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1 토목섬유를이용한제방축조및슬러지탈수 Containment Dyke and Sludge Dewatering using Geotextile. 김정한 Kim jeong-han 지오마린 GeoMarine Corporation 1 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

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3 목차 제1장토목합성재료로서의용도 1. 개요 1.1 토목섬유의활용배경 1.2 토목섬유의적용성 2. 토목합성재료 3. PVA 관련토목합성재료의선진화동향 4. PVA 토목합성재료의평가 5. PVA 토목합성재료의기능과용도 6. 토목합성재료의개발방향 제2장토목섬유를이용한제방축조 1. 개요 2. 토목섬유 (Geotextile) 의적용 3. 토목섬유튜브 (Geotextile tube) 4. 토목섬유튜브를이용한공사용가도축조 5. 토목섬유튜브설계 6. 설계요소에대한이론적검토 7. 토목섬유튜브를활용한제방축조공법결정을위한영향인자 8. 결론 9. 의견 제3장토목섬유튜브를이용한고함수비물질의탈수 1. 개요 2. 적용성 3. 탈수용재료로서의토목섬유튜브 제 4 장토목섬유를활용한준설투기장제방축조설계사례 3 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

4 제 1 장토목합성재료로서의용도 1. 개요토목건설용고분자재료란모래, 흙, 자갈등의환경에사용되는섬유, 고분자재료로서토목공사의시공기술과밀접한관계가있는제품이며직포, 부직포, 매트등과같은직물형태와플라스틱, 멤브레인, 압출판및 3차원압출성형구조물, 네트등과같은고분자제품이광범위하게포함된다. 1.1 토목섬유의활용배경토목건설용고분자재료가본격적으로사용된 1970년대초기에는주로토사의세굴방지와여과의목적으로이용되었다가그후에는지반의분리, 보강또는배수의기능으로널리이용되어왔으며최근에는방수, 균열방지, 지반구조물보호, 충격흡수등의목적으로사용하고있다. 우리나라의경우토목건설용고분자재료의사용분야는주로매립지의연약지반보강, 옹벽및사면보호등이지만이러한토목건설용고분자재료사용량의추세는 1992년을기준으로볼때, 세계적으로 10억m2이상이사용되었으며국내에서도약 1,000만m2가소요되었고향후그사용량이급격히증가할전망이다. 섬유재료를각종토목공사에이용하기위한시도는아주오랜옛날부터이루어져볏짚, 보릿짚, 버들가지, 갈대등의천연재료를보강재및필터재등으로사용한기록이있으나, 이러한천연섬유재료들은강도, 내구성, 재료구입및품질관리등의문제점으로인해토목재료로서광범위하게사용되지못하였다. 그러나보다경제적이고효과적인재료를얻고자하는토목기술자및섬유기술자들의연구결과 1960년대이래고분자합성섬유제품인토목섬유 (Geosynthetics) 가개발되어이러한천연섬유재료의문제점을해결하였으며, 또한우수한시공성, 적용성및경제성등을갖추고있어최근각종토목구조물에보강, 필터, 배수, 분리, 봉쇄및침식방지재등으로폭넓게사용되고있다. 이러한토목섬유는폴리프로필렌 (poiwropylene), 폴리에스터 (polyester), 폴리에칠렌 (polyethylene), 폴리아크릴니트릴 (polyacrynitril), 나일론등의합성섬유를직조하여형성된다공성제품인지오텍스타일 (geotextile) 과차수용제품인지오멤브레인 (geomembranes), 고강도제품인지오그리드 (geogrids) 및지오텍스타일관련제품등을포함한다. 4 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

5 토목섬유는초기에는직포 (Woven geotextile) 와부직포 (Non-woven geotextile) 를대변하는용어로사용되었으나, 최근다양한제품의개발과적용으로보다광범위한섬유재료를대변할수있는용어인 Geosynthetics 이사용되고있다. Geosynthetics라는용어는 Geomechanics와 Synthetics 가합쳐져서만들어진용어로, 1986년에개최된국제토목섬유학회에서국제통용어로제안되어사용되고있다. 토목섬유는선진외국에서 1960년대초하천제방, 사면보호를위해필터용지오텍스타일 (Geotextile) 을최초로사용한이래눈부신성장을계속하여현재는각종토목구조물에연간약 10억m2이상의물량이다양한용도로사용되고있다. 토목섬유에관한연구도활발히진행되어 1977년에파리에서제1회국제토목섬유학술회의가열렸고, 뒤이어 1982년, 1986년, 1990년, 1994년에개최된 4회의국제토목학술회의를통하여수많은실험적, 이론적연구논문들이발표되었다. 이러한연구들을통하여보다경제적이고효율적인제품들이개발되고, 현장조건을고려한특성시험방법들과토목섬유의거동을규명하는이론적해석방법들이제시되어만족스럽지는못하다할지라도일반적인구조물에대해서는토목섬유의용도별로이론적인해석과설계및합리적인시공을할수있는단계까지도달하였다국내에서는 1972년아산방조제공사에보강용토목섬유 (Woven geotextile) 가최초로사용되었으며, 1975년창원종합기계공업단지조성공사에연약지반보강용및수직배수공법 (Paper Drain공법 ) 에약 420,000m2의토목섬유가사용되었다. 특히 1977년대를기점으로대단위항만, 간척사업과임해공업단지조성공사가활발히진행되면서연약한지반조건의개선및공사비절감등의목적으로사용된토목섬유의효과가인정을받아대량으로토목섬유가사용되는계기가마련되었고, 이와함께해당연구과제와관련된기술교류등을통해토목기술자와섬유기술자사이의상호협조체제가형성되면서국내토목섬유의질적, 양적성장을이룩하는토대가마련되었다. 1980년대에들어와서는토목섬유적용용도가확산되면서사용물량이급증하였고, 토목섬유가사용된각구조물별로지반공학적문제들이제기되어토목섬유생산업체들의시험시공과함께일부대학과연구소에서토목섬유기술발전을위한연구들이수행되기시작하였다. 또한 1986년 11 월에는제품을생산하는업계, 시공업계, 설계자, 연구자들이. 모여농어촌진흥공사에서대한토목학회및농어촌진흥공사의후원으로제 1회토목섬 5 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

6 유세미나를개최하였다. 동세미나에서는토목섬유의구체적인적용방법과발전방향에대한심도있는토론기회를가짐으로써본격적인기술발전의기반을조성하였으나, 그후제반여건및제도적장치의미흡으로인해계속적인연구발표회가중단되었고, 토목섬유에관한연구도일부대학과연구소에국한되어수행되어왔다. 1990년대에들어서면서국내토목섬유의사용량이연간 1,000만m2-2,000 만m2이상으로증가되는추세이고선진외국의관련기술도급속한발전을하고있어, 향후국내건설시장개방에대비하기위해설계, 시공, 특성시험법등의토목섬유관련기술의체계적정립과함께토목섬유의신제품및새로운관련공법개발, 광의의토목섬유 (Geosynthetics) 적용방안연구등이절실히요구되어왔다. 또한최근에는대규모간척공사는물론고속전철, 지하구조물, 폐기물매립지등톡목섬유적용구조물이다양화, 대형화및고난도화됨에따라각구조물별로안전하고경제적인적용기술의개발이요구되고있는등총체적인재정립이그어느때보다시급히요청되고있다. 1.2 토목섬유의적용성해안, 하천공사에는쇄석, 콘크리트제품및블록제품등과같은다양한건설자재들이사용되고있다. 그러나최근들어일반적으로널리적용되고있는건설자재의수급의어려움으로인하여공사비및유지관리비용의상승, 시공기간장기화및환경파괴에대한우려로인하여대체공법의개발이활발하게추진되어오고있다. 특히, 최근들어기후변화에따른개발과환경보호를선진국뿐만아니라개발도상국에서도해안침식보호공법등의해안보호유지및시설공법에적용돼양립하는방향으로건설자재의수급을추진하고있는데이러한개발및복원현장에유용하게적용되고있고그사용용도가확대되고있는주요자재가토목합성재료 (Geosynthetics) 이다. 토목합성재료 (Geosynthetics) 란모래, 흙, 자갈등의환경에사용되는토목공사의시공기술과밀접한관계가있는제품이며직포, 부직포, 매트등과같은직물형태와플라스틱멤브레인, 압출판및 3차원압출성형구조물, 네트등과같은고분자제품이광범위하게포함된다. 1,2 토목합성재료에요구되는기본특성을살펴보면 1가격이저렴할것, 2용도에적합한강신도및투습성을가질것, 3 크리프성이양호할것, 4 내화학성및내구성이강할것, 5 운반및시공이용이할것등이다. 6 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

7 일반적으로토목합성재료는사용환경조건하에서언제나안정된상태를유지해야만한다. 즉, 내구성이강하고박테리아등미생물에의한물성의변화가없어야하며지반강화용약품등에견디면서내광성이있어야한다. 3-5 보통연약지반처리공법에사용되는토목합성재료매트는흙속에서매립시켜사용하지만장시간현장에서일광에노출되기때문에특히폴리올레핀계통의고분자 ( 폴리프로필렌, 폴리에틸렌등 ) 에는자외선안정제및산화방지제가첨가되어야하며어떠한토목합성재료이든지극한상태에서충분히견뎌야만한다. 따라서섬유고분자의역학적성질과구조인자들을고려하여토목합성재료의최종적인설계가결정된다. 그림1 토목함성재료제품토목합성재료의종류로는지오텍스타일 (Geotextiles), 지오멤브레인 (Geomembranes), 지오그리드 (Geogrids), 지오네트 (Geonets), 지오셀 (Geocells), 지오매트 (Geomats), 지오파이프 (Geopipes), 토목섬유점토차수재 (Geosynthetic Clay Liners, GCL), 지오컴포지트 (Geocomposites) 등을들수있으며, 주로토사의세굴방지와여과, 지반의분리, 보강또는배수, 방수, 균열방지, 지반구조물보호, 충격흡수, 폐기물매립지, 연약지반보강, 터널, 간지, 도로건설, 옹벽및사면보호등의목적으로사용되고있다 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

8 우리나라의경우토목합성재료의원료도주로가격이저렴한폴리올레핀계열의범용고분자원료가대부분이다. 그러나시공기간이길고내구성및장기성능을요구하는구조물이나콘크리트강화용섬유복합재, 장기성능유지구조물적용토목합성재료등의생산및사용은외국에비해매우적은설정이다. 이러한경우기존에사용되는고분자원료보다는고성능, 고내구성고분자원료들이요구되기때문에 PVA의적용은매우고무적이라할수있고, 시장대체효과가매우큰원료라고볼수있다. 특히, 단순제품의용도가줄어들면서, 토목합성재료제품의다양한복합화기술및제품개발이극미의관심사가되어분야별관련산업의선진화가진행되고있다 즉, 기존의폴리프로필렌이나폴리에스테르섬유가가지고있는화학적및자외선안정성을개선할수있는 PVA 섬유를사용하여고성능지오텍스타일을개발하고기존제품의장점을모두발휘할수있는복합제품을개발하여지오텍스타일의시장에대한적용성을확장, 개선할수있다. 여기서는지금까지사용되고있는토목합성재료의요구특성, 기능및용도와이를대체할수있는재료로서의 PVA의토목환경분야의용도를소개하기로한다. 2. 토목합성재료실제고분자원료들은각각의고유한특성을가지고있으며, 토목합성재료의다양한기능에적합한특성을갖기위해여러가지첨가제를혼합하고제조공정도제품마다다르다. 예를들면, 부직포지오텍스타일의경우원료섬유의종류에따라니들펀칭, 열융착및스펀본딩법이적용되며지오멤브레인의경우압출, 캘린더링, 연신등의공정을거치게되고지오그리드와지오네트관련제품들은압출, 펀칭, 연신, 제직, 피복등의공정을거쳐다양한기술들로제조된다. 대표적인토목합성재료들과 PVA의용도적합성을알아보면다음과같다. 2.1 지오텍스타일 (Geotextile) 필라멘트사, 또는방적사를이용하여평직, 능직, 주자직으로구분되는직포형지오텍스타일이있으며사용되는실은보통 1,000 3,000 데니어정도의실을연사하여사용한다. 직물밀도는경, 위사방향으로인치당 19 21개가일반적이며주로폴리에스테르와폴리프로필렌섬유가사용되고있으나폴리프로필렌섬유는내광성이약한단점이있다. 8 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

9 또한장섬유나단섬유를랜덤하게배열하여결합시킨부직포지오텍스타일은단섬유의경우니들펀칭공정을이용, 중량 400 3,000g/ m2정도로제조되며, 장섬유의경우스펀본드공정으로중량 g/ m2정도로적층하여니들펀칭또는열융착등의방법으로결합시킨다. 일반적으로구성섬유들이무질서하게엉켜있는구조를형성하고있어역학적, 수리적특성이우수하며폴리프로필렌과폴리에스테르섬유가주로이용되고있다. 그림 2 토목섬유 (Geotextile) PVA의경우단독으로부직포지오텍스타일의제조가가능하며, 폴리프로필렌과폴리에스테르부직포지오텍스타일의단점을보완할수있는복합지오텍스타일로도사용할수있다. 2.2 지오멤브레인지오멤브레인은액체봉쇄를목적으로최근널리사용되고있으며국제산업직물협회 (IFAI, Industrial Fabrics Association International)) 에의하면독성폐기물, 산업용과가정용의쓰레기매립, 흙댐및터널방수등특별한용도에사용된다. 고분자수지와카본블랙, 첨가제가혼합된칩을 flat die (T-die) 가부착된압출기를이용하여 sheet상으로압출시킨다음롤러연신장치를통과시켜 그림 3 지오맨브래인 9 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

10 지오멤브레인으로서의성능을부여하거나또는 flat die 대신 circular die 가부착된장치를통과시켜 blown type의지오멤브레인을제조한다. 이들두가지형태의지오멤브레인은압출방식에의해다른형태학적구조를나타낸다. Flat die를사용할경우에는롤러연신에의해 die 전반부의폭과두께가 die 후반부에비해커지며, circular die를사용할경우에는이와반대의현상이나타난다. 이러한형태학적차이는지오멤브레인접합시불량시공의원인이되며지오멤브레인의전반적인물성에도중요한영향을미치게되므로권취및연신공정을적절하게제어하여야만한다. 그리고표면처리된지오멤브레인도있으며, 제조방법에는 sprayon공정, 조각롤러를이용하는공정, 코팅공정등이있으며공통적인특징은표면에요철구조를형성하여흙과의마찰저항을향상시켰다는점이다. PVA의유변학적특성을제어하면기존의지오멤브레인의균열응력저항성이나화학저항성을향상시킬수있는목적으로용도전개가가능하다. 2.3 지오그리드지오그리드는리브 (rib) 사이에대략 1 10cm의 apertures를가진격자형재료이며리브의구성, 교차연결또는결합방법은다양하게변화시킬수있고하중을받는방향의보강재로사용된다. 압출기를통과한고밀도폴리에틸렌 (HDPE) 지오멤브레인을롤러에통과시켜격자모양의그리드형태로천공한후일축또는이축으로연신시켜타원형모양으로제조되는쉬트형지오그리드와직물이나편물형태의 band fabrics과필라멘트사를각각경위사방향으로공급하여 apertures를형성시킨섬유형지오그리드가있다. 이외에도접점강화형, 복합형등의지오그리드가있지만주로쉬트형과섬유형지오그리드가보강토옹벽공사, 지반보강분야등에사용되고있다. 특히, 섬유형지오그리드의경우주로고강력폴리에스테르실이원료로사용되며, 경위사의결합점에서의접합을강화하고그림 4. 지오그리드 10 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

11 일광및자외선에대한저항성을향상시키기위하여 PVC, 역청, 콜타르등과같은수지를적정용제로용해시켜지오그리드를피복시킨다. PVA의경우폴리에스테르나 HDPE의약점을해결할수있는우수한성능을가지고있기때문에경제성만있다면기존제품의대체효과가매우큰분야라고볼수있다. 2.4 지오네트지오네트는서로반대방향으로운동하는회전 dies를통하여얻어지는 strand를일정한각도로교차시킨 2세트의평행한구조를가지며이들 strand들은각각교차점에서용융, 접착되고원료고분자로는주로폴리에틸렌이사용된다. 지오멤브레인과마찬가지로 PVA를적용할경우유변학적물성제어가해결되어야만용도전개가가능한분야이다. 그림 5 지오네트 2.5 토목섬유점토차수재토목섬유점토차수재 (GCL) 는지오텍스타일또는지오멤브레인사이에낮은수분전달성을지닌토양성분인벤토나이트를채우고스티치본딩, 니들펀칭, 또는접착제로결합시킨후롤의형태로생산되며취급과수송이용이하여설치에적당한보조차수재로사용된다. 벤토나이트는천연적으로얻어지는극도의친수성을지닌광물질로물 ( 또는수증기 ) 과접촉할때벤토나이트공극에수많은작은친수성공간이존재하여 GCL의복합구조내부로물분자가흡착, 확산되며그결과투수계수의감소를유발시킨다. 일반적으로 GCL의투수계수는물과접촉시 에서 cm/sec이다. 수용성 PVA의경우단섬유나분말상태로벤토나이트기능을대체할수있으며, 불용성 PVA의경우부직포지오텍스타일의제조가가능하여, GCL의대체제품제조및적용이가능하다. 2.6 지오셀 (GeoCell) 11 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

