※ 총 13문제 중 10문제를 선택하여 설명하시오. (각10점) 1. 붕괴포텐셜(Collapse Potential)
1. 정의: 붕괴포텐셜은 흙이 물에 포화되었을 때 외부 하중의 증가 없이도 체적이 급격히 감소하는 현상을 나타내는 지표입니다.
2. 주요 특징: - 주로 풍적토인 레스(loess)와 화산재 퇴적토에서 나타납니다. - 물 포화 시 흙의 구조가 붕괴되어 체적이 크게 감소합니다.
3. 관련 토양: - 붕괴성 흙(Collapsible soil) - 황토 - 풍적토
4. 중요성: - 지반공학에서 중요한 고려사항으로, 건설 및 토목 공사에서 지반의 안정성을 평가하는 데 사용됩니다.
5. 측정: - 붕괴포텐셜은 실험실 테스트를 통해 측정되며, 주로 오도미터 시험을 통해 평가됩니다.
붕괴포텐셜은 지반의 안정성을 평가하고 예측하는 데 중요한 지표로, 특히 건조한 지역의 건설 프로젝트에서 중요하게 고려됩니다.
2. 배수터널과 비배수터널
배수터널과 비배수터널의 주요 특징은 다음과 같습니다:
□ 배수터널 - 터널 내로 유입되는 지하수를 적극적으로 유도하여 집수정을 통해 배수시키는 방식 - 라이닝 구조에 수압이 작용하지 않아 건설비용이 상대적으로 저렴함 - 지속적인 배수로 인한 유지관리 비용이 발생 - 배수 계통의 기능이 저하되면 라이닝에 수압이 작용하여 불안정해질 수 있음
□ 비배수터널 - 터널 내부로 지하수가 들어오는 것을 차단하는 방식 - 주변 지하수위 저하에 따른 문제를 예방하기 위해 적용 - 라이닝 구조에 수압이 작용하므로 구조물 크기가 커져 초기 건설비용이 높음 - 배수 계통의 유지비가 거의 들지 않고 터널 내부가 청결함 - 완전한 방수 달성이 어렵고, 누수 발생 시 보수가 매우 어려움
□ 적용 조건 - 배수터널: 지하수위가 높고 작용 수압이 큰 경우, 주변에 영향을 받을 구조물이 없을 때 적용 - 비배수터널: 지질 조건이 불량한 경우, 환경적 측면이 강조되는 경우, 주변 구조물 손상이 예상될 때 적용
이러한 특징을 고려하여 현장 조건에 맞는 터널 방식을 선택해야 합니다.
3. 루전시험(Lugeon Test)
루전시험(Lugeon Test)은 암반의 투수성을 평가하기 위해 사용되는 현장 투수시험 방법입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:
1. 목적: 구열성 지반의 투수성 평가 및 그라우팅 필요성 판단
2. 방법: - 시추공 내 일정 구간에 압력수를 주입 - 주수량과 수압의 관계를 이용해 투수계수 산출 - 단일 또는 이중 패커를 사용하여 시험 구간 차단
3. 루전 단위(Lu): - 1 Lu = 10 bars 압력에서 시험구간 1m당 1L/min의 주수량 - 일반적으로 1 Lu ≈ 10^-7 m/sec의 투수계수와 근사
4. 시험 압력: - 일반적으로 5단계(낮은압력 → 중간압력 → 최고압력 → 중간압력 → 낮은압력) - 최대 10 bars까지 적용 가능, 단 암반 파쇄 방지 필요
5. 적용: - 댐 건설 등 대규모 토목공사의 지반 조사 - 그라우팅 시공 전후 효과 확인
6. 장점: - 시험이 간편하고 실용적 - 다공질 매체와 균열 암반 모두에 적용 가능
7. 주의사항: - 정확한 시간, 압력, 주수량 측정 필요 - 파커의 누수 방지 및 적절한 장비 선택 중요
루전시험은 암반의 투수성을 정량적으로 평가하여 지반의 특성을 이해하고 적절한 보강 대책을 수립하는 데 중요한 역할을 합니다
4. 흙의 다짐시험(Compaction Test)
흙의 다짐시험(Compaction Test)은 다음과 같은 특징을 가집니다:
□ 목적 - 흙의 함수비와 건조 단위 무게의 관계를 알아내고 다짐곡선을 그려 최적 함수비 및 최대 건조 밀도를 결정
□ 방법 1. 내경 100mm, 높이 127.3mm(부피 1,000cm3)의 몰드에 흙을 3층으로 나누어 넣음 2. 각 층마다 2.5kg의 래머를 30cm 높이에서 25회 낙하시켜 다짐 3. 다져진 흙의 무게와 부피를 측정하여 전체 단위중량 계산 4. 다져진 흙의 함수비를 측정하고 건조 단위중량 계산 5. 함수비를 4~5차례 바꾸어가며 시험 반복
□ 다짐곡선 특징 - 가로축은 함수비(%), 세로축은 건조밀도(Rd) - 최대 건조 밀도(Wopt): 다짐 곡선의 정점을 나타내는 밀도 - 최적 함수비(OMC, Wopt): 최대건조밀도일 때의 함수비
□ 다짐의 목적 및 효과 - 흙의 강도 증가, 압축성 감소, 투수성 감소 - 전단강도 증가, 침하량 감소, 지반의 지지력 증가
□ 현장 적용 - 다짐도: 최대 건조 밀도에 대한 시공시 현장 밀도의 비 - 일반적으로 90~95% 이상의 상대 다짐이 요구됨 - 어스 댐: 95% 이상, CBR이나 도로: 90% 이상
이러한 다짐시험을 통해 흙의 최적 함수비와 최대 건조 밀도를 결정하여 현장에서 효과적인 다짐 작업을 수행할 수 있습니다.
5. 압밀계수 결정방법
압밀계수(Cv)를 결정하는 주요 방법은 다음과 같습니다:
1. √t 방법 - 시간-압축량 곡선에서 90% 압밀도(U=90%)에 해당하는 시간 t90을 구함 - Cv = (H^2 * T90) / t90 식을 이용해 계산 - T90은 0.848의 값을 가짐
2. log t 방법 - 시간-압축량 곡선에서 50% 압밀도(U=50%)에 해당하는 시간 t50을 구함 - Cv = (0.196 * H^2) / t50 식을 이용해 계산
주요 특징: - log t 방법의 Cv 값이 √t 방법보다 작고 실제에 더 부합함(정규압밀점토의 경우) - Cv 값은 정규압밀점토 구간에서는 거의 일정하고, 과압밀점토 구간에서는 변화가 큼 - 시료의 교란이 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 주의가 필요함
압밀계수 결정 시 고려사항: - 액성한계(LL)가 증가할수록 Cv는 일반적으로 감소함 - 시료의 두께가 얇을수록 Cv 값이 작아짐 - 2차 압축의 영향으로 Cv 측정이 어려울 수 있음
6. 얕은기초의 안정성 평가항목
얕은기초의 안정성 평가항목은 『KDS 11 50 05』 설계기준에 따라 다음과 같이 정리됩니다:
□ 얕은기초의 안정성 평가항목
1. 지반의 전단파괴 안정성 - 기초지반이 전단파괴에 대해 충분히 안전한지 검토. - 기초의 폭, 근입깊이, 지반의 전단강도, 하중의 경사 및 편심, 지하수위 등을 고려하여 극한지지력을 산정하고 안전율을 적용.
2. 침하 및 부등침하 안정성 - 과도한 침하나 부등침하로 인해 구조물이 손상되지 않도록 검토. - 응력전이, 불균질한 지반상태, 불규칙한 기초형상, 부적절한 근입깊이 등으로 인한 침하 영향을 평가.
3. 전도 안정성 - 구조물에 작용하는 하중이 기초를 넘어 전도되지 않도록 안정성을 확보. - 기초와 구조물의 무게 중심 위치와 하중의 경사를 고려.
4. 활동 안정성 - 기초가 수평 방향으로 미끄러지거나 이동하지 않도록 활동 저항력을 검토. - 수평하중과 수동토압, 마찰저항 등을 고려.
5. 비탈면 파괴 안정성 - 기초 주변 비탈면의 전체적인 안정성을 평가하여 비탈면 파괴를 방지. - 지반의 경사와 강도, 하중 조건 등을 검토.
