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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 연약지반개량을 위해 다짐말 뚝의 재료로 모래 대신 제강슬래그를 사용한 슬래그다 짐말뚝에 대한 원심모형실험을 실시하여 복합지반의 지지력, 응력분담특성 및 파괴메카니즘을 알아보고자 하였다. 이 공법은 점토와 슬래그말뚝의 복합지반으로 형성되어 있기 때문에 슬래그말뚝의 강도, 치환율, 개량 폭비 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으나 본 연구에서는 슬래그말뚝의 상대밀도를 50, 70, 90%로 달리하여 원심모형 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 슬래그다짐말뚝은 개량폭비 2와 치환율 40%에 해당하는 5행X8열의 정사각형 배열로 모형지반에 설치하 였다(그림 4 참조). 1G상태에서 슬래그다짐말뚝을 타설 한후, 하중재하시 기초 및 지반에 발생하는 연직변위를 측정하기 위하여 변위계를 설치하였고, 슬래그다짐말뚝 과 점토지반의 응력분담비를 알아보기 위하여 그림 4에 나타낸 바와 같이 슬래그다짐말뚝과 점토지반의 표면 에 직경 6.5mm의 소형 토압계를 매설하는 한편, 점토층 중간 깊이에서 개량지반의 바깥쪽으로 부터 1cm, 4cm, 9cm위치에 간극수압계를 매설하여 위치별 과잉간극수 압 변화를 측정하였다.
- 수치해석에 사용된 유한요소격자망과 변위 경계조건을 그림 5에 나타내었다. 그림 에 나타낸 바와 같이 수치 해석시 3차원 슬래그다짐말뚝을 등가벽체로 고려하여 2차원 평면요소로 모델링하여 해석하였으며, 모형지반 이 좌우대칭이므로 모형토조의 1/2만을 격자로 구성하였다. 유한요소격자망은 358절점 320요소로서 모형지 반의 좌,우측은 수평변위를 구속하였고 바닥면은 연직 변위를 구속하였다.
- 모형지반에 사용된 점토시료는 불순물을 제거한 후 함 수비가 액성한계의 2배가 되도록 해수와 혼합하여 직육 면체의 압밀토조(폭 200mm, 길이 450mm, 높이 400mm) 에 투기한 후, 압밀토조 상부에 4.9, 9.8, 19.6 枷/必의 공기압력을 단계적으로 가하여 7일 정도 예비압밀을 실 시하여 원지반을 조성하였다.
- 본 연구에서는 제강슬래그의 상대밀도를 50, 70, 90% 로 달리한 슬래그다짐말뚝에 대한 원심모형실험을 실 시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 슬래그다짐말뚝의 치환율 40%, 개량폭비 2인 실험조 건하에서 슬래그 상대밀도를 50, 70, 90%로 변화시 키는 원심모형의 연직재하실험을 실시하여 얻은 하중-침하 곡선을 수치해석 결과와 비교하여 그림 6에 나타내었다. 그림 6에서 보는 바와 같이 수치해석 결과가 실험결 과보다 다소 크게 나타났으나 전반적으로 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
- 슬래그다짐말뚝이 타설된 복합지반의 원심모형실험결과를 검증하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 범 용 지반해석 프로그램인 SAGE CRISP(2000)프로그램을 이용하여 실시하였다.
- 연약지반에 타설된 슬래그다짐말뚝의 지지력 및 파 괴메카니즘 등을 알아보기 위하여 점토와 슬래그의 기 본물성실험과 슬래그다짐말뚝의 상대밀도를 변화시 킨 원심모형 실험을 실시하였다.
- 연직하중 재하에 따른 모형지반의 파괴형상을 관찰 하기 위하여 모형토조의 전면판을 분리한후 일정 격자 상으로 삶은 국수를 이용하여 Marking을 실시한 다음 전면판을 재부착하였다.
- 예비압밀이 종료된 시료를 원심모형실험용 토조에 장착한 후 50G의 원심력장에서 자중압밀를 실시하여 실물규모 10m에 상당하는 높이 약 20cm의 정규압밀 점 토지반을 제작하였으며 이때, 점토층 중심부에 간극수 압계를 매설하여 과잉간극수압의 소산을 확인하였다. 50G에서 자중압밀이 종료된 점토시료에 1G 상태에서 모형말뚝을 설치하기 위하여 그림 3(a)와 같은 천공장비를 이용하였다.
- 그림 5. 유한요소 격자망 및 경계조건 해석을 수행하였다.
