면이 미치는 영향을 분석하여 그로 인한 주탑의 안정성을 검토함

7.3.2.6.4.1 불연속면 특성 현황

7.3.2.6.4.2 해석결과

- 해석단면 모델링

- 수평방향 변위도

- 변위 벡터

- Mohr Coulomb Ratio(Strength/Stress)

7.3.2.6.4.3 결론

- 주경간교 주탑 PY-1 에 대해 불연속면을 고려한 수치해석을 수행한 결과 기반암 기울기 방향으로의 변위는 미세하며, 수직변위량도 약 5mm이내로 안정한 것으로 검토됨

- M/C 안전율 해석 결과 안전율이 5 이상으로 나타났음

- 수치해석 수행 결과 본 구간에 설치된 PY-1에 대한 불연속면에 대한 영향은 미세한 것으로 판단됨

7.3.2.6.4.4 현수교 PY2

(1) 우물통기초 검토단면

(2) 설계정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

(3) 작용하중

주1) 유수압과 파압은 구조물의 측면에 위치별로 수평력으로 작용시킴 (구조계산서 참고)

주2) 연직력과 모멘트 하중이 큰 교축방향 안정성을 검토함

(4) 안정성 검토 결과 및 분석

(4.1) 분석

- 연직변위 : Max = 0.408cm

- 수평변위 : Max = 0.335cm

- 연직반력 : Max = 130.7tonf/㎡

- 저면전단력 : S = 9,885tonf

- 격벽응력 : Max = 420.3tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.39

주) 휨과 축방향력을 받는 압축부재의 허용응력은 강도설계법 규정에 따라 계산한 값의 40%를 취함 ⇒ 격벽부 콘크리트의 허용압축응력 : 0.4 × f_ck = 0.4 × 3,500 = 1,400 tonf/㎡

(4.2) 분석결과

- 유한요소해석결과 구조계산에 의한 결과값과 거의 비슷한 값을 제시하며, 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.3 직접기초의 안정성 검토

7.3.3.1 검토개요

- 직접기초는 상부구조로부터의 하중을 직접 지반에 전달시키는 형식의 기초로서 기초설치지점 아래 압축성이 큰 지층이 없을 경우 적용

- 직접기초의 연직지지력 및 침하량을 산정하여 기초의 안정성 검토

- 기초의 하중은 허용지지력 이내에서 최대값을 사용하되 침하량 및 상부구조물의 형식을 고려하여 최적화 설계 시행

- 지지력 및 침하량 산정에 대하여 본 과업구간에 대한 적용성을 평가한 후 적용

- 허용 지지력 안전율 : 3.0 (평상시)

- 허용 침하량 : 25 mm 이하

7.3.3.1.1 직접기초 설계 흐름도

(1) 설계흐름도

(2) 설계개념

7.3.3.1.2 직접기초 안정조건

7.3.3.1.3 기초구조물 현황

7.3.3.2 연직지지력에 대한 안정성 검토

- 기초는 조밀한 잔류토 및 풍화암에 근입하는 것으로 계획

- 직접기초의 지지력은 토사, 풍화암 및 연암을 지지층으로 선정하여 설계적용

7.3.3.2.1 토사, 풍화암층에서의 허용지지력 산정

7.3.3.2.1.1 정역학적 공식에 의한 지지력 산정

(1) 토사, 풍화암에 지지된 기초의 메카니즘

(2) 지지력공식

q_ult = cN_cS_cd_c + bar(q)N_qS_qd_q + 0.5γBN_rS_rd_r

여기서,

N_q, N_c, N_γ : 지지력 계수(ø의 함수)

S_q, S_c, S_γ : 형상계수

d_q, d_c, d_γ : 심도계수

γ : 기초하부지반의 단위중량

B : 기초 폭

bar(q) : 유효상재하중( = γ' × Df)

(3) 지지력 관련계수

7.3.3.2.1.2 관련 문헌에 의한 지지력 산정

(1) 확대기초의 지지력 경험치(NAVFAC DM-7.2, 구조물기초 설계기준)

※ 풍화암층을 매우 조밀한 실트질 모래로 분류하여 상한치 적용 : 허용지지력 = 75tonf/㎡

(2) 상시의 최대지반반력 상한값(도로교 표준시방서 하부구조편)

※ 풍화암층은 자갈지반보다 다소불리하다고 판단하여 최대지반반력 적용 : 허용지지력 = 60tonf/㎡

7.3.3.2.1.3 현장시험에 의한 지지력 산정

- 본 과업구간에는 사운딩으로 표준관입시험을 시행하였음

- 기초지반인 풍화암층은 원지반상에서 높은 N치를 보이나, 지하수위가 높은 현장여건을 감안하면 터파기시 지반교란에 의해 지지력이 감소하는 경향이 있음

- 따라서, 표준관입시험치를 이용한 지지력 산정은 과대평가될 우려가 있으므로 적용치 않음

7.3.3.2.2 연·경암층에서의 허용지지력 산정

7.3.3.2.2.1 암반층에 지지된 기초의 파괴 메카니즘

- Crushing Failure(Goodman)

- Wedging Failure(Bell)

7.3.3.2.2.2 정역학적 공식에 의한 지지력 산정

Q_u = αcN_c + βγ(B/2)N_r + γD_fN_q

여기서,

Q_u : 극한 지지력(tonf/㎡)

α, β : 형성계수

c : 지반의 점착력(tonf/㎡)

γ : 지반의 단위중량(tonf/㎥)

B : 기초 폭(m)

D : 기초의 근입깊이(m)

N_c, N_r, N_q : 지지력 계수

(1) 쐐기파괴를 고려한 지지력 공식(Bell Solution, Tomlinson(Foundation Design ＆ Construction, 1995))

- 암석종류에 따른 마찰각(After Wyllie)

- RQD와 강도정수의 관계(After Kulhawy and Goodman)

(2) 적용

- 기초의 근입깊이는 안전측으로 무시

- 강도정수 : 암석 삼축압축시험 또는 전단시험 결과와 위와 같이 Wyllie가 제안한 ø값, Kulhawy ＆ Goodman이 제안한 RQD와 강도정수의 관계로부터 최소치를 적용하였으며, 점착력(c)은 일축압축강도를 이용하되 암석의 절리를 고려하여 산정한 값의 50%를 적용하였음

7.3.3.2.2.3 관련 문헌에 의한 지지력 산정

(1) NAVFAC DM-7.2, 구조물기초 설계기준

(1.1) 적용

- 풍화암층 : 85 tonf/㎡(Weathered or Broken Rock의 범위에서 최소치 적용)

- 연암층 : 135 tonf/㎡(Weathered or Broken Rock의 범위에서 최대치 적용)

- 경암층 : 650 tonf/㎡(과업 구간의 기반암은 화강편마암이므로 Hard rock의 범위에서 최소치 적용)

(2) 도로교 표준시방서

(2.1) 적용

- 경암 250 tonf/㎡

- 연암 150 tonf/㎡

- 풍화암 60 tonf/㎡

(3) Canadian Foundation Engineering Manual(CGS, 1992)

Q_a = K_sp · q_u(core)

여기서,

Q_a : 허용지지력

q_u(core) : 코아의 평균일축압축강도

K_sp : 안정률 3을 포함한 경험적 계수

- 절리면 간격에 따른 K_sp

- 적용 : 본 검토구간의 절리간격은 1m 이하로 나타났으며, 경암은 3m 이하로 나타나 K_sp값을 위와 같이 적용함

(4) Goodman의 방법(Introduction to Rock Mechanics, 1989)

Q_a = (1/3)q_u (N_ø + 1)

여기서,

Q_a : 허용 지지력(tonf/㎡)

q_u : 암반의 일축 압축강도(tonf/㎡) = q_uc / 5

q_uc : 코아의 일축 압축강도(tonf/㎡)

ø : 내부 마찰각(。)

N_ø : 내부마찰각에 의한 지지력계수 = tan²(45 + ø / 2)

7.3.3.2.2.4 공내재하시험에 의한 암반의 허용지지력(Canadian Foundation Engineering manual, 1992)

Q_u = K_g (P_L - P₀) + σ_υ0

여기서,

Q_u : 극한지지력(tonf/㎡)

K_g : 기초폭과 근입깊이, 흙의 종류에 따른 경험계수

P_L : 공내재하시험시의 한계압력(tonf/㎡)

P₀ : 초기압력(tonf/㎡)

σ_υ0 : 기초저면 높이에서의 초기 상재압력(tonf/㎡)

de : 등가기초근입깊이

= 1 / (P_Le) · ∫₀ ^D P_L(z)dz

P_Le = 등가한계압력

= ³√(P_L1 · P_L2 · P_L3)

- 적용 : 기초의 근입깊이까지 지반의 강도가 변화함을 고려하기 위한 것으로 지표로부터 근입깊이까지의 강도가 일정한 경우에는 기초 근입깊이를 그대로 적용할 수 있으며, K_g값은 안전측으로 최소값인 0.8을 적용

7.3.3.2.2.5 RQD에 의한 방법

- RQD와 암반의 허용지지력(침하량 2.5cm, Peck-Hansen ＆ Thornburn)

- 적용 : RQD는 총 경계면의 RQD를 제외한 값 중 최소값을 적용하여 보간법으로 지지력 산정

7.3.3.2.3 직접기초 지지력 산정 결과 및 결론

7.3.3.2.3.1 산정결과

- 토사, 풍화암에 지지된 직접기초

- 기반암층에 지지된 직접기초

7.3.3.2.3.2 결론

(1) 토사, 풍화암

- 잔류토지지 직접기초 : 40tonf/㎡

- 풍화암층지지 직접기초 : 60tonf/㎡

- 풍화암에 지지된 직접기초의 반력은 32.9~49.3tonf/㎡으로 안정한 것으로 판단됨

- 잔류토층에 지지된 직접기초의 반력은 21.3~36.7tonf/㎡으로 안정한 것으로 판단됨

(2) 연·경암

- 문헌 및 경험식에 의한 허용지지력 : 연암 ⇒ 130tonf/㎡, 경암 ⇒ 250tonf/㎡

- 연·경암에 지지된 소록교 P3, A1의 경우 발생반력은 허용치 이내로 안정

7.3.3.3 침하에 대한 안정성 검토

- 탄성이론에 의한 침하량 산정 (Schleicher의 제안식)

- 허용침하량 : 25mm를 기초의 허용침하량으로 적용

- 부등침하량 : 10mm 기준 (교량상판 설계시 지점 침하량을 고려)

기초형식이 상이하거나 지지층 조건이 다른 구간에 대한 안정성 검토

7.3.3.3.1 토사, 풍화암층에서의 침하량 산정

7.3.3.3.1.1 Schmertmann 방법 (Manuals for The Design of Bridge Foundations, 1991)

S_i = C₁ · C₂ · ΔP · Σ(I_z · Δz) / E

여기서,

I_z : 변형영향계수

C₁ : 기초 근입깊이에 대한 보정계수

= 1 - 0.5{σ_υ0' / (q - σ_υ0')} 〉0.5

C₂ : 모래의 Creep 보정계수

= 1 + 0.2log(t / 0.1)

(기초 저면에서의 Creep 변형을 무시하면 C₁ = 1)

ΔP : 기초 저면에서의 순지지력 (Net Bearing Pressure)

q : 기초저면의 하중강도

E : 탄성계수

Δz : 토층의 두께

- 적용 : 사질토 지반의 탄성침하를 구할 수 있는 변형영향계수(Strain Influence Factor)를 도입함

지층별로 영향계수를 적용하여 침하량을 산정하므로 불균질지반에 적용이 가능

7.3.3.3.2 연암층에서의 침하량 산정

7.3.3.3.2.1 Schleicher 방법(Foundations on Rock, Wyllie(1992))

S_i = {C_dqB(1 - v²)} / E

여기서,

C_d : 기초의 형상, 강성계수

q : 기초저면의 하중강도

B : 기초폭

E : 탄성계수

- 적용 : Homogeneous, Isotropic한 암반

- 기초형상 및 강성에 따른 C_d값

7.3.3.3.3 직접기초의 침하량 산정 결과

7.3.3.4 저면 활동에 대한 안정성 검토

- 편토압에 의한 수평력이 안정성을 지배하는 교대 기초형식을 직접기초로 계획한 경우 기초의 안정성이 저면 활동력에 의해 결정되는 경우가 많음

- 활동에 대한 안정성은 작용 활동력과 기초 바닥면과 지반 사이 마찰저항력의 비로 판단함

7.3.3.4.1 마찰저항력 산정(도로교 설계기준, 2000)

H_u = V · tanø_B

여기서,

Hu : 기초 바닥면과 지반과의 사이에 작용하는 전단저항력 (tonf)

ø_B : 기초 바닥면과 지반과의 마찰각 (。)

A' : 유효 재하면적

V : 기초 바닥면에 작용하는 연직하중(tonf)으로 부력을 뺀 값

7.3.3.4.2 마찰각과 부착력

주) ø : 지지지반의 전단저항각(。)

7.3.3.4.3 활동에 대한 안정성 검토결과

7.3.3.5 수치해석을 통한 직접기초의 안정성 검토

7.3.3.5.1 거금육교 주탑 PY1

7.3.3.5.1.1 검토단면

(1) 기초현황

- 토사(풍화토)지반에 근입된 직접기초로 연직반력에 대한 검토 필요

- 토사의 변형계수 : 500kgf/㎠

- Footing Size : 5.0m × 4.0m × 2.0m

(2) 검토단면

7.3.3.5.1.2 설계지반정수

주1) 콘크리트의 탄성계수 : E_c = 15,000√f_ck (kgf/㎠)

주2) 체적탄성계수 : B = E / {3(1 - 2v)}, 전단탄성계수 : G = E / 2(1 + v)}

7.3.3.5.1.3 하중조합

주) Footing 상단의 중앙에 작용하는 하중

7.3.3.5.1.4 안정성검토 결과 및 분석

7.3.3.5.1.5 검토의견

변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.4 말뚝기초 안정성 검토

7.3.4.1 검토개요

- 말뚝기초는 상부지반이 연약한 경우 지지기반까지 말뚝을 설치하여 하중을 전달하는 형식의 기초

- 지층 상부에 느슨한 매립층, 붕적층 등이 분포하여 상부구조의 하중을 직접지반으로 전달할 수 없는 지역에 적용

- 시추조사결과 지지층의 확인 및 지지력, 침하량 검토를 수행한 후 말뚝의 연직력, 수평력 산정

- 말뚝의 허용지지력은 말뚝재료의 허용응력을 초과하지 않는 범위에서 합리적으로 사용하여 경제적인 설계가 되도록 하였음

- 허용 지지력 안전율 : 3.0 (평상시)

