E.P.S 工法 (Expanded Poly Styrene)

E.P.S 工法 (Expanded Poly Styrene) EPS 공법은 경량성토공법의 일종으로 건출불의 보온단열재로 사용되고 있는 발포폴리스틸렌의 경량성, 자립성의 특징을 이용하는 공법으로 토목구조물에 하중으로 작용하는 흙의 중량을경감시켜 지반개량과 동일효과를 얻을 수 있는 공법으로 지반상태가 불량한 연약지반과 매립지에서 지하구조물의 기초, 배수관 기초, 옹벽 뒷채움 부위에 적용됨으로써 경제성, 안정성, 시공성 등이 확보 될 수 있다. Ⅰ. 개요 E.P.S 공법은 하중저감공법의 하나로 1982년 노르웨이 국립도로 연구소(NRRL)에 의해 최초로 연약지반 도로 성토에 사용, 만족한 성과를 거둔 이래 많은 시공이 성공적으로 평가되었고 1985년 노르웨이 오슬로에서 본 공법에 대한 국제회의가 개최되었다. 일본에서는 1985년 삿뽀로시 교량 뒷채움 보수공사에 본 공법을 도입한 이래 '91년 현재 200여건의 시공 실적이 있고, 네달란드, 독일, 스웨덴, 프랑스등 유럽지역과 미국, 캐나다 등지에서도 연구 및 실제 적용이 활발히 이루어지고 있다. 본 공법은 초기에 성토된 흙의 하중과 공용시 가해지는 교통하중등 증가된 설계하중량 만큼의 흙을 초경량재(20∼30㎏/㎥)인 E.P.S로 치환하여 유효응력의 증가량을 없게 하거나 최소화함으로써 지지력과 침하에 대한 안정성을 확보키 위한 연약지반상의 경량 성토용으로 주로 응용되었다. 현재 E.P.S의 자립성등의 성질을 이용 옹벽, 뒷채움재, 응급복구용 등 적용방법이 다양화되어 있고 또 계속 연구중이다. 이 장에서는 사용재료의 특성을 파악하여 본 공법의 이해를 돕고 이것을 기초로 설계시 고려되어야할 사항을 정리, 실제 설계예와 시공법을 소개하고 끝으로 지하구조물, 옹벽에의 적용성을 검토하였다. <그림 1> E.P.S 제조과정 Ⅱ. 재료 1. 제조과정 (1) 원료 원료인 E.P.S Beads는 Polystyrene에 저비점 휘발성 발포제를 가하여 만든 것으로 영을 가하면 Polystyrene은 연화되며 동시에 발포제는 팽창하여 무수히 많은(50∼100개/㎣)독립된 Cell의 구조를 갖는 입자로 팽창하게 되며 냉각이 되면서 경화되어 압축특성을 갖게 된다. (2) 성형법 금형내에서 성형하기전 E.P.S Beads를 예비발포 유무에 따라 1단발포 성형법과 2단발포 성형법으로 구분된다. 본 연구 보고서에는 2단 발포 성형법에 한하여 살펴본다. ① 예비발포 E.P.S Beads에 수증기 (90℃)를 가하여 필요로하는 밀도까지 예비 발포시킨다. 이때 발포배율이 과다하거나 수증기의 온도가 너무 고온이어서 예비발포과정이 불량한 경우 <사진1>과 같이 Cell의 구조가 파괴되어 흡수율 및 강도특성이 불량해질 수 있다. ② 숙성, 양생 예비발포가 완료된 것은 통풍이 잘되는 싸이로에 반송시켜 약24시간 숙성과정을 거친다. 이 과정에서 입자내의 발포제와 공기의 교환이 일어나며 입자내에 약간의 발포제가 남아있는 상태가 된다. ③ 가열성형 숙성이 완료된 입자는 성형틀에서 증기에 의해 입자표면이 용융, 압착되는 융착과정을 거쳐 성형된다. 