[논문]반복재하에 의한 미액상화 재성형 풍화토의 변형 특성

최연수; 윤찬영; 장의룡; 정충기

doi:10.7843/kgs.2006.22.6.41

문제 정의

한편, 우리나라의 경우 매립을 위해서 사용되는 토사는 가장 손쉽게 얻을 수 있고, 지반 공학적으로 비교적 양호한 특성을 갖고 있기 때문에 풍화토가 많이 활용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 미액상화 지반의 침하 거동을 파악하고자 다짐 재성형 풍화토를 대상으로 실내 반 복삼축시험 및 과잉간극수압 소산 시험을 수행하여 구속 압, 상대 밀도 등의 영향요소에 따른 반복하중에 대한 부 피 변형 특성을 분석하고, 아울러 침하량을 예측할 수 있는 방안을 고찰하였다.
본 논문에서는 반복적인 하중에 의해 발생한 동적인 과잉간극수압이 소산되는 과정에서 나타나는 미액상화 재성형 풍화토의 변형 특성을 파악하기 위해 반복 삼 축 시험과 과잉간극수압 소산 시험을 통한 실험적 연구를 수행하여 아래와 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

기준이 되는 시험 조건은 구속압 50kPa, 상대 밀도 60%이며, 상대 밀도와 구속압을 변화시키면서 시험을 수행하였다. 각 시험 조건에서 반복하중은 반복 전 단응력비 (cyclic stress ratio, CSR、)를 0.35 미만으로 한정하고, 재하횟수(M)는 100회까지로 한정하여 가하였다.

