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문제 정의
- 본 논문에서는 노상토의 변형 특성을 고려하여 평판재하 시험으로부터 공용 하중 상태에서 포장 하부구조가 경험하는 중간 변형률 영역에서의 변형계수 결정기법을 제안하였다. 이를 위하여 지지력계수탄 성계수 사이의 관계식과 평판 재하시험시의 지반 내의 응력 및 변형률에 관한 특성을 고찰하였다.
- 본 연구는 한국건설교통기술평가원에서 주관하는 건설 핵심기술연구개발사업의 수탁과제인 “불포화 사면 및 다짐지반 최적화 표준설계를 위한 지반정수 산정 기술(04 핵심기술 A01-08)”과 건설교통부 수탁과제인 “한국형 포장설계법 개발과 포장 성능 개선 방안 연구”의 일부 성과 물로 이에 감사를 표합니다.
- 시험은 다음과 같은 절차를 통해 수행하였으며, 도로의 노상토에서 평판 재하시험으로부터 현장의 변형 특성을 산정하는 방법을 이와 같이 제안하고자 한다.
가설 설정
- 4)를 결정한 평판의 직경에 해당하는 깊이에서의 평균 유효 응력을 고려하여 변형계수를 산정하였다. 노상토의자중에 의한 수평응력은 정지토압계수, Ko를 0.5로 가정하여 산정하였다.
제안 방법
- (1) 현장 변형계수를 산정하기 위한 새로운 평판재하시험 방법과 해석법을 제안하였다. 일상적인 평판재하 시험을 이용하여 하중 단계를 보다 세밀히 하고, 반복하중을 적용하여 응력 상태를 고려하면 현장 조건에서 포장체가 경험하는 중간 변형률 영역의 신뢰성 있는 변형계 수 산정이 가능함을 알 수 있었다.
- 1999).각 현장으로부터 직접 교란 시료를 채취하여 최적함 수비와 최대 건조단위 중량의 95% 다짐으로 시료를 성형하여 공진주 시험을 수행하였다. 공진주 시험으로부터 각 노상토 시료의 정규화 전단 탄성계수 감소 곡선을 산정하여 크로스홀 시험으로부터 현장의 변형 특성을 산정하는데 이용하였다.
- 각 현장으로부터 직접 교란 시료를 채취하여 최적함 수비와 최대 건조단위 중량의 95% 다짐으로 시료를 성형하여 공진주 시험을 수행하였다. 공진주 시험으로부터 각 노상토 시료의 정규화 전단 탄성계수 감소 곡선을 산정하여 크로스홀 시험으로부터 현장의 변형 특성을 산정하는데 이용하였다. 한편, 공진주시험을 구속압 21kPa, 41 kPa, lOOkPa 단계별로 실시하여 구속압에 대한영향을 살펴보았고, 식(9)에서의 구속압보정계수, n을 산정하였다.
- 5사이의 값을 가정하여 사용한다. 두 번째로 각 시험방법에서의 평균 유효 응력의 산정인데, 변형률 영향계수 &=0.4)를 결정한 평판의 직경에 해당하는 깊이에서의 평균 유효 응력을 고려하여 변형계수를 산정하였다. 노상토의자중에 의한 수평응력은 정지토압계수, Ko를 0.
- 노상과 같이 지표면 근처의 지반은 불포화 상태이며 이와 같은 지반의 강성은 모관 흡수력(suction)과 관련이 깊은 계절적 함수비 변화에 크게 영향을 받는다(Kim 등, 2003). 따라서, 동일한 지 반 조건에서 함수 비 변화에 따른 제안된 평판 재하시험 해석기법의 적용성을 알아보기 위하여 하나의 노상 현장(Site C)에서 함수비가 변화한 날짜별로 3번에 걸쳐 평판 재하시험 및 크로스홀 시험을 수행하였다. 함수비가 변화한 날짜별로 Site C-l, C-2, C-3 으로 분류하였으며, 수동식 오거로 각 깊이 별로 흙을 채취하여 함수비를 측정하였다 C-l, C-2는 강우에 의해 함수비가 증가한 경우이고, C-3은 그 후 함수비가 감소하였을 때 현장조건을 나타낸다.
