모래다짐말뚝(SCP : sand compaction piles)공법은 느슨한 사질토지반의 개량이나 연약 점토지반의 압밀을 촉진, 지지력을 강화시켜 지반을 개량할 목적으로 사용되는 공법으로, 그 효과가 뛰어나 널리 사용되어지고 있는 개량공법 중 하나이다. 그러나 국내에서 이 개량공법은 현장조건 및 하중상태와는 관계없이 대부분 치환율 70%이상의 고치환율 조건으로 설계되고 있으며, 해석도 등변형률 상태에 기초를 둔 방법이 주류를 이루고 있다. 이에 앞으로 다가올 모래자원의 부족 및 설계·시공에서의 기술력 향상을 위해서는 현재의 고치환율 조건 및 현장 상태를 적절히 반영하지 못하는 설계조건은 개선되어야 하며, ...
모래다짐말뚝(SCP : sand compaction piles)공법은 느슨한 사질토지반의 개량이나 연약 점토지반의 압밀을 촉진, 지지력을 강화시켜 지반을 개량할 목적으로 사용되는 공법으로, 그 효과가 뛰어나 널리 사용되어지고 있는 개량공법 중 하나이다. 그러나 국내에서 이 개량공법은 현장조건 및 하중상태와는 관계없이 대부분 치환율 70%이상의 고치환율 조건으로 설계되고 있으며, 해석도 등변형률 상태에 기초를 둔 방법이 주류를 이루고 있다. 이에 앞으로 다가올 모래자원의 부족 및 설계·시공에서의 기술력 향상을 위해서는 현재의 고치환율 조건 및 현장 상태를 적절히 반영하지 못하는 설계조건은 개선되어야 하며, 지반 개량 목적에 따른 최적 치환율을 결정할 수 있는 보다 합리적이고 현실적인 설계지침이 필요하다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 주로 저치환율(30%에서 50%사이)에 초점을 맞추어 실험 및 수치해석을 수행하여, 모래다짐말뚝과 점토질 지반의 상호작용, 응력분담비의 변화양상 등을 분석하여 기존의 설계법을 수정 보완할 수 있는 기초자료를 제시하고, 더 나아가 실험 및 수치해석을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 수직응력 및 모래다짐말뚝 주면의 응력전이에 대한 이론식을 제안하는데 목적이 있다. 모형토조실험시 모래다짐말뚝은 주문진 표준사를 사용하여 상대밀도 D_r = 70% 이상으로 성형하였으며, 점토질 지반은 김해지역의 점토를 사용하였다. 모래다짐말뚝은 3각형 배열로 하였으며, 토조 내에 타설된 7개의 말뚝 중 중앙 말뚝에 대해 응력과 침하량을 측정하였다. 하중은 연성변형상태로 재하하여 실험을 실시하였다. 모형토조실험의 3차원 유한요소해석에 있어서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 수치해석결과는 비교적 적절히 모형실험 결과를 반영하였다. 모형토조실험 및 유한요소해석 결과, 지표면에서의 응력분담비(복합지반에서 원지반이 받는 수직응력에 대한 모래다짐말뚝의 수직응력비)는 치환율에 관계없이 1.0에 근접한 값을 나타내었으며 치환율이 증가함에 따라 하부에서 응력분담비는 증가하고 침하량 및 모래다짐말뚝-지반의 상대변위는 감소하였으며, 지표면 침하량이 크게 감소하는 경향을 나타내었다. 실제지반에 대한 3차원 유한요소해석은 치환율, 원지반의 강도, SCP와 원지반의 마찰각, 상재하중 등의 다양한 조건하에서 실시하였으며 각각의 변수에 따른 SCP와 지반의 거동을 비교분석하였다. 실제지반을 모사한 3차원 유한요소해석 결과, SCP의 하중전이에 중요한 지표가 되는 하중분담비는 치환율이 낮을수록, 치환율과 접촉면 마찰계수의 변화에는 민감하지 않았으나, 원지반의 강도변화에 따라 급격히 변화하는 경향을 나타내었다. 이상의 모형실험 및 3차원 유한요소해석 결과, 본 연구에서는 응력전이 메커니즘에 대한 분석을 수행하여 기존에 상대변위가 발생하지 않는다는 가정 하에 산정된 해석기법을 상대변위까지 고려할 수 있는 해석기법으로 확장·개발하였다. 또한, 본 연구에서 제안한 감소계수를 적용한 수정 해석기법을 통해 실제지반상태에 근접한 탄소성 지반상에서 SCP의 수직응력을 비교적 적절히 예측함을 알 수 있었다.
