KR100970766B1 - 교량의 세굴방지 및 내진용 기초보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 교각 주위의 토사의 세굴을 방지하고 내진을 위한 세굴방지 및 내진용 교량기초 보강구축공법에 관한 것으로서,

기 설치된 교량의 교각 주위의 토사가 세굴되었을 때에는 단계적으로 1차 성토층을 하상 또는 해저바닥 위로 퇴적시켜 조성하고, 다음 소정의 깊이까지 교각 주위로 하상 또는 해저바닥부 아래로 그라우팅을 실시하며, 다음 그라우팅으로 시멘트 몰탈주입으로 고결되면 상기 1차 성토층을 제거하는 제반단계로 이루어진다.

세굴, 교각, 내진

Description

교량의 세굴방지 및 내진용 기초보강공법{Process for reinforcing base and preventing wash-out of earth under the bridges}

본 발명은 수중구조물인 교량의 세굴방지 및 내진용 기초보강공법에 관한 것이다. 보다 알기 쉽게 말하면 본 발명은 교량의 교각 하부의 토사 세굴을 방지하고 교량의 내진으로 인한 측방유동방지를 위한 내진용 기초조성 및 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 하천이나 해상교량은 첨부도면 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 홍수가 났을 때와 같이 격류(도 1의 F)가 크게 발생할수록 장기간에 걸쳐 교량의 교각(橋脚) 주위에 쌓여있던 토사가 파여 점차 토사가 세굴되어 유실됨으로써 교각지반에서의 지지력이 약하게 된다.

이런 상태에서, 미약한 정도라도 지진이 날 경우 교각이 흔들리고, 교량이 붕괴되는 사고가 나기 쉽다.

교량을 떠받치고 있는 교각의 하상에 이르는 수중 교각주위로는 통상 토사가 두껍게 쌓여 있는데, 이 토사는 교각을 지지하는 지지물로서도 매우 유용하다.

그러나, 위 교각 아래에 쌓여있는 토사는 홍수가 지거나 바닷물이 역류하거나 또는 조수간만이 심할 때에는 하상이나 해상의 흐르는 물(流水)에 의해 세굴되어 교각 밑의 지지토가 사라져버림으로써 하상 또는 해상의 기반을 불안정하게 하고 지진이 날 경우 그대로 붕괴되기 쉽다.

따라서 이를 방지하기 위하여 종래에는 교각 밑 토사세굴에 대해 단위블럭 틈서리에 골재가 끼워지도록 하여 하상의 안정을 도모하는 기술이 개시되어 있으나, 이는 단순하고도 임시적인 대책에 불과할 뿐 세굴을 근본적으로 막을 수 있는 방법이 되지 못한다. 또한 내진을 위하여 교량을 받치고 있는 교각주위를 보강하는 보강공법이 개시되어 있으나, 이는 별도의 대형 구조물을 교량 주위에 따로 설치하여 교량을 지지하는 것으로 되어 있을 뿐 대형구조물 주위에도 세굴이 일어나게 되고 대형구조물 구축에 따르는 작업성, 경제성에 있어 엄청난 부담이 됨에도 불구하고 내진 자체의 근본적인 해결책은 되지 못하였다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고, 근본적으로 교량의 세굴방지, 나아가 지진발생시의 교량지지보강을 위해 근본적인 해결책을 모색하기 위하여 우선 전술한 교각 밑 토사의 세굴을 방지하고, 나아가 내진용 기초를 조성하고 보강하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 교량의 교각 주위의 토사의 세굴을 방지하고 내진을 위한 세굴방지 및 내진용 교량기초 보강구축공법에 제공하기 위하여,

기 설치된 교량의 교각 주위의 토사가 세굴되었을 때에는 단계적으로 1차 성토층을 하상 또는 해저바닥 위로 퇴적시켜 조성하고, 다음 소정의 깊이까지 교각 주위로 하상 또는 해저바닥부 아래로 그라우팅을 실시하도록 한 세굴방지 및 내진용 보강구축공법으로 되어있다.