12 지오셀 (Geocell) 은띠형태를가진매우거친폴리에스테르섬유의부직포형태와 HDPE 띠를초음파로접착하여형성되는세포망형태로구분되며침식방지와지반보강용으로널리사용되고있다. 서로연결된셀 (cell) 로구성되며각각의셀은두꺼운매트리스에의해흙으로채워지고제방을쌓는데기초보강재역할을하며연약지반의얕은퇴적물위에적용된다. HDPE 지오셀은지하토양보강을위해과립상물질을채우는용도로사용되어왔으며, 점진적인 stacking과지오셀층위에다른층을채우는사면보강, 침식방지용으로사용되고있다. PVA의경우부직포지오텍스타일형태로적용할수있는분야이다. 2.7 지오매트 (GeoMat) 지오매트 (Geomat) 는 semi-rigid monofilament로구성되어있으며직경은 1 mm보다작고매우주름이넓게퍼져있는 3차원적으로엉켜있는구조를이루고있다. 주로침식방지용으로사용되며, PVA의경우장섬유형태로적용할수있는분야이다. 2.8 토목합성복합재료-지오컴포지트 (Geocomposite) (1) 지오텍스타일보강복합재료섬유의굵기 ( 번수 ) 에는큰변화가없으며주로중량이큰 (600 g/ m2 ) 부직포와 split yarn을이용한매트형태의직포가사용되며제조방법은접착제를사용하거나열융착법을이용하여부직포 / 지오네트, 부직포 / 부직포, 부직포 / 매트, 매트 / 매트등의형태로적용가능하다. 여기서 PVA의경우부직포형태로적용가능하며, 토립자와지반의분리, 필터및배수용으로사용가능하다. (2) 지오멤브레인보강복합재료계곡사이에일반쓰레기및산업폐기물을매립하는경우제기되는중요한문제는급격한경사부위에덮개를씌우는것이며표면마찰특성이크고부분함몰과찢김에대한저항성이우수한지오멤브레인이사용되어야만한다. 일반적으로지오멤브레인의한면또는양면에지오텍스타일부직포를결합시킨형태의복합재료가많이사용되고지오멤브레인 / 지오네트, 지오멤브레인 / 지오그리드형태의복합재료도사용된다. PVA의경우부직포형태로적용가능한분야이다. (3) 플라스틱드레인보드플라스틱드레인보드 (Plastic Drain Board,PDB) 는주로투수성이좋은부 12 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

13 직포와플라스틱압출제품을접착시킨복합재료로구성되며연약지반개량용수직배수재로서이용되고연약지반내에수직으로설치하면간극수가여과기능을가진부직포필터를거쳐내부코어인플라스틱배수구를통하여상부로쉽게배출되도록되어있다. 부직포필터는인장력이커야하며, 투수효과가탁월해야하고, 막힘현상이없어야하며, 산, 알칼리, 염분등에대한내구성이좋아야만한다. PVA의경우특히장섬유부직포형태로적용할수있는분야이다. (4) 액체 / 기체봉쇄용지오컴포지트지오멤브레인하부의지오텍스타일라이너 (Liner) 는다양한목적으로사용되고지오멤브레인 / 지오텍스타일일체형지오컴포지트형태가유용하다. 지하가솔린저장탱크에사용되는지오텍스타일 / 지오멤브레인 / 지오텍스타일복합재료는탱크로부터누출되는가스를봉쇄하는목적으로이용된다. PVA의경우부직포형태로적용가능한분야이다. 2.9 콘크리트강화용섬유와부직포및직물을이용하여콘크리트의균열을방지하고역학적특성을향상시킬목적으로강화섬유가사용된다. 강화섬유로는탄소섬유, 금속섬유, 아라미드섬유, 유리섬유등이주로사용되며나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 레이온, 스판덱스등이이용되기도한다. 또한직경 mils, 길이 in의섬유를이용하고강화섬유의첨가로 1균열에대한저항력의증가, 2 균열된부분의공유,3 열변화및열수축에대한저항력의증가, 4 내구성의향상등을개선할수있다. 일반적으로금속섬유강화콘크리트는파이프, 내화성콘크리트, 부식방지용콘크리트구조물등에사용되며인장특성, 피로특성, 크리프특성, 내알칼리성, 내약품성, 내열성, 콘크리트와의부착성등이신중하게검토된후적용되어야만한다. PVA의경우단섬유또는부직포형태로적용가능한분야이다 기타사면보호용으로널리사용되는폴리에스테르섬유의이중직물형태인섬유거푸집과 Nylon 6 또는 PVC로만든 3차원입체망상형태의 Enka Mat, 항만등의간척공사의오탁수확산을방지하는오탁방지막등이있다. 13 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

14 PVA 의경우섬유거푸집또는 3 차원입체망상형태로적용가능한분야이 지만, 타분야의경우와마찬가지로제조원가가비싼점이용도전개에장 애가될수있다. 3. PVA 관련토목합성재료의선진화동향 3.1 지오텍스타일지오텍스타일은환경적응형및다기능성복합화제품개발에관하여선진화가진행되고있다. (1) 부직포타입 1 고중량화 : 5,000 g/ m2 2 차별화기능의 smart geotextiles 제품개발 : 분리, 보호, 배수기능용 3 Nano fibers를이용한제품개발 : 환경분야적용 4 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성섬유사용 5 환경적응형, 생분해성제품개발 6 다기능성복합화제품개발등 (2) 직포타입 1 고강도 : 80 ton/m 2 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성섬유사용 3 환경적응형, 생분해성제품개발 4 다기능성복합화제품개발등 3.2 지오멤브레인지오멤브레인은기존의차수기능외에마찰이나보강, 차단기능을부여한제품개발에관하여선진화가진행되고있다. (1) Smooth Types 1 외국의경우 : 1.5mm ( 두께 ) 2 국내의경우 :2mm ( 두께 ) 3 OIT ( 산화유도시간 ), Environmental stress cracking resistance 등보완 4 다양한소재적용 :PP, PVC, PU, EPDM 등 5 Seaming method의개선 (2) Textured Types 1 Smooth types와선진화동향유사 2 One or both side textured 제품개발 14 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

15 3 Seaming method의개선 (3) Reinforced Types 1 복합화공정개발 2 특수용도개발 3 다기능성복합화제품개발등 3.3 지오그리드지오그리드는기존의보강기능외에분리, 보호, 마찰기능등을부여한제품개발에관하여선진화가진행되고있다. (1) Fabric Types 1 원료섬유의다양화 :Glass fiber, 탄소섬유, Spectra, Kevlar 등 2 Coating resin의개발 :PVC와아크릴수지대체용 3 직조및편직방법개선에의한접점부강화 4 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성 5 아스팔트포장및도로건설용, 지반강화용제품개발 (2) Sheet Types 1 새로운합성수지적용 2 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성 3 다기능성복합화제품개발등 (3) Welded Types 1 접점부위강화를위한 welding법개발 2 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성 3 다기능성복합화제품개발등 (4) 복합형지오그리드 1 (1), (2), (3) 지오그리드의장점활용 2 크리프특성개선제품개발 : 저신율고강성. 3 다기능성복합화제품개발등 3.4 GCL GCLs 제품은지오멤브레인과같이차수기능을가진제품이며, 지오텍스타일과지오텍스타일사이에팽윤차수성을가진벤토나이트를충진시켜제조하거나지오멤브레인에벤토나이트를수지접착시킨형태로주로제조된다. 현재 GCLs 제품은분말형및과립형천연원료인벤토나이트를사용하기때문에경사면에적용할경우벤토나이트의유실에의한차수성능 15 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

16 저하와동결융해에의한성능저하가문제점으로지적되어이를개선하기 위한 modified composition type GCLs 의개발등에관한선진화가진행되 고있다. 3.5 필터및배수용토목합성재료필터및배수용토목합성재료는 clogging에의한수리적특성저하를방지하고, 유로확보, 구속하중에의한 intrusion 발생을최소화할수있는제품개발등에관한선진화가진행되고있다. 3.6 지오텍스타일응용제품 지오텍스타일응용제품은 Geotube, Geobag, Geocontainers 등의관련제 품을중심으로선진화가진행되고있다. 3.7 지오컴포지트다음특징을중심으로선진화가진행되고있다. ᆞ Geocomposite drains are formed of geotextile layers (often non-woven) bonded either side of a discharge capacity core (5 to 25mm thick) ᆞ In plane discharge capacities are in the range to 0.01m3 /m width/sec A 20 mm thick geocomposite drain can have the same flow capacity as a 300 mm thick granular layer 4. PVA 토목합성재료의평가토목합성재료의평가방법은사용되는고분자재료별로분류되며제품자체의내구성이토목합성재료의수명을결정하므로이에영향을미치는인자들을중요한시험방법으로채택하고있다. 또한토목합성재료는광범위한면적에사용되므로제품상호간의접착부분의물성이중요한시험인자로간주된다. 전세계적으로 ASTM International의 ASTM D35와 ISO의 ISO TC221에의해시험방법의표준화와규격화가진행되고있다. 국내외에서토목합성재료에적용되는시험방법들은사용용도에따라서적용하는항목이각각다르고외국의경우제품의형태및설계의중요도에따라항목적용을조절하기도하므로제품의종류별로적용시험방법을구분하여모두설명하기는어렵다. PVA 토목합성재료도제품별로판매, 시공시요구되는중요한특성치를가지 16 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

17 며반드시평가되어야만할특성시험항목들이있고주요특성시험항목을소개하면다음과같다. (1) 기초물성 1 중량및두께, 2 밀도, 3 분자량, 첨가제의양, 4 용융지수 (MI) 등 (2) 역학적특성 1 인장, 인열, 파열, 찢김, 충격, 봉합강도등, 2 마찰성질 : 직접전단, 인발특성등 (3) 수리적특성 1 수직및수평투수성, 2 유효구멍크기 :AOS, EOS 등 (4) 내구성 1 크리프및응력완화, 2 피로기구, 3 구멍막힘성등 (5) 내후성 1 일광및자외선에대한안정성, 2 화학적, 생물학적저항성, 3 온도및열안정성, 4 노출환경에대한저항성등 5. PVA 토목합성재료의기능과용도 PVA 토목합성재료의경우다음 5가지주요기능별용도로사용가능하며, 사면안정화, 침식방지, 배수용또는녹지조성용 matrix 등으로의용도확장이기대되며, 특히여과및배수용복합화제품으로사용가능성이매우높다. 5.1 분리기능 - Separation of Dissimilar Materials 분리기능은세립토와자갈, 돌덩어리, 블록등의조립재료가외부하중에의해서로압착되어질때두재료사이에놓인토목합성재료가세립토와조립입자가혼합되는것을막아주는기능이다. 분리기능을목적으로사용되는 PVA 토목합성재료는흙입자를보존시키는보존성과외부하중에의해생기는응력에견딜수있는충분한강도를가져야한다. 다음에 PVA 토목합성재료의분리용용도분야를열거하였다. Between subgrade and stone base in unpaved/paved roads and airfields Between subgrade and ballast in railroads Between landfills and stone base courses Between geomembranes and sand drainage layers Between foundation and embankment soils for surcharge loads, roadway fills, earth and rock dams Between foundation and soils and rigid retaining walls 17 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

18 Beneath parking lots Beneath sport and athletic fields Beneath precast blocks and panels for aesthetic paving Between various zones in earth dams Between old and new asphalt layers 5.2 보강기능 - Reinforcement of Weak Soils and Other Materials 보강기능은토목합성재료의인장강도에의해흙구조물의안정성을증진시키는기능으로보강기능을목적으로사용하는토목합성재료제품은인장강도는물론흙과의마찰력이커야한다. PVA 토목합성재료는인장강도가클수록또한흙과의마찰력이클수록보다큰효과를보여준다. 다음에 PVA 토목합성재료의보강용용도분야를열거하였다. Over soft soils for unpaved roads, airfields, railroads, landfills Over nonhomogeneous soils Over unstable landfills as closure systems To construct fabric-reinforced walls To reinforce embankments To reinforce earth and rock dams To stabilize slopes temporarily To halt or diminish creep in soil slopes To bridge over cracked or jointed rock To hold over graded-stone filter mattresses As substrate for articulated concrete blocks To prevent puncture of geomembranes by subsoils, landfill materials To contain soft soils in earth dam construction To bridge over uneven landfills during closure of the site 5.3 필터기능 Filtration (Cross-Section Flow) 필터기능은크게액체필터기능, 정적고체필터기능및동적고체필터기능의세가지로고려된다. 액체필터기능은액체중에부유되어있는세립자를운반하는흐름에직각방향으로토목합성재료제품을설치해서세립자의이동을막고물만통과시키는기능이며, 정적고체필터기능은흙과유공재료 ( 골재, 유공관, 다공플라스틱매트 ) 사이에설치된토목합성재료제품이배수또는양수에의해물을집수하여운반하는동안, 흙입자의이 18 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

19 동을막아주는기능이다. 다음에 PVA 토목합성재료의필터용용도분야를열거하였다. In plane of granular soil filters Beneath stone base for unpaved/paved roads and airfields Beneath ballast under railroads Around crushed stone surrounding/without underdrains Around perforated underdrain pipe Beneath landfills that generate leachate To filter hydraulic fills As a silt fence, a silt curtain Between backfill soil and voids in retaining walls Between backfill soil and gabions Against geonets and geocomposites to prevent soil intrusion Around sand columns in sand drains As a filter beneath stone riprap, precast block 5.4 배수기능 Drainage (In-Plane Flow) 배수기능은 PVA 토목합성재료가배수재로서사용될때의평면흐름을의미하며, 다음에 PVA 토목합성재료의배수용용도분야를열거하였다. As a chimney drain and drainage gallery in an earth dam As drainage blanket beneath a surcharge fill As a drain behind a retaining wall As a drain beneath railroad ballast As a drain beneath sport and athletic fields As a drain for roof gardens As a pore water dissipator in earth fills As a replacement for sand drains As a capillary break in frost-sensitive areas To dissipate seepage water from exposed soil or rock surfaces 5.5 차수기능 - Water Barrier and Container 차수기능은 PVA 토목합성재료가 GCL에응용될경우유체의흐름을차단하는기능으로주로침출수와같은오염원을차단하는목적으로사용된다. 다음에 PVA 토목합성재료의배수용용도분야를열거하였다. 19 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

20 Liner for potable water liner for resource water Liner for waste liquids Liner for radioactive or hazardous waste liquid Liner for secondary containment of underground tanks Liner for water and various waste conveyance canals Liner for solid-waste landfills Covers(caps) for solid-waste landfills To waterproof liners within tunnels To waterproof facing of earth and rockfill dams As floating reservoirs for seepage control As a barrier to odors from landfills As a barrier to vapors (random, hydrocarbons, etc.) beneath buildings Beneath and adjacent to highways to capture hazardous liquid spills Beneath asphalt overlays as a waterproofing layer Above geomembranes as puncture protection against coarse gravel As liners for canals As a portion of a CCL in primary/secondary composite liners As secondary liners for underground storage tanks As single liners for surface impoundments Beneath geomembranes as composite liners for surface impoundments Beneath geomembranes in the primary/secondary liners of landfills Beneath geomembranes and above clay liners of landfills Beneath geomembranes in the covers of landfills 6. 토목합성재료의개발방향지금까지널리이용되고있는토목합성재료의원료로는폴리에스테르와폴리프로필렌섬유등이있지만장기간내구성에영향을미치는화학저항성및자외선에대한안정성을고려한다면기존의폴리프로필렌및폴리에스테르섬유의단점을극복한 PVA섬유를사용할경우기존의이들원료를사용하여제조된제품의용도에확장, 적용할수있을뿐만아니라관련토목섬유제품의복합화로인한성능향상분야까지응용범위를확장할수있을것으로예상된다. 특히, 특수기능을가진섬유원료인 hybrid polymer를이용하여스마트토목합성재료 (Smart Geosynthetics) 를제조하는기술의개발이향후절실히필요 20 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

