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‘고효율 복합기초공법’, 해외사업 적용 가능성 높아져
김재원 기자 | 승인 2011.12.16 12:24
초장대교량사업단에서 추진 중인 과제 중 하나인 ‘고효율 복합기초공법’이 연구 결실을 맺어가며 해외 주요 사업에 혁신적으로 적용될 가능성이 높아지고 있다.

지난 2008년 출범한 초장대교량사업단(사업단장 한국도로공사 송필용 단장)은 △1핵심 과제 장경간 케이블교량 핵심 엔지니어링 기술의 100% 자립화 △2핵심 과제 장경간 케이블교량 고성능 적략소재의 국산화 및 세계시장의 공급 △3핵심 과제 공기단축 및 원가절감형 장경간 케이블교량 시공기술 확보 △4핵심 과제 세계인이 벤치마킹하는 Test Bed 실현 및 운영기술 확보를 주제로 독자적인 초장대교량 기술확보와 세계 시장에 맞는 가격경쟁력 확보하기 위해 전 참여 연구진이 불철주야 연구를 수행하고 있다.

이 중 3핵심 과제는 고효율 케이블 가설장비 공법 개발, 공기단축형 고주탑 시공기술 개발, 비용절감형 대형 해상기초 기술 개발 과제로 이뤄져 있다.

3핵심 과제는 3세부과제 3세세부 과제로 나뉜다. 3세세부 과제는 한화건설, 롯데건설, 경성대학교가 연구를 진행하고 있다. 본지는 비용절감형 대형 해상기초 기술 개발과 3세세부 과제를 소개하려 한다.

△비용절감형 대형 해상기초 기술 개발

비용절감형 대형 해상기초 기술 개발 과제(연구책임자 한국건설기술연구원 정문경 박사)는 경간장의 초장대화로 인한 높은 주탑 하중을 하부 기초가 안정하게 지지할 수 있는 초장대교량 대형 해상기초의 경제적인 설계 및 시공기술을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

이를 위해 한국해양연구원에서는 해양지반 조사 장비 및 분석시스템을 개발하고 있으며, 한국건설기술연구원, 현대건설 및 인제대에서는 대형해상기초 지지력 예측 및 평가기술을 개발을, 한화건설, 롯데건설, 경성대학교에서는 고효율 복합기초 공법을 개발하고 있다.

초장대교량의 대형 해상기초의 원가절감 기술이 중요한 이유는 초장대교량이 놓이게 되는 지역의 대부분이 대수심의 연약한 지반 조건이기 때문이다. 또한 전체 교량 공사비 중에서 교량 기초 공사가 차지하는 비중이 기존의 장대교량에 비해서 크기 때문이기도 하다.

따라서 연구진은 고효율 복합기초 공법 개발을 통해 전체 교량공사에서 많은 비중을 차지하는 해상주탑 기초의 공사원가를 절감함으로써 전체 교량 공사비를 절감할 수 있을 것으로 판단하고 있다.

△내진보강형 복합기초 지진격리 시스템 - 한화건설

3핵심 과제는 3세부과제 3세세부 과제로 나뉜다. 3세세부 과제는 한화건설, 롯데건설, 경성대학교가 연구를 진행하고 있으며 본지는 3세세부 과제를 소개하려 한다.

한화건설 기술연구소(연구책임자 박종식 박사)에서 개발하고 있는 내진보강형 복합기초 지진격리시스템 기술은 20m 이상의 대수심 조건에 강진 발생으로 인한 지반가속도 0.5g에 대응가능하고 지반 대변위를 허용할 수 있는 복합기초 기술이다.

지금까지 내진구조물이라 하면 지진에 의한 하중을 구조물의 부재력으로 지탱할 수 있는 구조물 이었다. 하지만 최근 10여년간 일본, 미국 등 지진관련 선진국에서의 지진에 의한 교량 구조물의 피해사례를 살펴보면 강진 발생시에는 내진설계가 이루어진 교량 구조물이라 할지라도 지진동에 의한 하중에 저항하지 못하고 파괴로 이어지는 사례를 보였다.