본 발명에 의하여 교각 아래 기초부위 주위의 퇴적된 토사의 세굴 및 유실이 방지된다. 또한 내진을 기본적으로 해결할 수 있으면서도 저렴한 비용으로 양호한 작업성과 단시간 작업으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 효과가 있다.

본 발명을 보다 구체적으로 상세히 설명하기 위하여 첨부도면을 이용하여 설명하기로 한다.

도 1은 교량 및 교각 아래 하상에서 교각아래 기초부 주위로 모래ㆍ자갈 등의 토사가 쌓여 있는 상태를 간략히 나타낸 설명도이다. 이 토사(도 1의 부호 ES)는 주로 모래, 자갈 등으로 이루어지고 홍수 등에 의해 급류가 발생할 경우 그 급류의 흐름과 교각 및 기초부 주위에서의 부딪침과 와류발생으로 땅속으로까지 세굴(洗堀)되어 유실(流失)되기 쉬운 부분이다. 유실된 상태로 되면 먼저 교각 하부가 외부로 노출되어 부식되기 쉽고, 더욱이 지진 등의 재해가 발생되면 측면진동을 막아줄 토사층이 부족하여 교각붕괴 또는 상판균열 및 붕괴를 가져오기 쉽게 된다.

도 2는 상술한 바의 세굴을 방지하기 위한 제반 교각 보강구조를 간단히 도시한 것이다. 이는 전술한 도 1에서의 토사의 세굴 전의 토사 퇴적형태를 고려하고, 아울러 내진용 구조를 고려하여 구축한다. 즉, 도 2의 구조물의 구조는 홍수 또는 조수간만의 차이 등으로 인한 심한 파랑이나 격류 발생이 주로 수면부근이 가장 심한 점을 고려하여 토사유실부분을 콘크리트 구조물로 채워 보강하는 것이다.

파랑현상이든 홍수에 의한 격류운동이든 이들이 갖는 파동은 수평방향으로 크고, 수직방향으로는 점차 감쇄된다. 즉 수직방향으로 감쇄효과가 작용한다. 아울러, 지진에 의한 진동도 일반적으로 토사의 지지를 받고 있는 하상(해상) 부근에서 측방유동을 일으킬 정도로 가장 크고 하상 아래로 내려갈수록 작아짐으로 이 점을 고려하여 교각의 하상(해상) 아래지반에 도 2(A)(B)에 도시된 구조형태로 보강축조 한다. 여기에서 도 2(B)의 경우에는 수직방향으로 단계별 그라우팅을 실시하여서 이루어진 보강구조를 나타낸다.

도 3(A)는 도 2의 형태에 대응하여 축자척, 단계적으로 시멘트 구조물을 새로이 축조하는 것을 나타낸 것이다. 즉, 교각(2) 주위로 하상 아래지반에 하향하여 위로 갈수록 넓고 아래로 갈수록 좁게 시멘트구조물을 설치하거나 시멘트 그라우트로 구조물을 축조하는 것을 나타낸다. 단, 도 2는 보강구조물. 도 3은 신규의 새로이 축조한 구조물을 나타내는 점에서 도 2와 도 3에 차이가 있다.

도 3(B)는 신규 교량건설시 처음부터 위와 같은 형상으로 시멘트 그라우팅된 교각을 축조하는 것을 나타낸다.

상기 도 2 및 도 3에서 나타나 있는 바와 같이 전술한 바의 세굴을 방지하기 위해 교각아래의 기초부는 좌착부를 제외한 기초부의 형상, 즉 교량의 하부 하상 또는 해저 아래의 교각기초부의 형상을 최초 구축시부터 세굴대상 토사층에 해당되는 형상과 넓이를 고려하여 상부가 넓고 하부로 갈수록 좁은 새 날개형으로 형성하여 경사면을 갖도록 기초부를 구축하는 것으로 되어 있다. 이는 구조물 상부의 날개형이 갖는 날개부의 길이(ℓ)와 경사각(α)은 유속(流速)과 관련 있다. 연구한 바에 의하면 날개부의 길이(ℓ)는 기초 하단부 길이에 비해 약 1.5~5배가 선호되고, 가급적 2~3배가 바람직하다. 즉, 상기 경사면의 경사각(α)은 홍수 등의 발생으로 흐르는 물의 유속이 클수록 커지고, 유속이 작을수록 경사각도가 작아지는데, 통상 25°~60°, 특히 그중에서도 30°~45°가 선호된다. 특히 세굴 방지에 효과적 인 각도(α₁)는, 장기간 시험확인결과 45°이하로서, 토사의 내부마찰각(φ)과 관련이 있음을 알게 되었다.