성형품을 손으로 절단시 입자표면을 따라 절단된 것은 융착이 불량한 것이며 흡수율, 열전도, 전단, 인장강도등의 특성이 불리해 진다. ④ 냉각 성형이 끝나면 잠열에 의한 발포의 진행을 막기위해 냉각을 시킨다. ⑤ 건조 성형틀에서 나온 E.P.S 블록은 창고에서 건조시키고 주문자의 요구에 따른 치수로 재단하면 완제품이 된다. <표1>은 KSM 3808에 있는 비드법의 E.P.S 품질기준이다. <표1> 품질기준(KSM 3808 '93비드법-보온판 기준) 종 류 밀 도 ㎏/㎥ 열전도율 (평균온도 20±5℃) Kcal/m·h·℃ 굽힘강도 kgf/㎠ 압축강도 kgf/㎠ (10% 변형) 흡수량 g/100㎠ 연 소 성 보 온 관 1호 30이상 0.031이하 3.5이상 1.6이상 1이하 3초이내에 불꽃이 꺼져서 찌끼가 없고, 연소한계선을 초과하여 연소하지 않을것. 2호 25이상 0.032이하 3.0이상 1.2이상 3호 20이상 0.034이하 2.2이상 0.8이상 4호 15이상 0.037이하 1.5이상 0.5이상 1.5이하 2. E.P.S의 물리적 성질 (1) 압축강도 압축강도(변형속도 10%min)는 밀도와 거의 정비례 관계에 있다. 이때 직선의 기울이는 원료인 Beads는 생산회사마다 다소 차이가 있는데 이는 생산되는 Polystyrene의 분자량의 크기에 따른 것이다. <그림2>는 E.P.S 압축강도의 전형적인 하중-변형율 곡선이다. 또한 E.P.S의 탄성영역은 변형율 1∼2% 범위이며 밀도가 클수록 탄성영역이 넓어지는 경향이 있다. 밀도가 클수록 5%변형시 또는 10%변형시 압축강도에 대한 탄성한계비율은 증가하며 건설용재료로 주로 쓰이는 3호(밀도 0.020g/㎥)이상에서 10% 강도에 대한 비율이 원형시편과 구형시편에서 50% 이상임을 알수 있다. <그림2> E.P.S 변형율-압축강도곡선 <그림3> 인장강도 (2) 인장강도 압축강도의 2.5∼3배로 <그림3>은 10%/min의 변형속도로 시험한 결과이다. (3) 동적하중 노르웨이 국립도로 연구소(NRRL)에서는 실험결과에 의하면 압축강도의 80%하중에 대해서 거의 무한한 반복하중을 견딜 수 있는 것으로 나타났다. 또한 변형량을 점점 증가시키며 반복적으로 하중을 주는 실험에서 변형량이 약 2%를 넘어서면서부터 소성변형을 일으키며 영구변형이 발생되었다. <그림4> 반복재하실험 <그림5> 마찰계수 시험 (4) 마찰특성 E.P.S와 흙 및 E.P.S 접촉면에 발생하는 마찰계수는 약 0.66이다. (<그림5> 참조) (5) 흡수율 흡수율은 밀도가 증가할수록 적어지나 이 관계가 반드시 성립하는 것은 아니다. Beads의 1차발포 불량 또는 성형과정중 융착의 불량으로 흡수율이 매우 높아 질 수 있으나 일반적인 성향은 그림과 같다. <그림7> 침수기간에 따른 물성시험 (6) 침수기간에 따른 물성변화 침수기간에 따른 압축강도와 흡수율의 변화를 64일간 시험한 결과 압축강도에는 변화가 없었고 흡수율은 계속증가하나 증가속도는 현저히 감소하는 경향을 보였으며 노르웨이에서 시공후 9년이 경과한 시료를 채취하여 시험한 결과 9%의 흡수율을 보였다는 보고가 있다. (7) 삼축압축시험 파괴포락선의 기울기가 "-" 인 매우 특이한 특성을 보이고 있는데, 이로써 인장력이 압축력보다 우수한 인장재임과 구속응력에 따른 강도증가가 매우 적음을 알 수 있다. <그림8> E.P.S 삼축압축실험 (8) 밀도 E.P.S의 진비중은 Cell구조를 구성하는 Polysyrene의 비중과 같으며 1.04로 상온에서 물의 비중과 비슷하다. (9) 크리프 5% 강도의 50%, 60%, 70%의 응력을 가하고 시간의 경과에 따른 변형량을 측정한 결과 5% 강도의 50%하중에선 초기변형 이외에 장기 변형은 일어나지 않았고 5% 강도의 60%이상 하중에서 변형이 계속 일어남을 관찰할 수 있었다. 