제안 방법

본 연구에서 수행된 시험의 종류 및 조건을 표 2에 요약 하여 나타내었다. 표에서와같이 구속압, 상대 밀도(小), 반복전단응력비(CSR = 히也\ 재하횟수(M) 등의 조건을 달리하면서 총 41회의 시험을 수행하였다 시험 중에는 죽 차 응력(/까), 죽 변형률(&), 간극수압(".) 등을 즉정하였다. 기준이 되는 시험 조건은 구속압 50kPa, 상대 밀도 60%이며, 상대 밀도와 구속압을 변화시키면서 시험을 수행하였다.
구속압을 일정하게 유지시킨 상태에서 배압을 이용하여 시료 내 간극수압을 증가시킨 후 배수 밸브를 닫고 다시 배압을 감소시켰다. 그리고 배수 밸브를 열어서 증가된 간극수 압의 소산을 유도하였다. 이러한 과정을 통하여 전응 력은 일정하게 유지시킨 상태에서 시료 내부의 간극수 압이 변화하는 반복재하시험과 동일한 조건을 구현할 수가 있다.
) 등을 즉정하였다. 기준이 되는 시험 조건은 구속압 50kPa, 상대 밀도 60%이며, 상대 밀도와 구속압을 변화시키면서 시험을 수행하였다. 각 시험 조건에서 반복하중은 반복 전 단응력비 (cyclic stress ratio, CSR、)를 0.
교란 상태로 채취한 풍화토 시료를 직경 71mm, 높이 142mm의 원통형이 되도록 몰드 내부에서 습윤 상태로 다져서 상대 밀도(Q, ) 35%, 60%, 85%가 되도록 성형하였으며, 이때 다짐 효율을 높이기 위하여 대략 12%의 함수비를 갖는 습윤상태를 유지하였다. 다짐에 의한 입자의 파쇄 정도를 살펴보기 위하여 성형 전후의 입도 분포를 조사하였으며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 그 영향은 미미한 것으로 드러났다. 성형이 끝난 후 시료를 삼 축실 내부에 설치하고, 삼축실을 조립한 다음, 진공압법 과 배압법을 이용하여 포화시켰다.
동하중 특히 지진이 발생한 경우에 발생하는 미 액상 화 시 침하량은 아직은 구체적 해석 절차가 정립되어 있지는 않지만, 위에서 제시된 변형 특성으로부터 매우 효율적으로 평가될 수 있다. 반복 재하에 따른 과잉간극 수압 발생 양상과 부피 변형 특성을 실험으로부터 설정하고, 지진과 대상 지반에 대한 정보 그리고 지반 응답해 석을 통하여 반복 재하 횟수, 반복 전단응력의 크기, 그리고 구속압 등을 평가하여, 대상 지반의 변형 및 침하량을 산정할 수 있다.
반복하중 재하 과정에서 발생한 과잉간극수압이 배수와 동시에 소산되면서 나타나는 풍화토의 변형 특성을 파악하기 위해서 비 배수 상태의 반복삼축시험을 실시한 후에 바로 이어서 과잉간극수압 소산 시험을 실시하였다. 비 배수 상태에서 수행된 반복삼축시험에 의해서 시료 내부에 발생된 과잉간극수압을 시료 하부에서 배수를 허용하여 소산시키고 이때 배수되는 물의 체 적을 측정하였으며 이러한 물의 체적을 통하여 시료 전체에서 발생되는 평균 체적 변형률(&)을 계산하였다.
본 연구에서는 서울에서 채취한 화강암을 모암으로 하는 교란 상태의 풍화토를 재성형하여 반복삼축시험 과 과잉간극수압 소산 시험을 수행하였다. 먼저, 채취된 풍화토의 기본적인 물성을 파악하기 위해서 입도 분포 시험, 비중시험, 액.
이때 발생한 체적변형은 1차원 변형 조건을 가정하면 지반의 침하에 해당한다. 부피 변형 특성의 재하 방법에 따른 영향을 비교, 분석하기 위하여 정재하에 의한 간극 수압 소산 시험을 추가로 실시하였다. 구속압을 일정하게 유지시킨 상태에서 배압을 이용하여 시료 내 간극수압을 증가시킨 후 배수 밸브를 닫고 다시 배압을 감소시켰다.
반복하중 재하 과정에서 발생한 과잉간극수압이 배수와 동시에 소산되면서 나타나는 풍화토의 변형 특성을 파악하기 위해서 비 배수 상태의 반복삼축시험을 실시한 후에 바로 이어서 과잉간극수압 소산 시험을 실시하였다. 비 배수 상태에서 수행된 반복삼축시험에 의해서 시료 내부에 발생된 과잉간극수압을 시료 하부에서 배수를 허용하여 소산시키고 이때 배수되는 물의 체 적을 측정하였으며 이러한 물의 체적을 통하여 시료 전체에서 발생되는 평균 체적 변형률(&)을 계산하였다. 이때 발생한 체적변형은 1차원 변형 조건을 가정하면 지반의 침하에 해당한다.
다짐에 의한 입자의 파쇄 정도를 살펴보기 위하여 성형 전후의 입도 분포를 조사하였으며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 그 영향은 미미한 것으로 드러났다. 성형이 끝난 후 시료를 삼 축실 내부에 설치하고, 삼축실을 조립한 다음, 진공압법 과 배압법을 이용하여 포화시켰다. 시료의 포화는 0.
먼저, 채취된 풍화토의 기본적인 물성을 파악하기 위해서 입도 분포 시험, 비중시험, 액. 소성한계시험, 최소 및 최대건조밀 도시험 등을 실시하여 그 결과를 표 1에 요약하였다. 시험 대상 시료의 입도 분포는 그림 1과 같으며, #200체를 통과한 세립분이 약 12.
압밀이 완료된 후 시료에 연결된 배수 밸브를 막아 완전한 비 배수 상태를 유지하면서 반복적인 축하 중을 가하여 시험을 수행하였다. 가해진 반복 축하 중은 싸인 파형을 가지며 주파수(frequency)는 0.
이와 함께 사용 시료의 액상화 강도를 평가하기 위한 반복삼축시험을 기준 시험 조건인 유효 구속압 50kPa, 상대 밀도 60%에 대하여 수행하였다.
98 이상의 간극수압계수 B값으로 확인하였다. 포화된 시료 는 일정한 응력 증분 속도(stress-control)에 따라, 50, 100, 200kPa의 3가지 구속압(喝까지 증가시키면서 등 방상 태에서 압밀하였다. 이때 응력 증분 속도는 시료 내의 과잉간극수압이 발생하지 않도록 예비 시험을 통해서 결정한 lkPa/min를 적용하였다.