21 할것으로예측되며, 기존토목합성재료들이당면하고있는역학적성능, 화학저항성, 내구성및내후성등의취약점등을고려한다면고흡수성, 생분해성, high tenacity, high modulus, high performance 등을가진 PVA가이용될전망이매우크다고볼수있다. 고성능 PVA의제조및기존에사용된프리프로필렌이나폴리에스테르의복합화가가능해진다면특수용도에적용할수있는소재가될것으로기대된다. 또한 PVA섬유를이용한토목합성재료의개발은지오텍스타일및지오컴포지트제조분야에만국한되지않고토목건설공사의시공성및시공방법에도관련이있기때문에향후이들분야에도중요한영향을미칠것으로기대된다. 특히화학저항성및자외선에대한안정성향상은지오텍스타일의기능성다양화에의한다음의추가기술을개발할수있다는점에서매우고무적이라기대된다. 참고문헌 1. R. M. Koerner, Designing with Geosynthetics, 4thEd., Prentice-Hall Inc, New Jersey, Y. H. Halse, A. E. Lord, and R. M. Koerner,Geosynthetics Testing for Waste Containment Applications,Special Technical Publication STP 1081, ASTM, Philadelphia, ASTM Committee D-35 on Geosynthetics, ASTM Standards on Geosynthetics, West Conshohocken, PA, M. B. de Groot, G. den Hoedt, and R. J. Termatt,Geosynthetics: Applications, Design and Construction,A.A.BALKEMA, Nertherlands, GSI, GRI Standard Test Methods on Geosynthetics,Drexel University, Philadelphia, PA, Geosynthetic Institute, Proceedings of the GRI-15 Conference, Houston, TX, USA, IGS, Proceedings of 7th ICG, Nice, France, September,22-27, IFAI, Geotechnical Fabrics Report - Specifier's Guide 2001, Roseville, MN, USA, T. L. Baker, Proceedings of '97 Geosynthetics Conference,3, 829 (1997). 10. G. R. Koerner, G. Y. Hsuan, and R. M. Koerner, J. Geotech. Geoenviron., 124, 1(1998) 11. A. Salman et al., Proceedings of '97 Geosynthetics Conference, 1, 217(1997). 12. T. S. Inglod, The Geotextiles and Geomembranes Manual, Elsevier Advanced Technology, Oxford, Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

22 제 2 장토목섬유를이용한제방축조 1. 개요토목섬유를 Geosynthetics라고하기도하고지오시스템 (Geosystem) 또는지오텍스타일시스템 (Geotextile system) 이라고도하는데이는고강도의합성섬유로만들어진대용량의포대형구조물에물, 모래, 준설토등을채워서물의흐름을유도하거나모래채취용구조물을축조하는공법으로서 1950년대에최초로적용되기시작하였다. 1960, 70년대에는내부에모래, 흙, 돌, 몰탈, 아스팔트등을채워서구조물로축조하는방법으로발전되었으며, 네델란드에서 60년대에최초로대형구조물을축조하는공법에적용하였으며, 80년대이후에는많은나라에서재료및시공비용이쇄석을획득하여사용하는재래식공법에비하여저렴하고, 시공방법이단순하여다양한해안보호공법및환경정화공법에적용하고있다. 지오시스템에관한많은연구가현재까지지속되어이론적인해석이정립됨은물론, 설계소프트웨어가개발되어사용되고있으며, 국내에서는토목섬유튜브가강릉과울진에해안침식방지목적으로이안제로수중에설치되었으며, 경기도일산대교건설공사현장에가도축조공법으로적용되어하상토를펌핑하여채우므로설치및철거가양호하여시공성이우수하고, 사면형성시안정성이우수한것으로판단괸다. 특히, 구초체형성을크고, 길게축조할수있는일괄설치에의한공기단축으로경제성도양호한공법으로인정됨으로써공사현장에설계검토를활발하게추진하고있다. 최근들어긴교량건설의증가와해안도로공사에서전체공기를획기적으로단축할수있는가도, 축도공법으로써적용이실용화되고있다. 또, 수리학적및구조적으로안정성을제공함과아울러재료비및시공비를절감시키고, 시공기간을단축시켜주며, 시공후유지관리비용을절감할수있다. 근해및하상교량시공시, 공사용임시도로나, 제방축조시에일반적으로적용되는공법으로, 공사용임시도로의경우강재를이용한임시교량이나, 사석을이용하여축조하는임시도로가주류를이뤄왔으나, 대형장비운용을위한임시도로의노면확장이일반적으로적용되는사석축조나산토등의재료원의조달이점점어려워지고있는실정이다. 공사용임시도로의경우본구조물시공후, 임시도로의해체가요구되므로환경영향이적고, 단순하면서도빠른공정의임시도록축조공법이요구되 22 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

23 고있다. 즉, 친환경적이면서, 재료원수급이용이한임시도로축조공법이요구되고있다. 그리고준설토투기장이나연안매립지등의제방축조시지금까지는사석이나인근의양질의토사나준설토사로축조하게되는데이렇게되면사면의길이가길어지고유효토량의소비가많아지게되는데환경문제등으로인하여이러한제방축조용재료가매우어려운것이현실이다. 이로서본논고에서는토목섬유튜브 (Geotextile Tube) 를이용한가도축조공법을소개하고, 영구혹은임시구조물로써토목섬유튜브가도가갖춰야할설계기준과적용사례를요약하여제시하였다. 2. 토목섬유 (Geotextile) 의적용 2.1 토목섬유의발달토목섬유는선진외국에서 1960년대초하천제방, 사면보호를위해필터용지오텍스타일을최초로사용한이래눈부신성장을지속하여현재는각종토목구조물에연간약 10억m2이상의물량이다양한용도로사용되고있다. 이러한토목용섬유제품의제조목적은두가지혹은그이상의재료특성을혼합하여분리기능 (Separation), 보강 / 보호기능 (Reinforcement/Protection), 여과기능 (Filtration), 배수기능 (Drainage), 액체 / 기체차단기능 (Liquid/Vapor barrier) 등의기본기능을강화한특수한기능을얻는데있다. 토목섬유는흙속에매설되어장기간에걸쳐서본래의재질특성이변하지않아야하므로높은역학적강도와우수한내구성을갖는합성섬유가주로이용된다. 최근들어높은역학적강도와우수한내구성을가진 Carbon Fiber가 Geocomposite의재료로각광을받고있는이유이기도하다. 토목용섬유제품의수요및용도는매년증가하는추세에있으며, 최근 10년에걸쳐괄목할만한성장을보이고있다. 예를들면, 폐기물매립지의경우 1980년대에주로부직포지오텍스타일과지오멤브레인이주로사용되었지만근래에와서이들토목용섬유제품외에도지오그리드, 토목섬유점토차수재, 지오네트, 지오컴포지트등이다양하게적용되고있으며, 원료수지인고분자의경우도폴리올레핀, 폴리에스테르외에도 Glass, Carbon, Urethane 계등으로다변화되고있으며제품의기능도점차복합화, 특수화되는경향을보이고있다. 23 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

24 토목용섬유제품에이용되는천연섬유재료는한정적이지만가장최초로 사용된토목용섬유제품이며주로 Fiber, Yarn, Knit 형태로초기에적용 되었으며, Nonwoven 및 Mat 형태의제품이개발되면서그수요가증가하 였다. 천연섬유제품은환경친화형재료라는장점을가지고있기때문에 근래에토목용섬유제품으로의효용성이다시부각되기시작하였고제품 의원료도 Cotton, Jute, Coir, Straw 및줄기형태에서 Waste Assembly 까 지매우다양하다. 그러나사용량이많지않고합성재료에비해서대량 생산이불가능하기때문에수요창출에매우어려운문제를가지고있으며 일부에서는토목용천연섬유제품을사면안정화, 침식방지, 배수용또는 녹지조성용 Matrix 등으로이용하고있다. 토목용섬유제품이가져야할조건중에중요한것으로는경제적인 이점이있으며, 이는제조단가와연결되는매우현실적인문제이다. 지금까지널리이용되고있는합성섬유고분자재료로는 Polyolefin 계, Polyester 계등이대부분이며, 특수한용도로쓰기위해서 Polyurethane 계, Glass 계, Carbon 계고분자들이특수용도에적용된다. 토목섬유의기능적용예분리필터배수보강도로, 철도, 노상안전 배수 습윤, 성토제방공사 해안하천의호안공사 간척공사 아스팔트도로포장 흙의보강 해안제방과성토 주기능, 보조기능 토목섬유 (Geotextile) 로는 Geotextile, Geogrid, Geomembrane, GeoComb 등이있으나최근에는미국등선진국에서보강효과가우수한 Geocomposite 의연구개발의중요성이증대되고있다 세부기술별기술동향및특허동향 (1) Geocomposite의기술동향지금까지토목섬유소재생산기술의급격한발전과더불어전세계적으로년간약 10억m2정도의토목섬유소재가 1차원구조의섬유상태에서부터 3차원구조의섬유집합체의제품에이르기까지다양한형태로지반구 24 Mobile

25 조물의안정화향상에적용되는등용도면에서매우활성화되어있다. 1 차원구조의섬유로는 steel fiber, glass fiber, asbestos fiber, 등과 low modulus fiber 인폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리에틸렌, 폴리에스테르계섬유그리고 High modulus fiber인 carbon, aramid, acrylic, PVA fiber 등을들수있으며, 천연셀룰로오스계섬유인 bast fiber, leaf fiber, wood fiber, jute, sisal 등을들수있다. 또한 2차원구조의섬유집합체소재로는 Geogrid, Geomembrane, Geotextile 등이있으며 3차원구조의섬유소재는 2차원구조의차원을크게한 3-D 이상의구조를갖는응용제품들과 2종류이상의섬유소재를사용한복합화제품들이있다. 따라서흙의역학적특성을개선하기위해서섬유집합체를흙과혼합하여사용하면강도의등방성이부여되며강도의보존성및지속성이증가하게되며택지및공단조성부지의연약지반보강, 도로지반보강, 성토사면보강, 하천침식방지및불량토사의개량등에이르기까지적용범위가매우광범위하다. 섬유와부직포및직물을이용하여콘크리트의균열을방지하고역학적특성을향상시킬목적으로탄소섬유, 금속섬유, 아라미드섬유, 유리섬유등이주로사용되며나일론, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 레이온, 스판덱스등이이용되기도한다. 이들강화섬유의첨가로인해균열에의한저항력의증가, 균열된부분의공유, 열변화및열수축에대한저항력증가, 내구성의향상등의개선을기대할수있다. 일반적으로금속섬유강화콘크리트는파이프, 내화성콘크리트, 부식방지용콘크리트구조물등에사용되며인장특성, 피로특성, 크리이프특성, 내알칼리성, 내약품성, 내열성, 콘크리트와의부착성등이신중하게검토된후에적용이되어야한다. 최근이들강화섬유중탄소섬유 (Carbon Fiber) 에대한수요가늘고있다. 탄소섬유를사용하게되면다루기가쉽고가벼우며튼튼하다는장점이있다. Geocomposite은용도별로보강용, 배수용, 액체 / 기체차단용, 침식방지용등으로분류되고사용재료별로 Geotextile-Geonet composite, Geotextile-Geogrid composite, Geotextile-Geomembrane compos-ite, Geomembrane-Geogrid composite Geotextile-polymer core composite 등으로분류될수있다. (2) 용도별분류 1 보강용 Geocomposite Geotextile, Geomembrane, Geogrid, Geonet, 흙, 콘크리트등이사용되 25 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

26 며토목섬유의기능중보강기능을향상시킨제품들이다. Geotextile 보강복합재료와 Geomembrane 보강복합재료로나누어서생각할수있다. Geotextile 보강복합재료는섬유의굵기 ( 번수 ) 에는큰변화가없으며주로중량이큰부직포와 Split yarn을이용한매트형태의직포가사용되며재직된 multifilament 섬유는최대 520kN/m 정도의인장강도를갖는다. 제조방법은접착제를사용하거나열융착법을이용하여부직포 / 부직포, 부직포 / 매트, 매트 / 매트등의형태로생산된다. Geomembrane 보강복합재료는계곡사이에일반쓰레기및산업폐기물을매립하는경우제기되는중요한문제는급격한경사부위에덮개를씌우는것이며표면마찰특성이크고부분함몰과찢김에대한저항성이우수한 Geomembrane 이사용되어야만한다. 일반적으로 CSPE Geomembrane 의한면또는양면에 Geotextile 형태의부직포를결합시킨형태의복합재료가많이이용되고있고 Geomem-brane/Geonet, Geomembrane/ Geogrid 형태의복합재료도많이사용되고있다. 2 배수용 Geocomposite 플라스틱드레인보드 ( Plastic Drain Board, PDB ) 는토목공사시배수매체로사용되고있다. 주로투수성이좋은부직포와플라스틱압출제품을접착시킨복합재료로구성되어연약지반개량용수직배수재로서이용되고연약지반내에수직으로서리하면간극수가여과기능을가진부직포필터를거쳐내부코어인플라스틱배수구를통하여상부로쉽게배출되도록되어있다. 플라스틱압출제품인내부코어는배수용량및여과면적이크고, 강력해야하며산, 알칼리, 염분등에대한내구성이커야되고, 저온및고온에서시공성이좋아야하며, 유연성이좋고수분에의한수축이나변형이발생해서는않된다. 또한부직포필터는인장력이커야하며, 투수성및여과효과증대가탁월해야하고, 막힘현상이없어야하며, 산, 알칼리, 염분등에대한내구성이좋아야만한다. 3 액체 / 기체차단용 Geocomposite Geomembrane 하부의 Geotextile Liner는다양한목적으로사용되고 Geomembrane / Geotextile 일체형 Geocomposite 형태가유용하다. Geomembrane 복합재료는아직까지개발중인상태이며그러한상품중의하나는 HDPE/ 납판 /HDPE로구성된 Geomembrane 복합재료이다. 납과 Geomembrane의결합은매우적당하고층간접착시험에의해그차 26 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

27 단효과가증명되었다. 또한 Geocomposite는차단재료의형태에서수분, 열의이동방지를위한재료로개발될수있으며 EPS (Extended Polystyrene) 를이용하여격리, 배수, 지압조건의활성을위한옹벽 ( 방호벽 ) 에서압밀점토차수재 (CCL, Compacted Clay Liner) 의건조까지그영역을확장할수있다. 4 침식방지용 Geocomposite Geotextile 이토양속에서분리재로사용될경우하층이돌로되어있을때지지토를분리하며인장및인열강도, 탄성계수, 파열강도, 찢김강도등이요구되는경우 Geotextile 단독으로사용할수없으며 Geocomposite 형태의섬유복합재료들이사용된다. Geocomposite의사용목적은암반, 계곡, 골짜기등의토양을침식으로부터영구적으로또는지반이안정화될때까지보호하기위해서이다. 침식방지용섬유복합재료는주로수로와급경사면토양에고정시켜침식방지, 경사면보호를위해사용되며물질내부의물흐름은시스템의기능약화와파괴를초래하기때문에블랭키트 (Blanket), 매트와의경계면은매우중요하다. 또한일시적인침식방지재료는순간침식방지가가능하고일정시간이후에는분해되지않고지반을안정화시키는기능을가지고있다. 단섬유형태와마이크로그리드를토양과혼합한재료들이사용되며 PP 또는 PE를 2축배향시켜서제조한매쉬 (meshes), 네트 (nets), 시트 (sheet) 등이사용되기도한다. 이와반대로영구적인침식방지재료는침식방지와지반안정화를기하며바닥층을보강하고태양광선으로부터보호되면분해되지않는다. 침식방지재생매트와잔디보강네트등이이에속하며보충토와함께지표면위에사용되거나지표면위해서복합재료내부에흙을충진시켜서사용되기때문에일시적인침식방지용복합재료에비해지반안정화효과가수명이길다. 섬유장이긴섬유가운동장, 경사면등과같은급격한하중이가해질때이를지탱하기위한인장강도를부여하기위하여단섬유방적사와흙을혼용하여사용한다. (3) 사용재료별분류 1 Gotextile-Geonet composite Geonet 상부혹은하부에 Geotextile을복합하거나 Geotextile - Geonet - Geotextile 상태로복합한경우, 분리와여과기능은항상충족되며배수기능은 Geotextile에의해서상당히향상된다. 동상또는염분이동이문제가되는모세관현상발생지역에서상방향으로물의이동을차단시 27 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

28 키지위해 Geotextile - Geonet composite을수평으로포설하면상당한배수효과를얻을수있다. 2 Geotextile-Geogrid composite 낮은인장강도와파괴에서의높은신장성을가지는 Geotextile 제품은 Geogrid을합성재료를형성함으로서상당히향상되어질수있다. 각각의구성성분의상호보완적인특성들은일반적으로최종제품의질을향상시킨다. 3 Geotextile-Geomembrane composite Geotextile은여러가지목적을위해 Geomembrane의양쪽면이나한쪽면에부착하여합성으로제조되기도한다. 이때차수가주목적이나강도보강이요망되는곳에서 Geotextile은구멍이날수있는곳, 찢어짐, 미끄러짐과관련된마찰에대한저항성을향상시킨다. 아울러 Geomembrane의인장강도를보충한다. 4 Geomembrane-Geogrid Composite Geomembrane과Geogrid 형태들은같은물질, 즉높은밀도의 Polyethylene 으로만들어질수있기때문에그것들은향상된강도와마찰능력을갖는불투성의벽을형성하기위해함께결합되어질수있다. 5 Geotextile-Polymer core composite Geotextile-Polymer core composite의대두는입자의포화된점성토지반의압밀촉진수단으로서이용되며전통적인 sand drain 의문제점을감소시킬수있다. 3. 토목섬유튜브 (Geotextile tube) 토목섬유튜브 (Geotextile tube) 는투수성을가지는토목섬유 (geotextile) 에모래혹은준설재료를채워넣은것으로해안침식방지시설, 방파제, 방사제, 호안등의용도로사용되고있다. 토목섬유튜브는 1970년대미공병단 (US Army Corps of Engineers) 이미시시피강제방축조에사용한이후, 전세계적으로광범위하게사용되었다. 주로항만, 연안시설인호안구조물로널리사용되고있다. 토목섬유튜브는공장에서봉제된상태로현장에반입되어, 설치할위치에토목섬유튜브를포설한다음채움재로모래나토사를물과혼합하여펌프를이용하여토목섬유튜브에비율이 20~25% 상태의슬러리 (soil-water mixture) 상태로주입한다. 준설된재료는그림 1에서보이는바와같이토목섬유튜브의주입구와연결된준설펌프라인을통하여충진되며, 토목섬유 28 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

