1. 서 론
2. 실내모형실험
2.1 실험모형
2.2 실험장비
2.3 실험방법
2.3.1 실험계획
2.3.2 실험과정
3. 실험 결과
3.1 직사각형 단면의 경우
3.2 아치형 단면의 경우
4. 결론 및 제언
1. 서 론
최근 비개착공법으로 지하차도 시공 시 강관을 지반에 압입한 후 강관자체를 보강하거나 강관과 강관사이를 일체화시켜 상재하중에 대한 저항성을 증대시켜 안전성이 보다 증대된 파이프루프 공법이 많이 사용되고 있다. 이렇게 지하차도 단면을 따라 높은 강성의 파이프루프가 형성되어 설계하중(활하중 및 고정하중)을 분담할 것으로 예상되나, 이를 고려하지 않은 채 지하차도 구조설계를 하게 됨으로써 지하차도 단면 부재력이 과다하게 산출되는 경향이 있어 이에 대한 개선책이 필요한 실정이다.
한편 대부분의 비개착공법 관련된 연구는 주로 현장적용 시공사례를 통한 연구(Wallis, 1992; Moh et al., 1999; Kimura et al., 2005)와 수치해석과 실내실험을 통한 연구(Choi et al., 2012; Eum et al., 2010; Ahuja and Stering, 2008; Histake and Ohno, 2008)가 수행되었다. 이러한 다수의 연구는 주로 강관 추진에 따른 지표 침하 등 지표면의 거동 분석(Eum et al., 2010; Choi et al., 2012), 파이프루프 유무에 의한 차이 분석(Histake and Ohno, 2008), 강관의 변형(Wang, 2009) 등에 중점을 두고 연구가 수행되었으나 설계차원에서 파이프루프의 설계하중 분담률에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.
최근 Sim et al. (2013)은 이러한 문제를 해결하기 위하여 유한차분 해석을 실시하여 파이프루프에 의한 토압감소효과를 분석하였으며 또한 Sim et al. (2015)은 비개착공법이 적용된 실제 현장에서 지하차도에 작용하는 토압 측정을 직접 시도하였다. 그러나 제한된 현장여건과 시공 중 토압계의 망실 등 신뢰성 있는 데이터 확보가 어려웠으나 파이프루프의 지보효과에 의한 토압 감소 효과는 어느 정도 확인이 되었다.
이에 본 논문에서는 실험을 통해 강관에 의해 형성된 파이프루프가 라멘구조와 같은 일체거동을 발휘하는 것으로 가정하고 지하차도에 작용하는 영향을 분석하였다. 이를 위해 토조 내에 축소 모형구조물(지하차도와 파이프루프)을 제작하여 설치하고 일체형 파이프루프의 유무와 강성변화, 상부하중 재하를 통해 지하차도 구조물에 작용하는 응력(토압)과 변형률의 거동을 분석하였다.
2. 실내모형실험
2.1 실험모형
비개착공법에 적용되는 파이프루프의 지보효과를 실험적으로 분석하기 위해 지하차도 상부에 파이프루프를 설치한 경우와 그렇지 않은 두 가지 경우에 대해 실험을 수행하였다. 지하차도 모형은 현장에서 가장 많이 시공되는 직사각형 단면과 아치형 단면 두가지 형상에 대해 분석하였으며 아크릴 재질(Fig. 1)을 사용하였다.
지하차도 모형 주위에 설치될 파이프루프 모형은 지하차도 단면에 따라 직사각형과 아치형 단면(Fig. 2)을 사용하였다. 파이프루프의 모형의 경우 알루미늄 재질을 사용하였으며 강관의 집합체로 이루어진 파이프루프는 원형강관이 일체화되어 강성을 발휘하는 것으로 가정하여 일체형으로 모형을 제작하였다. 직사각형 단면의 경우 지하차도 아크릴 모형과 파이프루프 알루미늄 모형 사이에 주문진 표준사를 채워놓을 수 있도록 상부 덮개를 분리할 수 있도록 제작하였으며 아치형 단면의 경우에는 상부에 구멍을 뚫어 표준사를 채워놓을 수 있도록 제작하였다.
모형실험에 사용되는 지하차도 모형은 기하학적으로 1/50로 축소하여 실험을 수행하였다(Fig. 3). 실제 지하차도의 폭을 15 m로 설정하였을 경우 모델의 지하차도 폭은 축소비를 적용하여 300 mm로 제작하였다. 토피고는 실제 2.5 m로 설정하였고 축소비를 고려하여 모델에서의 토피고는 5 cm를 유지하였다.
