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문제 정의
- 본 연구에서는 소형통수능력 실험을 통하여 연약지 반 내에 연직배수재가 타설되었을 때, 지반 내에서 발생하는 측압하에서의 통수능력을 평가하고자 그림 2(a)와 같은 소형 통수능력 실험장치를 제작하였다(신은철 등, 2001). 본 실험장치는 가로 28cm, 세로 32cm인 사각형 강관 내에 배수재 양단을 실험기의 상하부에 고정시키 고, 그 외부를 두께 0.
- 본 연구에서는 연직배수재를 활용하여 연약지반을 개량할 경우 현장조건을 고려한 통수능력을 평가하였다. 소형 통수능력 실험장치와 현장조건을 고려한 대형 통수능력 실험장치를 이용하여 연직배수재의 종류, 토 사종류, 측압, 상재하중, 동수경사의 실험조건을 설정하 여, 각각의 조건에 따른 종방향 통수능력 실험을 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
- 0)시켜가며 실험을 실시하였다. 각각의 상재하중을 단위중량이 20kN/m3인 성토재를 사용한다는 가정하에 성토높이로 환산하였다. 또한, 실험에 사용된 토사시료에 대해 Boussinesq의해 법을 사용하여 원형등분포 하중에 의한 중심하부에서 의 수직응력을 구하고, 이를 정지토압계수를 사용하여 측압으로 나타내었다.
제안 방법
- 이때 물의 흐름은 유입 및 유출 수조의 수두차로서 조절하였다. 그 후 표 1과 같은 실험조건에 대하여 단위시간당 의 통수량을 측정하였다. 또한, 표 2에 나타낸 바와 같이 각각의 연직배수재에 대한 공학적 특성을 나타내었고, 각기 다른 배수재에 대하여 실제 지반에서의 상재하중 변화와 동수경사 조건에 따른 통수능력의 변화를 측정하였다.
- 물은 하부에서 상부로 흐르 게 하였으며, 이때 물의 흐름은 유입 및 유출 수조의 수두 차로서 조절하였다. 그 후 표 1과 같은 실험조건에 대하여 단위시간당의 통수량을 측정하였다 즉, 본 실험에서는 3 종류의 연직배수재를 가지고 측압의 변화와 동수경사 조 건에 따른 통수능력의 변화를 고찰하였다.
- 대형통수능력 실험은 연직배수재가 연약지반내에 타 설된 후, 현장에서 상부토층에 의하여 가해지는 상재하 중 하에서 통수능력을 평가하기 위하여 하중재하에 따른 대형통수능력 실험을 실시하였다. 그림 2(b)에 나타낸 바와 같이 모형지반 조성은 직경 50cm, 높이 120cm 인 원통형 강관 내에 배수재를 하단부에 고정시키고 강 관 내에 토사시료를 채운 후, 하중재하장치로 하중을 가 하여 연직배수재가 모형지반과 함께 거동하도록 하였다. 관로의 유입부는 하부에 연결되고, 유출부는 상부에 연결됨으로서 물이 하부에서 상부로 흐르게 하였다.
- 대형통수능력 실험은 연직배수재가 연약지반내에 타 설된 후, 현장에서 상부토층에 의하여 가해지는 상재하 중 하에서 통수능력을 평가하기 위하여 하중재하에 따른 대형통수능력 실험을 실시하였다. 그림 2(b)에 나타낸 바와 같이 모형지반 조성은 직경 50cm, 높이 120cm 인 원통형 강관 내에 배수재를 하단부에 고정시키고 강 관 내에 토사시료를 채운 후, 하중재하장치로 하중을 가 하여 연직배수재가 모형지반과 함께 거동하도록 하였다.
- 동수경人卜를 여러조건으로 변화시켜가며 배수재의 통 수능력을 검토하기 위하여 점토와 준설토에서의 동수 경사의 변화를 주어 실험을 실시하였다.
- 유입수조와 출입수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량 을 측정하였다. 동일조건에서의 통수량은 5회씩 측정하여 평균치를 이용하였다. 한 하중단계의 실험이 완 료되면 다음 단계의 하중을 가하여 통수능력을 측정하였다.
- 두 가지 시료의 지반공학적 특성을 파악하기 위하여 자연함수비시험, 입도분포시험 등의 물성시험을 실시하였다. 통수능력 실험에 사용된 해성점토;의 자연함수 비는 32%, 비중은 2.
- 따라서, 본 연구에서는 현장조건을 고려한 실내 통수 능 실험을 실시하여, 배수재의 종류, 토人V종류, 하중조 건 및 동수경사에 따른 통수능력을 비교, 평가하였다.
