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문제 정의
- 수평 배수공법은 고함수비이고 지내력이 거의 없는 초연약 준설점 토의표층 안정처리 대책공법으로서, 준설투기된 매립지반에 배수재를 수평으로 매설하여 중력 혹은 진공압에 의해 간극수의 소산을 촉진시키며, 지반의 전단 강도를 증가시키는 지반개량 공법이다 현장에 수평 배수재가 설치된 경우에는 자중압밀뿐만 아니라, 배수재 부근에서 투수와 침투압에 의해 압밀침하를 촉진시키게 되는데 배수재에 대한 효율적이고 경제적인 설계를 하기 위해서 자 중에 의한 압밀거동과 배수재 설치로 인한 침투압 효과를 모두 포함할 수 있는 해석방법이 필요하다. 본 연구에서는 수평 배수재를 포함한 준설점 토층에 사용될 수 있는 유한차분 시간-침하량 해석 프로그램을 이용하여 (박정요 2002) 수평 배수재가 타설되는 현장에서 나타나는 다양한 조건들이 대상 지반의 압밀에 미치는 영향을 파악하고자 하였다.
가설 설정
- 준설토의 투기 후 매립지반에서 자중압밀이 시작되기 전에 모든 토층은 동일한 간극비를 갖는 것으로 가정하여 임의지점의 초기간극비는 다음과 같다.
제안 방법
- 수평 배수재가 설치된 초연 약점성 토지반에 그림 4와 같이 수평 배수재를 지표면에서 0.5m, 1.5m의 깊이에 설치하고, 무처리층을 포함한 전체 지반의 깊이를 2m, 4m, 6m로 변화시켜가며 수평 배수층과 무처리층을 상호 연계한 해석을 실시하였다.
- 수평 배수재가 설치된 초연약 준설매립지반의 압밀거동을 해석하기 위하여 1차원자중압밀이론을 3차원으로 확장시킨 Zhao(I989)의 3차원 유한변형 압밀이론을 사용하여 수평 배수재의 단면적의 크기와 방향, 수평 배수층과 무처리층을 상호 연계한 경우, 그리고 수평 배수재단부에 수두적체가 발생한 경우에 대해 해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수평 배수재가 시공된 현장의 이러한 여러 요인들이 압밀 속도와 침하량에 영향을 주게 되므로, 수평 배수층과 무처리층을 연계한 수치 해석과 수평 배수재의 단부의 수두 적체 등을 고려한 수치 해석을 실시하여 그 영향을 분석하였다.
- 수평 배수재단부에 수두적체가 발생한 경우와 유사한 시간-침하량 곡선을 보이는 수두적 체미 발생 시의 배수재 설치 깊이를 추정하기 위하여 그림 10에 보인 바와 같은 두 경우에 대해 해석을 실시하였다.
- 수평 배수재에 의한 압밀촉진 효괴를 규명하기 위하여 외재적 유한차분법인 Dufort -Fankel 방법을 적용한 수치 해석 프로그램을 개발하여 해석을 실시하였다. 수치 해석에 사용된 입력 데이터는 표 1과 같다.
- 수평 배수재의 면적을 고려한 경우, 수평 배수재단면의 설치 방향 및 그 단면적 이 준설매립지반의 압밀거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 수평 배수재를 그림 2에 보인 바와 같이 단면의 설치 방향과 면적을 변화시켜 수치 해석을 실시하였다.
- 본 연구에서 사용한 수평 배수재가 설치된 준설매립 지 반의 압밀 거동을 예측하기 위해 수평 배수공법 해석을 위한 압밀방정식은 Zhao(1989)의 3차원 유한변형율 이론을 사용하였다. 수평배수재 단면의 크기와 수평 배수재의 설치 단면의 방향(수직/수평)이 대상지반의 압밀에 미치는 영향을 비롯하여, 수평 배수재가 시공된 현장에서 대상지반의 압밀속도와 침하량에 영향을 주는 수평 배수재 하부 무처리층과 수평배수재 단 부의 수두 적체가 대상지 반의 압밀에 주는 영향에 대한 해석을 수행하였다
- 준설 매립지반에 설치된 수평 배수재의 단부에서 유출수의 처리 지연으로 인한 수두 적체가 발생할 경우, 지반의 압밀거동을 파악하기 위하여 그림 7과 같이 지반고를 3m로가 정하고, 수평 배수재의 단부에 수두적체가 九, 만큼 발생할 경우에 대해 수치 해석을 실시하였다. 수평 배수재에서의 경계조건은 수두 적체에 의해 배수재와 흙의 접촉면에서 如, .