따라서 장기하중에 대한 안정성 확보를 위하여 사용하중을 탄성한계 이내로 하여야 함을 알 수 있다. (10) 포아송비 시험결과 포아송비는 탄성영역 내에선 수직변형율과 비례적으로 증가하여 수직변형율 1%범위에서 최대치를 보이나 수직변형율이 소성영역에 들어서면 다시 감소하는 경향을 보이고 있다. 이것은 상재하중에 의해 발생되는 측압이 탄성한계에서 최대를 보이고 그 이상 하중에선 오히려 측압이 감소함을 의미한다. 3. E.P.S의 화학적 특성 (1) 내열성 E.P.S는 열을 가하면 수축변형을 일으키나 70℃이 하에서는 변형이 일어나지 않는다. <그림9> E.P.S내열성 시험 (2) 내화성 Polysturene은 가연성이나 E.P.S제조시 소화제를 첨가하여 제조되며 화원에서 떨어져 3초이내에 불이 꺼지는 난연성 제품의 사용함을 원칙으로 한다. (3) 내화학성 E.P.S의 내화학성은 원칙적으로 구성재료인 Polystyrene의 성질과 동일하다. <표2>는 각종화학약품에 대한 내약품성이다. <표2> E.P.S의 내약품성 4. 기타 (1) 미생물 일본의 E.P.S 개발기구가 화학품 검사협회에 의뢰하여 실시한 미생물 붕괴성 평가시험 및 곰팡이 항균성 시험에 의해서도 E.P.S는 자연상태에서 매우 안정된 상태임이 확인되었다. (2) 소동물 E.P.S는 단열성이 매우 우수한 자재로 동절기에 따뜻한 곳을 찾아 쥐 또는 두더지 등이 들어올 가능성을 배제할 수 없다. 특히 쥐는 호기심이 강한 동물이어서 시험실에서 시험한 결과 실제로 갉아 먹음이 확인된 바 있다. 그러나 소동물에 의한 실제적 피해사례가 보고된 적은 1건도 없다. (3) 흰개미 흰개미는 잡식성으로 거의 모든 건축자재(목재, 각종 합성수지, 종이류, 고무류, 벽돌, 콘크리트)에 히해를 입힌다. 그러나 실험결과 E.P.S만이 있는 곳에선 지속적인 생식이 불가능하며 또한 흰개미의 피해가 문제시된 사례가 보고된 적은 1건도 없다. Ⅲ. 설계 1. 토압 E.P.S배면의 지반구배는 안정구배 이하인 것이 바람직하고 이때의 토압은 고려치 않는다. 이를 만족시키지 않는 경우 토압을 고려해야 하며 토압 산정은 시행 쐐기법으로 산정한다. 사질토에서 토압의 산정은 간편 계산법으로 다음의 도표를 사용할 수 있다. (<그림10> 참조) 2. 상재하중 <그림10> 토압 간이계산법 설계시 고려될 상재하중은 일반적으로 E.P.S 상부에 놓이는 포장, 도로시설 및 성토자중(사하중)과 교통하중(활하중)으로 구분된다. <표3> 재료별 단위체적 중량 종 별 단 위 중 량 비 고 점 질 토 ㎏∼㎥ 1,600 자연상태 일 반 토 사 〃 1,700 〃 철 근 콘 크 리 트 〃 2,400 무 근 콘 크 리 트 〃 2,300 아 스 콘 (#78) 〃 2,300 다져진상태 〃 (#57) 〃 2,320 〃 〃 (#467) 〃 2,340 〃 혼 합 골 재 A 급 〃 2,270 〃 〃 B 급 〃 2,100 〃 ※ 사하중은 단위 체적 중량은 다음 값을 기준으로 설계한다. <표4> 설계기준강도 구분 종류 K S 규 격 실험결과 (압축강도) 설계강도 (㎏/㎤) 밀도 (㎏/㎥) 압축강도 (㎏f/㎤) 5%변형 (㎏f/㎤) 10%변형 (㎏f/㎤) 단성한계 (㎏f/㎤) 강도비 (%) 1 호 30 1.6 1.80 1.95 1.3 67 0.8 2 호 25 1.2 1.55 1.75 1.0 57 0.6 3 호 20 0.8 1.25 1.40 0.7 50 0.4 4 호 15 0.5 0.70 0.85 0.4 47 0.25 강도비 = 탄성한계/10% 변형압축강도 x 100 3. E.P.S 자중 E.P.S의 자중은 15㎏/㎥∼25㎏/㎥으로 다양하며 상재하중에 따른 소요강도에 따라 단위중량을 결정하여야 한다. 