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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 모래자원의 부족에 따른 경 제성과 하중재하폭에 대한 개량폭의 적정범위 등을 규명하기 위하여 SCP의 치환율과 200번체 통과량의 세립분 함유량, 하중재하폭에 대한 지반개량폭비를 변화시킨 광범위한 매개변수적 원심모형실험과 수치 해석을 실시하여 하중-침하특성, 응력분담비, 파괴메카니즘 등 전반적인 복합지반의 거동을 비교 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 SCP의 설계 및 시공에 중요한 요소인 지지력, 응력분담비, 파괴메카니즘 등에 미치는 영향을 알아보고자 SCP의 치환율, 비소성 세립분 함유량, 개량 폭비등을 변화시킨 일련의 원심모형실험과 수치해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- SCP공법은 점토와 모래말뚝의 복합지반으로 형성되어 있기 때문에 모래말뚝의 강도, 치환율( as), 개량폭비, 기초와 개량범위의 위치관겨}, 모래말뚝의 선단부지 지 지반조건, 원지반의 강도분포, 외력조건, 압밀조건, 하중의 재하속도, 대상구조물의 종류와 기하학적 형상 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으나 본 연구에서는 상기의제 요인 중에서 모래말뚝의 No.200체 통과 비소 성 세립분 함유량, 개량폭비(W/B), 치환율 등을 달리하여 중력가속도 50G로 원심모형실험을 실시하였고 실험 내용을 표 1에 나타내었다.
- 또한, 지반의 지표면에 수위가 위치하는 것으로 하였고, 양면배수조건으로 해석을 수행하였다.
- 모래다짐말뚝은 원통형관(내경 2 渤)에 일정한 함수 비의 주문진 표준사를 투입하여 진동대 위에서 90%의 상대밀도를 갖는 모래말뚝을 만든 후 물로 포화시켜 동결하였다. 한편, 모래말뚝의 세립분 함유량은 200번체를 통과한 실리카 세립분을 이용하여 조절하였다.
- 모래다짐말뚝의 비소성 세립분 함유량 5%, 개량폭비 (W/B)가 2일때를 기준으로 치환율을 20, 40, 70%의 3가지로 변화시킨 원심모형실험과 수치해석 결과를 바탕으로 하중-침하 특성, 응력분담특성에 대한 분석을 실시하였다.
- 모래다짐말뚝의 치환율 40%, 세립분 함유량 5%을 기준으로 하여 개량폭비(W/B)를 1, 2, 3으로 변화시킨 원 심모형실험과 개량폭비(W/B)를 1, 2, 3, 4, 5의 5가지로 변화시킨 수치해석을 실시하였다. 이러한 해석결과를 가지고 하중-침하 특성, 응력분담특성등에 대한 복합지 반의 거동 분석하였다.
- 모래다짐말뚝이 타설된 복합지반의 거동을 규명하고 원심모형실험결과를 비교 분석하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 범용 지반해석 FEM 프로그램 인 SAGE CRISP(2000) 프로그램을 이용하여 실시하였다.
- 복합지반에 대한 수치해석은 그림 3의 흐름도에 나타낸 바와 같이 지반의 범위와 물성치, 지하수위 및 변위 경계조건, 지반의 초기응력 등을 설정한 후, 치환율을 고려한 SCP를 설치하고 하중을 재하하여 점토지반과 SCP 에 발생하는 응력과 하중-침하 관계 등을 정리하였다. 그림 4는 대표적으로 치환율 40%에 대하여 수치해석에 사용된 유한요소 격자망과 변위경 계조건을 나타낸 것으로 그림에 나타낸 바와 같이 원심모형실험결과를 비교 하기 위한 수치해석은 2차원 평면변형 조건으로 해석을 수행하였으며, 모형지반의 좌우 대칭성을 이용하여 모형토조의 1/2만을 격자로 구성하여 해석하므로써, 컴퓨터의 메모리와 계산시간을 단축시켰다.