또한 파이프루프 강관의 중심으로부터 지하차도와의 간격은 강관의 직경에 따라 보통 500 mm에서 1,000 mm정도까지 설계가 이루어지므로 평균 750 mm를 기준으로 설정하고 모델에서의 지하차도와 파이프루프간 간격은 축소비를 고려하여 1.5 cm로 제작하였다.
지반재료는 KSL 5100 규정에 따라 생산된 주문진 표준사를 사용하였으며 실험에 사용된 모형의 제원을 정리하면 Table 1과 같다. 또한 파이프루프의 두께의 차이, 즉, 휨강성의 차이에 따른 결과를 비교하기 위해 알루미늄의 두께가 1 mm와 3 mm인 단면을 직사각형 단면과 아치형 단면의 경우에 대해 각각 제작하고 실험을 수행하였다.
2.2 실험장비
실내모형실험에 사용되는 토조의 제원은 가로, 세로, 높이의 크기가 각각 1.2 m, 0.8 m, 0.8 m이며 실제 실험에 사용될 공간은 각각 1.2 m, 0.8 m, 0.4 m이다(Fig. 4(a)). 비개착공법이 적용되는 지하차도는 대부분이 토피고가 얕은 터널에 해당하므로 토조 밑면으로부터 0.4 m 높이에 실험모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 하중은 조성된 지반상부에 100 kN까지 가할 수 있는 용량으로 유압으로 조절하고 토조프레임과 연결하여 가로와 세로의 크기가 각각 0.45 m, 0.25 m인 재하판을 제작하였다(Fig. 4(b)). 이 토조프레임과 연결된 재하판은 모형 지반 전체에 걸쳐 압력을 가하기 위해 토조크기와 같은 크기의 가압판을 제작하여 모형지반 상부에 올려놓고 하중을 가하였다.
계측센서는 사각형과 원형단면 지하차도의 응력을 측정하기 위해서 Flexi-Force와 FSP-2 센서를, 그리고 지하차도의 변형을 측정하기 위해 스트레인 게이지를 사용하여 계측하였다(Fig. 5). 본 실험에 사용된 Flexi- Force 센서(Fig. 5(a))는 400 N까지 측정할 수 있는 하중센서로써 계측면적(sensing area)인 7.133×10-5 mm2를 고려하여 응력으로 환산하고 임의의 응력과 저항치와의 교정(calibration)을 통하여 응력을 측정하게 된다. 전기저항식인 FSP-2 센서의 경우 196 kPa까지 측정이 가능한 토압계로써 이 역시 측정치와 교정계수(calibration coefficient)를 고려하여 응력을 계산하게 된다.
2.3 실험방법
2.3.1 실험계획
Table 2에 나타난 바와 같이 비개착공법에 적용되는 파이프루프의 지보효과를 파악하고자 각 단면별로 파이프루프를 설치하지 않은 경우와 비교하였으며, 파이프루프를 설치한 경우에도 두께(t)를 증가시켜 강성이 증대되었을 경우에 대해 분석하였다. 상재하중은 상재하중으로 인해 충분히 경향을 파악할 수 있을 정도인 98 kPa까지 19.6 kPa씩 단계별로 증가시켜가며 실험을 수행하였다.
Fig. 6은 사각형 지하차도 단면과 토조 바닥에 3가지 종류의 센서를 모형 중앙에 부착한 모습을 나타내고 있다. 지하차도 상부와 측벽, 그리고 토조바닥에 Flexi-Force 센서를 각각 3개씩, 총 9개를 설치하였다. 스트레인게이지는 지하차도 모형 상판 내부에 2개를, 측벽 내부에 1개를 각각 설치, 총 3개를 설치하였다. 토조바닥에는 Flexi-Force 센서에서 측정되는 토압과 비교하기 위하여 FSP-2 센서 3개를 별도로 설치하였다. 보다 정확한 계측을 위해서는 모든 계측에 FSP-2 센서를 사용해야 하지만 아크릴재질의 지하차도 모형에 스테인레스 재질의 FSP-2를 부착하기에는 강성의 차이가 현저하게 차이가 나므로 하중재하시 아크릴재질의 지하차도가 파손되기 때문에 유연한 Flexi-Force 센서를 사용하였다.
Fig. 7은 아치형 지하차도 단면의 경우에 센서 부착 위치를 나타내고 있는데 지하차도에는 상부와 토조 바닥에 Flexi-Force 센서를 각각 6개와 3개를 설치하였고 지하차도 내벽에 스트레인 게이지 3개를 설치하였다. 토조바닥에는 Flexi-Force 센서에서 측정되는 토압과 비교하기 위하여 FSP-2 센서 3개를 사각형 단면의 경우와 동일하게 별도로 설치하였다.