7.3.4.1.1 말뚝기초 설계 흐름도

(1) 설계흐름도

(2) 설계개념

7.3.4.1.2 말뚝기초 안정조건

7.3.4.1.3 말뚝기초 적용현황

- 소록교

7.3.4.1.4 기초구조물 현황

7.3.4.1.5 말뚝기초의 검토사항 및 검토방법

7.3.4.1.5.1 말뚝기초의 연직지지력

(1) 풍화암지지

- 정역학적 지지력 공식

- 말뚝재료에 의한 허용연직지지력 산정

(2) 연·경암지지

- Goodman의 제안식

- Polus ＆ Davis 제안식

- Canadian Foundation Engineering Manual 제안식

- Kulhawy and Goodman 제안식(현장타설말뚝기초)

- 말뚝재료에 의한 허용 연직지지력 산정

(3) 군말뚝 효과에 대한 검토

7.3.4.1.5.2 말뚝기초의 수평지지력

(1) 수평방향 지반반력 계수 산정

- 도로교 표준시방서에 의한 방법

- 후쿠오카 공식을 이용한 방법

- 공내재하시험결과 이용

(2) 군말뚝 효과에 의한 지반반력계수 보정

(3) 극한지반 반력법(Broms)에 의한 해석방법

(4) 탄성지반 반력법(Matlock ＆ Reese)에 의한 해석방법

(5) 비선형해석(p-y 곡선)에 의한 해석방법(LPILE)

7.3.4.1.5.3 말뚝기초의 침하량

(1) 구조물 기초설계기준에 의한 방법

(2) 경험식에 의한 방법

7.3.4.2 연직지지력에 대한 안정성 검토

7.3.4.2.1 연·경암지지 내부굴착말뚝기초 지지력 산정

- 말뚝시공법 : 중굴 + T4

- 지지력 산정은 연암에 근입된 내부굴착말뚝의 지지력 산정식을 적용

- 말뚝내부를 콘크리트로 채워 연직지지력 및 수평변위에 대한 안정성 확보

7.3.4.2.2 도로교설계기준(2000, 하부구조편)

(1) 강관말뚝 부재자체의 허용 축하중

말뚝구성부재의 최대 허용압축응력 (AASHTO, 1996) - 강관말뚝 부재자체의 허용축하중

주) f_y : 강재 항복강도 f_c' : 콘크리트 압축강도

P_a = 0.25 f_y A_steel + 0.40 f_c' A_con'c = 203.5tonf

여기서

P_a : 강관말뚝의 허용축하중

f_y : 강관말뚝의 항복강도 ( = 2,400 kgf/㎠)

A_steel : 강관 단면적 ( = 155.2㎠)

f_c' : 콘크리트의 압축강도 ( = 150 kgf/㎠)

A_con'c : 콘크리트 단면적 ( = 1,839.8㎠)

(2) 지지력 산정식에 의한 방법

7.3.4.2.3 연·경암지지 강관말뚝기초 지지력 산정결과 (단위 : tonf/본)

- 연·경암지지 말뚝기초의 허용 지지력과 지반반력 관계그래프

- 연·경암지지 말뚝기초의 허용 지지력 산정결과 말뚝재료의 허용응력을 초과하므로 말뚝재료의 허용응력을 허용 지지력으로 결정

- 산정된 허용지지력이 지반반력을 상회하므로 본 과업구간의 연·경암 말뚝기초의 경우 안정한 것으로 판단됨

7.3.4.3 연직침하 검토

7.3.4.3.1 말뚝의 침하량 산정

7.3.4.3.1.1 탄성이론에 근거한 침하량

(1) S_t = S₁ + S₂ + S₃

여기서,

S₁ = 말뚝 자체의 압축량

S₂ = 말뚝 선단의 침하량

S₃ = 말뚝 주변의 침하량

(2) 구조물기초 설계기준(1997) 제안식

(3) 주면마찰력 분포계수α_s를 가정해야 하지만 그 영향은 미소함

(4) S₁ = (Q_ba + α_s.Q_sa) · L/(A.E_p)

여기서,

Q_ba : 작용하중 상태하에서 말뚝선단에 전달된 하중 (kgf)

Q_sa : 작용하중 상태하에서 주면마찰력에 의해 전달된 하중 (kgf)

α_s : 말뚝주변의 주면마찰력 분포특성에 따른 계수

L : 말뚝길이 (cm)

A : 말뚝의 단면적 (㎠)

E_p : 말뚝의 탄성계수 (kgf/㎠)

- 말뚝축에 따른 단위 마찰력의 분포형태

(5) S₂ = (C_p · Q_ba) / (B · q_b)

여기서,

q_b = Q_u / A

Q_u : 말뚝의 극한 선단 지지력

C_p : 경험계수

B : 말뚝직경

주) 타입말뚝 C_p = 0.02, 매입말뚝 C_p = 0.09 적용

(6) S₃ = (C_s · Q_sa) / (L_b · q_b)

여기서,

L_b : 지중에 매입된 말뚝길이

B : 말뚝직경

C_s : 경험계수 (말뚝직경과 길이에 대응)

C_s = [0.93 + 0.16√(L_b / B)] C_p

7.3.4.3.1.2 경험방법에 의한 침하량

7.3.4.3.2 말뚝기초 침하량 산정결과

- 상시

- 지진시

7.3.4.4 수평방향에 대한 안정성 검토

7.3.4.4.1 검토개요

- 해석적 방법인 수평지지력 산정은 극한평형법(Broms 방법)과 탄성지반반력법(Chang,1985)을 사용함

- 설계 수평력이 작용할 때 말뚝기초에서 발생하는 수평변위는 비선형 해석을 수행하여 산정

- 군말뚝 효과를 고려하기 위해 비선형 해석프로그램인 Group v6.0 이용

7.3.4.4.2 검토방법

주1) 사전 수평재하시험 결과가 “7.4 시공방안 검토”에 자세히 제시

주2) 해석적 방법은 적용성 및 해석의 정밀도에서 차이가 있으므로, 검토 목적 및 기초의 중요도에 따라 최적의 검토 방법을 선정할 필요가 있음

7.3.4.4.3 수평방향 지반반력계수 산정

7.3.4.4.3.1 문헌자료에 의한 방법

(1) 도로교 표준시방서에 의한 방법

- 지반변형계수

- 기초형식별 환산재하폭(B_H)

여기서

A_H : 하중 작용 방향에 직교하는 기초의 재하면적 (㎠)

D : 하중 작용 방향에 직교하는 기초의 재하폭 (cm)

1/β : 수평저항에 관여하는 지반의 깊이로서 기초길이 이하로 함 (cm)

β : 기초의 특성치{(k_h · D) / 4EI}^1/4 (cm^-1)

N치를 이용한 변형계수 산정식에 강관말뚝 기초공법 세미나(1996, 한국지반공학회)에서 제시한 흙의 종류별 변형계수와 N치의 관계를 이용하여 변형계수 E₀ = 10N을 사용

(2) 후쿠오카 공식을 이용한 방법

- k_h = 0.691N^0.406 (kgf/㎤)

여기서,

k_h : 수평방향 지반반력계수 (kgf/㎤)

N : 표준관입시험치

- 기타 제안식들 보다 작은 수평방향 지반반력계수가 산정됨

(3) 공내재하시험결과에 의한 방법

- k_h = 3.3 · (E_m / B) (kgf/㎤)

(구조물 기초 설계기준 , 1997. 6)

여기서,

E_m : 공내재하시험에서 측정된 탄성계수

B : 말뚝의 직경

- 기타 제안식과 비교하여 수평방향 지반반력계수는 크게 산정됨

7.3.4.4.3.2 군말뚝 효과에 의한 지반반력계수의 보정(Lymon C. Reese, 1996)

(1) 하중작용 직각방향 말뚝 간격의 영향

(2) 하중 작용방향 말뚝 간격의 영향

- 첫번째열

- 뒷열

7.3.4.4.3.3 수평방향 지반반력계수 산정결과

강관말뚝(ø508-12t)을 적용할 경우

- 수평지반반력계수의 산정식은 도로교 시방서를 기준으로 산정함

- 후쿠오카식은 기타제안식보다 작은값을 제시하며 공내재하시험결과에 의한 방법은 시험의 미실시로 인하여 제외함

- 지진시는 상시결과의 2배를 취함

7.3.4.4.4 말뚝기초의 수평지지력 및 변위량 검토

7.3.4.4.4.1 말뚝기초의 수평지지력 산정

(1) 검토 개요

(1.1) 말뚝 수평방향 거동

- 수평력에 의한 수평변위는 말뚝자체의 강성과 말뚝주변 지반의 수평저항력으로 추가 변위발생 억제

- 말뚝주변 지반의 변위는 주로 말뚝머리 상부지반에서 발생된 소성변위가 하부로 확산되는 형상

- 수평변위는 말뚝의 자체 강성과 말뚝 상부지반의 강성에 좌우됨

(1.2) 정밀 해석법의 구분

(1.3) 적용 프로그램

- 도로교표준시방서 방법

- 비선형 해석법 ⇒ Group v6.0

※ F.H.W.A 설계지침서 준용

(2) p-y곡선을 이용한 비선형 해석

(2.1) 개요

- 축직각방향 하중을 받는 말뚝의 지반반력은 탄성의 영역을 넘어서 소성의 영역에서 거동하는 경우 수평지반반력계수(kh)는 말뚝의 변위(y)에 따라 비선형적으로 변함

- 임의 깊이에서 말뚝 변위는 그 위치에서의 지반반력에 의존함 (지반을 일련의 p-y곡선으로 표현)

- p-y 곡선군은 일정한 깊이에서 불연속의 수직단면에 작용하는 횡방향하중에 대한 지반의 변위를 나타냄

- 실제 지반의 비선형성이나 지표면에서 시작하는 파괴형상을 고려

- 해석프로그램(Group v6.0) 적용

(2.2) p-y 곡선

(3) 검토방법 선정

(3.1) 미연방도로국 설계지침서(Broms 방법의 한계)

- 설계지반면에서의 수평지지력과 변위산정에 대하여 수계산이 가능

- 말뚝에 작용하는 축하중을 고려하지 않음

- 말뚝의 변위에 대한 허용기준이 정해져 있는 경우 정밀한 하중-변형 해석 필요

(3.2) 적용방법

- 말뚝의 수평 안정성 검토시 개략검토법인 Broms방법을 제외

- 정밀해석법인 지반반력법(도로교 설계기준)과 p-y curve를 이용한 비선형해석 수행

(4) 수평방향 허용지지력 산정결과

- 검토대상 구간의 지층조건은 매립층, 풍화토, 풍화암, 기반암으로서 유사함

- 말뚝과 지반상호작용에 의한 허용수평지지력은 두부구속 조건에 대하여 10.1~14.9 tonf/본으로 산정되어 작용하중보다 크므로 검토결과 안정한 것으로 판단됨

- 상시

- 지진시

7.3.4.4.5 말뚝기초의 수평방향 변위 산정

(1) 안정성 검토 위치는 수평력 및 모멘트가 크게 작용하는 소록교 교대기초임

(2) 수평변위 허용기준 : 1.5cm

(3) p-y 곡선을 이용한 비선형 해석

- 해석방법 : Group v6.0 (Reese, 1984), 미연방도로국(FHAW, Federal Highway Administration)

- 특징 : 다양한 하중조건(Static, Cyclic)에서 사용이 가능하며, 복잡한 지층구성 조건에 적용 가능

말뚝의 횡방향 변위, 전단력, 모멘트, 지반반력 산정

7.3.4.4.5.1 수평변위 산정

7.3.4.4.5.2 수평변위 산정결과

- 상시

- 지진시

7.3.4.4.6 말뚝머리 고정시 비선형 해석결과

- 소록교 : A1

- 소록교 : P1

- 소록교 : P2

7.3.4.5 말뚝부재의 안정성 검토

7.3.4.5.1 말뚝의 단면검토

- 교축방향 (상시)

주1) 강관말뚝의 허용응력 : 상시(1,400kgf/㎠), 지진시(2,100kgf/㎠)

- 교축방향 (지진시)

- 교축직각방향 (상시)

- 교축직각방향 (지진시)

7.3.4.5.2 부재 단면검토 종합

7.3.4.5.2.1 교축방향

- 상시

- 지진시

7.3.4.5.2.2 교축직각방향

- 상시

- 지진시

Group v6.0에서 산정된 말뚝기초의 부재력을 이용한 단면 부재에 대한 안정성 검토 결과 상시, 지진시 모두 부재의 허용응력 이하로 안정성을 확보함

7.3.4.6 수치해석을 통한 말뚝기초의 안정성 검증

7.3.4.6.1 유한요소 해석기법의 적용성

- 지반의 강도정수 및 기초푸팅과 말뚝의 형상을 적절하게 고려

- 무리말뚝기초의 하중분담효과를 반영

- 기초내의 각 위치별 응력 및 변위에 대한 검토 및 소성영역 등과 같은 위험구간의 판정 가능

7.3.4.6.2 기초 선정원칙

- 지반의 상태가 불량하여 안전성에 대한 확인을 필요로 하는 기초

- 최대 상부하중이 작용하는 구간 및 교량내의 구조적 중요도가 큰 기초

- 인접 기초와 형식이 달라지는 경우

7.3.4.6.3 기초 선정(소록교)

(1) 대상기초

- 교각 P2

(2) 선정사유

- 기반암에 선단부를 근입한 말뚝기초로 연직지지력 검증 필요

- GL. - 0.3~1.7m에서 점토섞인 실트질 모래의 분포로 수평안정성 검증 필요

7.2.4.6.4 검토내용

7.2.4.6.5 말뚝제원

7.3.4.6.5.1 소록교 교각 A2

(1) 말뚝기초 검토단면

(1.1) 기초현황

- 연암에 지지된 5 × 6 무리말뚝 기초

- 말뚝부재에 대한 단면 검토 필요

- 암반의 변형계수 : 4,000kgf/㎠

- Footing Ssize : 6.5m × 7.9m × 2.5m

- 말뚝 : ø508-t12, L = 7.5m ⇒ 연암에 1D근입

(1.2) 검토단면

(1.3) 말뚝배치

(2) 설계지반정수

주1) 콘크리트의 탄성계수 : E_c = 15,000√f_ck (kgf/㎠)

