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한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 5, 372-377http://dx.doi.org/10.12772/TSE.2016.53.372

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

모형실험 및 수치해석에 의한 지오그리드 보강효과 분석

안승재1 · 차주희1 · 유세은2 · 전한용3†

1인하대학교 대학원 유기응용재료공학과, 2FITI 시험연구원, 3인하대학교 유기응용재료공학과

Reinforcement Effect Analysis of Geogrid by Model Test and Numerical Interpretation

Seung Jae Ahn1, Ju Hee Cha1, Se Eun Yoo2, and Han Yong Jeon3†

1Department of Applied Organic Materials Engineering, Inha University Graduate School, Incheon 22212, Korea2FITI Testing & Research Institute, Seoul 02570, Korea 3Department of Applied Organic Materials Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea

1. 서 론

토목 구조물의 기초 공사는 구조물의 하중을 지지할 수있는 지반의 위치에 따라 얕은 기초와 깊은 기초로 구분된다. 얕은 기초는 견고한 지반이 지표면 부근에 있을 경우에 적용되며 그렇지 못한 경우 깊은 기초를 통해 구조물의하중을 견고한 지반에 전달시킨다. 얕은 기초는 상대적으로 깊은 기초에 비해 비용과 공사 기간 등에 이점을 가지고 있으나 이미 구조물이 지어진 지반을 제외하면 얕은 기초를 적용할 수 있는 지반은 점점 감소하고 있다. 따라서깊은 기초가 진행되어야 할 지반의 지지력을 증가시키기위한 방법이 필요하게 되었다[1].그 방법 가운데 하나는 지오신세틱스 보강재를 사용하는

방법이다[2,3]. 인장력이 우수한 지오신세틱스의 적용은 흙의 취약한 인장강도를 보완해주어 지반의 지지력을 증가시킨다. 지오신세틱스의 종류, 보강 영역의 깊이, 보강재 설치 층의 개수와 간격, 보강재의 너비 등이 지지력 증가에대한 파라미터로 보고되고 있으며 연구 결과를 통해 효율적인 지오신세틱스의 적용 조건이 논의되고 있다[4−8].지반 보강에 영향을 미치는 여러 파라미터들 가운데 지오신세틱스의 종류와 같이 재료적 조건들은 상대적으로 다른 파라미터에 비해 한계점이 존재한다. 지오그리드를 사용한 연구들은 각각의 연구에서 각기 다른 형태의 지오그리드를 한 종류만 사용했기 때문이다. 같은 지오그리드 제품군이라 하더라도 원료나 제조방식에 따라 물성과 거동이달라진다[9]. 이로 인해 연구들마다 보강효과가 뛰어난 지

†Corresponding Author: Han-Yong Jeon E-mail: hyjeon@inha.ac.kr

Received September 28, 2016Revised October 22, 2016Accepted October 23, 2016

ⓒ2016 The Korean Fiber Society

Abstract: In order to minimize settlement of a shallow foundation, a model test is per-formed using geogrids for reinforcement. The optimal reinforcement is found by varyingreinforcement length and changing reinforcement layer. From the test results, it is inferredthat 2 layers and 4 times the foundation length is the most effective reinforcement condi-tion obtained using geogrids. As a result of this tendency, 2 layers-4 times and 2 layers-5times conditions are used to determine the reinforcement effect of two types of geogridswith the same tensile strength and of a single type of geogrid but with two tensilestrengths. The reinforcement effect of the welded type is less than that of warp-knittedtype. It can be seen that frictional resistance is developed at the soil–geogrid rib interface;therefore, the reinforcement capacity is reduced. It is inefficient to use reinforcement ofhigh tensile strength under conditions of allowable bearing capacity, but it is necessary tochoose reinforcement of suitable tensile strength under conditions of ultimate bearingcapacity.

