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문제 정의
- (]983)등의 많은 연구자들에 의해 개발되 었으며, 최근 CPTu를 이용한 국 내지 반의 지반정수와 관련하여 많은 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 CPTu의 시험결과를 토대로 흙의 분류 와 비배수 전단강도 그리고 압밀계수등의 지반공학적 특성을 살펴보고자 하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 Robertson이 제안한 DMT-C의 방법에 따라 소산시험에서 얻어진 P2값을 이용하여 소산곡선의 50% 에서의 수평방향 압밀계수를 산정하였다. 이 때, 표 준 브레이드는 14nimx95nim로 등가 단면적을 갖는 원형 단 면으로 가정하여 구한 반경 Re20.57mm를 산정하였으며, 선단부로부터 관입 맴브레인까지의 거리를 고려하여 반 경의 4배 뒤에 있는 점을 고려하였다. 그리고 강성지수는 Gupta(1988)가 제안한 시간계수(T) 1.
제안 방법
- 본 연구에서는 추후 공사가 예정된 2단계 원지반의해 성점토에 대하여 순차적으로 연구시험을 계속하고 있으며, 우선 실트질 점토층을 대상으로 수행된 CPTu와DMT 및 실내시험 결과를 토대로 흙의 분류는 물론 비 배수전단 강도 및 압밀계수등의 상호비교 분석을 통해 공학적 특성을 살펴보았다.
- 본 연구의 시험부지는 2단계확정예정부지중 국제업무 지 역으로 실트질 점토층이 발달한 원지반을 대상으로 현 장조사를 수행하였으며 그림 1과 같이 50m X 50m간격의 6개소로 등배분하였다. 동 부지에서 시추조사를 통해 비 교란시료를 채취하였으며, 물성시험과 역학시험을 병행 하였다. 본 조사시험 에 앞서 CPTu-g- 먼저 수행해 샌드심 (sand seam)이 발달한 실트질 점토층을 파악하였으며, 본 조사계 획 에 따라 위치 및 심도를 결정 하고 CPTu와 DMT 을 동일한지점에 실시하였다.
- 동 부지에서 시추조사를 통해 비 교란시료를 채취하였으며, 물성시험과 역학시험을 병행 하였다. 본 조사시험 에 앞서 CPTu-g- 먼저 수행해 샌드심 (sand seam)이 발달한 실트질 점토층을 파악하였으며, 본 조사계 획 에 따라 위치 및 심도를 결정 하고 CPTu와 DMT 을 동일한지점에 실시하였다. 그리고 비교란시료 채취 위 치와 동일한 층에서 CPTu와 DM仃를 이용하여 간극수압 소산시험을 수행하였다.
- 본 조사시험 에 앞서 CPTu-g- 먼저 수행해 샌드심 (sand seam)이 발달한 실트질 점토층을 파악하였으며, 본 조사계 획 에 따라 위치 및 심도를 결정 하고 CPTu와 DMT 을 동일한지점에 실시하였다. 그리고 비교란시료 채취 위 치와 동일한 층에서 CPTu와 DM仃를 이용하여 간극수압 소산시험을 수행하였다. 그러나 이들 가운데 BH03에서
- 흙의 분류 방법은 CPTu 결과를 토대로 원추관입저항 력, 간극수압계수, 그리고 마찰율을 동시에 사용하는 흙의 분류방법을 제안한 Campanella & Rodertson(1988)의 도 표와 이선재(1997)가 제안한 흙의 분류도표를 이용하였다. 콘 저항력을 이용하여 비배수 전단강도를 산정하기 위해서는 이론적인 방법보다는 경험적인 방법을 많이 사용 하고 있어, 참조강도로 실내시험을 기준으로 경험적인 콘 계수를 산정하고 이를 통해 비배수전단강도를 추정하였다. 또한 압밀계수 산정은 간극수압소산결과로 부터 Torstensson(1977), Baligh와 Levadoux(1980a), Baligh와 Levadoux(1986) 그리고 Houlsby와 Teh(1991) 등의 이론 해를 이용해 산정하였다.
