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목 차
요 약 문 14
제 1 장 서 론 17
1.1 연구배경 및 목적 17
1.2 연구범위 및 연구방법 19
제 2 장 세굴심 산정공식의 평가 21
2.1 서론 21
2.2 설계유량 22
2.3 총세굴심 22
2.3.1 장기 하상변동 22
2.3.2 수축세굴 (contraction scour) 24
2.3.3 교각에서의 국부세굴 27
2.4 세굴 예측기법 정립 28
2.4.1 균일단면교각 29
2.4.2 불균일단면교각 42
2.4.3 상이한 형태의 등가폭 45
2.5 지각물질의 세굴 46
2.5.1 침식 이론 46
2.5.2 침식 해석 54
2.6 국부세굴심 판정 64
2.6.1 하상하부층이 침식성 물질인 경우 64
2.6.2 계산된 세굴심에 해당하는 지층이 풍화암인 경우 65
2.6.3 하상 하부층에 암반이 존재하는 경우 66
2.6.4 총 세굴심 산정 67
2.7 기초형상에 따른 세굴심 계산 68
2.8 세굴심 계산예 70
2.8.1 예제1. 교각의 수축세굴과 국부세굴 70
2.8.2 예제2. 말뚝기초를 갖는 교각의 국부세굴 72
2.9 세굴심 산정 프로그램 73
제 3 장 수리량 산정 프로그램 75
3.1 서론 75
3.2 설계 유량의 결정 75
3.2.1 자료수집 75
3.3 확률 강우량 산정 76
3.3.1 프로그램 개요 76
3.3.2 예제파일 작성 및 계산 결과 출력 77
3.4 유출량 계산 82
3.4.1 Clark의 유역추적법 82
3.4.2 Nakayasu 방법 89
3.4.3 Kajiyama 방법 92
3.5 SMS (Surface water Modeling System) 94
3.5.1 SMS의 구성 94
3.5.2 유한요소망의 구성 98
3.5.3 지형파일의 작성 101
3.5.4 경계조건 102
3.5.5 RMA-2에 의한 수리학적 모의 105
3.5.6 결과의 후처리 106
제 4 장 세굴 측정 107
4.1 대상 교각 현황 107
4.1.1 교량 개요 107
4.1.2 하상 조건 108
4.1.3 세굴 조건 108
4.1.4 세굴대책공 시공 : P7교각 - 2000.3.8∼3.10 108
4.1.5 세굴방지용 사석채움 108
4.1.6 세굴보호공 부설규모 결정 109
4.2 현장 측정 111
4.2.1 6번 교각 111
4.2.2 7번 교각 113
제 5 장 세굴보호공 115
5.1 서론 115
5.2 세굴방지기법 117
5.2.1 하상장갑화방법 117
5.2.2 흐름변화방법 117
5.3 세굴보호공크기 산정식 117
5.3.1 사석보호공 117
5.3.2 인공사석-Toskane 124
5.3.3 돌망태 125
5.3.4 흐름변화 보호공 131
5.4 보호공 설계 134
5.4.1 신설교량 134
5.4.2 기존교량 136
제 6 장 돌망태 세굴 보호공 시험시공 138
6.1 설계조건 138
6.2 사석보호공 139
6.3 돌망태 보호공 설계식 141
6.4 돌망태 보호공 설계 141
6.4.1 돌망태 사석채움재 물량산출 143
6.5 신림3교 돌망태 설치도 144
제 7 장 돌망태 보호공 실험 147
7.1 서론 147
7.2 돌망태 보호공 실험 147
7.2.1 실험의 목적과 내용 147
7.2.2 실험장치 147
7.2.3 차원해석 150
7.2.4 실험방법과 돌망태 파괴양상 150
7.3 돌망태시동에 대한 변수들의 영향 평가 155
7.3.1 교각크기의 영향 156
7.3.2 돌망태의 길이/두께비(L/t)의 영향 157
7.3.3 수심의 영향 159
7.3.4 부설범위의 영향 162
7.3.5 부설깊이(Y)의 영향 163
7.4 돌망태 크기 설계식 164
7.5 결론 165
제 8 장 토목섬유대를 이용한 세굴방호공 167
8.1 개발 배경 및 과정 167
8.2 공법의 특성 168
8.2.1 시공 개요 168
8.2.2 재료 특성 168
8.2.3 형상의 특성 169
8.3 시험시공 170