- 포함한 흙으로만 이루어졌다. 모든 현장의 노상 층이 진동롤러를 이용하여 30cm 두께씩 4층 다짐으로 이루어졌다. 표 1에 각 현장의 노상토의 물성 특성을 나타내었다.
- 그림 2에 나타나듯이 깊이 별로 변형률이 다르기 때문에 전체층을 대표할 수 있는 변형률이 요구된다. 본 논문에서는 평판 재하시험 영향 범위의 중간 깊이인 평판 직경에서의 변형률을 대표 변형률仏=0.4)로 결정하였다. 이에 대한 검토는 현장시험 결과 부분에 나타내었다.
- 동일한 변형 특성을 얻을 수 있을 것이다. 본 논문에서는 평판 재하시험으로부터 구하고자 하는 노상의 대표적 변형특성을 평판 재하시험 영향 깊이의 중앙인 평판의 직경(B)에 해당하는 위치에서 결정하고 자 변형률 영향계수, L=0.4로 정하였다.
- 본 연구에서는 반복식 평판 재하시험을 수행하여 평판에 유발된 응력과 침하량으로부터 노상토의 중간변형률 영역(0.01%~0.1%)에서 신뢰성 있는 변형계수를 측정하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 본 연구에서는 직경 30cm의 강체 평판으로 반복재하 시험을 수행하여 변형계수를 평가하였다. 일반 평판재하 시험보다 엄밀한 값을 산정하기 위하여 평판에 작용된 하중은 로드셀을 이용하여 측정하였고 평판에 발생하는 침하량을 3개의 LVDT로부터 평균값을 구하여 산정하였다.
- 본 연구에서는 현장시험으로 총 3곳의 도로 현장에서 노상 다짐이 완료된 후 평판 재하시험을 수행하여 중간변형률 영역에서 노상토의 현장 변형 특성을 산정하였다. 이의 신뢰성을 검증하기 위하여 평판 재하시험이 수행된 현장에서 크로스홀 시험을 실시하고 교란 시료를 채취하여 실내에서 다짐 시험과 공진주시험을 수행하였다.
- 이 상을 고려하여 본 논문에서는 평판재하 시험으로부터 변형률에 따른 변형계수를 결정하기 위하여 최대하중 40kN까지 3회 이상의 반복하중시험을 수행하였다 재재하와 역재하를 수행하는 동안에 보다 세밀한 하중 단계별로 평판에 작용하는 하중 강도와 변위를 측정하여 중간 변형률 영역에서의 현장 변형계수를 정하였다.
- 제안하였다. 이를 위하여 지지력계수탄 성계수 사이의 관계식과 평판 재하시험시의 지반 내의 응력 및 변형률에 관한 특성을 고찰하였다. 또한, 제안된 시험 방법 및 결과 해석의 신뢰성을 검증하기 위하여 현장 크로스 홀 시험과 실내 공진주 시험을 수행하여 전체 변형률에 따른 현장 탄성계수를 산정하여 비교하였다.
- 이의 신뢰성을 검증하기 위하여 평판 재하시험이 수행된 현장에서 크로스홀 시험을 실시하고 교란 시료를 채취하여 실내에서 다짐 시험과 공진주시험을 수행하였다. 공진주시 험으로부터 정규화 탄성계 수곡선을 산정하여 현장에서 크로스홀 시험으로부터 구한 최대 탄성계수 값을 결합하면, 현장에서의 전체 변형률에 따른 변형 특성을 구할 수 있다.
- 일반 평판재하 시험보다 엄밀한 값을 산정하기 위하여 평판에 작용된 하중은 로드셀을 이용하여 측정하였고 평판에 발생하는 침하량을 3개의 LVDT로부터 평균값을 구하여 산정하였다. 작용한 하중은 IkN~2kN씩 단계적으로 증가시켰고 역재하 단계에서는 4kN~6kN씩 하중을 감소시키며 시험을 수행하였다. 각 단계별로 침하 속도가 크게 감소한 후다음 하중 단계로 넘어갔으며 최대 하중은 대략 40kN이다.
