[논문]연약지반에 대한 더치콘과 피에조콘 관입시험 비교 연구

원정윤; 장병욱; 우철웅; 윤상묵

문제 정의

본 논문에서는 영산강 하구 간척지에서 수행된 더치콘관입시험 결과를 이용하여 다양한 분석 방법에 대한 사례를 제시하고 피에조콘 관입시험 결과와 비교분석하여 각 시험방법의 장단점을 평가하여 더치콘관 입시험을 재평가하고자 한다. 또한 콘형상의 차이로 인한 더치콘과 피에조콘의 관입 저항값을 분석하여 상관관계를 제시하고자 한다. 이를 위하여 더치콘과 피에조콘 관입 시험을 동일한 지점에서 수행하고 현장베인 시험을 실시하였다.
본 논문에서는 연약지반조사에 널리 사용되고 있는 피에조콘(전자식 콘)과 더치콘(기계식 콘) 관입 시험 결과를 비교 분석하기 위하여 동일한 지점에서 두 시험을 실시하고, 실내역학 시험과 현장베인 시험으로 구한 전단 강도와 비교하였다. 더치콘과 피에조콘 결과를 이용한 지층 분류는 다소 차이를 보이고 있지만, 실용적으로 동일한 분류 결과를 얻을 수 있었다.
이며, 더치콘관입시험 결과의 분석 방법이나 활용, 그리고 최근 널리 사용되고 있는 피에조콘 관입시험과의 비교 사례는 찾아보기 힘들다. 본 논문에서는 영산강 하구 간척지에서 수행된 더치콘관입시험 결과를 이용하여 다양한 분석 방법에 대한 사례를 제시하고 피에조콘 관입시험 결과와 비교분석하여 각 시험방법의 장단점을 평가하여 더치콘관 입시험을 재평가하고자 한다. 또한 콘형상의 차이로 인한 더치콘과 피에조콘의 관입 저항값을 분석하여 상관관계를 제시하고자 한다.