모래다짐말뚝(SCP : sand compaction piles)공법은 느슨한 사질토지반의 개량이나 연약 점토지반의 압밀을 촉진, 지지력을 강화시켜 지반을 개량할 목적으로 사용되는 공법으로, 그 효과가 뛰어나 널리 사용되어지고 있는 개량공법 중 하나이다. 그러나 국내에서 이 개량공법은 현장조건 및 하중상태와는 관계없이 대부분 치환율 70%이상의 고치환율 조건으로 설계되고 있으며, 해석도 등변형률 상태에 기초를 둔 방법이 주류를 이루고 있다. 이에 앞으로 다가올 모래자원의 부족 및 설계·시공에서의 기술력 향상을 위해서는 현재의 고치환율 조건 및 현장 상태를 적절히 반영하지 못하는 설계조건은 개선되어야 하며, 지반 개량 목적에 따른 최적 치환율을 결정할 수 있는 보다 합리적이고 현실적인 설계지침이 필요하다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 주로 저치환율(30%에서 50%사이)에 초점을 맞추어 실험 및 수치해석을 수행하여, 모래다짐말뚝과 점토질 지반의 상호작용, 응력분담비의 변화양상 등을 분석하여 기존의 설계법을 수정 보완할 수 있는 기초자료를 제시하고, 더 나아가 실험 및 수치해석을 통하여 얻은 결과를 바탕으로 수직응력 및 모래다짐말뚝 주면의 응력전이에 대한 이론식을 제안하는데 목적이 있다. 모형토조실험시 모래다짐말뚝은 주문진 표준사를 사용하여 상대밀도 D_r = 70% 이상으로 성형하였으며, 점토질 지반은 김해지역의 점토를 사용하였다. 모래다짐말뚝은 3각형 배열로 하였으며, 토조 내에 타설된 7개의 말뚝 중 중앙 말뚝에 대해 응력과 침하량을 측정하였다. 하중은 연성변형상태로 재하하여 실험을 실시하였다. 모형토조실험의 3차원 유한요소해석에 있어서는 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 수치해석결과는 비교적 적절히 모형실험 결과를 반영하였다. 모형토조실험 및 유한요소해석 결과, 지표면에서의 응력분담비(복합지반에서 원지반이 받는 수직응력에 대한 모래다짐말뚝의 수직응력비)는 치환율에 관계없이 1.0에 근접한 값을 나타내었으며 치환율이 증가함에 따라 하부에서 응력분담비는 증가하고 침하량 및 모래다짐말뚝-지반의 상대변위는 감소하였으며, 지표면 침하량이 크게 감소하는 경향을 나타내었다. 실제지반에 대한 3차원 유한요소해석은 치환율, 원지반의 강도, SCP와 원지반의 마찰각, 상재하중 등의 다양한 조건하에서 실시하였으며 각각의 변수에 따른 SCP와 지반의 거동을 비교분석하였다. 실제지반을 모사한 3차원 유한요소해석 결과, SCP의 하중전이에 중요한 지표가 되는 하중분담비는 치환율이 낮을수록, 치환율과 접촉면 마찰계수의 변화에는 민감하지 않았으나, 원지반의 강도변화에 따라 급격히 변화하는 경향을 나타내었다. 이상의 모형실험 및 3차원 유한요소해석 결과, 본 연구에서는 응력전이 메커니즘에 대한 분석을 수행하여 기존에 상대변위가 발생하지 않는다는 가정 하에 산정된 해석기법을 상대변위까지 고려할 수 있는 해석기법으로 확장·개발하였다. 또한, 본 연구에서 제안한 감소계수를 적용한 수정 해석기법을 통해 실제지반상태에 근접한 탄소성 지반상에서 SCP의 수직응력을 비교적 적절히 예측함을 알 수 있었다.