6. 기초 본체의 안정성 - 기초 자체가 구조적으로 안전한지 확인. - 재료 강도와 설계 하중을 고려하여 구조적 안전성을 평가.
□ 추가 고려사항
- 허용지지력 산정: - 허용지지력은 극한지지력을 적정 안전율로 나눈 값과 허용 변위량으로부터 결정된 값 중 작은 값을 적용. - 지하수위 영향: - 지하수위 변화로 인한 지반 강도 저하를 고려하여 설계. - 환경적 요인: - 연안, 하천 등에서 기후변화로 인한 지하수위 변동 및 반복하중에 의한 잔류변위를 검토.
얕은기초는 위 항목들을 종합적으로 검토하여 설계 기준을 만족해야 하며, 이를 통해 구조물의 안정성과 사용성을 확보할 수 있습니다.
평사투영법(Stereographic Projection Method)은 암반의 불연속면과 사면의 기하학적 관계를 분석하여 안정성을 평가하는 방법으로, 암반사면의 설계와 해석에 널리 사용됩니다. 주요 내용은 다음과 같습니다:
□ 개념 및 원리 - 정의: 평사투영법은 3차원 공간에 존재하는 불연속면(예: 절리, 단층, 층리 등)을 2차원 평면에 투영하여 분석하는 기법입니다. - 투영 방식: 구형 투영망(Stereonet)을 사용하여 불연속면의 주향과 경사를 점(극점)이나 선(대원)으로 표현합니다. 이를 통해 암반 내 불연속면과 사면의 상호작용을 시각적으로 파악할 수 있습니다
□ 활용 목적 1. 암반사면 안정성 평가: - 불연속면과 사면의 상대적 방향성을 분석하여 파괴 가능성을 판단합니다. - 평면파괴, 쐐기파괴, 전도파괴 등 다양한 파괴 형태를 예측합니다 2. 파괴 조건 확인: - 불연속면이 사면 외부로 노출되는지(Daylight Zone) 여부 확인. - 마찰각(Friction Cone) 내외에서의 위치를 통해 전단강도와 안정성 평가 3. 설계 및 보강 대책 수립: - 사면 설계 단계에서 불안정 요소를 제거하거나 보강 방안을 마련.
□ 분석 방법 1. 데이터 수집: - 현장에서 측정한 불연속면의 주향과 경사를 기반으로 투영망에 입력. 2. 평사투영망 사용: - 대원(Great Circle): 불연속면 자체를 나타냄. - 극점(Pole): 불연속면의 법선 방향을 점으로 표시. 3. 파괴 가능성 평가: - 사면 방향과 불연속면이 교차하는 영역(Daylight Zone)을 확인하여 파괴 가능성을 판단. - 마찰각(Friction Cone)을 고려해 전단강도 조건 만족 여부 분석
□ 장점 - 신속하고 간단하게 암반사면의 안정성을 평가할 수 있음. - 3차원 공간 정보를 2차원으로 단순화하여 시각적이고 직관적인 해석 가능
□ 한계 및 주의사항 1. 현장 조건 고려 부족: - 지하수 침투나 절리의 연장성 등 실제 현장 조건을 충분히 반영하지 못할 수 있음. 2. 마찰각 및 점착력 고려 필요: - 단순히 마찰각만 고려하면 실제 안정성 평가에서 오차가 발생할 수 있음. 3. 보조 해석 필요: - 평사투영법은 초기 평가 도구로 적합하며, 최종 설계 단계에서는 한계평형법이나 동역학적 해석 등의 추가 검토가 필요
□ 적용 사례 - 댐 건설, 터널 굴착, 채석장 설계 등에서 암반사면 안정성 평가에 활용. - Hoek & Bray(1981)가 제안한 대원 투영법과 Richards et al.(1978)이 제시한 극점 투영법이 대표적으로 사용됩니다
평사투영법은 암반 구조물 설계와 안전성 평가에서 필수적인 도구로, 초기 단계에서 기하학적 관계를 신속하게 파악하고 잠재적 파괴 위험을 예측하는 데 유용합니다.
8. 댐체나 제방 축조 시 사용되는 필터재료의 기준
댐체나 제방 축조 시 사용되는 필터재료의 기준은 다음과 같습니다:
1. 입도 분포: 필터재료의 입도곡선은 보호되는 재료의 입도곡선과 거의 평행해야 합니다. 이는 필터가 효과적으로 기능하기 위해 중요합니다.
3. 입자 크기: 필터재료의 입자 크기는 보호되는 재료의 입자 크기와 적절한 관계를 가져야 합니다. 일반적으로 균등계수(Cu)가 10 이상이어야 합니다 4. 파이핑 방지: 필터재료는 파이핑에 의한 침투파괴를 방지할 수 있는 사력재료를 사용해야 합니다.
5. 두께: 필터의 두께는 시공조건과 지진에 대한 안전성을 고려하여 여유있게 설계해야 합니다.
6. 강도: 필터재료는 다짐 후 소요의 전단강도를 가져야 합니다.
7. 내구성: 필터재료는 화학적 작용에 의한 유해물질이 나오지 않아야 하며, 기상작용에 대한 내구성이 커야 합니다.
8. 최대 입경: 암석을 사용할 경우, 최대 입경은 20~30cm로 제한됩니다.
이러한 기준들을 만족시키는 필터재료를 사용함으로써, 댐체나 제방의 안정성을 확보하고 침투수를 효과적으로 제어할 수 있습니다.
9. 터널 하중분담률
터널 하중분담률은 3차원적인 터널 굴착 효과를 2차원 해석에서 모사하기 위해 도입된 개념입니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:
1. 목적: 3차원 터널 굴착 효과를 2차원 해석에서 모사 2. 원리: 터널 막장면의 위치, 지보재의 강성 및 설치 시기에 따른 3차원적 거동을 2차원으로 단순화
3. 단계별 적용: - 굴착 단계 (α) - 연성 숏크리트 설치 단계 (β) - 강성 숏크리트 설치 단계 (γ)
4. 산정 방법: - 이론식 사용 (예: 장석부, 문현구의 1998년 연구) - 3차원 수치해석 결과 활용 - 기존 설계 사례 참조
5. 영향 요소: - 터널 크기 (D) - 굴진장 (L) - 숏크리트 두께 (T) - 지반의 탄성계수 (E) 6. 일반적인 하중분담률 예시: - 굴착: 30-40% - 연성 숏크리트: 20-30% - 강성 숏크리트: 40-50%
7. 주의사항: - 지반 조건, 터널 크기, 시공 방법 등에 따라 적절한 하중분담률 선정 필요 - 과도한 단순화는 부정확한 결과를 초래할 수 있음
하중분담률의 정확한 산정은 터널 설계의 안정성과 경제성에 큰 영향을 미치므로, 현장 조건과 경험을 고려한 신중한 접근이 필요합니다.
10. 보강토 옹벽의 보강재에 의한 강도 증가 원리
보강토 옹벽의 보강재에 의한 강도 증가 원리는 흙과 보강재 간의 상호작용을 통해 흙의 전단강도를 증가시키고 안정성을 높이는 데 있습니다. 주요 원리는 다음과 같습니다:
□ 보강토 옹벽의 강도 증가 원리
1. 마찰력에 의한 수평응력 감소 - 보강재(예: 지오그리드)가 흙과 접촉하면서 마찰력을 형성합니다. - 이 마찰력은 흙이 수평 방향으로 변형하려는 힘을 흡수하여 수평응력을 감소시킵니다. - 결과적으로 흙의 내부마찰각이 증가하여 전단강도가 향상됩니다
2. 인장력에 의한 안정성 확보 - 보강재는 인장력을 견디는 강한 재료로, 흙이 전단파괴를 일으키려는 힘을 저항합니다. - 흙과 보강재가 일체화되면, 보강재의 인장력이 흙의 변형을 제한하여 구조물의 안정성을 높입니다
3. 겉보기 점착력 생성 - 보강재와 흙 입자 간의 상호작용으로 인해 겉보기 점착력이 발생합니다. - 이는 흙 자체의 점착력 외에 추가적인 저항력을 제공하여 강도를 증가시키는 효과를 냅니다
4. 흙의 변형 억제 - 보강재는 흙이 외부 하중에 의해 과도하게 변형되는 것을 방지합니다. - 특히, 지오그리드와 같은 재료는 흙 입자 사이에서 미끄러짐을 억제하여 구조적 안정성을 유지합니다
5. 수직 및 수평 하중 분산 - 보강재는 상부 하중을 넓은 면적으로 분산시켜 국부적인 응력을 감소시킵니다. - 이를 통해 기초 지반이나 옹벽 전체에 걸리는 하중이 균등하게 분포되어 안정성이 향상됩니다
□ 적용 사례 및 주요 구성 요소
1. 보강재 종류 - 지오그리드(Geogrid): 인장 강도가 높고, 마찰력을 효과적으로 형성. - 지오텍스타일(Geotextile): 투수성과 인장 강도를 제공. - 메탈 스트립(Metal Strip): 금속 재질로 높은 강도와 내구성.