- 크로스 홀 시험은 평판 재하시험이 수행된 인근 지역 노상 지표면으로부터 0.1m 간격으로 수행하였으며, Site C에서는 함수 비가 다른 날짜별로 동일 위치에서 시험을 수행하였다. 평판 재하시험으로부터 구한 탄성 계수와 비교하기 위하여 각 현장별로 평판 재하시험 영향 깊이인 평판 직경의 2배에 해당하는 깊이, 0.
- 4를 사용하였으며 평균 유효 응력 41kPa일 때의 변형계수로 보정하였다. 크루스홀시험 결과 역시 평판의 영향 깊이 (2B) 내에서의 평균값을 평판 직경 위치에서의 응력 상태를 고려하여 평균 유효 응력 41kPa일 때의 변형계수로 보정하여 비교하였다. 그림 10에 나타난 결과를 살펴보면, 두 시험 결과가 중간변형률 영역에서 비슷한 변형 특성을 나타냄을 알 수 있다.
- 1m 간격으로 수행하였으며, Site C에서는 함수 비가 다른 날짜별로 동일 위치에서 시험을 수행하였다. 평판 재하시험으로부터 구한 탄성 계수와 비교하기 위하여 각 현장별로 평판 재하시험 영향 깊이인 평판 직경의 2배에 해당하는 깊이, 0.6m까지의 평균값 및 최대값, 최소값을 산정하였다. 각 현장에서 의 시험 결과를 표 2에 나타내었다.
- 평판 재하시험으로부터 변형률 영향계수 결정의 영향을 알아보기 위하여 변형률 영향계수를 0.6, 0.4, 0.2로 구분하여 적용하였다. 그림 9(a)에 평판의 직경에 해당하는 0.
- 평판 재하시험을 수행하여 얻은 결과로부터 노상 토의변형계수 및 변형률을 산정하는 방법을 다음과 같이 검토하였다. 이와 같은 방법들은 그림 1(a)에 나타난 평판재하 시험의 영향 반경(2B)이내에 동일한 지반 조건이라는 가정 하에 적용한 것이다.
- 평판 재하시험의 응력-침하량 결과로부터 각 하중 단계에서 평판 직경 깊이에서의 할선탄 성계수와 축 변형률을 산정하였다. 이와 같이 Site A에서 반복 평판재하 시험으로부터 얻은 변형률에 따른 변형계수를 크로스홀 시험 결과와 비교하여 그림 7에 나타내었다.
- 이와 같은 방법은 현장의 변형 특성을 상당히 정확하게 산정할 수 있으므로 평판재하 시험의 신뢰성을 검토하기에 타당한 방법이다. 한 곳의 현장에서는 노상의 환경에 따른 현장조건에서의 변형계수 변화를 평판 재하시험으로부터 산정할 수 있는 지 살펴보기 위하여 같은 위치에서 시험 날짜를 달리하여 함수 비 변화에 따라 시험을 수행하였다.
- 따라서, 동일한 지 반 조건에서 함수 비 변화에 따른 제안된 평판 재하시험 해석기법의 적용성을 알아보기 위하여 하나의 노상 현장(Site C)에서 함수비가 변화한 날짜별로 3번에 걸쳐 평판 재하시험 및 크로스홀 시험을 수행하였다. 함수비가 변화한 날짜별로 Site C-l, C-2, C-3 으로 분류하였으며, 수동식 오거로 각 깊이 별로 흙을 채취하여 함수비를 측정하였다 C-l, C-2는 강우에 의해 함수비가 증가한 경우이고, C-3은 그 후 함수비가 감소하였을 때 현장조건을 나타낸다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 3곳의 도로 노상토 현장을 시험 대상으로 하였는데, 임의로 각 현장을 Site A, B, C로 분류하였다 Site A와 Site B는 다수의 암버럭을 포함한 지반으로 사질 성분을 많이 나타내는 반면에, Site C는 약간의 점성을 포함한 흙으로만 이루어졌다. 모든 현장의 노상 층이 진동롤러를 이용하여 30cm 두께씩 4층 다짐으로 이루어졌다.