8.3.1 시험시공 개요 170
8.3.2 시험시공 결과 171
8.4 수리모형 실험 172
8.4.1 실험의 개요 172
8.4.2 상사법칙 172
8.4.3 모형제작 및 제원 175
8.4.4 실험 수행 177
8.4.5 실험 결과 분석 185
8.5 결론 186
제 9 장 결 론 187
참 고 문 헌 189
도 서 정 보 191
표 2.1. 지수 k1의 값 26
표 2.2 기존 세굴심 공식(Melville과 Coleman, 1999) 28
표 2.3 교각형상 보정계수, K1 30
표 2.4 흐름입사각에 대한 보정계수, K2 31
표 2.5 바닥물질에 대한 보정계수, K3 31
표 2.6 하상조건에 대한 보정계수, K4 31
표 2.7 John son의 안전율에 대한 계산세굴심의 오차 발생율 35
표 2.8 측정세굴심에 대한 계산 세굴심의 분산 44
표 2.9 형태별 계수 46
표 2.10 사질토의 물질강도수 48
표 2.11 점성토의 물질강도수 49
표 2.12 암석의 물질강도수 49
표 2.13 암편의 물질강도수 50
표 2.14 절리군 수(Joint set number,Jn) 50
표 2.15 절리조도수(Joint roughness number,Jr) 51
표 2.16 절리 변질수(Joint alteration number,Ja) 51
표 2.17 상대적인 지표구조수(Relative ground structure number)(Js) 52
표 2.18 암반의 Ms 값 57
표 2.19 Jn 값의 비교 58
표 2.20 Relative ground structure number(Js) 62
표 2.21 암석에 따른 침식지수 값 63
표 2.22 암반에 따른 소요소류동력 63
표 2.23 세굴여부판정 기준표 64
표 3.1 RMA -2모형의 각 부 프로그램의 기능 100
표 3.2 대표적인 난류교환계수 104
표 3.3 Manning의 n값 104
표 4.1 교각별 세굴방지공 규모 109
표 4.2 세굴보호공 부설규모 결정 110
표 5.1 1995년 미국에서 조사된 세굴보호공 116
표 5.2 사석부설범위와 두께 122
표 5.3 네모구멍이 수면가까이 설치된 경우 세굴심감소(Chiew , 1992) 132
표 5.4 Iowa vanes에 의한 세굴감소(Melville, 1999) 134
표 6.1 돌망태 세굴보호공 설계(신림3교) 142
표 7.1 사용된 돌망태의 재원 149
표 7.2 교각폭에 따른 한계유속의 변화 157
표 7.3 돌망태 길이/ 두께비에 따른 한계유속의 변화 158
표 7.4 접근수심에 따른 한계유속의 변화 160
표 7.5 부설폭과 부설깊이에 따른 한계유속의 변화 161
표 7.6 부설폭에 따른 한계유속의 변화율 162
표 7.7 부설깊이에 따른 한계유속의 변화 163
표 8.1 토목섬유대 재료 특성 169
표 8.2 주입재료의 특성 169
표 8.3 모형에 적용된 축척 175
표 8.4 모형과 원형에 대한 제량의 비 175
표 8.5 실험장치의 제원 177
표 8.6 매트와 흐름이 이루는 각도에 따른 매트 거동점 분포 181
표 8.7 흐름방향과 평행한 매트 양쪽 측면에 튜블러 설치시 (T=20cm) 183
표 8.8 매트만 설치시 (T=20cm) 183
표 8.9 흐름방향과 평행한 매트 양쪽 측면에 튜블러 설치시 (T=30cm) 184
표 8.10 매트만 설치시 (T=30cm) 184
표 8.11 모형과 원형의 유속결과 비교 (T=20cm) 185
표 8.12 모형과 원형의 유속결과 비교 (T=30cm) 186
사진 1.1 고읍교 (경남 산청군) 17
사진 1.2 원당교 (전북 완주군) 17
사진 1.3 신기교 (경남 거창군) 18
사진 1.4 성심교 (경남 산청군) 18
사진 1.5 단성교 (경남 산청군) 18
그림 2.1 평균직경과 침강속도의 관계 26
그림 2.2 국부세굴 양상 27
그림 2.3 현장자료를 이용한 세굴심 공식의 비교 29
그림 2.4 일반적인 교각의 형태 30
