8. 기타 설계

8.1 토공 설계

8.1.1 개요

8.1.1.1 설계 목적

현장조사 및 실내시험을 통하여 획득한 지반특성 자료를 분석, 평가하여 토공량의 균형 여부, 토공작업성 및 토공재료의 적합성 등을 검토하여 합리적인 토공방안을 수립

8.1.1.2 토공설계 수행과정

(1) 지반조사 및 분석

- 지표지질조사

- 물리탐사 및 시추조사

- 실내 및 현장시험

- 지반의 공학적특성 분석

(2) 깎기부 토공설계

- 굴착경계 기준의 설정

- 깎기부의 토공방안 제시

(3) 쌓기부 토공설계

- 쌓기재료의 적합성 검토

- 쌓기재료의 다짐특성 검토

- 쌓기부 시공방안 제시

(4) 발파설계

- 발파계획 수립

- 시험발파

- 시험발파에 의한 발파설계

- 발파에 의한 주변환경영향 검토

8.1.1.3 주요 설계 착안사항

8.1.1.4 토공설계 현황

- 구간별 현황도

- 깎기부

- 쌓기부

- 터널 갱구부

주) 깎기 및 쌓기높이 기준은 노선중심 위치임

8.1.2 깎기구간 토공계획

8.1.2.1 기본방향

- 굴착난이도 분석에 의한 깎기구간의 토사, 리핑암 및 발파암 경계기준 설정

- 깎기구간의 토공방안 제시

- 시공 중 예상되는 문제점에 대한 해결방안 제시

8.1.2.2 굴착난이도 평가방법

일반적인 굴착난이도 평가방법은 아래와 같으며 토공계획시 굴착난이도에 따라 지반을 토사, 리핑암, 발파암으로 분류함

8.1.2.2.1 도로설계편람에 의한 굴착경계 기준

주) A그룹 암종 : 편마암, 사질편암, 녹색편암, 석회암, 안산암, 현무암, 유문암, 감람암, 화강암

B그룹 암종 : 흑색편암, 휘록응회암, 셰일, 이암, 응회암, 집괴암

8.1.2.2.2 절리간격과 강도에 의한 굴착난이도 판정(Franklin and Broch, 1972)

- 굴착대상 암반내 절리간격과 현장에서 간단히 측정할 수 있는 슈미트해머에 의한 일축압축강도 또는 점하중 시험기에 의한 점하중 강도를 이용하는 분류방법

- 절리간격과 강도의 관계에 따라 암반을 인력굴착(Dig), 기계굴착(Rip), 발파에 의해 이완되는 암반, 발파에 의해 균열이 발생하는 암반으로 분류

- 굴착난이도 판정

8.1.2.2.3 Weaver(1975)의 분류기준

주) 1. 주향과 경사의 방향은 효율에 따른 구분임.

2. 총 평점이 75 이상은 사전발파하기 전에는 리핑 불가능함.

8.1.2.2.4 탄성파속도에 따른 굴착난이도의 범위(Atkinson, 1971)

8.1.2.2.5 암석강도에 의한 판정(F.G.Bell, 1992)

8.1.2.2.6 절리간격에 의한 판정(F.G.Bell, 1992)

8.1.2.3 굴착방법의 선정

상기 굴착난이도 판정방법 중 도로설계편람, Weaver의 분류방법, 탄성파속도를 기준으로 아래와 같이 굴착지반을 구분함

8.1.2.4 토공분류 결과

8.1.2.4.1 깍기부 현황 및 지층상태

- 과업노선 내 깎기부는 본선 및 금진교차로, 터널 갱구부로 구분되며 깎기부 현황은 다음과 같음

- 토공작업 분류는 암반비탈면을 대상으로 하였으며 검토구간은 총 3개소임

주) 최대 깎기고 기준은 비탈면 높이를 기준으로 함

8.1.2.4.2 구간별 토공작업 분류결과

8.1.2.4.2.1 도로설계편람에 의한 토공작업 분류

8.1.2.4.2.2 Weaver분류법에 의한 리퍼빌리티 평가

8.1.2.4.2.3 분류결과 종합

8.1.3 쌓기재료의 평가

8.1.3.1 노상토의 지지력 산정

- 깎기구간에서 채취한 시료를 구간별로 구분하여 C.B.R값을 산정하여 설계 C.B.R값을 계산

- 지지력 평가를 통해 포장설계시 기초자료로 이용

8.1.3.1.1 CBR 시험 결과

8.1.3.1.2 도로 포장설계 시공지침(건설교통부, 1985)

(1) C.B.R값 기각판정

여기서, r(n, 0.05)는 기각판정용 값으로 아래와 같음

(2) 설계 C.B.R 산정

- 기각판정 결과 실내 C.B.R의 최대치와 최소치는 허용범위를 만족하므로 설계 C.B.R 산정시 채택

- 설계 C.B.R = C.B.R (평균치) - (C.B.R (최대치) - C.B.R (최소치))/d₂(적용계수)

여기서, d₂는 설계 C.B.R 계산용 계수

- 설계 C.B.R : C.B.R(평균치) = 10.5 - (13.8 - 7.7)/3.08 = 8.52 ≒ 80.%

8.1.3.1.3 도로설계요령(한국도로공사, 1992)

각 시험굴 조사에서 시행한 C.B.R값의 누적빈도와 누적백분율을 계산하여 도표에 도시하고 C.B.R 누적백분율의 90%에 해당되는 값을 설계 C.B.R로 산정

(1) 설계 C.B.R 결정을 위한 백분율 계산

(2) 설계 C.B.R 누적분포곡선

누적분포곡선에 따른 누적백분율 90%에서의 C.B.R값은 8.3% 이며, 설계 C.B.R값으로 8.0%를 사용

- C.B.R 누적 백분율

8.1.3.1.4 설계 C.B.R 산정

- 본 과업구간의 깎기부에서 발생한 쌓기재료의 설계 C.B.R은 8.0%로 산정됨

- 이는 노선 전체에 대한 값으로 포장단면 설계시 구간별 토질특성 및 동결심도 등을 감안하여 적용

8.1.3.2 쌓기재료의 다짐특성 및 방법

- 쌓기재료의 적합성 검토를 위해 총 9개소의 시험굴 시료에 대해 물성시험 및 다짐시험 실시

- 본 구간에 대한 시험결과를 참고로하여 다짐특성 파악 및 다짐방법을 제시

8.1.3.2.1 쌓기재의 토층부 다짐특성

8.1.3.2.2 다짐곡선

- TP-5(SM)

- TP-6(ML)

8.1.3.2.3 다짐방법

- 쌓기작업시 다짐효과를 극대화 시키기 위해서는 시공 함수비를 최적함수비(OMC)로 유지하고 토질특성에 따라 다짐방법과 다짐장비를 적절히 선정하여 시공하여야 함

- 본 깎기구간 흙의 자연함수비는 최적함수비보다 다소 큰 편이므로 다짐효과를 높이기 위해 시료를 건조시키며 다짐을 실시하는 것이 적합함

- 쌓기 작업중 함수비의 조절은 지속적인 현장관리시험을 통하여 현장조건에 적합하게 조정함

8.1.3.3 토량환산계수(f)

흙이나 암반을 굴착하거나 다짐할 때의 토량변화율은 시험에 의해 산정하며 소량의 토공작업일때는 기존문헌에서 제시하는 토량변화율을 적용

8.1.3.3.1 토사층의 토량변화율

토량환산계수 산정공식

- C = 다져진 상태의 토량(㎥)/자연상태의 토량(㎥) = 자연상태의 건조밀도(tf/㎥)/다짐 상태의 건조밀도(tf/㎥)

- L = 흐트러진 상태의 토량(㎥)/자연상태의 토량(㎥) = 자연상태의 건조밀도(tf/㎥)/흐트러진 상태의 건조밀도(tf/㎥)

8.1.3.3.2 건설표준품셈의 토량변화율

8.1.3.3.3 토량환산계수에 적용되는 기준치(도로공사 설계적용기준, 2000)

8.1.3.3.4 토사층의 토량변화율 산정결과

검토결과는

- 토사층의 토량변화율 산정 결과 토량환산계수는 C = 0.8, L = 1.3 (D다짐의 평균값)

- 기존문헌에서 제시하는 값과 비교시 C값은 다소 작고 L값은 비슷한 경향을 보임

- 토공량 산정시 적용할 토량변화율은 토사층은 시험결과를 적용하되 리핑암, 발파암의 토량변화율은 “도로공사 설계적용 기준”에 제시된 값을 적용함

- 본 결과는 얕은 심도에 대한 것으로 실제 토공작업시 심도의 증가에 따라 C, L값과 자연함수비의 변화가 예상됨

8.1.3.4 노상 및 노체 재료의 적합성 판정

- 쌓기재료의 적합성 여부를 판단하기 위하여 시험굴 조사시 채취된 시료에 대한 실내시험을 실시하고 그 결과와 시방서 기준과 비교하여 적합성을 판정함

- 다짐완료 후 노상의 품질은 재료, 시공여건, 시공장비의 성능 등에 영향을 받기 때문에 시공에 사용되는 쌓기재료는 시험시공을 통하여 적합여부를 확인하여야 함

8.1.3.4.1 쌓기재료의 품질 및 다짐기준(도로설계편람, 2001)

8.1.3.4.2 노체재료에 대한 적합여부 판정

8.1.3.4.3 노상재료에 대한 적합여부 판정

8.1.3.4.4 심도-#200체 통과량 상관분석

(1) 상관분석 내용

- 표토층 하부의 풍화토에 대해 심도별-#200체 통과량의 상관분석 실시

- 시험굴 시료(TP-2, 3) : #200체 통과율 〉25%

- 풍화토(CB-2, 7) 시료 : #200체 통과율〈 25%

- 풍화토 G.L -4~7m정도의 심도에서 #200체 통과량은 노상재료(상부) 기준을 만족함

(2) 심도(m)-#200체 통과량

8.1.3.4.5 적용방안

- 시험굴조사의 쌓기재료 적합성 판정 : #200체 통과량 〉 25%로서 노상재료로는 부적합 판정

- 상기결과는 G.L -1.5m 내외인 심도에서 측정된 결과로서 심도에 따른 입도분포를 고려하여 적용

- 입도분포특성 고려시 G.L하 4~7m정도의 심도에서 #200체 통과량 〉 25% 이므로 선별 사용가능

8.1.4 쌓기구간 토공작업

- 흙쌓기 작업시 쌓기재료의 특성 및 지형조건, 지지층의 강도특성을 고려하여 실시

- 토질에 적합한 다짐장비 및 다짐방법을 적용

- 쌓기 비탈면은 흙쌓기 본체와 동시에 다짐기계를 사용하여 균일하게 다짐하는 것을 원칙으로 함

8.1.4.1 쌓기 비탈면 시공

8.1.4.1.1 토질별 다짐방법

8.1.4.1.2 비탈면 다짐방법

8.1.4.2 쌓기재료의 품질 및 다짐

- 다짐규정은 최소 관리기준 이므로 각층의 모든 부분이 소정의 다짐도를 만족하여야 함

- 토질에 적합한 시공장비를 사용하고 수평으로 얇게 균일하게 다짐

8.1.4.2.1 쌓기재료의 품질 및 다짐(도로설계편람, 2001년)

주) 암버력이란 단단한 암석으로 된 지반을 깎기 또는 터널굴착을 했을 때 발생하는 암석조각을 말함

8.1.4.3 쌓기재 특성에 따른 다짐방법

- 흙쌓기 시공에 있어서 효과적인 다짐효과를 얻기 위해서는 시공함수비를 최적함수비로 유지하며 다짐방법 뿐만 아니라 토질의 특성에 따라 적절한 다짐기계를 선정하는 것이 중요함

- 다짐방법 및 투입장비에 따른 효과적 다짐관리방안은 다음 표와 같이 적용

8.1.4.4 깎기 및 쌓기 경계부 부등침하 대책

8.1.4.4.1 부등침하 발생원인

- 깎기부와 흙쌓기부의 지지력이 불연속적이고 불균등하게 되어 부등침하 발생

- 깎기부와 흙쌓기부의 경계에 지표수, 용수, 침투수 등이 집중되기 쉬워 이로 인해 흙쌓기부가 약화되어 침하 발생

- 경계부는 다짐이 불충분하기 쉽기 때문에 흙쌓기부는 압축에 의한 침하가 발생함

- 편절·편성에서는 기초지반과 흙쌓기의 접착이 불충분하게 되기 쉽고 지반의 변형과 활동에 의한 단차가 발생하기 쉬움

8.1.4.4.2 절성토 경계부의 부등침하량 분석

- 절성경계부 및 편절성부에서 쌓기구간의 다짐 및 압밀정도가 원지반과 상이하여 부등침하 발생가능

- 쌓기재의 자중과 윤하중, 우수침투 등에 의한 토립자의 재배열 및 압축침하 발생

- 부등침하발생시 포장균열, 단차(Faulting), 기울어짐(Tilting)등이 발생

- 원지반과 쌓기부 접속지역의 부등침하 발생에 따른 포장안정성 및 보강슬라브의 적용여부를 판단하기 위해 수치해석을 통한 부등침하량 산정

8.1.4.4.2.1 검토단면 및 지반종류별 설계정수

- STA. 2+040

8.1.4.4.2.2 수치해석 결과

(1) Y-Displacement

(2) 침하량분포곡선

(3) 검토결과

- 편절·편성구간 중 일부구간은 깎기부 하단이 토사지반으로 다짐쌓기체와의 변형계수 차이로 부등침하가 발생함

- 수치해석결과 부등침하량은 약 3.0 cm로 예상됨

- 차량공용시 부등침하로 인해 피해가 발생할 수 있으므로 철저한 시공관리를 통해 절쌓기경계부의 부등침하를 미연에 방지하기 위한 대책을 마련하여야 할 것임

8.1.4.4.3 부등침하 대책(도로설계편람, 2001년)

8.1.4.4.3.1 절·성경계부 (종방향처리)

(1) 대책단면도

(2) 절·성경계부 침하대책

(2.1) 부등침하방지를 위해 흙쌓기 및 흙깎기 접속부 경사 1:4로 원지반 제거

(2.2) 접속구간장

- 흙깎기부 노상치환이 없을 때 : 25m

- 흙깎기부 노상치환이 있을 때 : 17m

- 원지반이 암구간일 때 : 5m

(2.3) 흙쌓기부 경계면에 맹암거 설치

(2.4) 경계구간 접속부는 암버력 쌓기 배제

8.1.4.4.3.2 편절·편성부 (횡단방향처리)

(1) 대책단면도

(2) 편절·편성부 침하대책

- 흙깎기 단부에서 흙쌓기부 노상 저면의 깊이 까지 굴착하는 것을 원칙으로 하며, 1:4(H:V)정도 경사의 접속구간을 두고 흙깎기부 노상 저면에 접속시킴

- 깎기부분은 흙쌓기부 노상재료와 동일한 재료로 되메우고, 소정의 다짐도로 균일하게 다짐

- 1:4(H:V) 보다 급한 경사를 가진 흙쌓기부의 기초지반은 층따기를 실시하는 것이 좋음

- 배수를 위하여 원칙적으로 상부 노체면 또는 깎기면에 지하 배수구를 설치하고 배수 유출구로 유도 배수함

8.1.4.4.4 철도공사 전문시방서(토목편)