29 튜브한개체 (segment) 의길이와높이는현장조건에따라적합하게결정되어야한다. 준설재료는파이프를통하여토목섬유튜브의주입구와결합하게되는데이때토목섬유튜브의내부인장강도를초과하여압력이가해지지않도록가압조절을수행하여야한다. 또한, 내부속채움재료가주입구인접부분에한정되어충진될수있으므로, 주입구간의최소 15.0m로간격으로형성되어전체적인구체형성이원할히되도록조절하여야한다. 현재, 토목섬유튜브의최대길이는일반적으로 150m로제한되며토목섬유튜브한개체와다른개체간의결합은그림 2에서보는바와같이자중 (self weight) 을이용한겹치는방식으로연결한다. 그림에서보는바와같이토목섬유튜브연결을위한겹쳐진길이는최소 3.0m 이상이어야하며, 그림 1. 준설재료를이용한토목섬유튜브내부속채움모식도 진행방향의토목섬유튜브가하단에놓인상태에서그이전의튜브를충진 하고, 향후진행방향의튜브가충진되어결합된다. 29 Mobile

30 그림 2. 토목섬유튜브간연결방식토목섬유튜브를이용한구조물시공시적합한토목섬유튜브의선택하기위해서는속채움재료의유입압력에대한재료저항성, 장기간자외선노출에따른 UV저항성, 염해저항성 (abrasion), 파단 (tearing) 및펀칭 (punching) 에대한저항성등을갖춰야하며이는 Leshchinsky(1995) 와 Adel et al.,(1996) 에의하여설계절차로정립되었다. 토목섬유튜브는해안항만공사에많이적용되었으며, 그림 3에서제시한바와같이준설호안, 방파제, 방사제 (groin) 등으로많이이용되어왔다. 기존공법인모래, 사석, 암버럭을이용하여제체를구성하는기존방법에비하여토목섬유튜브공법이가지는장점은제체의체적감소, 작업속도의절감, 주변재료원의활용가능성, 숙련도가낮은작업등을들수있다. 일반적인토목섬유튜브는그림 4에서보이는바와같이폭 2.0~5.0m의짜여진 (woven) 토목섬유를봉제하여완성하고, 준설재료의주입구는일정간격으로배치하고다시주입구와토목섬유튜브몸체를봉제하도록한다. 이때봉제는반드시 2중으로하도록되어있다. 봉제된부분은준설재료펌핑시압력에취약한부분으로대체로토목섬유자체의강도의 50% 정도로보는것이일반적이다. 30 Mobile

31 그림 3. 항만및연안공사에적용된토목섬유튜브 그림 4. 토목섬유튜브의구성 토목섬유튜브내준설재료의주입시압력은토목섬유의재료에따라그강 도가달라지나, 일반적으로대기압의 1/3 정도의압력으로제한된다. 물과흙 31 Mobile

32 의혼합재료는푼툰 (pontoon) 이나준설바지선 (dredge barge) 에장착된준설펌프파이프와토목섬유튜브의주입구를연결하여공급되며모식도는그림 5와같다. 토목섬유튜브설계는펌핑압력과용량, 준설재료의입도분포와비중에영향을받게된다. 준설재료의투입막바지에이르러서는유입압력을조절하여토목섬유튜브의형상이만들어지도록각각의주입구에재료를분배하도록한다. 토목섬유튜브의이상적인형상은토목섬유튜브의원형단면의 7 0~80% 분량의재료가충진될때만들어지며, 이때토목섬유튜브의높이는토목섬유튜브직경의약반정도가된다. 토목섬유튜브의속채움은육상과수중에서모두가능하며, 수중시공시토목섬유과재료의부력특성을반드시고려하여야한다. 토목섬유튜브가해안및하상지역에설치될경우, 유속에의한세굴방지시설이필요하게되며, 주로필터매트용으로직조된토목섬유로시공된다. 이때필터매트의끝단은자중으로지지하는소형토목섬유튜브나가마니혹은 Riprap등을쌓아서고정시키게되며, 토목섬유튜브와세굴방지용매트의길이는형성된토목섬유튜브높이의 2배혹은그지역파고의 2~3 배를적용하는것이바람직하다. 그림 6을참조하여설명하면, 세굴방지용필터매트 (Scour apron) 는구체가형성된토목섬유튜브의높이 (height) 가 1.5m 이므로최소 3.0m 폭으로지표면에설치하고, 세굴방지용매트가조류에쓸려가지않도록원주가 3feet(=0.9m) 인소형토목섬유튜브를설치하였다. 그림 5, 푼툰을이용한연속적인준설재료원의공급 32 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

33 그림 6. 세굴방지용필터매트의설치 4. 토목섬유튜브를이용한공사용가도축조토목섬유튜브를이용한공사용가도의시공은바레인 (Bahrein) 본토섬의동북부에위치한지역에 Amwaj 인공섬을건설하면서처음사용되었다. (Fowler) 그림 7의 (a) 는인공섬호안에사용된토목섬유튜브 2단의시공장면이며, 그림 7(b) 는인공섬조성평면도이다. 평균수심 (MSL) EL. 1.5m 지역에 4.5m 높이 (EL. 2.6m) 의도로를축조하는데폴리프로필렌 (Polypropyleen) 재질의토목섬유튜브 2단을축조하였다. 인공섬도로와호안시설로사용된토목섬유튜브의대표단면은그림 8과같다. 인공섬의도로의전형적인단면 (typical cross-section) 에서보는바와같이우선양쪽으로직경 3.6m와직경 1.6m의토목섬유튜브를 2단으로시공하여제방 (dyke) 를조성한후, 제방내부를준설재료원으로속채움하여도로를조성하였다. 이때도로의폭은 20.0m이고, 토목섬유튜브로조성된사면의 33 Mobile

34 경사는 1.0:1.5이다. 인공섬과해안의경계부에는지름 3.6m의토목섬유튜브 2단을축조하고, 암을파쇄하여 2단층 (dumping layer) 을조성하여영구호안을완성하였다. 그림 9는토목섬유튜브를이용하여시공이완료된 Amwaj인공섬을보여준다. (a) 토목섬유튜브축조 (b) 인공섬평면도그림 7. Amwaj 인공섬축조에사용된토목섬유튜브 Typical Road way Cross-Section 20.0m width Geotube dia=1.6m, h=1.0m EL.+1.6m EL.-1.0m Geotube dia=3.6m, h=2.6m Typical Cross-Section of Island bank Rock 300~1000 kg dumping layer MSL=1.5m Rock 60~300kg dumping layer EL= -2.0m Geotube dia=3.6m h=2.6m Geotube dia=3.6m h=2.6m Hydraulic Fill 1st layer Hydraulic Fill 2nd layer 그림 8. Amwaj 인공섬축조를위한도로및호안단면또다른공사용가도축조사례로일산대교, 인천대교현장을들수있다. 일산대교는수심을고려하여가도높이 4.0m를만족하기위하여토목섬유튜브를 2단으로설치하였으며, 통수단면을확보하기위하여일정폭의강교를설치하였다. 일산대교가도형성에사용된토목섬유튜브의시공순서와 34 Mobile

35 그림 9. 토목섬유튜브를이용하여완성된 Amwaj 인공섬 1) 표면정지작업 2) 세굴방지매트설치 3) 지오튜브강봉고정 4) 준설펌프선작동 5) 준설파이프와주입구연결 6) 1 단지오튜브시공 7) 2 단지오튜브시공 8) 지오튜브제방완공 9) 가도내부속채움 그림 10 토목섬유튜브를이용한공사용가도시공과정 단면은그림 9와같다. 그림 10 에서제시한바와같이토목섬유튜브의준설재료원은한강사를이용하였으며, 세굴및침식방지용매트설치후 1단토목섬유튜브시공후가도내부속채움을 1단수행하고, 다시 2단토목섬유튜브를시공하고계획고 35 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

36 까지가도내부속채움을실시하여가도를완성시켰다. 5. 토목섬유튜브설계 5.1 토목섬유튜브의재료안정검토토목섬유튜브의안정성은재료적인것과외적활동에대한것으로크게구분되며, 내적안정검토항목은표 1과같다. 표 1. 토목섬유에대한내적안정검토항목및시험기준 검토항목 봉재강도 (seam strength) 생화학적영향 (chemical and biological degradation) 자외선저항 (ultraviolet radiation) 시간경과영향 (creep) 최대인장강도 (tensile strength) 시험규준 ASTM D (Standard Test Method for Seam Strength of Sewn Geotextiles) ASTM D (Standard Practice for Immersion Procedures for Evaluating the Chemical Resistance of Geosynthetics to Liquids) ASTM D (Standard Test Method for Deterioration of Geotextiles from Exposure to Ultraviolet Light and Water) ASTM D (Standard Test Method for Evaluating the Unconfined Tension Creep Behavior of Geosynthetics) ASTM D (Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method) 토목섬유튜브의내적안정성은아래의식 (1) 과같이표현된다. Tult = Twork (RFid Rfss Rfd Rfc) 식 (1) 토목섬유튜브의내적안정성은최대인장강도 (Tult) 가작업시인장강도 (Twork) 에 RFid ( 설치시토목섬유튜브손상에따른영향계수 =1.3), RFss ( 봉재강도에관한영향계수 =2.0), RFd ( 생화학적저항에관한영향계수 =1.0), RFc ( 시간경과에따른강도에관한영향계수 =1.5) 의영향계수들이곱해진강도가재료의극한인장강도보다작거나같으면재료적으로안정하다고판단한다. 일반적으로토목섬유튜브의구성하는재료와강도및물성은표 2와같다. 36 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

37 표 2. 온도 20 에서측정한토목섬유튜브재료의강도및기타물성 재료 항복 creep발생에따른단위중량인장강도탄성계수변형율허용변형율범위 (%) (tonf/ m3 ) (tonf/ m2 ) (tonf/ m2 ) (%) 2년후 10년후 100년후 PET ~ PP ,000~5,000 10~40 < PE LDPE ~ ~80 < HDPE ~ ~45 PA ~ ~ * PET: Polyester, PP: Polypropylene, PE: Polyethylene, PA: Polyamide or nylon. 5.2 토목섬유튜브내부속채움재에대한기준토목섬유튜브의내부속채움재료기준은재료와토목섬유간의결합의정도를정의한아래의 4가지기준을만족시키는것을권장한다. (PIANC, 1987) 표 3. 토목섬유와재료간의결합안정기준 흙의종류 D 40 < 0.06mm D 40 > 0.06mm 안정 불안정 안정 불안정 정하중 (stationary load) O 90 < 10D 50 and O 90 < 2D 90 O 90 < 10D 50 and O 90 < D 90 O 90 < 5D 10 Cu 1/2 and O 90 < 2 D 90 O 90 < 5D 10 Cu 1/2 and O 90 < D 90 동하중 (dynamic load) O 90 < D 50 O 90 < D 90 and O 90 < 0.3 mm O 90 < D 90 1/2 O 90 < 1.5D 10 Cu and O 90 < D 90 O 90 < 0.5mm 주 : D 50 : 체분석시전체중량의 50% 가빠져나올때의입자의직경 O 90 : wet sieving을수행, 재료가 90% 가남고 10% 만이빠져나갈때토목섬유눈 (Open) 의크기 Cu : 균등계수 (= D 60 /D 10 ) (1) 채움재의선택 1 해안과강에서적용되는토목섬유튜브의재움재는보통계획된장소로부터준설된세립의모래로구성된다. 토목섬유튜브를채우기위한적절한재질은채움후의침하를최소화하기위해 15% 이상 (#200 누적통과량비 ) 의세립분을초과하지말아야한다. 37 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

38 2 만일채움재가유기질또는세립분으로구성되었다면토목섬유튜브의계획된높이를유지하기위하여반복채움이요구된다. 3 토목섬유 (Geotextile) 에과응력, Creep 변형, 지나친비틀림유발을피하기위해세심한주위를해야한다. 초생물질 ( 유기질 ) 로구성된지역은채움재이용하기절적하지않다. 4 채움재입도-수압으로채워진채움재의입도분석은 ASTM D 422를따라수행되어야한다. 분석을위한샘플은준설파이프를주입구로넣기전에즉시채취하여야한다. 최소입도분석은 300m 마다한번수행되어야한다. 매우큰사이즈의토목섬유튜브는더많은회수의시험이필요하다. 또한육안상채움재가기준의세립분함유비를초과했다고판단할시에는추가의입도분석을수행할수있다. 5 토목섬유튜브와세굴방지막이위치할기초는손상물질 ( 돌출물 ) 이없으며부드러워야한다. 만일잔존하는물질들 ( 잔여파일, 피어, 푸팅 ) 이설치지점의 6m내에위치한다면제거하어야한다. 연약하고적절하지못한기초물질은제거되거나안정화하여야한다채움재의선택 실트질점토채움재 토목섬유 (Geotextile) 튜브사용된섬유 AOS(Apparent Opening Size) : #100 (0.15mm) 채움방법 소형준설선을이용한인근준설토채움채움재 OL or ML( 준설토에대한입도분석결과 ) 준설 (H=1.2m) 을완료하기위해 10시간소요됨 점토질토사 (ML) 의침강속도및구멍막힘 (Clogging) 현상으로인한압력조절 ( 단계별 ) 3단계의펌핑과배수의단계를거침 (10시간) 토목섬유튜브채움완료후 10일동안약 50% 의높이결과 ( 약 0.6m) 변화가발생 배수의진행으로인한높이의감소와이에동반한폭원의증가 10일동안약 50% 의감소가발생이후소량의변화발생 (2) 채움재의선정과시공성 1 토목섬유튜브의채움재의선택시준선토사의사용이가능하나현재까지서해안준설토사에대한입도분설결과를보면통일분류법으로 CL, ML로분류되는경우가많은데이경우시공시투수성에대한결과가만족스럽지못하다. 38 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

39 2 채움재를모래를선택할경우물의배수가매우용이하고채움재의충진완료후에도높이의변화가없어시공성이뛰어나다. 3 점토계열로충진할경우토목섬유튜브의구멍막힘현상으로주입시펌프의압력을조절하여야하고, 일정기간안정화시켜충진토사의배수를충분히하도록하여야한다. 이경우공사진행이늦어지고, 토목섬유이높이가충분히나오지않을수가있다. 4 지금까지시공상경험적으로보면준설토사에점토질이많이함유되어있는경우토목섬유튜브의충진후의높이가토목섬유지름의 40% 정도가나오고, 모래를충진하였을경우최저 50% 에서 60% 까지나온다. 5.3 속채움후토목섬유튜브의형상속채움이수행된후, 토목섬유튜브구체의형상은 GeoCops프로그램을통하여구할수있으며, 충진후구체의폭과높이는재료원의물성에따라달라진다. 만일, 매립재료원이 100% 포화되었다고가정할경우, 부피와중량과의관계에서, 초기주입시함수비 (w0) 과주입완료시함수비 (wf) 은다음과같이정의된다. 이때, 충진된토목섬유튜브내속채움재료에탈수로인하여부피의변화 가발생하는데, 이때체적의변화는연직방향으로만발생한다고가정하여, 1 차원압밀이론을적용하면체적의변화, 즉높이의변화는다음과같다. 위의식을이용하여, 초기함수비가다른매립재료에대하여속채움실시 이후최종함수비에따른토목섬유튜브구체의체적변화 ( 높이변화 ) 는그 림 10 과같다. 39 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

40 그림 10. 속채움후토목섬유튜브의체적변화 5.4 토목섬유튜브의외적안정검토토목섬유튜브의일반적인설계중외적안정검토항목은 (1) 파력에대한안정성 (hydraulic stability) (2) 토압에대한안정성 (retaining a earth pressure) (3) 침하및사면안정성 (settlement and overall geotechnical stability) 로나눠진다. 5.5 제반설계요구사항 (FS > 1.5이상 ) (1) 재료선정을위한설계고려사항 1 토목섬유컨테이너 - Handing Stress : 컨테어너및튜브구조물을펼치거나, 취급시발생응력고려 - Frictional Stress : 토목섬유 / 저개식바지면의접촉마찰응력 - Impact Stress : 컨테이너의바닥면착지시충격에의한응력 2 토목섬유튜브 - 펌핑압, 채움재료, 현장여건고려한설계강도결정 - 부식, 찢김, 펀칭저항성, 자외선영향고려, 40 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

