구조물공 ❙ 289

구조물공

58

구조물공

성토부 교대 수평변위 최소화 방안 설계처-2315

(2014.09.17)

1 검 토 배 경

성토부 교대의 지속적 수평변위 발생으로 신축이음, 교대구체,

받침 손상 등 구조물 안전성을 저해함에 따라 수평변위 영향

인자 검토를 통하여 수평변위 최소화 방안을 강구하고자 함.

신축이음 손상 교대 파라펫 손상 받침 손상

ㅇ 중부선 판암철교 : 고정단 받침 앵커볼트 파단, 파라펫 파손 등

ㅇ 청원상주선 금산교 : 바닥판 유간부족, 파라펫 균열 등

ㅇ 익산포항선 포항IC1,2교 : 교대 및 교각변위(최대 410㎜), 신축이음협착 등

교대 수평변위 발생 시 손상 유형

※ 쌓기부 교대변위 저감방안 수립 감사지적(감사실, 2011. 7)

2 추진경위 및 관련기준

 추진경위

□ 교대 수평변위 발생교량 관리방안 (구조물처-2416, 2012.11)

o 일반 성토구간 교대설계 시 성토체 변형의 영향 반영

o 고성토 구간 교대설치 지양 및 성토부 안정화 공법 적극 적용

o 3D 레이져 스캔을 활용한 교대 및 주변 성토부 초기치 확보

(15m 이상 고성토 구간, 앞성토 없는 직벽형 교대)

□ 쌓기부 교대변위 저감방안 수립 감사지적 (감사실, 2011.7)

o 말뚝변위 허용(15㎜)으로 교대높이가 높을수록 신축이음부에서

수평변위증가하여신축이음, 교대구체, 받침파손발생하므로대책요구

290 ❙ 구조물공

□ 교대 수평변위 원인과 대책방안 연구 (도로교통연구원, 2013)

o 교대 수평변위는 앞성토 폭 및 높이, 말뚝길이 등과는 상관관계 미미

o 성토․교대높이가 증가할수록 수평변위 발생빈도 및 발생량 많음

o 성토체의 Creep, 시공 및 품질관리 영향으로 수평변위 발생

토사 또는 자갈로 된 성토체가 장기간의 관측 이외에는 감지할 수 없을 만큼

느린 속도로 하향 이동하는 현상으로써 흙 입자의 재배열에 의하여 발생함

성토체 Creep

 관련기준

□ 말뚝의 허용 수평변위량

구분 말뚝 허용 수평변위량 비고

국내

도로교 설계기준(2012) - 38mm 이내

(AASHTO 기준 준용)

2008년 기준

: 15㎜

구조물기초 설계기준(2009) - 15mm 이내

도로설계요령(2009) - 말뚝지름의1%, 15mm중큰값

국외

AASHTO (2002, 2012) - 38mm 이내

Canadian Foundation

Engineering Manual (2006)

- 말뚝지름의 1% 이내

□ 교대의 기하형상 기준

o 일본 도로설계요령 (국토교통성) : 교대 수평변위 예방을 위하여

최대 성토높이를 30m, 최대 교대높이를 7m로 제한

o 도로설계요령 : 교대 성토체 자중압밀을 위한 Preloading 시행

o 교대 수평변위 원인과 대책방안 연구 (도로교통연구원)

성토높이 및 교대높이가 큰 경우가 수평변위의 발생 가능성이

높고, 특히 교대높이가 7m 이상에서 수평변위 발생빈도가 높음

교대의 성토높이(원지반～노면까지 높이), 교대높이(교대저면～노면까지

높이) 등 교대 설계 시 고려해야할 형상을 의미

교대의 기하형상

구조물공 ❙ 291

구조물공

□ 지반변형계수(E0) 적용기준

o 미 해군시설 설계 매뉴얼 (NAVal FACility Design Manual)

흙의 종류 E0(Kpa) 비 고

실트, 모래질 실트 400×N값

가는~중간모래 700×N값

굵은 모래 1,000×N값

모래질 자갈, 자갈 1,200×N값

o 도로교 설계기준(2008) : 2,800×N값 적용

지반에 단위면적당 하중이 작용했을 때 일정 길이에서 발생하는 변위의

관계곡선에 나타나는 기울기로써 지반이 단단하면 변형계수는 증가함

지반변형계수(E0)

