연직배수공법(P.B.D) 설계

연직배수공법(P.B.D) 설계


1. 시공순서

(1) 연약지반 처리에 대한 시공과정을 단계별로 나타내면 다음과 같다.

(1.1) 1단계 : 표층처리
 
- 원지반 상단에 저면 Mat(PP Mat)를 포설
- 저면 Mat상단에 Sand Mat를 부설


(1.2) 2단계 : Vertical Drain 타설

- Sand Mat상단에서 PBD를 타설
- PBD는 Sand Mat상단으로부터 여유길이 40cm를 확보


(1.3) 3단계 : 성토 및 압밀방치

각 구간별로 1.5m/월의 성토속도로 성토를 한 후 압밀 방치를 실시


(1.4) 4단계 : 여성토 제거

계측결과를 분석하여 잔류침하에 대한 안정성이 확보된 경우 여성토 제거


(2) 시공단계에 따라 압밀침하량은 다음과 같이 변화된다.

- 압밀침하 해석순서도



2. PBD 처리구간 압밀침하시간

- PBD 타설형태

(1) 본 과업구간은 침하기간을 촉진시키기 위하여 연직배수공법으로서 PBD를 타설하는 것으로 계획하였다.

(2) 순수침하 대기기간은 총 침하량에서 허용잔류침하량을 제외한 침하량이 발생하는 기간으로 설정하였으며, 여성토 재하와 함께 침하가 완료되어도 안정성을 고려하여 최소 1개월의 순수침하 대기기간을 갖도록 계획한다.
연약지반 총 처리기간은 PP Mat 및 Sand Mat 포설기간, 매립 및 여성토의 재하기간과 순수침하 대기기간의 합으로 정의한다.


- PBD 처리구간 연약지반 처리기간

* D : 점토층 두께(m)


3. Sand Mat 배수검토

3.1 검토개요
연약지반상에 포설되는 Sand Mat는 연직배수재 타설장비의 Trafficability 확보 및 압밀침하로 발생하는 간극수의 배출, 성토체의 배수층으로 성토체내 수위저하를 목적으로 포설된다.
Sand Mat는 일반적으로 P.P Mat와 조합하여 사용되며, P.P Mat의 보강 및 분리작용으로 타설장비의 중량에 의한 지반의 전단파괴를 방지하고 일정한 두께를 유지하여 간극수의 배출을 원활하게 한다.
본 검토에서는 PBD 장비의 Trafficability 및 압밀침하에 의한 간극수의 원활한 배출이 가능한 Sand Mat 두께를 결정한다.


3.2 Sand Mat 두께 결정

3.2.1 Trafficability 확보를 위한 Sand Mat 두께
(1) 연약지반 상부에 부설되는 저면 Mat(T=5tonf/m)는 PBD 타입시 천공으로 인한 강도 감소의 안전율 3.0 및 다음과 같은 손상에 대한 안전율을 고려할 경우 전단보강효과보다는 점토층과 Sand Mat의 분리기능으로 적용되므로 Sand Mat의 두께 산정시 저면 Mat의 강도는 고려하지 않는다.

- Mat의 손상에 따른 안전율

(2) Sand Mat의 두께는 PBD 장비의 접지압을 이용하여 다음과 같이 검토한다.


- 차량 : 40ton 크롤라 크레인
- 타설심도 : 35.0m
- PBD 장비 총 중량 :68.72ton
- 궤도제원 : a(4.775m)×b(0.813m)
- 기준안전율(FS) : 1.5
- θ : 하중 분산각(1:2분포, 26.6°)
- h : Sand Mat 두께
- 한쪽의 무한궤도에 작용하는 무게(w=42ton)의 접지압을 이용


(3) 장비주행성에 따른 Sand Mat 두께별 안전율

* 접지압, qd=w/(a+2h*tanθ)(b+2h*tanθ)
상기의 검토결과에서 Sand Mat는 0.6m의 두께로 주행성 확보가 가능한 것으로 검토되었으나, 간극수의 원활한 배출이 가능하여야 하므로 배수기능에 대한 검토 후 결정하는 것으로 한다.