Keywords: geogrid, shallow foundation, reinforcement, bearing capacity, finite elementanalaysis

모형실험 및 수치해석에 의한 지오그리드 보강효과 분석 ▐ 373

오신세틱스의 종류는 달라지며 어떤 종류가 더 적합하다고판단하는 것은 무리가 따른다. 따라서 지오그리드의 지반보강효과를 다른 종류의 지오신세틱스와 비교하기 위해선다양한 형태의 지오그리드를 동일한 조건에 실험하여 그결과를 관찰하는 것이 필요할 것이다.본 연구에서는 지반 형성 시 기초 크기를 토대로 지오그리드의 보강 길이의 변화를 주고 보강 층의 변화를 주어최적의 보강길이 및 보강 층을 도출해내고자 하였다. 또한동일 인장강도를 지니고 있으나 구성 재료 및 제조방식이다른 종류의 지오그리드를 보강재로 사용하여 지지력의 변화 경향을 알아내고 합리적인 보강재의 선택을 도출해내고자 하였다. 이를 위해 실내 모형실험을 진행하였으며 유한요소해석 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 한 결과를 비교하여 해석모델의 타당성을 검토하고자 하였다.

2. 실 험

2.1. 시료의 준비No.12 체를 통과하고 No.40 체에 잔류하는 입경이 작은주문진 자연사를 채움재로 사용하여 단위중량이 1.65 tf/m3

이 되도록 모형지반을 조성하였고, 지반 침하 방지를 위하여 보강재로 지오그리드를 사용하였다. 지오그리드는 설계인장강도가 6 ton과 8 ton인 경편구조형(warp knitted type,KR)과 6 ton의 용접구조형(welded type, EX)을 사용하였으며 Table 1에 지오그리드 관련 물성을, Figure 1에 그림으로구조적 차이를 각각 나타내었다.

2.2. 모형지반의 준비모형지반 조성 시 심도별로 균질하게 조성되도록 하기위하여 샌드커튼(sand curtain) 방식의 강사기를 이용하였다. 모형토조는 길이 1050 mm, 높이 600 mm 및 폭 300 mm의 것을 사용하였다. 지오그리드는 기초길이의 일정 배수에 해당하는 길이로 변화를 주었으며, 보강 층에도 변화를주었다. 지오그리드 포설시 양 끝에 앵커로 고정하지 않고그대로 사용함으로써 앵커로 인한 버팀력이 아닌 지오그리드 자체의 보강효과를 관찰하고자 하였다. 모형지반에 하중을 가할 기초의 길이는 200 mm이며, 기초 위에 로드셀을 설치하여 하중의 증가를 측정하였고, LVDT(linear variable

differential transformer)를 기초와 지표에 설치하여 하중의증가에 따른 기초침하와 지표변위를 관측하였다(Figure 2).

2.3. 재하 시험준비된 모형지반 기초에 하중재하 시, 유압 잭을 이용하여 하중을 일정하게 증가시켰으며, 기초 위와 지표에 LVDT를 설치하여 기초침하량과 지표변위를 관찰하였다. 일정 시간 간격을 두고 해당 하중에 대한 기초침하가 더 이상 일어나지 않고 지반이 안정됨을 확인한 후 단계별로 다음 하중으로 증가시켰다.

KR 6T를 지오그리드를 지표로부터 기초 폭의 절반인100 mm와 기초 폭과 동일한 200 mm 두 층에 포설하였으며 Figure 3과 같이 기초 폭의 1, 2, 4, 5배의 폭을 갖도록포설한 뒤 50 kgf씩 500 kgf까지 하중을 가하였다(series 1).이로 부터 의미있는 보강 조건으로 확인된 2층, 폭 4배 조건에서 거동차이를 확인하기 위해 Series 2에서는 EX 6T와KR 8T를 같은 조건으로 침하시켜 거동을 관찰하였다(series2). 마지막으로 모든 지오그리드를 2층 폭 4배, 2층 폭 5배

Figure 1. Structures of geogrid; (a)warp knitted type (KR) and(b) welded type (EX).