- 그림 에 나타낸 바와 같이 수치 해석시 3차원 슬래그다짐말뚝을 등가벽체로 고려하여 2차원 평면요소로 모델링하여 해석하였으며, 모형지반 이 좌우대칭이므로 모형토조의 1/2만을 격자로 구성하였다. 유한요소격자망은 358절점 320요소로서 모형지 반의 좌,우측은 수평변위를 구속하였고 바닥면은 연직 변위를 구속하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 연약지반개량을 위해 다짐말 뚝의 재료로 모래 대신 제강슬래그를 사용한 슬래그다 짐말뚝에 대한 원심모형실험을 실시하여 복합지반의 지지력, 응력분담특성 및 파괴메카니즘을 알아보고자 하였다. 이 공법은 점토와 슬래그말뚝의 복합지반으로 형성되어 있기 때문에 슬래그말뚝의 강도, 치환율, 개량 폭비 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으나 본 연구에서는 슬래그말뚝의 상대밀도를 50, 70, 90%로 달리하여 원심모형 실험을 실시하였다.
- 한편, 슬래그다짐말뚝의 상대밀도를 결정하기 위하여 최대, 최소단위중량시험을 실시하였다. 최대단위중 량시험은 직경 15cm, 높이 35cm의 몰드에 일정중량의 시료를 넣고 10 枷의 상재하중을 올려놓은 후 진동대를 이용하여 50 Hz 조건으로 8분이상 진동을 가한 다음 체적을 측정하여 최대단위중량을 계산하였다. 최소 단위중량시험은 ASTM 4254 규정에 명시된 바와 같이 2,000 cm 3 용량의 실린더 에 일정중량의 건조시료를 투 기한 다음 용기를 흔들어 시료를 재배열시킨 다음 높이를 측정하여 최소단위중량을 구하는 방법을 사용하였다.
- 최대단위중 량시험은 직경 15cm, 높이 35cm의 몰드에 일정중량의 시료를 넣고 10 枷의 상재하중을 올려놓은 후 진동대를 이용하여 50 Hz 조건으로 8분이상 진동을 가한 다음 체적을 측정하여 최대단위중량을 계산하였다. 최소 단위중량시험은 ASTM 4254 규정에 명시된 바와 같이 2,000 cm 3 용량의 실린더 에 일정중량의 건조시료를 투 기한 다음 용기를 흔들어 시료를 재배열시킨 다음 높이를 측정하여 최소단위중량을 구하는 방법을 사용하였다. 최대, 최소단위중량시험결과를 표 2에 나타내었다.
- 표 3은 본 연구에서 수행한 원심모형실험의 종류를 나타낸 것으로 치환율 40%에 대하여 슬래그의 상대밀 도를 50, 70, 90%로 변화시 킨 원심모형실험 3회와 동일한 치환율 조건에서 말뚝의 재료를 모래를 사용한 실험 1회 등 총 4회의 원심모형실험 종류를 나타내었다.
- 한편, 그림 6에 현재 연약지반개량에 주로 사용되고 있는 모래다짐말뚝(SCP)과 슬래그다짐말뚝의 지지력을 비교하기 위하여 동일한 조건(상대밀도 90%, 치환율 40%, 개량폭비 2)에 대한 모래다짐말뚝의 원심모형실험을 실시하여 슬래그다짐말뚝의 하중-침하 곡선과 함께 비교 도시하였다. 그림에 보여진 바와 같이 모래다짐 말뚝의 항복하중강도는 약 46.
- 한편, 슬래그다짐말뚝의 상대밀도를 결정하기 위하여 최대, 최소단위중량시험을 실시하였다. 최대단위중 량시험은 직경 15cm, 높이 35cm의 몰드에 일정중량의 시료를 넣고 10 枷의 상재하중을 올려놓은 후 진동대를 이용하여 50 Hz 조건으로 8분이상 진동을 가한 다음 체적을 측정하여 최대단위중량을 계산하였다.
- 한편, 지반의 지표면에 수위가 위치하는 것으로 하여 해석을 수행하였다
대상 데이터
- 실험에 사용된 토조는 폭 575mm, 높이 685mm의 알 루미늄으로서 그림 4와 같으며 연직하중의 재하를 위하여 재하용량 3ton의 재하장치를 부착하였으며 이때 기 그림 4. 연직하중 재하시험 모식도
- 연약지반을 모사하기 위하여 사용된 시료는 남해안과 서해안일대 3개 지역에서 채취한 점토시료를 혼합하여 사용하였고, 슬래그는 선철공정에 따라 고로슬래그 와 제강공정에서 생성되는 제강슬래그로 분류되나 본 연구에서는 제강슬래그를 사용하였으며 표 1에 점토와 제강슬래그의 기본물성 실험결과를 나타내었고 그림 2에 입도분포를 나타내었다.