- 복합지반에 매설한 간극수압계(PPT)의 위치는 그림 2에 나타낸 바와 같이 가장 우측에 타설된 모래말뚝으로부터 1 c所(PPT1), 4cm(PPT2), 9 ow(PPT3) 위치에 해당되는 곳으로 총 3개를 매설하였다.
- 복합지반은 예비압밀이 종료된 원지반을 탈착하여 원심모형토조에 부착한 후 50G의 원심력장에서 자중압밀을 실시하여 실물규모 10 m에 상당하는 높이 약 20成의 정규압밀 점토지반을 제작하였으며 이때, 점토층 중심부에 간극수압계를 매설하여 과잉간극수압의 소산을 확인하였다
- 세립분을 다량 포함하고 있는 모래에 대한 모래다짐말 뚝 재료로써의 적용성을 알아보기 위하여 치환율 40%, 개량폭비 2에 대하여 모래의 No.200체 통과량을 5, 10, 15%로 변화시켜 실험을 실시한 후 수치해석을 통하여 하중-침하특성, 응력분담비 등에 대한 복합지반의 거동을 분석하였다.
- 그림 9에 침하량에 따른 SCP 및 점토지반의 수직응 력의 변화를 도시하였다. 수직응력은 SCP 및 점토의 상 부에 설치한 토압계를 이용하여 측정하였고 샌드매트 에 의한 초기응력은 제외하여 순수하게 상재하중의 재 하에 의해 발생한 응력을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 SCP의 경우는 지반의 침하와 함께 점진적으로 토압이 증가하는 것으로 나타났고 치환율 40% 일때 점 토의 경우는 그 증가 정도가 작고 치환율 20%에서는 초기 12mm 의 침하발생시 까지만 증가 할 뿐 그 후로는 약간 감소하고 있다.
- 모래말뚝으로 사용된 주문진 표준사의 구성모델은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. 압밀배수(CD)의 삼 축압축시험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수(E)와 포아송비(0, 내부마찰각, 점착력등의 값을 구하였다. 해석에 사용된 탄성계수값은 그림 5에 나타낸 바와 같이 삼축압축시험으로 부터 평균유효주응력-탄성계수 값을 회귀분석하여 초기지반의 응력상태, 力= 飞으户 에 상응하는 값을 구하여 사용하였다.
- 유한요소격자망 은 358절점 320요소로서 모형지반의 좌 . 우측은 수평 변위를 구속하였으며 바닥면은 연직변위를 구속하였다.
- 모래다짐말뚝의 치환율 40%, 세립분 함유량 5%을 기준으로 하여 개량폭비(W/B)를 1, 2, 3으로 변화시킨 원 심모형실험과 개량폭비(W/B)를 1, 2, 3, 4, 5의 5가지로 변화시킨 수치해석을 실시하였다. 이러한 해석결과를 가지고 하중-침하 특성, 응력분담특성등에 대한 복합지 반의 거동 분석하였다.
- 자중압밀 종료 후 1G상태에서 모래말뚝을 타설한 후, 하중재하시 기초 및 지반에 발생하는 연직변위량 및 수평 변위량을 측정하기 위하여 변위계를 설치하였고, 모래말뚝과 점토지반의 응력분담비를 알아보기 위하여 모래다짐말뚝과 점토지반의 표면에 직경 6.5 所m의 토압계를 매설하는 한편, 점토층 중간 깊이에서 개량지반의 바깥방향으로 부터 1 cm, 4 cm, 9 cm위치에 간극수압계를 매설하여 위치별 과잉간극수압 변화를 측정하였다. 한편, 연직흐卜중 재하에 따른 모형 지반의 활동선을 관찰하기 위하여 원심모형실험기에서 자중압밀 완료 후 모형토조의 전면 벽체를 탈착하여 일정 격자상에 Marker를 매설하여 활동선을 관찰하였다.
- 모래다짐말뚝은 원통형관(내경 2 渤)에 일정한 함수 비의 주문진 표준사를 투입하여 진동대 위에서 90%의 상대밀도를 갖는 모래말뚝을 만든 후 물로 포화시켜 동결하였다. 한편, 모래말뚝의 세립분 함유량은 200번체를 통과한 실리카 세립분을 이용하여 조절하였다.
