그림 3.4.4 원심모형시험기 그림 3.4.5 모형 토조(model container)
그림 3.4.7 원심모형실험 단면(부분굴착실험)
그림 3.4.8 원심모형실험 평면도(부분굴착실험)
부분굴착 실험에서는 그림 3.4.7의 음영표시된 부분을 굴착하도록 설계하였고, 원형스케일 에서 폭2m(모형스케일 33mm), 깊이 2m(모형스케일 33mm)로 설계하였다. 그러나 최종적으로 원심모형실험중 60g가속에 도달한 후, 원지반층 및 기초사석층의 침하로 인하여 부분굴착의 깊이가 얕게 모사되어 최종 원형스케일로 폭2m(모형스케일 33mm), 깊이 1.38m(모형스케일
23mm)의 굴착이 수행되었다. 부분굴착은 총 4단계로 수행되었으며, 1차굴착에서는 그림 3.4.8
의 ① 음영박스부분이 굴착되었고, 2차굴착에서는 ①과 ② 음영박스가, 3차굴착에서는 ①,②,
③ 음영박스가, 마지막 4차굴착에서는 ①,②,③,④음영박스가 굴착되어 폭 2m, 4m, 6m, 8m의 4가지 부분굴착에 대한 안정성을 평가하였다.
증심공법이 완공된 후의 단면은 그림 3.4.9와 같고, 안벽케이슨 전면에 마운드가 굴착되어
개량체가 형성된다. 개량체는 해상그라우팅을 적용하여 하나의 구체로 형성될 것으로 가정하 였고, 따라서 이를 하나의 강체로 모델링하여 그림 3.4.10과 같이 원심모형실험 단면을 결정 하였다. 그림 3.4.9의 음영부 개량체와 동일한 크기의 강체를 1/60 스케일하였고 그림 3.4.10 과 같다. 케이스하부에는 원형스케일로 폭 2m, 깊이 6.5m의 개량체가 형성되고 케이스전면 마운드는 폭 2m, 깊이 4.5m의 개량체가 형성되어 지지하는 구조이다.
그림 3.4.9 실험대상 안벽의 증심공법 적용후 단면
그림 3.4.10 증심공법 완공후 최종단계 원심모형실험 단면
나. 부분굴착장비 설계
마운드 전면 부분굴착을 위해 그림 3.4.11과 같은 굴착장비를 설계 및 제작하였다. 공압실 린더 로드에 폭 33mm(원형스케일 폭 2m)의 굴착날을 부착하여 부분굴착을 모사하였으며, 원 심가속 중 원격으로 구동하기 위해 솔레노이드 밸브를 이용하여 공압을 공급하였다. 굴착장 비의 구동은 컴퓨터로 제어하는 스위치모듈을 이용하여 DC 24V의 전원을 원격으로 공급하 여 솔레노이드 밸브를 기동하였다. 원격으로 기동되는 솔레노이드 밸브가 실린더에 주입되는 공압실을 변경하여 변화시켜 피스톤로드의 움직임을 제어하였다.
그림 3.4.11 부분 굴착장비 모식도
공압실린더 굴착기를 4세트를 나란히 배치하여 총 4가지 폭(2m, 4m, 6m, 8m)의 부분굴착 이 가능하도록 하였다. 그림 3.4.12와 같이 4개의 굴착기가 하나로 조립되어 수직 액츄에이터 에 연결되고, 수직위치를 제어함으로서 부분굴착 모사가 가능하다.
굴착은 그림 3.4.13과 같은 순서로 진행되어 부분굴착을 모사하였다. ①초기위치에서 ②솔 레노이드밸브를 기동하여 공압실린더의 피스톤로드를 전진시킨다. ③수직액추에이터를 기동 하여 굴착깊이까지 굴착 날을 삽입한다. ④솔레노이드밸브를 기동하여 어하여 피스톤로드를 후진시켜 부분굴착을 수행한다. ①∼④과정을 반복하여 4차 굴착을 수행하였다. 1개의 굴착 기는 모형스케일 폭 33.3mm, 깊이 23mm(원형스케일 폭 2m, 깊이 1.38m)의 굴착을 모사하였 다. 따라서, 부분굴착 모사절차에 따라 1차굴착시는 1개의 굴착기를 기동하고, 2차굴착시는 2개의 굴착기, 3차굴착시는 3개의 굴착기, 4차굴착시는 4개의 굴착기를 기동하여 각각 원형 스케일에서 2m, 4m, 6m, 8m의 굴착을 모사하였다.