(1) 땅깎기부 상부노반에 치환이 없을 때

(2) 땅깎기부 상부노반에 치환이 있을 때

(3) 원지반이 암석이어서 접속구간을 길게하는 것이 비경제적으로 되는 경우

8.1.5 암버력 쌓기 검토

- 적정한 토량균형을 위해 현장에서 깎기 및 터널굴착시 발생하는 암버력을 노체로 쌓기 시공하는 것으로 계획

- 본 과업 노선은 거금터널 및 소록터널에서 다량의 암버력이 발생하므로 토공 균형상 쌓기구간의 상당부분은 암버력을 사용하여 암쌓기 시행함

- 암버력을 쌓기재료로 사용할 시에는 품질 및 다짐관리기준 검토 후 시공계획 수립

- 본 검토에서는 쌓기재료로 암버력을 사용하는 경우에 예상되는 문제점에 대하여 검토한 후 이에 대한 대책방안을 수립하는 데 그 목적이 있음

8.1.5.1 암버력 쌓기시 예상 문제점 및 처리방안

8.1.5.2 암버력 쌓기 관련 시방서 분석

8.1.5.3 암버력 쌓기

8.1.5.3.1 관리기준의 수립

(1) 혼합비율

- 시험시공에 의해 결정

- 토사혼합비를 달리하여 다짐 후 최적 혼합비를 결정

(2) 다짐관리

- 다짐시험에 의해 결정

- 20회 다짐도를 100%로 하는 상대밀도 90%의 다짐횟수를 관리기준으로 설정

(3) 토사유실 방지대책

- 노상아래 상부노체 60cm 설치 : 양질토사 사용, 노상안정성 확보

- 암쌓기 최상층에 Filter층 40cm 설치 : 입경 φ300mm 이하 적용, 토사유실 방지

- 비탈면 암버력 노출방지 : 식생, 조경 가능하도록 양질토로 복토

(4) 암쌓기 상단 Filter층 설치

- 암버력으로 시공되는 쌓기부의 상부노상등에 세립재를 시공하는 경우 세립토의 침출로 인한 간극이 발생하여 하자원인이 되므로 세립토의 침출을 방지하기 위한 입상재료 중간층을 설치하도록 계획

- 중간 필터작용 : 하부층은 상부층에 대해 침식을 방지하는 필터로서 역할을 함

- 입도 분포곡선 : 필터층과 상부층의 입도분포 곡선은 서로 평행하는 것이 좋음

- 침식방지 조건 : 투수성과 간극이 너무 크지 않아야 함

- 필터 조건 (Bertram, 1940)

D₁₅(필터)/D₈₅(토사) ≤ 4~5, D₁₅(필터)/D₁₅(토사) ≥ 4~5

D₁₅(암버력)/D₈₅(필터) ≤ 4~5, D₁₅(암버력)/D₁₅(필터) ≥ 4~5

여기서,

D₁₅ : 암버력 재료의 15% 통과입경

D₁₅ : 중간층 재료의 15% 통과입경

D₁₅, D₈₅ : 세립재의 15%, 85% 통과입경

8.1.5.4 암쌓기부 표준단면도

8.1.5.4 암버력 쌓기층내 필터층 검토

8.1.5.4.1 검토배경 및 목적

- 노체와 노상재료로는 터널굴착시 발생하는 암버력과 깎기부의 깎기토사를 유용 계획

- 암버력과 토사의 입경차이에 의하여 제체 표면의 침투수에 의해 입경이 작은 노상층의 토사가 입경이 큰 암버력 사이로 흘러내리는 유사현상(또는 침식작용) 발생 가능성이 있음

- 따라서 쌓기재료 입도 차이에 따라 발생되는 유사현상 방지대책으로 암버력 하부에 필터층을 두는 것이 바람직함

8.1.5.4.2 골재입경과 필터조건

- 중간 필터작용 : 하부층(F)는 상부층(S)에 대해서 침식을 방지하는 필터로서 역할을 함

D_15F/D_85S 〈 5, D_15F/D_15S 〉 5

- 입도분포곡선 : 필터층과 상부층의 입도분포곡선은 서로 평행하는 것이 좋음

D_50F 〈 25D_50S

- 침식방지 조건 : 투수성과 간극이 너무 크지 않아야 함

D_15F 〈 40D_15S, D_15F 〈 5D_80S

8.1.5.4.3 암쌓기재의 필터입도분포 제안

(1) 적용방법

(2) 입도분포곡선

- 상기의 필터조건을 만족할 수 있도록 깎기토사의 입도분포곡선을 이용하여 쌓기재의 사용한계 Φ600mm이내에서 상하층간의 필터기능을 검토함

8.1.5.5 암버력 쌓기제체의 침하분석

- 쌓기제체의 침하는 Sower(1965), Lawton ＆ Lester(1964) 등의 경험식과 수치해석 등에 의해 산정할 수 있으나 대부분의 침하는 시공중에 발생할 것이며 잔류침하량은 크지 않을 것으로 판단됨

- 쌓기 기초지반이 대부분 SM으로 구성되어 있어 장기침하의 우려는 없음

8.1.6 발파공법의 설계

8.1.6.1 개요

- 암반비탈면 깎기시 충분한 사전조사를 통한 발파설계로 발파로 인한 주변시설물 및 인체의 손상과 피해를 최소화하는 데 그 목적이 있음

- 시험발파 결과를 통하여 본 과업구간에 타당한 진동추정식을 사용하여 발파설계 수행

- 발파현장의 주변현황 및 암질 특성을 조사하여 여러 발파공법을 비교 검토하여 가장 경제적이고 환경 친화적인 공법 선정하는 데 그 목적이 있음

8.1.6.1.1 발파작업 수행절차

(1) 사전조사

- 파괴물 및 기반암조사

- 주변환경 조사

- 발파 여건조사

(2) 발파계획수립

- 천공, 발파방식 선택

- 사용화약 및 뇌관 선정

- 발파 패턴 설계

(3) 시험발파

- 진동 및 소음식 추정

- 발파공해 허용치 초과여부

(4) 발파공해 영향 및 효과 분석

- 시설물과 주민피해 여부

- 발파면 형상 및 파석량 조사

- 적정 장약량 산정

(5) 장악량 및 발파설계

8.1.6.2 발파 진동 및 소음기준

8.1.6.2.1 진동속도에 따른 인체의 반응(Wiss, 1968)

8.1.6.2.2 진동속도와 진동레벨의 관계

주) 전환식 : 양형식, 김남수(1999), 소음진동 규제법을 고려한 발파설계, 한국암반공학회, 발파기술세미나 논문집("V" : 진동속도, mm/sec)

8.1.6.2.3 소음진동규제법 시행규칙 제29조의 2 제3항 관련 별표7의 2

8.1.6.2.4 국내 각 기관별 발파진동 규제기준치(단위 : cm/sec)

8.1.6.2.5 허용기준 선정

8.1.6.3 주변 환경 검토

8.1.6.3.1 발파민원 예상구간 및 문제점

- 본 과업의 발파예상 구간은 산악지대와 주택 밀집지역을 통과하며 발파시 발생되는 진동, 소음으로 인한 민원발생 가능성이 큼

- 본선 깎기 구간 중 암반부 발파가 예상되는 지역은 깎기 2구간 및 거금터널 시·종점부로 인근에 민가 및 구조물이 매우 근접하여 발파시 많은 문제점이 발생될 것으로 예상됨

- 민원발생 소지가 있는 구간은 발파로 인한 민원이 발생하지 않도록 특수공법 등을 비교 검토하여 선정하여야 함

8.1.6.3.2 발파지역 지장물의 현황

8.1.6.3.3 발파시 민원발생 예상구간

- 거금터널 시점부 1+540~590

- 거금터널 종점부 1+820~840

- 거금도 깎기구간 2+460~500

8.1.6.4 진동 및 소음 추정식 결정

8.1.6.4.1 진동 추정식 결정

8.1.6.4.1.1 시추공 시험발파 수량

8.1.6.4.1.2 시추공 시험발파 분석 결과

- 거금터널 및 깎기구간

- 소록터널 및 우물통 발파구간

8.1.6.4.1.3 진동추정식 결정 검증

(1) 경험식(미광무국식)

- 제656호(Nichols, Johnson and Duvall, 1977) 식

V = 160(D/W^1/2)^-1.6

- 지형적여건, 암반의종류, 지질, 지층의두께 등 여러 가지 요인을 복합적인 통계방식으로 산출하여 노천발파 조건에서는 아주 잘 맞는 발파진동 추정식으로 평가

- 각각의 그래프가 큰 차이를 보이지 않고 시험발파의 값이 약간 상회하므로 본 과업 적용에 타당성이 있고 안전측임

(2) 비교검토 그래프

8.1.6.4.2 소음추정식 결정

- 현재까지 국내의 터널발생시 발생하는 발파소음을 지발당장약량과 거리의 함수인 환산거리별로 회귀분석하여 발표된 연구결과는 없는 실정임

- 노천발파의 경우에는 발파소음 전파식이 연구보고서에 수록된 바 있으며, 기존의 많은 발파설계 과정에서 별다른 검증없이 적용해 온 발파소음 전파식이 있음

- 발파작업시 발파음은 순간적인 충격음으로서 폭약의 종류 및 사용량, 이격거리, 발파 방법, 지질조건에 따라 각각 다르게 나타나므로 그 영향범위를 예측하기는 쉽지 않음

- 기존의 소음추정식을 비교·검토하여 본 과업에 적합한 소음추정식을 결정함

8.1.6.4.2.1 기존의 소음추정식 비교

본 과업구간에서 적용될 소음추정식은 아래와 같이 기존의 설계과정에서 적용해 온 식과 연구보고서 및 국내 벤치발파 현장에서 측정된 발파소음 전파식을 비교 검토하여 선정함

8.1.6.4.2.2 소음 추정식의 결정

- 상기의 조건식 중에서 가장 큰 소음이 예측되는 식을 본 현장의 발파소음 전파식으로 적용하여 안전율을 높일 수 있게 함

- 소음수준이 제일 높은 환경분쟁 조정위원회 일반 노천발파 적용식을 본 현장의 발파소음 전파식으로 선정

※ 본 현장 발파소음 전파식 : dB(A) = -16.02log(D/W^1/3) + 117.695

8.1.6.5 발파로 인한 주변환경 영향 평가 결과

8.1.6.6 발파공법의 검토

8.1.6.7 발파설계

8.1.6.7.1 이완식 발파 공법

8.1.6.7.1.1 개요

- 굴착대상의 암반에 긴균열과 지표면의 융기정도로 발파될 수 있도록 적정장약량을 산출하여 사전에 발파작업을 수행하므로써 암반을 느슨하게 이완시켜 대형굴착기, 도쟈 등으로 Ripping 가능한 영역으로 발파시키는 공법

- 약장약을 실시하는 특성으로 인해 암반 내부에서 폭발되므로 폭음발생이 현저하게 저감

- 장약실수 및 기타의 사유로 발생될 수 있는 약간의 비산석과 폭음을 철재로 제작된 특수 Blast Mat를 이용하여 완전히 차단시키는 방법

8.1.6.7.1.2 설계절차

8.1.6.7.2 발파설계기준

8.1.6.7.2.1 발파진동 및 소음 허용기준

8.1.6.7.2.2 이격거리별 지발당 허용장약량

8.1.6.7.2.3 발파 구역별 장약량의 결정

8.1.6.7.2.4 발파진동 및 소음 예상치

8.1.6.7.3 발파패턴의 선정

8.1.6.7.3.1 고려사항

- 발파진동 및 소음 허용기준 이하로 발파가능 여부

- 발파진동 및 소음 규제기준 이하의 지발당 장약량

- 발파폭음 및 비산석의 피해방지 가능 여부

- 현장 조건을 고려한 시공성·경제성 분석

8.1.6.7.3.2 폭약의 선정

8.1.6.7.3.3 발파패턴 제원

8.1.6.7.3.4 발파패턴도

(1) TYPE-I

- 표준패턴도

(2) TYPE-II

- 표준패턴도

(3) TYPE-III

- 표준패턴도

8.1.6.7.3.5 굴착구분도

- 거금터널 시점부 1+540~600

- 거금터널 종점부 1+820~840

- 거금도 깎기구간 2+460~500

8.1.6.7.4 설계패턴별 발파진동 및 소음 영향검토

8.1.6.7.4.1 거금터널 시점부 1+540~590

(1) 적용공법 : Type-3 (70m이상구간, 공당 장약량 0.75kg)

(2) 적용사유 : 발파진동 및 소음, 비산석 제어 조건 만족

8.1.6.7.4.2 거금터널 종점부 1+820~840

(1) 적용공법

- Type-1 (35~45m구간 공당, 장약량 0.25kg)

- Type-2 (45~55m구간 공당, 장약량 0.5kg)

- Type-3 (55m이상구간 공당, 장약량 0.75kg)

(2) 적용사유 : 발파진동 및 소음, 비산석 제어 조건 만족

8.1.6.7.4.3 거금도 깎기구간 2+460~500

(1) 적용공법

- Type-1 (35~45m구간 공당, 장약량 0.25kg)

- Type-2 (45~55m구간 공당, 장약량 0.5kg)

- Type-3 (55m이상구간 공당, 장약량 0.75kg)

(2) 적용사유 : 발파진동 및 소음, 비산석 제어 조건 만족

8.1.6.7.5 깎기부 암반비탈면을 고려한 굴착공법 제안

- 발파진동에 따른 이완의 경우 암반내의 새로운 균열을 발생시키고 기존균열과 불연속면 등에 개구를 촉발시켜 비탈면에 부석과 낙석을 발생시키며 이러한 균열 등은 준공후에도 풍화를 유발시켜서 비탈면의 파괴원인이 될 수 있음

- 특히 비탈면발파시에는 천공장인 크로라드릴 특성상 수직 혹은 수직에 가까운 75°천공을 시행해야 하므로 비탈면의 경사와 배치되어 발파공이 비탈면에 직접적인 영향을 미치고 비탈면에 웅덩이처럼 패인 결과를 초래하여 매끈한 암비탈면의 처리가 곤란

- 본 과업에서는 발파공으로 인한 과굴현상을 막고 암비탈면의 매끈한 마무리를 위해 다음과 같은 굴착공법을 적용함

8.1.6.7.5.1 굴착공법의 종류

(1) 발파공으로 인한 과굴현상

(2) 기계굴착, 이완식발파 굴착 구분도

- TYPE I

- TYPE II

- TYPE III

8.1.7 연약지반 및 액상화 검토

8.1.7.1 연약지반 대상 검토

지반조사시 실시한 현장시험(표준관입시험) 및 실내시험결과와 연약지반 판정기준을 근거로 쌓기구간과 교량구간의 연약지반 분포여부 및 지진시 액상화에 대한 검토를 수행함

8.1.7.1.1 연약지반의 판정기준(도로설계편람, 2001년)