- 5 所m의 토압계를 매설하는 한편, 점토층 중간 깊이에서 개량지반의 바깥방향으로 부터 1 cm, 4 cm, 9 cm위치에 간극수압계를 매설하여 위치별 과잉간극수압 변화를 측정하였다. 한편, 연직흐卜중 재하에 따른 모형 지반의 활동선을 관찰하기 위하여 원심모형실험기에서 자중압밀 완료 후 모형토조의 전면 벽체를 탈착하여 일정 격자상에 Marker를 매설하여 활동선을 관찰하였다.
대상 데이터
- 모형지반에 사용된 시료는 부산인근에서 채취한 해 성점토로서 기본물성은 표 2에 나타낸 바와 같고, 시료를 액성한계 2배의 함수비로 교반시켜 압밀토조(폭 45 cm, 길이 20 彻, 높이 40 cm)에 투기한 후, 압밀토조 상부에 4.9, 9.8, 19.6枷7必의 공기압력을 단계적으로 가하여 7일 정도 예비압밀을 실시하여 예비압밀 완료 후 20 次 높이의 원지반을 조성하였다.
데이터처리
- 모래다짐말뚝이 타설된 복합지반의 거동을 규명하고 원심모형실험결과를 비교 분석하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석은 범용 지반해석 FEM 프로그램 인 SAGE CRISP(2000) 프로그램을 이용하여 실시하였다. CRISP 프로그램은 Cambridge 대학에서 개발된 유한요소 프로그램으로 국내외에서 연약점토지반의 압밀 거동 해석에 많이 사용되고 있다.
- 압밀배수(CD)의 삼 축압축시험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수(E)와 포아송비(0, 내부마찰각, 점착력등의 값을 구하였다. 해석에 사용된 탄성계수값은 그림 5에 나타낸 바와 같이 삼축압축시험으로 부터 평균유효주응력-탄성계수 값을 회귀분석하여 초기지반의 응력상태, 力= 飞으户 에 상응하는 값을 구하여 사용하였다.
이론/모형
- 모래말뚝으로 사용된 주문진 표준사의 구성모델은 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. 압밀배수(CD)의 삼 축압축시험을 실시하여 이 모델의 매개변수인 탄성계수(E)와 포아송비(0, 내부마찰각, 점착력등의 값을 구하였다.
- 한편, 연약점토지반은 Roscoe와 Burland(1968)등이 제안한 수정 Cam-clay 모델을 사용하였다. 표준압밀시험 및 압밀비배수(CU)의 삼죽압축시험으로부터 구한 모델의 변수값은 표 4에 나타내 었으며 지반의 초기 연직 유효응력, 수평유효응력 등을 그림 6과 같이 가정하여 입력하였다.
성능/효과
- (1) SCP의 치환율을 20, 40, 70%로 변화시킨 원심모형 실험과 수정 Cam-clay 모델의 점성토지반과 탄소성 모델의 SCP를 사용한 수치해석에 의한 하중-침하 곡선을 비교한 결과 좋은 일치를 보였으며, 두 결과 모두 치환율이 증가할수록 항복하중강도와 초기접 선 탄성계수가 증가하였다.
- (2) SCP의 비소성 세립분 함유율이 증가할수록 지지력 이 증가하는 것을 확인하였으며, 이것은 비소성 세립분에 의한 간극의 충진효과와 입자의 억물림에 의한 모래말뚝의 강도증가에 기인한 것이다.
- (3) 개량폭비를 변화시킨 실험과 수치해석 결과 개량폭 비가 증가함에 따라 SCP 보강지반의 지지력은 증가하는 경향을 보였으나, 개량폭비가 2일때 최대개량 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- (4) 수치해석결과 치환율의 변화에 따른 응력분담비의 변화는 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었고, 모래말뚝에 집중되어 있는 응력이 모 래말뚝의 항복으로 인하여 점성토 지반으로 응력이 전이됨에 따라 침하량이 증가할수록 응력분담비는 감소하는 경향을 나타내었다.
