세포감금

Cellular confinement
알래스카 중남부의 실험용 오솔길에 설치된 세포감금 시스템
Wrangell-St에서 설치 후 목재 매트릭스. 알래스카의 엘리아스 공원
지오셀 재료
지오셀 봉투를 흙으로 채워 임시 방벽벽 만들기

셀룰러 구속 시스템(CCS, 일명 지세포)은 침식 제어, 평평한 지반 및 급경사지에서의 토양 안정화, 채널 보호, 하중 지지 및 접지 유지를 위한 구조 보강을 위한 건설에 널리 사용된다.[1] 대표적인 세포감금시스템은 초미세 용접 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 스트립이나 참신한 고분자 합금(NPA)으로 만든 지질신질(Geosynthetics)으로, 현장에서 팽창해 벌집모양 구조를 형성하고 모래, 흙, 바위, 자갈, 콘크리트 등으로 채워진다.[2][3]

세포감금사

세포감금시스템(CCS)의 연구개발은 1975년 미 육군 공병대에서 연약지반 위에 전술도로를 건설하는 방법을 고안하기 위해 시작됐다.[4] 기술자들은 모래 충돌 시스템이 기존의 찌그러진 석재 부분보다 더 좋은 성능을 보였으며, 습한 기후 조건에 의해 부정적인 영향을 받지 않고 부드러운 지면을 통한 도로 진입을 위한 편법적인 건설 기술을 제공할 수 있다는 것을 발견했다.[5][6] 미시시피주 빅스버그에 있는 미 육군 공병대(1981)는 플라스틱 파이프 매트부터 슬롯형 알루미늄 시트, 모래 그리드라고 불리는 조립식 고분자 시스템, 그리고 그 다음 세포 감금 시스템까지 수많은 구속 시스템을 실험했다. 오늘날 셀룰러 구속 시스템은 일반적으로 너비를 따라 간격을 두고 50~200mm 폭의 스트립으로 제작된다. CCS는 접혀져 축소된 구성으로 작업 현장으로 운송된다.[citation needed]

Presto Products Company에 의한 세포감금 시스템의 민간 상용화를 위한 노력이 Geoweb®[7]으로 이어졌다. 이 셀룰러 구속 시스템은 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 만들어졌으며, 비교적 튼튼하고 경량적이며[8], 지반합성 압출 제조에 적합하다. 셀룰러 구속 시스템은 1980년대 초 미국과 캐나다에서 하중 지지, 경사 침식 제어, 채널 라이닝 및 접지 유지 애플리케이션에 사용되었다.[9][10][11][12]

리서치

초기 연구(배서스트와 재럿, 1988년)[13]이 휴대 감금 자갈 기반은"unreinforced 자갈 기지의 약 두배 두께로 등가"고 geocells 한장 강화 계획(geotextiles과 geogrids)보다 보다 아래 측면을 이용한 충전재의 만연을 줄이는데 효과적이었다 연기해 강화를 발견했다.사상충기존의 강화 베이스보다 딩딩. 그러나 리처드슨(2004) 미국 공병대 CCS 빅스버그 시설에 현장 근무한 그는 25년 뒤 "지질신호작용 전국 및 국제회의에 지오셀에 관한 연구 논문이 거의 없다"[14]고 한탄한다.

유우 외 연구진(2008)이 이용 가능한 연구 문헌을 종합적으로 검토한 결과, 포장도로의 베이스 보강, 특히 철도에 CCS 기술의 활용이 제한되었으며, 이는 설계 방법의 부재, 이전 20년 동안의 선진 연구 부족, 보강 메커니즘에 대한 이해의 한계 등으로 인해 가능했다.[15] 이후 지세포 시스템에 대한 연구 논문이 백 건 이상 발표됐다. 구속 보강의 메커니즘과 영향 요인을 이해하고, 도로 성능 향상에 대한 효과성을 평가하고, 도로 적용에 대한 설계 방법을 개발하기 위해 도로 적용을 위한 CCS 보강에 대한 광범위한 연구가 수행되었다(Han, et al. 2011).[16]