주2) 체적탄성계수 : B = E / {3(1 - 2v)}, 전단탄성계수 : G = E / {2(1 +v)}

(3) 말뚝 제원

(4) 하중조합

주) Footing 상단의 중앙에 작용하는 하중

(5) 안정성검토 결과 및 분석(1) : 교축방향

(5.1) 분석

- 모델링

- 파괴율 : Max = 0.85

- 연직변위 : Max = 0.670cm

- 수평변위 : Max = 0.123cm

- 말뚝 축력분포 : Max = 120.8tonf

- 말뚝 모멘트 분포 : Max = 3.6tonf-m

주) 허용응력 σ = N/A ± (M/I)y (해석결과 모멘트 : M_max = 3.6 tonf-m)

(5.2) 검토의견

- 기초저면지반의 Piled Raft효과에 의하여 연직반력이 구조계산에 의한 값보다 작으며, 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정함

(6) 안정성검토 결과 및 분석(2) : 교축직각방향

(6.1) 분석

- 모델링

- 파괴율 : Max = 0.92

- 연직변위 : Max = 0.718cm

- 수평변위 : Max = 0.123cm

- 말뚝 축력분포 : Max = 133.7tonf

- 말뚝 모멘트 분포 : Max = 6.4tonf-m

주) 허용응력 σ = N/A ± (M/I)y (해석결과 모멘트 : M_max = 6.4 tonf-m)

(6.2) 검토결과

- 기초저면지반의 Piled Raft효과에 의하여 연직반력이 구조계산에 의한 값보다 작으며, 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정함

7.3.5 앵커리지 안정성 검토

7.3.5.1 검토개요

- 중력식 앵커리지의 안정성 검토는 기본적으로 직접기초의 안정성 검토방법과 동일

- 지중정착식 앵커리지 안정성 검토는 앵커의 안정성검토 방법과 유사함

- 구조물 및 지반 현황

7.3.5.2 남측 앵커리지 안정성 검토

7.3.5.2.1 안정성 검토 기준

- 중력식 앵커리지는 구체의 자중을 이용하여 작용하중에 저항하는 구조임

- 연직지지력에 대한 안전외에 저면전단에 대한 안정성에도 유의하여야 함

- 연직 지지력 안전율 : 3.0 (평상시)

- 허용 침하량 : 2.5cm

- 저면 전단력 안전율 : 2.0 (평상시)

7.3.5.2.2 연직지지력에 대한 안정성검토

- 허용 연직지지력은 암에 지지된 직접기초의 지지력을 구하는 방식과 동일하게 산정함

- 암반에 지지되는 기초의 지지력은 불연속면의 존재, 방향, 풍화상태 등의 인장에 의해 영향을 받음

- 최대허용지지력은 암석의 일축압축강도 또는 콘크리트의 허용응력을 초과해서는 안됨

7.3.5.2.2.1 연직지지력 산정

7.3.5.2.2.2 안정성 검토결과

(1) 연직지지력에 대한 안정성

- 문헌에 의한 제시값 : 250tonf/㎡

- 일축압축강도에 의한 허용지지력 : 621.69~1,243.37tonf/㎡

- Bell의 지지력식에 의한 지지력 : 105.8~109.1tonf/㎡

- 허용지지력 산정 : 105.8tonf/㎡

- 최대연직지반반력 : 45.4tonf/㎡

- 재하되는 최대 작용하중은 설계적용 허용 지지력보다 작아 안정함

7.3.5.2.3 저면 전단력에 대한 안정성 검토

- 중력식 앵커리지의 경우 수동토압의 영향은 고려하지 않아 기초측면의 수평지지력은 무시함

- 저면전단력에 대한 안정성은 작용 전단력과 기초 바닥면과 지반 사이에 작용하는 전단저항력의 비를 산정하여 안정성여부를 판단함

(1) 전단저항력 산정(도로교 설계기준, 2000)

H_u = C_B · A' + V · tanø_B

여기서,

H_u : 기초 바닥면과 지반과의 사이에 작용하는 전단저항력 (tonf)

C_B : 기초 바닥면과 지반과의 부착력 (tonf/㎡)

ø_B : 기초 바닥면과 지반과의 마찰각 (。)

A' : 유효 재하면적

V : 기초 바닥면에 작용하는 연직하중(tonf)으로 부력을 뺀 값

- 마찰각과 부찰력

주) ø = 지지지반의 전단저항각 (。), c = 지지지반의 점착력 (tonf/㎡)

(2) 저면 전단저항력에 대한 안정성 검토결과

7.3.5.2.4 변위에 대한 안정성

- 도로교 시방서기준에 의한 수평 및 연직변위량 산정(새들 IP점의 변위 산정)

- 허용연직변위 : 2.5cm , 허용수평변위 : 15cm(0.02L)

7.3.5.2.4.1 침하량 산정 결과

7.3.5.2.5 전도에 대한 안정성

하중의 합력이 작용하는 위치는 평상시에는 바닥면의 중심으로부터 1/6이내, 지진시 1/3이내

- 편심거리 산정 결과

7.3.5.2.6 유한요소해석을 이용한 남측앵커리지 안정성 검토

7.3.5.2.6.1 남측앵커리지 검토단면

7.3.5.2.6.2 설계지반정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

7.3.5.2.6.3 앵커 스트랜드 단면계수

7.3.5.2.6.4 작용하중

주) 앵커리지기초는 케이블 장력이 제체 안정성을 지배하므로 케이블 장력을 적용하여 안정성 검토

7.3.5.2.6.5 해석 모델링

주) Truss의 끝단은 좌표로 입력하여 Solid요소에 삽입하여 구조물에 힘을 전달함

7.3.5.2.6.6 시공순서

(1) 원지반구성

(2) 기초 터파기

(3) 바닥 콘크리트 타설

(4) 구체(Mass) 콘크리트 타설

(5) 앵커리지 및 케이블 장력

※ 참고 : 케이블 모식도

7.3.5.2.6.7 안정성검토 결과 및 분석

(1) 분석

- 연직변위 : Max = 1.16cm

- 수평변위 : Max = 0.71cm

- 바닥 콘크리트면 연직반력 : Max = 105.5tonf/㎡

- 저면 연직반력 : Max = 50.6tonf/㎡

- 저면 전단력 : S = 11,340tonf

- 파괴율 : Max = 0.89

(2) 검토의견

- 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.5.2.7 암반절리면 해석을 통한 안정성 검토

- 남측앵커리지 설치를 위한 시공순서를 고려하여 불연속체를 고려한 UDEC해석을 실시하여 안정성 평가

- 남측 앵커리지부 설치를 위한 대화도측 임시절취로 인한 비탈면의 안정성 검토

- 남측 앵커리지 설치 후 경사지 기반암에 미치는 영향을 분석하여 앵커리지부의 안정성 검토

7.3.5.2.7.1 불연속면 특성 현황

7.3.5.2.7.2 앵커리지 설치전(임시사면 굴착시)

- 해석단면 모델링

- 변위 벡터

- 본 해석 모델은 남측앵커리지 설치를 위한 대화도측 임시 깎기사면임

- 변위 해석 결과 최대 수평변위가 일부 약 7.0mm나타나고, 대부분의 경우 3.0mm가 발생하는 것으로 나타나므로 임시사면은 안정한 것으로 검토됨

7.3.5.2.7.3 앵커리지설치 후(하중재하시)

- Modeling

- Mohr Coulomb Ratio (Strength/Stress)

- 연직응력

- 전체 변형 거동

- 수평방향 변위도

- 연직방향 변위도

- 본 구간의 불연속면 분포도는 하중재하와 관련된 상황과 무관하게 분포함

- M/C 안전율 해석 결과 하중재하로 인한 안전율이 5 이상으로 나타났음

- 해석결과 응력변위 양상은 사면방향으로 나타나나, 변위 발생양상을 분석하여 보면 수평방향 변위는 거의 발생하지 않고 하중으로 인한 연직변위가 약 1.3cm가 나타남

- 해석결과, 남측앵커리지 구간의 불연속면은 안정성과 무관하게 분포하며, 하중재하 후 응력 및 변위 분포 분석 결과 본 구간은 안정한 것으로 나타남

7.3.5.2.8 종합분석

검토결과

- 앵커리지부 시공을 위한 깎기 작업 후 발생하는 임시사면은 안정함

- 남측앵커리지 시공 후 불연속면으로 인한 지반의 안정성 해석결과 안정한 것으로 나타남

7.3.5.3 북측 앵커리지 안정성 검토

7.3.5.3.1 안정성 검토 기준

- 앵커형식을 이용한 앵커리지는 천공 Hole을 이용하여 케이블을 설치하여 선단 Flate에 정착시켜 지지하는 형식임

- 작용하중에 저항하는 매커니즘은 선단 Flate에서의 저항에 의해 암의 쐐기파괴형식을 취하고 있음

- 안정성 검토는 작용하중과 쐐기파괴가 일어날 경우 암블럭의 자중을 비교하여 판단함

- 초기긴장력에 대한 암반의 Creep 안정성 검토

- 쐐기파괴에 대한 안전율 : 2.0 (평상시)

7.3.5.3.2 지중정착식 앵커리지의 안정성 검토

7.3.5.3.2.1 쐐기파괴에 대한 안정성 검토

7.3.5.3.2.1.1 미끄러짐에 대한 안전성 검토

F_s = {(W - T · sinθ) · μ + C · A} / (T · cosθ) ≥ 2.0

여기서

W : 활동면 내부의 암반의 유효중량 (tonf)

C : 파괴면의 점착력 (tonf/㎡)

A : 외주면적 (㎡)

μ : 저면 마찰계수 (tanΦ)

T : 케이블 장력 (tonf)

(1) 검토시 고려사항 및 설계조건

(1.1) 고려사항

- 지하수위 아래는 부력을 고려함

- 하면과 저면의 점착력 고려

- 최소 외주면(가정한 파괴면내)에 대하여 검토

- 상면 측면의 마찰저항무시

- 예상 활동 저면의 경사각(10.3 °)은 고려하지 않음

(1.2) 설계조건

(2) 검토단면

- 평면도

- 단면도

(3) 활동면에 대한 안정성 검토

- 예상 파괴면은 지중 정착판 가장자리에서 30°의 경사각으로 활동면이 발생하는 것으로 가정하여 검토

- 안전성 검토시 예상 활동면에 있어 측면 및 전면의 전단저항을 고려하지 않고 저면의 마찰저항만을 고려

(3.1) 지반특성

- 암층의 분포는 연암 2.0~3.0m의 아래로 경암이 분포하고 있음

- 실험 및 경험적인 식에 의하여 평가된 강도정수는 연암 : ø = 21.5°, c = 20.0tonf/㎡, 경암 : ø = 45.0°, c = 108tonf/㎡

- 직접전단시험에서 얻은 불연속면의 잔류마찰각은 22~36°의 분포를 나타내나 대부분 30°이상임

(3.2) 안정성 검토결과

F_s = {(W - T · sinθ) · μ + C · A} / (T · cosθ) = {(62.357.5 - 9055) · 0.6 + 0} / 10,677 = 3.0 〉F_sa = 2.0 O.K

(4) 검토의견

- 북측 앵커리지에 단층 혹은 파쇄대는 없으며 활동에 대한 안전율이 3.0으로 기준 안전률 2.0이상임

- 지반강도를 고려한 전체적인 안정성 검토는 FEM해석(2D, 3D) 해석에 의하여 추가로 확인함

7.3.5.3.2.2 스프레이새들 기초의 안정성 검토

- 스프레이 새들을 지지하는 기초가 지중식 앵커리지와 독립된 구조물이므로 독립기초로 검토

- 안정성 검토방법은 남측앵커리지 검토방법과 동일함

- 기초저면은 연암에 지지되어 있으며 해당위치 시추결과가 없음

⇒ 문헌에 제시된 값을 근거로 산정

7.3.5.3.2.2.1 검토조건

7.3.5.3.2.2.2 검토단면

7.3.5.3.2.2.3 안정성 검토결과

7.3.5.3.3 유한요소해석을 통한 북측앵커리지 안정성 검토

7.3.5.3.3.1 북측앵커리지 검토단면

지중 정착식 앵커리지에서

(1) 기초규모 및 근입심도

- 앵커 정착 길이

L = 30m

- 지상부 앵커블록 크기

B × L = 6.3m × 6.7m

- 터널부 앵커블록 크기

B × L = 9.75m × 26m

- 케이블 장력

T = 14,000tonf

(2) 검토단면

7.3.5.3.3.2 해석프로그램 - iFEM/GEO

(1) 개요

(1.1) 지반 및 구조에 대한 2D/3D 해석 프로그램

(1.2) 해석기능

- 정상/비정상상태에서의 침투류 해석

- 열전달 해석

- 응력과 연계하여 해석가능

(1.3) 전처리 기능 : 요소망 자동생성 및 물성치, 계조건, 하중 조건 및 시공단계 등을 정의

(1.4) 후처리기능 : 해석결과를 그래픽으로 출력

(2) 적용분야

터널, 성토 및 굴착, 토류벽, 말뚝, 기초, 일반구조, 침투 해석, 지진 및 진동해석

(3) 해석요소

- 지반요소 : 평면요소(2D), 고체요소(3D)