2. 설치 방식 - 보강재는 일정 간격으로 층층이 배치되며, 각 층은 충분히 다짐된 뒷채움 흙과 결합됩니다. - 다짐 작업은 필수적으로 수행되어야 하며, 이를 통해 보강재와 흙 사이의 마찰력을 극대화합니다
□ 요약 보강토 옹벽에서 보강재는 흙과 상호작용하여 마찰력, 인장력, 겉보기 점착력을 통해 강도를 증가시키고 구조물을 안정화합니다. 이러한 원리를 기반으로 설계 및 시공 시 적절한 다짐과 자재 선택이 필수적이며, 이를 통해 장기적인 안정성을 확보할 수 있습니다.
11. 흙막이 벽체 가상지지점
흙막이 벽체의 가상지지점(Fictitious Support Point)은 흙막이 벽체 설계에서 중요한 개념으로, 벽체의 근입부(Embedded Depth)에서 변위가 0이 되는 가상의 위치를 의미합니다. 이는 흙막이 벽체의 안정성과 설계 하중을 평가하는 데 사용됩니다. 주요 내용은 다음과 같습니다:
□ 개념 및 정의 - 가상지지점은 흙막이 벽체의 근입부 아래에서 배면 토압과 수동토압이 평형을 이루어 변위가 발생하지 않는 지점을 가정한 것입니다. - 이 지점은 실제로 존재하지 않지만, 흙막이 벽체의 설계와 해석에서 벽체의 안정성을 평가하기 위해 사용됩니다.
□ 역할 및 목적 1. 안정성 평가: - 흙막이 벽체가 굴착 시 안정성을 유지하도록 필요한 최소 근입깊이를 결정. 2. 토압 분포 분석: - 배면 토압과 수동토압의 합력을 계산하여 흙막이 벽체에 작용하는 하중을 평가. 3. 휨모멘트 및 전단력 산정: - 가상지지점을 기준으로 벽체에 작용하는 휨모멘트와 전단력을 계산하여 구조적 안전성을 확보.
□ 산정 방법 가상지지점의 위치는 다음 요소에 따라 결정됩니다: 1. 수동토압 합력 위치: - 근입부에서 발생하는 수동토압의 합력 중심을 기준으로 가상지지점을 설정합니다. 2. Lohmeyer 방법: - Lohmeyer가 제안한 경험적 공식을 사용하여 가상지지점의 위치를 추정. 3. 근입장 조건: - 굴착 깊이와 지반 조건에 따라 변위가 0이 되는 가상의 깊이를 설정.
□ 설계 적용 시 고려사항 1. 근입깊이(D): - 흙막이 벽체의 근입깊이는 가상지지점 아래로 충분히 확보되어야 하며, 일반적으로 수동토압 합력 위치보다 깊게 설정됩니다. 2. 벽체 강성(EI): - 흙막이 벽체의 휨강성이 높을수록 가상지지점 위치가 얕아질 수 있습니다. 3. 토질 특성: - 지반의 수평방향 지반반력계수($$k_h$$)와 단위중량($$\gamma$$) 등 토질 특성을 반영하여 정확한 위치를 산정해야 합니다.
□ 설계 및 해석 예시 1. 연속보 모델: - 흙막이 벽체를 연속보로 가정하고, 가상지지점을 추가적인 지점으로 설정하여 휨모멘트와 전단력을 계산합니다. 2. 굴착 단계별 해석: - 굴착 단계마다 가상지지점 위치를 재조정하여 단계별 토압 분포와 안정성을 평가합니다.
□ 한계 및 주의사항 1. 실제 조건과 차이: - 가상지지점은 이론적으로 설정된 위치로, 실제 현장 조건과 차이가 있을 수 있습니다. 2. 보수적 설계 필요: - 불확실성을 고려하여 보수적으로 근입깊이를 설정하고, 추가적인 안전율을 적용해야 합니다.
□ 요약 흙막이 벽체의 가상지지점은 배면 토압과 수동토압 간 평형 상태를 가정하여 변위가 0인 지점을 설정하는 개념입니다. 이를 통해 흙막이 벽체의 안정성을 평가하고, 휨모멘트 및 전단력을 산정하여 안전한 설계를 수행할 수 있습니다.
12. 지반공학적 암반분류법
□ 지반공학적 암반분류법
지반공학적 암반분류법은 암반의 특성을 정량적으로 평가하여 공학적 설계 및 시공에 필요한 정보를 제공하기 위해 개발된 체계입니다. 암반의 기계적, 물리적, 지질학적 특성을 고려하여 다양한 분류법이 사용됩니다. 주요 암반분류법은 다음과 같습니다:
1. Terzaghi의 암반하중 분류 (1946) - 개요: 터널 설계에서 철재 지보를 위한 암반하중 산정에 사용. - 특징: - 암반을 7가지 유형(양호암, 보통암, 불량암 등)으로 분류. - 각 유형에 따른 암반하중을 제시. - 한계: - 절리 방향성, 지하수 상태 등은 고려하지 않음.
2. RQD (Rock Quality Designation, 암질지수) - 제안자: Deere (1964) - 개념: - 코어 시추에서 10cm 이상 연속된 코어 길이의 합을 전체 코어 길이로 나눈 백분율로 계산. - 장점: - 간단하고 비용이 적게 들며, 현장에서 신속히 적용 가능. - 단점: - 절리 방향성, 밀착성, 충전물 등은 고려하지 않음. - RQD 기준:
3. RSR (Rock Structure Rating) - 제안자: Wickham 등 (1972) - 개념: - 암반구조(A), 굴진방향과 불연속면(B), 지하수 상태(C) 등 세 가지 평가항목을 종합하여 점수화. - 특징: - 최초의 정량적 암반분류법으로, 터널 설계와 TBM 굴착에 활용. - 한계: - 변수 간 상호작용을 충분히 반영하지 못함.
4. RMR (Rock Mass Rating) - 제안자: Bieniawski (1973) - 개념: - 무결암 강도, RQD, 절리간격, 절리상태, 지하수 상태, 절리 방향성 등 총 6가지 요소를 평가하여 점수를 합산. - RMR 등급 및 의미:
- 특징: - 터널 설계에서 ESR(Excavation Support Ratio)을 통해 지보 패턴 결정. - 장점: - 다양한 변수 고려로 정밀도가 높음. - 단점: - 변수 측정의 주관성이 개입될 가능성.
□ 비교 요약
□ 결론 지반공학적 암반분류법은 공사 목적과 현장 조건에 따라 적절히 선택되어야 합니다. 예를 들어, 터널 설계에서는 RMR과 Q-System이 널리 사용되며, 간단한 평가가 필요한 경우 RQD가 활용됩니다. 이러한 분류법들은 구조물 설계를 위한 신뢰할 수 있는 데이터를 제공하며, 안정성과 경제성을 동시에 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.
13. 터널의 편토압
□ 1. 편토압의 정의 - 편토압(偏土壓, Asymmetric Earth Pressure)은 터널 구조물에 작용하는 비대칭적인 토압을 의미합니다. - 이는 터널 주변 지반의 불균질성, 성토나 절토 등의 비대칭적인 하중 조건, 또는 사면 하부에 위치한 터널에서 발생할 수 있습니다. - 편토압은 터널의 안정성 및 구조적 설계에 중요한 영향을 미치며, 이를 적절히 고려하지 않으면 구조물의 변형이나 파괴를 초래할 수 있습니다.