내진보강형 복합기초 지진격리시스템 기술은 초장대교량기초 하부에 지진격리시스템을 조성하여 강진발생시 지반으로부터 전달되는 진동 및 하중을 선제적으로 줄여서 상부 교량의 파괴를 방지하는 기술이다.

초장대교량 복합기초 지진격리시스템의 구성을 살펴보면, 지진격리층은 상부 케이슨 주탑기초와 하부 원지반 사이에 모래, 쇄석자갈, 강자갈 및 제강슬래그 등의 지반재료로 이뤄진다.

지진격리시스템의 메커니즘은 지진 발생시 지진격리층을 구성하는 지반재료 입자 간의 상호맞물림에 기인한 댐핑효과 발휘로 지진에너지를 소산시켜 진동을 저감시킨 상태로 상부구조물로 지진하중을 전달하며 강진 발생시 지진격리층이 케이슨 저면에서의 인터페이스로서 퓨즈기능을 수행하여 주탑기초의 슬라이딩 거동을 유도함으로써 교량 기초의 회전에 의한 파괴를 방지한다.

한화건설 박종식 과장은 “이 연구과제에서 초장대교량 복합기초 지진격리시스템 개발을 위해 지진격리층 재료의 실내시험을 통한 공학적 성능을 확인했다”며 “또한 복합기초 지진격리시스템을 적용한 교량의 수치해석을 수행해 지진격리층 적용으로 인한 응답저감 효과를 확인했으며 최적의 진동저감 효과를 나타내는 지진격리층 설계를 위해 다양한 조건에서 수치해석을 수행 중에 있다”고 말했다.

한화건설은 향후 진동대 시험을 수행해 복합기초 지진격리시스템 검증을 수행한 후 지진 발생이 빈번한 국외 지역에 소규모의 TestBed를 구축하여 기술 검증을 수행할 예정이다.

궁극적으로는 국내에서 최초로 케이슨기초와 하부지반 사이에 지진격리시스템을 적용함으로써 해상 교량 하부기초에서부터 지진에 대응 가능한 혁신적인 복합기초 시스템의 원천기술을 확보할 수 있음은 물론 이로부터 국내의 내진설계 수준을 한 단계 상승시킬 수 있고 해외 주요 사업에 혁신적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

△해상 연약지반 벽강관말뚝 주탑기초 시공기술 개발 - 롯데건설

롯데건설에서 진행하고 있는 연구는 해상 연약지반 벽강관말뚝 주탑기초 시공기술 개발이다.
벽강관말뚝 기초는 강관말뚝 본체 양측에 별도의 연결부를 부착해 교각 형상에 따라 원형, 사각형, 트랙형 등의 우물통 형식으로 강관말뚝을 연결하고 연결관 내에는 모르타르를 충진하여 강관말뚝으로 구성된 우물통이 일정한 강성과 차수성을 확보하도록 하는 구조체다.

또한 말뚝 두부는 기초 푸팅에 강결되도록 해 소정의 수평 및 수직 저항을 발휘하도록 한다. 시공 중에는 가물막이 역할을 수행하고 기초상판 타설 이후에는 상부 가물막이 부분은 제거하여 기초 상판과 연결된 하부 벽강관말뚝이 상부의 대규모 하중을 지지토록 하는 가물막이 겸용 기초 형식으로써, 기존의 기초 공법에 비해 경제적이고 시공성이 개선된 기초 공법인 것이다.

최근 국내외 해상 초장대교량 사업 증가에 따라 기초가 대형화 되고 있으며 지반조건이 불리한 상황에서 시공이 이루어져야 하는 등 해결해야 할 난제들이 많다.

그 중에서도 해상 대심도 연약지반 상에 시공되는 교각기초의 경우 상대적으로 비싼 기초 공사비로 인해 경제적 기초공법 개발의 필요성이 증가되고 있다.

