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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 원심모형시험기를 이용하여 사다리꼴 형태의 모형제방을 설치하고 소정의 중력수준까지 도달하는 동안 중력수준 상승에 의한 제체의 자중증가 현상을 이용하여 지반의 전반전단파괴를 유발시켜 지반의 침하깊이와 치환형상, 치환 후 물성변화 등을 파악하였으며, 강제치환에 의한 지반 보강 후 형성된 제체의 배면 성토에 따른 안정성 확보 여부에 대한 안정성 검토시험을 실시하여 강제치환에 따른 지반거동 특성에 관한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 해안 구조물 축조를 위하여 해양 연약지반에서 강제치환 상태를 원심모형 시험에서 모사하기 위하여 강제치환 특성시험과 강제치환에 의한 지반보강 후 형성된 제체의 배면 성토에 따른 안정성 검토시험에 관한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 강제압밀된 시료의 평균함수비는 72.5%의 분포를 보이는 것으로 나타났으며, 시료의 함수비가 높아 중력수준 50g조건에서 17시간동안 자중압밀을 실시하여 평균함수비 72.5% 조건에서 모형실험을 실시하였다.
- 강제치환 모형시험은 강제치환에 의한 치환특성 파악을 위한 시험과 배면 성토에 의한 제체의 안정성 검토를 위한 시험으로 나누어 각각 실시하였다.
- 강제치환 후 배면성토에 의한 제체의 안정성 검토를 위하여 원심모형실험을 실시하였다. 실험은 앞서 언급한 바와 같이 모형제체를 이용하여 강제치환을 실시한 다음 주문진 표준사를 이용하여 배면에 성토를 실시하는 순서로 진행되었다.
- 강제치환공법에 의해 개량된 지반 위에 해안구조물을 축조하여 뒷채움을 실시하는 과정에서 제체의 안정성 여부를 확인하기 위하여 Table 4에서와 같이 안정성 검토시험을 수행하였다. 실험은 Fig.
- 수행하였다. 실험은 Fig. 7에서와 같이 강제치환 모형실험이 종료된 상태에서 제체 배면에 주문진 표준사를 포설한 다음 중력수준 50 G 조건에서 안정성 검토를 실시하였다. 또한 실험 과정 중 배면 성토에 의한 제체의 수평변위 발생여부와 제내지 모형지반의 침하량을 계측하기 위하여 2개소에 변위계를 설치하였으며, 성토 하중으로 사용된 주문진 표준사의 경우 평균 M.
- 실시하였다. 실험은 앞서 언급한 바와 같이 모형제체를 이용하여 강제치환을 실시한 다음 주문진 표준사를 이용하여 배면에 성토를 실시하는 순서로 진행되었다.
- 준설 매립지반 모사를 위해 강제압밀을 이용하여 모형지반을 성형하였는데, 먼저 초기함수비 99-108% 조건으로 시료를 균질하게 혼합한 다음 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 아크릴 토조에 시료를 투기한 다음 공기압을 이용하여 최대 19.6kN/m2의 압밀하중을 단계적으로 재하하였다.
- 준설매립지반의 강제치환 특성을 파악하기 위하여 모형제체를 성토하중으로 이용하여 원심모형실험을 실시하였다. 강제치환 모형시험은 강제치환에 의한 치환특성 파악을 위한 시험과 배면 성토에 의한 제체의 안정성 검토를 위한 시험으로 나누어 각각 실시하였다.
대상 데이터
- 3과 Table 1에 나타낸 바와 같이 용량은 20g . ton이며 시험가능한 모형 토조의크기는 500x500x600mm이고, 원심모형기의 중심축으로부터 Hinge까지의 거리가 lm, Swing basket의 저면까지 거리는 135m 이다.
- 5kN/m3 분포를 유지하였다. 사용된 납 입자는 자체의 마찰저항력이 작아 실험중 치환과정에서 퍼짐현상 발생이 예상되어 이를 보완하기 위하여 구슬형태의 입자를 녹여 불규칙한 형상으로 납 입자를 제작하여 사용하였으며, 사석은 납 입자와의 치밀한 구성을 위해 No. 10 체 잔류 시료를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 하부 점성토 지반의 치환 형상은 제체 중앙부를 중심으로 좌우 대칭으로 제체 하부 지반이 오목한 형태의 형상을 나타내었으며 이러한 치환 형상은 제체하중에 의한 진행성 관입파괴, 중앙부 제체 하중에 의한 압밀 진행으로 인한 비배수 강도증가 및 구속응력 증가에 의한 변형계수 증가, 제체 사면 하부 지반의 측방 유동에 의한 성토재의 진행성 관입에 의한 것으로 판단된다.
- (2) 제체 하부지반의 치환심도 및 치환율(=치환 단면/제체단면)은 하부지반의 함수비와 하부지층의 깊이에 따라 증가하는 경향을 확인하였다.
- (3) 강제치환 모형 실험결과, 성토하중과 치환하중에 의한 간극수압과 강제치환에 의한 전단에 따른 간극수압의 발생 및 소산으로 인하여 치환단면 주변에서 함수비 감소 현상을 확인하였다. (4) 강제치환에 의한 지반 보강 후 형성된 제체의 배면 성토에 따른 안정성 확보 여부에 대한 원심모형 실험결과, 제한된 축소모형의 사용으로 정량적 평가는 어려우나 주어진 제원 및 실험조건에 대하여 제체의 연직 및 수평 변위량을 측정하여 제 체의 안정성 확보 여부를 판단할 수 있었다.