데이터처리
- 슬래그다짐말뚝이 타설된 복합지반의 원심모형실험결과를 검증하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 범 용 지반해석 프로그램인 SAGE CRISP(2000)프로그램을 이용하여 실시하였다. 슬래그다짐말뚝은 Mom-Coulomb의 탄소성 모델을 사용하였으며 압밀배수(CD)의 삼축압축시 험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수와 포아 송비(U ), 내부마찰각, 점착력 등의 값을 구하여 표 4에 나 타내 었다.
이론/모형
- 수치해석은 범 용 지반해석 프로그램인 SAGE CRISP(2000)프로그램을 이용하여 실시하였다. 슬래그다짐말뚝은 Mom-Coulomb의 탄소성 모델을 사용하였으며 압밀배수(CD)의 삼축압축시 험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수와 포아 송비(U ), 내부마찰각, 점착력 등의 값을 구하여 표 4에 나 타내 었다. 한편, 연약점토지반은 Roscoe와 Burland(1968) 등이 제안한 수정 Cam-clay모델을 사용하였다.
- 슬래그다짐말뚝은 Mom-Coulomb의 탄소성 모델을 사용하였으며 압밀배수(CD)의 삼축압축시 험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수와 포아 송비(U ), 내부마찰각, 점착력 등의 값을 구하여 표 4에 나 타내 었다. 한편, 연약점토지반은 Roscoe와 Burland(1968) 등이 제안한 수정 Cam-clay모델을 사용하였다. 표준압 밀시험과 압밀비배수(CU)의 삼축압축시험으로부터 구한 모델의 변수 결과값을 표 5에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 슬래그말뚝의 상대밀도가 50, 70, 90%로 증가할수록 항복하중강도는 각각 43.2, 47.1, 59.8 kN]静으로 증가하였다.
- (2) 동일한 조건의 상대밀도 90%에 대한 모래다짐말뚝 과 슬래그다짐말뚝의 원심모형 실험결과, 슬래그다짐 말뚝의 항복하중강도가 모래다짐말뚝보다 약 30%정도 크게 나타나 모래 대체 재료로서 효과가 있을 것으로 보여진다.
- (4) 슬래그 다짐 말뚝의 상대 밀도가 증가할수록 응력분 담비는 증가하는 경향을 나타내며 하중이 증가할수록 침하량이 증가함에 따라 슬래그말뚝이 받고있던 응력이 점토로 전이되어 응력분담비는 감소하는 경향을 나타내었다.
- (6) 원심모형실험에 대한 수치해석결과 응력분담특성 은 실험과 차이를 나타내었으나 하奇침하 특성은 실험과 좋은 일치를 나타내어 향후 연약지반상의 슬래그다짐말뚝의 하중-침하 거동 예측이 가능함을 보였다.
- 그림 8은 상대밀도 50, 70, 90%의 변화에 따라 슬래 그와 점토가 받는 토압을 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 상대밀도가 증가할수록 점토와 슬래그가 받 는 토압은 증가하였으며 특히 슬래그는 강성의 증가로 인하여 점토와 비교하여 크게 증가하는 것을 알 수 있고 토압분포로 부터 지반항복은 하중재하후 약 3~5mm 정도의 연직변위에서 항복하는 것을 볼 수 있다.
- 이와 같은 결과로 부터 제강슬래그의 투수성은 경과시간이 길수 록, 상대밀도가 클수록 저하하는 경향이 있음을 알 수 있다. 따라서, 제강슬래그를 다짐말뚝으로 사용하는 경우에 시공초기에는 적정의 통수능을 지닌 말뚝의 기능을 유지할 수 있으나 시간이 경과할수록 제강슬래그의 포졸란 효과에 따른 입자간의 응집에 의한 투수계수의 감소 때문에 배수재로써의 기능은 감소할 것으로 판단된다.
- 그림 6에서 보는 바와 같이 수치해석 결과가 실험결 과보다 다소 크게 나타났으나 전반적으로 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 슬래그의 상대밀도가 50, 70, 90%로 증가함에 따라 슬래그다짐말뚝의 강성도 및 전 단강도가 증가하여 하중-침하 곡선의 초기기울기가 증 가하였으며 항복하중강도는 각각 43.2, 47.1, 59.8 kN/m2 로 증가하였다.