- 연약지반 판단기준

주) q_u : 일축압축강도, q_c : Cone Penetrometer 저항치

- 구조물 종류에 따른 연약지반의 판정기준

주) q_u : 일축압축강도, q_c : Cone penetrometer 저항치, q_b : 장기 허용지내력

8.1.7.1.2 연약지반의 판정

8.1.7.1.2.1 N치를 근거로 한 연약지반 검토

(1) N치-깊이 관계(쌓기부 및 교량부)

- 본 검토구간은 쌓기부이며 상부부터 실트질 모래로 이루어진 매립층, 그 하부에 풍화토가 존재하고 N치 10이하의 점쌓기는 존재하지 않음

- 그러나 일부 쌓기구간의 상부에 N치 10이하인 사질토가 존재하고 있음

(2) N치-깊이 관계(공사용작업장)

- 본 검토구간은 대화도 및 소록도 작업장에 관한 사항이며 상부부터 점토층, 모래자갈층, 풍화토, 풍화암, 기반암의 지층구성을 가지고 있음

- 그러나 소록도 물양장의 경우 N치가 0~4이하인 매우 연약한 점토층이 존재하고 있음

8.1.7.1.2.2 토질물성 시험결과

소록도 작업장 설치구간의 시추공인 BH-32, BH-33에서 함수비가 크고 액성한계가 높아 압축성이 큰 CL-CH로 분류되는 매우 연약한 점토층이 존재함

8.1.7.1.3 검토결과

8.1.7.2 액상화 발생가능성 검토

8.1.7.2.1 개요

- 액상화란 느슨하고 포화된 사질토 지반이 비배수상태에서 단일하중 또는 진동하중으로 인해 급속한 하중을 받게되면 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 감소하고 지반이 전단저항을 잃어 액체 상태와 같이 거동하는 현상

- 느슨한 사질토층이 존재하는 본선 Sta.1+240~1+480 (L = 240m), 금진교차로 Sta.0+310~0+758 (L = 448m) 구간에 대하여 검토를 수행함

8.1.7.2.2 검토 결과

- 진동삼측시험에 의한 전단저항 응력비 산정

- 국내지진규모를 고려한 반복회수 10회기준

- 전단저항응력비 : 0.32(보정계수 0.6 적용시)

- 안정성평가 결과

F_s = 1.65 〉 기준안전률(F_s = 1.0) ∴ 안정

8.1.7.2.3 결론

- 액상화 발생 가능지역에 위치하는 쌓기부 구간의 안정성 확보를 위해 반복삼축압축시험 결과를 바탕으로 상세검토를 수행한 결과 본 과업구간내에서는 액상화에 대해서 안정한 것으로 검토됨

- "8.3.4 액상화에 대한 안정성 검토"에 자세히 서술

8.1.7.3 압밀침하에 대한 검토

8.1.7.3.1 개요

- 압밀특성을 갖는 점쌓기층이 존재하여 압밀침하로 인한 장기적인 피해가 우려되는 지역에 대하여 검토함

- 매우 느슨한 점쌓기층(N치:0~4/30)이 존재하는 소록도 작업장에 대하여 압밀침하 검토를 수행함

8.1.7.3.2 검토결과

(1) 지반특성

- 시추공 : BH-32, BH-33(소록교 작업장)

- 상부에 층후 4.0~4.8m의 두께로 매우 연약한 점토층(N치 : 0~4/30) 존재

(2) 검토내용

- 사석투하에 따른 강제치환심도 결정 및 시공후 잔류침하량 산정

- 제체의 안정성 검토

8.1.7.3.3 결론

- 강제치환심도 : 4m로 적용

- 활동에 대한 안정성 : Fs = 1.657 〉 1.5(항만시설기준)으로 안정

- "8.2.2 공사용 가설구조물 안정검토"에 자세히 서술

8.1.8 재료원 조사 및 평가

8.1.8.1 개요

8.1.8.1.1 조사목적

- 본 과업에 사용될 각종 재료의 원활한 수급과 품질의 적정성, 경제성 확보

- 노선주변의 석산, 하상재료원, 레미콘, 아스콘 및 토취장에 대한 분포현황 파악

- 재료의 물리적, 역학적 성질을 분석하여 재료로서의 적합성 판단

- 재료원의 위치, 매장량, 운반경로 및 생산량 등을 종합적으로 조사 분석

8.1.8.1.2 재료원조사 위치도

8.1.8.1.3 조사과정 및 범위

(1) 조사준비

- 자료수집 및 범위

(2) 예비조사

- 분포예상지역 도상계획(1:50,000 지형도)

(3) 현장조사

- 재료원 규모조사

(4) 관공서 방문협조 및 협의

- 지방자치단체 직영 및 등록현황 파악

(5) 재료원의 비교, 평가

- 품질, 생산량, 경제성 등 비교

(6) 재료원 개발 가능성

- 재료원 개발가능성 현장여건 고려

8.1.8.2 재료원조사 현황

8.1.8.3 재료원 평가

8.1.8.3.1 골재원의 품질기준

콘크리트 및 포장용 골재로서 기본적인 품질규정 항목으로 콘크리트 표준시방서(건설교통부), 한국도로공사 전문시방서(토목편)의 노반재료 품질기준, 고속도로공사 일반시방서(한국도로공사)에서 규정한 쌓기재료의 품질 기준, 콘크리트 및 포장용 골재의 품질규격 기준을 적용함

8.1.8.3.1.1 콘크리트 및 포장용 골재의 품질기준

8.1.8.3.1.2 보조기층 및 동상방지층의 시험방법 및 기준

8.1.8.3.2 재료원 평가

- 세골재(하상골재)의 시험결과

- 조골재(석산골재)의 시험결과

8.1.8.4 본선암 유용성 평가

- 본 노선의 터널 굴착 및 비탈면 깎기시 발생하는 암의 품질을 평가하여 재료의 유용성 여부를 판단

- 터널 및 깎기구간에서 발생하는 암버력의 유용 가능성을 판단하기 위하여 시추조사시 회수된 Core를 대상으로 재료 품질시험을 실시하여 유용성을 검토하였으며 한국공업규격(KSF)에 의거 골재시험을 실시하여 유용암의 적합여부를 판정하였음

8.1.8.4.1 시험결과

8.1.8.4.2 콘크리트용 골재의 품질기준

8.1.8.4.3 본선암 유용암시험 결과

검토결과는

- 터널 굴착시 발생되는 암에 대해서는 콘크리트 및 포장용 골재로서 유용 가능할 것으로 나타났으나 깎기부의 암은 마모율이 기준치 이상으로 품질기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났음

8.2 기타 구조물 설계

8.2.1 옹벽 구조물 검토

8.2.1.1 중점검토사항

8.2.1.1.1 설계기본방향

- 과업구간 중 일부구간이 쌓기부 적용시 해안내 침수가 발생하고 휴게소내 용지활용 극대화 방안으로 옹벽 설치를 검토함

- 옹벽의 형식은 지반조건, 미관 및 경제성 분석을 통하여 현지여건에 적합한 형식을 선정

- 옹벽에 대한 내적, 외적 및 전체적 안정성을 검토하여 옹벽설계수행

- 내진에 대한 검토를 수행하여 지진시 안정성 확보

8.2.1.1.2 주요검토사항

(1) 노선주변 현황분석

- 주변환경 및 지형조건

- 지층상태, 도로계획

- 뒤채움 재료의 수급성

(2) 옹벽의 형식 결정

- 옹벽의 높이, 미관

- 시공성 및 유지관리

- 경제성

(3) 옹벽의 안정성 검토

- 내적, 외적 안정성 검토

- 전체적 안정 검토

- 내진에 대한 검토

(4) 뒤채움재 및 품질관리방안검토

- 뒤채움재의 품질기준 검토

- 다짐유발응력을 고려한 다짐 시공방법 검토

8.2.1.1.3 설치현황도

(1) 본선, STA.6+350~STA.6+450

- 검토현황

- 적용사유 : 쌓기 비탈면 계획시 해수면에 사면이 침수되는 구간이 발생하여 옹벽 계획

(2) 휴게소부지 (본선, STA.2+750~2+900)

- 검토현황

- 적용사유 : 쌓기 비탈면 계획시 휴게소 부지내 주차장 및 보도 설치 면적 점유로 인한 부지손실을 막고 공간 효율을 극대화하기 위하여 옹벽 계획

8.2.1.2 옹벽형식 선정

8.2.1.2.1 옹벽 형식 비교

8.2.1.2.2 적용기준

8.2.1.2.3 옹벽형식 선정결과

8.2.1.2.4 설계중점사항

8.2.1.3 보강토 옹벽의 설계기준 비교 및 선정

8.2.1.3.1 설계기준 검토

8.2.1.3.2 안전율 적용기준

8.2.1.4 보강토 옹벽의 안정검토

8.2.1.4.1 선행검토사항

8.2.1.4.1.1 보강재의 최소길이

보강재의 길이는 실제 시공시 50cm 단위로 정하나 최소길이가 아래의 조건에 만족하여야 하며 용지에 여유가 없거나 배면 굴착에 제한 받는 경우 보강재의 수평간격을 줄여 다시 계산하여야 함

8.2.1.4.2 토압 산정

보강토 옹벽에 작용하는 토압은 Coulomb의 토압이론을 적용하며 이때 전면판과의 마찰각은 무시

여기서,

K_a : Coulomb의 주동토압계수

Φ : 뒤채움재의 내부마찰각

β : 뒤채움재의 경사 기울기

ω : 보강토 옹벽의 기울기

δ : 벽 마찰각

(1) β 〉0, ω = 0일 경우(보강토 옹벽의 기울기는 0)

(2) β = 0, ω = 0일 경우(Rankine의 토압 공식과 일치함)

K_a = (1 - sinΦ)/(1 + sinΦ)

8.2.1.4.3 보강토체의 외적안정 검토

8.2.1.4.3.1 활동

보강토체와 지반 사이에서 발생하는 활동력과 이에 대한 저항력에 근거하여 안정검토

(R_υtanΦ + cL)/{R_h × (FS)_g} 〉 1

여기서,

R_h : 수직력

R_υ : 수평력

L : 보강재 길이

c, Φ : 보강토와 기초의 강도정수

(FS)_g : 안전율

- 보강토 옹벽의 활동(Slinding)

8.2.1.4.3.2 전도

전면판넬을 포함한 보강토체가 옹벽 선단을 중심으로 회전하려는 모멘트와 이에 대해 저항하려는 모멘트에 근거한 안정검토

M_s/{M_r × (FS)_r} 〉1

여기서,

M_s : 저항 모멘트

M_r : 전도 모멘트

(FS)_r : 안전율

- 보강토 옹벽의 전도(Overtuming)

8.2.1.4.3.3 지지력

보강토 옹벽의 자중 및 토압으로 인한 수직응력과 지반의 허용지지력과의 관계에 근거한 안정검토

q_u/{q_ref × (FS)_c} 〉1

여기서,

q_ref : R_v/(2_x)

(FS)_c : 안전율

- 보강토 옹벽의 지지력(Bearing Capactity)

8.2.1.4.3.4 보강토 옹벽의 전체적 안정검토

- 보강토 옹벽 구조체 전체를 포함한 토체의 파괴에 대한 비탈면 안정검토를 수행

- 파괴면은 원호로 가정하고, Bishop의 간편법을 이용한 한계평형해석을 실시하여 안정해석 수행

- 보강토 옹벽의 전체적 안정(Global Slope Stability)

8.2.1.4.4 보강재의 내적안정 검토

8.2.1.4.4.1 인발저항

각 보강재에 유발되는 인장력에 대해 보강재의 유효길이에 따른 인발저항력에 근거하여 안정검토

AC/F_g 〉1.5, AC = (γ_id_n + q_d)N_qA_p

여기서,

AC : 보강재의 인발저항 능력

F_g : 발생최대 인장력

N_q : 인발력계수

A_p : 앵커블럭의 단면적

- 보강재의 인발파괴

8.2.1.4.4.2 보강재의 파단

보강재에 유발되는 인장력에 대한 보강재가 견딜 수 있는 최대허용인장력에 근거한 안정검토

T_α/F_g 〉1, F_g = [γ_iD_n + q_l + q_d]KA_ccos(δ_i - ω)

여기서,

F_g : 최대인장력

T_α : 보강재의 허용인장강도

K : 토압계수

- 보강재의 파단

8.2.1.4.5 보강토 옹벽의 외적, 내적 안정검토결과

8.2.1.4.6 전체적 안정(Global Slope Stability) 해석 결과

(1) 검토안전율 = 1.368 〉1.3 ∴ O.K

- 보강토 옹벽의 전체적 안정해석은 STABLE을 사용, Bisop의 간편법을 이용하여 안정해석

- 해석결과 기준안전율 1.3 이상을 상회하므로 보강토 옹벽의 전체적 안정성 확보

8.2.1.5 보강토 옹벽의 내진에 대한 안정성 검토

- 일반적으로 많이 사용되는 허용 응력법으로 동일 단면에 대한 지진시 안정성 검토

- 적용 방법 : 각종 시방기준 중 FHWA 방법 적용

- 사용프로그램 : MASW Ver 1.1

8.2.1.5.1 검토단면

(1) 해석단면

- 옹벽높이 : 8.7m

(2) 해석방법

- 상시 : FHWA 기준

- 지진시 : FHWA 기준

- 사용프로그램 : MSEW ver 1.1

(3) 대표단면

8.2.1.5.2 검토결과요약

- 보강재에 작용하는 인장력

- 작용토압(지진시)

검토결과는

- 허용 응력법으로 검토한 결과 모두 허용안전율을 만족하므로 검토 단면의 보강토 옹벽은 안정한 것으로 판단됨

- 내진에 대한 검토 결과 본 보강토 옹벽 설계는 타당한 것으로 판단됨

8.2.1.6 보강토 옹벽의 뒤채움재 검토

8.2.1.6.1 검토개요

(1) 과업구간에 적용한 블록식 보강토 옹벽의 뒷채움재에 대한 시방기준 및 각국의 기준 등을 검토하여 뒷채움 재료로서의 적합성 여부를 판단

(2) 보강토옹벽은 흙과 보강재 사이의 마찰효과에 의하여 쌓기 제체의 전단특성을 개량하므로 효과적인 개량효과를 위해 뒷채움재의 적용조건은 다음과 같이 구분됨

- 화학적 조건 : 내구성과 관계되는 부식영향 조건

- 물리적 조건 : 입도분포 및 세립자 함유량

8.2.1.6.2 보강재의 부식영향 검토

- 본 설계에서 적용하는 보강재는 용융아연도금 보강재로 내식성은 그 도금층의 조직구조에 의하여 확보됨

- 설계년한(120년)동안 부식에 의한 두께손실은 1mm 이며 구해진 부식두께는 유효설계단면적에 적용됨

8.2.1.6.2.1 일반금속의 부식

전해질로 금속이온이 흘러가는 과정(전류가 금속을 이탈하는)에서 양극에서 발생됨

8.2.1.6.2.2 아연코팅에 의한 부식방지

금속이 노출될 경우 아연이 우선적으로 부식되며 부산물은 노출된 금속표면에 막을 형성

8.2.1.6.2.3 시간에 따른 금속 두께 손실률

부식이 진행됨에 따라 부식생성물에 의한 금속표면의 보호막이 생성되어 시간이 진행됨에 따라 부식율이 감소됨 (Δe = A · tⁿ)

