남해안 부산 해성점토지반을 대상으로 지반조사 및 시험, 분석과정에서 발생하는 다양한 지반의 공간적 불확실성을 면구한 내용이다. 지반의 불확실성을 정량화하기 위하여 지반의 공간적 불확실성을 수치화하는 지구통계학적 기법을 사용하여 지반의 공간적 방향성을 분석하였다. 본 논문에서 불확실성 분석에 사용된 지반조사는 원위치 보링은 25개, 실내시험은 73회, 현장베인시험 124회, 그리고 심도별 콘관입시험 25회의 결과가 활용되었다. 지반의 불확실성에 대한 공간적 분석에 사용된 핵심자료는 큰관입 시험결과이고 특히 비배수 전단강도를 산정시 큰 영향을 미치는 콘계수($N_k$ )에 대하여 지구통계학적 방법과 기존의 일반적인 방법으로 상효 비교분석 하였다. 연구결과, 지구통계학적 기법을 통한 시험자료의 해석은 지반 고유특성에 따른 공간적 자기상관성을 찾을 수 있으며 특정 방향에 대한 시험자료의 상관성이 임의의 지역에 대한 값 추정에 적용되어 보다 신뢰성 있게 분포양상을 추정할 수 있었다. 그러므로 지구통계학적 크리깅분석기법은 대상지역의 압밀과 강도특성 분포를 규명하는 데는 매우 유용하게 사용될 수 있다는 것을 확인하였다.
남해안 부산 해성점토지반을 대상으로 지반조사 및 시험, 분석과정에서 발생하는 다양한 지반의 공간적 불확실성을 면구한 내용이다. 지반의 불확실성을 정량화하기 위하여 지반의 공간적 불확실성을 수치화하는 지구통계학적 기법을 사용하여 지반의 공간적 방향성을 분석하였다. 본 논문에서 불확실성 분석에 사용된 지반조사는 원위치 보링은 25개, 실내시험은 73회, 현장베인시험 124회, 그리고 심도별 콘관입시험 25회의 결과가 활용되었다. 지반의 불확실성에 대한 공간적 분석에 사용된 핵심자료는 큰관입 시험결과이고 특히 비배수 전단강도를 산정시 큰 영향을 미치는 콘계수($N_k$ )에 대하여 지구통계학적 방법과 기존의 일반적인 방법으로 상효 비교분석 하였다. 연구결과, 지구통계학적 기법을 통한 시험자료의 해석은 지반 고유특성에 따른 공간적 자기상관성을 찾을 수 있으며 특정 방향에 대한 시험자료의 상관성이 임의의 지역에 대한 값 추정에 적용되어 보다 신뢰성 있게 분포양상을 추정할 수 있었다. 그러므로 지구통계학적 크리깅 분석기법은 대상지역의 압밀과 강도특성 분포를 규명하는 데는 매우 유용하게 사용될 수 있다는 것을 확인하였다.
Spatial uncertainty of Busan marine clay ground, which commonly occurs during site investigation testing, data analysis and transformation modeling, has been described. In this paper geotechnical uncertainty of shear strength indicator $N_k$ has been quantified in both horizontal directio...
Spatial uncertainty of Busan marine clay ground, which commonly occurs during site investigation testing, data analysis and transformation modeling, has been described. In this paper geotechnical uncertainty of shear strength indicator $N_k$ has been quantified in both horizontal direction and vertical direction using geostatistical Kriging method. Most of soil data used are from 25 boring tests, 75 laboratory tests, 124 field vane tests and 25 cone penetration tests (CPT). CPT-$N_k$ data for undrained shear strength determination, which are the most important properties in geotechnical design stages, have been analysed. Comparison between cone factor from conventional CPT-based method and that of geostatistical method shows that geostatistical Kriging method is an ideal tool to quantify the spatial variability of uncertainty from self-correlation of soil property of interest, and can be recommended to identify the spatial distribution of consolidation .md shear strength of soils at any sites concerned.