그림 2.5 하상입자가 세굴심에 미치는 영향 32
그림 2.6 수심이 세굴심에 미치는 영향 32
그림 2.7 유속(흐름강도)이 세굴심에 미치는 영향 33
그림 2.8 유입각에 따른 국부세굴심의 변화 34
그림 2.9 Johnson의 비교결과 도시 37
그림 2.10 Johnson결과의 재분석 38
그림 2.11 이동상 자료를 이용한 CSU 39
그림 2.12 이동상 자료를 이용한 Melville & Sutherland 39
그림 2.13 이동상 자료를 이용한 Laursen & Toch 40
그림 2.14 이동상 자료를 이용한 Shen 40
그림 2.15 이동상 자료를 이용한 J ain 계산세굴심과 측정세굴심의 비교 41
그림 2.16 불균일단면교각에 대한 유속분포와 평균유속 42
그림 2.17 세굴공식에 대한 불균일대표단면 분산 44
그림 2.18 불균일 단면 교각에 대한 국부세굴 산정방법 46
그림 2.19 침식의 개념적인 모형 47
그림 2.20 압력변동 크기와 에너지소산율의 관계 48
그림 2.21 암 및 여러 가지 지반물질에 대한 침식시동 53
그림 2.22 stream power에 따른 세굴심의 변화 54
그림 2.23 지질층 자료 56
그림 2.24 RQD 판정치 58
그림 2.25 Jn의 터널자료 58
그림 2.26 Jr 59
그림 2.27 Ja 59
그림 2.28 Q-System에서 사용되는 Ja 60
그림 2.29 침식성 지수에서 사용되는 Ja 60
그림 2.30 암석의 경사와 경사방향 61
그림 2.31 절리 간격비 61
그림 2.32 침식성 물질에 대한 판정 세굴심 65
그림 2.33 풍화암 또는 침식가능성 지층에 대한 판정 세굴심 66
그림 2.34 암반에 대한 판정 세굴심 67
그림 2.35 총세굴심 예시 67
그림 2.36 불균일단면교각의 예시 68
그림 2.37 기초상단 높이에 따른 국부세굴심 69
그림 2.38 하천자료의 입력창 73
그림 2.39 교각자료의 입력창 74
그림 3.1 수리특성치 계산 흐름도 95
그림 3.2 RMA -2모형의 Flow Chart 99
그림 3.3 (a) 선형삼각형, (b) 2차삼각형, 100
그림 3.4 지형파일의 예 102
그림 3.5 경계조건파일의 예 105
그림 3.6 수리학적 모의를 위한 흐름도 105
그림 4.1 강동대교 단면자료 107
그림 4.2 우물통 기초 세굴보호공 상세도 108
그림 4.3 단면도 111
그림 4.4 정면도 111
그림 4.5 측면도 111
그림 4.6 사석채움 세굴보호공 시공도 112
그림 4.7 제방 주변 교각(P6)에서의 하상변화 112
그림 4.8 단면도 113
그림 4.9 정면도 113
그림 4.10 측면도 113
그림 4.11 사석채움 세굴보호공 시공도 114
그림 4.12 하천 중앙 교각(P7)에서의 하상변화 114
그림 5.1 사석보호공 산정식 비교(Melville, 1999) 121
그림 5.2 교각주위 사석보호공 부설 123
그림 5.3 돌망태 보호공 설치 개략도 124
그림 5.4 CSU Toskane 124
그림 5.5 동일한 크기의 돌망태에 직경이 다른 사석재료가 사용된 경우 125
그림 5.6 돌망태의 종류 126
그림 5.7 흐름방향에 길이방향으로 배열했을 경우 파괴전 형상 127
그림 5.8 흐름방향에 길이방향으로 배열했을 경우 파괴후 형상 127
그림 5.9 흐름방향에 수직방향으로 배열했을 경우 파괴전 형상 128
그림 5.10 흐름방향에 수직방향으로 배열했을 경우 파괴후 형상 128
그림 5.11 돌망태 길이/ 두께 비와 한계유속과의 관계 129
그림 5.12 부설깊이와 한계유속의 관계 130
그림 5.13 부설폭에 따른 한계유속의 증가율 130
그림 5.14 원환을 이용한 교각 세굴심 감소(Melville, 1999) 131
그림 5.15 네모구멍이 있는 교량교각 132
그림 5.16 세굴보호공으로서의 희생말뚝의 효과(괄호안은 사각형교각 ) (Melville, 1999) 133