일반적인 성토용 E.P.S는 20㎏/㎥을 주로 사용하고 있다. 설계시 적용자중은 부력고려시 자중을 고려하지 않고 압밀, 치환 깊이 등의 계산시 흡수율을 고려 100㎏/㎥을 적용한다. 4. E.P.S 설계기준 강도 E.P.S블럭은 KS규격에 의하여 생산되고 있으며 압축강도 실험자료를 분석한 결과 3호의 경우 10% 변형 압축강도에 대한 탄성한계비는 약 50%이며 이 비율은 밀도가 클수록 증가하였다. 또한 기준밀도시 실축된 압축강도가 KS기준 강도보다 20∼50%정도 큼을 감안하여 KS에 규정된 강도기준의 50%를 설계기준 강도로 함이 충분히 안전한 값이다. E.P.S의 설계기준 강도는 <표4>와 같다. 5. E.P.S 측압 측압은 사용목적에 따라 고려하여야 한다. 측압의 발생은 E.P.S가 하중을 받을 때 수직변형에 따른 횡방향의 변위로 발생하며 상재하중의 0.1정도임을 실험을 통해 알 수 있다. <그림11>은 상재하중 증가시 벽체에 작용하는 E.P.S의 측압을 측정한 것이다. 그러나 배면 경사가 흙의 안식각보다 작고 E.P.S 블록을 벽체와 띄워 설계하는 경우 측압은 0과 같다. 실제로 노르웨이에서 시공한 Lambertseterveien 교대에 교대와 도로의 단차 및 수평토압을 줄이기 위해 E.P.S뒷채움을 하였다. 시공도중 E.P.S성토와 교대사이에 틈이 발생하였는데, 7년이 지난 후 E.P.S와 교대의 틈을 측정한 결과 틈이 여전히 존재하였다. <그림11> E.P.S 블록의 측압시험 6. 부력 부력에 대한 검토는 부상에 의한 파괴면을 수직으로 보고 저항하중은 상재하중만을 고려하여 E.P.S의 자중은 무시한다. 안전율은 1.2로 하며 파괴면에 발생하는 전단저항을 무시한다. <그림12> 부력 7. 침하에 대한 교통하중의 영향 연약지반에서 발생되는 침하에 대하여 사하중에 대한 해석은 가능하며 침하량, 참하속도를 산출할 수 있으나, 하중의 거동이 불규칙적인 활하중에 대한 연구 결과는 없는 실정이다. <그림13>은 저성토 도로의 관측으로 얻은 침하량 곡선을 근거로 성토두께에 따른 교통하중의 영향을 평가하여 그 크기를 성토하중으로 치환된 값을 나타낸 것이다. <그림13> 교통상당 하중과 성토두께와의 관계 예를 들어 성토고 3m의 저성토가 계획되어 있을 때 교통하중에 상당하는 압밀하중은 2∼3ton/㎥가 추정된다. 8. 포장 E.P.S성토 상부의 포장설계는 교통하중, 노상 강도 및 기상조건을 고려하여 구조를 결정한다. 일반적으로 E.P.S상부 보호층에는 철근 콘크리트 슬라브가 이용되며 설치목적은 지지력 보강 및 스치로폴 상부의 노반 시공성 확보에 있다. 이때 사용되는 콘크리트는 σ28 = 210㎏/㎤이고 사용철근은 φ5mm, 15 x 15㎝인 철망을 사용하며 이렇게 구성된 노반은 단위중량 20㎏/㎥인 E.P.S사용시 C.B.R 8%를 기준으로 포장구조를 설계한다. Ⅳ. 