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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 지반 특성을 갖는 국내 여러 지 역에서 CPTu를 실시하였으며, 이와 함께 비교 기준이 되는 비배수 전단강도의 결정을 위하여 FVT 및 채취된 불교란 시료를 이용한 실내삼축시험을 실시하였다. 각 각의 시험에서 얻어진 CPTu 결과와 기준 &의 상관관계 를 식 (2)〜식 (4)에서 정의한 3가지 방법을 토대로 그림 3에 나타내었다.
- 앞서 설명한 바와 같이, 같은 기준 시험 방법을 적용 한 균질한 지반이라 하더라도 지반의 공학적 특성이 다 를 경우, 피에조콘 계수 또한 달라지게 되기 때문에 그 영향에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 실제 지반에의 원활한 적용을 위하여 지반의 대표적인 공학적 특성 인 儿 및 OCR과 피 에조콘 계수와의 상관 관 계를 분석함으로써 다양한 지반을 대 변할 수 있는 피 에 조콘 계수에 대하여 살펴보았다.
제안 방법
- 본 色구에서는 지난 수년간 국내의 여러 현장에서 체계적인 실험 계획과 함께 수행한 10개 지역 총 46회 의 CPTu 결과를 이용하여 국내 지반에 적합한 피에조 콘 계수에 대하여 알아보았다. 시험시 측정된 원추관 입 저항력(%)과 관입 간극수압0如)을 현장베인시험 (Field Vane Test, FVT) 및 실내삼축시험으로부터 구한 비배수 전단강도와 비교하여 피에조콘 계수를 구하고, 기준 비배수 전단강도 측정방법에 따른 피에조콘 계수 의 비교와 함께 공학적 특성(加。街)과 피 에조콘 계수 와의 상관 관계를 분석하였다.
- 본 色구에서는 지난 수년간 국내의 여러 현장에서 체계적인 실험 계획과 함께 수행한 10개 지역 총 46회 의 CPTu 결과를 이용하여 국내 지반에 적합한 피에조 콘 계수에 대하여 알아보았다. 시험시 측정된 원추관 입 저항력(%)과 관입 간극수압0如)을 현장베인시험 (Field Vane Test, FVT) 및 실내삼축시험으로부터 구한 비배수 전단강도와 비교하여 피에조콘 계수를 구하고, 기준 비배수 전단강도 측정방법에 따른 피에조콘 계수 의 비교와 함께 공학적 특성(加。街)과 피 에조콘 계수 와의 상관 관계를 분석하였다.
- CPTi와 함께 현장베인시험(FVT)을 실시하였으며, 채 취한 불교란 시료를 이용하여 다양한 삼축압축시험 즉 등방압밀 비배수삼축압축(CIU-TXC), 瓦압밀 비배수삼 축압축(CKoU-TXC) 그리고 이방압밀 삼축압축(CAU- TXC)을 실시하였으며, 이와 함께 기본 물성치 시험과 압밀시험도 실시하였다.
- 와 ”«■ 등의 CPTu 측정치가 지반 내에 부분적으로 존재하는 조 립토층 등에 영향을 받을 수 있을 뿐만 아니라 기준 시 험의 평 면적 위치 및 심도에서의 차이에 따라 지반 특성 이 크게 다를 수 있고 이에 따라 적절치 못한 피에조콘 계수가 결정될 수 있다. 따라서, 이러한 불균질성의 영향 을 최소화하기 위하여 연구 수행 지반 중 균질한 지층에 서의 시험 결과만을 이용하여 피에조콘 계수를 새로이 산정흐].고, 그 결과를 표 4에 정리하여 나타내었다.
- 고, 그 결과를 표 4에 정리하여 나타내었다. 여기 서, 지반의 균질성을 정량적으로 규정하기 위해서 그림 2에 나타난 주상도로부터 비교적 균질한 지층으로 판단 되는 부분에 대하여, Im 심도 변화에서 측정 qT 값의 편 차가 30% 이내인 지반을 균질한 지반으로 설정하였다. 표 4를 보면, g나 의 경우, 모든 결과를 이용하여 산정한 값과 차이를 보이지 않지만, Mz는 평균값 뿐 아 니라 오차도 크게(약 18% 정도) 줄어드는 결과를 보이 고 있다.
