1. 서 론
2. 지오그리드 인발 시험
2.1 인발 시험 구성 및 제원
2.2 시료의 기본 물성 및 지반 조건
2.3 시험방법
3. 시험 조건
4. 실험 결과
4.1 변위제어 반복하중 재하시 인발거동
4.2 하중제어 반복하중 재하시 인발거동
5. 결 론
1. 서 론
이미 일반화되어 있는 지오그리드를 이용한 보강토 구조물은 기존 콘크리트 옹벽 대비 장단기 및 지진 시 안정성은 물론 우수한 시공성 및 공사 기간 단축 등의 장점을 인정받고 있다. 그 예로, 일본에서는 고속열차 노선을 비롯한 다양한 구조물에 지오그리드를 활용한 영구적인 보강토 옹벽(GRS)을 건설되고 있으며, 최근 잦은 지진 및 자연재해로 인해 붕괴된 기존유형의 벽체 및 제방을 보강토 옹벽으로 대체하는 사례도 있다(Tatsuoka et al., 2012). 이러한 보강토 구조물은 철근 콘크리트 구조물 보다 유연 거동 확보가 가능하여 우수한 동적 성능을 보이는 것으로 연구된 바 있다(Tatsuoka et al., 1995; Ling et al., 2001; Kato et al., 2002). 또한, 지오그리드 보강토 구조물 개념을 적용함에 따라 전면 벽체의 슬림화를 통해 콘크리트 벽체를 블록식 혹은 패널식 벽체로 대체함으로 콘크리트 사용량을 줄일 수 있어 탄소 배출량을 줄이는 지속 가능한 공법으로서 인정받고 있다.
지진 시 혹은 철도/도로 분야에 보강토 구조물을 적용할 경우 지진하중 및 교통하중 등 일정 기간 혹은 장기간 반복적인 하중에 노출되므로 보강토 구조물의 내외적 안정성 확보를 위해 반복하중 특성을 설계에 반영하는 것이 매우 중요하다.
반복하중 작용 시 보강토 구조물의 내적안정성 확보에 필요한 보강재의 인발저항 메카니즘 이해를 위한 많은 연구가 진행된 바 있다. 현재까지는 반복하중 하에 인발시험이 주로 0.5Hz까지의 반복주기로 보강재와 지반의 마찰에 대하여 연구가 진행되어 왔다(Yasuda et al., 1992; Raju and Fannin, 1997; Nayeri et al., 2009; Vieira et al., 2020). 또한, 상대밀도 및 수직응력에 따른 마찰특성 연구가 진행되어, 보강재와 지반의 상호관계에 영향을 미치는 것으로 알려진 바 있다(Nayeri et al., 2009). 더 나아가, 다양한 연구에서 동적, 정적 인발시험을 통해 영향인자를 변수(수직하중, 진폭, 반복주기 등)로 적용하여 구조물의 안정성을 확보하기 위한 연구가 진행되고 있다(Wilson-Fahmy et al., 1995; Ahmadi and Nikbakht Moghadam, 2017). Moraci et al.(2009)는 HDPE 보강재를 이용하여 반복하중 작용 시 주파수를 0.1hz와 0.05hz에서 비교분석 한 결과 다소 낮은 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 진폭의 효과는 높은 수직응력에서도 인발의 결과를 유발하는 것으로 언급한 바 있다. 또한, 인발시험에서 반복하중 작용 시 단순 재하하중 작용 보다 최대 인발 저항력 및 마찰계수는 감소되는 효과를 가져오며, 보강재의 크리프 변형을 일으킨다(Cardile et al., 2019). 이러한 크리프 변형은 보강재의 장기적인 구조물의 안정성을 높이며, 지반과 보강재의 상호작용으로 구조물의 수명을 향상시킨다. 이와 더불어 보강재의 인발 강성도는 지반과의 인터페이스 강도를 나타내는 중요한 요소로 구조물설계 시 중요하게 평가되고 있다(Moraci et al., 2012; Cardile et al., 2016). 따라서 보강재와 모래의 특성을 파악하고, 인발 시험을 통해 안정성을 평가할 수 있다. 