성능/효과

(1) 반복하중에 의해 발생하는 과잉간극수압은 동일한 전단응력 비(cyclic stress ratio, CSR)가 작용할 경우에 구속압이 증가할수록 그 값이 커진다. 그리고 과잉간극수압을 구속압으로 정규화한 과잉간극수압 h](excess pore pressure ratio, EPPR)로 나타내면 구 속압의 크기에 상관없이 유사한 거동을 나타낸다.
(2) 미액상화 사질토 지반의 반복재하 시 부피 변형을 고찰할 때, 구속압은 중요한 영향 요소로 작용하여 그 값이 증가함에 따라 반복재하 시 과잉간극수압이 증가하고 소산 시 부피 압축성이 감소한다. 그러나 과잉간극수압을 구속압으로 정규화한 EPPR로 부피변형률을 평가할 경우 구속압의 효과를 배제하고 표현할 수 있다.
(3) 본 연구의 결과로 다양한 구속압과 반복재하 하중 크기에 따른 과잉간극수압 거동 그리고 이의 소산에 따른 부피 변형 특성을 소수의 실험으로 예측하는 것이 가능하다. 이러한 결과는 지진에 따라 발생할 수 있는 대부분 의미 액상화 사질토 지반의 침하 거동을 평가하는데 유용하게 활용될 수 있다.
결론적으로 제안된 수정 과잉간극수압 비 MEPPR을을 사용할 경우 동적 하중에 대한 발생 과잉간극수압 변화를 반복하중의 크기와 구속압의 변화에 상관없이 반복 재하횟수에 대한 하나의 대표 곡선으로 나타낼 수 있다. 따라서, 주어진 지반 조건(즉 흙의 종류 및 밀도가 주어진 경우)의 반복재하 시 과잉간극수압의 거동은 대표 조건에 대한 한 번의 반복재하시험으로 얻는 것이 이론적으로 가능하다.
교란 상태로 채취한 풍화토 시료를 직경 71mm, 높이 142mm의 원통형이 되도록 몰드 내부에서 습윤 상태로 다져서 상대 밀도(Q, ) 35%, 60%, 85%가 되도록 성형하였으며, 이때 다짐 효율을 높이기 위하여 대략 12%의 함수비를 갖는 습윤상태를 유지하였다. 다짐에 의한 입자의 파쇄 정도를 살펴보기 위하여 성형 전후의 입도 분포를 조사하였으며, 그림 1에 나타낸 바와 같이 그 영향은 미미한 것으로 드러났다.
따라서 미액상화 사질토 지반의 반복재하 시 부피 변 형을 고찰할 때, 구속압은 중요한 영향 요소로 작용하여 그 값이 증가함에 따라 반복재하 시 과잉간극수압이 증가하고 소산 시 부피 압축성이 감소하지만, 과잉간극수 압을 구속압으로 정규화한 EPPR로 거동을 평가함으로써 그 효과를 배제하고 효율적으로 나타낼 수 있다.
반복재하 초기 단계에 재하 횟수의 증가에에 따라 과잉간극수압은 급격히 증가하며, 재하횟수 10회를 전후로 그 증가율이 완연히 감소한다. 또한 반복재하 하중의 크기, 즉 반복전단응력비 CSR이 클수록 과잉간극수압이 크게 발생함을 확인할 수 있다.
는 요인으로서, CSR이 증가할수록 발생 과잉간극수 압의 크기도 증가하며, EPPR과 CSRe 선형 증가 관계를 가진다. 본 연구에서 제안한 바와 같이, EPPR 을 CSR로 정규화한 수정과잉간극수압비(Modified Excess Pore Pressure Ratio, MEPPR)로 표현하면 구 속압 및 CSR의 크기에 상관없이 반복재하횟수에 따른 고유한 값을 가진다. 제안된 MEPPR을 이용하면, 임의의 지반조건하에서 반복하중의 작용에 의해 발생 가능한 과잉간극수압의 크기를 최소의 실험을 통하여 간편하게 예측할 수 있다.
일반 모래에 대한 시험 결과와 비교하여 볼 때 액상화 강도가 크게 나타나며, CSR이 0.3 이하일 경우 액상화 발생 가능성이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 이는 풍화토에 함유된 세립토(#200체 통과량이 전체의 15% 내외)의 영향으로 파악된다.
본 연구에서 제안한 바와 같이, EPPR 을 CSR로 정규화한 수정과잉간극수압비(Modified Excess Pore Pressure Ratio, MEPPR)로 표현하면 구 속압 및 CSR의 크기에 상관없이 반복재하횟수에 따른 고유한 값을 가진다. 제안된 MEPPR을 이용하면, 임의의 지반조건하에서 반복하중의 작용에 의해 발생 가능한 과잉간극수압의 크기를 최소의 실험을 통하여 간편하게 예측할 수 있다.
반복재하 초기부터 100회에 이르기까지 전체 과잉간극수압 발생 양상이 구속압에 상관없이 거의 일정하게 나타난다. 즉, 반복하중에 의해 발생하는 과잉간극수압은 유효구속압에 대하여 정규화 거동을 보이며, 다만 재하 하중에 따른 CSR의 크기에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 결과는 지진에 따라 발생할 수 있는 대부분 의미 액상화 사질토 지반의 침하 거동을 평가하는데 유용하게 활용될 수 있다. 다만, 이를 위해서는 미액상화 지반의 침하량을 예측할 수 있는 구체적인 방법이 우선 설정되어야 하고, 제안된 지반의 동적 거동 특성을 이용한 침하량 예측 및 검증 절차가 필요할 것이다.
여기서 얻어진 실험 결과는 서울 지역에서 채취된 풍 화토를 재성형한 시료에서 얻어진 것으로서, 일반 사질토에서도 동일한 거동을 보일 것으로 예상된다. 하지만, 향후 다른 사질토를 이용한 유사 실험을 통해서 제시된 반복재하에 의한 사질토의 미액상화 변형 거동을 검증할 필요가 있다.

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