□ 2. 편토압 발생 원인 1. 지반 불균질성: - 지반의 강도, 밀도, 투수성 등이 좌우로 다르게 분포되어 있을 때 발생. - 예: 한쪽은 연약 지반, 다른 쪽은 강한 암반일 경우.
2. 비대칭 하중 조건: - 터널 위에 성토가 비대칭적으로 이루어진 경우. - 절개지나 사면 하부를 통과하는 터널에서 사면 자중 효과로 인해 발생.
3. 지하수 조건: - 지하수위가 한쪽에서 더 높거나, 배수 조건이 불균형할 경우.
4. 굴착 과정에서의 비대칭 응력 재분배: - 굴착 시 지반 내 초기 응력이 재분배되면서 비대칭적인 응력 상태가 형성됨.
5. 사면 활동: - 사면이 활동하면서 터널 구조물에 비대칭적인 추가 하중이 작용.
□ 3. 편토압의 영향 1. 구조물 변형: - 터널 라이닝(내부 구조물)에 비대칭적인 변형이 발생. - 예: 한쪽 벽체가 더 크게 밀리거나 침하.
2. 응력 집중: - 편토압이 작용하는 방향으로 응력이 집중되어 라이닝의 파괴 위험 증가.
3. 터널 안정성 저하: - 편토압을 고려하지 않은 설계는 구조물의 안정성을 저하시킬 수 있음.
□ 4. 편토압 해석 방법 1. 수치해석(FEM): - 유한요소법(Finite Element Method)을 이용해 편토압을 정밀하게 분석. - 굴착 단계별로 발생하는 비대칭 응력 분포를 평가.
2. 경험적 방법: - 기존 사례와 경험을 바탕으로 편토압을 추정. - 예: 측압계수(K)를 이용하여 토압을 계산하고 비대칭성을 반영.
3. 모형 실험: - 축소 모형 실험을 통해 편토압 작용 양상을 관찰하고 설계에 반영.
□ 5. 설계 시 고려사항 1. 측압계수(K) 적용: - 지반 특성과 하중 조건에 따라 측압계수를 적절히 설정. - 일반적으로 $$ K_a $$ (주동토압), $$ K_p $$ (수동토압), $$ K_0 $$ (정지토압)를 활용.
2. 비대칭 하중 고려: - 성토, 절개지, 사면 등 비대칭적인 외부 하중 조건을 반영하여 설계.
3. 보강 대책 적용: - 편토압으로 인한 변형이나 파괴를 방지하기 위해 보강재(록볼트, 숏크리트 등)를 추가 설치.
4. 지하수 관리: - 배수 시스템을 통해 지하수로 인한 불균형 하중을 완화.
□ 6. 편토압 저감 대책 1. EPS 블록 성토: - 경량 성토재를 사용하여 터널 상부 하중 감소.
2. 지오그리드 및 지오멤브레인 설치: - 토사의 안정성을 높이고 편토압 영향을 완화.
3. 보강 철근 추가 설치: - 라이닝 단면 보강을 통해 편토압으로 인한 응력 집중 완화.
4. 배수 시스템 개선: - 지하수로 인한 비대칭 하중 제거를 위해 효과적인 배수 대책 수립.
□ 7. 결론 터널 설계에서 편토압은 구조물 안정성에 중요한 영향을 미치는 요소입니다. 이를 정확히 평가하고 적절한 대책을 마련함으로써 터널의 안전성과 내구성을 확보할 수 있습니다. 특히, 사면 아래나 불균질 지반에서 터널이 위치할 경우에는 정밀한 해석과 설계가 필수적입니다.
1. 차수 그라우팅의 특징 - 공법 개요: H-Pile 토류벽과 토류판을 설치한 후, 배면에 그라우팅(침투주입)을 실시하여 지하수 유입을 차단하고 지반의 안정성을 확보하는 공법입니다 - 적용성: - 투수성이 큰 모래층, 자갈층, 풍화대 등에서 효과적. - 지하수위가 높은 조건에서 별도의 차수시설이 필요하며, 지하수 유속이 심할 경우 추가적인 보강이 요구됩니다 - 특징: - 장점: 시공이 용이하고 소음 및 진동이 적으며, 다양한 지반 조건에 적용 가능 - 단점: 연약지반에서는 Heaving, Boiling 현상이 발생할 수 있으며, 장기적으로 토류판 부식이나 지하수 누출 문제가 생길 수 있음
2. 차수효과 확인 방법 차수효과는 그라우팅 후 지반 내 물의 흐름을 억제하는 성능을 확인하는 과정으로, 다음 방법들이 사용됩니다:
1. 현장 투수시험: - 그라우팅 전후에 현장 투수시험(Permeability Test)을 실시하여 투수계수를 비교합니다. - 투수계수가 현저히 감소하면 차수 효과가 입증됩니다
2. 지하수위 관측: - 지하수위 관측공을 설치하여 그라우팅 후 지하수위 변화(낙차)를 측정합니다. - 지하수위가 안정적으로 유지되거나 하강하면 차수가 효과적으로 이루어진 것으로 판단합니다
3. 주입량 및 주입압력 분석: - 주입된 그라우트 재료의 양과 압력을 분석하여 균일하게 주입되었는지 확인합니다. - 주입량이 적정 수준에 도달하고 압력이 일정하게 유지되었다면 차수가 성공적으로 이루어진 것으로 간주됩니다
4. 지반 변형 계측: - 경사계 또는 변위계를 통해 주변 지반의 변형 상태를 모니터링하여 침투 방지가 제대로 이루어졌는지 확인합니다
3. 주입압력 관리 방법 그라우팅의 성공 여부는 적절한 주입압력 관리에 크게 의존합니다. 다음은 주입압력 관리 방법입니다:
1. 최대 허용 압력 설정: - 주입압력은 심도와 지반 조건에 따라 설정되며, 일반적으로 3~5kg/cm² 범위에서 관리됩니다 - 최대 허용 압력을 초과하지 않도록 조절하여 주변 지반의 과도한 변형이나 균열을 방지합니다.
2. 압력 유지 및 단계적 증가: - 최대 허용 압력에 도달하면 동일한 압력을 유지하면서 주입율이 0.2ℓ/min 이하로 감소할 때까지 지속적으로 주입합니다. - 이후 농도를 낮춘 주입재(C/W = 1/10)를 사용하여 10분간 추가로 주입 후 종료합니다
3. 압력 강하 시 재주입: - 최종 단계에서 압력이 강하하면 초기 농도로 돌아가 다시 주입 과정을 반복하여 공극을 완전히 채웁니다
4. 역류 방지: - 그라우팅 종료 후에는 주입된 재료가 안정화될 때까지 압력을 유지하며 역류를 방지합니다
5. 모니터링 장치 활용: - 압력계와 유량계를 설치하여 실시간으로 주입압력과 유량을 모니터링하며 이상 여부를 즉각 확인합니다
요약 - 특징: H-Pile + 토류판 공법은 투수성이 큰 지반에서 차수를 위해 보조 그라우팅을 필수적으로 적용하며, 장기적인 안정성을 확보하기 위한 추가 대책이 필요합니다. - 차수효과 확인 방법: 현장 투수시험, 지하수위 관측, 주입량 분석, 지반 변형 계측 등을 통해 효과를 검증합니다. - 주입압력 관리 방법: 최대 허용 압력을 설정하고 단계적으로 증가시키며, 역류 방지를 위해 안정화될 때까지 압력을 유지합니다.
4. 사질토의 전단강도는 보통 전단저항각으로 표현하는데, 최대전단저항각, 한계상태 전단저항각, 잔류상태전단저항각을 각각 구분하여 정의하고, 그 활용방안에 대하여 설명하시오
사질토의 전단강도는 주로 전단저항각으로 표현되며, 이는 흙의 상태에 따라 최대 전단저항각, 한계상태 전단저항각, 잔류상태 전단저항각으로 구분됩니다. 각각의 정의와 활용방안은 아래와 같습니다.