- 경험적인 피에조콘 계수는 식 (2)〜식 (4)에서 보는 바와 같이 기준 &의 측정 방법에 따라 다르게 산정되기 때문에 기준 曲의 명확한 설정이 필요하다. 본 연구에서 는 등방압밀 삼축압축시험, &압밀 삼축압축시험, 그리 고 이방압밀 삼축압축시험 등의 실내삼축시험과 현장 베인시험을 기준 新 측정방법으로 사용하였다. 표 5는 기준 & 측정 방법을 실내삼축시험과 현장베 인시험으로 구분하여 피에조콘 계수의 변화를 나타낸 것이다.
- 먼저, 점성토의 공학적 특성 중 소성지수(勇와 피에조콘 계수와의 상관관계를 알아보았다. 그림 5는 土에 따른 피에조콘 계수의 변화를 나타낸 것으로 NkT를 비 롯하여 Nqu, NAu 등 세 피에조콘 계수 모두 소성지수의 변화에 따른 경향성이 뚜렷이 나타나지 않음을 확인할 수 있다.
- 이는质가 피에조콘 계수에 미치는 영향에 대해 서 뚜렷한 결과를 찾기 가 어 렵다고 주장한 La Rochelle 등(1988)의 연구 결과와 일치하는 반면, 3~50 정도의 Ip 를 가진 지반에 대한 해석 결과로부터 土에 따라 Mr가 증가한다는 Aas 등(1988)의 연구결과와는 다른 것이다. 소성지수 외에도 과압밀비(。(次)와 피에조콘 계수와 의 상관관계를 분석하였다. 표 6은 OCR에 따른 Nm Nqu, M의 변화를 나타낸 것이다.
- 피에조콘 관입시험을 이용하여 점성토 지반의 비배 수 전단강도를 산정하기 위해서는 피에조콘 계수가 필 요하다. 국내 10개 현장에서 총 46회의 CPTu 및 현장베 인시험, 그리고 실내삼축시험을 수행한 결과를 바탕으 로 국내 점성토 지반의 피에조콘 계수를 경험적인 방법 을 이용하여 산정하고, 기준 비배수 전단강도 측정방법 및 여러 가지 공학적 특성 등과의 상관관계를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- (3) 조사가 수행된 국내 대표적 연약지반 10개 지역의 피에조콘 지수 를 제시하였다. 지반 형성시 조건 의 차이로 인하여 중부지역은 11.
대상 데이터
- 표 2는 각 시험 지반에 대한 공학적 특성 및 기준 비 배수 전단강도 측정 방법을 나타낸 것이다. 본 연구에서 는 표에 나타난 바와 같이 국내 10개 지역에서 총 46회 의 CPTu를 실시하였으며, 점성토 지반을 대상으로 하 였기 따문에 대부분 해안 인근에 위치하고 있다.
이론/모형
- 일반적으로 CPTu에서는 흙의 비배수 전단강도가 콘 의 관입시 저항력 또는 발생 과잉간극수압의 크기와 밀 접한 관계가 있다는 근거 하에서, 피에조콘 계수를 도입 하여 비배수 전단강도를 결정하게 된다. 여기서, 피에조 콘 계수는 극한 지지력 이론(Schmertmann, 1978), 공동 팽창 이론(Vesi6, 1972; Chen과 Mayne, 1993) 또는 변형 률 경로법(Baligh, 1975; Teh, 1987; Teh와 Houlsby, 1991)ofl 근거한 해석적 방법으로 구하거나, 다른 시험 결과에 따라 나타난 비배수 전단강도를 기준으로 하여 CPTu 결과와의 비교에 근거한 경험적 인 방법으로 구하 게 된다. 하지만, 해석적 방법의 경우 피에조콘의 관입 을 정확하게 모사하기 어려울 뿐 아니라, 흙의 특성을 해석 과정에서 정확하게 반영하기 힘들기 때문에 경험 적 방법의 경우에는 연구 대상 지역에 따라 나타난 피 에조콘 계수 값들을 조건에 따른 분류 없이 단순 제시 하고 있기 때문에 실제적으로 활용하기에는 어려움이 있다.
성능/효과
- 피에조콘 계수가 이렇듯 일정하지 않고 근 차이를 보 이며 흙의 특성에 따른 경향성도 충분하게 연구된 바가 없기 때문에 국내 지반에 적절한 피에조콘 계수를 설정하 기에는 많은 어려움이 있다. 따라서 국내 점성토 지반의 비배수 전단강도를 산정하는데 CPTu를 적용하기 위해서 는 국내에서 수행한 시험 결과로부터 구한 피에조콘 계수 를 이용하는 것이 가장 합리적이다. 아울러 국내 지반 특 성의 다양성을 반영하기 위해서 흙의 공학적 특성 등에 따른 영향을 정량적으로 평가하는 것이 필요할 것이다.