그림 3.4.12 굴착장비 조립도
그림 3.4.13 부분굴착 순서도
다. 케이슨 모형 및 개량체 모형설계
안벽 케이슨은 원형으로 하였고 이를 1/60상사비로 축소하여 설계하였다. 실제 원형의 상 세한 경사는 단순화하여 하부 기초사석과 접하는 면과 케이슨의 폭과 높이를 동일하게 일치 시켰다. 설계된 최종 형상은 그림 3.4.14와 같다. 안벽케이슨은 강체로 가정하여 알루미늄재 료로 제작하였고, 안벽케이슨의 질량을 상사비(=N3=603)에 맞게 모델링하기 위하여 안벽케이
가능하다. 원형 안벽케이슨 제원과 설계된 모형의 제원은 표 3.4.3과 같다. 제작된 최종 케이 슨모형은 그림 3.4.15와 같다. 케이슨모형의 1개 함체의 폭은 283.3mm로 결정되어, 토조의 폭
700mm를 3개의 완전한 함체를 배치할 수 없어, 실제 폭의 함체를 중앙에 배치하고 나머지는
남는 공간에 맞게 함체의 폭을 조절하여 배치하였다. 최종적으로 3개의 케이슨모형이 배치되 었고, 그림 3.4.16과 같다.
원형(Prototype) 모형(Model)
안벽케이슨 속채움 모래 안벽케이슨 속채움 모래
부피(㎥) 815.91 1339.52 - -
질량(t) 1876.593 2411.136 16.4×10-3 3.45×10-3
단위중량(t/㎥) 2.3 1.8 -
전체질량(t) 4287.729 19.85×10-3 표 3.4.3 안벽케이슨 제원
그림 3.4.15 케이슨모형
그림 3.4.16 케이슨 모형 배치
개량체는 강체로 가정하여 알루미늄으로 제작하였다. 개량은 부분굴착이 진행되면서 연속 적으로 이루어지고 그라우팅이 접속되면서 시공되기 때문에 전체 구간이 하나로 연결된다고 가정하였다. 따라서, 토조의 폭에 따라 모두 형성된 것으로 보고 695mm 길이로 제작되어 설 치하였으며, 제작된 개량체는 그림 3.4.18과 같다.
그림 3.4.18 개량체 모형
라. 지반모형 조성
1) 원지반층 조성
원지반층 조성에 사용된 풍화토는 최적함수비 10%, 최대건조단위중량 1.97의 재료이 다. 원지반층은 다짐함수비를 12%로 습윤측에서 상대다짐 90%를 목표로 다짐하여 조성하였 고, 깊이별 균질성을 확보하기 위하여 5개의 층으로 나누어 목표건조단위중량으로 다져서 조 성하였다. 최종적으로 다짐함수비 11%와 건조단위중량 1.955의 조건으로 200mm두께(모 형스케일)를 조성하였다.
이 후, 기초사석층 조성을 위해 원지반을 깊이 125mm, 아랫변 516.7mm 사면 경사 1:1.5로 하여 굴착하였다. 조성이 완료된 모형 원지반층을 그림 3.4.19와 같다.
그림 3.4.19 원지반층 조성
2) 기초사석층 조성
본 연구에서는 모래지반을 모사하기 위해 사용된 시료는, 규암을 Hammer Crusher 공정에 의해 인공적으로 제작된 규사를 시험 시료로 사용하였고, 시험시료에 대한 입도분포곡선 및 기본 물성치를 그림 3.4.20과 표 3.4.4에 각각 나타내었다. 본 연구에서 사용된 규사는 소성지
수(PI)가 NP인 깨끗한 모래로서 유효입경(D50)이 약 0.22mm, 균등계수(Cu)가 1.96으로 통일분
류법에 의해 SP로 분류되는 모래이다.