Spatial uncertainty of Busan marine clay ground, which commonly occurs during site investigation testing, data analysis and transformation modeling, has been described. In this paper geotechnical uncertainty of shear strength indicator $N_k$ has been quantified in both horizontal direction and vertical direction using geostatistical Kriging method. Most of soil data used are from 25 boring tests, 75 laboratory tests, 124 field vane tests and 25 cone penetration tests (CPT). CPT-$N_k$ data for undrained shear strength determination, which are the most important properties in geotechnical design stages, have been analysed. Comparison between cone factor from conventional CPT-based method and that of geostatistical method shows that geostatistical Kriging method is an ideal tool to quantify the spatial variability of uncertainty from self-correlation of soil property of interest, and can be recommended to identify the spatial distribution of consolidation .md shear strength of soils at any sites concerned.
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문제 정의
지반 정 수의 불확실성은 결국 설계의 신뢰성을 좌우하며, 과대 설계나 과소설계의 주요 원인으로 작용한다. 본 논문에서는 지반조사 및 시험, 분석과정에서 발생하는 다양한 지반의 불확실성 요인 중 자료 분석 중에 발생하는 오차를 최소화하는 지구 통계학적 기법을 사용하여 공간적 방향성(수직 및 수평)과 지반의 연속성을 분석하고자 하였다 지반의 공간적 분석에 사용된 자료는 현장에서 수행한 콘 관입시험 결과이고 지반의 비 배수 전단 치를 산정하는 경우에 가장 큰 영향을 주는 요소인 콘 계수 0k)에 대해 지구 통계학적 방법(geostatistical method)과 기존의 분석법에 기초하여 지반의 공학적 특성을 비교분석 하였다.
그러므로 기존의 설계 방법은 지반 자체의 불확실성이 존재함에도 불구하고 이를 반영하지 못하여 매우 비경제적인 설계가 유도되는 경우가 많은 것이 현실이다. 본 연구는 이 같은 불확실성 요인이 발생하는 원인을 밝히고 극복하는 방안을 제안하고자 한다.
가설 설정
일반적으로 연약지반 판단기준은 대상 지역에 놓일 구조물의 상재 하중과 지반의 연경 도와의 상관관계로부터 판단하므로 일률적으로 설정할 수 없으나, 대체적으 로 국내에서는 표준 관입시험 기준에 의거 결정하고 있다. 따라서 본 검토도 일정한 기준에 의해 국내에서 적용하고 있는 판단기준에 따라 N치가 7 이하로 가정하여 판단하였다. 이로부터 해성 퇴적층 내 상부 점토층(N>7) 의 분포 특성을 파악하기 위해 시료 채취 자료만을 이용한 기존분석 등고선도 와 Kriging의 결과로부터 얻은 등 고 선도를 비교 검토하였다.
제안 방법
이와 별도로 같은 위치에서 현장 베 인전단시험을 실시하였다. 그리고 불교란 시료가 채취된 위치에 대해서도 실내 역학시험을 별도로 실시하였으며, 현장에서 조사된 위치 및 수량은 다음 그림 3과 같다.
콘 관입시험에 따른 지반의 비 배수 전단 강도를 구할 경우 콘 계수는 지반 조건에 따라 추정 방법별 지역별로 그 차가 크므로 대표 값을 찾기가 쉽지 않다. 따라서 신 뢰성있는 대표 값을 찾고자 지구 통계 방법으로 콘관입시 험에 따른 콘 계수 산정 시 기존 분석 방법과 Kriging기 법을 통해 유도된 값을 비교 분석하였다. 이를 위하여 연구지역의 공간적인 콘 계수의 분포 특성을 일반적인 보 간 법과 OrdinaryKriging 기법에에 의한 분석 결과를 비교, 검토하여 지구 통계학적 방법의 신뢰성을 검증하였다.