시공법 본 장은 E.P.S의 성토공법 시공시 기본적으로 고려 할 사항과 표준적인 시공방법에 대하여 기술하고 있으며 실제 설계시 참고자료가 될 것을 목적으로 하고 있다. 또한 이 장의 내용은 이제까지의 시공실적을 근거로 한 것이다. <그림14>는 E.P.S성토공법의 표준적인 작업흐름도이다. <그림14> E.P.S 성토공법의 표준작업 흐름도 (1) 경사 지반상의 굴착 굴착면은 활동을 방지하기 위해 <그림15>와 같이 층따기를 실시, E.P.S가 사면에 파고들게 하여야 한다. 사면이 암반일 때는 지형의 상황에 따라 층따기의 폭과 높이를 적당히 축소할 수 있다. <그림15> 경사지 층따기 시공상의 유의점 · E.P.S와 층따기부의 배수를 고려 추수성이 좋은 재료로 되메움하여 충분히 전압한다. · 용수가 많은 경우 층따기 면에 맹암거용 부직포를 설치할 필요가 있다. · 지반이 암반인 경우 E.P.S블럭과 암반 경계부가 잠재적인 활동 파괴면이 되지 않도록 유의 한다. (2) 배수공 시공시 지하수위를 E.P.S 블록까지 수위를 상승시키지 않도록 하며 침투수 등의 유입수를 신속히 배수시킨다. (3) 기반공 기반공은 E.P.S를 설치하는 시공기면의 시공을 말한다. E.P.S는 원칙적으로 수평면에 설치하는 것을 원칙으로 하며 기반층의 최상층을 수평고르기층이라 한다. 수평면의 조정은 일반적으로 모래를 포설하는 것으로 하며, 연약지반에서는 모래층 하부에 자갈층 혹은 간이 안정처리를 사용해서 기반을 시공하기도 한다. 시공상의 유의점 · 모래의 포설은 어디까지나 수평고르기의 목적으로 사용되며 소요 최소의 두께로 한다. · 포설된 모래는 콤팩터 다짐을 실시한다. (4) E.P.S의 반입 및 보관 ① 반입 · 반입된 E.P.S는 밀도, 압축강도 등의 품질확인을 거친 후 가능한 설치장소에 근접한 곳에 하차한다. · 야적시 용적이 크므로 공사진척상황, 보관관리능력을 충분히 고려하여 반입량을 결정한다. ② 보관 · 일주일 이상 태양광선에 노출시킬 것이 예상되는 경우 시트 등으로 덮어두어야 한다. · 바람에 의한 비산 방지 대책을 한다. · 화기, 인화물질이 가까이 하지 말아야 한다. (5) E.P.S설치공 설치시 제1층(최하층)의 시공에 가장 주의하여야 한다. 시공상 유의점 · 최하층 불럭에 특히 단차가 발생하지 않도록 유의 해서 시공한다. · 최하층 설치면은 반드시 마른 상태로 유지, 관리하도록 한다. · E.P.S블럭의 단차 발생시 비빔 모르터 등으로 면을 정정한다. · E.P.S의 줄눈은 2층이상 연속해서 중첩되지 않도록 설치한다. (6) 결속 결속은 연결죔에 의한 방법과 접착제에 의한 방법이 있다. ① 연결죔쇠에 의한 방법 블릭은 그림에 표시한 연결죔쇠로 고정한다. · 연결죔쇠는 양손톱형과 한쪽 손톱형이 있으며 설치 방법은 <그림16>과 같다. ② 접착제에 의한 접속방법 · E.P.S접착용은 에폭시 또는 우레탄계로서 1액형 또는 2액형을 사용한다. ③ 최하층의 고정 · 또한 제1층(최하층) 및 사면절단부(층따기)에서는 E.P.S블럭에 L형핀을 설치하여 지반에 고정시킨다. 치수 및 시공방법은 <그림17>과 같다. <그림16> 연결죔쇠의 종류 및 설치방법 <그림17> L형핀 설치방법 (7) 가공 E.P.S의 가공은 공장에서의 가공을 원칙으로 한다. 