- 확인하였다. (4) 강제치환에 의한 지반 보강 후 형성된 제체의 배면 성토에 따른 안정성 확보 여부에 대한 원심모형 실험결과, 제한된 축소모형의 사용으로 정량적 평가는 어려우나 주어진 제원 및 실험조건에 대하여 제체의 연직 및 수평 변위량을 측정하여 제 체의 안정성 확보 여부를 판단할 수 있었다.
- 소성한계 실험결과를 Table 2에 나타내었다. Table에서 보는 바와 같이 노건조된 시료의 경우 액성한계 45.9%, 소성한계 21.9%, 소성지수 24.0%의 분포를 보이며, 자연건조된 시료의 경우 액성한계 52.7%, 소성한계 24.5%, 소성지수 28.2%의 분포를 보이는 것으로 나타났다. 이와 같이 시료의 건조조건에 따라 액 .
- 따라서 이와 같은 결과로부터 강제치환 단면 형상은 중심축을 중심으로 하여 좌우 대칭으로 오목한 형태의 치환 형상을 나타내며 침하 형상은 성토하중, 성토제원, 하부지반의 비 배수 전단 강도, 성토재의 전단강도(내부마찰각), 하부지반의 과잉간극수압 발생 및 소산속도, 시공속도 등에 따라서 영향을 받을 것으로 예상되나, 강제치환공법의 특성상 현장에서 성토체의 시공속도가 간극수압의 소산속도 보다 비교적 빠를 것으로 예상되므로 과잉간극 수압소산에 의한 압밀 침하보다 비배수 전단 상태에서 연직 변위의 발생과 수평 변위가 진행되는 측방유방에 의한 성토 재의 하부지반 관입이 발생할 것으로 판단된다. 또한 장기적으로 전단 변형시 발생한 간극수압의 소산이 진행되면서 성토 재의 부분적 치환이 발생할 것으로 예상된다.
- 모형실험을 위해 강제압밀에 의해 모형지반 성형후 측정한 초기 평균함수비는 53.3%로 나타났다.
- 12는 각 지반조건 실험결과 완료 후 지반 변형 형상을 3차원적으로 표현한 것이다. 성토단계별 지반침하 형상은 제체 중앙부를 중심으로 좌우 대칭형태의 변위가 유발되고 있으며 사면부에서 가장 크게 치환이 유발되는 등 앞서 언급한 강제치환 모형실험 결과와 동일한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 치환된 부분의 최종 경사는 34.
- 실험종료 후 위치별 함수비를 측정한 결과 Fig. 13에서와 같이 실험이 진행되는 동안 하부 점토지반에서 자중에 의해 압밀이진행되어 함수비가 감소하는 경향을 보이며, 특히 치환단면 주변에서는 성토에 의해 압밀하중이 상대적으로 크게 작용하여 주변 지반보다 함수비 감소가 두드러진 것으로 나타났다.
- 치환된 부분의 최종 경사는 34.9。의 분포를 보이며, 성토단계별 치환형상을 분석하여 치환율을 산정한 결과 Table 6에서 보는 바와 같이 1차성토시 11.0%의 치환율을 보이며 최종적으로 87.1%의 치환율을 보이고 있다.
- 소성한계 값의 차이가 나타나는 것은 해성 점토층에 있는 염도의 변화에 따른 영향으로 설명할 수 있다. 즉 노건조된 시료가 공기 건조된 시료에 비하여 건조과정에서 점토에 흡착되어 있는 염분의 증발량이 클 것으로 가정하면 액성한계실험에서 추가되는 담수에 의한 희석효과로 노건조 시료에서 저하된 염도의 농도는 이중층의 두께 증가에 의한 토립자 간의 반발력 증가로 전단강도의 저하를 유발시킬 수 있어 일종의 충격전단에 의한 흙의 유동성을 측정하는 액성한계 실험의 특성을 고려할 때 그 가능성을 추정할 수 있다. 체분석시험과 비중계분석시험을 통하여 실시한 입도분석 결과를 Fig.
- 한편, 모형실험을 위해 강제압밀에 의해 모형지반 성형 후 측정한 초기 평균함수비는 72.5%이었으나 실험종료 후 위치별 함수비를 측정한 결과 Fig. 10에서와 같이 실험이 진행되는 동안 하부 점토지반에서 자중에 의해 압밀이 진행되어 함수비가 감소하는 경향을 보이며, 특히 치환단면 주변에서는 성토에 의해 압밀하중이 상대적으로 크게 작용하여 주변지반보다 함수비 감소가 두드러진 것으로 나타났다.
후속연구
- 이후 일본의 Yasuhara와 Tsukamoto(1982)는 성토에 따른 하부 연약지반의 변형관계를 모형실험을 통하여 규명하고 연약지반 위에 Gotextile을 포설하였을 때 치환후의 지반의 극한 지지력으로부터 치환깊이를 제안하였으며, 국내에서도 이양희 (1982), 이원택(1985), 이승호(1992), 신현영(1999) 등의 강제치환 거동에 관한 연구가 지속적으로 수행되어 왔다. 그러나, 치환 심도 산정에 따른 이론적 배경의 정립이 미약한 상태이고 기존의 시공 사례를 검토한 결과 치환심도의 예측치와 실측치간에 차이 7} 발생하고 있으며, 치환과정 및 이후의 하부지반 물성치 변화와 융기량에 대한 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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