특히 보강재와 모래의 마찰특성은 안정성을 강화하는 데 중요한 인자이며, 인발시험 및 전단시험을 통해 마찰특성의 매커니즘을 실험적 연구를 할 수 있다(Vieira et al., 2013; Choudhary et al., 2016; Park et al., 2017; Hegde and Roy, 2018). 더불어 보강토 구조물 설계 시, 인발 강성도와 인발력을 적절하게 분석하는 것 또한 필수적인 요소다. Mahigir et al.(2021)는 점토 및 모래에서의 인발 저항을 비교하였다. 점토 함량이 증가하면서 지속 및 동적 인발 저항이 증가한다는 언급한 바가 있으며, 반복하중 작용 시 반복주기를 조절하는 것이 인발 저항에 크게 영향을 미치지 않는다고 제기한 바 있다. 일본에서 철도 설계기준을 기반으로 보강재의 인발특성을 파악하기 위해 동적조건의 인발시험을 진행하였다. 그 결과, 구속압이 클수록 인발 강성도가 증가하며, 상대변위가 증가할수록 인발 강성도는 감소하는 것을 확인했다(Watanabe et al., 2022). 본 연구에서는 폴리에스터 지오그리드를 높은 반복하중 주파수에 대한 인발 저항력과 마찰특성에 대해 파악하고, 높은 수직응력 하에서 진폭이 마찰특성에 미치는 영향을 평가하고 고찰하였다.
위에 제시된 많은 연구들을 통해 반복하중 시 지오그리드 보강재의 인발저항 메카니즘에 관한 이론 정립을 통해 이해도가 높아졌으나 대부분의 연구에서는 낮은 주파수에 국한함에 따라 연구 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 변위제어 혹은 하중제어 형태로 반복작용이 작용하는 모래지반에 포설된 지오그리드에 대한 인발하중 시험 결과를 제시하였다. 인발시험에서는 인발하중의 주파수 및 진폭, 그리고 반복횟수 등을 변화시켜 다양한 반복하중 특성을 고려하였으며 이에 따른 최대 인발저항력 및 일발 강성도 등의 변화 경향을 분석하였다.
2. 지오그리드 인발 시험
2.1 인발 시험 구성 및 제원
Fig. 1(a)는 본 연구에서 사용한 인발시험장치를 보여주고 있다. 인발시험장치는 크게 3단 토조박스, 수직 공압시스템, 그리고 수평 하중 액추에이터로 구성되어 있다. 3단 토조박스의 크기는 가로×세로×높이가 40cm×60cm×50cm이며 1, 2단 박스에 흙 시료 및 지오그리드를 설치하고 상단 박스(3단)는 공기를 주입하여 컨트롤 시스템으로 수직 압력을 공기압으로 가할 수 있도록 되어있다. 공기압력은 콤프레샤와 압력조절장치를 사용하여 지정된 압력을 일정하게 조절할 수 있게 되어 있으며 최대 작용 가능 공기압은 200kpa이다. 1, 2단 박스 사이에는 지오그리드의 인발을 위해 인발방향의 전, 후면부에 폭 8mm의 슬리트(틈)을 설치하였으며 하중 재하에 따른 흙 시료의 유실을 방지하고자 슬리트 틈에 3mm 고무패드를 설치하여 슬리트의 폭을 5mm로 감소시켜 실험을 진행했다.
수평 인발시스템은 변위 및 하중 조절 시험이 가능하며 동적 및 정적 조건을 수행할 수 있도록 구성되어 있다. 수평 인발 시스템의 최대 인발 하중 및 변위 용량은 각각 5,000kgf 및 200mm이다(Table 1). 아울러 반복하중조건 시 정현파를 적용하여 주파수(frequency)는 10mm기준 5Hz까지 구현이 가능하도록 구성되어 있다. 한편, 지오그리드 인발을 위한 클램프에서의 응력 집중으로 인한 지오그리드 파단의 문제를 최소화 할 수 있도록 볼트를 이용한 압착식으로 제작하였으며 시료 고정 시 미끌림을 방지하기 위해 순간접착제를 이용하여 특수고무판(포입 고무판)에 부착하고 압착식 클램프에 시료를 고정하였다(Fig. 1).