- 전단 탄성계수를 산정하였다. 이를 평판 재하 시험 결과와 비교하기 위하여 축변형률에 따른 변형계수로 변환하고, 각 시험 현장의 시험 결과에 최대값, 최소값, 평균값의 범위를 산정하여 비교 대상으로 나타내었다.
데이터처리
- 이를 위하여 지지력계수탄 성계수 사이의 관계식과 평판 재하시험시의 지반 내의 응력 및 변형률에 관한 특성을 고찰하였다. 또한, 제안된 시험 방법 및 결과 해석의 신뢰성을 검증하기 위하여 현장 크로스 홀 시험과 실내 공진주 시험을 수행하여 전체 변형률에 따른 현장 탄성계수를 산정하여 비교하였다.
- 수행하여 변형계수를 평가하였다. 일반 평판재하 시험보다 엄밀한 값을 산정하기 위하여 평판에 작용된 하중은 로드셀을 이용하여 측정하였고 평판에 발생하는 침하량을 3개의 LVDT로부터 평균값을 구하여 산정하였다. 작용한 하중은 IkN~2kN씩 단계적으로 증가시켰고 역재하 단계에서는 4kN~6kN씩 하중을 감소시키며 시험을 수행하였다.
이론/모형
- 사질토 또는 조립토에서 하중이 재하된 원형 판 중심 아래에서의 변형률을 예측하는 방법이 Schmertmann(1970, 1978)에 의해변형률 영향계수(strain influence factor, Iz) 를 이용하여 제안되었다. 이와 같은 깊이 별 변형률 영향계수는 그림 2에 나타난 바와 같다 유효영향 깊이는 평판 직경의 2배이고, 평판 직경의 반지름에 해당하는 깊이에서 최대 변형이 유발되는 bi-linear의 형태로 단순화 할 수 있다.
성능/효과
- (2) 각 시험 간의 응력 상태를 무시할 경우, 반복 식 평판재하 시 험으로부터 구한 변형계수가 크로스홀 시 험으로부터 산정한 변형계수보다 크게 나타났다. 이것은 각 시험사이의 응력 상태가 차이가 나기 때문이며 평균 유효 응력을 고려하여 동일한 기준 평균 유효 응력으로 보정한 결과, 변형률에 따른 탄성계수의 감소 경향 및 크기가 비슷하게 나타남을 알 수 있었다.
- (3) 평판 재하시험의 유효영향깊이 내에서 노상토가 동일한 종류의 지반과 다짐 조건으로 형성되었다면, 대표 변형률을 정확히 결정하지 못하더라도 결정된 변형률에 해당하는 위치에서의 응력 상태를 합리적으로 보정해준다면 깊이 별 동일한 변형 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- (4) 반복식 평판 재하시험으로부터 현장의 함수 비 변화에 따른 변형계수를 추정한 결과, 크로스 홀 시험으로부터 유추한 변형계수와 비슷한 경향을 나타내었으며 함수 비의 감소에 따라 변형계수 증가가 뚜렷이 나타남을 알 수 있었다. 즉, 현장의 환경 조건의 변화에 따라서도 제안된 평판 재하시험 해석기법의 적용성이 확인 되었다
- 각각 평균 유효응력 41kPa일 때의 변형계수로 환산하여 그림 7(b)에 나타내었다. 결과에서 알 수 있듯이 두 시험의 응력 상태를 같게 보정하면 평판재하 시험으로부터 구한 재재하 단계에서의 변형계수와 크로스 홀 시험으로부터 구한 결과가 비교적 잘 일치 하는 것을 알 수 있다. 또한, 평균 유효응력의 보정으로 인해, 평판재하 시험에서의 재재하단계 변형계수와 역재하단계 값사이의 차이도 보정 전에 비해 현저하게 감소함을 알 수 있다.