3 실태분석

 교대 수평변위 발생 실태

□ 구조물처 조사결과 (공용중 교량, 2012)

o 성토부 교대 수평변위로 인하여 신축이음 또는 바닥판 유간

협착 등의 손상이 발생한 경우는 2.4%(라멘교 제외)로 조사됨

o 성토고가 높을수록 직접기초와 비교 시 말뚝기초의 수평변위발

생 빈도가 높게 나타남

총괄현황 성토높이별 현황 기초형식별 현황

성토부 교대 변위발생으로 인한 손상발생 현황

292 ❙ 구조물공

□ 도로교통연구원 조사결과 (공용중 교량, 2013)

o 성토부 교대 수평변위가 발생되어 손상요인이 내재된 경우가

71.3%로 매우 높게 나타남

o 성토높이 및 교대높이(7m 이상)가 높을수록 수평변위 발생빈

도가 높게 나타나는 경향을 보임

총괄현황 성토높이별 현황 교대높이별 현황

성토부 교대 변위발생으로 인한 손상내재 현황

 설계실태 (함양~창녕구간)

□ 성토부 교대 설계현황

o 성토부 교대가 전체 45.5%를 차지, 성토높이는 10m 이상이 86.4%,

교대높이는 7m 이상이 68.2%를 차지

o 성토높이는 10~15m(46.6%)가 가장 많으며, 교대높이는 7~8m

(40.9%)가 가장 많이 설계됨

성토부 교대현황 성토높이별 현황 교대높이별 현황

구조물공 ❙ 293

구조물공

□ 성토부 교대 수평변위 관련 설계 적용현황

구 분 설 계 적 용 현 황

교대 기하형상

- 교량연장, 하부조건 등에 맞춰 성토 및

교대높이 설계

수평 변위량

- 말뚝 허용변위량 15mm 이내

※ 성토체 시간 의존적 거동(Creep) 미 반영

지반변형계수

(E0)

- 적용물성치

구 분 N치 지반변형계수(E0)

범위

최소 10 700×N값

최대 15 1,200×N값

설계내역 반영

- 교대하부까지 성토→말뚝→교대→뒤채움

※ 프리로딩 미 반영

- 매입말뚝 주면고정액 반영

- 수직 동재하시험, Restrike 시험 반영

※ 수평재하시험, 계측비용 미 반영

4 문제점

□ 성토부 교대의 수평변위를 감안한 설계 검토 미흡

o 성토높이, 교대높이가 증가함에 따라 교대 수평변위가 증가하나

교량연장, 하부조건 등에 맞춰 성토높이 및 교대높이 설계

※ 함양～창녕구간 성토높이 20m 이상 교대 : 15개소(17%)

교대높이 7m 이상 교대 : 60개소(58.7%)

□ 교대 성토체의 시간의존적 거동(Creep) 발생

o 공용 중 교량 조사결과 (탄성해석)18mm → (실제)100mm 발생

o 탄성해석 변위량 외에 성토체의 Creep 등에 의해 추가로 변

위가 발생함

※ 콘크리트에서도 크리프 계수(크리프변형/탄성변형)를 2.0 적용

294 ❙ 구조물공

□ 국내 성토체에 맞는 지반변형계수(E0) 산정방법 부재

o 지반변형계수(E0)가 변위량 산정 시 큰 영향을 미침

o 동일노선의 유사한 흙임에도 설계자별로 미 해군시설 설계 매

뉴얼에 의거 지반변형계수를 700×N값~1,200×N값으로 다양하게 적용

□ 교대 수평변위 최소화를 위한 시공 및 품질관리방안 설계 미고려

o 매입말뚝 주면고정액의 일수현상으로 말뚝상부에 공동발생

o 교대 성토체 다짐에 관한 수평저항능력 검증단계 부재

o 시공 중 교대 수평변위 모니터링 및 초기치 확보 미흡

5 성토부 교대 수평변위 영향인자 검토

① 교대 기하형상(성토높이, 교대높이)