- DMT는 1970년대 초에 이탈리아의 Silvano Marchetti 교수에 의하여 고안된 장비로 주로 점토지 반에서의 흙의 분류, 정지토압계수, 비배수전단강도, 변형계수, 선행압 밀하중 및 간극수압을 구하는 경험식을 제안하였다. Schmertmann(1986)은 DMT를 이용하여 사질토지 반에서 의 마찰각을 구하는 방법을 제 안하였으며, 그 이 외 도 여러 연구자들에 의해 신뢰성이 높은 제안식들이 발표되었다.
- 흙의 분류 방법으로는 통일분류법을 매우 널리 사용하고 있으며, 이 방법을 이용하여 흙을 분류하는 방법이 가장 확실하나, 연속적 인 지반의 성 질을 명 확하게 나타내기가 매우 어렵다. 이러한 단점을 보완하기 위해 CPTu와 DMT 를 이용하여 흙의 분류를 시 도하였다. 먼저 CPTu의 경우, Campanella & Robertson(1988)가 제안한 흙의 분류방법 과 이선재(1997)가 국내지반을 대상으로 제안한 흙의 분류 도표를 이 용 콘관입 저 항치(4)와 간극수압계수(Bq) 및 콘관입 저 항치(qt)와 마찰비(Rf)와 관계를 비 교분석 하였으며, 흙의 거동상태는 그림 4, 그림 5와 같이 나타났다.
- 한편, Mxhetti는 재료지수 (⑹값을 사용하여 흙의 분류 및 흙의 분류와 단위 중량을 결정하기 위하여【D값과 Ed 값을 이용하여 상관관계도를 제안하였다. 여기서, Id는 DMT 시험결과에 의하면 Id는 0.
- 이들 제안식을 이용하여 DM仃의 Su를 추정하였다. 이 때, 참고강도로 일축 및 삼축압축시험결과를 통해 얻은 Nc=5.
- CPTu와DMT의 간극수압소산시험을통해 수평압밀계 수(Ch(cmu))를 산정하였다. CPTu의 경우, 소산시험을 토대로 압밀계수 산정 이론해는 Torstensson(1977), Baligh 와 Levadoux(1980), Levadoux와 Baligh(1986) 그리고 Houlsby & Teh(1991)의 방법이 제안되었다.
- CPTu의 경우, 소산시험을 토대로 압밀계수 산정 이론해는 Torstensson(1977), Baligh 와 Levadoux(1980), Levadoux와 Baligh(1986) 그리고 Houlsby & Teh(1991)의 방법이 제안되었다. 이 들이 제시한 다양한 이론 시 간계수들 중 콘 주변에 유발되는 공동의 형 태, 강성 지수 그리고 과압밀등의 지 반상태을 고려하여 적절한 시간계수 값을 선택한는 것은 매우 어려운 점을 언 급한 바 있어(김 영상외, 1997), 본 연구에서는 압밀계수 추 정을 위해 시간계수는 실내시험결과를 토대로 비교적 근 사한 값인 강성지수(L) 100을 이용하였으며, 각각의 제안 식과 가정사항을 표 5와 같이 정 리하였다.
- DMT의 경우, 압밀계수 산정 원리는 관입장치를 사용하여 브레이드를 지반에 관입되어질때 주변 지반에서는 과잉 간극수압이 유발되 고, 이 간극수압은 시간이 경 과함 에 따라 주로 수평 방향으로 소산되는 것을 말하며, 압밀 계 수(Gxdmt)) 를 산정하는 방법은 Campanella 와 Ro- bertson(1988)와Marchetti와Totani(]989)에 의해 제시되었다. 또한, Robertson, Baligh 그리고 Schmertmanne 이 들을 조합하여 수평 압밀계수산정 절차를 제시하였다.
- 본 연구에서는 Robertson이 제안한 DMT-C의 방법에 따라 소산시험에서 얻어진 P2값을 이용하여 소산곡선의 50% 에서의 수평방향 압밀계수를 산정하였다. 이 때, 표 준 브레이드는 14nimx95nim로 등가 단면적을 갖는 원형 단 면으로 가정하여 구한 반경 Re20.