여기서,

Δe : 금속의 평균 단면 손실 값

A : 토사 유해도에 따른 계수

t : 시간

n : 1보다 작은 지수

8.2.1.6.3 뒷채움재의 평가

- 본 설계에서 적용하는 보강재는 용융아연도금 보강재로 용융아연도금 철근의 합금층(델타층, 제타층, 감마층)의 경도는 200~500 정도에 해당하며 일반강재의 경도는 100~200에 해당함

- 따라서 암버럭이나 파쇄암등을 뒷채움재로 사용하고 다짐시공하는 경우 아연용융합금 철근은 기계적 손상에 대하여 안정성이 확보되어 있음

- 국내의 경우 상세한 시방 및 규정은 없으며 다만 고속철도 설계표준시방서와 국립건설 시험연구소 등에서 통과 백분율에 의한 입도분포와 소성지수를 단편적으로 규정하고 있으며 외국의 경우 화학적 기준에 의한 규정을 적용하고 있음

8.2.1.6.3.1 국내 뒷채움재 기준

8.2.1.6.3.2 국외 화학적 기준

검토결과는

- 토목섬유 지오그리드를 사용한 보강토 옹벽 축조시에는 뒷채움토의 입도분포를 엄격히 제안하고 있으나 강보강재에 대하여 이를 제한하는 내용은 없음

- 토목섬유를 사용한 옹벽은 양질의 토사만을 사용해야 하며 보강재의 신율에 따른 변위가 발생되나 강보강재를 사용한 옹벽은 양질의 토사뿐만 아니라 현장 유용함(암버럭 또는 파쇄암)도 사용가능하고 강성보강재를 사용하므로 구조적 안정성이 토목섬유보다 우수함

8.2.1.7 다짐장비에 의한 시공시 횡토압 검토

8.2.1.7.1 검토개요

- 다짐장비에 의해 옹벽에 추가적으로 작용하는 횡토압을 토대로 옹벽의 안정성에 대하여 검토하고, 다짐시공 방법 등에 대하여 합리적인 방안을 제시

- 보강토 옹벽 다짐 시공시 장비에 의한 추가적인 횡토압이 발생되며 본 설계에서는 발생된 토압으로 인한 옹벽의 안정성을 검토하고 다짐시공 방법에 대한 합리적인 방안을 제시

⇒ 검토방법 : Duncan(ASCE, 1993)에 의해 제시된 방법

8.2.1.7.2 검토단면의 토압분포

(1) 보강토 옹벽에 작용하는 깊이별 토압계산

- Coulomb 토압 계산 : 흙의 중량 + 활하중(1.3tf/㎡)

- 다짐장비에 의한 토압계산(Duncan) : 흙의 중량 + 다짐하중(10.0tf 진동롤러)

(2) 보강토 옹벽중 검토 단면(높이12m)

(3) 옹벽과의 이격거리 : 0.3m

(4) 전체 작용 횡방향 토압

- Coulomb : 40.971 tf/m

- Duncan : 40.041 tf/m

- 다짐장비에 의한 횡방향 토압 비교

(5) 검토결과

- 옹벽 설계시 활하중 1.3tf/㎡을 고려한 횡방향 최대토압은 40.97tf/m로 시공시 다짐장비로 인한 횡방향 토압 40.041tf/m 보다 크므로 시공시 다짐장비로 인한 횡방향 토압은 보강토 옹벽의 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단됨

- 배면 다짐 시공시 이격거리는 최소 1.0m이상의 거리를 확보하고 심도 1.0m이내 구간은 소규모 다짐장비를 적용하여 횡토압의 영향을 최소화하도록 함

8.2.1.8 사례검토를 통한 보강토 옹벽 안정검토

보강토 옹벽은 일반 옹벽의 지반 지지 시스템과 달리 벽체가 지반거동을 저항하는 것이 아니라 보강재가 지반의 거동을 억제하는 것으로 일반적인 옹벽 시공시 발생되는 문제점과 차이가 나므로 이에 대해 붕괴사례 분석을 통한 대책 수립 필요

8.2.1.8.1 붕괴사례 검토

(1) 많은 시공실적을 보이고 있는 보강토 옹벽의 붕괴사례를 바탕으로 보강토 옹벽의 시공 및 설계상의 문제점을 검토

(2) 보강토 옹벽의 붕괴사고는 보강재 국부파단, 부적절한 뒤채움재 사용, 기초처리 미비 등에 의해 붕괴가 발생됨

(3) 본 구간의 보강토 옹벽은 영구구조물로서 장기간 방치되므로 아연도금 강 보강재를 사용

- 강 보강재 : 단기 안정성 확보 및 장기 안정성 확보시 일반 지오그리드에 비해 우수하며 특히 시간이 지남에 따라 발생되는 Creep현상을 억제하여 성토고가 높은 보강토 옹벽시공시 유리함

8.2.1.8.1.1 붕괴사례 예시도

(1) 사례 1

- 원인 : 기초 처리 미비로 인한 블록식 보강토 옹벽의 붕괴

(2) 사례 2

- 원인 : 부적합한 뒤채움토의 사용으로 인한 보강토 옹벽의 붕괴

(3) 사례 3

- 원인 : 옹벽이 곡선구간인 경우 지오그리드의 Rib부분과 핀연결 블럭의 결속 불량으로 인한 균열발생

(4) 사례 4

- 원인 : 다단식 옹벽의 시공시 상단부 옹벽의 기초처리 미비로 인한 붕괴

(5) 사례 5

- 원인 : 지오그리드의 표면이 미끄럽고 강성이 큰 경우 뒷채움토 다짐시 지오그리드 Rid부분이 절단되는 현상 발생

(6) 사례 6

- 원인 : 지오그리드의 Rib부분과 Block 연결핀과의 결속 불량으로 인한 파단

8.2.1.8.2 시공시 예상 문제점 및 대책

8.2.1.8.2.1 전면 블록 설치 단계시

(1) 예상문제점 : 전면블럭의 파괴 및 변형

(2) 대책

(2.1) 보강토 옹벽의 외관에 직접적인 영향을 미치므로 1장씩 신중하게 설치

- 기준점이나 규준틀을 설치하여 항상 전면블럭의 수직, 수평을 확인하며 시공 대책

8.2.1.8.2.2 보강재 설치 단계시

(1) 예상문제점 : 보강토 옹벽의 변위발생 및 붕괴

(2) 대책

- 설계도에 표시된 소정의 규격, 형상, 길이로 정해진 위치에 부착

- 현지의 상황 등으로 보강재 길이를 확보하지 못할 경우나 시공에 지장을 초래하는 경우 설계검토가 필요 대책

8.2.1.8.2.3 뒷채움재의 포설 및 다짐 단계시

(1) 예상 문제점

- 전면블럭 변형

- 보강토 옹벽의 변형 및 붕괴

- 보강재 파단

(2) 대책

- 뒤채움 재료의 포설 및 다짐 작업은 옹벽의 시공에 큰 영향을 끼치므로 전면블럭의 설치과 병행하여 뒤채움 작업을 실시

- 전면블럭에서 변위가 발생할 경우, 즉시 작업을 중지하고 원인조사를 하여 대책을 수립

- 하단 전면블럭의 앞쪽은 될 수 있는 한 빨리 매립하고 다짐을 하여 우수 등으로 세굴되지 않도록 처리하며 필요에 따라 표면처리를 실시함

- 다짐기계는 11tf급 이하로 선정하며, 소정의 다짐도를 얻기 위한 작업기준은 사전에 시험성토를 실시하여 정함

- 벽면에서 1.5m 이내의 포설은 인력으로 하고 소형 진동롤러나 진동다짐기로 신중하게 다짐

- 하루의 작업이 마무리 될 경우 필히 다짐작업을 완료

- 강우가 예상될 경우 임시배수로 설치와 동시에 성토 다짐면에 sheet를 깔아 뒤채움 흙으로 우수가 침투하는 것을 방지

8.2.1.8.3 보강토 옹벽 시공시 토공 작업원칙

- 벽면에서 1.5m 이상 떨어져 주행할 것

- 벽면에 평행하게 주행할 것

- 뒤채움재의 포설은 벽면측에서부터 순차적으로 함

- 현장내에서 급정지, 급선회를 피할 것

- 뒤채움 재료가 포설되어 있지 않은 보강재 위를 직접 주행하지 말 것

8.2.2 공사용 가설구조물(작업장, 물양장) 안정성 검토

- 거금연도교 건설공사 중 앵커리지 구체 및 교각공사를 위한 소요장비, 기자재 야적을 위한 작업장 확보 및 해상 운반을 위한 Barge 및 기중기선의 접근을 위한 물양장 확보를 위한 공사용 가설구조물의 설치 필요

- 연약지반이 분포하는 구간에 대하여 안정검토를 수행하여 공사용 가설구조물의 안정성을 확보하는 데 그 목적이 있음

8.2.2.1 설치 현황 및 형식 결정

8.2.2.1.1 설치현황

(1) 대화도측

- 평면도

- 규모 : 20m × 18m

(2) 소록도측

- 평면도

- 규모 : 36m × 70m

8.2.2.1.2 구조물 형식 결정

- 작업장

- 물양장

8.2.2.2 검토대상 구간의 선정

8.2.2.2.1 지층조건

- 대화도 작업장

- 소록도 작업장

8.2.2.2.2 검토대상 선정결과

8.2.2.3 연약지반 특성분석

8.2.2.3.1 물리적 특성 분석

- 흙의 역학적 성질, 즉 흙의 전단강도 및 압밀특성 등을 추정

- 퇴적층(연약점성토)의 물리적 특성 및 상관성을 도식하여 특성치 평가

8.2.2.3.1.1 함수비-심도

- 49~63%(평균 58%) 분포

- 심도가 깊어짐에 따라 약간 증가

8.2.2.3.1.2 초기간극비-심도

- 1.33~1.35(평균 1.34) 분포

- 심도가 깊어짐에 따라 다소 증가

8.2.2.3.1.3 단위체적중량-심도

- 1.634~1.655tf/㎥(평균1.643 tf/㎥)의 분포

- 심도에 따른 변화가 없음

8.2.2.3.1.4 액성한계-함수비

8.2.2.3.1.5 소성지수-심도

8.2.2.3.1.6 평가

(1) 액성한계

- 35.4~57.4%(평균 52.4%)의 값을 보임

- 흙의 유형은 저압축성 또는 소성상태로 판단

- 평균 함수비(58.2%) 〉평균 액성한계(52.4%)으로 입자구조 및 입자배열 변화에 의해 불안정 상태로 평가

(2) 소성지수

- 13.7~35.3%(평균 28.9%)

- 중간정도의 소성상태(Moderately Plastic)

- 심도에 따라 크게 변화하지 않고 평균값을 중심으로 분포하는 경향

8.2.2.3.2 역학적 특성 분석

- 연약 점성토에서 채취된 자연시료에 대하여 역학적 특성을 분석하여 지반의 거동 파악

- 구조물의 안정해석에 필요한 강도정수와 압밀특성 산정

8.2.2.3.2.1 비배수 전단강소-심도

- 심도에 따라 증가하는 경향

- 0.52~2.5tf/㎡(평균1.12tf/㎡)

- 상부층 0.84(tf/㎡), 하부층 1.50(tf/㎡)으로 분석

8.2.2.3.2.2 선행압밀하중-연진유효응력

- OCR은 1.1~1.9(평균 1.4)

- 다소 과압밀상태를 띠나 설계의 안전측면에서 정규압밀상태로 가정

8.2.2.3.2.3 압축지수-심도

- 0.62~0.66(평균 0.64)

- 심도에 따라 함수비와 초기간극비가 감소

- 압축지수도 감소하는 경향

8.2.2.3.2.4 연직유효응력-압밀계수

8.2.2.3.2.5 액성한계-소성지수

8.2.2.3.2.6 분석결과

(1) 퇴적토에서 채취한 불교란시료의 실내압밀시험 결과 나타난 연직방향압밀계수(Coefficient of Consolidation Vertical Direction)를 압밀하중별로 도식화 한 것으로 본 지역에 분포하는 세립토층의 압밀계수는 9.0 × 10^-4~7.0 × 10^-3㎠/sec(평균 1.15 × 10^-3㎠/sec)의 범위의 값을 가지고 있음

(2) 소성도

- A선보다 위쪽에 위치

- CL, CH로 분류

8.2.2.3.3 설계지반정수 산정

- 원지반의 설계정수

- 성토재의 설계정수

8.2.2.4 소록도측 작업장 연약지반 설계

- 흙의 역학적 성질, 즉 흙의 전단강도 및 압밀특성 등을 추정

- 퇴적층(연약점성토)의 물리적 특성 및 상관성을 도식하여 특성치 평가

- 시간에 따른 압밀층의 거동을 분석하여 연약지반 위의 사석경사제의 안정성을 확보함

8.2.2.4.1 검토조건

- 검토단면

- 지층상태

8.2.2.4.2 강제치환 심도 결정

8.2.2.4.2.1 검토방법

(1) 치환심도는 지반의 비배수 전단강도와 성토고, 성토재의 단위중량, 수심, 시공방법 및 시공순서 등에 의해 결정

(2) 지반의 소성유동 거동을 정확히 해석하는 것은 매우 어려우며 근사적으로 Terzaghi의 지지력 공식을 이용한 치환심도 추정방법을 이용

- 성토하중에 의한 강제치환

- 기초지반의 강제치환 심도 추정

8.2.2.4.2.2 지지력 평형식의 결정

(1) 성토저면에서 단위하중(p)와 지지력(qu)는 평행상태에 있으므로 p = q_u

여기서, p = [γ_f(h - h_w) + γ'_f × h_w + (γ'_f - γ'_c ) × d)] × I, q_u = C_uN_c + γ'_cd

(2) 지반의 소성유동 거동을 정확히 해석하는 것은 매우 어려우며 근사적으로 Terzaghi의 지지력 공식을 이용한 치환심도 추정방법을 이용

- [γ_f(h - h_w) + γ'_f × h_w + (γ'_f - γ'_c ) × d)] × I = C_uN_c + γ'_cd

8.2.2.4.2.3 지지력 계수 결정

전단강도가 일정한 2층으로 된 점성토 지반의 지지력 계수는

그림에서,

B : 기초저면 폭(m)

T : 상부층(1 Layer)의 층 두께(m)

C₁ : 상부층의 전단강도(tf/㎡)

C₂ : 하부층의 전단강도(tf/㎡)

- 상기 모식도를 이용한 지지력 계수(N_c)는 9.7임.