- 실내시험을 통하여 나타난 대상 지반은 소성지수(勇 가 대부분 40% 미만인 저소성 점성토로서 통일분류법 에 따르면 주로 CL로 분류되며, 과압밀비(OCR)는 5.0 미만이고 대부분 3.0 미만으로서 정규압밀 또는 약간 과 압밀되어 있는 것으로 나타났다.
- 5MPa인 매우 연약한 점성 토 지반이 균질한 상태로 두껍게 존재한다. 한편, 평택 현장은 6m까지 연약한 점성토층이 균질하게 분포하지만 &如에서는 불균질한 지층이 존재하고, 영종도 현장은 2〜8m까지의 상부 해성층과 14m 이후의 하부 해성층 중 간에 知14m의 불균질한 지층이 존재하고 있으며, 아산 현장은 비교적 불균질한 점성토 지반으로 이루어져 있는 것으로 나타났다. 그리고 김제 현장은 衣가 l~2MPa 내 외의 악간 과압밀된 지층이 두껍게 분포한다.
- 여기서 又는 평균 피에조콘 계수를, r70 은 70% 신뢰도에서 오차 범위를 나타낸다. 이 표에 제 시된 평균 피에조콘 계수들은 소성지수가 40%보다 작 고, 이 5.0 미만의 국내 점성토에 대한 값으로서 표 1의 기존에 제안된 값들의 범위와 전체적으로 비교할 때 Mr의 경우에는 그 평균값이 14.1 로 비교적 잘 일치 하는 것으로 나타난 반면, 丿編(=14.0)는 대만에서 제시 된 값보다 2배 정도 크게 나타났으며 7以“(=3.7)는 상대 적으로 작게 나타난다.
- 이러한 관점에서 각 지역별로 평균 피에조콘 계수(Mz) 및 70% 신뢰도에서의 오차 범위, 그리고 시험 횟수를 그림 4와 같이 지도상에 나타내었다. 각 지역에 따라 산 정되는 피에조콘 계수는 8.1 에서 20.9 사이에 분포하며, 영호남의 남부지역은 11.6 이하의 작은 값을 갖는 반면 에 중부지역은 H.9 이상의 상대적으로 큰 값을 갖는 것 으로 나타났다. 이는 그림 2에서 알 수 있듯이, 남부 지 역의 경우 대부분 연약하고 균질한 지층이 상대적으로 두껍게 분포하는 반면에 중부 지역의 경우 균질한 지층 의 두께가 상대적으로 얇은 것이 하나의 원인으로 추정 된다.
- 표 5는 기준 & 측정 방법을 실내삼축시험과 현장베 인시험으로 구분하여 피에조콘 계수의 변화를 나타낸 것이다. 표를 보면, 측정 방법에 따른 평균 피에조콘 계수(특히, 际 및 와 70% 신뢰도에서의 오차 범위가 매우 유사하 게 나타났다. 즉, 본 연구에서 수행된 결과의 경우, 기준 su 측정방법에 따른 영향이 매우 미소하다는 사실을 알 수 있다.
- 표를 보면, 측정 방법에 따른 평균 피에조콘 계수(특히, 际 및 와 70% 신뢰도에서의 오차 범위가 매우 유사하 게 나타났다. 즉, 본 연구에서 수행된 결과의 경우, 기준 su 측정방법에 따른 영향이 매우 미소하다는 사실을 알 수 있다.
- 표 6은 OCR에 따른 Nm Nqu, M의 변화를 나타낸 것이다. 표를 보면, 。後<1.5, 1.5<OCR<2.5, 그리고 2.5 <OCR<4S, 구분할 때 OCR 의 증가와 함께 NkT, Nqu는 증가하는 반면 N知는 감소하 는 것으로 나타났으며, NkT보다는 Nqu가 더욱 커지는 결 과를 보이고 있다. 여기서, OC?이 커짐에 따라 Mt■가 커 진다는 사실은 Kjekstad 등 (1982) 및 De Ruiter (1982) 의 연구 내용과 일치하고 있다.