- CPTu와 DMT의 간극수압 소산시험으로부터 산정한 압밀계수와 Oedometer시험에서 구한 연직압밀계수, 횡 방향으로90° 회전한조건의 Oedometer에서 얻은압밀계 수를 비교하였으며, Oedometer의 압밀계수를 기준으로 압밀계수비를 산정하여 표 6같이 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구의 시험부지는 2단계확정예정부지중 국제업무 지 역으로 실트질 점토층이 발달한 원지반을 대상으로 현 장조사를 수행하였으며 그림 1과 같이 50m X 50m간격의 6개소로 등배분하였다. 동 부지에서 시추조사를 통해 비 교란시료를 채취하였으며, 물성시험과 역학시험을 병행 하였다.
데이터처리
- 이들 제안식을 이용하여 DM仃의 Su를 추정하였다. 이 때, 참고강도로 일축 및 삼축압축시험결과를 통해 얻은 Nc=5.0을 이용하여 気를 비교하였고, 기존 연구결과에서 나타난 Nc=6.35을 이용하여 금회 결과에 함께 비교하였다. 여기서, Nc는 1단계부지지역의 해성점토을 대상으로 DMT결과를 바탕으로 Roque(1988) 제안식을 적용하여 추정하였다.
이론/모형
- 흙의 분류 방법은 CPTu 결과를 토대로 원추관입저항 력, 간극수압계수, 그리고 마찰율을 동시에 사용하는 흙의 분류방법을 제안한 Campanella & Rodertson(1988)의 도 표와 이선재(1997)가 제안한 흙의 분류도표를 이용하였다. 콘 저항력을 이용하여 비배수 전단강도를 산정하기 위해서는 이론적인 방법보다는 경험적인 방법을 많이 사용 하고 있어, 참조강도로 실내시험을 기준으로 경험적인 콘 계수를 산정하고 이를 통해 비배수전단강도를 추정하였다.
- 콘 저항력을 이용하여 비배수 전단강도를 산정하기 위해서는 이론적인 방법보다는 경험적인 방법을 많이 사용 하고 있어, 참조강도로 실내시험을 기준으로 경험적인 콘 계수를 산정하고 이를 통해 비배수전단강도를 추정하였다. 또한 압밀계수 산정은 간극수압소산결과로 부터 Torstensson(1977), Baligh와 Levadoux(1980a), Baligh와 Levadoux(1986) 그리고 Houlsby와 Teh(1991) 등의 이론 해를 이용해 산정하였다.
- 7(R -Po), 재료지수Id = (P, - Po)/(Po- uo), 수평응력지수Kd = (Po - uo)/ 6 'vo , 간극 수압지 수 Ud = (P2 - Po) / (Po - uo)등을 구하여 대상 지 반의 특성을 파악하는데 활용할 수 있다. 본 연구에서는 Marchetti(1980)가 제안한 흙의 분류방법을 이용하였고, 비배수 전단강도를 추정하는 방법으로 Marchetti(1980), Roque(1988)등이 제안한 식을 이용하였다. 또한, 소산시험 결과를 바탕으로Robertson(1988)이 제안한DMT-C방법에 의해 압밀계수를 산정하였다.
- 본 연구에서는 Marchetti(1980)가 제안한 흙의 분류방법을 이용하였고, 비배수 전단강도를 추정하는 방법으로 Marchetti(1980), Roque(1988)등이 제안한 식을 이용하였다. 또한, 소산시험 결과를 바탕으로Robertson(1988)이 제안한DMT-C방법에 의해 압밀계수를 산정하였다.
- 35을 이용하여 금회 결과에 함께 비교하였다. 여기서, Nc는 1단계부지지역의 해성점토을 대상으로 DMT결과를 바탕으로 Roque(1988) 제안식을 적용하여 추정하였다. (전창대외 1998)
- 57mm를 산정하였으며, 선단부로부터 관입 맴브레인까지의 거리를 고려하여 반 경의 4배 뒤에 있는 점을 고려하였다. 그리고 강성지수는 Gupta(1988)가 제안한 시간계수(T) 1.1 을 적용하였으며 CPTu와 DMT간에 사용한 강성지수에 다소 차이가 있는 점을 감안하였다.