대상 데이터
- 新舍博 등(1988)은 준설토 투입 완료 후 약 6개월이 지난 후의 일본 大分 공항 매립지에서 현장시험 시공을 실시하여 수평 배수재 매설에 관한 시공성과 진공 압밀에 의한 개량효과를 파악하였다. 대상 지반은 준설토 투입 완료 후 약 6개월이 지난 초연 약지반으로 50m 길이의 배수재를 0.7m 간격으로 정방형 배치하여 40개(4단xlO열)를 수평으로 매설하였으며, 최상부의 배수재는 지표로부터 1.0m 깊이에 매설되었다. 新舍博 등(1990)은 함수비 300%~ 600%의 슬러리 상태 폐앙금 처분지에서 초연 약지반의 개량으로서 수평 배수공법의 적용성을 시험하여 증명하였으며 吉崎浩二 등(1991) 일본 후쿠오까시에 위치한 曲淵댐의 노후화가 진행되었고 대량의 토사가 유입되어 댐 제체의 개량을 실시함과 동시에 댐의 호저에 퇴적된 연약한 점성토을 준설 처분할 목적으로 처리장 2개소를 축조하고 이 처리장으로 공기압송된 댐 퇴적토에 수평 배수재를 설치하여 시험을 실시하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 수평 배수재가 설치된 준설매립 지 반의 압밀 거동을 예측하기 위해 수평 배수공법 해석을 위한 압밀방정식은 Zhao(1989)의 3차원 유한변형율 이론을 사용하였다. 수평배수재 단면의 크기와 수평 배수재의 설치 단면의 방향(수직/수평)이 대상지반의 압밀에 미치는 영향을 비롯하여, 수평 배수재가 시공된 현장에서 대상지반의 압밀속도와 침하량에 영향을 주는 수평 배수재 하부 무처리층과 수평배수재 단 부의 수두 적체가 대상지 반의 압밀에 주는 영향에 대한 해석을 수행하였다
- 수치 해석에 사용된 입력 데이터는 표 1과 같다. 사용 프로그램의 검증과 데이터 구축을 위하여 사용한 시험 및 해석과정은 박정용 등(2005)에 수록하였다.
- 자 중에 의한 압밀과 수평 배수재 설치로 인한 압밀촉진 효과를 모두 고려할 수 있도록 3차원 유한 변형률 압밀식(식(1), Zhao, 1989)을 지배 방정식으로 사용하였다. 개발된 프로그램의 지배 방정식과 경계조건에 대한 차분식의 구성은 박정용 등(2005)에 수록하였으므로 여기에서는 그 개요만을 소개한다.
성능/효과
- (1) 수평 배수재의 단면적을 고려하여 수치 해석을 실시한 결과, 수평 배수재의 단면적이 증가하면 압밀 속도가 다소 증가 하나 그 효과는 크지 않은 것으로 나타났다. 수평배수재의 단면을 수직 방향으로 설치한 경우 압밀도 90%에 도달하는데 소요되는 시간은 수 평방향 설치시와 비교하여 약 15% 감소하였다、이는 수평 배수재를 수직방향으로 설치시 수평방향 설 치에 비해 침투압의 영향이 보다 더 증가하여 압밀시간을 단축시키기 때문으로 평가된다.
- (2) 수평 배수층과 무처리층을 상호 연계하여 해석한 결과, 수평 배수재에 의한 안정처리층의 깊이는 최하부 배수재 위치에 배수재 설치 간격의 절반만큼을 더한 깊이까지를 표층의 안정처리층으로 추정할 수 있는 것으로 평가된다. 그러나 지반의 장기적인 침하량 산정 시에는 안정처리층에 대해서가 아니라 자중 압밀이 발생하는 무처리층을 포함한 전체 지반고에 대하여 산정해야 할 것이다.
- (3) 수평배수재 단 부의 적체수두를 고려한 수치 해석 결과, 수두적체가 1.0m, 2.0m 발생한 경우는 수두적체 가 존재하지 않는 경우에 비해 침투압의 감소와 배 수재내의 간극수압 증가로 인한 유효응력의 감소로 인하여 배수재 근처에서 간극비가 각각 1.4배, 2.4배 큰 것으로 나타났으며, 최종 침하량은 각각 5%, 28% 감소하였다. 따라서 수평배수재 단부에 발생한 수 두적체는 지반의 표층 안정처리에 비효율적 결과를 초래하므로 수평 배수재 시공 후 그 단부의 수두를 0으로 유지시켜야 하는 것으로 나타났다.
- 그 결과 수평 배수재의 해석절 점수 즉, 단면적이 증가할수록 압밀 속도가 다소 증가하였으나 그 효과는 크지 않았다. 수평 배수재의 단면을 수직 방향으로 설치한 경우는 압밀도 90%에 도달하는 데 소요되는 시간은 수평 방향 설치 시와 비교하여 약 15% 이상 감소하여 배수재 단면적의 증가보다 효과가 큰 것으로 나타났다.