헤지(2017년)는 지반보강 및 기반시설 프로젝트에서 지세포의 사용 증가가 입증된 최신 지오셀 연구, 현장 시험, 미술 지식의 상태, 향후 연구 방향의 동향 및 범위에 대한 종합적인 조사와 검토를 제시한다.[17] 한 교수(2013년)는 캔자스 대학교에서 시행된 종합 연구 결과, 고정 및 주기판 하중 시험, 풀스케일 이동 바퀴 시험, 서로 다른 인필 재료의 지오셀 보강 베이스 코스에 대한 수치 모델링 등을 요약하고, 영구적, 탄력적, c에 관한 연구의 주요 연구 결과를 논한다.리프 변형, 강성, 지지력 및 응력 분포 및 지오셀-변형 베이스의 설계 방법 개발. 이러한 연구는 NAP(New Polymeric Alloy) 지세포로 보강된 베이스 코스가 하위 등급과 베이스 코스의 인터페이스에서 수직 응력을 감소시키고 영구 변형과 크리프 변형을 감소시키며 베이스 코스의 탄성 변형, 강성 및 베어링 용량을 증가시켰다는 것을 보여주었다.[18] 추가 문헌 검토는 키프 외 연구진(2013)과 마르토(2013)에서 확인할 수 있다. [20]

세포감금기술의 최근 혁신

포장 층의 강도와 강성은 고속도로 포장 성능을 결정하는 반면, 골재 사용은 설치 기간에 영향을 미치기 때문에 골재 사용량이 적은 신소재를 사용하여 포장 품질을 개선할 수 있는 대안이 필요하다(Rajagopal et al 2012).[21] 지세포는 도로, 철도 및 이와 유사한 용도의 정적 및 이동 휠 하중을 지원하기 위한 세밀한 토양의 적절한 지반합성 강화로 인정받고 있다. 그러나 지세포의 강성은 지세포 보강의 주요 영향요인으로 확인되었고, 따라서 전체 포장구조물의 강성이 확인되었다.[21][22]

실험실 플레이트 하중 시험, 전면 이동 휠 시험, 현장 시연을 통해 지세포 보강 베이스의 성능은 지세포의 탄성 계수에 따라 결정된다는 것을 알 수 있었다. 탄성계수가 높은 지오셀은 보강기반의 지지력과 강성이 높았다. NPA Geocells는 HDPE로 만들어진 Geocells에 비해 궁극적인 지지력, 강성 및 보강에서 더 높은 결과를 보였다.[23] NPA 지셀은 특히 높은 온도에서 더 나은 크리프 저항과 더 나은 강직성 및 크리프 저항성을 보였으며, 플레이트 하중 시험, 수치 모델링 및 실물 크기 밀매 시험에 의해 검증되었다.[16][24]

애플리케이션 대 장기 성능 비교

CCS는 전세계 수천 개의 프로젝트에 성공적으로 설치되었다. 그러나 경사와 채널 애플리케이션과 같은 저부하 애플리케이션과 고속도로, 철도, 항만, 공항 및 플랫폼의 기본 계층에서와 같은 새로운 중용 인프라 애플리케이션을 구별할 의무가 있다. CCS의 모든 중합체 물질은 로딩 중에 시간이 지남에 따라 기웃거리겠지만, 문제는 영구적인 저하가 얼마나 발생할 것인가, 어떤 조건에서 성능에 미치는 영향, 그리고 이것이 실패로 이어질 것인가 하는 것이다.[citation needed]

예를 들어, 경사 보호 애플리케이션에서 CCS의 수명은 식물성 성장과 뿌리 연동 작용이 토양 안정화에 도움이 되기 때문에 덜 중요하다. 이것은 사실상 CCS에서의 장기적 구속손실을 보상한다. 마찬가지로, 과부하 대상이 아닌 저용량 도로의 하중 지지 애플리케이션은 일반적으로 설계 수명이 짧기 때문에 약간의 성능 상실은 견딜 수 있다. 그러나, 고속도로 포장, 철도 및 플랫폼의 구조적 층 강화와 같은 중요한 기반구조 애플리케이션에서는 장기적인 치수 안정성이 중요하다. 지세포의 부피 면적이 크게 변하지 않는 한(>2-3%) 압축과 성능이 유지되고 정착도 마찬가지로 미미하다. 무거운 하중 하에서 그러한 포장지에 필요한 설계 수명은 일반적으로 20-25년으로, 검증 가능한 장기 내구성이 요구된다.[citation needed]

CCS 표준 개발

지오셀에 대한 시험 표준은 거의 없었고 디자인에 사용하기 위한 시험 표준은 적었다. CCS에 대한 테스트 표준은 40여 년 전에 개발된 반면, 다른 테스트 방법은 2D 평면 지리 합성 물질에서 진화했다. 이는 CCS의 3D 기하학의 복합적 거동을 반영하지 않으며, 동적 탄성 강성, 영구적인 소성 변형 및 산화 저항과 같은 장기 매개변수를 시험하지도 않는다. 그러나, 우주 산업과 자동차 산업에서 폴리머를 테스트하기 위한 ISO/ASTM 절차뿐만 아니라 다른 지리합성 제품도 개발되었다. 이러한 CCS에 대한 새로운 표준은 ASTM 기술 위원회 D-35의 지구 합성 공학 분야의 선도적인 전문가들에 의해 제안되고 논의 중에 있다. 명시된 목표는 일반적으로 오늘날 사용되는 개별 스트립과 버진 재료에 대한 실험실 테스트보다는 현장에서 3D 셀룰러 구속 시스템 기하학 및 재료 성능을 보다 정확하게 반영하는 새로운 산업 표준을 설정하는 것이다.[citation needed]

