교대 측방유동

왜 배우는가: 교대는 교량 하중을 지반에 전달하는 핵심 구조물이며, 연약지반 위의 교대는 배면 성토가 완성되면서 측방으로 밀려 말뚝과 교대에 변위를 일으킨다. 측방유동은 신축이음과 교좌 파손으로 이어져 교량 기능을 떨어뜨리므로, 원인·판정·대책을 묶어 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 2교시 3번, 제116회 2교시 2번, 제112회 2교시 3번, 제111회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

측방유동은 연약지반에 성토하중이 작용할 때 지반이 수평 방향으로 소성 유동하여 교대와 말뚝기초에 변위를 일으키는 현상이다.

답안 첫 줄에는 정의와 함께 교대가 연약지반 성토에 의해 수평으로 이동한다는 점을 함께 쓴다. 측방유동의 주체는 지반이고, 피해를 입는 대상은 교대와 말뚝기초다.

• 측방유동
• 연약지반
• 교대
• 측방유동압
• 말뚝기초
• 배면 성토
• 과잉간극수압
• 신축이음

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 무른 땅 위에 흙을 높이 쌓았을 때 그 흙 아래의 지반이 옆으로 밀려나는 현상이다. 교대는 다리의 끝을 받치는 구조물인데, 교대 뒤쪽에 흙을 쌓으면 아래 연약한 지반이 옆으로 밀려 교대가 앞으로 기울거나 밀린다.

정식으로는 연약지반에서 횡방향 응력이 균형을 잃어 수평 방향의 소성유동이 발생하는 현상을 말한다. 지반의 침하가 연직 방향 압밀 변형이라면, 측방유동은 수평 전단 변형이 함께 생기는 것이 특징이다. 이 수평 변형이 교대와 같은 구조물의 파괴 원인이 된다.

연약지반은 함수비가 높고 강도가 낮아 상부 구조물을 원상태로 지지하기 어려운 지반이다. 점성토, 유기질토, 느슨한 사질토가 대표적이다. 연약층의 두께에 비해 재하면적이 넓을수록 수평 방향 전단 변형이 커진다.

교대에서 측방유동은 두 가지 형태로 나타난다. 성토부에서는 지반이 솟아오르는 파괴(Heaving)가 생겨 지반 자체가 무너진다. 교대부에서는 교대가 이동하여 교좌 파손, 상판 변형, 신축이음 파손, 교대 배면 지반활동이 뒤따른다. 교대 이동은 교량 기능 상실로 직결된다.

말뚝기초 교대에서는 측방유동압이 핵심이다. 측방유동압은 교대 하부의 말뚝에 옆으로 작용하는 압력이며, 말뚝과 교대에 변위를 유발한다. 크기는 연약지반의 강도, 편 성토고, 토층 상태, 토압계수에 따라 달라진다. 측방유동압은 사면 불안정·과도한 압밀침하 가운데 어느 한 가지 하중 메커니즘에 따라 형태가 정해진다. 실제로는 두 하중이 함께 작용하는 경우가 많아 분포 형태가 복잡하다.

측방유동의 크기는 두 점 사이 상대 수평거리의 변화를 재는 방법과 경사각을 측정해 변위량으로 환산하는 방법으로 확인한다. 현장에서는 교대 전면과 배면에 경사계와 변위계를 설치하여 변위 추이를 관리한다.

3. 등장 배경과 필요성

국토 개발로 도로와 철도가 연약지반 지역을 지나게 되면서 교량 접속부에 높은 성토가 필요해졌다. 교대는 성토와 맞닿아 있어 배면 성토 하중을 직접 받는다. 교대 설치와 성토 시공이 같은 시기에 이루어지는 조건에서는 측방유동 검토가 필수가 되었다.

성토가 완료되면 상부 하중이 증가하고, 점성토에서는 과잉간극수압이 생겨 지반 강도가 일시적으로 떨어진다. 이후 압밀이 진행되면서 지반은 천천히 변형한다. 그래서 측방유동은 시공 중에만 나타나는 것이 아니라 완공 뒤에도 장기간 이어질 수 있다.