1. 최대 전단저항각
정의 - 최대 전단저항각은 흙이 전단시험에서 처음으로 최대 전단강도에 도달할 때의 내부마찰각입니다. - 이는 흙 입자 간의 상호작용(거칠기, 맞물림 등)에 의해 발생하는 전단저항력이 최대가 되는 상태를 나타냅니다.
특징 - 느슨한 사질토에서는 입자 간 맞물림과 팽창현상으로 인해 큰 값을 가집니다. - 조밀한 사질토에서는 입자의 팽창(dilatancy) 효과가 강하게 작용하여 높은 전단강도를 나타냅니다.
활용방안 - 구조물 설계 시 초기 안정성을 평가하는 데 사용됩니다. - 특히, 단기적 하중 조건에서 흙의 최대 강도를 고려해야 하는 경우 유용합니다(예: 단기적인 비탈면 안정성 분석).
2. 한계상태 전단저항각
정의 - 한계상태 전단저항각은 흙이 전단변형을 계속하더라도 더 이상 강도가 감소하지 않고 일정하게 유지되는 상태에서의 내부마찰각입니다. - 이는 흙 입자 간의 상대적인 움직임이 안정화되어 더 이상 구조적 변형이 발생하지 않는 상태를 의미합니다.
특징 - 흙의 조밀도나 팽창/수축 특성과 무관하게 일정한 값을 가집니다. - 사질토에서는 주로 입자 간 마찰로 인해 형성됩니다.
활용방안 - 장기적인 안정성 평가에 사용됩니다. - 예를 들어, 지반 침하 또는 구조물 기초 설계 시 장기적인 거동을 예측하는 데 활용됩니다. - 액상화 평가에서도 중요한 변수로 사용됩니다.
3. 잔류상태 전단저항각
정의 - 잔류상태 전단저항각은 흙이 충분히 큰 변형을 겪은 후, 입자 간 맞물림이 완전히 제거된 상태에서 나타나는 최소의 내부마찰각입니다. - 이는 주로 흙 입자가 평행하게 배열된 상태에서 발생합니다.
특징 - 사질토보다는 점성토에서 더 두드러지게 나타나지만, 사질토에서도 반복적인 전단변형 후 잔류강도가 관찰될 수 있습니다. - 값이 가장 낮으며, 흙 입자의 마찰력만으로 결정됩니다.
활용방안 - 대규모 변형이 예상되는 경우(예: 활동성 단층, 대규모 토사 붕괴 등)의 안정성 평가에 사용됩니다. - 특히, 과거에 변형을 겪었던 지반이나 반복하중이 작용하는 지반에서 중요합니다.
요약 비교
추가 참고 이 세 가지 각도는 모두 Mohr-Coulomb 파괴 기준에서 중요한 변수로 작용하며, 설계와 해석 시 상황에 따라 적절히 선택하여 사용해야 합니다.
5. 터널 라이닝설계를 위한 이완하중의 산정방법에 대하여 설명하시오.
6. 아래의 그림과 같이 강널말뚝을 차수벽으로 시공하고자 한다. 제시한 유선망도를 참조하여 아래의 항목에 대하여 설명하시오. (단, 퇴적층의 투수계수(K)는 10 -4 cm/sec, 포화단위중량( )은 17 kN/m 3 , 물의 단위 중량( )은 9.81 kN/m 3 이다. 기준면은 하류측 수면으로 하고, 계산결과는 소수점 셋째 자리에서 반올림하시오.) 1) 침투유량(m 3 /sec/m)을 구하시오. 2) A점, B점의 간극수압(kN/m 2 )을 구하시오. 3) 지반융기(Heaving)에 대한 안정성을 검토하고, 불안정한 경우 보강대책을 제시하시오. (단, AB, CD의 길이는 Terzaghi가 제안한 방법으로 구한다.)
※ 총 6문제 중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각25점) 1. 쉴드(Shield) TBM을 이용한 터널 굴착 시 지반 침하의 원인, 방지대책 및 기존 시설물 보호대책에 대하여 설명하시오.
쉴드(Shield) TBM을 이용한 터널 굴착 시 지반 침하의 주요 원인, 방지대책 및 기존 시설물 보호대책은 다음과 같습니다:
지반 침하의 원인
1. 부적절한 막장압 관리: - 막장압이 부족하면 막장의 안정성이 저하되어 지반 침하가 발생할 수 있습니다
2. 테일 보이드의 변형: - 쉴드 TBM 굴진 후 발생하는 테일 보이드의 변형은 지반 침하의 주요 원인입니다
3. 지반조건과 장비 선정의 불일치: - 지반조건에 적합하지 않은 장비를 선정할 경우 지반 침하가 발생할 수 있습니다
4. 연약지반 통과: - 지지력이 부족한 연약한 점토층을 통과할 때 장비 침하로 인한 선형이탈이 발생할 수 있습니다
지반 침하 방지대책
1. 적절한 막장압 관리: - 지반조건에 맞는 적정 막장압을 유지하여 막장의 안정성을 확보합니다
2. 뒤채움 그라우팅 최적화: - 테일 보이드에 적절한 뒤채움 그라우팅을 실시하여 지반 변형을 최소화합니다
3. 지반조건에 적합한 장비 선정: - 지반조사를 통해 정확한 지반 특성을 파악하고, 이에 적합한 쉴드 TBM 장비를 선정합니다
4. 지반 보강: - 연약지반 구간에서는 그라우팅 등의 지반 보강 공법을 적용하여 지반 강도를 증가시킵니다
5. 굴진 속도 최적화: - 지반조건에 맞는 적정 굴진 속도를 유지하여 과도한 지반 변형을 방지합니다[2].
기존 시설물 보호대책
1. 정밀한 지반조사 실시: - 터널 노선 주변의 지반 및 기존 시설물에 대한 정밀한 조사를 실시하여 위험요인을 사전에 파악합니다
2. 계측 관리 강화: - 기존 시설물에 대한 지속적인 계측을 통해 변위를 모니터링하고, 이상 징후 발생 시 즉각적인 대응을 합니다.
3. 보조공법 적용: - 필요한 경우 기존 시설물 주변에 그라우팅, 마이크로파일 등의 보조공법을 적용하여 지반을 보강합니다
4. 시공 중 안전관리 강화: - 현장 근로자에 대한 안전교육을 강화하고, 시공 중 안전관리에 주의를 기울입니다
5. 비상 대응 계획 수립: - 예상치 못한 상황 발생 시 신속하게 대응할 수 있도록 비상 대응 계획을 사전에 수립합니다.
쉴드 TBM 터널 시공 시 이러한 원인, 방지대책 및 보호대책을 종합적으로 고려하여 안전하고 효율적인 시공이 이루어질 수 있도록 해야 합니다.
2. 지진에 의한 지하구조물의 진동특성과 내진설계 방법에 대하여 설명하시오.
지진에 의한 지하구조물의 진동특성과 내진설계 방법
1. 지하구조물의 진동특성 지하구조물은 지상구조물과는 다른 특성을 가지며, 지진 시 다음과 같은 진동특성을 보입니다:
1. 지반과의 상호작용: - 지하구조물은 주변 지반에 의해 둘러싸여 있어 지반의 변위와 변형에 따라 움직입니다. 이는 지상구조물에서 중요한 관성력보다 지반변위와 변형이 주요 설계 요소가 되는 이유입니다
2. 감쇠 효과: - 지중구조물은 지진파가 전달되면서 주변 지반과의 상호작용으로 인해 진동이 감쇠됩니다. 따라서, 지하구조물의 응답은 지상구조물보다 상대적으로 작습니다
3. 지진파 증폭 효과 감소: - 지상구조물은 고유 진동수와 일치하는 주파수에서 증폭 효과가 발생하지만, 지하구조물은 주변 지반과 함께 움직이기 때문에 이러한 증폭 효과가 상대적으로 적습니다
4. 주요 하중 요소: - 지하구조물에는 주로 지반의 변위와 전단 변형이 작용하며, 이는 구조물에 변형을 유발합니다. 특히, 구조물이 연약한 지반에 위치하거나 액상화 가능성이 있는 경우 더 큰 영향을 받을 수 있습니다
2. 내진설계 방법
지하구조물의 내진설계는 일반적으로 다음과 같은 방법을 사용하여 수행됩니다:
(1) 설계 개념 - 내진설계는 구조물이 주변 지반의 변위와 변형에 적응하도록 설계하며, 주요 목표는 구조물의 안정성과 기능 유지입니다. - 내진설계는 구조물의 중요도, 성능 목표, 그리고 해당 지역의 설계지진 계수를 고려하여 수행됩니다
(2) 주요 설계 방법
1. 응답변위법 (Seismic Deformation Method): - 주변 지반에서 발생하는 자유장 변위를 구조물에 적용하여 설계하는 방법입니다. - 절차: 1. 표층지반의 설계응답스펙트럼을 기반으로 최대 변위를 산정합니다. 2. 구조물을 프레임
3. 점성이 없는 흙의 전단강도 특성과 전단강도에 영향을 미치는 요소에 대하여 설명하시오.