성능/효과
- 본 지역 연약지반의 지층분포상태는 퇴적층, 풍화대 및 기 반암으로 나타났다. 지 반조사 결과에 의 하면, 연약층의 분포는 2~ 10.
- 퇴적하는 과정에 하천의 범람이나 사면활동 등에 의하여 모래성분이 유입되어 자연적으로 생성되며, 층후 가 얇고 지역 분포에 따라 변화를 보이는 것이 특징 이다. 또한, 1 단계 부지의 점토지반에서 존재하는 샌드심을 대상으로 기 수행된 시험결과에 의하면, 모래의 투수계수는 1.6~3.6xl0°cm/sec로 점성토의 투수계수 보다 100~ 1000배 크게 나타났고, 압밀계수(G) 비교에서 실트질 점 토에 비해 대략 10배 정도의 큰차이를보이고수평방향의 압밀계수(&)가 연직 방향의 압밀계수보다 약 5배 정도로 크게 나타났으며, 입도분석결과에서는#200체 통과량이 32 ~46%로 샌드 성분이 50%이상을 함유한 약 2mm이하의 중간크기부터 미세한 입자의 모래가 비교적 느슨하게 분포하고 있는 것으로 보고 된 바 있다. (김종국 외, 2000)
- 본 연약지 반에서 채취한 시료를 이용하여 수행한 시험 결과, 자연함수비 는 액성 한계(21 ~30%)를 넘어 35 ~39% 이며 초기 간극비는 약 L0이고소성지수는 1.1 ~10.3으로 낮은 값을 보이고 실트성분이 85~93%으로 나타났으며, 일축 및 삼축등의 역학시험결과는 표 1과 같다.
- 선단저항력과 마찰율 그리고 간극 수압계수의 영향 범위를 보면, 대체적으로 콘관입저항치 (qt)는 0」~62.5 bar, 마찰율(Rf)의 범위는。~6%를 보이 고, 과입밀비가 증가할수록 콘관입 저항치는 증가하는 것으로 나타났다. 이들 중 점토층에서 나타난 콘관입저항치 는 2.
- 5 bar, 마찰율(Rf)의 범위는。~6%를 보이 고, 과입밀비가 증가할수록 콘관입 저항치는 증가하는 것으로 나타났다. 이들 중 점토층에서 나타난 콘관입저항치 는 2.0 ~ 25.5 bar, 간극수압계 수는 -0.2 ~ 1.4, 마찰율은 0 ~ 2%의 범위를 보이고 있고, 실트의 경우 콘관입저항치는5.1 -51.0 bar, 간극수압계수는 -0.1 ~0.3, 마찰율은 4%이 하의 범위를 보이며 소성이 증가할수록 콘관입저항치와 마찰율이 감소하는 것으로 나타났다. 특히 해성 점토층에서 나타나는 관입저항치는 일관성 있는 범위내에서 저항 치 가 일 정 하게 증가하는 것으로 나타난 반면, 샌드심 층이 존재하는 겅우 콘관입저항치는 3~20cm정도의 두께로 갑자기 증가하였다가 떨어지는 경향을 보이고 있으며, 간 극수압은 주변의 분포보다 급격히 감소하거 나 부의 간극 수압이 나타나기도 하며, 점토층에서 나타나는 마찰율 (0~2%)보다 급격히 저하되는 점를 비롯하여 모래성분이 우세한 입도분포를 보이는 경향을 알 수 있었다.