- 구조요소 : 2D/3D 프레임요소, 트러스 요소, Embedded Bar(Frame)요소, 2D 인터페이스 요소, 3D 셀요소

(4) 해석모델

- 탄성 및 탄소성 재료

⇒ 선형 탄성, Von Mises, Tresca, 직교 모형, Mohr-Coulomb, Drucker-Prager 등

(5) 해석결과출력

- 변위, 응력, 주응력 등을 등고선으로 출력

- 변위 및 주응력을 벡터로 출력

- 변형형상 출력

- 3차원 해석결과의 분할 단면 출력

- 그래프 출력

- 애니메이션 출력

(6) 해석순서도

7.3.5.3.3.3 설계지반정수

주) 체적탄성계수(B) 및 전단탄성계수(G) ⇒ B = E / {3(1 - 2v)}, G = E / {2(1 + v)}

7.3.5.3.3.4 앵커 스트랜드 단면계수

7.3.5.3.3.5 터널부 구조 단면계수

7.3.5.3.3.6 작용하중

주) 앵커리지기초는 케이블 장력이 제체 안정성을 지배하므로 케이블 장력을 적용하여 안정성 검토

7.3.5.3.3.7 시공순서

(1) 원지반구성

(2) 상부지반 굴착

(3) 터널굴착

(4) 터널 Shotcrete 보강

(5) 정착부 콘크리트 타설 및 Prestressing

※ 참고 : 모델링 개념도

주1) 시공 3단계까지 발생한 변위는 지표변위에 집중되어 Prestressing 또는 케이블력 작용 등 이후 시공단계 에서 발생하는 변위를 작게 나타나게 함

⇒ 시공 4단계에서는 변위를 새로 계산 (3단계까지의 변위는 4단계 해석이 시작되기 직전에 초기화)

주2) 4단계 해석결과는 응력에 있어서 이전의 응력상태를 계속 이용하는 반면, 변위는 초기화하였으므로 순수하게 Prestressing에 의한 변위에 케이블력 작용에 의한 변위를 누적시킨 결과를 볼 수 있게 모형화함

7.3.5.3.3.8 해석결과(1) - 새들구간

(1) 수평변위 : Max = 0.53cm

(2) 연직응력 : Max = 107.0tonf/㎡

(3) 검토의견

- 변위는 기준치보다 충분히 작음

- 콘크리트채움으로 보강한 기초면의 연직반력도 허용지지력 이하로서 안정함

7.3.5.3.3.9 해석결과(2) - 앵커정착지반

검토의견은

- 프리스트레싱력에 의해 보강된 지반이므로 케이블력 작용시 더 안정상태임을 확인함

7.3.5.3.3.10 해석결과(3) - 앵커정착용 터널 : 수직구

- 연직변위 : Max = 0.035mm

- 수평변위 : Max = 0.363mm

- 시공중 숏크리트 압축응력 : Max = 7.7tonf/㎡

- 최종 숏크리트 압축응력 : Max = 16.3tonf/㎡

- 시공중 록볼트 축력 : Max = 0.59tonf

- 최종 록볼트 축력 : Max = 1.24tonf

검토의견은

- 수직구는 연직 및 수평변위에 대해 허용값 이내로 안정성을 확보

- 숏크리트와 록볼트의 응력 및 축력은 허용값 이내로 안정성을 확보

7.3.5.3.3.11 해석결과(4) - 앵커정착용 터널부 : 앵커터널 ⇒ 터널굴착직후 (무지보 조건)

- 수평변위 : Max = 0.87cm

- 최대주응력 : Max = 219.2tonf/㎡

검토의견은

- 터널굴착 직후인 무지보 조건에서 터널 거동 안전측임

7.3.5.3.3.12 해석결과(4) - 앵커정착용 터널부 : 앵커터널 ⇒ 터널지보후 (숏크리트 보강 - 12cm)

- 변위도 : Max = 0.87cm

- 최대주응력 : Max = 219.3 tonf/㎡

- 숏크리트 축력

- 숏크리트 모멘트

검토의견은

- 보강 후 미소한 인장응력이 발생함

- 터널 막장부의 숏크리트에 발생하는 응력은 허용치 이내임

7.3.5.3.3.13 해석결과(6) - Ko에 따른 터널거동특성

(1) 검토개요

- 기반암 K_o값은 평균적인 범위보다 훨씬 큰 1.8인 것으로 조사되었음

- 국소적인 조사결과이므로 매개변수 Ko를 변화시키면서 해석을 시행하여 앵커 정착용터널의 안정성을 검증함

(2) 검토구간

7.3.5.3.3.14 불연속체해석을 통한 안정성 검토

- 북측 앵커리지 설치 후 케이블의 인장력으로 인해 불연속면이 존재하는 지반에 미치는 영향을 분석함

- 하중 전달시 불연속면으로 인한 하중전달 및 안정성을 검토하여 교량의 안정성을 검증함

- 시공순서를 고려하여 UDEC Program을 사용하여 안정성을 평가함

(1) 불연속면 특성 현황(소록터널 앵커리지부)

(2) 해석결과

- 해석단면 모델링

- 변위벡터

- 소성영역

- Mohr Coulomb Ratio (Strength/Stress)

7.3.5.3.3.15 종합분석

검토의견은

- 해석결과 Cable 인장으로 인한 변위 발생은 미세한 것으로 나타남

- 불연속면을 포함한 암반의 안정성에 영향을 미치는 소성영역은 존재하지 않음

- M/C 안전율 해석 결과 안전율이 5 이상으로 나타남

- 시공순서를 고려하여 북측앵커리지에 대한 불연속면을 고려한 수치해석 수행 결과 안정한 것으로 검토됨

7.3.6 부등침하에 대한 안정성 검토

7.3.6.1 검토개요

인접기초간의 부등침하가 클 것으로 예상되는 구간을 대상으로 부등침하량에 대한 안정성 검토

- 검토 구간 교량현황

7.3.6.1.1 검토기준

7.3.6.2 검토결과

7.3.6.3 검토의견

발생 부등침하량이 허용치(1.0cm)보다 작음

⇒ 추가 사하중 및 활하중 재하시 교량상판의 안정성 확보됨

7.3.7 교대기초의 활동에 대한 안정성

7.3.7.1 검토개요

- 교대구조물이 연약지반상에 설치되거나 교대 배변의 성토고가 높을 경우 배면성토하중에 의해 교대기초가 활동에 의한 변형을 일으킬 수 있음

- 본 설계노선에는 연약층이 분포하지 않고 교대가 성토체 내에 설치되는 구간이 없으므로 교대배면의 높이가 높은 기초를 선정하여 교대의 활동에 대한 안정성을 검토함

- 배면성토 및 기초구조물에 대한 3차원으로 유한요소해석을 시행하여 활동에 대한 안정성을 검증함

7.3.7.2 검토단면의 선정

7.3.7.2.1 교대부 현황

- 거금연도교

- 소록교

- 금진육교

- 거금육교

7.3.7.3 교대활동 안정성 검토

7.3.7.3.1 적용프로그램

- 일반적 활동 안정성 검토에는 한계평형해석 프로그램인 Geo-Slope 사의 Slope/w 5.0을 적용함

- 말뚝을 고려할 경우 말뚝체를 보강재로 고려하는 한계평형 해석프로그램인 “Terrasol사의 Talren 97” 프로그램을 적용

7.3.7.3.2 검토기준 및 적용 물성치

7.3.7.3.2.1 안정조건

7.3.7.3.2.2 적용 물성치

(1) 지반조건

- 거금연도교 A1의 기초 지반조건

- 거금연도교 A2 기초 지반조건

- 소록교 A1의 기초 지반조건

- 소록교 A2의 기초 지반조건

- 금진육교 A1의 기초 지반조건

- 금진육교 A2의 기초 지반조건

- 거금육교 A2의 기초 지반조건

7.3.7.3.3 교대 활동안정성 검토결과

- 검토구간별로 교대비탈면의 안정성검토 시행

- 활동파괴면은 지지층상부의 토사층에서 파괴가 일어나는 것이 가장 취약한 것으로 검토되어 토사층 및 풍화암층을 파괴면으로 결정함

- 시추조사 결과에 의하며 각 시추공의 지하수위는 2.5m~시추심도이하이나 우기시를 고려 지하수위는 지표에 위치하는 것으로 적용함

- 암반지지 직접기초는 기초저면과 기반암면 사이에서 파괴가 일어날 것으로 가정하여 Block Theory를 적용하여 안정검토 수행

7.3.7.3.3.1 직접기초 교대부 해석결과

7.3.7.3.3.2 말뚝기초 교대부 해석결과

검토결과는

- 안정성 검토결과 모든 교대구간은 활동파괴에 대해 안전한 것으로 나타남

- 경사지에 위치한 거금연도교 A1의 경우 편성토 교대부로 위에 나타난 결과보다 안정성은 클것으로 판단됨

- 잔류토층에 지지되고 있는 거금육교 A2는 시공시 세심한 관리가 필요함

7.3.7.4 유한요소해석에 의한 교대기초 안정성 검증

7.3.7.4.1 접속교 교대 A1

7.3.7.4.1.1 단면개요

(1) 기초현황

(1.1) 자연사면과 성토하중으로 인한 구조물의 안정성 검토 필요

(1.2) 암반의 변형계수는 인근지역인 P1기초 지역의 7,000kgf/㎠을 적용

(1.3) 기초규모

- 교대 높이 : 9m

- Footing size : 5.6m × 16.5m × 1.2m

- 바닥콘크리트 높이 : 3.0m

(2) 검토단면

7.3.7.4.1.2 설계지반정수

주1) 콘크리트의 탄성계수 : E_c = 15,000√f_ck (kgf/㎠)

주2) 바닥콘키르티와 교대 Footing사이의 Interface 요소의 물성값의 바닥콘크리트의 1/3을 적용

주3) 체적탄성계수 : B = E / {3(1 - 2v)}, 전단탄성계수 : G = E / {2(1 +v)}

7.3.7.4.1.3 하중조합

주) 2D 해석시 상기의 하중을 교대의 폭(16.5m)으로 나눠서 입력

7.3.7.4.1.4 시공순서도

(1) 원지반 구성

(2) 1차 터파기

(3) 2차(최종) 터파기

(4) 바닥 콘크리트 타설

(5) 1차 앞·뒷채움 성토

(6) 교대시공

(7) 2차 앞·뒷채움 성토

(8) 3차 뒷채움 성토 및 하중재하

7.3.7.4.1.5 안정성 검토결과 및 분석

- 전체 모델링

- 변형 양상

- 연직변위 : Max = 0.315cm

- 수평변위 : Max = 0.103cm

- 저면 연직반력 : Max = 49.4tonf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.90

7.3.7.4.1.6 안정성 검토결과

- 변위 안정성

- 저면 연직반력 전단저항력

검토의견은

- 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정성을 만족

7.3.7.4.2 소록교 교대 A1

7.3.7.4.2.1 단면개요

(1) 기초현황

- 자연사면과 성토하중으로 인한 구조물(말뚝기초)의 안정성 검토 필요

- 암반의 변형계수 : 9,000kgf/㎠

- 기초규모

- 교대 높이 : 9m

- Footing Size : 6.0m × 18.54m × 1.3m

- 말뚝 : ø508-t12, L = 11m, 연암에 1D근입

(2) 검토단면

7.3.7.4.2.2 설계지반정수

주1) 토사층은 표준관입시험결과 그 편차가 커서 3개층으로 나눠서 해석함

주2) 콘크리트의 탄성계수 : E_c = 15,000√f_ck (kgf/㎠)

주3) 체적탄성계수 : B = E / {3(1 - 2v)}, 전단탄성계수 : G = E / {2(1 +v)}

7.3.7.4.2.3 말뚝 제원

주1) 2D 해석시 말뚝의 횡방향 간격으로 탄성계수와 단면적을 나눠서 해석

⇒ 해석결과 값은 다시 말뚝의 횡방향 간격으로 곱해서 최종 결과값을 도출

7.3.7.4.2.4 하중조합

주) 2D 해석시 상기의 하중을 교대의 폭(18.54m)으로 나눠서 입력

7.3.7.4.2.5 시공순서도

(1) 원지반 구성

(2) 터파기 및 말뚝시공

(3) 교대시공

(4) 앞채움성토 및 1차 뒷채움성토

(5) 2차 뒷채움 성토

(6) 3차 뒷채움 성토 하중재하

7.3.7.4.2.6 안정성 검토결과 및 분석

- 연직변위 : Max = 0.315cm

- 수평변위 : Max = 0.103cm

- 전체 변형양상

- 파괴율 : Max = 0.75

- 말뚝 축력분포 : Max = 85.5tonf

- 말뚝 모멘트 분포 : Max = 19.0tonf-m

7.3.7.4.2.7 안정성 검토결과

- 변위 안정성

주) Footing 후면에서 Footing 전면쪽으로 말뚝번호를 부여함

- 말뚝 부재력 검토

주) 1. 2D 해석결과 값은 단위m에 대한 값이기 때문에 말뚝의 횡방향 간격으로 곱해서 최종 결과값을 도출

2. 허용응력 σ = N/A ± (M/I)y

검토의견은

- 변위와 응력에 대하여 허용값 이내로 안정성을 만족

7.4 기초의 시공방안 검토

7.4.1 기초형식별 시공방안

7.4.1.1 우물통 시공방안 검토

7.4.1.1.1 검토개요

- 해양구간의 기초형식으로 선정된 우물통 시공순서 검토를 통한 관리방안 수립

- 우물통 시공중 발생할 수 있는 문제점에 대한 대책 수립 및 향후 사용성 확보

7.4.1.1.2 침설식 우물통기초 시공 순서도

(1) 콘크리트 외벽 육상제작

- 제작장에서 강재우물통 제작

(2) 우물통 거치장소 준설

- 해저지반 굴착 및 면정리(GRAB 굴착)

(3) 우물통 운반 및 거치

- 해상크레인(3,000tonf급)을 이용한 운반 및 거치

(4) 우물통 내부굴착 및 침설

- LOT별로 내부굴착 / 벽체 타설

(5) 수중 콘크리트 타설

- 우물통 내부굴착 후 부력선까지 수중 콘크리트 타설

(6) 우물통 기초 완료

- CAP콘크리트 타설 후 교각시공

7.4.1.1.3 강재우물통 거치 방안

(1) 시공개요도

(2) 제작 및 설치 계획

- 물양장에서 강재우물통 제작

- 해상크레인을 이용하여 강재우물통 운반

- 우물통 강재내부에 1차 콘크리트 타설로 자중에 의한 침하 거치

7.4.1.1.4 상부 슬래브 단면 최적화 설계

(1) 단면개요도

(2) 선정사유

- 우물통내부 격벽설치 및 기건상태 유지

- 격벽설치로 상부슬래브 단면의 최적화

- 내부 기건상태 유지로 우물통 구체중량 저감 ⇒ 내진설계시 관성력 저감효과

- 거금연도교 모든 우물통 기초에 적용

7.4.1.1.5 우물통 침하 촉진 방안

(1) 시공개요도

(2) 적용사유

- 고압수분출

- 자갈층 마찰저감

- 편심방지

- 시공 간단, 경제성우수

- 구체 손상방지

7.4.1.2 앵커리지 시공방안

7.4.1.2.1 검토개요

- 현수교 케이블 정착을 위한 앵커리지의 시공순서 검토를 통한 관리방안 수립

- 대규모 구조물로 환경 친화적인 구조 및 형식적용 방안 수립

7.4.1.2.2 남측 앵커리지 시공방안

7.4.1.2.2.1 앵커리지 시공순서도

(1) 원지반상태

(2) 벽강관가물막이 가설

(3) 지반굴착 및 치환Con'c 타설

(4) 앵커블록타설

(5) 벤트블록타설

(6) PS 긴장 및 케이블가설(AS공법)