벽강관말뚝 기초 공법은 이와 같은 조건에서 타 교량 기초 대비 경제성과 시공성이 유리한 것으로 입증돼 기술선도국인 일본에서는 벽강관말뚝 기초 공법을 다양하게 활용하고 있지만 국내에서는 항만 안벽, 호안 구조물, 가물막이 등에 제한적으로 적용하고 있고 벽강관말뚝을 영구기초로 적용하기 위한 연구개발 실적 또한 미흡한 실정이다.

이 연구과제에서는 해상 대심도 연약지반 상에서 경제성과 시공성이 개선된 벽강관말뚝 기초 공법의 핵심 요소기술인 고내력 연결부 기술을 확보하고 경제성 분석을 수행해 벽강관말뚝 기초 공법 적용시 경제성이 확보되는 현장 조건과 실제 시공을 위한 가이드 제시를 목표로 하고 있다.

우선, 벽강관말뚝 기초 공법의 국내 실용화 방안의 일환으로 벽강관말뚝 기초가 널리 활용되고 있는 일본의 각종 시방서와 설계기준을 분석 및 정리하고, 핵심적인 기술동향과 최신의 시공기술 및 시공사례를 조사, 분석하여 요소기술 DB와 시공사례 DB를 구축했다.

또한 핵심 요소기술인 고내력 연결부 개발 연구를 진행 중이다. 교량의 초장대화에 따른 기초의 대형화 및 내진 설계 등에 의해 요구되고 있는 대규모 수평 저항력을 확보하고 대심도 연약지반 적용에 경제적으로 대응하기 위하여 강성이 큰 연결부의 개발은 필수적이다.

대규모 수평하중이 기초에 가해졌을 때 벽강관말뚝 기초 구조체 중에서 가장 취약부는 연결부기 때문에 본 연구과제에서는 고내력 연결부를 개발하고 있다.

연결부 강관과 내부에 충진 되는 모르타르와의 부착강도를 높이기 위해 아래의 그림과 같이 연결부 형상을 고안해 특허를 출원했으며 모르타르 자체의 강도도 높였다. 실내 전단시험 결과 산출된 고내력 연결부의 전단강도는 기존 연결부에 비해 5배 정도 향상된 것으로 나타났다. 현재 시험체를 제작해 당사 현장인 부산 영도대교 공사현장에서 현장 적용 시험을 수행하고 있다.

또한 벽강관말뚝의 경제성 확보 여부를 확인하기 위해 교량기초공법으로써 벽강관말뚝 기초 공법을 사용해 시공 완료한 교량 중 경간장이 440m로 가장 긴 Tokyo Bay Bridge를 대상으로 현장타설말뚝 공법과 공사비 비교 분석을 수행했다.

현장타설말뚝 공법은 공사비에 영향을 크게 미칠 수 있는 PC House, 2열 가물막이 등의 가설공법과 말뚝의 시공성 및 품질확보를 위해 필요한 희생강관과 케이싱을 적용하는 경우로 각각 나눠서 세부적으로 공사비를 산정했다.

원안설계에 적용된 벽강관말뚝과 비교안으로 채택된 현장타설말뚝의 3가지 조건에 대해 구조설계를 실시하고 각 기초형식에 대한 물량 및 공사비를 산출해 공법별 공사비 비교 분석을 수행했다.

분석 결과, 대심도 연약지반에 시공된 Tokyo Bay Bridge 현장의 경우 벽강관말뚝 기초 공법이 현장타설말뚝 공법에 비해 기초 공사비가 20% 이상 작은 것으로 나타나 경제성을 확보할 수 있는 것으로 분석됐다. 본 연구과제에서는 여기서 더 나아가 현장 지반 조건별 경제성 분석을 추가로 수행해 벽강관말뚝 적용시 경제성 확보가 가능한 현장 조건을 제시할 예정이다.