본 연구대상 구간에서 실시한 실내 삼축압축시험과 원 위치시험인 베인 시험으로 추정한 비배수전단강도에 대해 기존 분석 방법 인 선형회귀 분석법과 Ordinary Kriging 법의 방향성 분석과 기울기를 비교하고 검토하였다.
이를 위하여 연구지역의 공간적인 콘 계수의 분포 특성을 일반적인 보 간 법과 OrdinaryKriging 기법에에 의한 분석 결과를 비교, 검토하여 지구 통계학적 방법의 신뢰성을 검증하였다. 분석자료는 본 연구지역에서 실시된 25개 콘 관입 시험 결과를 토대로 각 조 사공별 심도별 콘 계수를 분석하였으며 그 자료는 다음의 표 4와 같다.
따라서 본 검토도 일정한 기준에 의해 국내에서 적용하고 있는 판단기준에 따라 N치가 7 이하로 가정하여 판단하였다. 이로부터 해성 퇴적층 내 상부 점토층(N>7) 의 분포 특성을 파악하기 위해 시료 채취 자료만을 이용한 기존분석 등고선도 와 Kriging의 결과로부터 얻은 등 고 선도를 비교 검토하였다.
따라서 신 뢰성있는 대표 값을 찾고자 지구 통계 방법으로 콘관입시 험에 따른 콘 계수 산정 시 기존 분석 방법과 Kriging기 법을 통해 유도된 값을 비교 분석하였다. 이를 위하여 연구지역의 공간적인 콘 계수의 분포 특성을 일반적인 보 간 법과 OrdinaryKriging 기법에에 의한 분석 결과를 비교, 검토하여 지구 통계학적 방법의 신뢰성을 검증하였다. 분석자료는 본 연구지역에서 실시된 25개 콘 관입 시험 결과를 토대로 각 조 사공별 심도별 콘 계수를 분석하였으며 그 자료는 다음의 표 4와 같다.
콘 관입시험은 조사 위치의 개략적인 지층상태를 파악하면서 연속적인 지층이 파악되도록 시추공 내에서 실시하였다. 이와 별도로 같은 위치에서 현장 베 인전단시험을 실시하였다. 그리고 불교란 시료가 채취된 위치에 대해서도 실내 역학시험을 별도로 실시하였으며, 현장에서 조사된 위치 및 수량은 다음 그림 3과 같다.
본 연구를 위해 조사된 지역은 경상남도 동남해안 해상지역으로서 시추 조사 간격은 200m~250m이며, 시추 조사와 병행하여 피조 콘 관입시험과 현장 베인 시험을 실시하였다. 콘 관입시험은 조사 위치의 개략적인 지층상태를 파악하면서 연속적인 지층이 파악되도록 시추공 내에서 실시하였다. 이와 별도로 같은 위치에서 현장 베 인전단시험을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구를 위해 조사된 지역은 경상남도 동남해안 해상지역으로서 시추 조사 간격은 200m~250m이며, 시추 조사와 병행하여 피조 콘 관입시험과 현장 베인 시험을 실시하였다. 콘 관입시험은 조사 위치의 개략적인 지층상태를 파악하면서 연속적인 지층이 파악되도록 시추공 내에서 실시하였다.
이론/모형
연구 대상 위치에서 수행한 지반조사 자료에 대해 기존 분석 방법과 그 차이를 비교하기 위해서 지구통 계학적 기법(Geostatistics Method)의 일종인 Ordinary Kriging 방법을 이용하여 연약지반두께와 비 배수 전단 특성에 대해 분석하였다. 크리깅(Kriging)방법은 상업용 프로그램인 지하수 및 지질분포 특성을 3차원적으로 해석하는 GMS(Groundwater Modeling System) Program과 Surfer 7.