2.3.2 실험과정
Fig. 8은 사각형 지하차도 모형 주위에 파이프루프를 설치하지 않은 경우의 실험과정을 나타내고 있다. 표준사는 다짐봉을 이용하여 입자가 부서지지 않게끔 약하게 다지거나 나무망치를 이용하여 토조 주변을 두드리는 방식으로 최대한 단위중량 13.5~14.5 kN/m3 정도의 상태를 유지하였다. 그러나 모형지반 상부 전체에 하중을 골고루 재하하기 위해 토조 전체를 덮을 수 있는 가압판을 지반위에 올려놓은 후 하중을 단계별로 가하였기 때문에 모형지반은 처음 조성된 상태보다는 압축된 상태가 되므로 최대건조단위중량에 근접하게 된다.
Fig. 9는 사각형 단면의 알루미늄 재질의 파이프루프를 아크릴 재질의 지하차도 모형 주변에 설치하였을 경우의 추가적인 실험과정을 나타내고 있다. 지하차도 모형과 파이프루프 모형을 설치한 후 파이프루프의 상판 덮개를 걷어낸 후 파이프루프와 지하차도 사이에 응력이 잘 전달될 수 있도록 빈공간이 생기지 않게 표준사를 충분히 채워놓은 후 상판덮개를 닫고 표준사를 해당높이까지 채워넣었다.
Fig. 10은 아치형 지하차도 단면에 알루미늄 재질의 파이프루프를 지하차도 주변에 설치한 후의 모습을 나타내고 있다. 이후 파이프루프 모형상부의 원형 천공홀을 통해 파이프루프와 지하차도 사이에 빈 공간이 생기지 않도록 표준사를 채워 넣었다.
3. 실험 결과
3.1 직사각형 단면의 경우
지하차도 상부 및 측벽에 설치한 센서의 응력 계측결과 파이프루프를 지하차도 주위에 설치하였을 경우 예상한대로 지하차도 상부에 작용하는 응력이 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 11~12). 특히 단면두께가 t = 1 mm에서 t = 3 mm로 증가할 경우, 즉, 파이프루프의 강성이 증가할 경우, 파이프루프의 지보효과에 의해 지하차도 상부에 작용하는 응력이 상당히 감소하는 것으로 나타났다.
지하차도 상부에 작용하는 응력은 Fig. 11에 나타난 바와 같이 상재하중이 재하되면서 지하차도 중앙부에 처짐이 보다 크게 발생하기 때문에 Flexi-Force ①번 센서의 응력이 작은 것으로 나타났다. 반면, 모서리 부분으로 갈수록 측벽에 의해 하중이 지지되는 현상이 생기면서 Flexi-Force ③번 센서의 응력이 상부에서는 가장 크게 작용하는 것으로 나타났다. 한편 파이프루프가 존재하거나 두께가 증가하면서 센서에 작용하는 응력도 전체적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 두께가 3 mm로 증가하면서 Flexi-Force ③번의 응력이 작게 나타나는 것으로 보아 하중분담을 파이프루프가 충분히 분담하는 것으로 판단된다.
지하차도 모형 측벽에 작용하는 수평토압(Flexi-Force ④~⑥)은 Fig. 12에 나타난 바와 같이 지하차도 상부에 작용하는 응력(Flexi-Force ①~③)보다는 작게 작용하며, 모서리 부분에 위치한 Flexi-Force ④번 센서에서 횡방향으로 지지해주는 지하차도 상판에 의해 대체적으로 횡방향 토압이 크게 작용하는 경향이 나타났다.
Fig. 13은 파이프루프 바깥쪽 토조 바닥에 설치된 Flexi-Force 센서에 의한 토압으로 파이프루프 보강 여부와는 상관없이 그 값에는 큰 변동이 없는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 14의 FSP-2를 이용한 응력(10~20 kPa)과 비슷한 결과를 나타내고 있어 일관성을 나타내고 있는 것으로 검증되었다. 지하차도 외부에 부착되어 있는 FSP-2 센서의 경우 지하차도와 근접해 있는 센서순으로 파이프루프 유무와 관계없이 토압이 크게 작용하고 있다.
Fig. 15는 지하차도 모형 하부에 설치한 변형률 계측결과를 나타내고 있다. 그 결과 지하차도 상판 하부는 휨에 의해 인장이 발생하고 측벽 내부에는 t=3 mm인 파이프루프로 보강한 경우를 제외하고는 수축이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 파이프루프를 설치하지 않은 경우보다도 설치하였을 경우 변형이 적게 발생하는 것으로 나타났다.