- 3, 마찰율은 4%이 하의 범위를 보이며 소성이 증가할수록 콘관입저항치와 마찰율이 감소하는 것으로 나타났다. 특히 해성 점토층에서 나타나는 관입저항치는 일관성 있는 범위내에서 저항 치 가 일 정 하게 증가하는 것으로 나타난 반면, 샌드심 층이 존재하는 겅우 콘관입저항치는 3~20cm정도의 두께로 갑자기 증가하였다가 떨어지는 경향을 보이고 있으며, 간 극수압은 주변의 분포보다 급격히 감소하거 나 부의 간극 수압이 나타나기도 하며, 점토층에서 나타나는 마찰율 (0~2%)보다 급격히 저하되는 점를 비롯하여 모래성분이 우세한 입도분포를 보이는 경향을 알 수 있었다.
- 이와 같이 CPTu의 경우 Campanella와 Robertson(1998) 흙의 분류방법과 이선재(1997)가 제안한 흙의 분류방법에 의한흙 분류 결과는 비교적 일치하는 것으로 나타났으며, 선단저 항력 의 증가와 간극수압의 감소를 토대로 점토 층사이에 존재하는 실트 및 모래층의 존재를 비교적 잘 구 별 할 수 있었다. DMT의 경우에서도 Id와Ud등에 의해 비교해 볼 때 지층속에 존재하는 실트나모래층의 존재에 보다 민감한 것을 나타났다. 또한, 이선재(1997)의 흙 분류도 표의 A영역과 B영역과 DMT를 이용 흙분류하는 경우 Id 가 1.
- 2보다 적은 값을 가질 때 서로 일치하는 양상을 보이고 있다. 그리고 표 2에서와 같이 통일분류법과 비교한 결 과와도 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- & 비교결과, 그림 8에서와 같이 경험식에 따라 산정한 각각 콘계수는 분포정도가 크게 분산된 것으로 보이며, CPTu의 상재하중을 고려하지 않은 조건의 콘계수Nk=18 를 적용한 경우와 DMT의 경우 Nc=6.35을 적용하는 것이 서로 근접한 값을 가지는 것으로 나타났다.
- 또한, 삼축압축시험의 気를 기준으로 산정한 콘계수는 CPTu의 경우Nk=18.2을, DMT의 경우는 콘계수M=6.35 값을 적용하여 추정 한 가 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이는 Kjekstad 등 (1978)가 동일한 삼축압축시험 을 참고강도로 하여 산정한 콘계수 17 ± 5가 유사한 값을 보이고 있다.
- 표6에서와같이 CPTu와DMT에서 구한수평압밀계수 는Oedometer시 험에서 구한 연직 압밀계수보다 상당히 크게 나타났다. CPTu의 경우, 제안된 이론해에 따라 압밀 계 수비(Ch/Goed°)는 4.7 ~10.2로 큰 차이를 보이고 있으나, 횡방향으로90° 회전한조건의 Oedometer에서 얻은수평 압밀계수와 비교할 때, 압밀계수비(Ch(CPTU, DMT)/ch Oedo)는 1 ~2.4정도로 나타났다. 이와 같이 수평압밀계수가 연직 압밀계수보다큰 것은 퇴적점성토 사이에 실트질지반과 샌드심의 층상화와 해성점토의 구조적 이방성, 토립자의 재배열, 지층상태, 그리고 시험방법, 이론해 등에 따라 큰 차이가 있기 때문으로 사료된다.
- Jamiolkowski둥(1985)의 연구에 의하면 퇴적 점성토층 의 경우 수평투수계수는 연직투수계수의 2~4배의 큰 값을 보이고 있고, Varvedclay와 점성토사이에 투수성 이 양 호한 층이 존재하는 경우에 있어 투수계수비(kh/虹)가3 ~ 15로상당히 큰 차이를 보고한 바 있다. 즉, 퇴적점토에 대한 안쪽방향 수평압밀계수은 바깥방향 수평압밀계수보다 이론적으로 상당히 작음에도 불구하고 연직압밀계수 보다 몇배 크게 나타남을 제시하였다.