최근 네덜란드에서 도로에서의 보강 지질 합성 물질의 사용에 대한 표준이 개발되었다.[25] 이 표준은 지오그리드 응용 프로그램, 지지 메커니즘 및 설계 원칙을 다룬다. 또한 지오셀 재료 속성(긴장성 및 크리프 저항성)의 중요성과 그것들이 장기 보강 인자에 어떤 영향을 미치는지 강조한다. 도로 애플리케이션에서 지오셀을 사용하기 위한 추가 지침은 현재 ISO 및 ASTM 조직에서 개발 중에 있으나 아직 발표되지 않았다.[26]

작동 방식

압축된 토양을 주입할 때 셀룰러 구속 시스템은 강화된 기계적 및 지질학적 특성을 가진 새로운 복합체를 생성한다. 하중 지지대 적용의 경우처럼 CCS에 포함된 토양이 압력을 받을 때 주변 세포벽에 횡방향 응력을 유발한다. 3D 구속 구역은 포함된 인필에 수직 하중이 가해지는 동안 토양 입자의 횡방향 이동을 감소시키며, 셀-토양 인터페이스에 높은 횡방향 응력과 저항을 초래한다. 이는 밀폐된 토양의 전단 강도를 증가시키며, 이는 다음과 같다.

  • 뻣뻣한 매트리스 또는 슬래브를 제작하여 하중을 더 넓은 영역으로 분산
  • 부드러운 토양의 펀칭 감소
  • 전단 저항 및 지지력 향상
  • 변형 감소

인접 셀로부터의 구속은 수동 저항을 통해 로드된 셀에 대한 추가적인 저항을 제공하는 반면 인필의 측면 팽창은 높은 후프 강도에 의해 제한된다. 압축은 구속에 의해 유지되어 장기간 보강이 이루어진다.

현장에서 지오셀 부분은 함께 고정되어 아코디언처럼 열린 아코디언처럼 외부 들것 조립체와 함께 아코디언처럼 열린 아코디언 방식으로 지지되며, 하위 지표면이나 지오텍스틸 필터에 직접 배치된다. 이 구간은 수십 미터 면적으로 확장되며, 구간과 셀 크기에 따라 수백 개의 개별 셀로 구성된다. 그런 다음 그것들은 토양, 모래, 골재 또는 재활용 물질과 같은 다양한 인필 재료로 채워지고 진동 압축기를 사용하여 압축된다. 표면 층은 아스팔트 또는 결합되지 않은 자갈 재질로 되어 있다.

적용들

도로부하지원

셀룰러 구속 시스템(CCS)은 포장 도로와 비포장 도로의 성능을 향상시키기 위해 2등급 베이스 인터페이스 또는 베이스 코스 내에서 토양을 보강하여 사용되어 왔다. CCS의 효과적인 하중 분포는 강하고 단단한 셀룰러 매트리스를 만든다. 이 3D 매트리스를 통해 수직 차등 침전물을 부드러운 서브그래드로 줄이고 전단 강도를 향상시키며 내하력을 향상시키는 동시에 도로의 사용 수명을 연장하는 데 필요한 골재 물질의 양을 줄인다. 복합 시스템으로서, 세포 감금은 골재 인필을 강화하여, 동시에 인필에 대한 등급이 낮은 열등 재료(예: 지방 토질, 채석장 폐기물 또는 재활용 재료)를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 구조적 지지층 두께를 줄일 수 있다. 대표적인 하중 지지 애플리케이션에는 아스팔트 포장, 비포장 접근, 서비스 및 운반 도로, 군사 도로, 철도 하부 구조 및 밸러스트 구속, 상호 항구의 작업 플랫폼, 공항 활주로 및 에이프런, 투과성 포장, 파이프라인 도로 지원을 포함하는 유연한 포장 내 기층 및 서브베이스 층 강화가 포함된다. 녹색 주차 시설과 비상 접근 구역