3.2.2 배수기능에 대한 Sand Mat 두께

(1) 압밀에 의해 지표로 배수된 간극수는 Sand Mat를 통하여 수평방향으로 배출되며, Sand Mat의 두께, 투수계수, 수평배수거리는 압밀속도에 상당한 영향을 미친다.
Sand Mat 변형을 고려하지 않고 간극수의 배출만을 고려할 때 Sand Mat두께는 다음과 같이 계산할 수 있으며 일면배수 조건을 고려한다.
Q=L S=k i A=kΔHwh/L → ΔHw = L2S/kH
여기서,
Q : 배수량(㎤)
ΔHw : 압력수두(cm)
L : Sand Mat 배수거리(집수정 간격/2, cm)
k : 투수계수(cm/day)
S : 평균침하속도(cm/day)

＜Sand Mat 배수효과＞
 
 
본 과업구간의 배수조건은 대부분 일면배수조건으로 압밀에 의해 발생되는 간극수는 점토층 상부로만 배출된다고 가정한다.
Sand Mat내 투수계수는 5.0×10-3cm/sec(432cm/day)로 가정하였다.
압밀침하는 하중재하 초기에 빠르게 진행되며 기간이 경과할수록 침하속도는 줄어들면서 최종 침하량에 수렴하게 된다.

따라서, 간극수의 배수에 대한 안정성을 고려하여 평균침하속도는 1~5구간에 대한 압밀도 50%의 침하량 및 침하시간으로부터 산정하였다.
다음의 검토결과로부터 평균침하속도의 평균값(0.633cm/day)을 적용하는 것으로 한다.

- 평균침하속도

(2) Sand Mat 두께별 배수기능

상기의 Sand Mat 두께별 배수기능 검토결과와 같이 부지면적이 넓어 배수거리가 길고 평균침하속도가 크기 때문에 Sand Mat 만으로는 간극수의 원활한 배수가 어려울 것으로 판단된다.

Sand Mat의 배수기능이 저하되면 침하촉진 효과가 급격히 감소하여 침하시간이 지연될 가능성이 있으므로 배수관을 설치하여 간극수가 원활하게 배수될 수 있도록 하는 것이 합리적이라 판단된다.

따라서 Sand Mat의 두께는 60cm로 하고 Mat내에는 배수관을 설치하여 간극수의 배수가 원활하게 되도록 설계한다.



3.3 수평배수관 설계


3.3.1 배수관 배치간격 결정

(1) 수평배수거리에 따른 지하수위의 상승(ΔHw)은 간극수의 배출량이 배수관에 집수되는 유량과 동일하다고 전제하여 상기에서 언급한 관계식을 이용하여 산정한다.
수평배수관의 간격에 따른 지하수위 상승 높이는 다음과 같다.

- 수평배수관 설치간격 결정

(2) 수평배수관의 배치는 검토결과를 토대로 30m 간격으로 종·횡방향으로 매설하고 성토시 시공성을 고려하여 집수정을 170m 간격으로 배수관이 교차하는 지점에 설치하는 것으로 한다.


3.3.2 배수관 규격 결정

(1) 배수관의 형상은 원형유공관, 고밀도 폴리에틸렌계의 Mat형 유공관, 망상관 및 FDM 집속관(다발관) 등이 있으며, 지반침하에 대한 순응성, 성토하중에 대한 내구성, 집수 및 배수능력, 시공성 및 경제성 등을 고려할 때 일반적으로 사용되는 PE유공관이 합리적일 것으로 판단된다.
배수관의 규격은 압밀침하속도, 수평배수거리에 의하여 결정되며 집수량은 다음과 같이 산출된다.
Q = A × S
여기서,
Q : 집수량(㎥/hr)
A : 배수관 집수면적(㎡)
S : 평균침하속도(m/hr)

- 배수관의 집수량

(주) 배수관의 집수면적 = 80×40 = 3,200


(2) 수평배수관의 각 규격에 대한 통수능력은 다음과 같으며, 집수량을 고려하여 규격을 결정한다.