점성이 없는 흙(주로 사질토)의 전단강도 특성과 이에 영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다:
전단강도 특성
1. 마찰저항: 점성이 없는 흙의 전단강도는 주로 입자 간 마찰에 의해 발생합니다
2. 엇물림 효과: 입자들의 맞물림(interlocking)으로 인한 구조적 저항도 전단강도에 기여합니다
3. Mohr-Coulomb 파괴기준: 점착력(c)이 0이므로, 전단강도는 τ = σ' tanφ로 표현됩니다. 여기서 σ'는 유효수직응력, φ는 내부마찰각입니다 4. 응력-변형 특성: 조밀한 모래의 경우, 전단 초기에 약간 수축했다가 이후 팽창하는 거동을 보입니다 전단강도에 영향을 미치는 요소
1. 상대밀도: 조밀할수록 전단강도가 증가합니다. 조밀한 모래는 전단 시 뚜렷한 피크점을 보이지만, 느슨한 모래는 그렇지 않습니다
2. 입도 및 입자 형상: 입도가 양호하고 입자가 각진 모래일수록 전단강도가 증가합니다
3. 유효응력: 유효수직응력이 증가할수록 전단강도도 증가합니다
4. 간극비: 간극비가 작을수록 전단강도가 증가합니다
5. 배수조건: 사질토는 투수성이 높아 비배수 조건에서도 빠르게 배수되어 유효응력 개념으로 해석할 수 있습니다
6. 입자 크기: 입경이 클수록 회전마찰의 영향을 받아 전단강도가 달라질 수 있습니다
7. 포화도: 포화된 사질토 지반은 지진과 같은 급격한 하중 조건에서 액상화 현상이 발생할 수 있어 전단강도가 급격히 감소할 수 있습니다
이러한 특성들을 고려하여 점성이 없는 흙의 전단강도를 정확히 평가하고, 이를 바탕으로 적절한 지반공학적 설계와 해석을 수행해야 합니다.
4. 석회암 공동이 분포되어 있는 지역에 교량을 설치하려고 한다. 기초 보강 시 말뚝개념과 그라우팅 개념으로 나누어 설명하시오.
1. 말뚝 개념을 이용한 보강
특징 - 말뚝은 교량의 하중을 안정적인 지반으로 전달하기 위한 구조물로, 석회암 공동 지역에서는 말뚝이 공동을 관통하거나 안정한 암반층까지 도달하도록 설계됩니다. - 석회암 지역에서는 공동의 크기와 분포가 불규칙하므로, 말뚝의 설계와 시공이 어려울 수 있습니다.
적용 공법 1. PRD 공법 (Pneumatic Rotary Drilling): - 석회암 내 불규칙한 공동을 관통하기 위해 사용되며, 강관 말뚝이나 현장타설 말뚝에 적합합니다. - 강관 말뚝은 암반층에 직접 고정되므로 안정성이 높습니다.
2. 현장타설말뚝: - 공동을 채우거나 보강한 후, 현장타설말뚝을 시공하여 안정성을 확보합니다. - 공동 내부에 콘크리트를 채워 말뚝의 지지력을 확보합니다.
3. 마찰말뚝: - 석회암 공동에서는 주면 마찰력이 저하될 가능성이 있으므로, 마찰말뚝보다는 지지말뚝(End-Bearing Pile)을 사용하는 것이 일반적입니다.
주의사항 - 공동의 크기와 위치를 정확히 파악하기 위해 정밀한 지반조사가 필요합니다(시추조사, 물리탐사 등). - 시공 후 동재하시험(PDA Test)을 통해 말뚝의 지지력을 확인해야 합니다.
2. 그라우팅 개념을 이용한 보강
특징 - 그라우팅은 석회암 공동 내부에 주입재를 채워 지반의 강도를 증가시키고, 침하를 방지하는 공법입니다. - 석회암 공동 특성상 불규칙한 빈 공간과 균열이 많아, 주입재가 효과적으로 확산되도록 설계해야 합니다.
적용 공법 1. 저압 그라우팅 (Low-Pressure Grouting): - 비교적 작은 공동이나 균열에 사용되며, 저압으로 주입하여 주변 지반을 교란하지 않습니다. - 주로 시멘트 밀크나 화학 약액을 사용합니다.
2. 고압분사 그라우팅 (Jet Grouting): - 고압으로 주입재를 분사하여 석회암 내부의 점토 협재물 등을 제거하고, 시멘트 밀크로 치환하여 고결체를 형성합니다. - 대규모 공동이나 연약대 보강에 적합하며, 지지력 증대와 차수 효과를 동시에 기대할 수 있습니다.
3. 침투 그라우팅 (Permeation Grouting): - 석회암의 미세 균열이나 작은 공동 내부로 주입재가 침투하도록 설계합니다. - 물유리(Sodium Silicate) 계열 주입재를 사용하여 빠른 경화와 차수 효과를 제공합니다.
4. 다짐 그라우팅 (Compaction Grouting): - 큰 공동이나 연결된 빈 공간에 사용되며, 고점도의 혼합물을 저속으로 주입하여 주변 지반을 압축하고 안정성을 확보합니다.
주의사항 - 주입압력은 지반 조건과 공동 크기에 따라 조절해야 하며, 과도한 압력은 추가적인 공동 형성을 유발할 수 있습니다. - 보강 후에는 텔레뷰어 탐사나 탄성파 토모그래피 등을 통해 주입 범위와 고결체 형성을 확인해야 합니다.
3. 비교 및 활용 방안
결론 - 석회암 지역에서 교량 기초를 설치할 때는 말뚝과 그라우팅 개념을 병행하거나 선택적으로 적용하여 안정성을 확보해야 합니다. - 말뚝 공법은 하중 전달에 적합하며, 그라우팅 공법은 지반 보강과 차수 효과를 제공하므로 두 방법의 장점을 조합해 최적의 설계를 수행하는 것이 중요합니다. - 정밀한 지반조사와 계측 결과를 바탕으로 적절한 공법을 선정하고 시공 품질을 관리해야 합니다.
5. 재해 방지를 위한 지반구조물 중 대규격제방(대제방, Super levee)의 정의와 설계 시고려사항에 대하여 설명하시오.