한편 예상한대로 지하차도 상부에서는 중앙에서 보다 큰 처짐으로 변형이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 11에 나타난 바와 같이 지하차도 상부 중앙에 설치한 Flexi-Force ①번 센서의 응력이 작게 나타날 수 밖에 없음을 증명하고 있다.
3.2 아치형 단면의 경우
Fig. 16~18에 나타난 바와 같이 Flexi-Force 센서의 응력 계측결과 대체적으로 파이프루프로 지하차도 주위를 보강하였을 경우 응력감소효과가 사각형 단면과 비슷하게 나타났다. 특히 파이프루프의 강성이 증가할 경우, ①번 센서를 제외하고는 파이프루프의 지보에 의한 응력감소가 있는 것으로 나타났다. Fig. 16에 나타난 바와 같이 ①번 센서의 경우 응력감소 효과가 나타나지 않는 이유는 ①번 센서가 표준사를 채워놓기 위해 뚫어 놓은 원형구멍아래 위치에 놓여 있어 응력이 집중된 것으로 판단된다.
중앙부에서 약간 떨어진 곳에 위치한 센서(Flexi- Force ④~⑥)는 아크릴 상부에 작용하는 응력(Flexi- Force ①~③)보다는 약간 작게 작용하고, 파이프루프의 강성이 증가할 경우 응력이 감소하는 경향이 나타났다(Fig. 17).
Fig. 18은 파이프루프 바깥쪽 토조 바닥에 설치된 Flexi-Force 센서에서 측정된 응력으로 사각형 단면의 경우보다 더 크게 측정되었는데 이는 상재하중에 의해 아치형 단면에 의해 하중 전이현상이 토조 바닥으로 전이 되어 더 크게 나타났으며 모형에서 멀어질수록 작아지는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 FSP-2 센서를 이용한 결과(Fig. 19)에도 파이프루프를 사용한 두 경우에 비슷하게 나타나는 경향을 보였다.
Fig. 20에 나타난 바와 같이 아치형의 경우 변형률 계측결과 모든 경우에 대해 하중이 증가할수록 아크릴 상판 중앙 하부(①번 센서)는 상재하중에 의해 인장이 발생하고 이외에는 측벽(②번과 ③번)에는 압축이 발생하는 것으로 나타났다. 사각형 단면과는 달리 파이프루프의 유무와 두께에 상관없이 비슷한 값을 보이고 있는 이유는 사각형 단면의 경우에는 상재하중에 의한 분담을 수직측벽이 부담하지만 아치형 단면의 경우에는 상재하중이 아치형 단면을 따라 하중이 분배되기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결론 및 제언
본 연구에서는 파이프루프 비개착공법이 적용된 지하차도에서 일체화된 파이프루프의 지보효과를 정성적으로 파악하기 위하여 실내모형실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.사각형 지하차도 단면의 경우 지하차도 주변에 작용하는 응력과 변형률은 파이프루프에 의해 지보강성이 증가되면서 대체적으로 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 알루미늄 파이프루프 단면 두께를 1 mm에서 3 mm로 늘린 경우, 즉, 파이프루프의 강성이 증대되면 이의 현상은 두드러지는 것으로 나타났다. 이에 파이프루프의 지보강성이 발휘되는 경우 실제 단면설계시 지하차도 설계하중을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
2.사각형 지하차도 단면의 경우 지하차도 상부 중앙보다는 상부 외곽의 응력이, 측벽 하부보다는 측벽 상부의 응력이 크게 작용하는 것으로 나타났다. 이는 상재하중 재하로 인해 중앙부에 처짐이 크게 발생하면서 주변으로 하중을 전이시키는 국부적인 아칭현상이 발생한 것으로 판단된다.
3.아치형 단면의 경우 지하차도 주변에 작용하는 응력은 파이프루프에 의해 지보강성이 증가되면서 대체적으로 감소하는 것으로 나타났지만 지하차도의 변형은 파이프루프 유무와 두께에 상관없이 비슷한 값을 나타내었다. 이는 아치형 단면 형상을 따라 토조 바닥까지 하중이 전이되는 현상이 나타나면서 모델 외곽에 설치된 센서에 어느 정도 영향을 끼치고 있는 것으로 나타났다.
4.파이프루프의 유무와 강성에 의한 영향을 정성적으로 분석하기 위해서는 수치해석을 통한 비교 분석이 향후 필요할 것으로 판단된다.