③ 지반변형계수(E0)

② 성토체 시간의존적 거동(Creep)

④ 시공 및 품질관리

교대 수평변위 영향인자

 교대 기하형상

□ 성토높이, 교대높이별 수평변위 발생량 검토 (수치해석)

성토높이별 해석결과 교대높이별 해석결과

성토고(m)

변

위

량

(㎜)

교대높이(m)

변

위

량

(㎜)

□ 검토결과

o 공용교량 조사 및 수치해석 결과 성토높이, 교대높이 증가에

따라 수평변위 발생빈도 및 발생량 증가

o 특히, 성토높이 약 22m 이상에서 허용 수평변위량 15mm를

초과하며, 교대높이 7m 이상에서 변위량 급증

구조물공 ❙ 295

구조물공

 성토체의 시간의존적 거동(Creep)

□ 탄성해석 변위량과 Creep 변위량 검토(도교원 연구보고서, 2013)

성토고

탄성해석

변위량(㎜)

(①)

Creep 변위량 (수치해석, ABAQUS)

프리로딩 없음* 3개월 프리로딩** 6개월 프리로딩**

변위량(㎜)

(②)

비

(②/①)

변위량(㎜)

(③)

비

(③/①)

변위량(㎜)

(④)

비

(④/①)

8m 2.34 9.25 3.95 0.33 0.14 0.14 0.059

15m 6.60 43.56 6.60 6.39 0.97 3.10 0.47

25m 10.54 81.11 7.69 14.13 1.34 6.88 0.65

35m 11.15 136.73 12.26 23.27 2.09 11.12 1.00

* 교대하부까지 성토→말뚝→교대→뒤채움 시공

**노체까지 성토→프리로딩(3 or 6개월)→터파기→말뚝→교대→뒤채움 시공

□ 검토결과

o 성토높이별로 해석 변위량과 프리로딩이 없을 경우의 Creep

변위량이 4~12배 차이 발생

o 성토 후 프리로딩 여부 및 기간에 따라 Creep 변위량이 큰

변화를 보이며, 특히 3개월 프리로딩 시 급격히 감소

296 ❙ 구조물공

 지반변형계수(E0)

□ 지반변형계수(E0)가 말뚝설계에 미치는 영향 검토

o 지반변형계수(E0)와 휨모멘트, 수평변위량과의 관계

지반변형

계수(E0)

수평지반반력계수

(kh)

말뚝특성치

()

말뚝특성장*

(1/) 휨모멘트

(말뚝 수)

수평

* 말뚝 특성장(m)

수평지지력에 관여하는 지반의 깊이로써 특성장이 커지면

휨모멘트 및 수평변위량이 크게 산출되며, 작아지면 휨

모멘트 및 수평변위량이 과소하게 산출됨

o 지반변형계수(E0) 변화에 따른 말뚝 수 및 변위량 산정

구 분 700×N값 1,000×N값 1,200×N값

말 뚝 배 열

1열 8본

2열 7본

3열 7본

1열 7본

2열 7본

3열 7본

1열 7본

2열 7본

3열 6본

총 22 본 총 21 본 총 20 본

지반변형계수(E0) 10,500kN/m2 15,000kN/m2 18,000kN/m2

수평 변위량(mm) 12.911 10.069 9.091

※ 검토조건 : 교대 H=8.0m, 기초 B=12.14m, L=4.9m, 말뚝:Φ=508,12T, L=12.1m

□ 검토결과

o 지반변형계수의 증감에 따라 말뚝에 작용하는 휨모멘트 및

수평변위량에 큰 영향을 미침

o 지반변형계수를 700×N값 적용 시 말뚝개소 수 및 수평변위량이

증가하고, 1,200×N값 적용 시는 모두 감소함

구조물공 ❙ 297

구조물공

시공 및 품질관리

□ 매입말뚝 주면고정액 검토

o 매입말뚝 시공 시 주면고정액의 일수현상

으로 인한 말뚝상부 공동발생 등으로

수평저항능력 저하

o 고속도로공사 전문시방서(2012) 주면고정액 주입 기준

3.5 매입말뚝 시공

주면고정액의 주입량은 일수현상 등의 지반조건을 고려하여 감독원이

시험을 통하여 결정하여야 한다. 시험시공이 불가능한 경우에는 말뚝

주면공간의 2～3배 정도로 주입량을 산정하여 확대기초 저면까지

2～3회에 걸쳐 주입한다.