- 수평배수관의 통수능력

* 배수관의 통수효율은 세사의 침전을 고려하여 80%로 함.

(3) 시간당 집수량이 0.7(㎥/hr)이므로 최소배수구배가 1/1,000일 경우 Ø75 정도이면 충분할 것으로 판단되나, 안전을 고려하여 Ø100을 선정하고자 한다.


4. 집수정 및 배수펌프
수평 배수관으로 집수된 간극수를 모아서 지반개량구역 외부로 방출시키기 위해서는 집수정과 배수펌프가 필요하다.    집수정은 수평배수관 내부의 원활한 간극수의 흐름과 배수관의 기능저하에 따른 압밀 지연을 방지하기 위하여 배수관의 교차지점에 설치한다.

4.1 집수정 검토
집수정의 재질은 Ø1200mm 콘크리트 흄관을 사용하고 간극수의 유입이 원활히 될 수 있도록 구멍이 뚫려 있어야 하며, Filter Mat 혹은 잡석으로 피복하여 모래와 점토입자의 유입을 방지해야 한다.
집수정의 수위는 점토 상부면을 유지하기 위하여 자동 수위 조절이 가능한 자동 수중 펌프를 사용한다.
집수정 규격 결정을 위한 검토조건 및 표준단면은 다음과 같다.

- 집수정 검토조건

- 표준단면



4.2 배수펌프 검토

(1) 수중펌프 규격은 지반개량구간에 설치된 집수정에서 간극수를 배송용호스(Ø50mm, 비닐 pipe)로 양수하여 개량지역 외부로 배출시키며, 배송거리에 따라 다음과 같이 4Type으로 구분하여 산정한다.

- 배송거리

(2) 수중펌프의 양정고를 산정하기 위해서는 평균유속을 먼저 계산해야 하며, 양정고는 H1+손실수두(H2)이다.
평균유속 및 손실수두는 미국에서 경험적으로 개발하여 상수도 설계에 많이 사용된 Hazen-Williams 공식을 사용하였다.

(2.1) 관 마찰에 의한 손실 계산
- 동수경사 I 계산
I=H2/L=10.666·C-1.85·D-4.87·Q1.85
여기서,
C : 유속계수(Hazen-Williams 계수, 110)
D : 관경(m)
Q : 유량(㎥/sec)
- 평균유속 계산
V = 0.84935·C·R0.63·I0.54 (Hazen-Williams 공식에서)
여기서,
V : 평균유속(m/sec)
R : 동수반경(m)
I : 에너지 동수경사(m/m)
상기식에서 원형관인 경우 R=D/4이므로 정리하면
V=0.35464·C·D0.63·I0.54
- 마찰손실 수두계수 F계산
F=133.5/(C1.85·D0.167·V0.15)

(2.2) 손실수두 계수
- Hazen-Williams 공식 : H2 = F·(L/D)·V2/2g
여기서,
H2 : 마찰손실수두(m)
F : 마찰손실 수두계수
L : 관 연장(m)
V : 평균유속(m/sec)
D : 관 직경(m)
g : 중력가속도(9.8m/sec2)
(2.3) 소요출력 계산
Po = γ·Q·H/η
여기서,
Po : 물이 받는 중력(Kw)
γ : 물의 단위중량(t/㎥)
Q : 유량(㎥/min)
H : 전수두(m)
η : 펌프 System의 전반적인 효율(46%)
Po=(1000/60)×(9.807/1000)×γQH/η=0.163(γQH/η)
(2.4) 소요되는 펌프출력(Pm)
Pm = 1.2 × Po(Kw)

(3) 배송거리에 따른 펌프의 소요출력을 검토한 결과는 다음표와 같다.
각 배송거리에 따라 요구되는 수중 펌프의 최대출력은 1구간은 1.1kw, 2~5구간은 0.7kw 이상이 필요한 것으로 검토되었다.

- 배송거리에 따른 수중펌프의 소요출력