대규격제방(대제방, Super Levee)의 정의와 설계 시 고려사항
1. 대규격제방의 정의 - 대규격제방(Super Levee)은 제방의 폭을 넓게 설계하여, 계획홍수량을 초과하는 유량에서도 제방이 붕괴되지 않도록 설계된 구조물입니다 - 일반적인 제방과 달리, 도시지역의 특정 구간에서 설치되며, 제체를 택지로 활용하거나 도시 시설(도로, 공원 등)을 설치할 수 있도록 설계됩니다 - 사회·경제적 중요도가 높은 지역에서 절대적인 안전성을 요구하는 경우 적용됩니다
2. 설계 시 고려사항
대규격제방의 설계는 안정성과 기능성을 동시에 만족하기 위해 다음 요소들을 고려해야 합니다:
(1) 수리학적 안정성 1. 계획홍수량 및 여유고: - 계획홍수위에 여유고를 추가하여 제방 높이를 설정합니다. - 여유고는 불확실성을 감안한 안전값으로, 파랑, 침식 등을 고려합니다
2. 침투 안정성: - 침윤선이 제체 비탈면과 접하지 않도록 설계하며, 침투해석을 통해 누수 및 침투압에 대한 안전성을 검토합니다. - 차수재를 사용하거나 배수층을 설치하여 누수를 방지합니다
3. 월류 방지: - 월류로 인한 침식 및 붕괴를 방지하기 위해 제체 상부와 비탈면에 보호공법(예: 잔디 식생, 콘크리트 블록)을 적용합니다
(2) 지반공학적 안정성 1. 비탈면 안정성: - 비탈면 경사는 일반적으로 1:3 또는 이보다 완만하게 설계합니다. - 활동 안정율은 최소 1.3 이상을 확보하며, 침투해석과 병행하여 검토합니다
2. 연약지반 처리: - 연약지반에서는 허용 잔류침하량을 설정하고, 지반개량(예: 그라우팅, 압밀)을 통해 침하를 최소화합니다. - 측방유동이나 끌림침하가 발생하지 않도록 해석 및 보강 대책을 수립합니다
3. 재료 선정: - 성토재료는 투수성과 전단강도를 고려하여 선정하며, 유기물이나 유해물질을 포함하지 않아야 합니다. - 다짐도는 최대 건조밀도의 90% 이상으로 유지하여 안정성을 확보합니다
(3) 도시 활용 및 환경적 요소 1. 도시 시설 활용: - 대규격제방은 택지로 활용 가능하도록 설계되며, 도로, 공원 등 도시 인프라를 설치할 수 있습니다. - 제내지 지역의 사회·경제적 중요도를 고려하여 도시계획과 연계된 설계를 진행합니다
2. 환경보호: - 하천 생태계를 보호하기 위해 하상재료 채취를 제한하며, 생태적 영향을 최소화하도록 설계합니다. - 제방 주변에 식생을 도입하여 환경 친화적인 구조물을 구축합니다
(4) 유지관리 및 경제성 1. 유지관리 용이성: - 장기적인 유지관리를 고려하여 구조물의 내구성을 확보하고, 점검이 용이한 설계를 채택합니다. - 침하나 변형이 발생할 경우 보수 작업이 용이하도록 계획합니다.
2. 경제성 평가: - 성토재료와 공법 선택 시 경제성을 검토하며, 지역에서 쉽게 구할 수 있는 재료를 우선적으로 사용합니다. - 공사 기간과 비용을 최소화하면서도 안전성을 확보할 수 있는 최적의 설계를 적용합니다
결론 대규격제방은 대도시와 같은 중요 지역에서 홍수로 인한 피해를 방지하기 위해 폭넓은 안전성과 다목적 활용성을 제공하는 구조물입니다. 설계 시에는 수리학적·지반공학적 안정성과 함께 도시 계획 및 환경적 요인을 종합적으로 고려해야 하며, 유지관리와 경제성까지 포함한 통합적인 접근이 필요합니다.
6. 압밀시험(증가하중을 두 단계만 한정할 것), CU시험(정규압밀점토, 과압밀점토)에 대한 응력경로를 도시하고, 아래에 제시된 구조물의 배면 및 기초지반의 전단파괴에 도달하는 응력경로에 대하여 설명하시오.
※ 총 6문제 중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각25점) 1. 얕은기초의 침하량 산정방법에 대하여 설명하시오.
얕은기초의 침하량 산정방법
얕은기초의 침하량은 구조물의 안정성과 기능성을 확보하기 위해 중요한 설계 요소로, 침하량은 즉시침하량, 일차압밀침하량, 이차압축침하량의 합으로 계산됩니다. 아래는 각 침하량 산정방법과 관련된 주요 내용을 정리한 것입니다.
1. 즉시침하량 (Immediate Settlement) 즉시침하량은 기초 하중에 의해 지반이 탄성적으로 변형하면서 발생하는 침하로, 주로 사질토에서 중요하게 고려됩니다.
- 산정방법: - 탄성이론을 적용하여 기초 하부 지반의 변형을 계산합니다. - 일반적인 식:
- 적용 방법: - 평판재하시험 또는 공내재하시험 결과를 활용하여 지반의 탄성계수를 추정합니다. - Schmertmann(1970) 방법은 깊이에 따른 지반 강성 변화를 반영하여 즉시침하량을 산정하는 대표적인 방법입니다
2. 일차압밀침하량 (Primary Consolidation Settlement) 일차압밀침하량은 점토질 지반에서 기초 하중에 의해 간극수압이 소산되며 발생하는 침하입니다.
- 산정방법: - 압밀이론을 적용하여 다음과 같이 계산합니다:
- 적용 방법: - 압밀시험 결과를 바탕으로 압축지수와 초기 간극비를 구합니다. - 압밀층이 두꺼운 경우, 층별로 나누어 응력 증가량을 적용해 계산합니다
3. 이차압축침하량 (Secondary Compression Settlement) 이차압축침하량은 일차압밀 완료 후 시간이 경과함에 따라 발생하는 추가적인 침하입니다. 이는 점토질 지반에서 주로 나타납니다.
- 산정방법: - 시간-침하 관계를 이용하여 다음과 같이 계산합니다:
- 적용 방법: - 장기적인 침하를 고려해야 하는 구조물(예: 고층 건물, 댐 등)에 중요하게 반영됩니다
4. 허용침하량 검토 허용침하량은 구조물의 종류와 기능에 따라 다르게 설정되며, 균등침하와 부등침하를 모두 고려해야 합니다.
- 균등침하: 구조물이 전체적으로 동일한 침하를 경험하도록 설계. - 부등침하: 허용 가능한 범위 내에서 각 지점의 침하 차이를 제한. - 예: 일반 건물에서는 부등침하가 1/500~1/1000 정도로 제한됩니다.
5. 현장시험을 통한 침하량 산정 현장시험 결과를 활용하여 보다 실질적인 침하량을 산정할 수 있습니다:
1. 평판재하시험: - 재하시험 결과를 통해 하중-침하 관계를 분석하고 실제 기초의 침하량을 추정합니다. - 크기효과 등을 보정하여 적용해야 합니다.
2. 공내재하시험 (프레셔미터시험): - 모래, 자갈 등 굴착이 어려운 지반에서 사용하며, 지반 강성 값을 직접 측정합니다
6. 설계 시 고려사항 1. 지반 특성 분석: - 사질토: 즉시침하가 주요 고려 대상. - 점토질 지반: 일차압밀 및 이차압축 침하가 중요.
2. 기초 형상 및 크기: - 기초 크기가 클수록 침하가 증가할 수 있으므로 설계 시 적절한 크기를 설정해야 합니다.
3. 지반 개선 필요성: - 연약지반에서는 사전 압밀이나 그라우팅 등으로 지반 강성을 증가시켜야 합니다.
4. 장기 관측: - 준공 후 일정 기간 동안 침하 관측을 통해 예상된 침하와 실제 거동을 비교하고 대책을 마련합니다
결론 얕은기초의 침하량 산정은 즉시침하, 일차압밀침하, 이차압축침하를 종합적으로 평가해야 하며, 이를 위해 현장시험과 이론적 해석을 병행합니다. 설계 단계에서는 허용침하 기준을 만족하도록 설계하고, 필요 시 지반 개선 공법을 적용하여 구조물의 안정성과 기능성을 확보해야 합니다.
2. 보강토 옹벽의 개념과 내·외적 안정검토에 대하여 설명하시오.
보강토 옹벽은 토체 내에 인장력이 큰 보강재를 삽입하여 새로운 복합 구조체를 형성하는 공법입니다. 이 구조물은 외력에 대해 자립적으로 안정성을 확보하며, 높이 제한이 거의 없고 부등침하에 대한 내성이 강합니다
보강토 옹벽의 안정검토
보강토 옹벽의 안정성 검토는 외적 안정검토와 내적 안정검토로 나누어 수행됩니다.