구조물과의 접합부 등 현장내 가공은 열선(니크롬선)을 사용하여 시공한다. (8) 기타 유의사항 · 시공중에는 트럭 및 기타 중기를 직접 E.P.S위에 주행시켜서는 안된다. · 쌓아올린 높이가 2.0m 이상이 되면 전도 방지처리를 하여야 한다. · 화기에 주의한다. · 연결죔쇠 또는 접착제에 의한 결속 작업은 상부 E.P.S설치전에 실시한다. (9) 콘크리트 상판공 콘크리트 상판공은 E.P.S성토부 상단 및 설치고 높이에 따라 중간부에 설치하는 콘크리트 층을 말한다. ① 설치목적 · 교통, 상재하중을 균등하게 분산 · E.P.S의 단차 수정 및 상판 하중에 의한 일체화 · 유해물질의 침투방지 · 원지반, 앵커, 벽면공 등 설치시 고정장소로 이용 · 상부 도로 포장의 시공기면으로 설치 ② 시공시 유의사항 · 상판의 2∼3m마다 1개소 설치함을 원칙으로 한다. · 보통 용접 철망(#8 150 x 150mm 2겹 깔기)을 중앙에 배근하여 균열에 저항하도록 한다. · 타설은 콘크리트 펌프차로 함을 원칙으로 한다. · E.P.S성토는 부력에 취약하여 신속히 노반 복토공을 시공하는 것이 중요하므로 조강시멘트가 바람직하다. · 종, 횡단 방향의 접속부는 지지력의 불연속을 피하기 위하여 상판 설치 구간을 연장한다. <그림18> 상판공 연장 (10) 벽면공 도로 확폭 또는 경사면 성토시 E.P.S 벽면 부위에 작용하는 외부의 손상에 대한 보호 목적으로 설치한다. · 태양광선에 의한 변색 및 풍화방지 · 주변의 화재 및 유의 용제에 의한 피해 방지 · 물리적 충격에 의한 파손방지 (11) 비탈면공 비탈면의 단면은 <그림19>를 참고로 하며 설치목적 및 시공상 주의점은 다음과 같다. ① 설치목적 · E.P.S비탈면의 보호(유해물질의 침투, 주변화재료부터 보호, 자외선 차단 등) · 비탈면의 식생기반 · 비탈면의 압성하중 효과 ② 시공상 유의점 · 복토 두께는 50㎝ 정도로 하며 최저 25㎝ 이상이어야 한다. · 복토 두께는 전체에 균등한 하중이 작용하도록 유의하며 특히 연약지반에서 복토 두께가 과다하면 복토부의 침하가 발생하므로 주의를 요함 <그림19> 비탈면공 (12) 시공품 - 표준 작업원 구성과 작업내용 작 업 명 편 성 원 작 업 내 용 작 업 반 장 1명 EPS 소 운 반 2명 30m당 1편성 EPS 설 치 5명 설치, 연결죔쇠설치, 단차처리 EPS 절단가공 1명 열선 가공, 절단 - EPS 설치품 (1㎥당) EPS 시 공 수 량 구분 단위 500㎥미만 500㎥∼ 1,000㎥ 1,000㎥ 최하층 2층이상 특별인부 인 0.030 0.020 0.020 0.015 보통인부 〃 0.167 0.097 0.097 0.083 1일 작업 8시간 기준 모래포설 및 결속철물 설치품 포함 - 운반품 (1㎥당) (작업원 2인, 운반거리 30m) 구 분 단 위 수 량 보 통 인 부 인 0.04 Ⅴ. 설계예 1. 경량성토공법 설계예 (1) 흐름도 < 그림20 참조> <그림20> 연약성토 설계 작업 흐름도 (2) 계산예 ① 설계조건 · 성토 형상 및 토층구조, 지하수위는 <그림21>과 같다. · 사용 E.P.S는 3호로 단위중량 = 20㎏/㎥, 설계기준강도 qa = 4ton/㎥ · 연약층의 압밀특성은 <그림21>과 같다. · 허용 침하량 : 10㎝ · 부력 및 활동에 대한 안전계수 = 1.2 · 성토 두께에 대한 교통하중 영향 w = 2.0ton/㎥으로 한다. · 차륜 최대하중은 DB18ton으로 하며 후륜 하중 -7.2ton, 후륜 접지폭 = 0.5m, 후륜 접지장 = 0.2m · 포장구조 결정은, C.B.R = 8%, C교통량 기준이며 이때 포장구조는 다음과 같다. 