□ 성토체 다짐이 수평변위에 미치는 영향 검토

o 성토체 다짐과 지반변형계수, 변형율과의 관계

다짐도 지반변형계수

(E0, kPa)

수평지반반력계수

(kh, kN/m3)

변형율

(%)

85% 75,000 82,350 0.5

73% 41,700

(감 44.4%)

51,850

(감 37.0%)

0.9

(증 80.0%)

※ 서울대학교(2014)와 meyer & resse(1979)의 연구결과

o 성토체 다짐미흡 시 지반변형계수의 저하로 수평 지반반력

계수 감소 및 변형율 증가

o 삼축압축시험 결과 다짐도 12% 감소 시 성토체 변형율은

80% 증가함에 성토체 다짐관리 필요

□ 시공 중 교대변위 모니터링 검토

o 교대 시공단계별 체계적인 수평변위 데이터 관리 부족으로

시공 중 변위 발생 시 대처 미흡

o 구조물 초기치 확보 미흡으로 하자관리 곤란 등 유지관리 어려움

298 ❙ 구조물공

6 개 선 방 안

◈ 교대 기하형상 제한

◈ 지반변형계수(E0) 적용개선

◈ 성토체 시간의존적 거동(Creep) 반영

◈ 시공 및 품질관리 설계 반영

 교대 기하형상(성토높이, 교대높이) 제한

□ 교대 기하형상을 수평변위 발생빈도 및 발생량을 고려하여

성토높이 20m 이하, 교대높이 7m 이하로 설계

□ 부득이 성토높이 20m, 교대높이 7m를 초과할 경우 수치해석 등

정밀검토를 통하여 EPS블럭 등 교대 수평변위 대책 강구

당 초

변 경

성토부 하부 옹벽설치 교량연장 조정

성토높이, 교대높이 조정 예시

 성토체의 시간의존적 거동(Creep) 반영

□ 교대 성토체 Creep 변위량 설계적용

o 교대 성토체 Creep 변위를 신축이음 규격, 바닥판 유간 및 받

침용량 검토 시 여유량에 포함

※ Creep 변위량 설계 적용에 따른 말뚝의 내력 확인필요 (별첨참조)

구조물공 ❙ 299

구조물공

o Creep 변위량 산정은 도교원 연구결과에 의거 성토높이에 따

라 Creep 계수를 활용하여 산정

Creep 변위량 = (탄성해석 변위량) × Creep 계수*

* 성토높이에 따른 Creep 계수 (탄성해석변위량 / 3개월 프리로딩시 Creep변위량)

성토높이 Creep 계수

10m 미만 0.5

10m이상 ~ 15m 미만 1.0

15m이상 ~ 25m 미만 1.5

25m 이상 2.0 원지반

성토높이

교대높이

o 확장공사 등 공정관리 상 3개월 이상 프리로딩이 곤란한 경우

교대 수평변위 원인과 대책방안 연구(도교원, 2013)를 참조하여

Creep 계수(탄성해석변위량/프리로딩 없는 경우 Creep 변위량) 변경 적용

□ 성토부 교대 노체까지 성토 후 프리로딩

o 성토 후 3개월 프리로딩 시 평균 86.8%, 6개월 프리로딩 시

평균 93.4% Creep 변위량 감소

o 성토부 교대 시공방법 변경

노체까지 성토→프리로딩(3개월 이상)→터파기→말뚝→교대→뒤채움

노체까지 성토 프리로딩(3개월 이상) 터파기

말뚝 및 교대시공 뒤채움, 포장시공 상부공 시공

300 ❙ 구조물공

 지반변형계수(E0) 적용 개선

□ 지반변형계수(E0) 700×N값 잠정 적용

o 지반변형계수를 과대(1,200×N값)하게 적용 시 말뚝본수는 감

소하나 수평변위량 과소 평가

o 따라서, 국내 성토체 특성에 맞는 지반변형계수 산정방법

개발 시까지 미 해군시설 설계 매뉴얼의 700×N값 잠정 적용

□ 국내 고속도로 교대 성토체 특성에 맞는 지반변형계수(E0)