- 이와 같은 현상은 강성의 슬래그말뚝에서 집중된 기초 하중응 력 이 하중 증가에 따라 말뚝의 수평 변위 발생으로 강성 도가 감소되면서 응력의 분산이 발생함에 따른 것으로 판단된다. 상대밀도 50%일 때 실험에서 측정된 응력분 담비와 수치해석 결과가 침하량 10cm 이후 잘 일치하는 것으로 나타났으나 상대밀도 70, 90%에 대한 것은 많은 차이를 보였다. 이러한 차이는 Masaaki와 Masaki(1990) 의 상대밀도에 따른 응력분담비의 변화가 3 ~7의 범위 를 나타낸 것과 비교할 때, 슬래그말뚝의 상대밀도가 커 짐에 따라 응력은 슬래그말뚝에 더욱 집중되어 말뚝사 이 점토에 작용하는 응력이 저감되므로 수치해석 결과는 슬래그말뚝의 상대밀도가 증가할수록 응력분담비가 약 2~7로 커지는 경향성을 나타내었으나 실험값은 초 소형의 계측기 사용으로 인하여 상대 밀도 70, 90%실험 시 계측값이 다소 작게 측정된 것으로 보여진다.
- 실험결과 3가지 경우 모두가 하중재하로 인하여 기초 판이 복합지반에 관입됨에 따라 지표부근의 말뚝에서 좌, 우 수평력이 발생하여 하부지반과 비교할 때 좌, 우 로 지반의 수평변위가 발생하였음을 관측할 수 있다. 또한, 재하판 아래 슬래그말뚝 상부로부터 약 2D~3D깊 이에서 말뚝의 전단활동선이 명료하게 나타나 Hughes 와 Withers(1974)등에 의해 측정된 연약지반상에 쇄석 기등의 팽창파괴 형태와 같게 나타났다.
- 그림 9는 상대 밀도가 변화할 때 슬래그말뚝과 점토지 반이 받는 응력분담비의 변화를 침하량에 따라 도시하였다. 실험결과를 보면 하중을 가한 직후에는 자료의 분 산이 있으나 대체적으로 응력 분담비가 2.0정도의 값에서 하중이 증가하면서 침하가 증가함에 따라 상대밀도 70%와 90%인 경우에는 응력분담비가 다소 증가하여 3.0의 값을 갖다가 감소하는 경향이 있는 반면에 상대밀 도 50%인 경우에는 응력분담비가 2.0의 값에서 침하가 증가하면서 점진적으로 감소하여 1.5정도의 값에 수렴 함을 알 수 있다. 전반적으로 슬래그 다짐 말뚝의 상대 밀도가 증가할수록 응력분담비는 증가하는 경향을 나 타내며 하중이 증가할수록 침하량이 증가함에 따라 응 력분담비는 감소하는 경향을 보인다.
- 그림 10, 11에 응력집중계수( 孔)와 응력감소계수( 丄)를 나타내었다. 응력집중계수는 침하량에 따라 감소하는 경향성을 나타내어 응력분담비의 경향과 매우 유사한 경향을 나타내었고, 실험으로부터 획득한 응력감소 계수는 약 0.5~0.8의 범위로 밴드형태로 일정한 값을 유지하고 있으며 수치해석에 의한 응력감소계수는 실 험값보다는 다소 낮으나 0.4 ~ 0.5의 값 사이에 분포하였다.
- 7X10』cm/sec 로 각각 감소하였다. 이와 같은 결과로 부터 제강슬래그의 투수성은 경과시간이 길수 록, 상대밀도가 클수록 저하하는 경향이 있음을 알 수 있다. 따라서, 제강슬래그를 다짐말뚝으로 사용하는 경우에 시공초기에는 적정의 통수능을 지닌 말뚝의 기능을 유지할 수 있으나 시간이 경과할수록 제강슬래그의 포졸란 효과에 따른 입자간의 응집에 의한 투수계수의 감소 때문에 배수재로써의 기능은 감소할 것으로 판단된다.
후속연구
- (3) 제강슬래그의 정수위투수실험 결과 시간경과에 따라 투수계수가 감소하는 것으로 나타나 그의 배수 재로써 통수능 기능에 대한 적합성에 관한 연구와 환경에 미치는 영향에 대한 연구의 필요성이 요구 된다.
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