- (5) 비소성 세립분 함유량이 5, 15%로 증가할수록 응력분담비는 각각 1.5~3.5, 5~6.5의 범위로써 세립분 함유량이 증가할수록 응력분담비도 증가하는 경향을 나 타내었으며 이는 SCP의 강성이 증가하였기 때문이다.
- (6) 재하시험 종료후 SCP와 점토지반의 파괴상태를 확 인한 결과, 모래말뚝 상부로 부터 SCP직경의 2~2.5배 깊이에서 말뚝의 명료한 전단면이 발생하였으며 Marker에 의한 점토지반에 발생한 활동선의 관찰결과 국부전단 파괴가 발생하였음을 확인하였다.
- 세립분 함유량 5, 15%에 대한 모래다짐말뚝과 점토 지반의 침하-응력분담비 곡선을 그림 12에 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 원심모형실험에 의한 결과는 초기값을 제외하고는 세립분 함유량에 따라 응력분담비의 변화가 거의 유사한 값으로 나타났으나 수치해석 에 의한 결과를 살펴보면 세립분 함유량이 5, 15%에 대하여 응력분담비는 약 1.5 ~3.5, 5~6.5의 범위로 각각 나타나 세립분 함유량이 증가할수록 응력분담비는 증가하는 것으로 나타났는데 이러한 결과 또한 세립분이 증가할수록 모래말뚝의 강성이 증가되었기 때문에 모 래말뚝에 응력의 집중된 것이다. 한편, 세립분 함유량이 5%의 경우는 수치해석과 실험에 의한 응력분담비 값의 범위가 유사하게 나타났으나 세립분 함유량이 15%일때는 수치해석에 의한 응력분담비 값이 매우 크게 나타났 는데 이는 세립분 함유량 15%일때의 SCP의 탄성계수 값이 점토에 비하여 상대적으로 크게 입력된 것에 기인 된 것으로 판단된다.
- 그림 10에 치환율에 따른 침并응력분담비 곡선을 도 시하였다. 그림에 보여진 바와 같이 치환율 40%의 결과는 실험과 수치해석 결과가 잘 일치하였으나 치환율 20%는 많은 차이를 나타내었다. 실험으로부터 얻은 응력분담비는 치환율 40%일 때 약 2.
- 4 %场이후 수치해석과 실험값에 많은 차이를 나타내었는데 이러한 이유는 실험시 70%의 높은 치환율로 인하여 말뚝 중심간 간격이 좁아짐에 따라 말뚝을 간격별로 타설하지 못하고 치환율을 고려한 강제치환으로 지반을 개량하였기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 실험에서 획득한 항복하중강도를 보면 치환율이 20, 40, 70%에 대하여 각각 37.3, 46.1, 99.7 枷7必로 나타나 70% 치환율에서 항복하중값이 급격하게 증가하였음을 알 수 있다. 여기서, 항복하중값은 그림 8과 같이 하중(P)-침하(s) 곡선의 값을 Log P-LogS의 관계로 도시하여 변곡점을 구한 결과이다.
- 또한 수치해석결과도 1B에서 2B로 개량하였을 때 약 35% 정도 지지력이 증가하였으나 3B, 4B, 5B 로 개량하였을 때는 극한지지력이 미소하게 증가하였다. 이러한 결과는 개량폭 2B를 전후하여 최대의 개량효과를 얻어진다고 한 Kimura 등(1985)에 의한 연구결과와 일치하는 것으로 그의 타당성을 확인할 수 있었다.
- 5의 범위에 분포하였고, 항복하중 시점에서의 응력분담비와 큰 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 개량폭비(W/B)의 증가에 따른 응력분담비의 증가는 개량폭에 따른 말뚝 간 점토의 수평구속력에 의한 모래말뚝의 수평저항력이 증가하여 말뚝의 응력집중효과가 증가하므로써 항복하중시점 이후 개량폭이 증가할수록 응력분담비가 크게 분포하는 것으로 판단된다.