Table 1.
Apparatus and measurement sensor specification
한편, 인발시험시 계측은 인발시험박스 후방에 Novotechnik사의 300mm까지 측정 가능한 변위계(TLH-0300)를 3개소 설치한 후, 와이어를 설치하여 지오그리드 시편의 지점별 변위 측정이 가능하도록 하였다. 시험 진행시 계측 데이터는 Tokyo Measuring Instruments Lab.사에 제조된 TDS-303 데이터 로거로 수집하여 분석하였다(Fig. 1 및 Table 1).
2.2 시료의 기본 물성 및 지반 조건
2.2.1 모형지반
인발시험에 사용한 흙 시료는 건조한 모래로서 KS 기준에 따라 체분석 시험(KS F 2302, 2002)을 통해 입도가 불량한 모래(SP)로 분류되었다. 상세한 입도분포 특성은 입도분포특성 곡선과 함께 Fig. 2(a)에 제시되어 있다. 이어서, 지반 밀도 조건을 구성하기 위해 흙의 다짐 시험(KS F 2312, 2001)을 진행하였으며, 인발시험은 상대밀도 80%의 조밀한 모래를 대상으로 수행되었다(Table 2). 상대밀도 80%에서의 물리적 특성을 확인하기 위해 삼축압축시험을 실시하였으며, 시료는 직경 70mm, 높이 140mm로 제작되었다. 시료 조성 시 높이 방향으로 4등분한 후, 각 구간에 해당하는 적정 무게의 시료를 투입하여 다짐을 진행하였다. 삼축압축시험은 세 가지 수직 응력(100kN/m2, 200kN/m2, 300kN/m2) 조건에서 압밀 배수 시험(Consolidated Drained Test, CD Test, ASTM D7181-20)을 통해 수행되었으며, 내부마찰각은 34°로 측정되었다. Fig. 2(b)는 시험결과를 곡선 형태로 보여주고 있다.
Table 2.
Soil properties
2.2.2 지오그리드
본 연구에서는 GPET-4T 폴리에스테르 재질의 지오그리드를 사용했다. Table 3은 지오그리드 특성을 보여주고 있으며 Fig. 3은 ASTM 6637/D6637M-15(2015)에 근거한 광폭인장시험 결과를 보여주고 있다.
Table 3.
Mechanical properties of geogrid used
| Parameters | Geogrid |
| Material | Polyester |
| Ultimate tensile strength (kN/m) | 20 |
| Strain at ultimate strength (%) | 8 |
| Secant stiffness at 5% strain (kN/m) | 269 |
| Aperture (mm) | 25mm x 25mm |
2.3 시험방법
인발시험을 위한 모형 지반은 인발박스에 두께 125mm로 4층 다짐을 통해 조성하였다(Fig. 4a). 모형지반의 다짐은 사전 시험을 거쳐 인발박스 면적을 24개 구역으로 나누고 각 구역을 25kg 래머로 450mm 높이에서 낙하시켜 다짐을 수행하였다. 래머의 낙하 횟수를 목표 상대밀도에 따라 변화시키는 방법으로 상대밀도를 조절하였으며 7회 낙하를 통해 목표 상대밀도 80%를 확보하였다(Fig. 4b). 또한 모형지반의 균질성 확보 여부를 확인하기 위해 소형 용기를 설치하여 매 시험에서 다짐 후 균질성을 확인하는 과정을 거쳤다.