- 결과에서 알 수 있듯이 두 시험의 응력 상태를 같게 보정하면 평판재하 시험으로부터 구한 재재하 단계에서의 변형계수와 크로스 홀 시험으로부터 구한 결과가 비교적 잘 일치 하는 것을 알 수 있다. 또한, 평균 유효응력의 보정으로 인해, 평판재하 시험에서의 재재하단계 변형계수와 역재하단계 값사이의 차이도 보정 전에 비해 현저하게 감소함을 알 수 있다. 그러나 여전히 재재하 단계의 값과 역재하단계 결과 사이에는 차이가 발생하는데 이러한 이유는 평균 유효 응력 이외에도 하중반복 횟수에 따른 소성변형의 증가에 원인이 있을 수 있다.
- 이상의 결과로부터 평판 재하시험의 초 기재 하단 계에서는 단부오차 및 상당량의 소성변형이 포함되어 변형계수를 산정함은 무리가 있지만, 재재하단 계의 결과로부터는 중간 변형률 영역의 변형 특성을 신뢰성 있게 평가할 수 있는 가능성을 살펴보았다. 따라서 응력 상태를 고려하여 기준 평균 유효응력으로 보정해주면 탄성파 시험 및 삼축시험 또는 반복 재하식 Mr 시험으로부터 구한 설계변형 계수와의 비교도 가능하리라 판단된다.
- 방법과 해석법을 제안하였다. 일상적인 평판재하 시험을 이용하여 하중 단계를 보다 세밀히 하고, 반복하중을 적용하여 응력 상태를 고려하면 현장 조건에서 포장체가 경험하는 중간 변형률 영역의 신뢰성 있는 변형계 수 산정이 가능함을 알 수 있었다.
- 나타남을 알 수 있었다. 즉, 현장의 환경 조건의 변화에 따라서도 제안된 평판 재하시험 해석기법의 적용성이 확인 되었다
- 평판재하 시험의 결과는 재재하 단계에서 평판의 직경(B)에 해당하는 위치의 변형률 영향계수, L=0.4를 사용하였으며 평균 유효 응력 41kPa일 때의 변형계수로 보정하였다. 크루스홀시험 결과 역시 평판의 영향 깊이 (2B) 내에서의 평균값을 평판 직경 위치에서의 응력 상태를 고려하여 평균 유효 응력 41kPa일 때의 변형계수로 보정하여 비교하였다.
후속연구
- 평가할 수 있는 가능성을 살펴보았다. 따라서 응력 상태를 고려하여 기준 평균 유효응력으로 보정해주면 탄성파 시험 및 삼축시험 또는 반복 재하식 Mr 시험으로부터 구한 설계변형 계수와의 비교도 가능하리라 판단된다.
- 따라서 노상토와 같은 조건에서는 적용이 가능하지만, 일반적으로 두께가 30cm 이내인 보조기 층으로까지 확장하여 적용하기에는 문제가 따른다. 영향 반경이내에서로 다른 층이 존재할 경우에는 보다 엄밀히 깊이 별로 층 구분을 가정하여 보다 복잡한 방법의 사용이 요구될 것이다.
- 이상과 같이 제안된 시험방법을 사용하면 기존의 지지력 계수만 산정하던 평판 재하시험의 단점들을 극복하여 역학적 포장 설계법에서 요구하는 변형 특성을 현장에서 합리적으로 산정할 수 있으리라 판단된다.
- 즉, 유효영향 깊이 내의 노상토가 동일한 종류의 지반과 다짐 조건으로 형성되었으면 대표 수직 변형률을 정확히 결정하지 못하더라도 결정된 수직 변형률에 해당하는 위치에서의 응력 상태를 합리적으로 보정해주면 깊이별 동일한 변형 특성을 얻을 수 있을 것이다. 본 논문에서는 평판 재하시험으로부터 구하고자 하는 노상의 대표적 변형특성을 평판 재하시험 영향 깊이의 중앙인 평판의 직경(B)에 해당하는 위치에서 결정하고 자 변형률 영향계수, L=0.
- 따라서, 함수비 변화와 같은 현장조건에서의 변형계수 측정연구는 매우 중요하며, 평판 재하시험으로 현장 조건에 따른 변형계수 측정이 가능함을 확인할 수 있었다. 향후, 보다 다양한 지반 및 현장조건에서의 변형 특성 연구와 실내시험 연구의 비교가 필요할 것으로 판단된다.
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