Table 1. Specifications of geogrids

GeogridRaw material/

coating polymer

Number of ribs (/m)

Mechanical propertyUltimate tensile strength (ton/m)

Elongation at break (%)

KR 6T PET/PVC 42 7.9 11.1KR 8T PET/PVC 38 10.8 11.9EX 6T PET/PP 25 7.9 11.1

Table 2. Description of test series

Geogrid Load

incrementReinforced condition

Layer WidthSeries 1 KR 6T 50 kgf 1, 2 1, 2, 4, 5Series 2 EX 6T, KR 8T 50 kgf 2 4Series 3 KR 6T, EX 6T, KR 8T 100 kgf 2 4, 5

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로 포설하여 하중을 가한 뒤 거동을 관찰하였다(series 3).이때 가해준 하중은 앞의 실험들과 달리 매 100 kgf씩 하중을 증가시켰으며, Table 2에 실험 조건들을 나타내었다.KR 6T를 지오그리드를 지표로부터 기초 폭의 절반인 100 mm와 기초 폭과 동일한 200 mm 두 층에 포설하였으며 Figure3과 같이 기초 폭의 1, 2, 4, 5배의 폭을 갖도록 포설한 뒤50 kgf씩 500 kgf까지 하중을 가하였다(series 1). 이로 부터의미있는 보강 조건으로 확인된 2층, 폭 4배 조건에서 거동차이를 확인하기 위해 Series 2에서는 EX 6T와 KR 8T를같은 조건으로 침하시켜 거동을 관찰하였다(series 2). 마지막으로 모든 지오그리드를 2층 폭 4배, 2층 폭 5배로 포설하여 하중을 가한 뒤 거동을 관찰하였다(series 3). 이때 가해준 하중은 앞의 실험들과 달리 매 100 kgf씩 하중을 증가시켰으며, Table 2에 실험 조건들을 나타내었다.

2.4. 유한요소해석일반적으로 실제 모형실험의 경우 하중의 증가에 따른지표면의 변형량은 측정할 수 있으나, 지반 내부 흙의 거동은 관측은 어렵다. 유한요소해석 프로그램을 사용할 경우 직접 관측하기 어려운 지반 전체 변형률의 변화를 등고

선(contour) 그림을 통하여 도식화시켜 관측할 수 있다.유한요소해석은 구조체 전체 영역을 절점에서 서로 연결된 유한개수의 요소로 분할한 후 각 요소별로 강성행렬

과 요소의 절점에 가해지는 하중벡터를 구성하는 과정을거쳐 구조 전체에 관한 강성행렬과 하중벡터로 조합한다.이 과정을 거쳐 하중-변위에 관한 연립방정식이 구성되며실제 구조물의 경계조건이나 초기조건을 연립방정식에 반영하여 변형해주어 해석하며 이러한 과정을 Figure 4에 나타내었다.

KR 6T의 보강길이 및 보강 층의 변화로 인해 가장 효율적인 조건으로 도출된 2층, 4배의 결과를 토대로 상용 유한요소해석 프로그램인 Visual FEA/Edu를 통하여 시뮬레이션하였다. 유한요소 해석 시 사용한 수치들을 Table 3에나타내었다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 보강조건별 기초침하량의 변화Figure 5는 KR 6T를 사용한 보강 조건별 기초침하량 결과를 나타낸 것이다. 1층만을 포설한 지오그리드의 보강 효과는 폭에 대한 영향을 거의 받지 않는 것을 확인했으며이와는 달리 2층 조건에서는 폭에 대한 영향이 상대적으로높음을 확인하였다. 전체적으로 1층보다는 2층을 포설한 실험에서 기초침하량이 감소했음을 확인하였으며 2층 5배와2층 4배의 보강효과에는 큰 차이가 없으므로 2층 4배를 가장 효율적인 보강조건으로 판단하였다. 이 조건은 정사각형 기초를 사용한 과거 문헌들에서의 결과들에 크게 벗어나지 않는 조건이다[4−8]. 지오그리드를 2층 4배로 보강한지반의 기초침하량은 지오그리드를 무보강한 지반의 기초침하량이 반으로 감소함을 보았을 때, 보강재로써의 지반안정 효과에 크게 기여하였음을 알 수 있다.

Figure 6은 KR 6T의 실험 결과와 2층 4배로 보강한 EX

Figure 2. Schematic diagram of test set-up.

Figure 3. Layout and configuration of geogrid layers in the modeltests.