8.2.2.4.2.4 강제치환 심도 산정 결과

- 강제치환 공식에 각종 설계정수를 적용하면

2.0(5.5 - 1.5) + 1.0 × 1.5 + (1.0 - 0.643) × d] × 0.979 = 9.7 × 0.84 + 0.643 × d, ∴ d = 4.0m

- 상재하중과 원지반의 비배수 전단강도의 차를 통해 결정한 강제치환 심도(d)는 4m임

- 전체 연약지반 심도인 4.8m 중 83% 정도 강제치환될 것으로 판단됨

- 호안 사석에 의한 연약지반내 강체치환 모식도는 아래와 같음

8.2.2.4.3 연약층내 압밀침하에 대한 검토

8.2.2.4.3.1 검토개요

- 1차 압밀침하량 산출은 Terzaghi의 일차원 압밀이론에 의한 침하량으로 산정

- 압밀상태를 판단할 수 있는 과압밀비(OCR)은 1.1~1.9(평균 1.4)로 다소 과압밀상태를 보이나 원지반하 심도가 얕고 안정성을 고려하여 정규압밀 상태로 가정하였음(P_o = P_c)

S_c = C_c/(1 +e_o) × H × Log{(P_o + ΔP)/P_o}

- 점성토의 투수계수는 매우 작아 침하는 장기간에 걸쳐 일어나며 일차압밀(압밀도, U)이 일어나는데 필요한 시간은 다음과 같음

t = (T_v · H²)/C_v

- 압밀해석 단면은 아래와 같이 A지점~D지점으로 4개소에 대하여 검토하였음.

8.2.2.4.3.2 침하량 검토결과

8.2.2.4.3.3 침하시간 검토결과

- 압밀에 따른 압밀기간

- A~C지점에 걸쳐 압밀소요시간을 산출한 결과 압밀도 90%에 도달하는데 0.5~16.4개월 정도 소요되는 것으로 분석되었음

8.2.2.4.3.4 검토결과

- 강제치환 후 압밀침하량을 산정한 결과 검토지점에 따라 17~99cm정도로 호안사석부 시공기간이 약 4개월임을 감안할 때 배면구간은 시공 직후 잔류침하량은 약 50cm 이하로 나타났음

- 현재 계획된 호안사석 천단 계획고는 EL.+3.5m으로서 조류 및 파랑을 고려한 소요 계획고(EL.+3.0m)를 고려할 때 약 0.5m 정도 여유가 있는 실정임

- 시공기간을 고려한 잔류침하량 평가 결과 중앙부(B지점)에서 압밀침하량이 50cm 이하로 검토되어 시공 및 공용중 침하량이 발생하여도 설계계획고보다 시공계획고가 높기 때문에 문제가 없을 것으로 사료됨

8.2.2.4.4 호안사석부의 내적 안정성 검토

(1) 해석결과

호안사석 축조 후 제체의 내적안정성을 검토한 결과, 최소안전율은 1.657로 기준안전율인 1.5(항만시설기준)을 초과하므로 안정성을 확보할 것으로 판단됨

(2) 파괴형태

8.2.2.5 검토결과

- 호안 사석 강제치환 후 제체하부, 제체 배면등 4개소에 대한 압밀침하량 검토결과 “B"단면에서의 압밀침하량은 99cm로 초기간극비(1.339)와 압축지수(0.636)이 불리하여 과소 크게 산출되었음

- 또한, 압밀도 90%에 도달하는데 0.5~16.4개월 정도 소요될 것으로 판단됨

- 시공 호안사석 계획고는 체제의 침하를 고려하여 실제보다 0.5m 높게 계획하였고 시공 직후 잔류침하가 발생하여도 여유고 이내이므로 추가성토가 필요 없을 것으로 판단됨

8.2.2.5.1 검토결과

- 공사용 작업장 건설기간은 약 4개월 정도로 배면 매립부 B구간은 약 50cm 이하의 잔류침하가 예상되나 이는 여유고 이내이므로 호안사석 계획고를 고려하였을 때 문제가 없음

- 잔류침하량을 허용치 이내로 만족시키기 위하여 압밀촉진 공법을 적용하는 것은 본 구조물의 기능이 한시적이고 그 용도가 주로 자재 야적 및 작업공간확보임을 고려할 때 타당하지 않음

- 작업장 사용기간동안 본 구간에 대한 주의를 기하여 하자 발생시 재포장 등의 보수로 기능성 유지 확보에 만전을 기하는 것이 타당할 것으로 사료됨

8.2.3 Box 구조물 안정성 검토

8.2.3.1 중점검토사항

(1) 설계기본방향

- 본 검토에서는 본 과업구간내 계획된 Box구조물의 형상 및 기초지반의 특성을 고려한 지지층의 허용지지력을 산정하여 Box 구조물 기초하단에 작용하는 최대지반반력에 대한 안정성을 평가하며, 작용 반력에 대한 침하량을 산정하여 구조물에 미치는 침하 영향을 검토

(2) Box 구조물의 기초에 대한 안정성 평가 조건

(3) 안정성 평가 방법

8.2.3.2 검토현황 및 지층분석

8.2.3.2.1 대상구조물 현황

8.2.3.2.2 대표단면 선정

대상구조물 중 하부지반의 지층조건이 불량하여 교통차량 공용시 지지력 및 침하로 인한 피해가 우려되는 구조물에 대하여 검토를 수행함

- 통로박스(4.5 × 4.5), 수로박스(2.0 × 2.0) (본선, STA.1+377)

- 파형강관(금진IC, STA.0+416)

8.2.3.3 구조물 지지력 검토

8.2.3.3.1 토사 및 풍화암지지 직접기초 지지력 산정

(1) Terzaghi 제안식

(1.1) 지지력 공식

q_α = 1/F_s(α · c · N_c + β ·γ₁ · B · N_r + γ₂ · D_f · N_q)

여기서,

N_c, N_r, N_q : Terzaghi의 지지력계수

(1.2) 적용성

토사 및 풍화암의 강도정수 선정값에 크게 영향을 받음

(2) Meyerhof 제안식

(2.1) 지지력 공식

q_α = 1/F_s{α · N_c · s_c · d_c + Y₂ · D_f · N_q· s_q · d_q + (1/2) · γ₁ · B · N_r · s_r · d_r}

여기서,

s_c, s_r, s_q : 기초의 형상계수

d_c, d_r, d_q : 근입깊이 계수

N_c, N_r, N_q : Meyerhof의 지지력계수

(2.2) 적용성

- 토사 및 풍화암의 강도정수 선정값에 크게 영향을 받음

- Terzaghi 공식에 비해 지지력이 크게 산정됨

(3) Terzaghi 및 Meyerhof의 직접기초 파괴메카니즘

(4) 토사 및 풍화암지지 직접기초의 지지력 산정결과 (단위 : tf/㎡)

- 전술한 방법 중에서 최소값을 나타내는 Meyerhof 계산결과를 허용지지력으로 적용

- 검토 대상 중 파형강관(금진교차로, STA.0+416) 및 통로박스(4.5 × 4.5, STA.1+377)의 경우 지지력에 대한 안정성 확보

- 수로박스(2.0 × 2.0)의 경우 설계지반반력이 허용지지력 이상으로 불안정한 것으로 나타남

- 별도의 대책공법을 적용하여 안정성을 확보하여야 함

8.2.3.3.2 대책공법의 검토

(1) 개요

- 본 설계노선에 계획된 Box구조물의 하부지반은 대부분 N치〉30/30인 조밀한 사질토층이 분포하여 Box저면지반의 지지력에 대한 안정성에 대하여 문제가 없는 것으로 나타났음

- 그러나, 본선 STA.1+377에 위치한 수로박스(2.0X2.0)의 경우 하부에 측정 N치(5/30~11/30)인 사질토지층이 약 4.0m 정도 분포하고 지하수위가 높게 존재하여 지반의 허용지지력을 확보하지 못함

(2) 적용공법 (통로박스 : 본선, STA.1+377)

- 본 과업의 경우 작용하중이 크지 않아 N치 10이하의 느슨한 지층을 일부 제거하고 잡석채움을 실시하여 지지력을 확보하는 공법 적용

- 적용방안 : 잡석치환 80cm

(3) 굴착치환 공법 적용 후의 직접기초의 지지력 산정결과 (단위 : tf/㎡)

8.2.3.4 직접기초의 침하량 검토

8.2.3.4.1 토사 및 풍화암지지 직접기초의 침하량 산정

(1) Hooke 법칙을 이용한 방법

(1.1) 침하량 공식

S_i = I_s · {(1 -υ²)/E} · q · B

여기서,

I_s : 기초 저면의 형상과 강성에 따라 결정되는 무차원 계수

(1.2) 적용성 검토

지반의 변형계수(E_s)가 침하량에 직접적인 영향을 미치므로 토사 및 풍화암의 변형계수(ES) 산정시 주의가 필요

(2) 형상에 대한 무차원 계수

(3) 토사 및 풍화암지지 직접기초의 침하량 산정결과 (단위 : mm)

- 허용침하량 기준 : 10.0cm (배수구조물 기준 및 도로기준)

- 산정된 침하량 및 부등침하는 허용치 이내로 안정

8.3 지반구조물의 내진설계

8.3.1 사전조사 및 지반조사 현황

8.3.1.1 우리나라의 지진발생 현황

1978년 홍성지진이후 내진설계에 대한 인식이 높아지기 시작하면서 구조물 설계시 내진설계 개념의 도입이 본격화됨

- 지진 발생 빈도 : 연평균 20회 22년간 총 440회 발생 (남한 293회, 북한 147회)

- 남한의 유감지진(진도 3.0이상의 지진) : 145회 - 연평균 6.6회

- 지진관측이 시작된 1905년 이후 진도 5.0이상의 강진이 4회 이상 발생

8.3.1.1.1 규모별(Magnitude) 지진 발생 빈도(’78-’99 기상청 통계자료)

8.3.1.1.2 연도별 국내지진 발생현황 및 지진발생분포도

- 지진발생분포도

- 국내지진 발생현황

8.3.1.1.3 규모별(Magnitude) 연평균 발생 빈도

8.3.1.2 내진설계를 위한 지반조사 및 시험

8.3.1.2.1 조사 및 시험항목

8.3.1.2.2 구간별 조사 및 시험항목

8.3.2 지반조사 성과분석

8.3.2.1 내진설계를 위한 시험항목 및 시행횟수

8.3.2.2 내진정수 산정결과

8.3.2.2.1 내진정수 산정 중요 검토사항

- 물리탐사를 통한 동적계수 산정

- 상관관계 분석(RMR vs V_s)

- 통계분석을 통한 동적계수 산정

8.3.2.2.2 터널구간의 내진정수

8.3.2.2.3 토공구간의 내진정수

8.3.2.2.4 교량구간의 내진정수

8.3.2.3 지반계수

(1) 교량구간의 지반상태를 등급별로 분류한 지반계수(S)를 산정하여 내진설계를 위한 지진력 산정시 적용

(2) 본 과업에서는 하향식 탄성파 탐사(Down Hole Test)결과와 Suspension PS 검층결과를 이용하여 지반계수(S) 산정

- 지반계수

- 내진설계를 위한 지반분류

- 구간별 지반계수의 결정

8.3.2.4 Damping 계수

- 지반이나 암반의 전단변형률에 따른 전단탄성계수와 재료감쇠비의 결정은 합리적인 지반응답해석에 있어서 매우 중요한 인자임

- 토사의 경우에는 일반적인 공진주 시험이나 비틈전단실험에 의해서 전단탄성계수와 재료감쇠비의 전단변형률 특성을 용이하게 측정할 수 있지만, 암석의 경우에는 공진주 시험장비의 한계성, 암석코아의 강성이 암석코아를 고정시키는 에폭시보다 더 강하기 때문에 발생하는 문제점 등으로 인하여 일반 공진주 시험을 적용하는데에는 문제가 있음

- 따라서, 암석코아에 대한 최대전단탄성계수와 최소 재료감쇠비는 충격반향기법(Impact-Echo Testing)을 이용하여 암석코아의 최대전단탄성계수와 최소재료감쇄비를 측정하였음

8.3.2.4.1 결과분석

- Impact Echo 시험으로 구한 암석의 감쇠비는 0.68~2.04% 정도로 나타났음

- 일반적인 내진해석시 적용하는 암반의 감쇠비 2%에 비해 작게 평가되었는데 이는 암석코아에 의한 값으로 암반내부에 존재하는 절리나 파쇄영향이 고려되지 않음

- 따라서 실제 해석시에는 암반의 일반적인 값인 감쇠비 = 2%를 적용함

8.3.3 지반응답해석

8.3.3.1 기본방향

- 과업부지에 적합한 기반암 설계 응답스펙트럼 결정 및 기반암 가속도 시간이력 작성

- 동적특성을 반영한 지진 응답해석(Site Response Analysis)을 수행

8.3.3.1.1 내진 해석 절차

(1) 해석위치 선정 및 동적 지반물성치 산정

- 구조물 중요도와 지반특성을 고려하여 내진 해석을 실시할 대표 구조물을 선정

- 실내 및 현장시험에서의 결과를 이용하여 지진응답해석에 필요한 지반의 동적 물성치 결정

(2) 설계기반면 운동 결정 및 지진응답해석

(2.1) “내진설계기준”에 따른 기반암 최대 가속도 결정

(2.2) 지진 응답해석을 위한 지진파 산정

- 장주기파 : Hachinohe Wave

- 단주기파 : Ofunato Wave

- 인공지진파 : 표준설계 응답스펙트럼에 부합하는 가속도 시간이력 작성(SIMQKE-II)

(2.3) 지진 응답해석에 의한 지진 거동 분석(PROSHAKE)

(3) 액상화 검토

- 기초지반의 액상화 가능성에 대한 판정 및 보강대책 수립

(4) 기초 구조물 내진해석 및 분석 기초 구조물 안정성 검토

(4.1) 기초구조물의 내진해석 모델 작성

- 지반-구조물 동적 상호작용을 고려

(4.2) 인공지진파의 시간이력을 이용한 주파수 영역해석(SASSI 2000)

(4.3) 지반-구조물 상호작용 규명

- PROSHAKE와 SASSI 2000의 지반거동 비교, 분석

(4.4) 구조물의 최대가속도를 구조물의 관성력으로 변환

- 지진시 기초구조물의 안정성 검토(Pentagon 3D)

8.3.3.2 설계기반면 운동 결정

- 내진성능목표에 부합하는 기반면의 최대가속도 결정

- 기반면 설계 응답스펙트럼 작성

- 설계 응답스펙트럼에 부합하는 인공 가속도 시간이력 작성

8.3.3.2.1 설계 기반면 최대가속도 결정

- 내진설계기준

- 지진구역 계수 - 재현주기 500년

- 위험도 계수

- 최대가속도 결정

설계기반면 최대가속도 결정 : A = 0.11 × 1.4 = 0.154(g)

8.3.3.2.2 설계 기반면 응답스펙트럼 작성

(1) 탄성지진응답계수(C_s)

C_s = 1.2AS/T^2/3 ≤ 2.5A

A : 지반운동의 가속도계수

S : 지반특성에 따른 계수

T : 구조물의 주기 (초)

(2) 표준설계 응답스펙트럼

※ 주) 설계기반면의 응답스펙트럼을 작성하기 위함이므로 지반특성에 따른 계수(S)는 1.0으로 판단

8.3.3.2.3 설계 기반면 가속도 시간이력 변환

- 사다리꼴형 (Trapezoidal)

- 지수형 (Exponential)

- 복합형 (Compound)