41 (2) 토목섬유컨테인먼트복합구조물의단독구조물에대한안정성 1 Sliding : 활동에대한안정성 2 Overturning : 전도에대한안정성 3 Global Stability : 전반활동에대한안정 (3) 매립제방으로활용할경우외력에대한안정성검토 1 Hydrodynamic Stability : 파력에대한안정성 2 Lateral Earth Pressure(include pre-loading) : 준설및선행재하에의한횡토압에대한안정성 (4) 대책공법제안 (FS < 1.5 미만 ) 1 Shearwall : 전단벽설치 2 Soil improvement : 하부지반개량 5.6 설계및시공고려사항 그림11. 토목섬유튜브의외적안정검토항목 (Pilarczyk,1994) (1) 일반사항 : 제방축조시현장조건검토 (2) 토목섬유컨테이너 1 스플릿바지의크기에따른범위결정, 설계강도변수고려, 2 시공시주의사항 : 위치, 공기영향, 봉합강도 (3) 토목섬유튜브 1 침강및압밀에따른형태변화, 2 주입구간격 ( 최소 15.0m), 3 시공시다양한고려사항 41 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

42 문헌자료 조사및분석 문헌자료조사및관련자료조사 주변환경분석및각종고려사항결정 각종자료및유사사례분석 설계고려사항 을통한 재료선정 지오텍스타일컨테이너구간과지오텍스타일튜브또는백구간을구분하여각각의설계요소검토 컨테이너구간 이론식검토 튜브구간 프로그램해석 지오텍스타일컨테인먼트재료의설계인장강도결정 단독구조물에 대한 안정해석 지오텍스타일컨테인먼트구조물에대한안정해석 활동 전도 전반활동파괴검토 이론적해석및프로그램해석 단독구조물의안정성도출 복합구조물에 대한 안정해석 매립제방으로서작용외력결정 수리동역학적안정성 횡토압 준설매립 선행하중 에대한안정성 복합구조물의안정성도출 대책공법 제안 지오텍스타일컨테인먼트단독및복합구조물이안정성을확보하지못한경우 대책방안검토및제안 전단벽 지반개량공법적용 안정성확보가어려울경우에대한대책방안제시 설계과정 컨설팅 현장시험계획에대한자문 우선시공구간 시공계획에대한자문 기타설계과정에대한종합자문 의전문가접촉및소개자문 기타설계과정에대한자문의견도출 42 Mobile

43 6. 설계요소에대한이론적검토토목섬유를이용한제방구조물축조공법의적용시설계인자는현장조건에따라많은영향인자가있지만일반적으로고려되는설계인자를소개하면아래와같다. 6.1 토목섬유컨테이너대형컨테이너의설계와시공에서주요인자를몇가지열거하면컨테이너내부에내용물을넣은후의토목섬유의접합강도, 토목섬유컨테이너내부에공기가유입되었을때의형태변화, 바지선의개봉후토목섬유와바지선양측면과의마찰등무수히많은영향인자가있다. 토목섬유컨테이너의설계시고려사항을정리하면아래와같다. 1 토목섬유와내부토사사이에작용하는힘 2 대형컨테이너의시공중에발생하는형태변화 3 덤프과정 ( 덤프속도, 침강속도 ) 과수중착지충격 4 환경준설매립후수중오염도변화및수중착지후안정성 5 구조적요구와시공성 (1) 소요둘레길이대형컨테이너를구성하는토목섬유의소요둘레길이, 는대형컨테이너가바지선의바닥개구부폭, 를통하여빠져나올동안작용하는힘들에저항할수있도록충분히길어야한다 ( 그림 1 참조 ). S o ~ bo A f b o (1) 그림 1. 바지선의바닥개구부에서대형컨테이너의형태 43 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

44 (2) 대형컨테이너의최대높이 수중바닥에서대형컨테이너의실제모양은채움재가적게채워지면직 사각형형태에가깝고, 많이채워지면준타원형에가까워진다. 따라서 최종안정상태에서의컨테이너의최대높이, 는아래와같은범위에 있다 ( 그림 1. 참조 ). 대형컨테이너의최대높이는주어진구조물에필요 한평균개수를추정하는데사용된다. (3) 침강시평형속도 S o S o ab (2) 여기서 채움비,, 분리형바지선단면의최대면적이다. 대형컨테이너가수중바닥에부딪힐때의충격력은침강속도의함수이 다. 중력가속에따른흐름저항은컨테이너의침강속도를감소시키며, 이러한중력과흐름저항력의차이가일정할때평형속도에도달한다. V max 여기서 V m ax 평형속도로개략 ~ 정도, ρ s 채움재밀도 kg m, ρ s 물의밀도 kg m, Vol 컨테이너의부피 m, (3) A 흐름을받는컨테이너의표면적 m, C d 견인계수이다. (4) 대형컨테이너의유발인장력대형컨테이너는수중바닥에도착하기바로직전에최대동적에너지를갖는다. 이에너지는컨테이너가수중바닥에서안정상태로되면완전히소산된다. 에너지소산은토목섬유의변형과기초지반의변형, 채움재의형태변환등에의해발현된다. 동적에너지의일부는수중바닥에서의충격력, q o 에의해컨테이너내부에발생되는과잉압력이토목섬유의인장력 ( ) 과인장변형을유발시킴으로써소산된다. F q o R L K Vol s V E q o S L R (4) 44 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

45 여기서 q o 컨테이너내부의과잉압력 N m, V 수중바닥에도착시속도 m s, E 지오텍스타일의탄성계수 N m, L 컨테이너의길이 m, R 컨테이너의반경 S π m S 컨테이너의둘레길이 m, K 소산계수이다. 현재제안된이론적모델은아직까지완벽하지않아, 단지개략적인 예측을하기위해사용될수있다. 따라서덤핑과정에서의역학적 현상에대한더많은조사와이론적모델의타당성평가를위한더 많은시험이필요하다. (5) 토목섬유컨테이너구조물의폭과파랑높이의관계 네덜란드의 Delft Hydraulics 에서는 1:20 의선형축척으로파랑과흐름에 대한토목섬유컨테이너 ( 대형컨테이너, 튜브 ) 의안정성평가시험을 수행하였다. 구조형태는방파제를묘사하여하부에 4 개, 중간에 3 개, 상부에 2 개의토목섬유컨테이너 ( 또는토목섬유튜브 ) 가수평으로 설치된제방형태이다. 표준방파제구조와비교하기위해안정성을 Δ 의항으로 표현하면, 실험결과와문헌조사를토대로다음과같은안정기준이 제시된다. 1 제방축에평행하게놓여있는최상부토목섬유컨테이너 여기서 s w w, H s (5) B B 컨테이너의폭 개략적으로 B D 로가정, H s 파랑높이이다. D 컨테이너의원래직경, 단, 최상부층이서로인위적으로연결된 2 개의토목섬유컨테이너로 구성되어있는경우에는폭을 2B 로고려한다. 2) 제방축에직각으로높여있는최상부지오텍스타일컨테이너 H s (6) L 45 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

46 여기서 지오텍스타일컨테이너의길이 모래나준설토로채워진컨테이너가파랑에직접노출되면 H s m 까지적용가능하며, 임시구조물로사용할경우에는 H s m 까지적용가능하다. 6.2 토목섬유튜브구조물토목섬유튜브의설계와시공에서주요인자는토목섬유의기본적특성 ( 인장강도, 전수성등 ), 튜브에채워지는준설토및토사의특성 ( 입경, 투수성 ), 토사와물과의혼합비, 토목섬유의접합강도, 펌프압, 튜브내부에슬러리가유입되었을때의형태변화등이있다. 튜브의설계시고려사항을정리하면아래와같다. 1 튜브재료 ( 토목섬유 ) 의물리 화학적특성 2 튜브에채워지는토사의물리 화학적특성및환경영향평가 3 튜브에채워지는슬러리혼합비 4 펌핑과정 ( 펌프압, 펌핑속도 ) 과펌핑에대한접합강도 5 환경준설매립후수중오염도변화및수중착지후안정성 (1) 기본설계이론토목섬유튜브의설계는토목섬유쉘의평형해석을바탕으로설계이론을정립한다. 설계이론의기본가정사항은아래와같다. 그림 2는기본설계개념도를나타낸것이다. 1 2차원평면해석 ( 길이방향에직각방향만을고려하는평면변형상태 ) 2 토목섬유쉘은얇고유연하며평균길이당단위중량은무시한다. 3 튜브내부는슬러리로채워져내부수리학적응력상태로존재한다. 4 슬러리와토목섬유간의전단응력이발생하지않는다. 그림 2에나타낸바와같이외부에서작용하는힘은없으며, 한종류의슬러리로구성되어있다. 중심선을기준으로최고높이, 전체최고폭, 바닥면과의접촉폭, 펌핑압, 슬러리의평균단위중량 일때튜브의정점으로부터임의심도까지의수리학적압력은다음과같이정의된다. 46 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

47 그림 2. 토목섬유튜브의설계개념도 ( 부호및기호 ) p x P o x (7) 임의의토목섬유쉘지점에서작용하는응력에대한방정식구성을위해일반방정식 를이용하여튜브의임의지점의토목섬유의인장 응력과수리학적압력과의관계를 방향과 방향의평형방정식으로구성하면다음과같다 ( 그림 2의세부관계도참조 ). r x T p x (8) 여기서 T = 토목섬유의인장응력 p(x) = 임의심도까지의수리학적압력상기의방정식은실제적으로 면에서만적용되지만해석의간편함으로위하여바닥면에닿는폭 에대해서도동일하게작용한다고가정한다. 상기의방정식을다시각각의방향에대한미분방정식을나타내면다음과같다. r x y y (9) 여기서 y dy dx y d y dx 47 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

48 인장력관계식과미분방정식을합하면다음과같은정리할수있다. T y p o x y (10) 상기의비선형미분방정식은인장응력, 펌핑압, 슬러리의단위중량, 튜브의높이 등의함수로다음과같이나타낼수있다. y f x T p h (11) 각각의설계변수들의입력을통하여설계매개변수인 값을얻을수있다. 그러나, 정확한해를얻기위해서는경계구속조건이주어져야한다. 상기방정식의첫번째경계구속조건은중심점 점을기준으로튜브가정확하게대칭을이루어야하는조건으로다음과같은조건을만족해야한다. y O (12) 두번째경계구속조건은바닥면과의접촉면의길이 에서수직력이평형상태를이루어야하는조건으로다음과같이표시될수있다. b W P o h (13) 여기서 튜브전체에슬러리가채워졌을경우, 단위길이당중량 W y x dx (14) 접촉면길이 ( ) 방정식에단위길이당중량을결합하면다음과같다. b P h y x dx (15) 또한전체길이 L b s ds 이므로두번째경계조건에서주어진접 촉면길이를전체길이에대입하면다음과같이얻을수있다. L P h hy x dx y dx (16) 상기제시한경계구속조건과토목섬유의인장강도, 토목섬유튜브의 최대높이, 펌핑압 가주어질경우, 초기비선형미분방정식의해를 시행착오법을통하여얻을수있다. 마지막으로그림 2.3 에서보는바 와같이실제적으로설계에서필요한단위길이당축방향인장응력 ( l) 과수직평면에작용하는전체작용력 ( ) 은다음과같이나타낼 48 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

49 수있다. T axial L h P x y x dx (17) P h P x y x dx (18) 그림 2.3 토목섬유튜브의축방향인장응력토목섬유가등방성이라면축방향인장응력 값을구할필요가없지만일반적으로토목섬유의생산과정에서지오텍스타일구성 Yarn의숫자가다르거나연신의과정이다르기때문에대부분의토목섬유는비등방성성질을갖는다. 또한토목섬유의적용시현장조건에따라비등방성성질를갖게되기때문에토목섬유의인장응력과함께축방향인장응력 값을구하여야한다. 튜브의시공시대부분토목섬유의인장응력 ( ) 이축방향인장응력 ( ) 보다크게나타난다. 그러나토목섬유의선정이나봉합등에서오는강도감소를고려하여실제설계이론에서구한축방향인장응력 ( ) 과수직면에작용하는전체작용력 ( ) 에안전율을고려하여적용하여야한다. (2) 설계시고려사항 1 토목섬유의강도지오텍스타일튜브의설계이론에서얻어지는전체작용력과축방향인장응력은상기에서명시한바와같이일반현장에서작용하는힘에대하여구한값이므로안전측의설계를위하여소정의안전율을고려하여야 49 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

50 한다. 그중토목섬유의극한강도에적용되는안전율을다음과같다. T u lt T wor k F s id F s ca F s bd F s cr F s ss (19) 여기서 설계이론에의한인장강도 ( ) 설치파괴에대한안전율 (1.3) 화학적안정성 (1.0) 생물학정안정성 (1.0) 크리프안정성 (1.5이상) 봉합에의한안전율 (2.0) 토목섬유의극한강도 2 토목섬유의필터기능내부의유체는통과시키고흙입자를잔류시키는필터기능은구조물의안정성을유지시키는인장강도와함께지오튜브의기능상에서중요한역할을갖는다. 특히오염물질을지오텍스타일튜브내에채울경우유실율 0% 에만족을시켜야환경적영향을최소화시킬수있다. 추천할만한필터기능의설계방법은토목섬유의유효입경 (AOS) 를측정하여설계하는것이다.(AASHTO Task Force #25). No. 200체통과량이 50% 이하 O 95 <0.95mm (AOS Sieve No. 30) No. 200체통과량이 50% 이상 O 95 <0.30mm (AOS Sieve No. 50) 그러나지오텍스타일컨테이너공법의적용시에서현장토사에대한 Filtration 시험과유실율시험을실시하는것이안전측의설계가될것으로판단된다. 3 지오텍스타일튜브의압밀후높이지오텍스타일튜브펌핑후내부의슬러리의압밀에따른전체지오텍스타일튜브의폭과높이의변화는시공후구조물의안정및형상에있어서상당히중요한고려인자이다. 다음의밀도변화에대한계략적인과정을통하여시공후지오튜브의높이변화를얻을수있다. 내부의슬러리가 100% 포화 (S=1) 되었다고가정하면부피-무게의관계에서다음과같은방정식을얻을수있다. o G s slu r r y w G (20) s slu r r y w 50 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

51 f G s soil w G (21) s soil w 여기서 ω 초기함수비 ω 최종함수비 비중 γ 토사의단위중량 γ 슬러리의단위중량 γ 물의단위중량 상기의관계식과압밀이 1차원압밀만발생하였다고가정하면간극비관계를통하여다음과같은방정식을얻을수있다. e e o h G s o f h h o ho o G s 여기서 Δ 튜브의높이감소량 튜브의초기높이상기의함수비와밀도그리로간극비와초기높이의관계를통하여압밀후지오튜브의높이를산정할수있다. 일반적으로파력에대한안정검토를수행할경우, 쇄파대지역에서는 Hiroi's( 松公 ) formula를적용한다. 즉, 구조물의설치수심이파고의 2배미만으로쇄파압을받는지역에서는다음의쇄파공식으로파압을구한다. 여기서, p : 쇄파에의한파압강도 (tonf/ m2 ), ρw : 해수의단위체적질량 (tonf/ m3 ), H wave : 설치위치에있어서의파고 (m). 토압에대한안정검토는공사용가도배면에성토되는토사에의한토압에대한토목섬유튜브구체의안정성을검토한다. 검토항목은일반적인토압을받는구조물 (retaining structure) 과같이전도, 이동, 지지력에대하여검토한다. 공사용가도가연약지반에성토되면, 한계성토고를고려한성토높이와연약지반의침하량및지지층 (bearing stratum) 과토목섬유튜브를포함한성토체에대한사면안정성 (overall stability) 을검토하도록한다. 51 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

52 (a) 파력에대한안정검토 (b) 토압에대한안정검토 (c) 전체안정검토 그림 11. 토목섬유튜브를이용한공사용가도의외적안정검토 7. 토목섬유튜브를활용한제방축조공법결정을위한영향인자 7.1 개요우리나라는세계적으로방조제공사에서우수한시공실적을가지고있으며서산방조제, 시화방조제, 영산강하구둑, 새만금방조제등을시공하면서많은노하우를가지고있다. 기존에해상준설매립연약지반지역에서도로성토체축조와호안및방파제등의공사시석산개발에의존한건설자재공급은민원과환경규제로인하여공사비및공사기간이증가함으로써비효율적이고사업자체의수립이불가능한경우가많이발생하고있다. 따라서제방축조시이러한비효율성을개선하기위해현장에서재료공급이용이한퇴적준설토를활용한토목섬유튜브를사석대체재료로적용함이절대적으로필요하다. 최근에는동해안지역의해안선침식방지공사및서해안지역새만금내부매립시사석과소파블럭적용시미관과위험을초래한다는민원과골재원의장기간개발지연에따른사석수급의어려움때문에사석대체재료의개발이시급한실정이다 [1]. 이에외국에 52 Mobile