(7) 앵커리지 교각 및 커버 Con'c 타설

(8) 앵커리지 상 교각 및 기타

7.4.1.2.2.2 남측앵커리지 물막이 시공방안

(1) 물막이 시공법 선정

(2) 시공순서

(2.1) PRD 굴착 및 벽강관 압입

(2.2) 이음새 처리(지수재주입)

(2.3) 강관내 속채움콘크리트 타설

(2.4) 두부캡 설치

(2.5) 내부 양수후 굴착

(3) 전면 격벽부 사석채움

(3.1) 시공개요도

(3.2) 적용효과

- 앵커리지 전면부 격벽 설치

- 수화열 및 구체량 감소

- 사석 및 시멘트밀트 주입으로 구체 안정성 확보

7.4.1.2.2.3 북측 앵커리지 시공방안

(1) 앵커리지 시공순서도

(1.1) 사면굴착 및 지반정리

(1.2) 수직 및 앵커터널의 천공

(1.3) P.S Starand Hole 천공

(1.4) 기초콘크리트 타설

(1.5) 앵커밴트블록 타설

(1.6) PS긴장작업 및 케이블가설(AS 공법)

(1.7) 앵커리지 교각 및 커버 Con'c 타설

(1.8) 성토 및 터널 되메움

(2) 앵커리지 터널 시공

(2.1) 고려사항

- 북측앵커리지 케이블 정착을 위한 앵커정착용 터널시공을 위한 시공방안 수립

- 하부 지반상태는 매우 양호한 암질의 경암으로 구성되어 있음

- 시공성 및 경제성을 고려한 시공방안 선택

- 크롤러 드릴을 이용한 천공 및 정밀 제어발파를 통한 시공계획 수립

(2.2) 시공순서도

- 터파기 후 지상구조물 시공

- 수직터널 하향 천공발파

- 앵커터널 상반굴착

- 계획저면까지 수직터널 굴착

- 앵커터널 하반굴착

- 되메우기

(3) 케이블 Drilling Hole 천공

- 천공장비는 자주식 천공장비 혹은 T-4를 이용

- 천공시 암반균열 최소화

- 천공위치 오차 ⇒ 상부 : ±3.0cm, 하부 : ±10.0cm 이내

- 천공 공내 암반 부스러기 제거위해 가압세척 실시

- 천공경내 내압강도 6.0kgf/㎠이상인 HDPE관 삽입

- HDPE관 삽입 후 시멘트밀크 그라우팅 실시

7.4.1.3 강관말뚝 시공방안

7.4.1.3.1 검토개요

- 지지층에 지지된 강관말뚝의 확실한 지지력 확보를 위하여 적합한 시공방안 제시

- 시공시 품질관리 기준 제시

7.4.1.3.2 강관말뚝(매입말뚝)의 시공순서도

7.4.1.3.2.1 중굴 + T4 시공순서도

(1) 지반굴착(T-4)

(2) 기반암 도달

(3) 저면 슬라임처리

(4) 콘크리트 채움

(5) 시공완료(속채움5D)

7.4.1.3.2.2 시공 및 장비 개요도

(1) 굴착장비(T-4)

(1.1) 개요도

(1.2) 특징

- 기존 오거헤드 : 연암까지(N:40DL이하) 굴착 시공 가능

- T-4 : 암반에 Pile 선단을 정착하고자 하는 교각시공에 적용(견고한 기초) ⇒ 특수비트에 의한 진동과 고압의 공기로 스럼을 배토 천공하고 파일을 삽입하는 공법

(2) 기타 시공장비

- 크롤러크레인(50톤 이상) 1대

- 드롭해머

- 스크류 구동장치 1Set

- 오거스크류 및 헤드

- 콤프레서 1대

- 발전기 3대

7.4.1.4 직접기초 저면처리

7.4.1.4.1 개요

직접기초는 기초저면에서 하중이 지반에 직접 전달되므로 기초저면의 처리지침을 준수하여 상부 하중을 지반에 균등하게 전달하게 함으로써 구조물의 안정성을 도모하고자 함

7.4.1.4.2 기초저면 처리에 따른 문제점 및 처리지침

7.4.1.4.2.1 문제점

- 직접기초를 경사진 암반상에 설치할 경우 경사저부로 향하는 수평력으로 인해 지지력 감소

- 요철부 암반에 기초를 설치할 경우 암반의 경사로 인한 기초저면과 암반의 접촉불량 및 저면 콘크리트 두께의 불균등으로 인한 지지력 감소

7.4.1.4.2.2 처리지침

- 굴착시 가급적 교란을 최소화 할 수 있도록 저면굴착시 작은 장비를 사용

- 부석을 모두 제거하고 지지력이 충분하다고 판단되는 지층까지 굴착

- 암굴착면은 수평계단식 또는 톱니형상으로 마무리하며, 굴착면은 수평상태를 유지

- 암굴착면의 요철은 ±10cm로 하며 암질에 따라 여굴이 발생할 경우에는 빈배합 콘크리트 또는 Mass con'c로 저면을 마무리 함

- Concrete 타설 전에 굴착면의 부석 및 토사를 완전히 제거해 암반과의 부착을 양호하게 함

- 터파기 구역에서는 작업을 수행하기 위하여 지하수위를 저하시키는 물푸기 작업을 준비함

- 후속되는 시공을 위해 기초바닥을 정리하고, 건조된 상태를 유지해야 하며, 배수의 미비로 인한 굴착면의 파괴나 변형이 없도록 해야 함

7.4.1.4.3 기초지반의 형태별 처리내용

(1) 기초저면이 경사져 있을 경우

- 기초폭 7m 미만의 경우 : 수평굴착

- 기초폭 7m 이상인 경우 : 경사고려 계단식 암절취

- 암반의 구배 〉 1 : 4 → 계단식 굴착

- 암반의 구배 〈 1 : 4 → 저면수평으로 굴착

- 부석제거 철저

- 기초바닥정리 콘크리트(50cm이하) 타설

(2) 기초저면이 수평상태 일 경우

- 암굴착면의 요철은 ±10cm

- 바닥면 처리를 위해 10cm이상의 바닥정리 콘크리트 타설

- 토사층 또는 풍화암에 거치시키는 경우 10cm두께로 잡석설치

7.4.1.4.4 토사층을 지지층으로 계획할 경우

(1) 자연 비탈면 굴착 개요도(소록교 P3)

(2) 적용성

- 기초의 지지층 심도가 얕아 굴착량이 적고 시공성 양호함

- 기초저면 잡석 포설

- 공정이 단순하여 시공성 양호

- 금진육교 A1

- 소록교 P3, A2

- 거금육교 P1, P2, PY1, A2

7.4.1.4.5 지지층 상부토층 두께가 깊은 경우

(1) 저면 Mass Concrete 타설(거금연도교 A1)

(2) 적용성

- 상부토층이 깊어 지지층까지 직접기초로 지지할 경우 교대높이 과다해짐

- 저면 Mass Concrete 타설 교대높이 감소 및 지지력 확보

- 거금연도교 : A1

- 금진육교 : A2

7.4.1.4.6 기초저면 풍화암, 연암이 혼재하는 경우

7.4.2 기초 굴착방안 검토

7.4.2.1 검토방향

- 교량구조물 기초시공을 위한 가설 터파기 시공시 안정성을 확보하기 위한 적합한 공법 선정

- 굴착심도, 지하수위 조건, 지반조건, 인접구조물의 간섭 등을 고려한 굴착공법 선정

- 자연비탈면 굴착시공시 한계평형해석법(Slope/w)에 따라 비탈면 안정 검토를 통한 적정기울기를 결정

- 터파기 심도보다 지하수위가 높은 구간은 침투해석을 수행하여 양수대책 수립

7.4.2.2 기초터파기 굴착공법 선정

7.4.2.3 자연터파기 기울기 결정

- 자연터파기 굴착현황

- 가설타파기용 비탈면 기울기 경사

7.4.2.4 터파기 안정성 검토

교량기초 시공을 위한 자연 타파기에 따른 임시비탈면 기울기를 결정하기위해 본 과업구간중 기초시공을 위한 모든 터파기 구간에 대해서 비탈면 안정성 검토를 실시하여 최적의 임시 비탈면 기울기를 결정

7.4.2.4.1 검토개요

7.4.2.4.2 검토결과

7.4.2.4.2.1 거금연도교

- A1

- A2

7.4.2.4.2.2 소록교

- P1

- P2

- P3

- A2

7.4.2.4.2.3 금진육교

- A1

- A2

7.4.2.4.2.4 거금육교

- P1

- P3

- PY1

- A2

7.4.2.5 침투유량 산정

7.4.2.5.1 검토개요

사용프로그램

- 캐나다 Geo-Slope 사에서 개발한 침투해석 전용 Program인 SEEP/W(VER 4.24)

- 해석방법 : 유한요소법

- 지반에서의 유체거동과 간극수압 분포해석

- 정상류 및 비정상류 해석 가능

7.4.2.5.2 침투수량검토 및 대책수립

7.4.2.5.2.1 해석단면개요 및 적용 지반 물성치

7.4.2.5.2.2 해석결과

(1) 해석결과

(2) 검토결과

- 유입량(Q) = 6.13E^-4㎤/sec × 3600 × 24 × 20.1 / 1E + 3 = 1.06㎥/day

- 1.0Kw 내외 양수기로 양수가능

- 예비펌프 : 1.0Kw

7.4.3 남측 앵커리지 가설물막이 설계

7.4.3.1 검토개요

- 남측앵커리지 시공을 위한 작업공간 확보

- 안정성, 시공성, 경제성을 만족하는 최적공법 선정

7.4.3.2 가설물막이 공법 검토 및 선정

7.4.3.2.1 가설물막이 공법 비교

7.4.3.2.2 물막이 공법 선정

(1) 유심부측

- 바지선 이용 벽강관 말뚝 시공

(2) 수심이 낮아 바지를 이용한 시공이 어려운 구간

- 축도를 쌓아 육상시공이 가능하도록 함

7.4.3.3 물막이 공법 적용

7.4.3.3.1 가물막이공법 적용 대상구간

7.4.3.3.2 검토단면

(1) 공법적용

- 물막이 공법 : 벽강관 말뚝 공법

- 벽체의 지지 : 자립식 벽강관말뚝

(2) 선정배경

- 물막이 안정성, 시공성 및 경제성을 고려하여 벽강관 말뚝 공법 선정

(3) 개요도

(3.1) 평면도(유심부)

(3.2) 정면도(축도부)

7.4.3.3.3 물막이 안정성 검토

7.4.3.3.3.1 검토목적

- 가정단면의 부재력 검토를 통한 최적의 단면 결정

- 적용 가시설의 각 부재별 응력을 검토하여 시공 기간 중 안정성 확보

7.4.3.3.3.2 설계적용 기준

(1) 적용 설계법

- 허용응력 설계법

(2) 설계하중

- 고정하중

- 충격하중

- 토압·수압

- 기타하중

(3) 재료의 허용응력

- 허용응력 증가 계수 1.5

- 재사용 감소계수 0.85~0.9

(4) 벽체말뚝 허용수평변위

- 수압 및 토압에 의해 발생하는 침하량 및 부등침하에 의한 경사각 검토 후 판정

- 최대 수평변위 ⇒ 최종굴착깊이(H) × 0.2%

7.4.3.3.3.3 검토방법

(1) 검토 Flow

(2) 사용 프로그램

(2.1) 계산 프로그램 : SUNEX Ver 5.0

(2.2) 해석 수행과정 : 탄소성 Beam-Spring Model

EI(d⁴x / dy⁴) + {(A · E') / L} · δ = Pi - K_s · δ

(2.3) 변위와 토압 관계

- 수정토압 : Pi ± K_s · δ

- 주동토압 ≤ 한계토압 ≤ 수동토압

제 목 : 암반근입에 따른 Confining Effect

7.4.3.3.3.4 적용 지반정수

- 수압분포

7.4.3.3.3.5 물막이 안정성 검토 결과

(1) 공법적용

- 벽강관 물막이 : 유심부 ⇒ ø711.2 - t14mm , 축도부 ⇒ ø508 - t12mm

- 자립식 물막이 벽체

- 암반근입심도 : 유심부 ⇒ 3.0mm , 축도부 ⇒ 1.5m안정성 검토

(2) 안정성 검토

(3) 부재단면력 검토

- 휨모멘트에 대한 안정성 검토

- 전단력에 대한 안정성 검토

7.4.4 앵커리지부 사면 안정검토

7.4.4.1 개요

7.4.4.1.1 검토개요

- 북측앵커리지 설치를 위해 시행되는 깎기부에 대한 안정성 검토를 수행하여 안전한 공사가 이루어지도록 함

- 장기간에 걸쳐 공사를 시행하는 조건을 고려하여 건기시, 우기시, 지진시에 대한 검토를 수행하여 안정성을 확보하고자 함

7.4.4.1.2 현황도

- 평면도

- 단면도

7.4.4.1.3 검토단면 및 지층분석

(1) 구간 및 현황분석

(1.1) 구간 : 북측앵커리지

(1.2) 최대깎기고 : 20.8m

- 토사 : 18.4m

- 암반 : 2.4m

(2) 검토단면

(3) 지층분석

- 풍화토 : 13.7 m

- 풍화암 : 1.0 m

- 기반암 : 10.4 m

7.4.4.2 토사 비탈면 안정해석

7.4.4.2.1 배면사면(상단부)

7.4.4.2.2 배면사면(전체)