△초장대 해상교량 기초의 지중특성치 측정장비 개발 - 경성대학교

대형구조물 기초에 대한 설계지지력 산정은 경제성과 공기 소요시간을 결정짓는다. 현재 기초의 지지력을 추정할 수 있는 여러 가지 이론적·경험적 방법들이 제안돼있다.

현재 사용되고 있는 말뚝의 극한연직지지력 결정방법에는 말뚝정재하시험, 양방향 말뚝재하시험, 현장시험(SPT, PMT, CPT)결과에 의한 경험공식, 파동방정식 등에 의한 추정 등이 있으며 이 방법들 중에서 말뚝정재하시험이 가장 신뢰성 있는 방법으로 알려져 있다.

이에 말뚝재하시험을 통해 지지력을 확인해 보다 경제적인 기초를 설계하며 말뚝에 지지력은 선단지지력과 주면마찰력으로 지지하므로 주면마찰력을 확인하기 위해서는 말뚝에 심도별 축하중센서를 설치해 하중전이시험을 수행해야 한다.

기존의 축하중센서는 일회성과 시공 시 훼손으로 인해 측정이 불가능하거나 훼손시를 위한 다량의 축하중센서를 매립한다. 하지만 재사용 말뚝센서는 재사용이 가능하며 경제적이고 시공 후 설치하기 때문에 센서의 훼손이 적어짐에 따라 안정성과 신뢰성을 확보하고 있다.

또한 기존의 축하중센서와 달리 설치가 간단하고 소요시간이 적어 공기 단축에도 효과를 볼 수 있다. 재사용 말뚝센서는 말뚝의 거동을 측정하기 위해 철근망에 케이싱을 설치해 재하시험 시 케이싱 안에 센서를 설치해 측정하는 방식이다.

전기저항식센서로 구성돼 있으며 측정 최대범위는 0~25mm, 정도는 1/1000mm이다. 각각의 앵커는 8개의 피스톤으로 구성되어 센서가 케이싱에 고정될 수 있도록 지지하면 자동화 계측 시스템은 TDS시리즈로 측정 가능하다.

한편, 최근 국내에서는 현장재하실험과 수치해석을 통해 국내의 암반 거칠기를 반영하여 하중전이함수를 제안한 연구들이 있다. 하지만 이러한 연구들은 공내 지하수 및 해수 유입, 공내 산소 결핍, 수압 및 토압에 의한 공벽붕괴 등의 위험성을 내포한 상태에서 굴착공 벽면의 본을 뜬 후 거칠기 시편 성형 과정을 거처 간접적으로 거칠기를 측정하고 있는 실정이다.

따라서 기존의 굴착공 거칠기 측정방법의 위험성을 제거하고 현장에서 보다 간편하고 안전하게 굴착공 전체의 거칠기 측정이 가능한 Sonar Roughness Profiling System(이하 SRPS)또한 개발한 상태다.

SRPS는 SRPS 고정장치, SRPS 측정장치로 구성되어 있다. SRPS 고정장치는 현재 제작 중에 있으며 SRPS 측정장치는 개발이 완료했다.

현재 시공현장은 공벽붕괴 방지를 위해 벤토나이트 등을 많이 사용하며 굴착 시 생기는 슬러지 등으로 인해 측정하고자 하는 소켓부는 탁도가 높은 물로 가득 차 있다. 따라서 이러한 조건에서도 소켓부 벽면의 거칠기를 측정할 수 있도록 초음파센서를 이용해 SRPS 측정장치를 개발했다.

SRPS 측정장치의 초음파센서는 최대 정밀도 1mm, 굴착공 벽면과의 최소 측정가능거리 15mm, 측정된 거리기준 오차 ±0.2%, 혼탁도 100NTU이상으로 직경 40mm, 높이 45mm, 원통형으로 4개를 개발하였다. SRPS 측정장치는 현재 제작되고 있는 상태며 제작완료 후 SRPS측정장치와 결합해 실제 현장을 모사한 5000X5000X1200mm의 모형을 제작하여 시험할 계획이다.

김재원 기자  won@cenews.co.kr

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