53 서는토목섬유튜브내에토사를채워서호안, 방파제, 물막이, 가호안, 방조제등의구조물로사용하고있으나국내의경우는외국시방서에의존하는경향이있다. 국내의경우는 Shin etal.(2002) 이토목섬유튜브채움토사의종류에따른현장시험을실시하여튜브의형태변화를분석하였고다양한계측과실내실험을통해튜브의채움및압밀과정에서의거동특성에대한연구를수행하였다 [2]. 또한, Oh etal.(2006) 은 2차원한계평형, 침투해석및사면안정해석방법을통하여토목섬유튜브와지반재료와의복합구조물의지반공학적안정성에대한연구를수행한바있다 3. 토목섬유튜브시공사례에대한기존연구로는 Choiet al.(2007) 이국내시공사례분석을통해서토목섬유튜브공법의발전방안에대한연구를수행하였고 Shin etal.(2010) 은토목섬유튜브공법을적용한국내시공사례를검토하고시공시발생한문제점과그해결방안을제시한바있다 4,5. 국외의경우는 Tencate사및 Geotec협회에서세계전반에걸쳐다양한목적으로적용된토목섬유튜브시공사례및경제성에대해소개하였고,Sheehan et al.(2009) 은해안침식방지구조물설계시토목섬유튜브공법의적용성및경제성에대해서검토한바있다 6-8. 기존연구는토목섬유튜브의변형과침하거동에집중되는경향이있고, 공법결정시영향을미치는인자인경제성분석에대한연구는미미한경향이있다. 이와같은배경하에본연구에서는제방축조공법결정시시공규모 ( 연장 3km이상 ) 및사석운반거리에대한경제성을분석하여향후준설토목섬유튜브의확대보급에기여하고자한다. 7.2 토목섬유튜브공법 (1) 개요토목섬유튜브공법은폴리에스테르 (PET), 폴리프로필렌 (PP) 등고분자합성섬유로직조된투수성지오텍스타일 ( 직포, 부직포, 복합포 ) 로제작된거대포대내에모래또는준설토사를채워대형성토구조물을축조하는공법으로현장토유용에따라환경훼손최소화, 시공성, 경제성등의이유로전세계적으로수중제방, 방파제, 가도호안, 해안침식방지, 가호안등의해안, 하천구조물축조, 오염준설토탈수및매립등에많이사용되는공법이다. 토목섬유튜브구조물을구성하는요소는크게튜브재질인토목섬유와내부채움재로사용되는토사로구분할수있다. 토목섬유는소요의유효입경을가짐으로써내부에흙시료가보유하고있는물을배수시키는통 53 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

54 수성재질이며내부채움재로사용되는채움토사는시공성과경제성을고려하여현장가용재료 ( 준설토, 모래 ) 를사용한다. 토목섬유튜브의형상은일반적으로소시지형태나베개모양이며, 직경과길이는현장조건과설치가능성에따라달라지는데보통길이 m, 폭 m, 채움높이 m 정도이다. 토목섬유튜브상부는준설토를수리학적인방법으로채우기위해주입구와배수구가설치되어있으며, 주입구설치간격은지오튜브내의균등한채움을위해모래질흙의경우에는보다가깝게하고 (10m정도), 점토질흙의경우가능한멀게한다 9. [Fig. 1] Geotextile Tube Structure and Components 10 (2) 설계및시공시고려사항 [Fig. 2] Geotextile Tube Front View 토목섬유튜브는육상및수중조건에서시공되며튜브가수중에위치할때는채움작업에앞서튜브에작용하는부력효과를고려해야하며물에띄워설치지점에위치시킨다. 또한육상조건에서시공시에는침식방 54 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

55 지용에이프론 (Scour Apron) 을설치위치바닥에펼쳐서고정시키기위해모서리부분에모래를채운고정용모래주머니 (Sand Filled Anchor Tube) 를배치하고, 이러한침식방지용에이프론 (Scour Apron) 은 Fig. 2에서처럼튜브좌우로각각튜브폭의 1 2배정도폭을연장해야한다. 토목섬유튜브설계시중요고려사항은채움중충진압력에저항하는튜브의봉합강도, 섬유와흙사이의호환성, 장기간자외선에노출시저항, 마모, 찢어짐, 구멍뚫림, 파괴등에대한저항, 그리고튜브내에서퇴적물들의침강압밀로인해발생하는튜브의높이변화등이다 11. (3) 토목섬유튜브공법의장 단점토목섬유튜브는장스판일괄시공및철거가용이하여공기단축과공사비절감이용이하고현장준설토를활용함으로써친환경적인공법이라할수있다. 또한육상토및사석재료가아닌현장준설토의이용이가능하므로재료수급이용이하다. 튜브재료적인측면에서는인장강도가우수한토목섬유의적용으로사면형성시안정성및파력에대한저항성이우수하여해양, 항만구조물등다양한용도로사용되고있다. 단점으로는튜브재료로토목섬유를적용함으로써재질의특성상날카로운물체에잘찢어지는특징이있고채움재료의특성및시공조건에따라단면의형상이달라질수있기때문에정확한시공높이및정밀한단면을요구하는경우적용성이떨어진다 방조제및해안지역도로성토기술 (1) 준설토목섬유튜브활용성토기술 [Fig. 3] Embankment Technology Utilizing Geotextile tube Filled With Dredged Soil 사석식방조제시공기술의대안으로현재연구중인준설토목섬유튜브 활용성토기술은 Fig. 3 의모식도와같이현장에서재료공급이용이한퇴 55 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

56 적준설토를토목섬유튜브에채워가호안을형성함으로써해안연약지반상의도로성토체및제방, 매립호안등을형상화하는기술이며기존사석및산토등의성토재를현장에서공급가능한준설토로채워진준설토목섬유튜브로대체하여신재생자원을활용한기술이고시공재료비를최소화하여시공비용과시공기간을단축하고구조물의안정성과효율성을극대화하는기술이다. (2) 기존사석식성토기술국내에서시행되고있는일반적인해상성토방법은 Fig. 4와같이사석을이용하여매립하는전출형공사로대형기초사석을수중투하하여강제로치환하는공법이다. 일반적으로석산에서사석이공급되어야가능하며원거리운반시공사비의증가와운반차량에의한교통장애, 소음, 진동, 석산개발시인허가의특혜및지역주민의민원증가로공기증가와공사추진의어려움이있다. [Fig. 4] Traditional Embankment Technology With Riprap. 7.4 토목섬유튜브의국내외시공현황토목섬유튜브는가도조성을위한가물막이공사, 댐가물막이공사, 준설토투기장가호안공사, 해안침식방지공사, 방조제공사, 인공섬조성을위한가호안공사, 소형댐공사, 방파제코어, 환경오염물처리등의목적으로약 40년이상동안적용되어현재전세계 50개국이상의국가에서시공되었다. 그중대표적인국내외의시공현황들을정리하면다음과같다. (1) 국내시공현황 Fig. 5에서일산대교및인천대교현장은가도조성을위한가물막이목적으로각각총연장 7.4km, 14.0km의토목섬유튜브공법이적용되었고수어댐여수로현장은기존의토사가물막이가장마시홍수로붕괴되어긴급공사가필요함에따라직경 3.5m, 길이 62.0m의토목섬유튜브공법이채택되어적용되었다. 부산신항만현장은준설토투기장가호안공사를 56 Mobile

57 위해토목섬유튜브공법을선정하였으며시공규모는직경 4.25m, 길이 50.0m 의토목섬유튜브를제방양단에 3.0km 를시공하였다. (a) 일산대교 (b) 인천대교 (c) 구담보 (d) 부산신항 (c) 울진해변 (e) 새만금 [Fig. 5] Geotextile Tube Construction Cases In the Domestic 영진만및울진원전현장은해안선침식을방지하고모래퇴적을유도하기위해직경 3.5m, 길이 50.0m의토목섬유튜브를 2열로나란히붙혀 30.0m 간격으로시공하였다. 새만금현장은방조제끝막이공사시축조된사석필터간극을통해배면매립토사가유출되고세굴되는것을방지하기위해횡방향으로폭 10.0m, 길이 2.7km의튜브매트리스를시공하였고시공중사석필터재료의수급부족으로인한대안공법으로직경 1.0m, 채움높이 0.6m, 길이 1.0m의종방향튜브 3,900개를시공하였다 1,12 (2) 국외시공현황 Fig. 6에서미국애틀랜틱시티현장은허리케인및해안침식의영향으로해변산책로의붕괴위험이있어서그에대한대책으로토목섬유튜브를적용한해안가사구를조성하여침식및모래유실을방지하였고미국일리노이현장은연장 4.7km의인공섬둘레를형성하기위해토목섬유튜브를시공하였다. 네덜란드현장은해상수로 Naviduct 건설중준설토투기제방의코어 (Core) 로직경 3.92m, 총연장 7.5km의토목섬유튜브를적용하였다. 아일랜드현장은 Fenit항해안선침식을방지하기위한방파제및호안구조물설계시각각연장 446m와 200m의준설토활용토목섬유튜브의경제성을검토하였다. 에콰도르현장은둘레 13.7m, 총연장 2.0km 57 Mobile

58 의토목섬유튜브를피라미드방식으로쌓아서정박지조성을위한방파제코어 (Core) 로적용하였다. 모로코현장은높이 6.0m 댐의일시적인물막이공사를위해직경 5.0m, 채움높이 3.0m를갖는 3개의토목섬유튜브를시공하였다. (a) Sand dune(usa-atlantic) (b)artificial islands(usa-illinois) (c) Dredged soil pond (d) Breakwater/Revetment (f) Dam(Morocco) (Netherlands) (Ireland) [Fig. 6] Geotextile Tube Construction Cases In the International 바레인현장은 Amwaj 인공섬조성을위해둘레 13.7m, 총연장 30.0km 의 토목섬유튜브를 2 단으로시공한후외부를사석으로쌓아보호하였다. 필리핀마닐라현장은골프클럽내배수로와연못사이에길이 85.0m, 채 움높이 1.5m 의토목섬유튜브를 2 열로시공한후상부에게비온구조물 을설치하여소형댐을조성하였다. 브라질현장은둘레 18.3m, 길이 61.0m 의토목섬유튜브용기를이용하여매립장에하수처리장과분뇨처리시설 을설치하였다 6,8, (3) 국내외시공현황분석결과 1 준설토목섬유튜브의경제성 국내외의시공사례에서가호안및해안침식방지구조물축조시기존 사석대신준설토목섬유튜브를적용함으로써 40 50% 정도의공사비 및시공재료비절감효과가있는것으로보고되었고분석결과들을정리 하면 Table 1 과같다 7,14, 또한시공규모를 L=3.5km 라고가정하고 58 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

59 사석및준설토목섬유튜브공법의경제성을분석한결과 Fig. 7 에서처 럼준설토목섬유튜브공법적용시운반거리가 15km 이하인경우는오히 려공사비가기존사석공법에비해더크게나타나며, 운반거리가 16km 이상인경우부터공사비절감효과가있는것으로나타났다. [Table 1] Economic Consideration Analysis on the Geotextile Tube Construction Cases Case Nether lands, Ecuador, Bahrain Ilsan bridge Busan new port Ul-jin beach Economic consideration The amount of quarry materials saving of more 50% is attained by replacing the core of the embankment with geotextile tube. Cost saving of 42% is attained by applying geotextile tubes in the embankment construction Reduce the width of the counterweight fill for sand mound by 60m Reduce the amount of the sand for sand mound by 900,000 m3 Enlarge the capacity of dredging soil ground by 1,000,000 m3 Cost saving of more 40% is attained by applying geotextile tubes in the embankment construction. Budget and public resentment saving of 50% is attained by replacing the riprap and dissipation block with geotextile tube [Fig. 7] Cost comparison with increased delivery distance 59 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

60 국외의경우는네덜란드, 에콰도르, 바레인현장사례에서시공연장 L=2.0 60km 인사석제방단면의코어부분을모래로채운토목섬유튜브로 대체함으로써기존에사석을이용한제방쌓기공사에서필요한사석물량 을 50% 이상절감하여시공재료비를최소화할수있었고대규모의사석을 채취함으로써발생할수있는환경문제및운반차량에의한교통장애를 해결할수있었다 7,14. 아일랜드 Fenit 항현장사례에서는해안침식을방지하기위한구조물설 계시준설재료를이용한토목섬유튜브공법의적용성을확인하기위해 경제성을검토하였으며검토결과는 Table 2 와 Table 3 과같다 8. Table 2 에서해안침식방지구조물축조시사석제방단면의코어부분 을 Fenit 항현장의준설재료로채운토목섬유튜브로대체함으로써기존 에사석을이용한제방쌓기공사에서필요한사석물량을 20 70% 이상 절감할수있는것으로나타났다. [Table 2] Amounts of quarry material required for the different coastal structures [Table 3] Cost of construction for the different coastal structures Table 3 에서는구조물시공규모및사석운반거리에따라결정되는각 60 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

61 구조물의공사비용을정리하였고준설재료로채운토목섬유튜브를적용함으로써방파제구조물의경우는 35% 정도의공사비절감효과를나타내었고, 호안구조물의경우는반대로 4.34% 정도공사비증액이있는것으로나타났다. 이러한이유는 Table 2에서검토된것처럼호안구조물 ( 연장 200m) 은방파제구조물 ( 연장 446m) 에비해시공규모가작아절감된사석물량이현저히작으며이에따른사석의운반비절감액이토목섬유튜브구입, 준설및펌핑장비구입비용을완전히부담하지못하기때문인것으로보고되고있다. 방파제구조물의경우는준설토목섬유튜브대체공법적용시사석물량감소뿐만아니라 Fig. 8(a) 에서처럼사석운반거리 (11km기준) 증가에따른운반비용의절감때문에공사비절감효과가나타났고반면호안구조물의경우는준설토목섬유튜브대체공법적용시사석물량은감소하였지만 Fig. 8(b) 에서처럼사석운반거리가 11km인경우는오히려공사비가기존공법에비해더크게나타나며운반거리가약 25km 이상인경우에공사비절감효과가있는것으로나타났다. 아일랜드 Fenit항현장사례의준설토목섬유튜브공법에대한경제성검토결과해안침식방지구조물설계시경제적으로효율적인공법을선정하기위해서는공사규모및사석운반거리는중요한영향인자인것으로보고되고있다. 2 토목섬유튜브의적용성국내에서일부현장을제외하고는대부분의시공사례에서토목섬유튜브의속채움재료로육상모래및해상준설모래와같은조립토가적용되었고인천대교현장사례의경우는튜브형상유지및배수효과면에서모래질재료가월등하므로모래질속채움재료를적용하였다. (a) Breakwaters (b) Revetments [Fig. 8] Cost comparison with increased delivery distance (source: 반면, 준설점토와같은세립토를튜브속채움재료로적용한경우에는물 61 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

62 의배수가원활하지않아주입압력조절및튜브단면형성에어려움이있었으므로향후준설토목섬유튜브를가호안및해안침식방지구조물의재료로적용하기위해다양한종류의현장준설재료를사용하여튜브의형상및거동에대한연구가필요하다. 국외의경우는토목섬유튜브공법에대한공개되지않은많은연구와노하우를가지고있으며주로준설토투기장가호안, 해안침식방지구조물, 인공섬조성을위한가호안, 방파제, 환경오염물처리공사등의목적으로이미세계전반에걸쳐 2000개이상의프로젝트에서비교적성공적으로적용되었다. 7.5 지오텍스타일와채움토사 (1) 채움토사지오텍스타일튜브의채움토사는지오텍스타일의배수및필터특성 ( 유효입경 ), 시공후의유효높이의확보, 배송펌프의종류를고려하여선정하여야한다. 지오텍스타일튜브공법의최대장점인신속한시공을위하여현장준설토사를바로준설하여사용하는것이효율적이다. 일반적으로, 지오텍스타일의배수및필터기능을만족하고시공후, 유효높이의변화가거의없는조립질모래가지오텍스타일튜브의채움토사로가장효율적이다 Percentage Passing(%) Grain Size(mm) ( 그림 5.4) 채움토사의입도분포곡선 62 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

63 항목특성값항목특성값 비중, Gs 2.64 유효입경, D10 (mm) 0.50 표 5.1 채움토사의공학적특성 최대건조밀도 (g/cm3) 최적함수비 (%) 건조시내부마찰각 ( ) 포화시내부마찰각 ( ) 균등계수, Cu 1.90 투수계수 (cm/sec) 곡률계수, Cc 0.84 USCS SP 울진지오텍스타일튜브의채움토사는시공현장의인근해저에서준설한 모래를사용하였으며, 준설선과배송관을활용하여준설과동시에지오텍 스타일튜브내부에충진하였다. 울진지오텍스타일튜브채움토사의공 학적특성시험결과는표 5.1 에나타낸바와같으며, 그림 5.4 와그림 5.5 는채움토사의입도분포곡선과다짐곡선을나타낸것이다. 또한, 건조상태 와습윤상태에대한직접전단시험결과는그림 5.6~ 그림 5.8 에나타내었 다. Dry unit weight, (gf/cm 3 )) g d(max) g d(max) = 1.672gf/cm w opt Water content, (%) w opt = 14.2% Shear stress (kg/cm 2 ) Normal stress 0.5kg/cm 2 Normal stress 1.0kg/cm 2 Normal stress 1.5kg/cm Horizontal displacement (mm) ( 그림 5.5) 채움토사의다짐곡선 ( 그림 5.6) 건조시료에대한직접전단시험 Shear stress (kg/cm 2 ) Normal stress 0.5kg/cm 2 Normal stress 1.0kg/cm 2 Normal stress 1.5kg/cm 2 Shear stress (kg/cm 2 ) Dry condition : Saturated condition : Horozontal displacement (mm) Normal stress (kg/cm 2 ) ( 그림 5.8) 포화시료에대한직접전단시험 ( 그림 5.7) 채움토사의수직응력 - 전단응력관계곡선 63 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