7.4.4.2.3 좌측사면

7.4.4.2.4 우측사면

7.4.4.3 암반 비탈면 안정해석 검토

7.4.4.3.1 배면사면에 대한 평사투영해석

- 평사투영해석결과 1:0.5 구배 적용시 평면파괴, 전도파괴에 대하여 안정함

- 1:0.5로 구배를 적용시 쐐기파괴에 대하여 안정함

7.4.4.3.2 우측사면에 대한 평사투영해석

- 평사투영해석결과 1:0.5 구배 적용시 평면 및 전도파괴에 대해서는 안정하나 쐐기파괴 가능성이 나타나고 있는 것으로 나타남

- 쐐기파괴에 대한 한계평형해석을 실시하여 정밀해석을 수행함

7.4.4.3.3 우측사면에 대한 한계평형해석

- 절리면 전단강도

- 해석결과

7.4.4.3.4 암반비탈면 안정해석 결과

7.4.5 앵커리지부 침투유량 검토

7.4.5.1 검토개요

과업구간의 지하수 유입에 따른 침투유량에 대한 사전 검토를 실시하여 공법선정의 적정성과 시공중 안정성 검토를 위한 자료로서 활용

7.4.5.2 해석조건 및 검토단면

- 과업구간에서 시행된 지반조사 자료를 이용하여 지층조건 및 지하수위 조건을 설정

- 해석영역은 하부로는 경암(굴착저면하 20.0m)까지를, 좌·우측은 유량에 대한 경계조건을 적용하여 물의 원활한 흐름을 파악

- 단면 최하단은 Infinite Element를 단면상부 및 좌·우측은 지하수위를 고려한 전수두 경계 조건을 적용

7.4.5.2.1 해석모델링 및 적용투수계수

- 북측 앵커리지 터파기구간은 비탈면 기울기에 현 지하수위를 모델링에 적용하여 해석 수행

- 수직터널 및 앵커터널 굴착 후 발생하는 침투유량 검토

- 북측 앵커리지 비탈면 굴착

- 투수계수 (cm/sec)

7.4.5.3 검토결과

7.4.5.3.1 해석결과

(1) 북측 앵커리지 비탈면 굴착

(2) 검토결과

(2.1) 밴트블럭 설치부

- 1.34㎥/day

- 우수에 대비한 배수구 설치로 처리가능

(2.2) 터널부

- 1.16E-1㎥/hr×24×24m = 66.4㎥/day

- 양수기 : 11kW

- 예비펌프 준비

7.5 기초 내구성 향상 및 유지관리 방안

7.5.1 교량기초의 세굴 안정성 검토

7.5.1.1 검토개요

교각을 수중에 설치하면 흐름을 방해하는 장애요인으로 작용하여 교각주위의 세굴 발생 및 상류에서의 수심 증가

- 세굴발생 메카니즘

- 수리·수문특성

7.5.1.2 세굴심 산정

7.5.1.2.1 개요

7.5.1.2.1.1 세굴의 종류

(1) Clear Water Scour

- 교각 상류에 있는 해상재료가 움직이지 않는 경우

- 최대 세굴심도는 세굴지역에서 입자가 더 이상 제거되지 않을 때 발생

(2) Live Bed Scour(Sediment Transport Scour)

- 흐름에 의하여 해상재료가 이동하면서 발생

- 평형 세굴심도는 세굴지역에서 제거되는 양과 세굴지역으로 보충되는 양이 같을 때 이루어짐

7.5.1.2.1.2 세굴의 영향인자

- 유수특성 : 유수의 밀도 및 점성, 수심, 유속, 유량, 지속시간

- 하상재료특성 : 밀도, 입도분포, 입경, 점착성 정도

- 교각특성 : 교각의 폭과 길이, 형상, 교각 표면의 조도, 교각의 개수 및 교각사이의 간격, 개도비

- 하천특성 : 접근류의 입사각, 유로 곡률반경, 유송잡물, 얼음의 형성

7.5.1.2.1.3 세굴방지공의 종류

- 방호에이프런(Protective Aprons) : 교각전면에 발생하는 하향류와 와류로부터 해상을 보호하기 위하여 교각주위에 collar를 설치

- 사석투하(Rock ＆ Gravel Dumping) : Armoring 현상을 이용하여 해저면에 바위 및 자갈을 투하하여 세굴을 방지하는 방법

- 모래백(Sand Bags) : 교각주위에 모래백을 설치하는 방법으로 짧은시간동안만 세굴현상을 안정시키기 위하여 사용하는 방법

- 흐름에너지 감소장치(Flow Energy Dissipation Devices) : 교각주위에서의 세굴을 감소시키기 위해서 교각주위에 흐름에너지를 감소시키는 장치(인공수초, 구조물 등)를 설치하는 방법

7.5.1.2.2 세굴심도 및 폭 산정

(1) 세굴심도 산정식(Federal Highway Administration(1993))

y_s / a = 2K₁K₂K₃(y₁ / a)^0.35 Fr₁ ^0.43

y_s = 세굴심도(ft)

y₁ = 교각 상류의 수심(ft)

K₁ = 교각 형상 계수

K₂ = 흐름의 접근방향 계수

K₃ = 해상저질계수

a = 교각 폭(ft)

L = 교각 길이(ft)

Fr₁ = Froude 수( = V₁(gy₁)^1/2)

V₁ = 교각 상류의 평균 유속(ft/s)

(2) 세굴 심도 및 폭 산정결과

- Whitehouse(1998)의 연구결과 등을 검토하여 지름의 1배로 결정

- 세굴 심도 및 폭 산정결과표

7.5.1.2.3 세굴 방지공 결정

세굴방지공 형식은 경제성, 시공성 등을 감안하여 사석식으로 결정

(1) 세굴방지 사석질량 산정 (항만 및 어항 설계기준서, 해양수산부, 1999.)

- 산정식(이스바쉬(Isbash) 식)

M = πρ_rU⁶ / 48g³y⁶(S_r - 1)³(cosθ - sinθ)³

M : 사석 등의 안정질량(t)

ρ_r : 사석 등의 밀도(tf/㎥)

U : 사석 등의 상부에서의 물의 유속(m/s)

g : 중력가속도 (m/s²)

y : 이스바쉬의 정수(파묻힌 돌은 1.20, 노출된 돌은 0.86)

S_r : 사석 등의 물에 대한 비중

θ : 수로상의 축방향의 사면경사(。)

(2) 사용사석

- 구조물의 안정성 등을 감안 0.03㎥/EA이하 사석 사용

7.5.1.3 세굴방지공

7.5.2 우물통 본체 내구성 향상을 위한 발파계획

7.5.2.1 검토개요

- 우물통 기초공사를 위한 사전조사로 발파굴착시 주변 주요 지장물에 피해 영향 검토 및 발파공해 허용기준 제시

- 수중 발파의 특성을 고려한 시공방법 검토

- 시험발파 결과 산출된 발파진동 추정식을 이용하여 안전한 발파 적용성 검토

- 안전하고 효율적인 발파패턴 설계

7.5.2.1.1 발파계획시 주요검토사항

(1) 수중 우물통 발파에 적합한 천공 및 장약방법 도입

(2) 수중발파 특성에 적합한 폭약의 선정

(3) 안전하고 신뢰성 있는 기폭 System 사용

(4) 작업 특성에 맞는 발파패턴 적용

(5) 천공과 장약 등 효과적 수중작업을 위한 방안

7.5.2.2 우물통 주변환경

7.5.2.2.1 우물통 위치별 주요 지장물 현황

7.5.2.2.2 우물통 위치도

7.5.2.2.3 주변현황도

발파작업으로 인해 지장물에 영향이 예상되는 P1, EPY1 우물통 주변현황

7.5.2.2.4 발파영향검토

(1) P1

- 거금도 주택과 약 85m이격

- 발파작업에 따른 진동영향으로 피해 및 민원 발생 우려

- 주택과의 이격거리에 따른 지발당장약량 적용이 요구됨

(2) EPY1

- 거금도 주택과 약 225m이격

- 다소 이격거리가 먼 곳에 위치하나 지발당장약량 사용에 따라 영향

(3) EPY2

- 거금도 주택과 약 410m이격

- 발파작업에 의한 영향 거의 없음

(4) EPY3

- 발파작업에 따른 피해 영향범위내 지장물 없음

(5) P2

- 발파작업에 따른 피해 영향범위내 지장물 없음

(6) PY1

- 발파작업에 따른 피해 영향범위내 지장물 없음

(7) PY2

- 발파작업에 따른 피해 영향범위내 지장물 없음

7.5.2.3 우물통 지층현황

7.5.2.3.1 지층분포

7.5.2.3.2 우물통 지층 현황도

- P1

- EPY1

- EPY2

- EPY3

- P2

- PY1

- PY2

7.5.2.4 우물통 시공방법 검토

- 수중우물통 발파 천공방법

7.5.2.5 수중우물통 발파의 장약방법검토

7.5.2.5.1 장약량 계산

- 수중발파의 경우 양호한 파쇄도와 천공의 잔류공이 남지 않도록 주의

- 수중발파의 특성상 불발가능성이 높으므로 일반 계단발파의 장약량보다 1.5~2배로 장약량을 계산하는 것이 바람직함

- 중앙부 1, 2차 굴착구간은 ø50mm 폭약 2.0kg(2개)을, 3차 외곽부 굴착구간은 ø25mm 폭약 0.625kg (5개)을 장약하고자 함

7.5.2.5.2 장약 방법

- 양수 후 발파적용 우물통은 일반적인 장약방법으로 실시

- 수중에 잠수부가 잠수하여 장약할 경우 우물통내 시계가 불량하므로 천공시 공구에 말뚝과 함께 설치된 Rope를 잠수부가 손으로 붙들고 따라가면서 천공의 역순서로 장약

7.5.2.5.3 폭약의 선택

수중발파에서는 폭약의 내수성과 내압성을 고려하여 폭력이 우수한 폭약을 선택사용하는 것이 중요

7.5.2.5.3.1 폭약류 성능비교표(H사제품)

7.5.2.5.3.2 폭약의 선택

- 수중발파는 1자유면 형태와 수압의영향, 발파시 수중충격파의 영향으로 잔류약발등 발파효율이 극히 부진한 경우가 발생되기도 함

- 폭력이 좋아 발파효율 및 내수성이 우수하며 폭력이 양호화면서 불발시 수중에서 처리가 용이하는등 수심이 깊은 수중발파 조건에 적합한 다이나마이트계의 폭약을 선정

7.5.2.5.3.3 뇌관의 선택

7.5.2.5.3.4 천공 및 폭약경의 선택

(1) 중앙부 1, 2차 굴착 구간

- 중앙부 1차 굴착위치는 선행굴착되어 심빼기와 같은 역할을 하므로 암파쇄가 충분히 이루어져야 2차 발파가 용이하고, 다음으로 외곽부 발파가 용이함

- 중앙부 1, 2차 굴착 구간은 발파효율을 위해 Crawler Drill(ø75mm)로 천공하여 폭약은 ø50mm를 사용하여 장약함

(2) 외곽부 3차 굴착구간

- 외곽부는 단면유지를 위해 과굴착 방지

- 우물통 구조체에 미치는 영향 저감

- 정확한 천공작업 실시로 우물통 구조체의 균등침하 유도

- Sinker Drill(ø38mm) 이용하여 천공

- 폭약은 ø25mm를 사용하여 장약

7.5.2.6 우물통 발파방법

7.5.2.6.1 발파방법의 비교

7.5.2.6.1.1 전단면발파

(1) 내용

- 계획굴착 단면을 1회발파로 굴착하는 방법

- 소규모 우물통에 적용

(2) 장·단점

- 1회발파로 완료되어 시공성양호

- 발파진동에 따른 지발당장약량의 제한이 없는 경우 적용

- 1자유면 발파로 굴착효율 다소부진

- 진동발생이 상대적으로 큼(지발당장약량 증가)

- 우물통 구조체의 불균형 침하 우려

- 장약 및 뇌관결선 복잡

7.5.2.6.1.2 분할발파(선정)

(1) 내용

- 계획굴착단면을 중앙부와 외곽부로 나누어 2분할 이상으로 순차적으로 발파하는 방법

- 우물통규모가 클 때 적용

(2) 장·단점

- 중앙부 선행굴착으로 자유면증가에 따른 상대적으로 진동감소

- 중앙부굴착에 의한 자유면 확보로 외곽부 발파효율 증가 및 우물통구조체의 균형침하 유도

- 장약 및 뇌관결선 작업이 전단면발파보다 간편하고 정확을 기할 수 있다

- 발파공해로 인한 지발당장약량 제한시 적용

- 천공수 및 작업능률을 고려하여 발파단면 분할횟수 결정

- 분할발파로 작업시간 증가

7.5.2.6.1.3 선정사유

- 전단면굴착시 과굴착 등으로 우물통구조체의 불균형침하 우려

- 1회발파 천공수감소로 장약 및 뇌관결선작업이 용이하고 지발당장약량 감소효과

- 전단면 발파시 1자유면발파로 파쇄효율이 부진하고 진동발생이 커서 구조물손상의 우려

- 중앙부 선행발파로 다음 분할발파구역의 자유면 역할

- 단면크기 및 천공수에 따른 지발당 장약량을 고려하여 3 분할 실시

7.5.2.6.2 분할발파

(1) 목적

- 전단면굴착시 과굴착등으로 외부토사 유입 및 케이슨 구조물의 불균형침하가 예상되므로 이를 방지하기 위함

- 발파진동 감소효과 : 터널심빼기 형태의 중앙부 선행굴착으로 인한 자유면증가

- 1자유면 발파로 인해 파쇄효율이 부진하고 진동발생이 커서 구조물이 손상되므로 중앙부 선행발파를 시행하고 외곽부 발파 시행

(2) 시공순서 (3회 분할시)

- 중앙부 1차 굴착 → 준설 → 중앙부 2차굴착 → 준설 → 외곽부 굴착 → 준설 → 외벽청소 → 침하

7.5.2.7 우물통 발파에 따른 수중충격압의 영향

7.5.2.7.1 개요

- 수중발파에 의한 충격파는 수문이나 배수구 가까이의 구조물에 영향을 미칠뿐만 아니라 선박이나 수중의 사람, 어패류 등에 영향을 미침

- 암반표면에 폭약이 배치되어 있을 경우에는 같은 양의 폭약이 암석내에서 폭발한 경우 약 10배의 최대수압이 발생

- 수중충격압은 암석을 천공해서 폭약을 암석중에 폐쇄한 경우에는 크게 염려할 필요는 없음

- 충격압의 시간은 짧고, 몇분의 1밀리세컨드 사이에서 Peak의 값은 반으로 줄어듬

- 붙이기발파와 발파공내에 장전된 발파의 Peak수압이 크게 다르므로, 섬세한 구조물이 가까이 있을 경우의 수중발파에서는 천공내 장약방식을 적용

7.5.2.7.2 수중충격이 인체에 미치는 영향

수중발파 작업시 수중충격파의 영향으로 인근에서 잠수중인 사람에게 치명적인 영향을 줄 수 있으며, 수중발파 작업시 인체에 미치는 영향은 다음과 같다.