첫 번째 및 두 번째 층 다짐 후에 지오그리드 시편을 인발박스에 설치한 후 전면부 슬리트 사이로 이탈되도록 하여 클램프와 연결하였으며 이후 세 번째 및 네 번째 층 다짐을 동일한 방법으로 수행하여 인발박스 내부에 모형지반을 조성하였다. 지오그리드 시편의 크기는 폭 230mm, 길이 630mm의 크기로 재단하여 사용하였으며, 토조 내부에 포함되는 길이는 500mm가 되도록 하였다. 이때, 인발박스 전면부로부터 100mm, 300mm, 400mm 위치에 지오그리드를 설치하고, 각 위치의 지오그리드에 굵기 0.3mm의 나일론 와이어를 부착하여 이를 인발박스 후방에 위치한 변위계에 연결하였다. 이를 통해 시험이 진행되는 동안 인발에 따른 지오그리드의 지역 변위를 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 와이어는 시험 중 손상을 피하고 마찰을 줄이기 위해 내경 5mm의 플라스틱 보호관으로 보호되도록 하였다(Fig. 5).
3. 시험 조건
앞에서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 다양한 하중 경로에 따른 지오그리드 인발 거동에 대한 고찰을 위해 변위제어 단순재하(displacement contolled monotonic loading), 변위제어 반복재하(displacement controlled cyclic loading), 하중제어 반복재하(load controlled cyclic loading)를 이용한 인발시험을 수행하였다. 이때 단순재하시험은 ASTM D6706-01 기준(ASTM D6706-1 2021)에 의거하여 1mm/ min의 재하속도로 인발시험을 수행하였다.
변위제어 반복재하 조건은 Watanabe et al.(2022) 연구에 착안하여 보강토 구조물과 연계된 콘크리트 구조물의 계절별 온도변화로 인해 발생할 수 있는 콘크리트 수축/팽창으로 인해 보강토 구조물에 가해질 수 있는 반복인발 조건을 모사한 것으로서 본 연구에서는 이와같은 연구결과를 확인하고 반복 사이클을 증가시켜 기존 연구와의 차별화를 시도하였다. 아울러 하중제어 반복재하 조건은 보강토 옹벽의 뒤채움 구간 직상부에 도로 혹은 철도 노반이 설치되어 교통하중으로 인한 반복하중이 재하되는 상황을 모사한 것으로 반복하중의 주파수 및 진폭, 반복 회수 등에 따른 지오그리드 인발 특성에 대한 고찰을 시도하였다. Moraci et al.(2009, 2012), Nayeri et al.(2009), Vieira et al.(2020)등의 연구에서는 주파수 1Hz 이하를 고려한데 반해 본 연구에서는 최대 2Hz까지 고려하여 차별화를 시도하였다. 보다 구체적으로 기술하면 변위제어 반복 시험(Series A)에서는 총 5단계(1.5±1.5mm, 3.0±3.0mm, 5.0± 5.0mm, 7.0±7.0mm, 5.0±5.0mm)로 나누어 점진적인 진폭 증가 및 감소를 통해 크리프 변형 및 인발 강성도에 미치는 영향을 분석하였으며, 각 단계는 1Hz 주기로 500회씩 반복하여 실험을 진행하였다. 한편, 하중제어 반복하중 시험(Series B)에서는 단순하중 재하 후 1000초 동안 반복하중을 재하한 후 인발파단까지 진행하는 다단계 인발시험(multi-stage pullout test)을 수행하였고, 주파수는 0.5, 1, 2Hz로 설정하였으며, 진폭은 0.15, 0.3, 0.45로 설정하여 주파수 및 진폭에 따른 마찰특성과 최대 인발 저항력을 비교하였다(Table 4, Fig. 6).
Table 4.