급경사지 및 채널 보호

앵커링 기법과 함께 CCS의 3차원 횡방향 구속은 식물성 표토, 골재 또는 콘크리트 표면화(심각한 기계적 및 유압에 노출된 경우)를 사용하여 경사면의 장기적인 안정성을 보장한다. CCS의 강화된 배수, 마찰력 및 세포-토양-식물 상호작용은 하향 이동을 방지하고 빗방울, 채널링 및 유압 전단 응력의 영향을 제한한다. 3D 세포의 천공은 물, 영양소, 토양 생물의 통행을 가능하게 한다. 이를 통해 식물의 성장과 뿌리간 연동을 촉진시켜 경사와 토질량을 더욱 안정시키고 경관재활을 용이하게 한다. 대표적인 적용 분야로는 공사 절단 및 매립 경사지와 안정화, 도로 및 레일 제방, 파이프라인 안정화 및 저장시설 버림, 채석장과 광산 부지 복원, 수로 및 해안선 구조물 등이 있다. 그것들은 기초 질량 또는 면으로 만들어질 수 있다.

접지 유지

주요 기사: 기계적으로 안정된 지구

CCS는 가파른 면, 벽, 불규칙한 지형을 위해 기계적으로 안정된 가파른 수직 구조(중력 또는 보강된 벽)를 제공한다. 각 층이 구조적으로 건전하여 장비와 작업자에게 접근성을 제공하는 동시에 콘크리트 거푸집과 양생에 대한 필요성을 없애기 때문에 CCS 접지 유지의 건설이 단순화된다. 국부 토양은 적절하고 미세한 경우 인필에 사용할 수 있으며, 외부 표면은 상토를 이용하여 수평 테라스/줄기의 녹색 또는 황갈색 페시아를 가능하게 한다. 벽은 라이닝 채널에도 사용할 수 있으며 흐름이 높은 경우 외부 세포에 콘크리트 또는 시멘트 슬러리 인필이 있어야 한다. CCS는 대형 면적 바닥재, 옹벽 스트립 바닥재, 파이프라인을 통한 커버 하중 공유 및 기타 지질학적 용도에 대한 연약하거나 고르지 않은 토양 기초 보강에 사용되어 왔다.

저수지 및 매립지

CCS는 비슬립 보호와 액체와 폐기물의 내구성 강화를 위해 안정적인 토양, 버림 및 경사면을 조성하는 동시에 멤브레인 라이너 보호를 제공한다. 인필 치료는 포함된 재료에 따라 달라진다: 연못과 저수지를 위한 콘크리트, 매립지 배수 및 침출수를 위한 자갈, 조경 재활을 위한 식물성 인필. 콘크리트 작업은 CCS가 기성 형태로서 기능하기 때문에 효율적이고 통제된다. 콘크리트를 가진 CCS는 경미한 하위 등급 이동을 수용하고 균열을 방지하는 유연한 슬래브를 형성한다. 중·저유량에서는 지엠브레인과 자갈덮개를 갖춘 CCS를 이용해 불침투 채널을 만들 수 있어 콘크리트가 필요 없다.

지속가능한 건설

CCS는 토목 인프라 프로젝트의 지속가능성을 높이는 녹색 솔루션이다. 하중 지지 애플리케이션에서는 토양을 보강하는 데 필요한 인필의 양과 종류를 줄임으로써 운반 및 토사 이동 장비의 사용을 줄인다. 이는 결과적으로 연료 사용, 오염 및 탄소 배출량을 감소시키는 동시에 먼지, 침식 및 유출로 인한 현장 혼란을 최소화한다. 비탈면 용도에 사용할 경우, 구멍이 뚫린 CCS는 식물을 위한 우수한 토양 보호, 배수 및 성장 층을 제공한다. 첨단 CCS 기술의 장기 설계 수명은 장기적인 경제적 비용처럼 유지 보수와 관련 환경 비용이 크게 감소하는 것을 의미한다.[citation needed]

추가내역

  • CCS 스트립 폭, 즉 현장 높이는 50~300mm의 다양한 크기로 나온다.
  • CCS 벽은 대개 변위로부터 인필 토양의 마찰저항을 증가시키기 위해 질감 또는 구조화된 폴리머 시트로 만들어진다.
  • CCS는 HDPE, NPA, 저밀도 폴리에틸렌, 부직포 열접착형 지오텍스틸로 만들어졌다.
  • CCS 벽은 일반적으로 한 셀에서 다른 셀로 배수될 수 있도록 천공된다.
  • 급경사면에서는 CCS가 시스템의 하향 슬라이딩에 저항하기 위해 중심부를 통해 경사면 위로 확장되고 콘크리트 plint 또는 내부에 고정되는 힘줄이나 케이블을 가질 수 있다.
  • 길고 넓은 경사지에서 CCS를 다시 채우는 것은 상당히 노동 집약적이다. 공압식 모래슬링거 또는 석재슬링거로 불리는 건설장비가 유리하게 사용되어 왔다.

참고 항목

참조

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