- 그 후 표 1과 같은 실험조건에 대하여 단위시간당 의 통수량을 측정하였다. 또한, 표 2에 나타낸 바와 같이 각각의 연직배수재에 대한 공학적 특성을 나타내었고, 각기 다른 배수재에 대하여 실제 지반에서의 상재하중 변화와 동수경사 조건에 따른 통수능력의 변화를 측정하였다.
- 본 연구에서는 연직배수재를 활용하여 연약지반을 개량할 경우 현장조건을 고려한 통수능력을 평가하였다. 소형 통수능력 실험장치와 현장조건을 고려한 대형 통수능력 실험장치를 이용하여 연직배수재의 종류, 토 사종류, 측압, 상재하중, 동수경사의 실험조건을 설정하 여, 각각의 조건에 따른 종방향 통수능력 실험을 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 시간 경과 후 배수재를 하중재하장치 내에 있는 유 출 수조와 연결하고, 유입부 수조의 높이를 조절하여 조건에 해당하는 동수경사로 고정시킨 후, 하중재하장 치를 조절하여 조건에 해당하는 상재하중을 가하였다. 유입수조와 출입수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량 을 측정하였다.
- 유입수조의 높이를 조절하여 조건에 해당하는 동수경사로 고정하고, 콤프 레셔를 이용하여 실험 조건에 해당하는 측압을 가하였다. 유입 및 출입 수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량을 측정하였다. 한 하중단계의 실험이 완료되면 배수재를 교체한 후 상기 과정을 반복하여 측압과 동수경사, 배수 재를 변화시켜가면서 통수능력을 측정하였다.
- 시간 경과 후 배수재를 하중재하장치 내에 있는 유 출 수조와 연결하고, 유입부 수조의 높이를 조절하여 조건에 해당하는 동수경사로 고정시킨 후, 하중재하장 치를 조절하여 조건에 해당하는 상재하중을 가하였다. 유입수조와 출입수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량 을 측정하였다. 동일조건에서의 통수량은 5회씩 측정하여 평균치를 이용하였다.
- 3mm의 고무멤브레인으로 구속한 상태로 설치한 후, 강관의 본체와 덮개를 결합하였다. 유입수조의 높이를 조절하여 조건에 해당하는 동수경사로 고정하고, 콤프 레셔를 이용하여 실험 조건에 해당하는 측압을 가하였다. 유입 및 출입 수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량을 측정하였다.
- 측압과 동수경사를 변화시켜서 실시한 소형통수능력 실험에서 얻은 통수능력을 가지고 연직배수재의 초기 배수면적에 따른 통수능력비를 알아보기 위하여 다음과 같은 분석을 실시하였다.
- 통수능력실험은 실험기 내에 길이 110cm의 배수재를 셀하단부에 고정시킨 후, 토사시료를 강관 내에 90润까 지 채워 넣고 하중재하판을 설치하였다. 토사시료 상부 로의 유실을 막기 위하여 두께 3mm의 고무멤브레인을 하중재하판 위에 올려놓은 후, 토사시료의 안정화를 위하여 휴대용콘관입시험기에 의한 콘관입저항치 변화를 살펴본 결과, 24시간 이후 저항치의 변화가 없어 충분히 안정화가 이루어진 것으로 판단하고, 실험을 수행하였다.
- 통수능력실험은 실험기 내에 길이 110cm의 배수재를 셀하단부에 고정시킨 후, 토사시료를 강관 내에 90润까 지 채워 넣고 하중재하판을 설치하였다. 토사시료 상부 로의 유실을 막기 위하여 두께 3mm의 고무멤브레인을 하중재하판 위에 올려놓은 후, 토사시료의 안정화를 위하여 휴대용콘관입시험기에 의한 콘관입저항치 변화를 살펴본 결과, 24시간 이후 저항치의 변화가 없어 충분히 안정화가 이루어진 것으로 판단하고, 실험을 수행하였다.
- 통수능력실험은 실험기 내에 길이 32cm의 배수재를 0.3mm의 고무멤브레인으로 구속한 상태로 설치한 후, 강관의 본체와 덮개를 결합하였다. 유입수조의 높이를 조절하여 조건에 해당하는 동수경사로 고정하고, 콤프 레셔를 이용하여 실험 조건에 해당하는 측압을 가하였다.
- 동일조건에서의 통수량은 5회씩 측정하여 평균치를 이용하였다. 한 하중단계의 실험이 완 료되면 다음 단계의 하중을 가하여 통수능력을 측정하였다.