여기에서 φ는 토사의 내부마찰각으로서 토사를 쌓아올려놓고 물속에 넣었을 때 토사가 저절로 아래로 내려가 경사를 이룰 때의 각도를 말하는데, 상기 세굴방지용 각도(α₁)은 통상 30° 내외가 대체적으로 양호하였다.

상술한 도 2 및 도 3에서와 같이 설치된 교량을 보수 또는 보강하든, 새로이 설치하든 하상 또는 해저바닥에서 넓고 아래로 내려갈수록 단계적으로 경사져 좁아지도록 하는 교량 기초구조물을 구축한다. 또한 도 3의 경우 단계별 그라우팅으로 돌출되어 있는 P부분의 형성으로 수평방향, 수직방향으로의 진동을 감쇄시키는 기능을 갖게 한다.

그러나, 도 2, 도 3의 경우에는 세굴방지용 구조물로는 적합하고 약한 지진에는 견딜 수 있으나 진도 5이상의 강한 지진시의 내진용 구조물로는 충분하지 않다. 여기에서 강한 지진이라 하는 것은 이 강진으로 인해 교각의 표면균열은 물론 교량 철구조물 연결부 파손이나 상판 균열 등이 일어날 정도의 강한 지진을 말하는 것으로, 이러한 경우에는 인명사고의 위험이 크므로 근본적인 내진설계를 하여야 한다.

도 4는 상술한 강진에 대비하여 교량에 있어, 교량을 처음부터 세굴방지 및 내진용으로 견고히 설치하기 위하여 모래자갈의 세굴, 즉 유실방지를 도모하고, 아울러 강진에 의한 교각의 측방유동, 진동을 방지하기 위하여 하상(해상)에서 지하 암반에 이르기까지의 지반을 강관 등의 강재파일링과 그라우팅으로 축조한 때의 개략단면도를 나타낸 것이다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 교량(3)의 교각(2)의 하단부에 교각 기초대(A)가 좌착되고, 이 교각기초부(1) 및 교각(2) 주위로 세굴되어 토사가 유실되는 부분이 일실시예로서 실선 S로 나타나 있다. 또한, 토사유실이 최대로 되었을 때를 점선(S_max)으로 나타내었다. 홍수 등으로 토사가 S형 실선부분과 같이 유실되었을 때에는 이 유실부분(S)을 토사로 메우고 하상의 일정높이부분(S_a)을 토사 적치하여 쌓아 성토한 다음, 하상 바닥으로부터 아래로 암반을 향해 하상바닥 아래의 지하층을 굴착하고 교각기초대 주위로 다수의 수직 강관파일을 박고 그라우팅하여 교각기초대와 교각을 보강하게 되는 것이다.

상기 그라우팅은 상기 교각아래 기초부 주위로 틈이 없도록 중복실시하여 교각 및 기초부의 부식발생을 방지한다. 또한 그라우팅 깊이의 기준이 되는 세굴심도(H_max)는 최대홍수수위(Hw)의 0.7~1.0배로 산정하여 그라우팅을 실시한다.

여기에서 0.7배 미만으로 할 경우 세굴방지가 충분하지 않고 1.0배 이상은 세굴 발생되지 않기 때문이다.

이 경우, 상술한 바와 같이 단계적으로 1차 성토층(Sa)을 하상 또는 해저바닥위로 퇴적시켜 조성하고, 다음 소정의 깊이까지 하상(해저바닥)으로부터 그라우 팅을 실시하고, 이렇게 하여 그라우팅으로 시멘트 몰탈주입되어 고결되면, 마지막으로 상기 1차 성토층(Sa)을 제거한다.