Figure 4. Steps of finite element analysis.

Table 3. Properties of materials in finite element analysis

Soil Geogrid

Type Jumunjin sand Type Warp knitted

Specific gravity 2.61 Modulus 4000 tf/m2

Internal friction angle

30 o Tensile strength 6 tf/m

Cohesion 0 kPa

Specific weight 1.65 tf/m3 Adhesion of soil to geogrid

10.26 kgf/cm2

Mudulus of deformation

20 MPa

Used element Plane/Surface Element Elasto-plastic(Mohr Coulomb)

Used element Slip bar elementFriction bonding

Poisson’s ratio 0.33 Poisson’s ratio 0.33

모형실험 및 수치해석에 의한 지오그리드 보강효과 분석 ▐ 375

6T의 시험결과를 비교한 그래프이다. 이를 통해 기초침하량은 KR 6T로 보강된 지반이 EX 6T로 보강된 지반보다

우수함을 확인하였다. 또한 인장강도가 다르지만 같은 형태를 가진 지오그리드를 실험한 결과를 통해서 하중 500 kgf는 지오그리드의 최대 인장강도보다 낮기 때문에 지오그리드의 형태에 더 많은 영향을 받는 것이라 판단된다(Figure 7).

Das 등[5]은 (i) 구역에서의 강성 증가와 (ii) 구역에서의정착(anchorage) 증가에 따라 기초의 지지력이 증가된다고보고하였다(Figure 8). (i) 구역은 하중이 직접적으로 전달되는 구역으로 이 구역에서는 보강재의 인장강도에 의해인장력이 없는 흙의 파괴를 방지하는 것으로 해석된다. 이때 보강재의 인장강도가 적합하게 발현되기 위해서는 (ii)구역에서 지오그리드의 충분한 고정이 필요하다. 충분한 고정은 지오그리드의 정착에 의해 결정되며 정착에 영향을주는 요인은 마찰력이다. 따라서 지오그리드의 보강 폭이넓어질수록 (ii) 구역에 포설된 지오그리드의 길이가 늘어나 마찰력이 증가하며 보강 폭에 따른 기초침하량은 (ii) 구역의 정착 변화에 따른 것이라 판단된다. 이러한 결과는KR 6T와 EX 6T의 기초침하량의 차이는 (ii) 구역에서 흙과의 마찰력에 기인하는 것이며 경편구조형이 용접구조형보다 흙과의 마찰력이 우수하기 때문이라 사료된다.

Figure 5. Variation of load with footing settlement for differentwidths of geogrids; (a) 1 layer and (b) 2 layer.

Figure 6. Variation of load with footing settlement for different typesof geogrids.

Figure 7. Variation of load with footing settlement for differenttensile strength had geogrids.

Figure 8. The failure surface in soil at ultimate load (after Das et al.[5]).

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3.2. 보강조건에 따른 지반항복점 변화앞선 실험을 바탕으로 도출해낸 보강조건에 따라 2층 4

배와 2층 5배로 지반을 보강시켜 지반항복점까지 매 100 kgf로 하중을 증가시킨 실험결과를 Table 4에 나타내었으며Figure 9에 기초침하량 변화를 나타내었다. 앞선 실험과 달리 지반항복점까지 하중을 가하는 경우 2층 5배 보강조건이 2층 4배 보강조건보다 뚜렷이 높게 나타남을 확인하였다.

Figure 8에서 KR 6T의 보강효과가 EX 6T의 보강효과보다 우수한 것을 알 수 있다. 또한 지오그리드의 보강 폭이커질수록 그 차이가 커지는 것을 통해 앞서 유추한 warpknitted와 welded 형태의 구조에 따른 흙과의 마찰력 차이에 대한 판단을 뒷받침한다. 하지만 KR 6T의 보강 폭에 따른 기초침하량 변화는 거의 비슷한 모습을 보이는 것과 달리 KR 8T는 전혀 다른 거동을 보이고 있어 후속연구가 필요할 것으로 판단된다.