7.5.2.7.2.1 수중천공 발파작업시

1회발파당 총장약량이 100kg일 경우

- 15m이내 : 거의 모든 사람이 사망

- 15~23m : 치명적 위험

- 23~32m : 중장비한 잠수부의 상해위험

- 32~150m : 수중에 있는 사람들의 상해위험

- 150m이상 : 안전한계 거리

7.5.2.7.2.2 부착 발파작업시

1회발파당 총장약량이 100kg일 경우

- 30m이내 : 거의 모든 사람이 사망

- 30~45m : 치명적 위험

- 45~80m : 중장비한 잠수부의 상해위험

- 80~280m : 수중에 있는 사람들의 상해위험

- 280m이상 : 안전한계 거리

7.5.2.7.3 수중서식 어폐류에 대한 영향

(1) 어패류 양식업, 이동상황, 어장형성등에 대하여 조사하여 영향유무를 확인한 후 발파를 실시하여야 하며, 수중발파시 수중충격압의 영향으로 어류의 부레가 파열되는등 피해가 발생된다.

(2) 수중서식류에 대한 발파의 영향문제는 아직 그 본질적 기구가 밝혀지지 않고 있으나 물고기와 발파충격압과의 관계는 일반적으로 골격이 견고한 것은 약하고, 방추형이고 골격이 유연한 것은 강함

(3) 충격압

- 0.3~2.0kg/㎠ : 회복가능

- 2.0~3.5kg/㎠ : 회복가능성 있음

- 3.5~7.0kg/㎠ : 회복불가능

- 7.0kg/㎠이상 : 회복불가능

7.5.2.7.4 수중충격압 저감대

(1) Air Bubble 커텐이용

- 물속바닥에 철파이프를 배치하고, 공기를 그 속으로 통과시켜 에어버블을 발생시킴

- 수중충격파가 에어버블커텐에 도달했을 때에 그 일부는 버블로 흡수됨

- 버블을 통과한 충격파는 피크의 값이 감소되어, 감쇠가 빨라짐

- 에어버블커텐에 의해 충격파의 충격량 자체를 대폭으로 감소시키는 것은 아니나, 충격압의 피크가 감소되므로 수중 어패류에 대한 영향을 감소시킬 수 있음

(2) 수중충격파의 압력과 충격량의 감소방안

- 장약량감소 (발파공내에 폭약장전) : 발파공간의 거리를 줄여서 각 공에 들어가는 폭약량을 감소하므로써 가능(체적당 장약량은 불변)

7.5.2.8 우물통 발파설계

7.5.2.8.1 우물통 발파설계시 고려사항

- 우물통 주변 지장물에 발파진동이 미치는 영향을 고려한 발파공해 허용기준

- 지장물과 이격거리에 따른 지발당 허용장약량

- 굴착단면적 및 천공수를 고려한 발파단면 분할

- 수중발파 특성을 고려한 효율적인 기폭시스템

- 작업의 특성에 맞는 발파패턴 설계

7.5.2.8.2 발파설계 기준

- 발파진동 및 허용소음기준

- 적용발파진동 추정식

- 이격거리별 지발당 허용장약량

7.5.2.8.3 발파구역별 장약

7.5.2.8.4 발파단면 분할

7.5.2.8.5 우물통 발파패턴 재고

- 우물통 P1, P2

- 우물통 EPY1, EPY2, EPY3

- 우물통 PY1, PY2

7.5.2.8.6 우물통 발파패턴

7.5.2.8.6.1 우물통 P1, P2

- 1차발파(천공, 기폭)

- 2차발파(천공, 기폭)

- 3차발파(천공, 기폭)

7.5.2.8.6.2 우물통 EPY1, EPY2, EPY3

- 1차발파(천공, 기폭)

- 2차발파(천공, 기폭)

- 3차발파(천공, 기폭)

7.5.2.8.6.3 우물통 PY1, PY2

- 1차발파(천공, 기폭)

- 2차발파(천공, 기폭)

- 3차발파(천공, 기폭)

7.5.3 기반암 확인 및 재하시험 계획

7.5.3.1 우물통기초 기반암 확인

7.5.3.1.1 시공중 시추에 의한 확인

7.5.3.1.1.1 목적

- 우물통 거치 후 기반암 확인 및 시공계획 수립을 위해 시행

- 기반암심도 확인으로 우물통 침설을 위한 콘크리트 치기계획 및 가설 계획 수립

7.5.3.1.1.2 조사방법

- 우물통 벽체 콘크리트 타설후 상부에 시추작업대 설치

- 시추작업대 위에서 유압식 시추기를 이용하여 확인시추 시행

- 확인보링시에는 지지암반을 8.0m이상 굴진하여 암코아를 채취하여야 하며, 이때 Core회수율을 높이고 정확한 암질상태를 파악하기 위해 D3 및 Diamond Bit를 사용하여 굴진함

- 시추가 완료되면 다음 시추위치로 위의 작업을 반복함

7.5.3.1.1.3 기반암 확인시추 실시 계획

(1) 현황

(1.1) 조사장비

- 장비명 : 시추기

- 형식 및 규격 : 유압-500형(회전수세식), NX 규격

- 수량 : 1대

(1.2) 시추수량

- 조사구간 : 교량부(해상)

- 수량 : 7공

- 적용구간 : 접속교 및 주탑부 모든 우물통 기초에 적용

(2) 시추개요도

7.5.3.1.1.4 시추결과 활용(확인보링)

(1) 확인보링

- 지지층심도의 유효성를 확인

- TCR(Total Core Recovery), RQD(Rock Quality Designation)를 측정하고 균열정도, 균열면 상태, 풍화정도, 강도 등을 조사하여 설계시 시추결과와 비교 검토하여 설계적정성 확인

(2) 공내재하시험

- 확인보링을 시행한 시추공에서 지지층으로 선정된 기반암을 대상으로 시행

- 변형계수를 산정하여 도로교표준시방서(1996)에 제시된 기준에 의거한 기반암의 최대지반반력 추정가능

(3) 일축압축강도시험

- 암코아시료에 대하여 시추개소당 최소 3회의 일축압축시험을 시행

- 확인보링시 확인된 암반의 상태와 함께 RMR분류 및 지지암반의 지지력 산정시 이용

7.5.3.1.2 우물통 시공중 확인

7.5.3.1.2.1 내압강도시험

- 우물통기초 시공중 지지암반 심도에서 굴착 및 발파로 인한 버럭을 5cm입방형의 공시체로 제작하여 내압강도시험 시행

- 시편은 우물통 기초저면의 다양한 위치에서 채취하여야 하며, 성형한 공시체는 노건조와 수중침윤을 각각 24시간동안 시행함

- 암편의 내압강도는 건설표준품셈의 기준에 의하여 암의 연경도를 분류하며 기초지반의 지지력을 간접적으로 예측하는데 이용할 수 있음

- 시추가 완료되면 다음 시추위치로 위의 작업을 반복함

- 내압강도 시험결과에 의한 암종의 분류

7.5.3.1.2.2 점재하시험

- 우물통기초 시공중 기초지지층 심도에서 굴착 및 발파로 인한 버력을 일정한 형상으로 제작하지 않고 채취된 원상태의 코아나 임의형상의 암석덩어리에 대하여 점재하시험을 시행

- 시편은 우물통 기초저면의 다양한 위치에서 채취하여야 함

- 시편을 상·하 2개의 재하점 사이에 끼워넣고, 집중하중을 작용시켜서 파괴시킴으로써 점재하강도를 얻고 이것을 통하여 일축압축강도를 예측

- 예측된 암편의 일축압축강도는 이론적 방법인 Hoak-Brown, Bell 방법이나 경험적 방법인 Canadian Foundation Engineering Manual등에서 제시한 방법으로 지지암반의 지지력산정시 이용

7.5.3.2 말뚝기초 재하시험

7.5.3.2.1 정재하 시험

7.5.3.2.1.1 시험개요

말뚝기초의 지지력 평가시 압축정재하시험을 통하여 단말뚝의 축방향지지력 확인하며, 재하시험의 순서는 다음과 같다.

(1) 시험계획

- 계획 최대 재하하중

- 시험 방식

- 재하(반력)장치

- 가압장치

- 계측장치

(2) 시험실시

(2.1) 시험장치의 설치

(2.2) 하중 재하 및 계측

- 하중

- 침하량

- 시간

(3) 결과분석

- 하중-침하량 관계

- 하중-침하속도 관계

- 탄성압축량 고려

- 전 침하량 기준

- 잔류 침하량

7.5.3.2.1.2 시험방법

- KS F-2445에 준하여 실시

- 시험최대하중은 설계지지력의 200%까지 재하

- 하중 재하방법의 종류로는 실하중 재하법, 반력 말뚝법, 반력앵커법이 있으며, 본 현장에서는 철근을 사용한 실하중 재하법 적용하는 것을 계획함

7.5.3.2.1.3 계획최대 재하하중의 결정

- 말뚝 재료의 파괴 강도 이내 (Working Pile의 경우 허용 압축강도 이내)

- 시험 말뚝 시공시 : 설계 하중의 2~3배, 파괴시 까지

- Working Pile의 확인시험 : 설계하중의 1.5~2배

7.5.3.2.1.4 재하시험용 장비 및 자재

(1) 가압장치(Jack)

- 계획 최대하중의 120% 이상의 능력이 있어야 하고, 계획하중 단계에 따라 시험말뚝의 침하 및 재하장치의 변형에 따라 가압능력이 변하지 않는 유압 Jack을 사용하며 본 현장에서는 500ton 용량의 Jack을 사용할 예정임

(2) 계측장치

- 시험하중의 계측장치는 300ton 용량의 전기저항식 하중계를 사용하고 변위계 측장치로는 Dial gauge(1/100, 50mm)를 사용하며, 측점수는 시험 말뚝에 직교되는 축으로 2개를 부착시킴]

(3) 시험말뚝

- 시험말뚝이 항타로 시공되는 경우 최소 2주정도 경과후 시험실시

7.5.3.2.1.5 허용지지력 결정방법

7.5.3.2.2 동재하시험

7.5.3.2.2.1 시험개요

말뚝기초의 지지력을 평가하여 단말뚝의 축방향지지력을 확인하고, 항타시 말뚝에 초과응력(Over Stress) 발생여부 및 항타장비의 적합성 등을 평가하고자 실시

- 동재하시험 전경

7.5.3.2.2.2 시험장치의 구성

7.5.3.2.2.3 시험 방법

- E.O.I.D 시험 : 초기 항타시험으로 설계지지력 확인이나 항타관리를 위해 항타 중 또는 항타 직후 실시

- RESTRIKE 시험 : Set-up이나 Relaxation에 의한 지지력 변화를 확인하기 위한 재항타시험

7.5.3.2.2.4 재하시험결과 해석

(1) CASE법

- 간편 계산법

- 말뚝의 지지력 산정식

S = 1/2(1 - J_c) · [F(t_m) + (MV_r/L) υ(t_m)] + 1/2(1 + J_c) · [F{t_m + (2L/V_r)} + (MV_r/L) υ{t_m + (2L/V_r)}]

여기서,

F(t_m) : t_m 시간에서의 계측된 힘

v(t_m) : t_m시간에서의 particle 속도

L : 말뚝의 길이

M : 말뚝의 질량

JC : case damping 상수

(2) CAPWAP 법

(2.1) 말뚝 두부에서 측정된 힘과 시간, 가속도와 시간과의 관계를 이용하여 지지력을 예측(CASE 법과 동일)

(2.2) 지지력 산정 : CAPWAP 프로그램을 이용함

(2.3) 장점

- 말뚝두부에서 측정된 값을 입력자료로 사용하므로 항타 시스템에 관한 상수를 가정할 필요가 없음

- 해석에 필요한 토질상수를 가정할 필

※ 주) 허용지지력 산정시 F_s = 2.25(미 연방 도로국)

7.5.3.2.3 수평재하시험

7.5.3.2.3.1 시험개요

설계 및 해석에 필요한 수평거동(p-y 곡선등)을 결정하여 말뚝의 기준 변위량에 대한 하중 확인

7.5.3.2.3.2 사용장비 및 시험장치

(1) 사용장비

(1.1) 유압잭, 재하대 등은 말뚝시공조건에 따른 적절한 것을 사용

(1.2) 계측기기는 하중계, 변위계, 경사계 및 데이터 기록장치로 구성

- 하중계는 유압 Jack 위에 설치한다.