구 분 단위중량(ton/㎥) 성토고(m) 포 장 층 r1 = 2.2 h1 = 0.5 보 호 층 r2 = 2.4 h = 0.1 하 중 분 포 층 r3 = 2.1 - <그림21> 구조물 단면 및 지반의 압밀특성 ② E.P.S 응력도 검사 P = P1 + P2 P : E.P.S상면에 전달되는 응력 P1 : 사하중 P2 : 윤하중에 대한 영향응력 P1 = 11h1 + 12h2 = 2.2 x 0.5 + 2.4 x 0.1 = 1.34ton/㎥ ∴ P = P1 + P2 = 1.34 + 3.93 = 5.27 〉4(NG) 여기서 q : 차륜 최대하중 (ton) I : 충격하중계수 (0.3적용) B : 접지폭 L : 접지장 H : h1 + h2 따라서 보조기층 밑에 10㎝의 하중분포층을 넣어 하중을 분산시킨다. ③ 치환두께 결정 치환 깊이는 치환 저면에서의 성토에 의한 응력 증가가 없는 깊이까지 계산한다. 임의의 깊이 D까지 치환할 때 Q1 = W + p1 + 1e(He+D) Q2 = rs x D 교통하중 및 성토하중에 의한 응력 증가량이 △δ= 0 이 되려면 Q1 = Q2 여기서, Q1 : 치환 깊이까지의 상재하중 Q2 : 치환된 흙의 무게 W : 교통하중 P1 : 포장 구조물 하중 re : E.P.S단위 중량 He : H - 포장두께 = 3 - 0.9 = 2.1m D : 치환의 깊이 r : 흙의 단위 무게 ④ 부력에 대한 안정검토 적용수위는 설계시 최고 수위를 적용하며, 교통하중과 E.P.S의 자중, 지반내의 마찰력은 안전측을 고려 무시 $$ Fs ≤ P u 이어야 하며, P : 상재하중 u : 부 력 Hw : 지하수위 밑의 E.P.S 두께 P = P1 = 1.97 u = rw·Hw = 1 x (2.79 - 0.2) = 2.59 ∴ P/U = 1.97/2.59 = 0.76〈 1.2(NG) 따라서 Fs ≥1.2 되도록 E.P.S의 두께 감소 P/U = 1.97/1(D - 0.2) = 1.2 ∴ D = 1.84 ≒ 1.8(m) ⑤ 침하에 대한 검토 성토에 따른 응력증가 △δ = δ1 - δ2 에서 δ1 = 2.0 + 1.97 + 0.1 x (2.1 + 0.2) = 4.20 δ2 = 1.6 x 1.8 = 2.88 ∴△δ = 4.20 - 2.88 = 1.32ton/㎡ 압밀층의 두께 = 4 - 1.8 = 2.2m 점토층 중앙부의 유효응력 P0 = 1.6 x 0.2 + (16-1) x 2.7 = 1.94ton/㎡ 상재하중을 포함한 유효응력 P1 = P0 + △δ = 1.94 + 1.32 = 3.26ton/㎡ 에서 E0, E1은 <그림21>(b)에서 P0,P1에 해당하는 값으로 E0 = 3.01, E1 ≒ 2.90 ∴ 침하량 = 3.2cm〈 10cm(OK) <그림22> E.P.S 설치 단면도 2. 지하구조물에 적용 설계법의 순서는 경량성토공법의 <그림20>과 동일하다. 그러나 경량성토공법과 설계시 차이점은 다음과 같다. · 부력에 대한 대책 : 구조물 저판에 Key를 두어 부력에 대한 저항성을 높인다. · E.P.S 블록내의 하중분포는 1:2 분포법으로 한다. 설계구조 · 구조물 단면은 <그림23>과 같다. ·구성채의 단위중량은 다음과 같다. 