그림 3.4.20 실리카모래의 입도분포곡선
시험 시료 규 사
지반분류(USCS) SP
최대 건조단위질량, ρd,max (g/cm3) 1.645 최소 건조단위질량, ρd,min (g/cm3) 1.244
비중(Gs) 2.65
곡률계수(Cc) 1.11
균등계수(Cu) 1.96
소성지수(PI) NP
D50 (mm) 0.22
표 3.4.4 시험 시료의 기본 물성치
모래지반의 조성은 낙사법(sand pluviation method)을 이용하여 모형 지반이 조성되었다. 낙 사법은 균질한 모래 지반의 조성이 가능하고, 낙사 높이 및 모래입자의 낙하속도를 조절하여 조성 지반의 밀도를 조절할 수 있는 시험법이다(Miura 등, 1982; Lo Presti 등 1993). 본 연구
평으로 왕복 운동하면서 모래를 낙하시키는 장비로, 호퍼의 위치를 조절하여 낙사높이, 호퍼 의 개구의 크기와 이동속도를 조절하여 조성하는 밀도를 조절할 수 있는 장비이다. 본 연구 에서는 균질한 지반 조성을 위하여 10mm 두께의 얇은 층을 반복적으로 낙사하여 목표한 전 체 모래 지반층을 조성하였다. 매 10mm 층을 조성되면 호퍼의 높이를 조절하여 낙하 높이를 일정하게 유지되도록 하였다.
낙사를 통하여 목표 두께 이상의 모래층을 조성한 후, 모래 흡입 장치와 고른면을 조성하 는 기구를 이용하여 모래층을 목표 깊이로 조절하였다. 그림 3.4.21은 조성이 완료된 그림을 나타낸다.
그림 3.4.21 기초사석층 조성 완료
마. 실험방법 및 계측계획
1) 실험방법
모형 원지반층과 기초사석층이 조성된 후, 바닥판에 토압계가 설치된 모형체를 설치한다.
이 후에 육측에 뒷채움을 하여 모형지반 조성을 마무리하였다. 모형지반 조성 및 모형체 설 치가 끝난 후, 토조를 원심모형실험 장비에 설치하였다 (그림 3.4.22).
이 후, 굴착장비의 설치 및 구동을 위해 수직 액추에이터를 설치하였고, 원심가속 중 원격 구동을 위해 솔레노이드 밸브를 굴착장비의 실린더와 공압호스로 연결하였으며, 굴착기 출입 속도는 공압조절밸브를 이용하여 조절하였다.
수직 및 수평변위 계측을 위해 30×30 프로파일로 제작된 센서설치용 프레임에 LVDT 및 레이저센서 설치용 가이드바를 제작하였다. 센서의 배치도는 다음 절에 기술하였다.
모형지반 및 모형체가 정적으로 안정될 때까지 10분정도 유지한 후 부분굴착을 수행하였다.
굴착은 2m씩 총 4회를 실시하여 8m를 굴착하였으며, 각 부분굴착단계에서 굴착후, 정적안정 성 여부의 판단을 위해 30분을 유지하여 모형의 변화를 모니터링한후 다음 굴착을 실시하였다.
부분굴착 실험 종료 후, 증심공법 적용 후 최종단면 정적안정성 평가를 위해 실험장비에서 토조를 해체하여 육측 뒷채움부부터 사면개착을 실시하여 모형체를 제거하고 개량체가 설치 될 위치를 굴착하여 개량체를 설치하였다. 이 후, 모형체를 다시 설치하고, 뒷채움 및 사면을 조성하여 최종단면을 제작하였다(그림 3.4.23).
그림 3.4.22 부분굴착 실험단면 그림 3.4.23 최종단면 제작 완료
원심가속은 토조를 장비에 설치하여, 계측기를 부착한 뒤, 1g부터 60g까지 가속하였다. 60g 도달 후, 최종단면의 정적안정성 평가를 위해 40분 정도 유지한 후, 원심가속을 종료하였다.
2) 계측계획
부분굴착단계 및 증심공법 완공후 최종단계의 정적안정성 평가를 위해 침하량, 전응력이 측정되었다.
침하량을 측정하기 위하여 측정범위 ±12.7mm, ±25.4mm인 Schaevitz의 MHR 500MC모델
LVDT가 사용되었다. 증심공법 적용단계 실험에서는 부분굴착단계 실험과 기초사석 지반고
에 차이가 있어 사면근처에 설치되는 LVDT의 위치가 변경되었다. LVDT는 규격 30×30mm의 프로파일을 재단하여 LVDT용 가이드바를 제작하였고, 이를 액추에이터 프레임에 연결하여 측정하고자하는 위치에 LVDT를 설치하였다(그림 3.4.24 참조). 정확한 LVDT 설치위치는 부 분굴착단계 실험에서 그림 3.4.25~3.4.26, 증심공법 적용단계 실험에서 그림 3.4.27~3.4.28상의 X표시와 같다.