그림 5.17 세굴보호공으로서 Iowa Vanes의 이용 133
그림 5.18 예상세굴심이 암반보다 깊은 경우 134
그림 5.19 예상세굴심이 암반에 이르지 않은 경우 135
그림 5.20 예상세굴심에 해당하는 지층이 풍화암인 경우 135
그림 6.1 신림3교 위치도 139
그림 6.2 신림3교 횡단면도 139
그림 6.3 사석집적체의 일체거동 142
그림 6.4 동일 사석과 돌망태의 한계유속 비교 143
그림 6.5 시공평면도 144
그림 6.6 A - A 단면 144
그림 6.7 B - B 단면 144
그림 6.8 하상면 정리 145
그림 6.9 돌망태 설치 145
그림 6.10 연결철선 작업 145
그림 6.11 돌망태 설치 완료 145
그림 6.12 원 하상과 같은 높이로 146
그림 6.13 표지판 설치 146
그림 7.1 사석 집적체의 일체거동 147
그림 7.2 모형수로의 개략도 148
그림 7.3 돌망태 보호공 설치 개략도 148
그림 7.4 실험에 사용된 돌망태 149
그림 7.5 파괴 전 형상 151
그림 7.6 파괴 후 형상 151
그림 7.7 파괴 전 형상 152
그림 7.8 파괴 후 형상 152
그림 7.9 파괴 전 형상 152
그림 7.10 파괴 후 형상 152
그림 7.11 파괴 전 형상 153
그림 7.12 파괴 후 형상 153
그림 7.13 파괴 전 형상 153
그림 7.14 파괴 후 형상 153
그림 7.15 파괴 전 형상 154
그림 7.16 파괴 후 형상 154
그림 7.17 흐름방향에 길이방향으로 배열했을 경우 파괴전 형상 155
그림 7.18 흐름방향에 길이방향으로 배열했을 경우 파괴후 형상 155
그림 7.19 흐름방향에 수직방향으로 배열했을 경우 파괴전 형상 155
그림 7.20 흐름방향에 수직방향으로 배열했을 경우 파괴후 형상 155
그림 7.21 교각폭에 따른 한계유속의 변화 156
그림 7.22 돌망태 길이/ 두께비에 따른 한계유속의 변화 158
그림 7.23 접근수심에 따른 한계유속의 변화 159
그림 7.24 부설폭에 따른 한계유속의 변화 162
그림 7.25 돌망태 부설깊이와 한계유속의 관계 163
그림 7.26 Fr에 따른 Ldv/ tb의 관계곡선 164
그림 7.27 부설폭(C=4b, 5b)에 따른 dv값 차이 165
그림 8.1 교각 주변에서 발생하는 국부세굴 모식도 167
그림 8.2. 토목섬유대 세굴보호공 모식도 및 시공 후 매트형상 168
그림 8.3 섬유대에 주입한 콘크리트 시료의 양생기간별 압축강도 169
그림 8.4 세굴방호공법별 세굴정도 실험 연구결과(1993, F otherby) 170
그림 8.5 양압력 소산 및 토사유출 방지를 위한 filter point 170
그림 8.6 시험시공 대상교량 토목섬유대 설치도 171
사진 8.1 홍수 후 국부세굴이 발생하지 않은 보호공(a)과 교각 사이의 부착 모습(b) 172
사진 8.2 제작된 매트모형 176
사진 8.3 제작된 교각모형 176
사진 8.4 개수로 측정장치 177
사진 8.5 3차원 유속계 177
사진 8.6 매트설치 모습 178
그림 8.7 각도 0°에서의 매트 거동점 분포 (T=20cm) 179
그림 8.8 각도 15°에서의 매트 거동점 분포 (T=20cm) 179
그림 8.9 각도 30°에서의 매트 거동점 분포 (T=20cm) 179
그림 8.10 각도 45°에서의 매트 거동점분포 (T=20cm) 180
그림 8.11 각도 0°에서의 매트 거동점분포 (T=30cm) 180
그림 8.12 각도 15°에서의 매트 거동점분포 (T=30cm) 180
그림 8.13 각도 30°에서의 매트 거동점분포 (T=30cm) 181
그림 8.14 각도 45°에서의 매트 거동점 분포 (T=30cm) 181
사진 8.7 흐름과 평행한 측면에만 튜블러를 설치한 경우 182
사진 8.8 튜블러를 설치하지 않은 경우 182
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