제안 방법

더치콘/피에조콘 관입시험 과정에서 측정된 콘관입 저항과 마찰력, 간극수압을 이용하여 연약층을 대상으로 지층 분류를 수행하였다. 콘관입 시험으로 지층을 분류할 때 가장 일반적으로 사용되는 Robertson 등(1986, 1990)의 분류차트를 이용한 지층 분류 결과를 Fig.
콘관입 시험으로부터 추정한 전단 강도를 현장 베인, 실내시 험결과의 전단 강도와 비교한 결과 두 시험방법 모두 잘 일치하고 있다. 더치콘/피에조콘콘형상의 차이로 인하여 콘관입 저항값은 차이를 보이는데, 6개소 데이터를 이용하여 두 시험법의 콘관입 저항의 상관관계식을 구하였다. 이식을 이용하여 환산한 결과 피에조콘 관입 저항과 잘 일치하고 있다.
이를 위하여 더치콘과 피에조콘 관입 시험을 동일한 지점에서 수행하고 현장베인 시험을 실시하였다. 또한 자연시료를 채취하여 실내에서 역학시험을 실시하였다.
이식을 이용하여 환산한 결과 피에조콘 관입 저항과 잘 일치하고 있다. 또한 준설토와 같이 매우 연약한 지층에 두 시험방법을 적용한 사례를 제시하고 연약지반조사에서 더치콘 관입 시험의 유연성을 평가하였다.
본 연구에서 동일한 지점에서 수행한 피에조콘/더치콘 시험 6개 결과를 이용하여, 두 시험법 간의 콘관입 저항의 상관성을 분석하였다. 먼저 각 지점에서의 q_c의 경향을 분석하여 Fig.
콘관입시험 결과를 이용하여 지반의 전단 강도를 추정하는 방법은 콘관입 저항만을 이용하는 경우, 상재하중을 고려한 경우, 간극수압을 이용하는 경우 등으로 다양한 식들이 제시되어 있다. 본 연구에서는 식(1)과 같이 전 응력 개념의 전단 강도 추정식을 이용하여 연약층의 전단 강도를 추정하였다.
³⁾연약층 두께를 파악하기 위하여 134개소에서 더치콘 관입시 험을 수행하였는데, 그 중 피에조콘 관입 시험(9개소)과 동일한 지점에서 수행한 6개 지점의 데이터를 분석하였다. 이 지점에서는 시추조사와 더불어 자연시료 채취, 현장베인 시험을 실시하였다. Fig.
또한 콘형상의 차이로 인한 더치콘과 피에조콘의 관입 저항값을 분석하여 상관관계를 제시하고자 한다. 이를 위하여 더치콘과 피에조콘 관입 시험을 동일한 지점에서 수행하고 현장베인 시험을 실시하였다. 또한 자연시료를 채취하여 실내에서 역학시험을 실시하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사례로 제시한 현장은 Fig. 1과 같이 전라남도 영산강 하구언 주변에 위치하고 있으며, 행정구역상 전라남도 목포시와 무안군에 포함된 지역으로 "남악신도시 택지개발 예정지구"이다. 본 현장은 과거 영산강 하구 언 건설이전에는 해수와 담수가 교차했던 전형적인 하구 지형이며, 하구언과 함께 건설된 대죽방조제로 내부에 형성된 간척지는 현재 농지로 사용되고 있다.
9 m의 연약층 두께를 보이고 있다.³⁾연약층 두께를 파악하기 위하여 134개소에서 더치콘 관입시 험을 수행하였는데, 그 중 피에조콘 관입 시험(9개소)과 동일한 지점에서 수행한 6개 지점의 데이터를 분석하였다. 이 지점에서는 시추조사와 더불어 자연시료 채취, 현장베인 시험을 실시하였다.
1에서 A-A' 단면)의 예를 보여주고 있다. Fig. 6에서와 같이 시추 조사(118공)와 함께 더치콘관입시험(134개소)을 이용하여 결정한 연약층 (SPT N<10/30, 더치콘q_c<20 ㎏/㎝²) 분포를 등고선으로 작성하여 Fig. 7에 나타내었다. 이로부터 대단위 사업지구에 대한 지반조사에서, 시추조사는 실내시험을 위한 시료 채취, 지층 단면의 토질 구성 파악, 구조물 설치지점의 암반 분포 등을 결정하기 위하여 최소한으로 배치하고 더치콘 관입시험과 같은 경제적인 방법으로 지층분포를 결정하는 것이 합리적이라는 것을 알 수 있다.
1과 같이 전라남도 영산강 하구언 주변에 위치하고 있으며, 행정구역상 전라남도 목포시와 무안군에 포함된 지역으로 "남악신도시 택지개발 예정지구"이다. 본 현장은 과거 영산강 하구 언 건설이전에는 해수와 담수가 교차했던 전형적인 하구 지형이며, 하구언과 함께 건설된 대죽방조제로 내부에 형성된 간척지는 현재 농지로 사용되고 있다.
일반적으로 더치콘 시험은 인력으로 운반하게 되어 있어 많은 번거로움이 있었는데, 궤도 주행장 치를 장착하여 신속한 이동과 함께 정치의 정확성과 편리를 도모하였다. 시험에 사용한 콘의 형상은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 선단각 60° 콘저면적 10 ㎝² , 마찰슬리브 표면적 145 ㎝² 의 맨틀콘으 로 관입 저항과 마찰력을 2 ㎝/s 속도로 관입하면서 측정하였다. 피에조콘 장비는 Hogentolgler사 제품으로 선 단각 60° 선 단면적 10 ㎝², 마찰슬리브 표면적 150 ㎝² 의 10 ton 용량의 콘과 간극수압 측정 장치를 가지고 있으며, ASTM D5778-95 규정에 따라 2 ㎝/s의 속도로 관입하였다.