Condition of experiment
4. 실험 결과
4.1 변위제어 반복하중 재하시 인발거동
본 절에서는 일정 진폭의 변위제어 하중이 일정 반복횟수로 작용하고 몇 단계에 걸쳐 진폭을 증가시켜 가며 인발 강성도(pullout stiffness)의 변화 경향 분석에 목적을 둔 Series A 실험 결과를 제시하였다. 앞서 기술한 바와 같이 Series A에서는 일정 진폭의 변위제어 하중을 주파수 =1.0로 500회 반복한 후 진폭을 점진적으로 증가시키는 방법으로 외력으로 인해 지오그리드에 일정크기의 변위가 반복으로 작용한 조건을 시뮬레이션하고 이에 따른 인발 강성도 변화를 고찰하고자 하였다.
Fig. 7은 상대밀도 80%의 모형지반에 대한 결과를 보여주고 있다. 이 그림에서 관찰할 수 있는 바와 같이 일정 진폭의 변위제어 반복하중에서 변위 대비 하중으로 정의할 수 있는 인발 강성도가 반복재하에 따라 감소하는 경향이 나타났다(Fig. 7(a)). 아울러 이러한 경향은 진폭을 증가시켜 반복재하한 Step 2에서 Step 4까지 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 다만 각 재하단계에서 초기 인발 강성도 대비 최종 인발 강성도비를 비교하여 보면 진폭이 증가할수록 감소 정도가 줄어드는 경향을 보여주고 있다(Fig. 7(b)). 즉, Step 1에서는 감소비가 약 37%로 나타났으나 진폭이 증가하면서 Step 4에서는 10%대의 감소비를 보여주고 있다. 이는 반복재하에 따른 지오그리드의 점성 잔류변형으로 인한 감소뿐만 아니라 지오그리드와 흙 사이의 마찰저항 감소(degradation)가 인발 강성도 감소로 이어진 것으로 판단된다. 이러한 결과는 유사한 실험조건에서 인발시험을 수행한 Watanabe et al.(2022)의 연구 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
Fig. 8은 Step 4의 변위제어 반복하중 재하로 인해 지오그리드 길이 방향으로 발생한 변위 프로파일을 보여주고 있다. 이 그림에서는 지오그리드에 설치된 와이어 지점별 변위를 조합하여 반복하중 재하시 지오그리드의 길이방향 변위 발생 유형을 파악할 수 있다. 관찰할 수 있는 바와 같이 사이클 횟수가 증가할수록 지점별 변위가 증가하는 경향을 관찰할 수 있으며 이에 따라 활동 길이(active length)가 증가하는 경향을 보이고 있다. 다만 초기 사이클에서 변위가 증가한 이후 사이클에서 별다른 차이를 보이지 않는 것으로 나타나 이에 따른 활동 길이 또한 거의 일정한 값을 유지함을 알 수 있다. 이러한 경향은 앞서 언급한 바와 같이 지오그리드-흙 접촉면의 반복작용으로 인한 전단저항 감소에 기인한다고 할 수 있다.
Fig. 9는 지오그리드-흙 접촉면의 반복하중으로 인한 전단저항 열화현상으로 인한 인발 강성 저하 경향을 보다 뚜렷하게 보여주고 있다. 즉, 이 그림에서는 변위제어 반복하중 인발시험의 모든 Step에서 얻어진 인발하중-변위 곡선으로부터 산정한 인발 강성도를 전체 사이클에 대해서 도시한 결과를 보여주고 있다. 인발 강성도(Pullout Stiffness, )는 인발력()과 지오그리드의 변위() 사이의 비율로 정의되며, 아래 식 (1)과 같이 표현된다.
Fig. 9에서 뚜렷하게 관찰할 수 있는 경향은 전반적으로 반복하중이 지속적으로 작용함에 따라 인발저항 정도를 나타내는 인발 강성도 값이 감소하는 경향을 보이고 있는데 이는 앞서 언급한 지오그리드-흙 접촉면의 전단저항 감소에 기인한다고 할 수 있다. 이러한 경향은 보강토 구조물의 수평 반복하중이 지속적으로 작용할 경우 인발저항이 감소할 수 있음을 의미하며 본 실험 조건을 기준으로 할 때 최대 50%이상 감소할 수 있는 것으로 검토되었다. 이러한 수치는 일반화할 수는 없으나 구조물 운영기간 중 지오그리드에 수평 반복하중이 지속적으로 작용하는 경우 인발저항력 산정 시 필요한 겉보기 단위마찰계수(apparent unit friction coefficient)에 충분한 안전율을 적용하는 것이 필요함을 시사한다. 이러한 경향은 유사한 세팅의 인발시험을 수행한 Watanabe et al.(2022)의 결과와 잘 부합되는 것으로 검토되었다.