8.3.3.2.3.1 SIMQKE-II로 작성한 인공지진파

- 기반면 가속도 시간이력 곡선

- 인공지진파의 응답스펙트럼 적합성 판단

(1) 사다리꼴 포락함수 적용

- Rising Time : 2sec, Level Time : 25sec, Duration : 32sec, ΔT : 0.01sec

(2) Damping : 5%

(3) 검토결과

- SIMQKE-II로 작성한 인공지진파가 “도로교설계기준”에서 제시한 표준 응답스펙 트럼과 일치 ⇒ 설계 적용

8.3.3.3 지진응답해석

8.3.3.3.1 해석 개요

- 지반 증폭현상을 고려할 수 있는 지진 응답해석 수행 (PROSHAKE)

- Deconvolution을 통한 설계 기반암 상단의 지진운동으로 변환

- 현장시험 및 실내시험 결과를 반영하여 지진응답해석을 수행

- 지반증폭에 따른 설계 지반면의 지반운동 분석

8.3.3.3.2 지진 응답해석의 필요성

(1) 『도로교설계기준(2000년) 내진설계편』에서 채택한 지반계수값(S)는 미국 서쪽 지역의 지반을 대표하는 값(UBC, 1997)으로 국내지반에 적용할 때는 좀 더 정확한 지반의 응답해석이 필요

(2) 지진시 지반의 전단변형율을 고려하여 정확한 동적 지반정수 산출

- 현장시험을 통한 동적 전단탄성계수와 감쇠비를 보정

8.3.3.3.3 지반응답해석에 관한 해석절차

(1) Step 1

- 기반면 설계 응답스펙트럼을 작성

(2) Step 2

(2.1) 설계 응답스펙트럼에 부합하는 기반면 가속도 시간이력곡선(인공지진파)을 생성

(2.2) 지진의 특성에 따른 부지응답을 위해 역사지진파를 추가적으로 사용

- 장주기파(Hachinohe Wave)

- 단주기파(Ofunato Wave)

(3) Step 3

- 기반면 가속도 시간이력과 지반의 동적 물성을 입력값으로 하여 PROSHAKE 수행

- PROSHAKE는 노두면의 가속도 시간이력을 Boundary Condition만을 적용하여 기반암 상단의 가속도 시간이력으로 변환(Deconvolution)

- 기반암 가속도 시간이력을 입력지진파로 지반물성을 고려하면서 지진응답 해석

8.3.3.3.4 지진응답해석 개념도

8.3.3.3.5 해석프로그램 - PROSHAKE

8.3.3.3.6 지진응답해석 과정

8.3.3.3.6.1 동적 지반정수의 결정

(1) 지반의 동적 거동을 결정하는 지반정수 : 지반의 강성과 감쇠특성, 포와송비, 밀도 등

- 지반의 강성과 감쇠특성은 매우 중요한 변수

(2) 동적 지반정수 산정 방법

- 현장시험법 : 지진파의 전파특성을 이용

- 실내시험법 : 동적 하중을 가하여 측정된 응력-변형율 관계를 이용

8.3.3.3.6.2 깊이에 따른 탄성파 속도

(1) PY1

(2) PY2

주) 현장에서 하향식 공내 탄성파탐사(Downhole Test)와 부유형 공내 탄성파검층(S-PS검층) 수행하여 깊이에 따른 지반의 전단파 속도 측정

8.3.3.3.6.3 전단 변형율 의존곡선

(1) 수행시험

- 공진주시험 (Resonant Column Test)

(2) 목적

- 흙의 저변형율 특성인 초기 전단탄성계수와 감쇠비 및 변형율에 따른 전단탄성계수와 감쇠비의 변화를 나타내는 변형율 의존 곡선 작성

(3) 시험대상

- 현수교 주탑부(PY2) 퇴적토층(심도 0.7m)에서 채취한 시료

(4) 실험결과

- 측정된 전단탄성계수와 감쇠비가 가해진 구속압력의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타나 유사한 정규화 전단탄성계수의 추세를 보여줌

- 전단탄성계수와 감쇠비곡선의 경향 : 사질토의 평균 곡선과 유사 (Seed ＆ Idriss,1989)

(5) 설계적용

- 퇴적층과 풍화토 : 시험결과를 적용

- 풍화암 : 기존 논문에 제시된 변형율 의존곡선 적용

- 기반암 : Idriss가 제안한 변형율 의존곡선 적용

8.3.3.3.6.4 입력 지진파의 결정

- 지진파의 주기에 따른 구조물 및 지반의 영향을 정밀히 분석하기 위해서 인공지진파, 장주기파(Hachinohe Wave)와 단주기파(Ofunato Wave)를 입력변수로 채택

- 인공지진파의 작성방법은 지진기록을 변형하는 방법, 응답스펙트럼에 부합하는 지진파를 작성하는 방법, 그리고 진원과 전달경로 및 부지 특성을 종합적으로 고려하여 추계학적으로 작성하는 방법 등이 있음

- 실제 발생된 지진은 진앙이 서로 다르고 지진의 전파경로에 따른 그 특성이 다양하므로 이러한 지진만을 이용하여 해석한 결과를 설계에 반영하는 것은 무리가 있음

- 따라서, 본 설계에서는 동적해석에 필요한 가속도 시간이력곡선은 해당지역의 부지조건 등을 적절히 반영하고 설계응답 스펙트럼에 부합하도록 작성하였음

8.3.3.3.7 지진응답해석 결과

8.3.3.3.7.1 전담함수 (Transfer Function)

(1) 각 교량별 전달함수

(1.1) EPY3

(1.2) P2

(1.3) PY1

(1.4) PY2

(1.5) 분석

- 지진시 지반의 증폭 주파수 범위는 대략 25Hz 이하이므로, 전달함수의 최대값이 뚜렷하게 나타나는 EPY3(f = 23.3Hz)와 PY2(f = 11.1Hz)기초 지반의 증폭현상이 뚜렷함

- P2와 PY1기초 지반은 전달함수의 최대값이 나타나지 않거나 아주 높은 주파수 범위에서에서 나타나 지반 증폭현상이 거의 발생하지 않음

(2) 설계지반면 전달함수

(2.1) 전달함수

(2.2) 분석 : PY2기초 지반의 진폭의 절대값이 EPY3기초 지반보다 작지만, 탁월주파수가 지반의 고유주파수 범위내에 집중적으로 존재하여 지반증폭의 효과가 큼

- PY2 : amax = 0.220(g)

- EPY3 : amax = 0.176(g)

8.3.3.3.7.2 심도에 따른 최대가속도 분포

(1) EPY3

(2) P2

(3) PY1

(4) PY2

(5) 입력지진파의 응답스펙트럼

(6) 분석

(6.1) 전달함수의 최대값이 현저하게 나타나는 EPY3와 PY2기초 지반에서 인공지진파에 의한 지반증폭 현상이 탁월하게 나타남

- 이들 대상지반의 탁월주파수 대역(11.1~23.3Hz)에서 인공지진파의 Spectral 가속도값이 Hachinohe파와 Ofunato파의 Spectral 가속도값 보다 크기 때문임

(6.2) PY1기초 지반은 전달함수 값이 거의 1에 가깝기 때문에 어떤 지진파에 의해서도 지반증폭 현상이 거의 발생하지 않음

(6.3) Deconvolution과정에서 단주기파 성분이 많이 걸러지면서 Ofunato Wave와 인공지진파의 기반암 상단에서의 지반 가속도값이 작지만, 지표면으로 올라갈수록 그 증폭 정도는 장주기파(Hachinohe Wave)보다 훨씬 크다. 특히, 전달함수의 Peak가 뚜렷이 나타나는 EPY3와 PY2기초 지반의 경우 위의 현상이 잘 나타남

8.3.3.3.7.3 심도에 따른 감쇠비 분포

- EPY3

- P2

- PY1

- PY2

8.3.3.3.7.4 응답스펙트럼

(1) EPY3

(2) P2

(3) PY1

(4) PY2

(5) 검토의견

- 지진시 역사지진파(Hachinohe Wave, Ofunato Wave)보다 인공지진파에 의한 지반 증폭효과가 큼

- EPY3와 PY2기초 지반은 지표면 최대가속도가 0.176~0.220(g)로 구조물기초 내진해석시 지반구조물 상호작용에 대한 규명이 필요할 것으로 판단됨

- 지진 응답해석 결과값인 전단변형율에 따른 지반의 감쇠비를 구조물기초 내진해석시 적용

8.3.4 액상화에 대한 안정성 검토

8.3.4.1 검토개요

8.3.4.1.1 액상화 개요

(1) 액상화현상 개념도

- 액상화 현상은 지반에 가해진 진동하중으로 간극수압은 상승하고 지반의 유효응력은 감소하여 그 결과, 포화사질토가 외력에 대해 전단저항을 잃게 되는 현상

- 액상화 발생시 흙입자의 구조

(2) 액상화 평가

- 대상현장에서 액상화 전단저항응력비와 지진에 의해 발생되는 진동 전단응력비로서 정의되는 안전율을 사용하여 평가

8.3.4.1.2 액상화 영향인자

(1) 토층의 형성과 지질학적 연령

- 오래 전에 형성된 지층일수록 액상화의 가능성이 적음. 또한 충적세(沖積世)의 지층보다는 갱신세(更新世)의 지층이 액상화의 가능성이 많음(Youd ＆ Perkins, 1978)

(2) 세립자의 함유율과 소성지수(PI)

- 세립자의 함유율과 소성지수가 높을수록 액상화의 가능성은 감소(Ishihara et al, 1989)

(3) 포화도

- 80~85%의 포화도를 가진 흙일지라도 액상화의 가능성은 존재. 따라서, 지하수위를 최고 만수위에 준하여 액상화를 평가하는 것이 바람직

(4) 지하구조물과 심도

- 기초형식에 따라 액상화가 발생할 수 있는 심도는 달라짐. 예를 들면, 선단지지 말뚝은 약 30m이내, 얕은 기초는 약 15m이내의 흙은 액상화의 가능성이 존재

(5) 지반의 관입저항도

- SPT시험의 N60이 22이상이거나, CPT시험의 콘 저항력이 15MPa이상이면 액상화는 발생하지 않는 것으로 알려져 있음 (Seed ＆ Idriss(1982), Shibata ＆ Teparaska(1988))

8.3.4.1.3 액상화 평가기준

(1) 액상화 평가 생략하는 경우

- 지진구역 II에서의 내진 2등급 구조물이며 주상도상의 표준관입저항치(N)가 20이상인 지반

- 대상지반심도가 20m 이상인 지반

- 소성지수(PI)가 10이상이고 점토성분이 20%이상인 지반

- 세립토 함유량이 35%이상인 경우, 상대밀도가 80%이상인 지반

(2) 본 과업에의 적용

- 본 과업은 붕괴방지수준의 내진성능을 가진 지진 I등급 구조물이므로 간편법에 의한 액상화검토를 수행하고 중요지역에 대해서는 상세예측법으로 검토

- 설계 지진규모는 지진구역 I, II 모두 리히터규모 6.5를 적용

- 검토구간에 대한 지진응답해석을 수행하여 지반특성을 분석하였음

(3) 액상화 평가 과정

8.3.4.2 액상화 평가 방법

8.3.4.2.1 간편예측법

(1) 입도분포에 의한 액상화 판별법

(2) 일본 구조물 내진설계규정에서 이용하는 액상화 평가방법으로 입도분포와 N치를 이용하여 액상화현상을 평가하는 방법을 제시

- 균등계수가 작은 사질토

- 균등계수가 큰 사질토

(3) 분류기준은 흙의 균등계수(U_c) 3.5

(4) 영역 A, 영역 B_f 그리고 영역 B_c를 제외한 나머지 영역의 입도분포는 액상화 가능성이 없는 것으로 간주하며 영역 A는 영역 B_f 및 B_c보다 액상화 발생 가능성이 높음

8.3.4.2.1.1 Seed와 Idriss간편법

- 지진을 최대전단응력의 65%가 정현하중으로 작용한다는 등가전단응력이론 제안(1971)

- 많은 지진피해사례 및 실내시험결과 분석을 통해 지진규모 7.5 기준의 세립분함유분별 액상화 전단저항비 산정곡선을 제안(1984)

8.3.4.2.2 상세예측법

- 대상지반의 액상화 간편법에 대한 안전율이 F〈1.5인 경우

- 내진 1등급 구조물인 경우 주로 지진응답해석을 이용한 액상화 평가와 실내 진동삼축시험을 이용하여 액상화 평가를 수행할 것을 권장

- 지진의 전단응력 산정시 감소계수개념을 도입하지 않고 지진응답해석결과를 이용하여 평가 위치에서의 전단응력 직접산정

- 진동삼축시험으로 지반의 전단저항응력 산정시 현장조건을 반영하여 실험을 수행해야 함

8.3.4.2.2.1 상세예측 평가방법

8.3.4.2.2.2 전단저항응력비 특성곡선 산정

(1) 전단저항응력비 특성곡선

(2) 특성곡선산정

- 정현파의 진동하중을 주기적으로 재하

- 지진규모를 고려한 액상화 전단저항응력비는 적정수준의 전단응력비(축차응력 × 0.5/초기유효구속압)를 포함한 4회 이상의 진동삼축시험을 통해 산정(액상화 전단응력비 수준 = 0.15~0.25)

- 현장조건을 반영하기위해 보정값 적용

(3) 보정계수 : C_r = C₁ × C₂

C₁ = 0.9, C₂ = (1 + 2K_o)/3

8.3.4.3 액상화 발생 가능성 검토

8.3.4.3.1 연약지반 검토

- 지반조사시 실시한 현장시험(표준관입시험) 및 실내시험결과와 연약지반 판정기준을 근거로 하여 쌓기구간의 연약지반 분포여부 및 지진시 액상화에 대한 검토를 수행함

- 액상화 검토 대상인 지표하 20m를 기준으로 표준관입시험 N치 20/30이하인 사질토 지반을 대상으로 액상화에 대한 안정성 평가를 수행함

8.3.4.3.1.1 흙의 물리시험 결과

8.3.4.3.1.2 검토결과

본 과업구간의 지층구성을 분석한 결과 N치 20이하의 사질토가 전체적으로 분포하고 지하수위가 높아 액상화 발생가능지역으로 판단됨

8.3.4.3.2 액상화 발생 가능성 평가

8.3.4.3.2.1 입도분포 및 세립분 함량에 따른 액상화 가능성 검토

- 입도분석 결과 대부분의 시료가 균등계수 3.5 이상으로 양입도 상태

- 쌓기부의 모든 시료의 입도분포가 액상화 가능성 구간 내에 존재

8.3.4.3.2.2 액상화 제외기준에 의한 검토

8.3.4.3.2.3 액상화 발생 검토결과

- 입도분포곡선상에서 쌓기부의 모든 시료가 액상화 발생가능 구간에 분포

- 액상화 평가 제외기준에 의한 검토결과 전체 5개 시추공중 4개공(BB-1, BB-2, SB-1, 3)에 대해 액상화 검토 필요

8.3.4.4 액상화 검토

8.3.4.4.1 간편예측법

8.3.4.4.1.1 반복응력법

(1) 개요

- 지반깊이에 따라 지진하중에 의한 등가반복전단응력(τ_cyc) : 지표면에서의 최대 수평가속도 α_max를 가정하여 구함

τ_cyc = 0.65 · (α_max/g) · σ_υ · r_d, r_d = 1 - (z/90)