구 분 단위중량(ton/㎡) 포 장 흙 철근콘크리트 무근콘크리트 r1 = 2.2 r2 = 1.6 r3 = 2.4 r4 = 2.3 사용 EPS(1호) 단위중량 = 30㎏/㎥ 설계기준강도 = 0.8㎏/㎠ <그림23> 구조물 단면도 <그림24> EPS 설치 단면도 공동구 중량 Wc = A3 x r3 + A4 x r4 = ((2.0 + 1.6) x 2 x 0.2 + 0.152) x 2.4 + 0.1 x 2 x 2.3 = 3.97ton E.P.S 접지압 Q = q + r1 x H1 + r2 x H2 + Wc/B = 2.9 + 2.2 x 0.5 + 1.6 x 0.5 + 3.97/1.8 = 7〈 8(ton/㎥) O.K 치환깊이 결정 Q1 = Q + 0.1D Q2 = 1.6 x (3.3 + D) Q1 : 구조물의 하중 Q2 : 치환된 흙무게 구조물에 의한 응력의 증가가 없으려면 Q1 = Q2 7 x B/(B + 2 x D x 0.5)+ 0.1D = 1.6 x 3.3 + 1.5D 7 x 1.8/(1.8 + 2 x D x 0.5) = 5.28 + 1.5D ∴ D = 0.36 따라서 치환깊이 40cm로 결정 부력에 대한 검토 Fx = P/U = (7 - 2.9)/(3.1 + 1.4) 1.17 〈 1.2 NG P : 교통하중을 제외한 사하중 U : 기초저면의 간극수압 기초 저판에 B'폭의 Key를 설치 상재하중을 증가 (7 - 2.9) x 1.8 + 1.6 x 3.2 x B' ≥ 1.2 x (3.1 + 0.1) x 1.8 + B'x 3.1 B' ≥ 0.09(m) Key를 양측에 10cm씩 설치 O.K 유효응력의 증가가 없으므로 침하에 대한 검토 생략 3. 옹벽에 적용 (1) 설계조건 · 점성토의 표준관입 시험치 N = 4 · 파일은 N ≥50인 풍화암 상단까지 관입 · 사용파일은 ф406, t = 9mm 강관파일로 토압은 파일 직경폭만큼 작용 · 상怯의 앵커역할은 무시 · E.P.S 배면경사는 흙의 내부 마찰각으로 토압 무시 · 지하수위 없음 · 구조물의 단면은 <그림25>참조 <그림25> 구조물 단면도 <그림26> 토압분포 (2) 토압 P1 = q x Ka x B = 1 x 0.271 x 2 = 0.54 ton/m P2 = P1 + r1 x H1 x ka x B = 0.54 + 2.2 x 0.65 x 0.274 x 2 = 1.32ton/m P3 = (q + r x H1 + r2 x H2) x B/10 = (1 + 2.2 x 0.65 x 2.3 x 0.15) x 2/10 = 0.57ton/m ton/㎡ P4 = P3 + r3 x H3 x B/10 = 0.56 + 0.02 x 2.2 x 2/10 = 0.57ton/m - 지표면의 하중 q' = q + r1 x H1 + r2 x H2 + r3 x H3 = 1+ 2.2 x 0.65 + 2.3 x 0.15 + 0.02 x 2.2 = 2.82ton/㎡ - 지중파일에 작용하는 토압 δa = (q' + + r x D) x Ka - 2 x C δp = r x D Kp + 2 x C P5 = (rp - ra) x B' = (4 x C -q') x B' = (4 x 4 - 2.82) x 0.4 = 5.27ton/㎡ ※ Ka = Kp =1 - 바닥에 작용하는 토압 δa = r1 x D x Ka - 2 x C δp = (q'+r x D) Kp + 2 x C P6 = (δp - δa) x B' = (4 x C x q') x B' = (4x 4 + 2.82) x 0.4 = 7.53ton/㎡