- 유입 및 출입 수조의 수두차가 일정해진 후에 유출 수조로 나온 물을 1분간 메스실린더로 받아서 통수량을 측정하였다. 한 하중단계의 실험이 완료되면 배수재를 교체한 후 상기 과정을 반복하여 측압과 동수경사, 배수 재를 변화시켜가면서 통수능력을 측정하였다.
- 현장에서 채취한 준설토와 해성점토를 이용하여 각 기 상재하중이 2, 10, 20, 30, 40kN 조건하에서 동수구배 를 4단계로 변화(i= 0.1, 0.2, 0.5, 1.0)시켜가며 실험을 실시하였다. 각각의 상재하중을 단위중량이 20kN/m3인 성토재를 사용한다는 가정하에 성토높이로 환산하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 소형통수능력 실험을 통하여 연약지 반 내에 연직배수재가 타설되었을 때, 지반 내에서 발생하는 측압하에서의 통수능력을 평가하고자 그림 2(a)와 같은 소형 통수능력 실험장치를 제작하였다(신은철 등, 2001). 본 실험장치는 가로 28cm, 세로 32cm인 사각형 강관 내에 배수재 양단을 실험기의 상하부에 고정시키 고, 그 외부를 두께 0.3mm의 멤브레 인으로 피복함으로서 종방향만의 흐름만 허용한 후, 강관 내부에 콤프레셔를 이용하여 공기압을 가하여 배수재가 지반 내에서 측압을 받는 상태를 나타낸 것이다. 물은 하부에서 상부로 흐르 게 하였으며, 이때 물의 흐름은 유입 및 유출 수조의 수두 차로서 조절하였다.
이론/모형
- 각각의 상재하중을 단위중량이 20kN/m3인 성토재를 사용한다는 가정하에 성토높이로 환산하였다. 또한, 실험에 사용된 토사시료에 대해 Boussinesq의해 법을 사용하여 원형등분포 하중에 의한 중심하부에서 의 수직응력을 구하고, 이를 정지토압계수를 사용하여 측압으로 나타내었다.
성능/효과
- (1) 토사종류에 따른 배수재의 통수능력은 점토보다 준 설토에 타입되었을 경우 더 크게 나타났으며, 이러한 결과는 점토의 입도특성상 필터의 막힘현상과 더불어 필터가 코어 속으로 밀려들어가 배수재의 유로단면적이 줄어드는 크리프현상이 상대적으로 크게 발생하여 준설토의 통수능력이 더 크게 나온 것으로 사료된다.
- (2) 배수재 종류에 따른 통수능력은 배수재 A와 B가 C 에 비하여 크게 도출되었다. 이러한 결과는 배수재 A와 B가 유로단면적이 크며, 크리프현상 및 막힘현 상, 지반침하로 인한 배수재의 변형 등 통수능 저하 요소에 영향을 작게 받는 것으로 판단된다.
- (3) 상재흐}중 및 동수경사에 따른 통수능력은 상재하중의 증가에 따른 측압의 증가와 동수경사의 증가에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 동수경사의 증가에 따른 통수능력의 감소는 배수재 내에 흐르는 물 의 흐름과 관계된 것으로 사료된다.
- (4) 배수재가 점토지반에 타입되었을 경우에는 하모니 카형 코어를 가진 배수재 A와 요철형 코어를 가진 배수재 B의 초기 배수면적비는 1.14, 1인데 통수능 력비는 대략 1.43, 1로서 배수재 A가 더 크게 나타났으며, 준설토 지반에 타입된 경우에는 초기 배수 면적비와 통수능력비가 거의 비례하는 것으로 나타났다.
- 이 중 Qw가 가장 큰 배수재 A의 경우는 동수 경사의 증가에 따른 Qw의 감소경향이 크며, Qw가 가장 작은 배수재 C의 경우는 동수경사에 대하여 Qw의 감소 가 미소하게 나타났다. 동수경사에 따른 통수능력의 감 소를 동수경사가 0.1-0.5, 0.5 ~ 1.0의 두 부분으로 나누어 보았을 때, 0.1 ~0.5사이에서의 통수능력의 감소는 크게 나타났으며, 0.5~ 1.0사이에서는 거의 직선적 거동 을 하는 것으로 나타났다.