- 9의 범위를 분포하고 있다. 또한, 개량폭비에 따른 하중침하 곡선 의 변화와 함께 항복하중시점 이후 응력분담비는 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 200번체 통과량의 비소성 세립분을 5, 10, 15% 변화시킨 원심모형 실험결과를 수치해석 결과와 비교하여 도시하였다. 수치해석과 마찬가지로 실험 시 획득한 항복하중강도는 세립분 함유량이 5, 10, 15% 로 증가함에 따라 각각 46.1, 60.8, 78.5 ㈣必으로 나타나 지지력이 증가하는 것으로 나타났으며 하중-침하 곡 선의 초기접선기울기 또한 급하게 증가하였다.
- 수치해석 및 실험결과에 대한 전반적인 경향성은 침하량과 하중이 증가함에 따라 응력분담비는 감소하는 경향성을 보여주고 있다. 실험결과 개량폭비(W/B)가 커질수록 응력분담비는 증가하며 개량폭비에 따라 항복하중값을 나타내는 침 하량 3~4 m的에서의 응력분담비는 3.5~3.9의 범위를 분포하고 있다. 또한, 개량폭비에 따른 하중침하 곡선 의 변화와 함께 항복하중시점 이후 응력분담비는 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 그림 17은 치환율 70%일 때 하중재하시의 과잉간극 수압-하중 곡선을 보여주고 있다. 실험결과 모래 다짐말뚝으로부터 가장 먼 곳에 매설된 간극수압계 PPT3은 하중증가와 함께 거의 같은 비율로 과잉간극수압이 상승 한 것으로 측정되어 비배수 조건에 있는 것을 알 수 있으며, 모래말뚝에 가까운 곳에 매설된 PPT1, PPT2는 항복하중 시점에서 급격한 간극수압의 감소를 나타내고 있다. 이와 깉-이 급격한 간극수압의 감소는 70%의 높은 치환율에 따라 배수효과를 증가시켜 점토지반의 압밀에 의한 강도증진 효과를 한층 높여주는 것으로 판단된다.
- 그림에 보여진 바와 같이 치환율 40%의 결과는 실험과 수치해석 결과가 잘 일치하였으나 치환율 20%는 많은 차이를 나타내었다. 실험으로부터 얻은 응력분담비는 치환율 40%일 때 약 2.5~5.5의 범위로 분 포하였고 치환율 20%에서는 약 1.2~3.0정도로 치환율 이 40%인 경우가 치환율 20%에 비하여 응력분담비가 크게 산정되었으나 침하량이 30mm를 넘어서는 치환율 20%인 경우가 더 큰 응력분담비가 산정되었다. 한편, 치환율이 40%인 경우 지반 침하에 따라 응력분담비가 점진적으로 감소하고 있으나 치환율이 20%인 경우는 침하량 8mm 부근 까지만 감소하고 그 이후로는 선형적 으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 원심모형실험과 수치해석 결과 모두 개량 폭비가 증가할수록 극한지지력이 증가하는 것으로 나타났다. 원심모형 실험결과에 따르면 개량폭비를 1B에서 2B로 개량하였을 때 항복지지력은 22.6 ㈣次에서 46.1 kN就로 약 100% 증가하였으나 2B에서 3B로 증가하였을때는 46.1 ㈣欢2에서 49.0 枷/所2로 약 5% 정도 증가하는데 그쳤다.
- 모래다짐말뚝의 개량폭비를 변화시킨 원심모형실험 과 수치해석결과를 비교하여 하중-침하 곡선을 그림 13에 나타내었고 이에 해당하는 항복하중강도 값을 표 5에 요약하였다. 원심모형실험과 수치해석 결과 모두 개량 폭비가 증가할수록 극한지지력이 증가하는 것으로 나타났다. 원심모형 실험결과에 따르면 개량폭비를 1B에서 2B로 개량하였을 때 항복지지력은 22.