- (1) CPTu, DMT의 흙의 분류와 통일분류법에 의한 흙의 분류는 서로 유사한 경향을 보이고 있으나, CPTu의 경우 "sensitive fine grained" 과 DMT의 경우 “mud”로 표 시되고 있어 세심한분류가필요하다. 특히, CPTu시험 은 선단저 항력 의 증가와 간극수압의 감소를 토대로 점 토층 사이에 존재하는 실트 모래층의 존재를 비교적 잘 구별 할 수 있어 퇴 적점토층에 얇게 산재한 샌드심 층을 보다 정확하게 판정 할 수 있는 것으로 사료되고, DMT는 Id와 Ud등에 의해 비교해 볼 때 지증속에 존재하는 실트나 모래층의 존재에 보다 민감한 것을 알 수 있다.
- (2) CPTu와DMT를이용한동지역 실트질점토의 비배수 전단강도 추정에 있어 삼축압축시험 의 Su를 참고강도 로산정한 콘계수는 CPTu의 경우 Nk=18.2을, DMT의 경우는 Roque(1988)의 제안식을 이용한Nc=6.35값을 적용하는 경우에 있어 비교적 근사한 경향을 보이고 있으나, 경험식에 따라 콘계수의 분포가 크게 나타나 정량적으로 분석하기 에는 다소 어 려움이 있었다.
- (3) CPTu와 DMT에서 구한 수평 압밀계수는 Oedometer 시 험에서 구한 연직압밀계수보다 상당히 크게 나타났 으며 CPTu의 경우 제안된 이론해에 따라 압밀계수비 (Ch /Cvoed。)는 4.7~10.2로 큰 차이를 보이고 있다. 또한, 횡방향으로90° 회전 조건의 Oedometer에서 얻은 압밀계수와 현장 수평압밀계수와 비교할때 압밀계수 비(Ch(CPTU, DMTyChOedo)는 1 ~2.
- 2로 큰 차이를 보이고 있다. 또한, 횡방향으로90° 회전 조건의 Oedometer에서 얻은 압밀계수와 현장 수평압밀계수와 비교할때 압밀계수 비(Ch(CPTU, DMTyChOedo)는 1 ~2.4정도로 나타났다.
후속연구
- 이들 두 시험은 지반의 흙의 분류와 흙의 강도 및 변형특성을 파악하는데 유용하게 이용되고 있어 많은 연구가 계속되어 왔으며, 이들의 결과로 이론적 인 방법과경험적인방법에 의한많은지반정수의산정식 들이 제안되어 왔다. 특호], 해안지역의 퇴적점토층사이에 실트나 모래질층이 존재하는 점토지반의 비교란시료의 채취가 어려운 점과 시료채취, 운반등의 시료교란을 유발 하는 점을 감안한다면 현장시험 에 의해 지 반의 공학적 인 정보를 획득하는 것이 더 효율적이라 본다.
- 이는 Kjekstad 등 (1978)가 동일한 삼축압축시험 을 참고강도로 하여 산정한 콘계수 17 ± 5가 유사한 값을 보이고 있다. 그러나, 이들 관계를 보다 정확히 파악하기 위해서는 보다 많은 시험 데이타의 확보와 현장 베인시험 강도는 물론 추가 시 험을 통해 다각적 인 분석이 필요 할 것 으로사료되어 추가연구시험이 진행중이 있으며, 콘계수산정에 있어서도보다신뢰성을 높이기 위해 많은 데이타 를 집 계하여 분석하여야 할 것으로 사료된다.
- 이와 같이, 해성점토의 지반상태와 시험방법 및 이론해 등에 의해 얻고자하는지반정수들이 크게 차이가발생할 수 있는것과같이 보다 많은시험 데이타 획득과연약지반 에 샌드심 층의 유무 확인, 올바른 지 반 특성 파악등의 다양한 지 반조사방법을 통해 보다 신뢰성 있는 설계의 접근이 중요할 것으로 판단되며, 실내시험과 현장시험을 병행하여 수행하는 것이 더 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 이와 같이 수평압밀계수가 연직압밀계수보다 큰 점을 고려해 퇴적점성토 사이에 실트질 지반과 샌드심의 층 상화, 구조적 이 방성 등의 지 반상태 파악과 시험 방법 및 이론해의 적용 에 있어 보다 많은 시 험자료를 획득하여 심도깊은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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