데이터처리

8에서 실내시험(일축 압축시험, 비압밀비 배 수 삼축시험)과 현장베인 시험으로 구한 연약층의 전단 강도를 이용하여 콘계수를 결정한 결과를 나타내었다. 실내시험과 현장베인 시험 결과 중심도에 따른 증가 경향을 고려하여 68% 신뢰영역(평균±표준편차)에 대한 결과만을 이용하였다 (Fig. 8a). 이렇게 결정된 더치콘 관입시험의 콘계수 M=18.

이론/모형

3에 나타낸 바와 같이 선단각 60° 콘저면적 10 ㎝² , 마찰슬리브 표면적 145 ㎝² 의 맨틀콘으 로 관입 저항과 마찰력을 2 ㎝/s 속도로 관입하면서 측정하였다. 피에조콘 장비는 Hogentolgler사 제품으로 선 단각 60° 선 단면적 10 ㎝², 마찰슬리브 표면적 150 ㎝² 의 10 ton 용량의 콘과 간극수압 측정 장치를 가지고 있으며, ASTM D5778-95 규정에 따라 2 ㎝/s의 속도로 관입하였다.

성능/효과

이러한 분류상의 차이는 두 시험방법에서 콘형상의 차이로 인한 콘관입 저항의 차이와 함께, 피에조콘의 경우 간극수압을 이용한 분류를 수행하는 반면, 더치콘의 경우 간극수압을 반영하지 못하기 때문에 발생하는 것으로 판단된다. Fig. 4, Fig. 5에서 보여지듯이 두 시험방법 모두 지층분류 결과 점토~실트질 점토로 분류되고 있는데, 이를 통해 피에조콘과 더치콘을 이용한 지층 분류 결과는 연약지반에 대한 조사에서는 동등하다고 판단할 수 있으며 더치콘관입 시험으로도 실용적인 지층 분류가 가능하다는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 연약지반조사에 널리 사용되고 있는 피에조콘(전자식 콘)과 더치콘(기계식 콘) 관입 시험 결과를 비교 분석하기 위하여 동일한 지점에서 두 시험을 실시하고, 실내역학 시험과 현장베인 시험으로 구한 전단 강도와 비교하였다. 더치콘과 피에조콘 결과를 이용한 지층 분류는 다소 차이를 보이고 있지만, 실용적으로 동일한 분류 결과를 얻을 수 있었다. 연약지반으로 구성된 대단위 사업지구에 대한 지반조사에서 시추조사와 함께 콘관입 시험, 특히 더치콘 관입시험을 실시함으로서 연약증후의 공간적 분포를 경제적으로 정밀하게 파악할 수 있었다.
더치콘과 피에조콘 결과를 이용한 지층 분류는 다소 차이를 보이고 있지만, 실용적으로 동일한 분류 결과를 얻을 수 있었다. 연약지반으로 구성된 대단위 사업지구에 대한 지반조사에서 시추조사와 함께 콘관입 시험, 특히 더치콘 관입시험을 실시함으로서 연약증후의 공간적 분포를 경제적으로 정밀하게 파악할 수 있었다.
이로부터 연약지반에 대한 조사계획 수립시 피에조콘관입시험은 수평방향 압밀계수 등의 특수한 목적을 위해 필요개소에서 수행하고, 연약지반의 분포 심도와 지층의 분류, 그리고 전단 강도의 평가를 위해서는 상대적으로 경제적인 더치콘 시험을 적극 활용할 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

식(4)를 이용하여 더치콘 q_c로 계산한 q_ce는 피에조콘의 q_c와 연약층 범위에서 잘 일치하고 있으며, Kulhawy and Mayne⁵⁾가 제시한식(3)과는 그래프상에서 구분되지 않을 정도로 매우 유사한 결과를 보이고 있다. 본 연구에서 제안한식(4)는 연구 대상 지역에서 더치콘 q_c가 1MPa이내인 점토 질 흙에 대한 식으로서 모래질흙에 적용하기 위해서는 추가적인 연구를 통해 수정되어 사용되어야 할 것이다.

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