Sand compaction pile (SCP) is one of the ground improvement techniques which are being used for not only accelerating consolidation but also increasing bearing capacity of loose sands or soft clays. In this study, laboratory model tests and 3-D finite element analyses were performed to investigate t...
Sand compaction pile (SCP) is one of the ground improvement techniques which are being used for not only accelerating consolidation but also increasing bearing capacity of loose sands or soft clays. In this study, laboratory model tests and 3-D finite element analyses were performed to investigate the interaction between sand compaction piles and surrounding soft soils with varying area replacement ratios of 30%, 40% and 50%. In model tests, the sand column of triangular arrangement was prepared by first Jumunjin-sand with relative density of 70% and soft Kimhae clays were then used to form a surrounding clay layer. The external load was applied to the column top and clay surface as a flexible distributed load. A variety of instrumentation was installed to monitor displacements and earth pressures of the center column and clay layers. A series of model tests were performed for different area replacement ratios and flexible surcharge loadings and an accompanying series of three-dimensional finite element analyses were performed to examine the influence of various parameters on the predictions. Based on the results obtained, it is shown that the stress concentration ratio at the ground surface is about 1.0, irrespective of different area replacement ratios, whereas, as the area replacement ratio is increased, the stress concentration ratio is increased at the column tip, the settlement is decreased, and the relative displacement between column and soil is also decreased. It is also found that numerical study is illustrated by good comparison with model test results, and the numerical analysis revealed slip effects which could not be specifically identified in the model tests. Furthermore, based on experimental tests and a 3-D finite element study, a simple method was proposed to account for the shear stress transfer between the column and the surrounding soil. The proposed method is verified with finite element analysis and a reasonable agreement was obtained between the predictions.
Sand compaction pile (SCP) is one of the ground improvement techniques which are being used for not only accelerating consolidation but also increasing bearing capacity of loose sands or soft clays. In this study, laboratory model tests and 3-D finite element analyses were performed to investigate the interaction between sand compaction piles and surrounding soft soils with varying area replacement ratios of 30%, 40% and 50%. In model tests, the sand column of triangular arrangement was prepared by first Jumunjin-sand with relative density of 70% and soft Kimhae clays were then used to form a surrounding clay layer. The external load was applied to the column top and clay surface as a flexible distributed load. A variety of instrumentation was installed to monitor displacements and earth pressures of the center column and clay layers. A series of model tests were performed for different area replacement ratios and flexible surcharge loadings and an accompanying series of three-dimensional finite element analyses were performed to examine the influence of various parameters on the predictions. Based on the results obtained, it is shown that the stress concentration ratio at the ground surface is about 1.0, irrespective of different area replacement ratios, whereas, as the area replacement ratio is increased, the stress concentration ratio is increased at the column tip, the settlement is decreased, and the relative displacement between column and soil is also decreased. It is also found that numerical study is illustrated by good comparison with model test results, and the numerical analysis revealed slip effects which could not be specifically identified in the model tests. Furthermore, based on experimental tests and a 3-D finite element study, a simple method was proposed to account for the shear stress transfer between the column and the surrounding soil. The proposed method is verified with finite element analysis and a reasonable agreement was obtained between the predictions.
주제어
#연약지반 모래다짐말뚝 치환율 모형토조실험 응력분담비 단위셀 응력전이 메커니즘 전달전단응력 연성변형 유한요소해석 soft ground sand compaction piles(scp) model test flexible load stress concentration ratio area replacement ratio load transfer finite element analysis
학위논문 정보
저자
김재권
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
토목공학과
지도교수
김수일
발행연도
2003
총페이지
xiv, 115p.
키워드
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