4.2 하중제어 반복하중 재하시 인발거동
4.2.1 단순재하 인발 vs. 다단계 반복재하 인발
본 절에서는 반복하중 재하 이전까지 단순하중 재하 후 반복하중를 일정한 주파수 및 진폭, 그리고 반복회수로 재하한 후에 인발파단까지 재하하는 소위 다단계 인발시험(multi-stage pullout test)을 수행한 Series B결과를 제시하였다. 다단계 인발시험에서는 모든 시험 공히 반복재하 사전 인발하중()을 0.3로 적용 하였다.
먼저 Fig. 10은 단순재하 인발시험 결과와 다단계 인발시험 경로로 반복하중(주파수 =1.0 진폭 =0.3로 1000초 반복재하)을 재현한 인발시험 결과를 비교하고 있다. 인발하중-변위 관계곡선을 비교하고 있는 Fig. 10(a)에서는 반복하중 재하로 인해 잔류 인발변위가 발생하는 경향을 관찰할 수 있으며 반복재하 후 단순 인발하중 재하시에는 하중-변위 곡선의 기울기가 증가한 후 다시 단순하중 곡선의 기울기를 따르는 기존의 Moraci et al.(2009)의 연구결과와 잘 부합하는 경향을 보이고 있다. 한편, 다단계 인발시험 결과에서는 단순 인발시험 대비 최대 인발저항력이 별 차이를 보이지 않는 것처럼 보이기는 하나 반복재하 이후 단순 인발단계에서 일부 리브 파단 후 곡선의 기울기가 증가하는 현상으로부터 추정할 때 이미 “A”점에서 인발파괴가 발생한 것으로 판단되므로 결국 반복하중은 인발저항력을 다소 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. Fig. 10(b)에서는 반복재하로 인해 발생한 잔류 인발변위(클램프 변위 및 3개의 지오그리드 계측점)를 보여주고 있다. 관찰할 수 있는 바와 같이 변위 그래프가 반복 횟수가 10회를 초과하면서 변위 발생 기울기가 급격히 작아지는 쌍곡선함수를 따르는 전형적인 반복재하 변위 형태를 보이는 것으로 나타났다. 지오그리드 끝단 변위는 거의 발생하지 않는 것으로 보아 해당 재하 조건에서는 충분한 인발 저항력을 발휘하는 것으로 판단되며 잔류변위는 지오그리드의 변위보다는 지오그리드 자체의 변형에 기인하는 것으로 간주할 수 있다.
Fig. 11는 지오그리드에 설치한 지점별 와이어 변위의 경향을 단순재하 하중 조건 및 다단계 재하 조건에 대해 인발하중 13.5kN/m 도달 시 결과를 비교하고 있다. 이 그림에서 도출할 수 있는 경향은 두 가지로 요약된다. 먼저, 동일한 인발하중 13.5kN/m에서 반복재하를 거친 다단계 인발시험 곡선이 단순재하 인발시험 곡선 상부에 위치하는 것으로 나타나 다단계 인발시험에서의 반복재하가 인발변위를 증가시켰기 때문으로 이해할 수 있다. 아울러 단순 및 다단계 인발시험 공히 계측점 (3)번에서의 변위는 거의 발생하지 않는 것으로 분석되는데 이는 앞서 언급한 바와 같이 단순 인발 및 다단계 인발 시험 공히 고려한 인발하중 수준(13.5kN/m)까지는 충분한 지오그리드-흙 마찰이 유발되어 인발시 지오그리드 인장 변형이 발생하는 것으로 분석되었다.