- 그림 6에서 볼 수 있듯이 지반의 깊이 2m까지는 시간에 따른 깊이 별간극비 변화가 전체 지반고와 무관하게 유사한 것으로 나타났다. 따라서 수평 배수재에 의한 안 정 처리층의 깊이는 최하부 배수재 위치에 배수재 설치 간격의 절반만큼을 더한 깊이까지를 안정처리층으로 추정할 수 있는 것으로 평가되었다. 그러나 지반의 장기적인 전체 침하량 산정 시에는 안정처리층에 대해서 가 아니라 전체 지반고에 대하여 산정해야 함을 알 수 있었다.
- 4배 큰 것으로 나타났으며, 최종 침하량은 각각 5%, 28% 감소하였다. 따라서 수평배수재 단부에 발생한 수 두적체는 지반의 표층 안정처리에 비효율적 결과를 초래하므로 수평 배수재 시공 후 그 단부의 수두를 0으로 유지시켜야 하는 것으로 나타났다.
- 수평배수재의 단면을 수직 방향으로 설치한 경우 압밀도 90%에 도달하는데 소요되는 시간은 수 평방향 설치시와 비교하여 약 15% 감소하였다、이는 수평 배수재를 수직방향으로 설치시 수평방향 설 치에 비해 침투압의 영향이 보다 더 증가하여 압밀시간을 단축시키기 때문으로 평가된다. 따라서 준 설매립지반에 수평배수재 설치시 그 단면을 수직 방향으로 설치하는 것이 합리적인 설계 방법으로 나타났다.
- 5m에서의 깊이별 간극비 변화를 나타낸 것이다. 수두 적체가 1.0m, 2.0m 발생한 경우는 수두 적체가 발생하지 않은 경우에 비해 배수재근방에서의 간극비가 각각 1.4배, 2.4배 큰 것으로 나타나 배수재에서의 침투압효과를 매우 저하시킨 것으로 평가되었다.
- 수평 배수재단 부의 적체수두에 따른 시간-침하곡선을 그림 8에 나타내었는데 압밀도 90%에 도달하는 시간은 수두 적체 발생 여부와 큰 상관이 없었으나, 배수재 내의 간극수압이 증가함으로 인하 여 배수로 인한 유효응력 증가가 줄어듦으로 인하여 최종 침하량에 있어서는 수두 적체가 1.0m, 2.0m 발생한 경우는 수두 적체가 없는 경우에 비해 각각 5%, 28% 감소하였다.
- 그 결과 수평 배수재의 해석절 점수 즉, 단면적이 증가할수록 압밀 속도가 다소 증가하였으나 그 효과는 크지 않았다. 수평 배수재의 단면을 수직 방향으로 설치한 경우는 압밀도 90%에 도달하는 데 소요되는 시간은 수평 방향 설치 시와 비교하여 약 15% 이상 감소하여 배수재 단면적의 증가보다 효과가 큰 것으로 나타났다. 이는 수평 배수재를 수직방향으로 설치시 수평방향 설치에 비해 침투압의 영향이 보다 더 증가하여 압밀시간을 단축시킨 것으로 평가된다.
- 0 배를 갖는 약 200~600%정도였고 매설 간격을 70cm~ 150cm 정도로 매설하였을 때 개량공사 기간은 약 1 ~2개월 정도로서 가장 효과적인 것으로 나타났다. 이에 따라 매립처분지에 투입된 점성토를 단기간에 압밀침하시켜 처분지내에 보다 많은 준설토을 투입하는 것이 가능하였으며, 재투입한 점성토량에 상당한 성토량을 저감하고 동시에 콘관입 시험 결과 소정의 강도 증가 효과를 보여 수평 배수공법이 표층 개량에 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
- 준설 매립지반에 대한 수평 배수공법의 현장 적용성에 대한 연구결과를 요약하면, 대상 토질의 대부분은 액성 한계가 높은 해성점 토로서 시험시공시의 초기 함수비는 액성 한계의 1.5 ~2.0 배를 갖는 약 200~600%정도였고 매설 간격을 70cm~ 150cm 정도로 매설하였을 때 개량공사 기간은 약 1 ~2개월 정도로서 가장 효과적인 것으로 나타났다. 이에 따라 매립처분지에 투입된 점성토를 단기간에 압밀침하시켜 처분지내에 보다 많은 준설토을 투입하는 것이 가능하였으며, 재투입한 점성토량에 상당한 성토량을 저감하고 동시에 콘관입 시험 결과 소정의 강도 증가 효과를 보여 수평 배수공법이 표층 개량에 효과적이라는 것을 알 수 있었다.
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