τ_cyc : 등가전단응력(tf/㎡)

g : 중력가속도(m/sec²)

α_max : 지표면에서의 최대 수평가속도(m/sec²)

r_d : 감속계수

z : 깊이(m)

- 액상화에 저항하는 반복전단응력(τ_cyc·L) : 표준관입시험에 의한 저항치(N1)60, 연직유효응력 및 지진의 규모 M을 이용하여 다음 식을 이용

τ_cyc·L = CSR_L · σ_υo', CSR_L = (CSR_{M = 7.5}) · 1.5

(N_l)₆₀ = M_m · C_N · (1/60) · (E_m/E_f), C_N = √1/σ_υo'

CSR : 반복응력비

(N_l)₆₀ : 수정 표준관입시험 저항치

N_m : 측정 표준관입시험 저항치

C_N : 상재하중 보정계수

E_m : 해머의 실제상 낙하 에너지

E_f : 해머의 이론적 자유낙하 에너지

- 반복응력비와 (Nl)60과의 관계(M = 6.5로교체) : 항만 내진설계기준 참고

- 상재유효응력에 따른 SPT 보정계수(Liao 와 Whitman, 1986)

(2) 반복응력법에 있어서 지진규모에 대한 보정계수

(3) 검토조건

- 액상화 발생가능성이 있는 것으로 나타난 각 시추공에 대하여 진도규모(M)를 6.5로 가정하여 액상화에 대한 안정성 검토

- 지표면 진동의 가속도 계수는 0.154로 하였음

(4) 검토결과

- 액상화 발생가능성이 있는 것으로 나타난 각 시추공에 대하여 검토한 결과 SB-1 구간에서는 안전율 1.5를 약간 상회하는 것으로 나타남

- 본 과업의 지층조건에 맞는 지진응답해석을 수행하여 액상화 발생 여부를 검토하여야 할 것임

8.3.4.4.1.2 지진응답 해석

(1) 개요

- 암반내에서 발생한 지진운동은 지반을 통하여 지표면 자유장(Free-Surface)에 도달하게 되며 이 때 지진운동의 크기는 매질의 동적 변형 특성에 따라 운동의 크기가 크게 변하게 됨

- 일반적으로 이러한 지진운동의 증폭은 연약 지반층의 두께가 깊어질수록 그 정도가 심해져 내진설계시 이에 대한 정확한 평가가 요구되어짐

- 본 검토에서는 반무한 수평다층지반을 수직전파하는 전단파(SH Wave)에 대한 해석 프로그램인 Shake91을 이용하였으며 지반의 비선형 동적 거동특성을 등가선형 해석으로 고려하고 있음

- 심도별 최대가속도 산정을 위해 지진응답해석 수행(SB-1,SB-2)

- 1차원 등가선형지반응답해석을 위해 필요한 입력지진으로는 Hachinohe 지진기록 사용

(2) 진동전단 응력비 산정

- SB - 1

- SB - 2

- 최대가속도(α_max)산정 (Shake91)

- 수직 전응력, 유효응력 산정

- 진동전단응력비 산정식에 적용 τ_d/σ_υ' = 0.65(α_max/g)(σ_υ/σ_υ')

(3) 지진규모에 따른 전단저항응력비

- 표준관입시험치로부터 유효상재압 보정

- 환산N치 산정

- 액상화 전단저항응력비 : 환산N치 관계로부터 전단저항응력비 산정

- 진동전단응력비와 전단저항응력비의 비교 후 액상화 가능성 간편예측

(4) 검토결과

(5) 결론

- 액상화에 대한 단계적 발생 가능성을 검토한 결과 SB-1 중 일부구간에서 액상화 발생 가능성이 있는 것으로 검토되었음

- 액상화 발생 가능지역에 위치하는 쌓기부의 안정성 확보를 위해 상세검토가 적용되어야 할 것으로 판단됨

8.3.4.4.2 상세예측법

8.3.4.4.2.1 국내 액상화 상세예측

(1) 지진에 의한 전단응력비

τ_e/σ_υ = 0.65 × (α × σ_υ)/(g × σ_υ')

a : 지진응답해석을 통해 산정된 평가대상 지층의 최대가속도

σ_υ : 전상재압

σ_υ' : 유효상재압

g : 중력가속도

(2) 지반의 저항응력비

- 진동삼축압축시험 : 전단응력비를 3회이상 변화시키면서 시험수행

- 전단응력비 곡선상의 재하횟수 10회값을 지진규모 6.5시의 액상화 전단응력비로 산정

(3) 본 과업적용

- 간편예측결과 상세예측이 필요할 것으로 판단되는 지층에 대하여 상세예측수행, 지진응답해석과 진동삼축시험을 수행하여 액상화 발생여부를 판정

8.3.4.4.2.2 액상화 저항곡선의 작성

(1) SB-1

(2) 검토결과

- 국내지진규모를 고려한 반복회수 10회기준

- 전단저항응력비(τ_l/σ_υ') : 0.38

- 보정계수 : C_r = C₁ × C₂

C₁ = 0.9, C₂ = (1 + 2K_o)/3 : K_o = 0.5

- 본 과업적용 보정계수

C_r = 0.9 × (1 + 2 × 0.5)/3 = 0.6

- 전단저항응력비(보정 후) : 0.23

8.3.4.4.2.3 구간별 상세예측 결과

8.3.4.4.2.4 액상화 상세예측결과

액상화 발생 가능지역에 위치하는 쌓기부 및 교량구간의 안정성 확보를 위해 반복삼축압축시험 결과를 바탕으로 상세검토를 수행한 결과 본 과업구간내에서는 액상화에 대해서 안정한 것으로 검토됨

8.3.5 기초구조물의 내진해석

8.3.5.1 개요

- 부분구조제거법(Substructure Subtraction Method)을 이용한 지반-구조물 동적 상호작용과 지반의 반무한성을 고려한 구조물기초의 모델 작성 (SASSI 2000)

- SASSI 2000과 PROSHAKE와의 비교를 통해 지반-구조물 상호작용 규명

- 구조물의 높이에 따른 최대가속도를 구조물의 관성력으로 변환하여 하부기초의 안정성 검토

8.3.5.1.1 SASSI 2000

8.3.5.1.1.1 개요 및 특징

(1) 개요

- A System for Analysis of Soil Structure Interaction

- U.C. Berkeley의 J. Lysmer교수에 의해 개발된 상용 프로그램

(2) 해석방법

- 지반-구조물 동적 상호작용을 해석하기 위해 부분구조법 중에서 유연부피법과 부분구조제거법 사용

(3) 특징

- 지반은 반무한의 탄성 또는 점탄성 수평지층으로 구성

- Dashpot을 사용한 Transmitting Boundary개념을 도입 : 해석영역에 대한 경계조건을 자동적으로 만족

- 구조물은 2차원 또는 3차원 유한요소에 의해, 굴착지반은 평면변형율요소 또는 3차원 고체요소에 의해 이상화

- 입력하중으로 3방향의 지진하중과 충격하중, 기계기초로부터 전달되는 하중과 같은 외부하중을 사용

- 서로 다른 요소들의 경계면에서는 각 요소들의 자유도에 따라 힘을 전달

- 사용 가능한 유한요소 : 3차원 고체요소, 3차원 보요소, 4절점 판/셀 요소, 3차원 말뚝요소, 2차원 평면변형율요소, 3차원 스프링요소, 3차원 강성/질량 행렬요소

- 등가선형해석이라는 반복기법을 사용하여 근사적으로 비선형 해석을 수행

- 15~20개의 주파수에서의 응답으로부터 복소응답함수를 구하는 효과적인 보간기법 사용

(4) 구성모듈

- SITE : 전달경계를 위한 고유치문제를 구성하여 풀고, 자유장해석 수행

- POINT : 수평지층의 경계에 작용하는 단위조화하중에 대한 응답해석 수행

- HOUSE : 구조물과 굴착지반의 전체강성행렬과 질량행렬 구성

- ANALYS : 상호작용 절점에서 임피던스행렬을 계산하며 입력운동에 대한 가속도 또는 변위의 전달함수 계산

- MOTION : 가속도, 속도, 변위 시간이력을 계산하며 전달함수와 응답스펙트럼 산출

- STRESS : 요소에서의 최대응력(변형율), 힘, 그리고 모멘트를 계산 해석방법과 모듈

8.3.5.1.1.2 해석순서

- 지반-구조물 상호작용 해석방법

- 모듈 프로그램

8.3.5.1.1.3 해석순서

- Step 1 : 구조물의 탁월주파수를 결정하여 지반-구조물 상호응답에 사용할 중요한 주파수영역을 결정 (해석주파수의 상한(Cut-off Frequncy)을 결정)

- Step 2 : 부지응답해석(SHAKE)을 통하여 전단변형율에 적합한 동적 지반정수 산정

- Step 3 : Cut-off Fraquency와 반복등가선형해석(Shake)을 통해 얻은 동적 지반정수를 SASSI 2000의 지반 물성으로 입력

- Step 4 : 굴착될 지반과 구조물을 모델링하여 해석방법을 결정

- Step 5 : 해석할 주파수 범위내에서 10~20개의 특정 주파수를 결정

- Step 6 : Site Module 수행 ⇒ 자유장해석을 실시하고, 구조물계의 점성경계를 해결

- Step 7 : Point Module 수행 ⇒ 구조물 저면의 연성행렬을 구성

- Step 8 : House Module 수행 ⇒ 제거될 지반과 구조물의 질량 및 강성행렬 구성

- Step 9 : Analys Module 수행 ⇒ Impedence 행렬, 전체시스템의 강성, 전달함수의 선형보간 작업 및 상호작용 절점의 해석 수행

- Step 10 : Motion Module 수행 ⇒ 가속도 시간이력, 응답스펙트럼, 전달함수를 도출

- Step 11 : Stress Module 수행 ⇒ 요소에서의 최대응력(변형율), 힘, 모멘트 계산

※ 주) Motion과 Stress Module 수행시 입력지진파의 시간이력을 Fourier Transform으로 스펙트럼으로 변환하여 해석을 수행한 다음, 응답스펙트럼을 Inverse Fourier Transform으로 다시 시간이력으로 변환

8.3.5.2 우물통기초 내진설계

8.3.5.2.1 해석개요

8.3.5.2.1.1 해석방향

- PROSHAKE 해석결과와의 비교를 통한 지반-구조물 동적 상호작용으로 인한 지진응답 고찰

- 구조물의 지진 거동을 분석하고, 구조물 최대가속도를 산정하여 지진시 기초구조물의 안정성 검토

8.3.5.2.1.2 검토단면

- EPY3

- P2

- PY1

- PY2

8.3.5.2.1.3 해석모델링

8.3.5.2.1.4 지반물성치 및 구조재료 물리상수

- 설계지반정수

주) 전단파속도와 감쇠비는 각각 탄성파시험결과와 Proshake 해석결과를 반영

- 구조재료 물리상수

8.3.5.2.2 우물통기초 내진해석 결과

8.3.5.2.2.1 전달함수

(1) EPY3

(2) P2

(3) PY1

(4) PY2

(5) 분석

- 지반의 감쇠역할이 없어지는 격벽 및 상부슬래브 지점에서의 전달함수의 주파수가 짧아짐

- P2기초의 경우는 지반에 돌출된 부분의 비율이 다른 경우와 비교하여 상대적으로 적어 Peak가 나타나는 주파수영역이 큼을 알 수 있으며 이로 인해 다른 기초에 비해 구조물 증폭현상이 거의 일어나지 않음을 알 수 있음 (다음 페이지 참고)

8.3.5.2.2.2 구조물 최대가속도 분포

(1) EPY3

(2) P2

(3) PY1

(4) PY2

(5) 각 기초별 최대 가속도값

(6) 분석

- 설계지반면 위의 구조물은 주변 지반의 구속효과가 존재하지 않아 구조물의 증폭현상이 더 크게 발생함

- 수중콘크리트부와 격벽부의 상대적인 질량차이로 인해 격벽부에서 최대 가속도가 크게 증가하며 이러한 영향으로 상부슬래브의 증폭현상도 크게 발생함.

8.3.5.2.3 지반-구조물 상효작용 규명

8.3.5.2.3.1 EPY3

- 최대가속도 변화

- 설계지반면 응답스펙트럼

8.3.5.2.3.2 P2

- 최대가속도 변화

- 설계지반면 응답스펙트럼

8.3.5.2.3.3 PY1

- 최대가속도 변화

- 설계지반면 응답스펙트럼

8.3.5.2.3.4 PY2

- 최대가속도 변화

- 설계지반면 응답스펙트럼

8.3.5.2.3.5 분석

(1) 지반-구조물의 동적 상호작용으로 인해 SASSI 2000의 지반 최대 가속도값이 PROSHAKE의 해석결과 값보다 크게 나타나고, 지표면으로 올라갈수록 그 영향도 커짐을 알 수 있음

- 우물통기초 저면 및 지표면 최대 가속도

(2) 지표면에서의 응답스펙트럼을 살펴보면, 응답 주기의 초기부분에서 지반-구조물 상호작용이 크게 일어남

8.3.5.2.4 지진시 안정성 검토

- 지반-구조물의 동적 상호작용으로 인한 구조물의 높이에 따른 최대가속도를 구조물의 관성력으로 반영

- 동적탄성계수 및 동적 포와송비를 고려하여 유한요소 해석 실시하여 기초구조물의 안정성 검토 (Pentagon 3D)

8.3.5.2.4.1 검토개요

(1) 해석 방법

- 등가정적해석 - Pentagon 3D

(2) 하중산정

- 지진시 상부구조물의 지진하중

- 기초 구조물을 둘러싸고 있는 물에 의한 동수압 : 작용위치별로 기초의 측면에 수평력으로 작용

- 기초구조물 자체의 관성력 : "SASSI 2000" 으로 얻은 구조물의 높이에 따른 수평진도를 구조물기초의 관성력으로 반영

(3) 설계지반정수

- 동적지반정수를 반영

8.3.5.2.4.2 동적지반정수

(1) 산정방법

(1.1) 산정방법

- 현장의 탄성파시험을 통해 얻은 탄성파속도로 도출 ⇒ E_d = 2γ_tv_s ²(1 + v)

- 지진응답해석을 통해 얻은 동적탄성계수 ⇒ “SASSI 2000” 결과적용

여기서

E_d : 동적 탄성계수

γ_t : 단위중량

v_s : 전단파속도

v : 동적포와송비

(2) 동적 탄성계수 결정

(2.1) 깊이에 따른 지반의 동적 탄성계수

(2.2) 검토의견

- 탄성파시험결과로부터 산정한 동적 탄성계수는 지진응답결과치보다 큰 값을 나타내고 있음

- 지반-구조물의 동적상호작용이 반영된 지진응답해석에 의한 동적탄성계수는 전단변형율에 따른 지반의 동적 물성을 제시함

- 안전측의 결과값을 제시하며 지진시 실제 지반의 거동을 정확히 표현하는 지진응답해석에 의한 동적물성을 내진설계시 적용

(3) 동적지반정수

주) 1. 단위 : tf/㎡

2. 동적포와송비는 현장 탄성파시험결과값임

8.3.5.2.4.3 작용하중

- 우물통에 작용하는 상부하중

주) 1. 동수압은 구조물의 측면에 작용 위치별로 수평력으로 작용 (구조계산서 참고)