- 이는 접착식인 배수재 C의 초기배수면적이 포켓식에 비하여 작고 또한 측압을 받을 경우 코어내의 골속으로 필터가 밀려들어가는 경향이 크며, 필터부의 영구변형이 크기 때문에 낮은 통수능력을 나타낸 것으로 사료된다. 따라서 지반개량 대상지반의 특성을 정확 히 파악하고, 시공을 합리적으로 실시할 경우 그림 7과 그림 8에 제시된 결과를 바탕으로 접착식 배수재보다 포켓식 배수재를 연약지반개량 현장에 적용하면 효과적으로 기능을 수행할 것으로 사료된다.
- 즉, 점토의 입도분포 곡선에서와 같이 세립질로 이루 어진 점토의 입자특성과 필터의 유효구멍크기 특성상 막힘현상이 발생하여서 점토에서의 통수능력이 더 작 게 나온 것으로 사료된다. 또한 포켓식인 배수재 A와 B가 접착식인 배수재 C보다 월등히 높은 통수능력을 나타내었다. 이는 접착식인 배수재 C의 초기배수면적이 포켓식에 비하여 작고 또한 측압을 받을 경우 코어내의 골속으로 필터가 밀려들어가는 경향이 크며, 필터부의 영구변형이 크기 때문에 낮은 통수능력을 나타낸 것으로 사료된다.
- 상재하중에 따라 통수능력이 감소하는 것은 상재하중에 따른 측압증가에 의해 배수재 의 필터가 코어 틈속으로 끼어들어 유로 단면적이 감소 하기 때문이다. 또한, 3종류의 배수재 모두 점토보다 준 설토에서의 통수능력이 크게 나타났다. 이는 점토에서 의 측압전달로 인하여 배수재 내부의 유로단면적의 감 소가 준설토에서의 유로단면적 감소보다 크게 나타난 결과로 사료된다.
- 또한, 배수재 A의 Qw는 배수재 B 보다 대략 1.5배 크게 나타났고, 배수재 C 보다는 대략 5.5배 정도 통수능 력이 큰 것으로 나타났다. 그 이유는 배수재 A가 B와 C보다 배수단면적이 크고, 필터를 지지하는 효과가 크 기 때문인 것으로 사료된다.
- 73으로 나타났다. 또한, 액성한계 (LL)는 27.3%, 소성한계(PL)는 18.3%를 나타났고, 통 일분류법에 의하여 CL로 판명되었다. 준설토는 송도매 립현장에서 채취한 시료로 준설매립후 수개월동안 침 강시키면서 상부의 여수를 호안에 설치된 여수토를 통하여 배출시킬 경우 상부 여수에 침강된 준설토로서 자 연함수비 시험 결과 23.
- 3%를 나타났고, 통 일분류법에 의하여 CL로 판명되었다. 준설토는 송도매 립현장에서 채취한 시료로 준설매립후 수개월동안 침 강시키면서 상부의 여수를 호안에 설치된 여수토를 통하여 배출시킬 경우 상부 여수에 침강된 준설토로서 자 연함수비 시험 결과 23.5%, 비중은 2.64로 나타났고, 통 일분류법에 의하여 SM으로 나타났다. 흙시료의 공학 적 특성은 표 3에 나타내었고, 입도분포곡선은 그림 3 과 같다.
- 현장조건에서 토사종류에 따른 배수재의 상재하중에 따른 통수능력의 변화와 감소율을 알아보기 위하여 상 재하중에 따라 각각의 토사에 대해 그림 7에 나타내었다. 즉 상재하증이 증가함에 따라 배수재의 통수능력이 감소함을 나타내었다. 상재하중에 따라 통수능력이 감소하는 것은 상재하중에 따른 측압증가에 의해 배수재 의 필터가 코어 틈속으로 끼어들어 유로 단면적이 감소 하기 때문이다.
- 06, 1이 며, 각각의 측압에 따른 통수능력 비는 표 4에 나타내었다. 즉, 배수재 A의 통수능력비가 배수재 B의 통수능력 비 보다 크게 나타났으며, 배수재 A의 배수재 (3에 대한 통수능력 증가비가 배수재 B의 배수재 C에 대한 통수 능력 증가비 보다 커서 曲의 기울기가 BC의 기울기보다 더 크게 나타났다.
- 이러한 결과는 배수재 A와 B가 유로단면적이 크며, 크리프현상 및 막힘현 상, 지반침하로 인한 배수재의 변형 등 통수능 저하 요소에 영향을 작게 받는 것으로 판단된다. 즉, 이러한 영향인자들은 배수재의 구조와 재질, 코어의 배 수면적, 필터의 강도와 유효구멍크기에 따라 좌우 됨을 알 수 있었다.
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