4.2.2 주파수 및 진폭에 따른 다단계 인발 거동
다단계 인발 시 반복재하 하중의 주파수에 따른 결과를 Fig. 12~13에 제시하고 있다. 인발하중-전면부 변위 관계를 보여주고 있는 Fig. 12에서는 주파수가 증가함에 따라 반복재하 잔류 인발변위량이 증가하는 경향(0.5Hz 대비 최대 5mm)을 보여주고 있다. 한 가지 흥미로운 현상은 주파수 1.0Hz 이하에서는 반복하중 재하 이후 지속되는 단순재하 인발시 최대 인발저항력에서 큰 차이를 보이고 있지 않은데 이는 기존의 연구결과(Moraci et al., 2012; Vieira et al., 2020)와 부합되나 그보다 높은 주파수, 즉 2.0Hz에서는 최대 인발저항력이 다소나마 감소되는 것으로 나타났다. 이는 1.0Hz 이하의 주파수만을 고려한 기존의 연구결과의 일반화가 어려운 것을 보여주는 것으로서 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 13(a)와 13(b)는 각각 반복재하 단계에서의 잔류변위와 지오그리드 길이방향 누적변위를 하중 재하 주파수에 따라 비교하고 있다. 반복재하 단계에서의 잔류변위 곡선을 비교하고 있는 Fig. 13(a)에서는 동일한 반복 횟수에서 주파수가 낮을수록, 즉 하중재하 속도가 느릴수록 누적변위 발생량이 크게 나타남을 볼 수 있다. 한편, 지오그리드 길이방향 변위를 비교하고 있는 Fig. 13(b)에서는 반복 재하 후 단순 재하 단계에서 인발 하중 10kN/m 수준에서의 지오그리드 지점별 변위를 분석한 결과, 하중이 높을수록 다소 큰 변위를 나타냈다. 이는 반복 하중 시간인 1000초 동안 상대적으로 높은 주파수에서 반복 횟수가 증가함에 따라 잔류 변형이 증가한 결과로 해석할 수 있다. 다만, 계측점 3에서의 변위는 주파수에 상관없이 거의 “0”에 가까운 수치를 보여 인발시험조건, 즉 상대밀도 80% 및 수직하중 100kPa에서는 300mm가 활동 길이(active length)로 인발에 저항함을 알 수 있다. 요약하면, 저 주파수 반복하중 조건에서 있어 반복하중의 주파수가 최대 인발저항력에는 크게 영향을 주지는 않으나 반복하중 횟수에 따른 인발 변위 측면에서는 우려할만한 영향을 줄 수 있음을 의미하는 것으로 인발파괴 등의 안정성 측면에서는 과다 변위 등의 사용성 측면에서 중요한 의미를 내포한다고 할 수 있다.
Fig. 14~15은 반복하중의 진폭에 따른 시험결과를 보여주고 있다. 앞서 언급한 바와 같이 반복하중의 진폭은 0.15, 0.3, 0.45을 고려하였으며 주파수 1.0Hz로 1000초 동안, 즉 1000회 반복하중을 지속하였다. 먼저 인발하중-변위 관계를 나타내고 있는 Fig. 14에서는 진폭이 증가함에 따라 반복하중으로 인한 인발잔류변위가 급격히 증가하는 경향을 보여주고 있다. 한편 0.15 및 0.3의 진폭의 경우 반복하중 재하 후 단순재하 시 최대 인발저항력은 거의 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으나 그 이상, 즉 0.45에서는 약 150회 사이클에서 인발파괴가 발생하는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 반복하중의 진폭이 단순재하하중의 최대 인발저항력을 40%이상으로 작용할 경우 높은 수직압력(100kPa)에도 불구하고 지오그리드-흙 접촉면의 반복재하로 인한 열화(cyclic degradation) 현상이 발생하여 마찰저항이 감소하였기 때문으로 이해 할 수 있다.