2. 우물통기초가 원형으로 대칭단면이므로 연직력과 모멘트하중이 큰 방향으로 안정성을 검토

3. 상부하중은 우물통기초의 상단면의 교각위치에 작용

- 구조물 기초의 관성력

주) 1. 격벽부분은 물로 채워져 있는 것으로 판단하여 물의 관성력도 추가적으로 고려함

2. "Pentagon 3D" 프로그램에서 유한요소의 체력(Body Force)에 수평진도를 입력하면 자동적으로 수평력을 가함

8.3.5.2.4.4 안정성검토 결과 및 분석

(1) EPY3

- 연직변위 : Max = 1.140cm

- 수평변위 : Max = 1.650cm

- 연직반력 : Max = 148.0tf/㎡

- 저면전단력 : S = 9,331tf

- 격벽응력 : Max = 532.1tf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.80

주) 지진시 콘크리트의 허용응력 할증계수 : 1.33

- 지진시 변위와 응력에 대해 안정성 확보

(2) P2

- 연직변위 : Max = 0.181cm

- 수평변위 : Max = 0.150cm

- 연직반력 : Max = 101.1tf/㎡

- 저면전단력 : S = 5,269tf

- 격벽응력 : Max = 500.9tf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.77

- 지진시 변위와 응력에 대해 안정성 확보

(3) PY2

- 연직변위 : Max = 0.326cm

- 수평변위 : Max = 0.353cm

- 연직반력 : Max = 161.2tf/㎡

- 저면전단력 : S = 13,844tf

- 격벽응력 : Max = 571.7tf/㎡

- 파괴율 : Max = 0.52

- 지진시 변위와 응력에 대해 안정성 확보

8.3.5.3 앵커리지 기초 내진설계

8.3.5.3.1 북측 앵커리지(AN2)

8.3.5.3.1.1 검토개요

- 지진에 대한 앵커리지 구조물과 주변지반의 동적 거동특성과 안정성 검토

- 지반의 동적거동을 모형화 ⇒ 연속체 지반에 대하여 시간-이력해석 수행 (Pentagon 3D)

- 다양한 입력지진파 사용 : 장주기파(Hachinohe wave), 단주기파(Ofunato wave), 인공지진파

8.3.5.3.1.2 Pentagon 3D에 의한 동해석

(1) 개요 및 해석방법

(1.1) 개요

- 정해석과 달리 지반의 질량이 가속도에 대하여 관성저항를 발휘하며, 속도에 대해서는 Damping 저항을 동적운동 방정식에서 고려

- Damping은 흡수경계를 모형화하기 위하여 경계에서만 고려

- 보다 큰 변위를 얻기 위하여 내부 Damping인 Rayleigh damping은 고려하지 않음

- 모형의 좌우경계에는 면에 수직한 비반사 점성경계를 적용하였으며, 바닥에는 바닥면과 평행한 방향으로 점성경계를 적용

(1.2) 해석방법

- 지반의 동적거동을 모형화하기 위하여 연속체 지반에 대하여 시간-이력해석을 수행

- 시간-이력해석에 있어서는 각 시간단계별 지반의 가속도-속도-변위를 구하기 위하여 직접적분법인 Newmark-β법을 적용 (Newmark-β법 : 시간-이력해석에서 타 해법에 비하여 상대적으로 우수한 정확도가 인정되어 토목해석에 일반적으로 사용되고 있는 해법)

(2) 점성경계

(2.1) 목적

- 반무한체인 연속체 지반을 한정된 영역으로 모형화하기 때문에 충격파가 경계로부터 반사되는 현상을 방지하기 위하여 비반사 경계조건을 적용 ⇒ 점성경계 사용

(2.2) 표현방법

- 점성경계의 입력방식은 각 절점에 대하여 전체좌표계의 c^υ를 입력하는 방식 ⇒ 대각행력 형태의 감쇠계수 C matrix(c^υ)로 표현

- 면(또는 모서리)에 대하여 전체좌표계의 단위면적당 c^υ를 입력하는 방식을 사용

8.3.5.3.1.3 검토단면

- 북측 앵커리지 (AN2)

8.3.5.3.1.4 시공순서

(1) 원지반 구성

(2) 상부지반 굴착

(3) 터널 굴착

(4) 터널 shotcrete 보강

(5) 정착부 콘크리트 타설 및 Prestressing

(6) 케이블력 도입

8.3.5.3.1.5 해석결과(1) - 전체 거동양상

- Hachinohe Wave : 수평변위(Max = 0.231mm)

- Hachinohe Wave : 수평가속도(Max = 0.0623g)

- Ofunato Wave : 수평변위(Max = 0.326mm)

- Ofunato Wave : 수평가속도(Max = 0.0989g)

- 인공지진파 : 수평변위(Max = 0.269mm)

- 인공지진파 : 수평가속도(Max = 0.1233g)

8.3.5.3.1.6 해석결과(2) - 앵커블록부 시간이력

8.3.5.3.1.7 결론

(1) 최대변위

- 모형의 바닥과 지표면 부근에서 발생

- 지상부 앵커블록의 변위가 터널내부 앵커블록보다 2~5배 정도 크게 나타남

- 최대변위 : 0.3~0.4mm

(2) 최대속도

- 지상부 앵커블록에서 발생

- 지상부 앵커블록의 속도가 터널내부 앵커블록에 비해 2배 정도 크게 나타남

- 장주기파의 속도 : 위치별 최대속도에 별차이가 없음 (최대 8mm/s)

(3) 최대가속도

- 외부 앵커블록에서 발생

- 장/단주기파의 최대 가속도 : 0.623m/s², 0.989m/s²

- 인공지진파의 최대 가속도 : 1.223m/s²

8.3.5.3.2 남측 앵커리지(AN1)

8.3.5.2.2.1 검토방향

- 지반-구조물의 동적 상호작용으로 인한 구조물의 높이에 따른 최대가속도를 구조물의 관성력으로 반영

- 동적탄성계수 및 동적포와송비를 고려하여 유한요소 해석 실시하여 기초구조물의 안정성 검토(Pentagon 3D)

8.3.5.3.2.2 검토개요

(1) 해석방법

- 등가정적해석 - Pentagon 3D

(2) 하중산정

- 지진시 상부구조물의 지진하중

- 기초 구조물을 둘러싸고 있는 물에 의한 동수압 : 작용위치별로 기초의 측면에 수평력으로 작용

- 기초구조물 자체의 관성력 : "SASSI 2000" 으로 얻은 구조물의 높이에 따른 수평진도를 구조물기초의 관성력으로 반영

(3) 설계지반정수

- 동적지반정수를 반영

8.3.5.3.2.3 검토단면

- 남측 앵커리지(AN1)

8.3.5.3.2.4 동적지반정수

주) 1. 단위 : tf/㎡

2. 동적포와송비는 현장 탄성파시험 결과값임

8.3.5.3.2.5 해석 결과

- 연직변위 : Max = 1.16cm

- 수평변위 : Max = 0.72cm

- 바닥 콘크리트면 연직반력 : Max = 62.5tf/㎡

- 저면 연직반력 : Max = 49.4tf/㎡

- 저면 전단력 : S = 28,818tonf

- 파괴율 : Max = 0.33

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

8.3.6 비탈면 내진 안정성 검토

8.3.6.1 쌓기 비탈면의 안정성 검토

- 쌓기 비탈면의 지진시 안정성 검토는 진동하중인 지진하중을 정적하중으로 고려하여 해석하는 등가정적 해석방법에 의해 수행하였으며, 해석시 이용된 지진하중(지진가속도계수)은 각 구간별로 지진응답해석(Ground Response Analysis)을 실시하여 적용함

- 쌓기구간 중 매립층의 심도가 깊고, 성토고가 높이 지진에 대한 영향이 클 것으로 예상되는 단면에 대하여 지진응답해석을 수행하여 그 결과를 해석에 반영함

- 쌓기구간내 본선(SB-1) 및 금진교차로(SB-2)에 지진응답해석을 수행함

8.3.6.2 깎기비탈면의 내진해석

- 깎기구간내 금진교차로(CB-2)에 지진응답해석을 수행함

- 검토해석결과 지진응답해석 결과를 반영한 비탈면 안정해석시 이상이 없는 것으로 판단됨

8.3.6.3 지진해석을 통한 비탈면 내진 안정성 검토

- 깎기 비탈면의 지진시 안정성 검토는 진동하중인 지진하중을 정적하중으로 고려하여 해석하는 등가정적해석방법과 인공지진파를 이용한 시간이력해석을 수행하여 결과를 비교

- 등가정적해석은 SLOPE/W프로그램을 이용하여 해석하였으며, 시간이력해석은 장주기파와 단주기파를 적용하여 2차원 유한차분해석(FLAC 2D)을 시행

8.3.6.3.1 해석결과

(1) 쌓기부, 제 6쌓기부(금지교차로, STA.0+420)

(2) 깎기부, 제 3깎기부(본선, STA.2+660)

(3) 검토결과

- 최대수평변위는 단주기파, 장주기파 순으로 9.8cm로 내진1등급 기능수행수준(항만 내진설계표준서) 기준인 10cm를 만족함

- 지진응답해석결과 본 과업구간의 비탈면은 안정한 것으로 판단됨

8.3.7 터널구조물의 내진해석

8.3.7.1 검토개요

8.3.7.1.1 터널의 지진 피해

(1) 지진 피해 현황 : 터널의 전형적인 피해 형태

- 라이닝의 종방향, 횡방향 균열

- 단면 균열과 대각선 방향 균열

- 아치와 측벽 낙석에 의한 전단과 압축파괴

- 기존 균열의 심화

- 아치 최상단의 침하

- 터널 종방향 시공이음부의 충돌(Pounging)

- 터널 갱구부(입·출구부) 붕괴

- 터널 갱부부 벽체 균열

- 인버트의 균열과 히빙 발생

(2) 피해 상황 및 위치도

8.3.7.1.2 지진시 취약 구간의 선정

(1) 지진시 터널 구조물의 피해사례 분석 결과 및 터널설계기준(건설교통부, 1999)에 의거 다음과 같은 구간을 검토 대상구간으로 선정함

- 터널의 일부가 노출된 갱구부

- 터널이 현저히 변화하는 지반에 시공될 경우

- 터널하부의 지반이 심도에 따라 급격히 변화고 있는 경우

- 규모가 비교적 큰 단층대 통과 구간

(2) 본 과업구간의 거금, 소록 터널의 경우 위 검토 대상 구간 중 갱구부를 선정하여 내진 해석 수행

8.3.7.2 내진해석 방법의 적정성 검토

- 내진설계는 지진으로 인한 하중이 가해질 경우 지중구조물에 발생하는 응력과 변형거동을 해석 이론을 통하여 분석하고 이를 통해 지중구조물이 소요강도 및 연성을 확보하도록 구조물의 형태 및 단면을 결정하는 과정임

- 본 설계시에는 건설교통부 “내진 설계 기준 연구”(1997.12) 및 서울시 “터널의 내진설계 점검표”(2000.7)에 제시된 내진 성능 수준에 기초한 설개개념을 적용, 지진력에 대한 안정성을 확보하도록 설계함

8.3.7.2.1 해석모델링

지진파의 반사현상을 방지하기 위한 자유장 경계조건 적용(Free-field Boundary Condition)

8.3.7.2.2 지반조사 분석 및 동적지반특성치 산정

(1) 시추조사, 표준관입시험

(2) 탄성파 검사

- P파 및 S파 속도

- 동탄성 계수(저변형률 영역)

(3) 공진주 시험(FFRC)

- 감쇠비

- 동탄성 계수(고변형률 영역)

(4) 실내 암석 시험

8.3.7.2.3 지진해석

지진해석 프로그램 : FLAC-2D

8.3.7.3 거금터널 NATM 갱구부 내진해석

8.3.7.3.1 해석위치

(1) 해석위치는 지보패턴 6구간으로 STA. 1K600에 위치함(거금터널 시점부)

- 해석위치(종단)

- 해석위치(횡단)

(2) 해석위치는 지보패턴 6구간으로 STA. 5K235에 위치함(소록터널 시점부)

- 해석위치(종단)

- 해석위치(횡단)

8.3.7.3.2 해석결과 검토

8.3.7.3.2.1 거금터널 시점부

(1) 변위 및 가속도 발생경향

- 천단변위 발생경향

- 내공변위(좌) 발생경향

(2) 콘크리트 라이닝 최대 단면력 발생경향

- 최대축력 발생경향

- 최대모멘트 발생경향

(3) 결과 요약

- 변위 발생 경향은 강진 지속기간동안 큰 변화를 보이다가 강진이 끝날 무렵에 최대로 발생

- 최대 천단 변위는 지진경과 시간이 19.5초일 때 5.199mm(↓)발생 하고 최대 내공 변위는 지진경과 시간이 19.5초일 때 5.234mm(←) 발생함

- 발생 단면력은 축력 110.3 tonf , 모멘트 8.988 tonf·m 및 전단력 2.274 tonf 가 발생하나 TYPE-6구간의 철근 보강(D19@200)으로 터널의 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단됨

8.3.7.3.2.2 소록터널 시점부

(1) 변위 및 가속도 발생경향

- 천단변위 발생경향

- 내공변위(좌) 발생경향

(2) 콘크리트 라이닝 최대 단면력 발생경향

- 최대축력 발생경향

- 최대모멘트 발생경향

(3) 결과 요약

- 변위 발생 경향은 강진 지속기간동안 큰 변화를 보이다가 강진이 끝날 무렵에 최대로 발생

- 최대 천단 변위는 지진경과 시간이 19.5초일 때 5.199mm(↓)발생 하고 최대 내공 변위는 지진경과 시간이 19.5초일 때 5.234mm(←) 발생함

- 발생 단면력은 축력 110.3 tonf , 모멘트 8.988 tonf·m 및 전단력 2.274 tonf 가 발생하나 Type-6구간의 철근 보강(D19@200)으로 터널의 안정성에는 문제가 없을 것으로 판단됨

8.3.7.3.3 결론

- 거금, 소록터널의 지보패턴은 경험적인 지보패턴 설계로 RMR System(1992)에서 제안한 암반터널굴착시 지보System의 Guideline과 Q system에 의한 터널지보재 선정 (Grimstad ＆ Barton 1993)을 검토하여 적용하였음

- 본 해석시는 암반등급별 이상화된 지반에서 지보패턴의 변경에 따른 굴진장, 록볼트 분담면적의 변화를 고려한 3차원 해석을 통해 지보패턴의 적정성을 검토하였으며 안정한 것으로 판단됨

8.4 신기술, 신공법을 적용한 설계개선내용

8.4.1 조사분야

8.4.2 설계분야