64 (2) 지오텍스타일 (Geotextile) 지오텍스타일튜브의섬유재료로사용되는재료는일반적으로폴리프로필렌 (Polypropylene) 재질과폴리에스터 (Polyester) 재질의지오텍스타일이주로사용된다. 지오텍스타일의재질은사용목적과현장조건에따라효율적으로선정하여야한다. 특히, 지오텍스타일튜브구조물이자외선에노출될경우, 인장강도를비롯하여각종공학적특성이저하되므로카본블랙과같은안정제를첨가한지오텍스타일을사용하여야한다. 영진만지오텍스타일튜브에적용된지오텍스타일은카본블랙을첨가한폴리프로필렌재질의지오텍스타일이다. 표 ) 는지오텍스타일의제품특성값을나타낸것이다. 지오텍스타일튜브의지오텍스타일에대한제품특성시험으로인장강도시험을실시하였다. 인장강도시험은튜브본체로사용된지오텍스타일시료와침식방지용에이프런매트로사용된지오텍스타일시료에대하여실시하였다. 에이프런매트로사용된시료는시공후 3개월동안해수에침수되었던시료를채취하여인장강도시험을실시하였다. 인장강도시험방법은 ASTM D 에명시된 Grab 시험법에의거하여제품생산방향인 MD(Machine Direction) 방향과직각방향인 CD(Cross Machine Direction) 방향, 양방향에대하여각각 3회씩실시하였다. 그림 5.9와그림 5.10은각각의시료에대한인장강도시험결과를나타낸것이다. 표 ) 지오텍스타일특성값 ( 지오텍스타일튜브본체시료 ) 물리적성질 시험방법 단위 최소값 재질, 무게 ASTM D-5261 g/m 2 600이상 광폭인장강도 Warp, Fill ASTM D-4632, 4595 kn/m 180 광폭신률 Warp, Fill ASTM D-4632, 4595 % 20 CBR 꿰뚫림강도 ISO kn 15 AOS EN ISO mm 0.5 EOS ASTM D-4751 mm 0.2 투수성 ASTM D-4491 sec 0.5 시험결과에서보는바와같이, 지오텍스타일튜브에사용된지오텍스타일120KN/m은 Grab법에의한인장강도가약 147kN/m로제품사양에명시된광폭인장강도값을만족하는것으로나타났다. 그러나, 3개월동안해수에침수된침식방지매트시료는인장강도가 60kN/m로원시료 (80kN/m) 64 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

65 20 10 Tensile strength (ton/m) Elogation (%) Raw sample MD1 Raw sample MD2 Raw sample MD3 Raw sample CD1 Raw sample CD2 Raw sample CD3 Tensile strength (ton/m) Elongation (%) Saturated smaple MD1 Saturated smaple MD2 Saturated smaple MD3 Saturated smaple CD1 Saturated smaple CD2 Saturated smaple CD3 그림 5.9 인장강도시험결과 ( 튜브본체시료 ) 그림 5.10 인장강도시험결과 ( 침식방지매트시료 ) 보다약 25% 의강도감소를나타내었다. 그림 5.11 과그림 5.12 는시험후, 지오텍스타일시료를나타낸것이다. 그림 5.11 강도시험후시료 ( 튜브본체시료 ) 그림 5.12 강도시험후시료 ( 침식방지매트시료 ) 8. 결론국내외준설토목섬유튜브공법의적용사례에근거한경제성과적용성을분석하여공법결정에미치는영향인자에대하여검토해본결과주요내용은다음과같다. (1) 국내시공사례분석결과시공연장 L=3.0km 이상의가호안및해안침식방지구조물의경우기존사석대신준설토목섬유튜브를적용함으로써 40 50% 정도의공사비절감효과가있는것으로나타났고사석 65 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

66 운반거리는 16km 이상인경우에공사비절감효과가있는것으로나타났다. (2) 국외의경우인공섬및해안침식방지구조물축조시사석제방단면의코어부분을준설재료로채운토목섬유튜브로대체함으로써사석물량을 20 70% 이상절감한것으로보고되고있다. (3) 국내외토목섬유튜브시공사례에근거한시공규모및사석운반거리에대한경제성을분석한결과제방축조시구조물의시공규모가클수록 ( 연장 3km이상 ) 경제성이크고사석운반거리는 16 25km이상인경우에공사비절감효과가있는것으로나타났다. (4) 시공규모및사석운반거리는해상및육상에서제방축조시준설토목섬유튜브의활용여부를결정하는중요한영향인자이고준설토목섬유튜브는기존의사석과콘크리트재료를대신할수있는하나의실용적인대안이될수있을것으로기대된다. 토목섬유튜브를이용한공사용가도나제방의시공은관행적으로시공해온사석축조공법에비하여경제적인공법이다. 또한, 토목섬유튜브는해양및근해구조물로써여러가지활용가능성을가지고있다. (Daivis and Landin, 1997) 그러나토목섬유튜브는정확한구체의형상을예측및장기간자외선에노출되었을경우에대한실측자료가없어그저항성에대한예측이불확실한점이있다. 그럼에도불구하고조간대와같은저수심대및파력의에너지가낮은곳에서는가도및가설구조물로써의역할을충분히수행할수있을것으로기대된다. 9. 의견본글에서제시한토목섬유튜브설계항목에대하여정리하면다음과같다. (1) 토목섬유튜브의재료적안정검토는작업하중 (Twork) 에강도에관련된영향계수값을곱했을때, 그강도가재료의극한강도 (Tult) 보다작다면안정하다고할수있으며, 재료의강도는토목섬유튜브설치에따른것, 시간경과에관한것, 화학적영향에관한것, 봉재강도에관한것등이있으며, 이러한영향요인에관한시험은공인된시험규준에따라수행해야한다. (2) 토목섬유튜브의속채움기준은속채움재료와토목섬유튜브의유효눈 ( 구멍 ) 의크기 (Apparent Opening Size) 간의비율에의하여결정되며, 시험시공을통하여주입재료의적정성을판단하도록한다. (3) 속채움후토목섬유튜브의형상은속채움재료의지반공학적특성에 66 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

67 따라결정되며, Leshchinsky가제안한방법에따라 1차원압밀이론에따라 GeoCops라는프로그램으로그구체의형상을예측할수있다. (4) 토목섬유튜브의외적안정성은토목섬유튜브의활용대상이어떠하냐에따라결정되며, 공사용가도로사용될경우, 파압, 토압, 침하및전체안정성 (overall stability) 항목을만족하도록한다. (5) 토목섬유튜브를이용한공사용가도는현재적용되는다른공법에비하여조간대와저수심대에서는경제적이며, 다른항만및연안토목구조물로써의활용성이클것으로기대된다. 그러나, 설계와시공적용성에대한다양한사례와연구결과들이축적되어야그활용성이검증될것으로판단된다. 67 Mobile

68 제 3 장토목섬유튜브를이용한고함수비물질의탈수 1. 개요토목공사의시공기술과밀접한관계를가지는토목용섬유제품인지오텍스타일은모래, 흙, 자갈등의환경에노출되는고분자재료이다. 이것은수분차단을제외한분리, 보강, 여과, 배수등의기능을가지며현재제방공사, 해안, 하천의호안공사간척공사또는도로철도노상안정등의분야에광범위하게이용되고있다 ( 전한용1998). 지오텍스타일튜브에대한초기개념적인연구는 1970년대부터네덜란드 Delft 수공학연구소에서연구되어졌으며 (Delft Hydraulics, 1975), 실제적용사례를살펴보면 1980년대초반브라질에서처음으로시도된이래네덜란드와독일을비롯한세계각국에서수중제방또는해안및호안보호등에활용되고있다 (Bogossian et al.,1982). 또한 Silvester(1990) 와 Pilarczyk(1995) 는지오텍스타일튜브를활용한방파제구조물에대한연구를수행하였으며 Gutman(1979) 과 Pilarczyk (1995) 은해안침식방지를위하여돌제형태로설치된지오텍스타일튜브에대하여연구를수행한바있다 Koerner and Soong(1997) 은해안선과일정거리를두고수중에설치하는이안제형태로서의적용에대하여연구하였으며 Perrier(1986) 과John(1987) 은해안제방및제방코어재료의활용가능성에대하여연구를수행하였다. 이러한지오텍스타일튜브의적용은최근국내에서도많이활발하게진행되고있는데강원도강릉시연곡동영진만해안에해안선침식방지및토사퇴적을유도할목적으로설치한이안제형태의지오텍스타일튜브에대한연구가진행된바있다 ( 신은철등 2002). 이와같이지오텍스타일은각종토목구조물의시공에많이사용되어지고있고이용빈도와영역이점점확대되고있는추세이다 ( 그림1 참조 ). 2. 적용성반면다양한해안및호안구조물의적용에비하여준설토및슬러지와같은고함수비물질또는폐기물의탈수에서의이용이나연구는현재까지미비한실정이다. 지오텍스타일의내구성높은능률저비용노동력절감품질관리의용이함우수한시공성등의특성을고려하면기존의다른필터의취약한단점들을보완해줌으로서슬러지의탈수과정을보다효율적으로처리할수있는장점이있는데고함수비물질의탈수에대한지오텍스타일튜브의적용은낮은실정이다. 68 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

69 고함수비폐기물이나슬러지는채광작업, 수로준설, 폐수처리시설, 수질처리시설, 제지공장, 농업, 공업대지들과같은여러경로를통해매년배출되고있다. 이중에서도준설은항만을포함한연안역개발항행체계유지환경유지및개선등을목적으로행하여진다. 우리나라에서는준설토의대부분을매립용토사로활용되고있으며특히항만개발과연관된즉, 개발준설의경우에는더욱그러하다준설토처리법은이러한다양한조건들이고려되어선택되어야하지만우리나라에서는최근에이루어지고있는대형항만개발과정에서도준설토의평가거동및이로인한영향을저감하는방안등을정확히고려하고있지못하는상황이다. 최근일부대형항만개발공사에서대부분의준설토를매립재로이용하고개발과정에서외해투기가불가피한준설토를대양에투기할때거동을파악한정도이다 ( 이중우편저 2005). 특히제한된육상이나연안투기장에서탈수하지않은준설토를매립하는경우준설토의거동및시공중발생하는준설토에서빠져나오는여액에대한평가및영향은전혀고려되고있지못하는상황이며이에관한관련법규도거의마련되지못한상태이다. 69 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

70 고함수비폐기물인준설토의처리에있어서탈수과정을거침으로서자체부피를줄인후매립지에수송하거나둑건설습지대복구또는건설시건축재로유용하게사용할수있다. 폐수슬러지의경우국내산업및생활에서최종적으로발생되는부산물로서환경문제에있어서매우중요한부분을차지한다. 발생되는슬러지는다양한종류가있으나크게다음의세가지종류로분류할수있다. 제지, 제철, 정밀화학, 염색공정등에서발생하는산업슬러지, 하수종말처리장에서발생하는하수슬러지, 그리고정수장에서발생하는정수슬러지등현재우리나라는연간약3,000만톤의슬러지가발생되고있으며 ( 김상용 2001), 슬러지의발생량은지속적으로증가하는추세이다. 가동되고있는하수처리장이 2000년도기준으로 172개이며인구대비하수도보급률은70.5% 이다. 연간 15,771천톤의하수를처리하고연간 174만톤의하수슬러지가발생되고있는데연차별계획에따라우리나라전역에하수처리장이설치되어하수보급률이높아진다면하수슬러지의발생량은더욱증가하여 2006년에는 285만톤년발생 ( 환경부 2000) 이예상되고있다. 이렇게발생하는슬러지의처리비용은대개하수전체처리비용의 25~50% 정도소요되는것으로추정하고있어슬러지처리과정중탈수는매우중요한과정이라할수있다 ( 이성호등 2003). 그러므로슬러지의효과적인처리를위해서는슬러지를탈수시켜수분을감소시키는것이우선적으로고려되어져야한다. 그림2는지오텍스타일튜브를활용한탈수처리과정사례를나타낸것이다. 탈수작업에사용되는필터재의일반적인기준에는토사보유성기준과투수성기준이있다. 필터는탈수되는동안흙입자가빠져나가지않고내부에잔류되도록하는토사보유성기준을만족하여야하고, 또한, 원활한탈수를할수있게하며상류측에서과잉간극수압이증가하지못하도록하기에충분한투수성기준도만족되어야한다. 근본적으로이러한필터기준들의대부분은흙입자의입도분포와섬유의간극구조사이의관계를기본으로한다. 여기에제시된필터재의기준뿐만아니라때때로사용되는현장및슬러지의조건등에따라장기적클로깅방지기준자외선및화학재의노출에대한저항성기준등과같은다른기준들도고려되어진다. 이와같은관점에서지오텍스타일튜브의필터재로서의적합성에대하여서는압력여과시험을통해이미확인한바있다 ( 김태형등 2006). 입자가필터영역안에잔류하도록하는토사보유성은슬러지의초기입자비율에대한최종입자비율을비교하는것으로정의된탈수효율로서나타내어진다. 70 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

71 또한, 슬러지의자체수분을빠른시간에효율적으로제거하도록하는투수성은시간에따른입자비율곡선의기울기인탈수율로나타내어진다. 이러한탈수효율과탈수율의두가지측면을모두포함하는지오텍스타일의탈수능력은기존에슬러지의탈수과정에사용된약품처리굴껍질초음파열처리와같은방법에서의탈수능력보다우수할뿐만아니라지오텍스타일의우수한특성과더불어필터로서의적용에있어충분한효율성을확인할수있다. 지오텍스타일의필터기능은크게액체필터 (liquid filter) 기능정적고체필터 (static solid filter) 기능및동적고체필터 (dynamic solid filter) 기능의 3가지로고려된다. 먼저액체필터기능은액체중에부유되어있는세립자를운반하는흐름에직각방향으로토목용섬유제품을설치해서세립자의이동을막고물만통과시키는기능이며정적고체필터기능은흙과유공재료골재유공과다공플라스틱매트사이에설치된토목용섬유제품이배수, 또는양수에의해물을집수하여운반하는동안흙입자의이동을막아주는기능으로주로정류 (steady flow) 상태의일방향흐름에대한기능이다. 이에반해동적고체필터기능은부정류상태의동적흐름에대한기능으로파랑의작용으로부터보호되어야하는흙과피복재료암석, 콘크리트, 블록, 71 Mobile

72 돌망태사이에설치된필터층이물이통과하는동안흙입자의이동을최소한도로막아주는기능이다. 이러한지오텍스타일필터의설계에있어서토사보유성기준은다음과같다. (1) #200체통과백분율 50% 하의경우 O 95 < 0.59mm (AOS #30체 ) (2) #200체통과백분율 50% 이상인경우 O 95 < 0.30mm (AOS #50체 ) 여기에서 AOS(O 95 ) : Apparent Opening Size, 유효구멍크기이다. 상기의보유성기준은 #200체 (0.075mm) 통과백분율을기준으로평가하는것으로가장간단하며많이사용되는 Task Force #25에서추천하는보유성기준이다. 1972년부터지오텍스타일의구멍크기O 95, O 50, O 15 ) 와보호토의입경 (d 90, d 85, d 50, d 15 등을직접비교한설계기준들이지오텍스타일의종류흙의종류수류의상태에따라지속적으로제시되어왔으나 Fischer etal.(1990), French Committee on Geotextiles and Geomembranes(1986), Christopher and Holtz(1985) 등부분적으로완전히정착되지는못하였다 ( 한국지반공학회저 1998). 또한, 이러한기준은압력여과시험결과토사보유성에적합하지않음을확인할수있었다 ( 김태형등 2006). 압력여과시험의여과초기에는슬러지의물과약간의세립자들이여과압력아래지오텍스타일을통하여흘러빠져나가게되며, 이때지오텍스타일의높은투수성때문에유량은빠르게떨어진다. 이것은일부세립자들은지오텍스타일의구멍에브리징대를만들기시작하고지오텍스타일안의빈공간을채워나가게되면서필터케익을형성하기때문이다. 이러한필터케익의형성이지오텍스타일의 AOS 크기가앞에서제시한토사보유성기준을만족하지않더라도높은여과효율로서세립자들을필터안에잔류하도록하는것이다. 따라서, 토사의보유성은 AOS의크기기준이아닌지오텍스타일의다공성구조와시험동안의필터케익의형성에의해좌우되는것을확인할수있었다. 지오텍스타일필터의설계에있어두번째기준인투수성기준에있어투수성은물이지오텍스타일의평면에수직으로흐르는수직투수성으로고려되고수류의통수단면은지오텍스타일의평면이된다. 필터목적으로사용되는지오텍스타일중일부는두께가비교적두껍고압축성이기때문에두께의변화를투수계수에포함시켜다음식과같이통수성의개념을도입하게되었다여기에서 Ø 통수성, kn= 수직투수계수, t= 소정의수직압력하에서지오텍 72 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