- 또한, Marker에 의한 관찰결과 지반의 국부전단파괴를 관찰할 수 있었다. 이와 같은 실험결과로부터 20~40%의 저치환율 SCP복합지반에서 파괴 메카니즘은 팽창파괴(Bulging Failure)가 선행이 되고 점진적으로 활동파괴면의 진행에 따라서 국부전단파괴 가 발생되는 것으로 나타났다.
- 치환율을 변화시킨 원심모형실험결과, 실험결과와 수치 해석 모두 치환율이 증가함에 따라 항복지지력값도 증가하였고, 초기탄성영역의 기울기도 증가하는 것으로 나타났다.
- 5의 범위로 각각 나타나 세립분 함유량이 증가할수록 응력분담비는 증가하는 것으로 나타났는데 이러한 결과 또한 세립분이 증가할수록 모래말뚝의 강성이 증가되었기 때문에 모 래말뚝에 응력의 집중된 것이다. 한편, 세립분 함유량이 5%의 경우는 수치해석과 실험에 의한 응력분담비 값의 범위가 유사하게 나타났으나 세립분 함유량이 15%일때는 수치해석에 의한 응력분담비 값이 매우 크게 나타났 는데 이는 세립분 함유량 15%일때의 SCP의 탄성계수 값이 점토에 비하여 상대적으로 크게 입력된 것에 기인 된 것으로 판단된다.
- 0정도로 치환율 이 40%인 경우가 치환율 20%에 비하여 응력분담비가 크게 산정되었으나 침하량이 30mm를 넘어서는 치환율 20%인 경우가 더 큰 응력분담비가 산정되었다. 한편, 치환율이 40%인 경우 지반 침하에 따라 응력분담비가 점진적으로 감소하고 있으나 치환율이 20%인 경우는 침하량 8mm 부근 까지만 감소하고 그 이후로는 선형적 으로 증가하는 경향을 나타내었다. 치환율 40%의 실험결과와 같이 일반적으로 지반의 침하에 따라 응력분담 비 값이 점진적으로 감소하는 것으로 보고된 바 있는데 (Kang 등, 2004), 이와 같은 경향은 SCP 복합지반이 항 복에 도달한 이후 응력의 일부가 아직 항복이 발생하지 않은 점토지반으로 전이되어 점토의 수직응력이 증가 하기 때문이다.
- 5D정도로 발생하였다. 한편, 하중 재하시 강제 침하에 의한 재하판 주변에서 점토지반의 융기가 발생하였으며 모형 토조의 전면판을 탈착 후 일정한 격자상의 Marker를 매설하여 점토지반의 활동선을 관찰한 결과 미세한 활동선의 진행을 관찰할 수 있었다.
- 한편, 항복하중시점 이후 응력분담비의 감소는 모래 말뚝의 항복 이후 점토로 응력분산이 이루어진 것으로 판단되며, 항복하중 이후 큰 침하를 유도하여 응력분담비의 분포를 관찰한 결과 응력분담비는 1~3.5의 범위에 분포하였고, 항복하중 시점에서의 응력분담비와 큰 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 개량폭비(W/B)의 증가에 따른 응력분담비의 증가는 개량폭에 따른 말뚝 간 점토의 수평구속력에 의한 모래말뚝의 수평저항력이 증가하여 말뚝의 응력집중효과가 증가하므로써 항복하중시점 이후 개량폭이 증가할수록 응력분담비가 크게 분포하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 그러나, 본 연구는 모래말뚝의 재료로서 입자가 균등 한 주문진표준사를 사용하였기 때문에 이 연구결과는 제한적으로 사용되어야 할 것으로 판단되며, 일반 강모 래와 같이 입도가 양호한 모래에서의 세립분 함유율에 따른 추가적인 연구가 요구된다.
- 여기서, 말뚝부근의 점토지반은 배수조건에 있다는 것을 알 수 있으며, 말뚝 바깥부분의 점토지반은 완전 비배수 조 건에 있는 것을 확인할 수 있다. 한편, 복합지반의 압밀에 의한 강도증진효과를 분석하기 위해서는 완전 배수조건에서 완속재하시험을 수행하여야 하며, 완전배수조 건에 해당하는 재하속도를 적절히 선정해야 할 것이다.
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