Fig. 15(a)와 15(b)는 각각 반복하중 재하 시 사이클에 따른 지오그리드 인발 전면부 잔류변위 발생 경향과 인발하중 10kN/m 수준에서의 지오그리드 종방향 변위를 진폭에 따라 도시하고 있다. =0.45의 경우는 반복하중 단계에서 인발파괴가 발생하였으로 파괴직전 100회 사이클 시의 변위를 제시하였다. 반복하중 잔류변위를 보여주고 있는 Fig. 15(a)에서는 진폭이 증가함에 따라 잔류변위 역시 증가 경향을 뚜렷하게 관찰되고 있으며 =0.45의 경우에는 반복하중 단계에서 변위가 급격히 증가하여 100회 사이클에서 파괴하였음을 알 수 있다. 한편, 지오그리드 종방향 변위를 도시하고 있는 Fig. 15(b)에서는 =0.15 및 =0.3 공히 와이어 계측점 (3)번에서의 변위가 거의 “0”에 가까운 것으로 측정되어 지오그리드-흙 접촉면에서의 마찰저항이 유지된 것으로 검토되나 =0.45 경우에 있어서는 계측점 (3)번에서의 변위가 발생한 것으로 나타났는데 이는 지오그리드-흙 접촉면에서의 마찰저항이 반복재하로 열화되어 지오그리드의 인발파괴가 발생하였기 때문으로 판단된다. 따라서 이러한 경향은 반복하중을 특징짓는 항목 중 지오그리드 인발거동은 주파수보다는 진폭에 큰 영향을 받는 것으로 평가되며 이는 기존의 연구(Moraci et al., 2012; Vieira et al., 2020)와도 부합되는 것으로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 보강토 구조물에 있어서 반복하중이 작용 시 지오그리드와 모래의 인발 특성에 인발 시험을 진행하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 변위제어 방식의 반복하중에서는 진폭이 증가할수록 반복하중으로 인해 발생하는 열화 현상이 지오그리드의 점성 잔류변형과 지오그리드-흙 간 마찰저항 감소를 초래하였으며, 이는 인발 강성도의 저하로 나타났다. 특히, 수평 반복하중이 지속적으로 작용할 경우, 인발 저항력 산정 시 겉보기 마찰계수에 충분한 안전율을 적용해야 함을 시사한다.
(2) 다단계 인발시험에서는 반복하중의 인발 거동이 주파수보다는 진폭의 영향을 크게 받는 것으로 평가되었다. 진폭이 최대 인발저항력의 40% 이상일 경우, 높은 수직압력(100kPa)에도 불구하고 지오그리드-흙 접촉면에서 반복재하로 인한 열화(cyclic degradation) 현상이 발생하여 마찰저항이 감소하고, 지오그리드의 인발 파괴로 이어지는 결과를 보였다.
(3) 주파수 1.0Hz 이하에서는 반복하중 재하 이후 단순재하 조건에서 최대 인발저항력이 유사한 값을 보였으나, 2.0Hz에서는 최대 인발 저항력이 다소 감소하는 경향이 나타났다. 이는 주파수와 하중 재하 속도가 낮을수록 누적 변위가 증가함을 보여준다. 따라서 주파수 1.0Hz 이상의 반복하중 조건에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
(4) 이러한 결과를 종합해 볼 때, 반복 하중 조건에서 지오그리드의 인발 거동은 주파수보다는 진폭의 영향을 더욱 크게 받는 것으로 판단된다. 이는 반복 하중 하에서 진폭이 일정 수준을 초과할 경우 지오그리드-흙 인터페이스의 강도 저하와 파괴 가능성이 증가할 수 있음을 의미한다. 따라서, 반복 하중 조건에서 지오그리드의 안정성을 확보하기 위해서는 주파수보다는 진폭을 보다 신중히 고려해야 하며, 특정 임계 진폭 이상에서는 사용성 측면에서의 제약이 필요할 것으로 보인다.