연구 대상 위치에서 수행한 지반조사 자료에 대해 기존 분석 방법과 그 차이를 비교하기 위해서 지구통 계학적 기법(Geostatistics Method)의 일종인 Ordinary Kriging 방법을 이용하여 연약지반두께와 비 배수 전단 특성에 대해 분석하였다. 크리깅(Kriging)방법은 상업용 프로그램인 지하수 및 지질분포 특성을 3차원적으로 해석하는 GMS(Groundwater Modeling System) Program과 Surfer 7.0을 사용하여 분석하였다.
성능/효과
두 가지 분석결과는 서로 표준편차 이내에 분포하며 크리깅 기법에 의해 구한 콘계 수(Nk)는 13으로 나타났다. 그리고 콘 계수 산 정식에서 의 비 배수 전단 강도 값과 그에 대응하는 ''선단 저항치-수 직 응력''값을 다음의 그림 13과 같이 도시하여 그 기울 기로 콘계 수를 산정한 결과 콘계수값은 Nk=13.89로 나타났다. 이상과 같이 본 연구지역에서의 콘 관입시험에 의한 선단 저항치를 통해 비 배수 전단 강도를 구할 경우 대체적인 콘계수값은 Nk=13~14를 적용하는 타당할 것으로 판단된다.
(1) OrdinaryKriging 기법을을 통한 해성 점토층의 분포두께를 분석한 결과, 일반적인 보 간 방법보다 그 분포 특성이 해안선과 평행한 방향으로 일정한 증가추이를 보이는 것이 뚜렷하게 나타났으며 비교적 지형 특성과 부합되게 나타났다.
(2) 전단 강도의 심도별 기울기에 대해 공간적 분포 특성 과 그에 따른 방향성을 검토한 결과, 방향성을 띠는 것으로 타나났다. 기존 분석법과 분포 특성을 비교한 결과, Ordinary Kriging으로 구한 방법은 3개 지역으로 구분될 수 있었으며, 각 지역 기울기는 기존 분석값에 비해 1.
(3) 선단 저항치에 대한 심도별 샘플 자료의 분산 값을 비교한 결과, 지표면 아래 20.0m 내외에서 상관성이 떨어지는 것을 알 수 있었다. 이는 연약층의 분포심 도와 해성 점토층의 점이적 성분변화에 기인하는 것으로 판단되었다.
(4) 크리깅 기법에 의한 콘계 수의 분포 특성을 검토한 결과, 베리오그램은 지수 모델의 형태을 띠며, 영향거리 값은 약 450m로 나타났다. 또한 분포 특성은 근해로 유입되는 수계의 방향과 주변 산지의 연장선상으 로 그 분포 특성이 좌우됨을 확인할 수 있었다.
(5) 실측값의 회귀분석 방법과 크리깅 기법에 의한 추정 콘 계수의 평균값은 각각 14.2와 13.10로 나타났다. 크리깅으로 구한 값이 일반적 통계분석에 의한 값에 비해 작게 나타났다.
크리깅으로 구한 값이 일반적 통계분석에 의한 값에 비해 작게 나타났다. 그리고 콘 계수 산 정식에서 비 배수 전단 강도 값과 대응하는 선단 저항치-수직응 력” 값을 도시하여 그 기울기로 콘 계수를 산정하는 경우에 콘 계수 값은 대체로 Nk=13.89로 나타났다.
(2) 전단 강도의 심도별 기울기에 대해 공간적 분포 특성 과 그에 따른 방향성을 검토한 결과, 방향성을 띠는 것으로 타나났다. 기존 분석법과 분포 특성을 비교한 결과, Ordinary Kriging으로 구한 방법은 3개 지역으로 구분될 수 있었으며, 각 지역 기울기는 기존 분석값에 비해 1.03 ~ 0.80배의 편차를 보였다.
(4) 크리깅 기법에 의한 콘계 수의 분포 특성을 검토한 결과, 베리오그램은 지수 모델의 형태을 띠며, 영향거리 값은 약 450m로 나타났다. 또한 분포 특성은 근해로 유입되는 수계의 방향과 주변 산지의 연장선상으 로 그 분포 특성이 좌우됨을 확인할 수 있었다.