외적 안정검토
외적 안정검토는 보강토체를 중력식 옹벽으로 간주하여 다음 항목들을 검토합니다
1. 활동에 대한 검토: 평상시 안전율 1.5, 지진시 1.1 2. 전도에 대한 검토: 평상시 안전율 2.0, 지진시 1.5 3. 지지력에 대한 검토: 평상시 안전율 2.5, 지진시 2.0 4. 전체 안정성에 대한 검토: 평상시 안전율 1.5, 지진시 1.1
내적 안정검토
내적 안정검토는 보강토체를 활동영역과 저항영역으로 나누어 각 보강재에 발생하는 최대작용하중을 계산한 후 다음 항목들을 검토합니다
1. 경제성: 일반 옹벽에 비해 15~40% 공사비 절감 가능 2. 시공성: 기초공사가 간단하고 시공이 용이하여 공기 단축 가능 3. 적응성: 기초지반의 부등침하 및 지진에 대한 적응성이 큼 4. 활용도: 옹벽, 교대, 댐, 안벽 등 다양한 토류구조물에 적용 가능
보강토 옹벽은 이러한 특징으로 인해 불안정한 경사면의 안정화나 교통시설 구축 시 유용하게 활용됩니다
3. CPT-U 시험방법과 시험결과의 활용방안에 대하여 설명하시오.
CPT-U 시험방법과 시험결과의 활용방안
1. CPT-U 시험방법 CPT-U(Cone Penetration Test with Piezometer)는 지반의 물리적 특성을 평가하기 위해 사용되는 현장시험으로, 콘관입시험(CPT)에 간극수압 측정(Piezometer) 기능을 추가한 시험입니다. 이 시험은 지반의 연속적인 특성을 파악하는 데 유용하며, 다음과 같은 절차로 수행됩니다:
1. 시험 장비: - 원추형 콘(단면적 10 cm² 또는 15 cm²)과 슬리브(sleeve)를 장착한 탐침. - 간극수압을 측정하는 피에조미터가 장착된 장비.
2. 시험 절차: - 콘을 일정한 속도(일반적으로 2 cm/s)로 지중에 관입. - 관입 중 다음의 데이터를 연속적으로 측정: - 콘저항(qc): 콘 끝에서 발생하는 저항력. - 슬리브 마찰력(fs): 슬리브 표면에서 발생하는 마찰력. - 간극수압(u2): 피에조미터를 통해 측정된 간극수압.
3. 측정 데이터: - 관입 깊이에 따른 연속적인 데이터를 기록하여 지반의 물리적 특성을 분석.
4. 장점: - 연속적인 데이터 수집으로 지반의 상세한 특성 파악 가능. - 기존의 표준관입시험(SPT)보다 신속하고 정밀함. - 간극수압 측정을 통해 포화토층의 상태를 평가할 수 있음.
2. 시험결과의 활용방안
CPT-U 시험 결과는 다양한 지반공학적 설계와 해석에 활용됩니다:
(1) 지반 분류 - 토질분류: - CPT 데이터를 기반으로 토질을 분류(예: 점토, 실트, 모래 등). - 주요 파라미터: - 콘저항(qc) - 슬리브 마찰력(fs) - 마찰비(FR = fs/qc) - Robertson(1986) 등의 경험식을 사용하여 토질 분류.
- 포화 상태 및 간극수압 분석: - 간극수압(u2)을 통해 포화토층 및 연약지반의 상태를 평가.
(2) 지지력 산정 - CPT-U 결과를 이용해 말뚝기초 및 얕은기초의 설계지지력을 산정. - 예: - 말뚝기초 설계 시 콘저항(qc)을 기반으로 극한지지력 계산. - 경험적 상관식(NkT)을 적용하여 비배수전단강도를 추정.
(3) 침하량 예측 - 압밀침하량 및 즉시침하량 예측에 활용. - 간극수압(u2)을 이용하여 압밀특성을 평가하고, 압밀계수를 추정.
(4) 액상화 평가 - CPT-U 데이터를 기반으로 액상화 가능성을 평가. - 주요 파라미터: - 정상화된 콘저항($$q_c'$$) - 간극수압 비(Bq = (u2-u0)/(qc-σvo)) - 액상화 가능성 곡선을 사용하여 위험성 분석.
(5) 설계 및 안정성 해석 - 사면 안정성 해석: - CPT 데이터를 이용해 전단강도 매개변수를 추정하고 사면 안정성을 평가. - 연약지반 보강 설계: - 간극수압 분포를 분석하여 지반 보강 공법(그라우팅, 압밀 등)의 필요성을 판단.
3. 결론 CPT-U는 고속, 고정밀로 지반 특성을 평가할 수 있는 강력한 도구로, 토질분류, 기초 설계, 침하 예측, 액상화 분석 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 특히, 간극수압(u2)을 포함한 데이터를 통해 포화토층 및 연약지반의 상태를 정밀하게 분석할 수 있어 현대 지반공학에서 필수적인 시험법으로 자리 잡고 있습니다.
4. 교량에 접속되는 터널 갱구부의 터널간 이격거리를 충분히 확보하지 못하여 안정을 유지할 수 없는 경우, 근접터널간의 좁은 필라부에 가압 그라우팅과 PC강선에 의한 프리스트레스를 가하는 공법을 적용하고자 한다. 선행터널의 필라부 측벽에 작용하는 응력을 Mohr-Coulomb 파괴포락선을 이용하여 아래의 단계별 지반 응력변화를 도시하고 설명하시오. 1) 원지반 상태 2) 터널 상부지반 보강 그라우팅 3) 선행터널 굴착 4) 필라부 가압 그라우팅 5) 후행터널 굴착 6) PC강선 프리스트레스 가압
5. 연약지반에 설치되는 교대 구조물의 지지력 확보를 위해 말뚝기초 계획 시 측방유동발생이 예상되는 경우, 교대 말뚝기초의 설계 순서 및 검토방법에 대하여 설명하시오.
연약지반에 설치되는 교대 말뚝기초 설계 순서 및 검토방법
연약지반에서 교대 말뚝기초를 설계할 때는 측방유동이 발생할 가능성을 고려해야 합니다. 측방유동은 연약지반의 변형으로 인해 말뚝에 과도한 하중이 작용하거나 구조물의 안정성을 저하시킬 수 있으므로, 이를 방지하기 위한 설계와 검토가 필수적입니다. 아래는 설계 순서와 검토방법을 정리한 내용입니다.
1. 설계 순서
1. 지반조사 및 특성 파악 - 지반조사를 통해 연약지반의 물리적·역학적 특성(예: 투수성, 압축성, 전단강도 등)을 파악합니다. - 측방유동 가능성이 높은 지반(예: 점토질 연약지반)의 두께와 범위를 확인합니다.
2. 기초 형식 선정 - 연직하중과 수평하중을 모두 고려하여 적합한 기초 형식을 선정합니다. - 말뚝기초를 선정할 경우, 말뚝의 종류(PHC말뚝, 강말뚝 등), 길이, 직경, 배치를 결정합니다.
3. 측방유동 분석 - 지반의 측방유동 가능성을 분석합니다. 일반적으로 다음 방법을 사용합니다: - 유한요소해석(FEM)을 통한 지반-구조물 상호작용 해석. - 경험적 방법으로 예상 변위량 평가.
4. 말뚝 설계 - 말뚝의 설계는 다음을 포함합니다: - 말뚝의 지지력 산정: 말뚝의 축방향 지지력(주면마찰력 및 선단지지력)을 계산. - 말뚝의 수평저항력 산정: 수평하중에 대한 저항력을 평가. - 말뚝 배치 계획: 하중 분포와 지반 조건에 따라 적절히 배치.
5. 보강 대책 검토 - 측방유동을 방지하기 위한 보강 대책(예: 지반개량, 차수벽 설치 등)을 검토합니다. - 필요한 경우, 말뚝 주변에 사전압밀 공법(예: 프리로딩)이나 그라우팅을 적용하여 지반 강도를 증가시킵니다.
6. 안정성 검토 - 구조물의 내외적 안정성을 검토합니다: - 활동, 전도, 침하 안정성. - 말뚝의 인발 및 전단 파괴 검토.
7. 설계 최적화 - 경제성과 안정성을 동시에 만족하도록 설계를 최적화합니다.
2. 검토방법
(1) 측방유동 분석 - 측방유동은 연약지반에서 말뚝 주변 토체가 횡방향으로 이동하며 발생하는 현상입니다. - 주요 검토 항목: 1. 측방변위 평가: - 유한요소해석(FEM)을 통해 측방변위를 계산하고 말뚝에 미치는 영향을 분석. 2. 말뚝-지반 상호작용: - p-y 곡선을 활용하여 말뚝의 수평저항력을 평가. 3. 안전율 계산: - 측방유동으로 인한 말뚝 안정성(전단파괴, 인발파괴 등)에 대한 안전율을 확인.