- 하지만, OCRo\ 큰 지반에서의 피에조콘 관 입시험의 경우, 다공질 필터의 위치에 따라서 관입 간극 수압이 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 특히, 본 연구에서 사용한 콘과 같이 다공질 필터가 콘의 원추 뒷면에 위치하고 과압밀 정도가 큰 경우, OCR이 커짐에 따라 ""가 작아질 수 있다는(정수압보다 작아지는 경우 도 발생) 사실을 알 수 있다. 이는。後이 큰 지반에서의 피에조콘 관입시 콘의 원추 뒷면이나 주면부에서 공동 이 발생 하고, 이 러한 공동으로 인해 간극수압의 동수경 사가 크게 발생하기 때문이다.
- 5보다 클 때 에는 오차 범위가 가장 작은 Mr에서도 피 에조콘 계수의 오차 범위 내에서 비배수 전단강도가 7배 정도의 차이 를 나타낼 수 있으므로 유의할 필요가 있다. 그러나, OCR이 1.5보다 작은 정규압밀 또는 약간 과압밀된 경 우에는 응력이력을 제외한 지반 특성의 다양성의 영향 에도 불구하고 신뢰성 이 높은 결과를 주는 것으로 나타 났다.
- 결론적으로 CPTu를 이용하여 점성토의 비배수 전단 강도를 구하고자 할 경우에는 정규압밀 또는 약간 과압 밀된 지반(OCM2.5)의 경우에 한정하여 Mt와을 이 용하고, OCR에 따라 구분하여 나타낸 표 6의 값들을 사 용하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
- (1) 국내의 다양한 지반 조건에 대하여 얻어진 피에조콘 계수들을 평균값으로 기존 연구 결과들과 비교할 때 Mz(=14.1)는 비슷한 값을 나타냈으나, 丿方(=14.0)와 M“(=3.7)는 큰 차이를 나타냈으며, 신뢰도 관점 에서 볼 때 오차 범위가 너무 넓기 때문에 바로 적용하기 에는 무리가 따를 수 있다.
- (2) 피에조콘 계수(Mr, 는 소성지수와 무관한 반면, 과압밀비(OG?)와 밀접한 관계가 있으며, OCRQ] 커 짐에 따라 증가한다. 또한, 오차 범위에 따른 신뢰성 은 OCR의 증가와 함께 감소하는 것으로 나타났다.
- (2) 피에조콘 계수(Mr, 는 소성지수와 무관한 반면, 과압밀비(OG?)와 밀접한 관계가 있으며, OCRQ] 커 짐에 따라 증가한다. 또한, 오차 범위에 따른 신뢰성 은 OCR의 증가와 함께 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 CPTu를 통해 비배수 전단강도를 산정할 경 우 정규압밀 또는 약간 과압밀된 영역(OCR<2.
후속연구
- 따라서 국내 점성토 지반의 비배수 전단강도를 산정하는데 CPTu를 적용하기 위해서 는 국내에서 수행한 시험 결과로부터 구한 피에조콘 계수 를 이용하는 것이 가장 합리적이다. 아울러 국내 지반 특 성의 다양성을 반영하기 위해서 흙의 공학적 특성 등에 따른 영향을 정량적으로 평가하는 것이 필요할 것이다.
- 표 4를 보면, g나 의 경우, 모든 결과를 이용하여 산정한 값과 차이를 보이지 않지만, Mz는 평균값 뿐 아 니라 오차도 크게(약 18% 정도) 줄어드는 결과를 보이 고 있다. 이는 지반의 불균질성의 영향을 배제함으로써 그만큼 결과의 신뢰성이 높아진 것으로 판단되고, 따라 서 균질한 지반의 경우 보다 더 합리적이고 정확한 피에 조콘 계수를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 앞서 설명한 바와 같이, 같은 기준 시험 방법을 적용 한 균질한 지반이라 하더라도 지반의 공학적 특성이 다 를 경우, 피에조콘 계수 또한 달라지게 되기 때문에 그 영향에 대한 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 실제 지반에의 원활한 적용을 위하여 지반의 대표적인 공학적 특성 인 儿 및 OCR과 피 에조콘 계수와의 상관 관 계를 분석함으로써 다양한 지반을 대 변할 수 있는 피 에 조콘 계수에 대하여 살펴보았다.
- (3) 조사가 수행된 국내 대표적 연약지반 10개 지역의 피에조콘 지수 를 제시하였다. 지반 형성시 조건 의 차이로 인하여 중부지역은 11.9 이상의 상대적으 로 큰 값을 갖는 반면에 남부 지역은 H.6 이하의 작은 값을 갖는 것으로 나타났고 이 값들은 향후 대 상지역에 바로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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