도 5는 본 발명의 또다른 일실시예로서의 교량보강부분을 알기 쉽게 나타낸 것으로, 여기에서 활 모양의 실선을 세굴심도, 굵은 점선부분은 최대 세굴심도를 나타낸다. 또한 가는 점선은 상술한 1차 성토부위를 나타낸다.

도 6은 도 5의 구조물을 A-A선으로 잘라본 횡단면을 나타낸 것이다. 도 6에서 빗금친 부분은 지반 개량된 부위를 나타낸다.

도 5 및 도 6에서 나타나 있는 바와 같이, 교량의 기초부 보강 또는 신규구축을 위한 굴착, 파일링, 그라우팅 등의 제반작업을 통한 최선의 세굴방지 및 내진용 교량 기초 구조물이 완성됨으로써 기능상 완벽에 가까운 그리고 작업성과 경제성을 가진 교량구조물을 얻을 수 있다.

도 1은 교각 아래 하상에서 교각 아래 기초부 주위로 모래·자갈 등의 토사가 쌓여있고 세굴 대상지반이 되는 것을 나타내기 위한 교량의 하상주변 토사층 상태도

도 2는 세굴을 방지하기 위한 제반 교량 기초부의 보강구조물을 나타내는 것으로 도 2(A)는 본 발명상의 교각·기초부 보강구조물의 형상을, 도 2(B)는 단계적으로 그라우트 보강된 본 발명 교각·기초부의 보강구조물 형상을 각각 나타낸다.

도 3(A)는 도 2(A)의 형상에 대응되어, 도 3(B)는 도 2(B)의 형상에 대응되어 각각 신규의 축조된 구조물 형상을 각각 나타내며, 도 3(B)는 단계적으로 그라우트 축조된 구조물 형상을 나타낸다.

도 4는 세굴방지 및 내진용으로 하상아래의 교각·기초부위를 강관 파일링과 그라우팅으로 축조하였을 때의 상태를 설명하기 위한 상태도이다.

도 5는 세굴방지 및 내진용으로 하상아래의 교각·기초부위를 단계적인 그라우팅으로 축조하였을 때를 설명하기 위한 상태도이다.

도 6은 도 5의 구조물을 A-A선 단면으로 나타낸 횡단면도이다.

<주요부호>

1. 교량의 기초부

2. 교각

3. 교량

ES. 하상에서 교각주위로 퇴적된 토사층

F. 격류

Wt. 수면

Wb. 하상

P. 돌출부(그라우팅 실시부 중 가장자리부)

S. 토사유실부분

Sa. 토사메움부분(성토층)

S_max. 토사최대유실부분

Hw. 최대홍수수위

H_max. 세굴심도

G₁ ~ G₃. 그라우팅 실시개소

Claims (2)

1. 교량의 교각 주위의 토사의 세굴을 방지하고 내진을 위한 세굴방지 및 내진용 교량기초 보강구축공법에 있어서,

   상기 공법은 기 설치된 교량의 교각 주위의 토사가 세굴되었을 때에는 단계적으로 1차 성토층을 하상 또는 해저바닥 위로 퇴적시켜 조성하고, 다음 소정의 깊이까지 교각 주위로 하상 또는 해저바닥부 아래로 그라우팅을 실시하며, 다음 그라우팅으로 시멘트 몰탈주입으로 고결되면 상기 1차 성토층을 제거하는 제반단계로 이루어지고,

   상기 그라우팅은 상기 교각아래 기초부 주위로 틈이 없도록 중복실시하며, 상기 그라우팅 깊이의 기준이 되는 세굴심도(H_max)는 최대홍수수위(H_w)의 0.7~1.0배로 산정하여 그라우팅을 실시하도록 한 것을 특징으로 하는 세굴방지 및 내진용 교량기초부 보강구축공법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 교각 아래의 기초부는 좌착부를 제외한 기초부의 형상을 최초 구축시부터 세굴대상 토사층의 상부에 해당되는 부위를 넓게 형성하고, 하부로 갈수록 좁게 형성하여 경사면을 가지도록 하고, 이때의 경사면의 경사각도는

   

   (단, 여기에서 φ는 토사의 내부마찰각)로 이루어지도록 한 세굴방지 및 내진용 교량기초부 보강구축공법.

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