산정방법 연구 추진 (도로교통연구원 협조)

 시공 및 품질관리 설계 반영

□ 매입말뚝 주면고정액 일수현상 보완방안 설계 반영

o 말뚝상부 공동 예방을 위하여 말뚝 주면공간의 2배 주면고

정액 적용

천공경

주면고정액

(L)

선단근고액

말뚝

천공경

말뚝

주면공간(A)

주면고정액 = 주면공간(A) × 주면고정액 연장(L) × 2배

천공직경-말뚝외경

주면고정액 산정 예시

□ 말뚝 수평재하시험 설계적용

o 성토부 말뚝의 수평저항능력 확인을 위하여 성토높이 20m 이

상 교대 적용 (1회/교대)

o 교량별 말뚝 수평재하시험 자료는 건설공사 최종 준공도서에

포함하여 유지관리부서로 이관

구조물공 ❙ 301

구조물공

o 수평재하시험 사진 및 모식도

ㅇㅇ~ㅇㅇ ㅇ공구 ㅇㅇ천교 A1 수평재하시험 모식도

□ 시공 중 성토부 교대 수평변위 모니터링 반영

o 성토부 교대 수평변위 데이터의 체계적 관리를 위하여 모든

성토부 교대 적용 (광파기 활용 측량)

o 모니터링 모식도 및 시기

※ 교대 좌우에 설치

- 교대구체 시공완료 시

- 뒤채움 중(1/2지점), 완료 시

- 거더 거치 시

- 신축이음 설치 시

- 준공검사 시

모니터링 모식도 모니터링 시기

o 교량별 수평변위 모니터링 자료는 건설공사 최종 준공도서에

포함하여 유지관리부서로 이관

□ 교대 초기치 확보를 위한 3D 레이져 스캔 설계 적용

o 구조물 초기치 확보를 위하여 교대 수평변위 발생교량 관리방안

(구조물처-2416, 2012)에 의거 성토높이 15m이상 또는 직벽형

교대 말뚝기초 적용

빛의 속도로 발산되는 레이져 파장에

부딪히는 물체에 대한 메아리 신호

(Ecoh Signals)를 실시간으로 디지털화

시키는 기법으로 3차원 데이터 획득

3D 레이져 스캔

302 ❙ 구조물공

o 교량별 3D 레이져 스캔자료는 건설공사 최종 준공도서에 포

함하여 유지관리부서로 이관

7 적용방안

□ 설계중인 노선 : 본 기준 적용 (함양~창녕구간은 보완설계 시 적용)