73 스타일의두께를나타낸다. 실험에의한지오텍스타일의통수성곡선은흙의투수성곡선과비슷하기때문에몇몇학자들은흙의투수성에 0.1, 1.0, 10 등을곱하여요구되는지오텍스타일투수성을결정하기도한다. 3. 탈수용재료로서의토목섬유튜브이와같이지오텍스타일은그자체의높은투수성을가짐에도불구하고지오텍스타일필터의설계에있어서정확한투수성기준은아직까지제시되지않고있다 ( 한국지반공학회저 1998). 현재국내외각종토목시공기술분야에서다양하게사용되어지고있는지오텍스타일은편리한배치높은투수성저비용적은환경오염등의이점을가지므로오늘날슬러지탈수처리에서필터로서충분한사용가치가있다. 다만지금까지제시되어온지오텍스타일의필터기준이현재까지도명확하게정립되지않았으며그나마기준또한적합하지않아실제시공현장에적용하기에많은어려움이있을뿐이다. 앞으로다양한많은실험과연구를통하여지오텍스타일필터설계에있어서신뢰할수있는기준의재확립과그영향인자들을정규화하는것이필요할것이며이를이용하여지오텍스타일필터를시공기술분야에서사용되어지는것이바람직할것으로생각된다. 참고문헌 1. 김상용 (2001), 산폐수슬러지성상평가방법의표준화개발, 한국생산기술연구원 2. 김태형, 정수정 (2006), 지오텍스타일튜브의탈수능력, 한국토목섬유학회봄학술발표회논문집 pp 신은철오영인이명호 (2002), 영진만지오텍스타일튜브의현장시공계측및수리모형시험을통한안정성분석, 한국지반공학회 2002 봅학술발표회논문집 pp 이성호조대섭 (2003), 도시하수슬러지의최적탈수조건에관한연구, 계명대학교낙동강환경원환경과학논집 5. 이정언 (2004), 하수슬러지의탈수율향상을위한열탈수연구, 대한환경공학회 6. 이중우편저 (2005), 준설및매립, pp 전한용정진희김흥관 (1998), 지오텍스타일의노출환경에대한안정성평가, 한국섬유공학회학술발표회논문집. 8. 한국지반공학회저 (1998), 토목섬유 pp Bogossian, Fl, Smith, R. T., Vertematti, J. C., and Yazb 다 O.(1982), Continuous Retaining Dikes by Means of Geotextiles,Proceedings, 2nd International Conference on Geotextiles, Vol. I, Las Vegas, pp Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

74 10. Delft Hydraulics Laboratory(1975), Artificial island in the Beaufort Sea: Stability of Shore Protection with Sand Sausages on a Circulat Island, Report, M1271 part V, May. 11. Gutman, A. L.(1979), Low-cost Shoreline Protection in Massachusetts, Coastal Structures '79, Vol. 1, ASCE, NY, pp John, N. W. M.(1987), Geotextiles Blackie & Son, Glasgow. 13. Perrier, H. (1986), Use of Soil-filled Synthetic Pillow for Erosion Protection, Proceedings, 3rd International Conference on Geotextiles, Vienna, pp Pilarczyk, K. W.(1995), Geotextile Systems for Coastal Protection-an Overview, Proceedings, 4th International Conference on Coastal and Port Engineering in Developing.Countries, Rio De Janeiro. 15. Silvester, R.(1990), Flexible Membrane Units for Breakwaters,Handbook of Coastal and Ocean Engneering, J. B. Herbich, ed.,vol. 1, Gulf, Houston, pp knt Vol 74 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

75 제 4 장토목섬유를활용한준설투기장제방축조설계사례 1. 서론 1.1 과업개요모래주머니와같은작은크기의지오텍스타일컨테인먼트 (Geotextile Containment) 는이미오래전부터임시토공구조물을축조하는데많이사용되어져왔으며, 선진외국에서는대규모지오텍스타일컨테인먼트가경제성, 시공의용이성, 특히환경에미치는영향을최소화할수있는장점으로각광받고있다. 특히항구주변을직접준설하여고함수비퇴적물및오염물질을지오텍스타일컨테인먼트에넣어매립에활용하는환경준설매립이많이활용되고있다. 최근우리나라를비롯하여해외많은지역에서기존항만을확장하거나공유수면에대한준설매립공사를통하여대형컨테이너부두, 산업단지, 공항, 신도시등을건설하고있는추세를감안할때, 시공이용이하고, 토공에비하여경제적인지오텍스타일컨테인먼트공법에대한체계적인연구개발과실용화연구가필요하다. 지오텍스타일컨테인먼트는크게지오텍스타일백형, 튜브형, 컨테이너형으로구분되며, 지오텍스타일내에토사를채워구조물을형성하며, 채움방법은펌핑에의한수리학적채움과기계적방법이현장여건에따라적용될수있다. 일반적으로지오텍스타일튜브는길이방향으로긴호스모양으로지오텍스타일을미리봉재하고일정간격의주입구에수리학적채움을수행하여구조물을축조하며, 지오텍스타일컨테이너는저개식바지에미리봉재한지오텍스타일을펼쳐놓은후, 토사를채운후최종현장봉합및계획구간에저개식바지를열어컨테이너를침강시키는방법으로구조물을축조한다. 본과업대상구조물은 "OO 컨테이너부두축조공사중준설토투기장 " 임시가둠식제방으로 Ave DL -1.53m ~DL +11.0m까지 6단의다단식튜브로제방구조물을축조하는것으로제안되었다. 따라서, 제안된토목섬유 (Geotextile) 를활용할준설투기장제방의안정성검토와설계고려사항에대한세밀한검토가요구된다. 다단식토목섬유튜브구조물을활용한준설투기장제방에대한안정성평가항목은토목섬유재료를선정하는내적설계고려사항검토, 토목섬유튜브단독구조물에대한안정성검토, 매립제방으로활용할경우외력에대한안정성검토로크게세가지부분으로구분할수있으며, 본과업에 75 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

76 서는설계시요구된상기내용에대하여세부검토를수행하였다. 1.2 과업의절차및범위본과업에서는궁극적으로과업대상구조물에대한효율적인검토를수행하여기본설계서작성에필요한제반자료를제공하고자한다. 토목섬유튜브구조물과관련된과업절차및범위는다음과같다. ⑴ 토목섬유튜브재질및펌핑압검토 1 검토방법 : GeoCoPS 프로그램 2 고려사항 토목섬유튜브구조물의형상 (Geometry) 수리학적시공방법 (Pumping Pressure) 채움재료조건 현장여건 ( 현장조위및수위조건 ) 토목섬유의재료특성 ( 부식, 찢김, 펀칭저항성, 자외선영향고려 ) ⑵ 토목섬유튜브구조물의안정성분석 1 토목섬유튜브단독구조물에대한안정성 파압에대한안정성 (Hydrodynamic stability) : 2차원한계평행해석 토압에대한안정성 ( 최초시공튜브 ) : 2차원한계평행해석 검토사항 : 활동, 전도, 지지력 2 준설투기장제방으로활용할경우외력에대한안정성검토 토압에대한안정성 : 활동, 전도 침하량검토 전체안정성평가 (Global Stability) - Seepage analysis - Slope Stability analysis 2. 검토조건 2.1 지반조건토목섬유튜브를활용한준설투기장제방구조물대상지역의보링주상도는그림 2.1에나타낸바와같다. 상부층에평균 16.5m 층후의모래질실트층이있으며, 0.9~1.5m 층후의풍화토, 풍화암의순의지충구성을보 76 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

77 였으며, 상부모래질실트층은표준관입시험 N 값은 3~4 회정도로아주 느슨, 연약한모래질실트층으로판단된다. 그림 2.1 대상지역보링주상도 2.2 해수조건본검토대상지역의해수조건은인근인천대교건설현장의해수조건자료를준용하여적용하였다. 조위자료조사결과최고조위는약 cm 이고최저고위는약-463.5cm로조사되었다. 조위는국립해양조사원의자료를이용하였으며표 2.1에나타낸바와같다. 또한, 본연구대상지역의설계파랑, 조류속, 풍속자료는각표 2.2에나타낸바와같다. 77 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

78 표 2.1 조위표 구 분 조위 (EL, cm) 약최고고조위 (Approx. H.H.W) 대조평균고조위 (H.W.O.S.T) 평균고조위 (H.W.O.M.T) 소조평균고조위 (H.W.O.N.T) 평균해면 (M.S.L) 소조평균저조위 (L.W.O.N.T) 평균저조위 (L.W.O.M.T) 대조평균저조위 (L.W.O.S.T) 약최저저조위 (Approx. L.L.W) (+) (+) (+) (+) (+) (-) (-) (-) (-) 표 2.2 설계파랑 재현기간 방향 파고 (m) 주기 (Sec) 풍속 (m/s) 비고 W 년 WSW SW W 년 WSW SW W 년 WSW SW 설계적용 WSW(10 년 ) 검토적용 WSW(100 년 ) 검토단면 GT 4.25 [ H2.1/ W5.6 ] GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 M. S. L. (+)4.635 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 Avg.DL.(-)1.53m GT 4.25 NO. 1 GT 4.25 NO. 1 그림 2.2 토목섬유튜브구조물을활용한준설투기장단면도 78 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

79 본검토대상구조물인토목섬유튜브구조물을활용한준설투기장단면도는다음그림 2.2에나타낸바와같으며토목섬유튜브가호안의마루높이는 DL +11.0m 이다. 가호안구조물은유효높이 2.1m의토목섬유튜브를 6단을양측에축조한후, 내측에모래혹은양질토를성토하여평균높이 12.53m, 저폭 33.6m의토목섬유튜브가호안축조한다. 2.4 기타검토조건상기기술한각각의검토조건외에도본토목섬유튜브구조물검토를위해서는다양한설계조건들이필요하다. 대표적인설계조건으로토목섬유과토사와의접촉마찰각 (Interface Friction Angle) 이있으며 ASTM D 5431에의거한방법을통하여각각의시료조건에따라도출하여야하나, 본검토에서는기존연구자료를바탕으로 20 로일괄적용하였다. 또한, 토목섬유튜브내에채움토사의단위중량은경험적방법에의하여, 슬러리시 1.2tonf/m 3, 침강시 1.5tonf/m 3, 시공완료후 1.8tonf/m 3 을적용하였다. 그외전체구조물의침투해석및사면안정해석을위한지반공학적물성값은기존보유자료, 주변현장의설계사례, 연구문헌등을포괄적으로검토하여적용하였다. 3. 토목섬유튜브의강도및펌핑압분석 3.1 해석방법본연구에서는토목섬유튜브의채움작업시발생되는인장강도와토목섬유튜브의단면변화, 펌핑압력등을분석하기위해 2차원평면해석을실시하였다. 2차원평면해석에는미국의 ADAMA Eng. 사에서 Leshchinsky and Leshchinsky의이론을바탕으로개발한 GeoCoPS(Version2.0) 를활용하였다. GeoCoPS는토목섬유튜브공법에대한 2차원평면변형해석프로그램이다. 해석과정에서토목섬유의강도감소계수를고려할수있으며, 해석방법은크게세가지로구분되어있다. 첫번째는토목섬유튜브의둘레와설계높이가주어질경우토목섬유의강도를계산하는방법, 두번째는토목섬유튜브의둘레와강도가주어질경우수리학적펌핑압력을계산하는방법, 마지막으로토목섬유의둘레와수리학적펌핑압력이주어질경우토목섬유브의형태와토목섬유의강도를계산하는방법이 79 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

80 있다. 토목섬유의강도감소계수는튜브의설계시고려할수있는안전계수로서, GeoCoPS에서사용하는안전계수는다음의네가지가사용된다. 시공시토목섬유의손상에의한계수, 토목섬유의내구성과크리프계수, 튜브봉재선의축방향및원주방향의봉압강도를고려한계수로구분되어사용되어진다. 본해석에사용된시공시토목섬유의손상에의한계수로서는일반적으로가장많이사용되는값인 1.3을사용하였고, 내구성과크리프계수는시공을위해채택될여러가지토목섬유과안전치를고려하여각각 2.0의값을사용하였다. 또한봉합선의축방향및원주방향의봉합강도계수로는각각 2.0을사용하였다. 본검토서에서는 Step1단계에서기하학적형태에서주어진토목섬유튜브의둘레와설계높이로부터토목섬유의강도를계산한다. 이때구해진인장강도와튜브의둘레를사용하여 Step2단계에는펌핑압력을계산한다. 수리학적펌핌압력은일차적으로채움토사를원거리로부터튜브내부로이송시키는압력을의미하며, 지오텍스타일내부의압력은수리학적펌핑으로인하여발생되는펌핑압력과정수압의합이다. GeoCoPS 해석프로그램을통하여도출되는펌핑압력은최종높이시공시조절된펌핑압력이며, 과다펌핑압력은토목섬유튜브봉합부분의파손을유발할수있다. 최종적으로이러한해석과정을통해도출된단면을이용하여구조물을설계하고, 시공단면을제시한다. 3.2 재료특성에따른설계변수분석재료특성에따른설계변수분석은토목섬유의극한강도가주어졌을때지오텍스타일튜브의형상을분석하는방법으로진행하였으며표 3.3은최대인장강도 100.0kN/m, 150.0kN/m가될때까지주입하였을때의값을나타내고있다. GT425의최대인장강도가 100.0kN/m인경우해수가없는상태에서시공직후 H=2.3m, 압밀후 1.9m로낮아졌으며최대폭은 5.4m로나타났다. 또한수위가높아짐에따라최대높이및최종높이는증가하고최대폭은감소하였다. GT425의최대인장강도가 150.0kN/m인경우해수가없는상태에서시공직후 H=2.6m, 압밀후 2.2m로낮아졌으며최대폭은 5.2m로나타났다. 또한수위가높아짐에따라최대높이및최종높이는증가하고최대폭은감소하였다. 펌핑압은수위가높아질수록값이높게나타났으나, 한계펌핑압 kpa이하로모두안전측으로해석되었다. 수위가높아짐에따라튜브의높이는높아지는반면접지면적은넓어지는 80 Mobile

81 값을나타내는데이는수위가높아짐에따라구속압이작용하여측면의 처짐은줄어드는반면아래로작용하는힘이더증가하기때문으로 판단된다. Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) (a) 재료특성에따른설계변수분석 (100kN/m) 그림 3.7 (a), (b) 는 GT 425 튜브의재료특성에따른설계인자해석및시공후침하거동해석결과를나타낸것이다. GT 425튜브의시공후침하량은 30~50cm의침하가발생하는것으로나타났으며, 침하의양상은장기간압밀에의한침하가발생하는것이아니라토목섬유튜브를채운 81 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

82 후, 모래의침강및간극수배제에따라즉각적으로발생되는침하량으로 판단된다. Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) Results Analysis Type A (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) (b) 재료특성에따른설계변수분석 (150kN/m) 그림 3.7 재료특성에따른설계변수분석 82 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr

83 표 3.3 재료특성에따른설계변수분석 튜브외부조건극한강도 (kn/m) 종류수위 ((m) 원호방방축방향 최대높이 (m) 최대폭 (m) 최종높이 (m) 펌핑압 (kpa) GT425 GT 형상조건에따른설계변수분석형상조건에따른설계변수분석은최대높이를주었을때이에요구되는지오튜브의인장강도를분석하였다. GT425의경우최대설계높이를 4.25m의 60% 인 2.5m로주었을때수위가없을때는원호방향으로 129.3kN/m, 축방향으로 91.2kN/m로나타났으며수위가 1.05m 일때원호방향으로 107.7kN/m, 축방향으로 76.4kN/m로나타났으며수위가 2.50m 일때원호방향으로 45.9kN/m, 축방향으로 32.3kN/m로나타났다. 이는최대극한강도 150kN/m의 30%~86.2% 임을알수있다. 최대높이는 2.58m, 최대폭은 5.3m, 접지면적은 9.3m2로수위가상승함에따라기하형상에는큰변화가없으며원호방향및축방향으로인장강도가감소함을알수있다. 따라서시공시 60% 의채움모래를적용할때외부수위에관계없이기하학적형상변화는미미하며이는안전한시공이가능함을보여주고있다. 또한수위상승시극한강도가작아지므로안전측이라하겠다. 따라서, 본검토대상튜브구조물을축조하기위한토목섬유인장강도는약 150kN/m가적정할것으로판단되면시공시펌팡압은 7kPa이하에서시공이가능한것으로도출되었다. 표 3.4는각각의튜브에 60% 모래를채웠을때의최대높이와침하후의높이를나타낸다. 표에서보는바와같이 GT425의경우 60% 채움시 2.5m 압밀후 2.1m까지낮아짐을확인할수있다. 그림 3.8은 GT425 튜브의형상조건에따른설계인자해석결과및시공후침하거동해석결과를나타낸것이다. 83 Mobile

84 표 3.4 형상조건에따른설계변수분석 튜브외부조건극한강도 (kn/m) 시공직후형상압밀후형상 종류수위 ((m) 원호방방축방향최대높이 (m) 최대폭 (m) 최종높이 (m) GT Results Analysis Type B (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=0.0m) Results Analysis Type B Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) (GT425, Height of outside fluid H=1.05m) Results Analysis Type B (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) Consolidated Shape (GT425, Height of outside fluid H=2.5m) 그림 3.8 형상조건에따른설계변수분석 84 Mobile lakeflo@geomarine.co.kr