- 변위계는 적합한 위치와 방향에 설치

(1.3) 변위측정용 다이얼게이지, LVDT는 50mm이상 스트로크

(2) 시험장치도

7.5.3.2.3.3 시험방법

말뚝수평재하시험 방법은 실하중을 이용한 방법, 반력말뚝을 이용한 방법이 있으며, 본 재하시험 계획서 상에서는 반력말뚝을 이용한 수평재하시험법 적용

7.5.3.2.3.4 시험결과 해석

- 시험결과로부터 필요한 지반정수(지반반력계수)를 도출 ⇒ 수평말뚝에 대한 해석 실시

- 해석조건은 실제 하중조건(단말뚝, 군말뚝, 두부자유 또는 구속조건)과 일치시켜 수평하중에 대한 안정성을 확보하도록 계획

7.5.3.2.4 재하시험 실시 계획

- 재하시험 빈도 기준표(도로공사)

주) EOID : End Of Initial Driving (항타종료 후 시험)

- 재하시험계획

7.5.3.3 직접기초 재하시험

7.5.3.3.1 평판재하시험

- 현장의 시험위치에 설치한 강성재하판에 단계적 하중을 가해서 침하량을 측정하고 측정된 침하자료에서 지반의 전단 파괴유형, 극한 및 항복지지력, 지반반력계수, 변형계수 등을 산정 ⇒ 설계지지력 확인

- 최대시험하중 : 설계하중의 2~3배(시험은 KS F 2444-95, ASTM D 1194-87 규정에 근거하여 시행)

7.5.3.3.1.1 시험시 유의사항

7.5.3.3.1.2 적용위치 및 결과이용

7.5.3.3.1.3 재하시험수량

7.5.4 말뚝기초의 품질관리

검토방안은

- 교대배면의 수평하중 및 지진하중에 안전하고 시공성이 좋은 말뚝머리 결합방법 적용

- 기초의 침하 및 지지력 감소를 방지하고 시공품질향상을 위한 말뚝선단 처리방안 수립

7.5.4.1 강관말뚝 머리결합 방안

7.5.4.1.1 선정시 주안점

- 단면적이 급변하여 하중 집중현상이 문제되는 말뚝머리부과 확대기초의 결합방안 검토

- 확대기초 콘크리트의 응력을 감소시키고 기초 전체에 대한 충분한 안정성을 확보할 수 있도록 구조적으로 우수하고 경제적인 강관말뚝 머리보강계획 수립

7.5.4.1.2 적용방안 비교검토

7.5.4.1.3 강관말뚝 머리결합부 설계 및 안정검토

- 교량 기초의 말뚝과 확대기초의 결합부는 강결로 설계

- 허용 응력법 : 강관 말뚝머리에 작용하는 외력(압입력, 인발력, 수평력 및 휨모멘트)에 대하여 상시 및 지진시 안전율 2.0을 확보 함.

7.5.4.1.3.1 합성형 말뚝머리 결합부 제원

7.5.4.1.3.2 사용재료 재원

7.5.4.1.4 세부설계

7.5.4.1.4.1 말뚝머리부의 외력 전달 및 저항에 대한 설계 개념

(1) 압입력

- 말뚝 머리부 확대기초 콘크리트의 지압 및 펀칭전단저항

(2) 인발력

- 보강철근의 인장저항

(3) 수평력

- 말뚝 전면확대기초 콘크리트의 지압 저항

(4) 휨모멘트

- 보강철근을 포함한 가상철근 콘크리트 기둥의 휨저항

7.5.4.1.4.2 압입력에 대한 검토 υυ

(1) 확대기초 콘크리트 수직지압응력(f_cv)

f_cv = P_Nmax/(π/4)D² ≤ f_ba

f_ck : 콘크리트 설계기준강도

P_Nmax : 상시·지진시, 말뚝머리에 작용하는 최대 압입력

f_ba : 콘크리트의 허용지압응력(kgf/㎠)

= 0.25f_ck √(A₂/A₁) ≤ 0.5f_ck

(2) 확대기초 콘크리트의 수직방향 펀칭전단응력(υ_υ)

υ_υ = P_Nmax/π(D + h)h ≤ υ_ca

υ_ca : 콘크리트의 허용펀칭전단응력(kgf/㎠)

h : 확대기초의 유효두께(cm)

7.5.4.1.4.3 수평력에 대한 검토

(1) 확대기초 콘크리트의 수평지압응력(f_ch)

f_ch = P_Hmax/(D · l) ≤ f_ba

P_Hmax : 상시와 진진시, 말뚝머리에 작용하는 최대 수평력

l : 말뚝의 매입길이(10cm)

(2) 확대기초 콘크리트의 수평방향 펀칭전단응력(υ_h)

υ_h = P_Nmax/{h'(2l + D + 2h')} ≤ υ_ca

h' = 수평방향의 암발전단에 저항하는 확대기초의 유효두께(cm)

7.5.4.1.4.4 가상철근콘크리트 단면의 응력 검토

(1) 콘크리트의 휨압축응력

f_c = (M/r³) · C 〈 f_ca

f_ca : 콘크리트의 허용휨압축응력

- 상시 : 0.4 f_ca (kgf/㎠)

- 지진시 : 1.33 × f_ca (kgf/㎠)

C : 콘크리트의 휨압축응력 계수

M : 설계 모멘트(kgf-cm)

(2) 보강철근의 휨인장응력

f_s = (M/r³) · S · n 〈 f_sa

f_sa : 보강철근의 허용인장응력(kgf/㎠)

- 상시 : f_sa

- 지진시 : 1.5 × f_sa (kgf/㎠)

S : 보강철근의 휨인장응력 계수

7.5.4.1.4.5 인발하중에 대한 검토

(1) 연결부의 허용 인장력(P_max = V + V')

(1.1) 볼트의 허용인장력(V)

V₁ = υ_s × (πd²/4) × n

V₂ = υ_b × d × t × n

V : V₁, V₂중 작은값 적용(tf)

V₁ : 볼트연결부의 허용전단력(tf)

V₂ : 볼트연결부의 허용지압력(tf)

υ_s : 볼트의 허용전단응력(kgf/㎠)

υ_b : 볼트의 허용지압응력(kgf/㎠)

d : 볼트의 직경(cm)

t : 결합구 측면 플레이트의 두께(cm)

n : 볼트의 수량

(1.2) 지지철근의 허용인장력(V')

V' = f_sa × (πd₂ ²/4) × n₂

V' : 지지철근의 허용인장력(tf)

f_sa : 지지철근의 허용응력(kgf/㎠)

d2 : 지지철근의 공칭직경(cm)

n₂ : 지지철근의 수량

(2) 연결부의 허용 휨모멘트(M_max = M₁max + M₂max)

(2.1) 볼트의 허용 휨모멘트(M₁max)

s : 볼트1개의 허용력(전단 및 지압, kgf)

D : 강관말뚝의 직경

Σ : 중심축 기준 한쪽 편에 있는 볼트군의 집합

θ : 중심축 기준 볼트의 위치각

(2.2) 지지철근의 허용 휨모멘트(M₂max)

s' : 지지철근 1개의 허용인장력(kgf)

L : 지지철근 상호간의 최대거리(cm)

Σ : 중심축 기준 한쪽편에 있는 지지철근군의 집합

θ_i : 중심축 기준 지지철근의 위치각

(3) 보강철근 정착 검토

(3.1) 보강철근 나사산의 허용전단응력(τ_s1)

υ_s1 = (f_sa · A_st)/(π · d_e · t) ≤ υ_sa1 = 800(kgf/㎠)

f_sa : 보강철근의 허용인장응력(kgf/㎠)

A_st : 보강철근의 공칭단면적(㎠)

υ_sa1 : 결합구 모재의 허용전단응력(kgf/㎠)

d_e : 보강철근 나사산의 유효직경(cm)

t : 결합구 상판의 두께(cm)

(3.2) 보강철근의 필요정착장(L_o)

L_o = (f_saA_st)/(υ_oaU) ≥ L_omin ≥ 35d₁

f_sa : 보강철근의 허용인장응력(kgf/㎠)

A_st : 보강철근의 공칭단면적(/㎠)

U : 보강철근의 공칭둘레길이(cm)

υ_oa : 콘크리트의 허용부착응력(kgf/㎠)

d₁ : 보강철근의 공칭직경 (cm)

7.5.4.1.5 검토 내용 요약

7.5.4.1.5.1 교대 A1 말뚝머리 하중조건

7.5.4.1.5.2 교각 P1, P2 말뚝머리 하중조건

7.5.4.1.5.3 항목별 검토 결과(A1)

P1, P2 검토결과는 구조계산서 참조

(1) 확대기초 및 가상철근콘트리트 단면

(2) 볼트 연결부 및 정착부

- 연결부 최대 허용 인장력 : 99.3 tonf

- 연결부 최대 허용 휨 모멘트 : 14.45 tonf-m

- 보강철근 : 나사산 16mm, 허용전단응력 800kgf/㎠, 정착장 80.0cm

7.5.4.1.5.4 강관말뚝 머리 결합 시공순서

(1) 결합구 반입

(2) 결합구 조립

(3) 말뚝머리정리(자동절단기)

(4) 강관말뚝 천공(유압천공기)

(5) 결합구 거치후 고장력볼트조립

(6) 지반정리 후 주철근 배근

(7) 철근 배근(확대기초)

(8) 작업완료

7.5.4.2 말뚝선단처리 계획

7.5.4.2.1 검토개요

- 매입말뚝 시공시 지지력 확보를 위한 선단처리공법의 선정

- 소음·진동 및 지반조건을 고려 최적의 선단처리공법 선정

7.5.4.2.2 매입말뚝(중굴+T4)공법의 선단처리 비교검토

- 침하 방지방안

- 지지력 확보방안

검토결과는

- 확실한 지지층에 지지시켜 선단지지력을 증대시키지 위해 선단부 Slime처리

- 지지력 증대를 위해 선단부를 5d이상 콘크리트치기 적용

7.5.4.2.3 속채움시 말뚝선단부 거동검토(소록교 P1)

7.5.4.2.3.1 해석결과

검토결과는

- 강관말뚝 속채움을 하면 말뚝 선단부의 콘크리트가 상부하중을 지지

- 말뚝 선단부의 연직변위 감소 ⇒ 0.7mm에서 0.3mm으로 감소

- 선단부의 속채움콘크리트가 주위 암반으로 응력을 전이시키면서 강관선단부의 응력 집중현상이 줄어듬 ⇒ 900tonf/㎡에서 400tonf/㎡으로 감소

7.5.5 시공중 및 공용시 안정성 확보를 위한 계측계획

7.5.5.1 개요

- 계측관리를 통해 계획시의 불확실한 조건에 대한 설계상 결점을 발견하여 제거

- 시공중 안전관리를 위한 감리 및 설계 적정성에 대한 정보 확보

- 시공 후 유지관리 측면의 활용이 가능함

7.5.5.1.1 계측목적

- 설계 및 시공중 예측치 못한 지반거동의 불확실성 제거

- 설계의 과다, 과소 여부를 판단하여 경제적 설계를 위한 보강 및 수정

- 실측자료 분석을 통한 차후 공사시 거동예측 및 안전성 판단

- 민원발생 최소화를 통한 안전시공

7.5.5.1.2 계측과 시공관리 Flow

- 교량시공으로 인한 주변지반 거동에 대한 지속적, 정량적 점검

- 계측결과의 Feed Back Analysis를 통한 안정성 평가 및 위험가능성 예측

- 설계수정이나 공법개선 등의 대책수립에 필요한 기초자료 이용

7.5.5.1.3 계측관리 수행절차

7.5.5.2 계측항목 및 측정계획

7.5.5.2.1 계측항목 선정요인

(1) 지반조건

- 지반특성 및 지하수 조건, 주변환경 고려

- 설계, 시공방법의 불확실성을 고려입찰안내서 기준 검토 및 제반규정 사항의 상세분석

(2) 구조물 안정성

- 침하영향권 검토 및 인접구조물의 건전도 평가

- 계측의 연속성, Data의 집적 및 자동화 계측구간의 적합성

(3) 계측방법과 기기특성

- 작동원리의 안정성과 신뢰성

- 측정조작 용이성과 내구성, 계기간의 상호 호환성

7.5.5.2.2 계측항목 종류 및 용도

설계시 가정한 지반상태를 시공시 재확인하고 문제발생시 보완대책(Feed Back)을 수립하기 위하여 다음과 같은 항목에 대해 계측수행을 계획

7.5.5.2.3 구조물 기초 계측 활용 계획

7.5.5.3 교량기초 계측계획

7.5.5.3.1 PCS 무선 인터넷을 이용한 현장계측

7.5.5.3.1.1 개요

- PCS무선인터넷을 이용한 자동화 계측으로 비용절감 및 계측관리 절차 간소화

- 설계시 가정한 지반상태를 시공시, 시공후 재확인하여 설계 적성성 및 안정성 확보

- 부적절함이 판단되면 적절한 보완대책(Feed Back) 수립

7.5.5.3.1.2 인터넷을 통한 현장계측 모니터링

- 자연환경 관리 및 시설물 관리 등에서 필수적으로 수행되는 계측 및 보고 업무를 일괄 자동처리해주는 계측 자동화 솔루션

- 경량의 저전력 현장계측장비와 PCS 무선 인터넷을 이용

- 설치가 간편하고 PCS전화가 가능한 곳이라면 어디서나 이용 가능

7.5.5.3.1.3 적용사유

(1) 기본방법의 단점

- 시스템구성비용 고가임

- 주파수 허가제안이 있음

- 거리용(4km)으로만 적용성 있음

(2) PCS통신계측 장점

- 설치시·유지관리비 저렴

- PCS 통신망 이용으로 별도의 통신설비 불필요

- 최신통신기술의 이용으로 활용범위 확대가능

(3) 사용성 및 경제성 타방법에 비해 유리함계측기간 및 빈도

7.5.5.3.1.4 계측기간 및 빈도

7.5.5.3.2 계측기 설치계획

7.5.5.3.2.1 계측기 배치계획

(1) 계측기 위치 선정시 고려사항

- 지반조건 및 구조물을 대표할 수 있는 곳

- 계측기 설치와 측정이 용이한 곳

- 하중 및 변형의 집중이 예상되는 곳

(2) 계측기 배치계획

- 우물통 거치를 위해 모든 해상기초부에 대해 측량 Pole 설치

- 앵커리지 안정성 확인을 위한 계측기 설치

7.5.5.3.2.2 시공중 계측계획

(1) 계측기 관리방법

- 동일인이 지속적 측정

- 위험요소 사전파악

- 이상시 보고 및 시공반영

(2) 계측기 종류

- 위치측량 Pole

- 하중계 및 변위측정계

- 세굴 측정계

(3) 우물통 위치측량

- 우물통 정위치 시공

(4) 앵커리지 인장력 측정

- 스트랜드 안정성 측정

(5) 앵커터널 내공변위 측정

- 터널 안정성 측정

7.5.5.3.2.3 공용중 계측계획

(1) 관리방법

- 정기적 측정 ⇒ 관측결과 분석 및 보고 ⇒ 이상시 적절한 대책마련

(2) 기초 침하 측정

- 기초의 침하정도 측정

(3) 교각주변 유속측정

- 세굴에 대한 안정성 측정

(4) 교대배면 변위측정

- 수평방향 변위측정