□ 공사중인 노선 : 공사주관(시행)부서에서 적용여부 판단

별 첨 1. 교대 수평변위 관련 기준

2. 교대 수평변위 발생 조사 현황

3. 함양~창녕구간 세부 설계현황

4. 탄성해석 변위량 산정방법

5. 성토부 교대 설계 흐름도

6. Creep 변위량 적용시 공사비 현황

7. 수평재하시험 결과보고서 예시

8. 3D 레이져 스캔 개념 및 견적서

구조물공 ❙ 303

구조물공

별첨 1 교대 수평변위 관련 기준

 도로교 설계기준

□ (2008, 해설) 허용 수평변위량 : 말뚝지름의 1%

o D=1,500mm 이하 말뚝은 이제까지 실적을 고려 15mm 적용

o 편토압이 작용하는 경우 말뚝지름과 관계없이 15mm 적용

o p-y 해석(지반의 저항력과 말뚝변위의 비선형성 고려) 등 정밀한 해

석을 하는 경우 말뚝본체에 구조적 결함이 발생하지 않고 상부

구조물에 유해한 영향을 미치지 않는 변위까지 허용

□ (2012, 한계상태설계법) 허용 수평변위량 : 38mm 이하*

* AASHTO LRFD(2012) 규정 준용

교량의 공용성 조사결과 교대 수평변위가 1.5inch 보다 작으면 상부

구조의 중대한 손상없이 견딜수 있는 것으로 나타남

o 구조물의 기능과 형태, 예상 사용수명, 차량주행성, 과대변위 발

생 시 구조물에 미치는 영향 등을 고려하여 결정

o p-y 해석(지반의 저항력과 말뚝변위의 비선형성 고려) 등 정밀한 해

석을 하는 경우 말뚝본체에 구조적 결함이 발생하지 않고 상부

구조물에 유해한 영향을 미치지 않는 변위까지 허용

 구조물 기초 설계기준 (2009)

□ 허용수평변위량 : 국외의 경우 주로 38mm 이내, 국내의 경우 기

초폭의 1% 이내로 규정

□ 각 기관별, 연구자별 수평변위에 대한 구체적인 크기 또는 규정이

모호하며 대부분 상부구조 및 말뚝부재의 안정성이 확보되는 변

위까지로 규정

o 편토압이 작용하는 경우 말뚝지름과 관계없이 15mm 적용

304 ❙ 구조물공

 도로설계요령 (2009)

□ 허용수평변위량 : 말뚝지름의 1% 또는 15mm 중 큰값 적용

o D=1,500mm 이하 말뚝은 이제까지 실적을 고려 15mm 적용

□ 흙쌓기면 위의 교대에 작용하는 토압계산

H1 : 교대저면으로부터 노면

까지의 높이

H2 : 지표면으로부터 교대

저면까지의 높이

o 교대저면과 가상지표면 사이의 토압을 말뚝 폭의 3배(단, 확대기

초 폭 이하)에 대하여 작용

o 교대앞면은 기초폭 이상의 여유 반영 및 돌출말뚝으로 계산

 해외기준

□ AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 6th Edition(2012)

구조물공 ❙ 305

구조물공

□ AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges 17th Edition(2002)

□ Canadian Foundation Engineering Manual 4th Edition(2006)

306 ❙ 구조물공

□ 일본 도로설계요령(국토교통성)

구조물공 ❙ 307

구조물공

308 ❙ 구조물공

 고속도로공사 전문시방서 (2012)

□ 매입말뚝 주면고정액 관련 기준 (6-2 기초공)

o 말뚝을 박은 후 생기는 말뚝 주변 공간은 말뚝의 수평저항력과

주면마찰력을 확보하기 위하여 표준일축압축강도 490Kpa 이상인

물-시멘트비(W/C)의 주면고정액으로 확대기초 저면(설계지반면)까

지 충천하여야 한다.

o 주면고정액의 주입량은 일수현상 등의 지반조건을 고려하여 감

독원이 시험을 통하여 결정하여야 한다. 시험시공이 불가능한 경

우에는 말뚝 주면공간의 2～3배 정도로 주입량을 산정하여 확

대기초 저면까지 2～3회에 걸쳐 주입한다.

※ 세부사항은 SIP공법의 시공 및 설계 지침(도로교통연구원, 2006) 참조

□ 수평재하시험 관련 기준 (6-2 기초공)

o 수평재하 시험방법은 ASTM D 3966-90에 의거 시행하는 것을

기준으로 하며, 현장여건에 맞춰 방법을 선택하되 시험회수는

감독원의 지시에 따른다. 단, 수평재하시험의 결과는 설계조

건과 맞게 해석한 후 결과물을 제출하여야 한다.

구조물공 ❙ 309

구조물공

별첨 5 성토부 교대 설계 흐름도

* 말뚝의 안정성 검토를 통하여 말뚝의 내력 확인 필요

※ Creep 변위를 고려한 유간 여유량 산정방법 예시

신축이음 : 기본신축량×20% + 10mm + Creep 변위

바 닥 판 : 기본신축량×20% + 10mm + 10mm + Creep 변위

교량받침 : 10mm + 20mm + Creep 변위