또한 비 배수 전단 강도 분석 결과와 유사한 양상으로 대상 구간 동남 측이 비교적 콘 계수 값이 큰 것을 알 수 있고, 남서에서 북동 방향으로 주변에 비해 콘 계수 값이 작은 지역이 선형으로 분포하는 것을 관찰할 수 있으며, 근해의 지형적 방향성과 일치함을 알 수 있다. 아울러, 시험자료 분석 시 일반적으로 사용되는 시험자료의 직접적인 통계분석과 Kriging 기법에에 의해 유도된 미조사된 지점의 추정값을 포함한 자료 분석 결과는 다음 표5와 같다.
상기 좌표에 대해 본 구역 내 연약지반 심도를 등고선으로 표현하고자 베리 오 그램 모델을 사용하여 비교 검토한 결과는 그림 6과 같으며, 가우시안(gaussian model) 이 비교적 지역 모델로 적합한 것으로 나타났다.
(6) 크리깅 기법을 통한 시험자료의 해석은 특성 공간 좌 표에 따른 공간적 자기 상관성을 찾을 수 있어, 특정 방향에 대한 시험자료의 상관성이 임의 지역에 대한 추정값에 적용되어 보다 구체적이며 신뢰성 있는 분포양상을 제시힌다. 이러한 분석기법은 대상 지역의 강도 값이나, 암반 선의 특성 분포양상을 밝히는 데는 유용하게 사용될 수 있다고 판단되었다.
89로 나타났다. 이상과 같이 본 연구지역에서의 콘 관입시험에 의한 선단 저항치를 통해 비 배수 전단 강도를 구할 경우 대체적인 콘계수값은 Nk=13~14를 적용하는 타당할 것으로 판단된다. 그림 13은 각 조사 공에서의 전단 강도 증 가값(기울기)에 대한 상관도를 각 방향에 따라 분석한 베리 오 그램에서의 영향 거리 (range) 분포 값이다.
일반보간 법과 콘 계수 분석 시 구해진 베리 오 그램을 통한 Kriging 방법에 의한 심도별 콘 계수 분포 특성은 아래 그림 12와 같다. 일반보간법과 Kriging에 의한 콘 계수 분포 특성을 검토한 결과 일반보간법(Inverse Distance to a Power)에 비해 Kriging에 의한 등고선 간격이 넓게 도시되며 이는 베리 오 그램에 의한 상관 거리를 고려한 결과임을 알 수 있다.
그림 5에는 현 장지 반의 개별적인 지반 특성을 보면 연약 점성토층의 컨시 스턴스는 자연함수 비가 대체로 액성한계를 초과하여 대단히 연약한 상태로 존재한다. 해성 점토의 소성지수는 30~50을 보이며, 소성지수가 증가할수록 액성한계와 점토의 함유율은 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
참고문헌 (8)
윤길림 (2000), '지반조사시 토질의 불확실성 분석', 새로운 지반 조사 및 평가 분석기술 국제세미나, 한국건설기연구원 국제심포지엄 논문집, pp.101-130
윤길림 (1997), 'Estimations of Spatial Variability of Cone Resistance Using Geostatistics', Korean Geotechnical Journal, Vol.13, 1권, pp.15-39
Asoake A. and A-Grivas D. (1982), 'Spatial Variability of The Undrained Strength of Clays', Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, pp.743-754
Baecher, G. (1982), 'Statistical Methods in Site characterization', Proceedings of Engineering Foundation Conference on Updating Subsurface Sampling and testing, Santa barbara, USA, pp.463-491
Chiasson P., Lafleur J., Michel Soulie, and Law K. T. (1995), 'Characterizing Spatial Variability of a Clay by Geostatistics', Canadian Geotechnical Journal, Vol.32, pp.703-729
Matheron G. (1963), 'Prinsiple of Geostitistics', Journal of Economic Geology, Vol.58, pp.1246-1266
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