3.3. 유한요소해석유한요소해석을 통해 직접 관측하기 어려운 지반 변형률의 변화를 등고선 그림을 통하여 관측하였으며 전체적인지반 침하의 감소를 명확하게 확인할 수 있었다(Figure 10).등고선 그림의 모습은 Figure 8과 유사하며 기초 하부에 하중이 집중되어 흙의 변형이 매우 큰 것으로 해석된다. 지오그리드로 보강하지 않은 흙에서는 (i) 구역이 좁고 매우큰 변형이 깊게 발생되어 파괴에 이르는 것으로 해석할 수있다. 하지만 지오그리드로 보강한 흙에서는 깊게 발생된변형이 얕은 부분에만 형성되는 것으로 해석되며, 또한 지오그리드로 보강되지 않은 흙의 경우 (ii) 구역의 변형은 거의 발생하지 않는 것으로 보아 기초하부에 발생하는 국부

Table 4. Calculated yield point of soil- test series 3

Reinforced condition Geogrid Load (kgf)Unreinforced 800

Geogrid 2L4B KR 6T 1100EX 6T 1000KR 8T 1300

Geogrid 2L5B KR 6T 1200EX 6T 1100KR 8T 1500

Figure 9. Variation of load with footing settlement for differentgeogrids; (a) 2L 4B and (b) 2L 5B.

Figure 10. Contour images of vertical footing settlement; (a)unreinforced and (b) reinforced grounds.

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적인 파괴임을 보이는 반면 지오그리드로 보강된 흙의 경우 지오그리드에 의해 흙 전체에 응력이 전달되어 응력분산으로 인한 변형이 (ii) 구역까지 일어나 국부적인 파괴를방지하는 것으로 판단된다. 이는 Figure 9(b)에 화살표로 강조된 독특한 변형이 지오그리드가 포설된 부근에서 발생된다는 것으로 보아 응력분산에 의한 변형임을 확인할 수 있다. 대부분의 재료는 하중에 따른 응력과 변형의 흐름이 일정하지만 흙과 섬유는 일반 재료들의 응력-변형률의 흐름이 독특한 경향을 보인다. 이는 두 재료 모두 탄성 영역을지나 소성영역에 도달한 시점부터의 거동이 대부분의 재료와 상이하기 때문이다. 대부분의 재료는 유한요소해석 시필요한 재료 행렬 값이 밝혀지고 증명되었으나, 특히 흙의경우 최근까지 이 행렬 값이 명확히 밝혀지지 않았다. 이를 고려하여 유한요소해석 프로그램을 사용하는 사용자는프로그램이 보여주는 결과 값을 무조건 신뢰하기 전에 스스로의 공학적 판단을 하여 적용 여부를 결정할 필요가 있다고 생각한다.

4. 결 론

모형지반을 형성하고 지오그리드를 보강재로 사용하여하중 증가에 따른 기초 침하량의 변화를 관찰하고, 최적의보강 길이와 층수를 토대로 유한요소해석을 시행한 결과다음과 같은 결론을 도출하였다.1. 500 kgf까지 하중을 증가시켜 줄 때, 지오그리드의 보강길이 및 개수를 증가시킬수록 지지력이 증가하여 기초의 침하량이 감소하였으며, 보강재의 일정 길이 및 층 이상에서는 보강효과가 더 이상 증가하지 않았다.

2.동일 인장강도를 지닌 보강재라고 하여도 재료의 특성에따라 지반과의 밀착성의 차이가 있으며, 하중의 증가에따라 흙과 동일시되어 거동하고 보강하는 능력의 차이가 생긴다.

3.지반의 보강재의 선택에 있어서 일정 허용지지력을 요구하는 조건에서는 인장강도가 큰 보강재의 사용이 비효

율적이지만, 극한허용지지력을 요구하는 조건에서는 요구지지력에 걸맞은 인장강도를 지닌 보강재의 선택이 중요하다.

4.실제 상황에서 변수에 따라 다소 차이가 있을 것이나 모형실험과 유한요소해석을 적절히 조화시켜 지반의 침하량 및 변형률을 예측한다면, 실제 시공에서 지반의 침하와 토목합성재료의 손상을 최소화 할 수 있는 결과를 가져올 것이라고 생각된다.

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