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문제 정의
- 본 논문에서는 기존에 개발된 링 타입 FVP 장비를 지반 관입 시 교란이 최소화 되도록 블레이드 타입 장비로 개량하고 현장 적용성을 검증하였다 링 타입 FVT에서 블레이드 타입 FVP 장비까지 개발 과정을 소개하였고 실험 중 발생한 누화현상, 측정을 위해 사용된 시험 주변 장礼 깨끗한 전단파 획득을 위해 사용한 입력 신호 및 해석법 그리고 현장 적용 시험에 대해 서술하였다. 현장 적용 실험은 연약지반 개량을 위한 사석 공법이 적용된 현장에서 수행하였고 개발된 FVP를 이용하여 깊이별 전단파 속도를 도출하였다.
제안 방법
- 3차 실험은 블레이드 타입 FVP-3를 이용하여 2차 실험 실시 후 약 8개월 이후에 실시 하였으며 2차 실험과 동일하게 사석층 및 모래층을 선 굴착 후 원지반인 연약지반의 전단파 속도를 10cm간격으로 측정하였다. 그림 13은 3차 실험 시 측정된 심도별 전단파 형상을 보여준다.
- ① 장비 개량 시 하단의 쐐기 모양 프레임 길이 시료 교란, 연결 롯드, 트랜스듀서 보호대, 케이블 선택, 블레이드 형태 등을 고려하였다.
- ② 트랜스듀서 사이의 전기적 누화현상을 최소화시키기 위하여 전도성 페인트 (silver paint)를 이용한 전기적 차폐 (shielding)및 접지를 실시하였다.
- ③ 전선간 누화현상의 최소화를 위하여 발신 및 수신용 전선을 분리하고 각각 접지하여 전선간 누화현상을효과적으로 제거하였다.
- ④ FVP 관입으로 인한 교란을 최소화 하기 위하여 트랜스듀서 고정용 스크류를 제거하여 프레임의 두께를 최소화 하였으며, 프레임을 통한 파의 직접적 전달을 방지하기 위하여 약간의 연성을 유지하는 특수 에폭시를 이용하여 트랜스듀서를 고정하였다.
- 있다. 고주파수 잡음 제거를 위하여 1024개의 신호를 평균하여 저장하였다.
- 원지반 상부 두께 약 5m의 모래층은 약 15정도의 N치를 보여 측정 장비 파손을 방지하기 위하여 선 굴착 후 시험을 수행하였다. 굴착 후 케이싱인 발 과정에서 약 3m 심도에서 공벽이 무너져 지표 하부 3m의 느슨한 모래층부터 Im 간격으로 전단파 측정실험을 실시하였다. 실험 결과 깊이별 전단파 속도 변화양상으로부터 모래층과 점토층을 명확하게 구별 할 수 있었다(이종섭 외 2006).
- 실험 결과 2 차 실험 시 측정된 전단파 속도는 PBD 및 선재하공법의적용에 따른 원지반의 압밀로 인하여 1차 시험 시 측정된 전단파 속도보다 약 3배 정도 증가된 양상을 보였다. 그러나 1차 실험과 달리 약 18m의 사석층으로 인하여 지표로부터 원지반, 즉, 측정 심도까지 길게 이어진 롯드 길이로 인하여 롯드 자체의 좌굴 발생과 증가한 원지반의 강성으로 인한 관입 장비의 반력 부족으로 약 14m (모래층 최상부 기준)까지 실험을 실시하였다.
- 그림 10과 같이 높이 1.0m, 내경 0.7m, 그리고 두께 22mm를 가지는 대형 calibration 챔버를 이용하여 FVP 관입 에 따른 교란효과와 FVP로 산정된 Vs의 타당성 검증을 수행하였다. 하부 Plate에 수압을 작용하여 하중을 가하였으며, 양면 배수 시스템을 적용하였다.
- 이는 관입 시 대상 지반의 교란을 발생시킬 가능성이 크기 때문에 링 및 여분 2개의 프레임을 그림 5와 같이 제거하였다. 그에 따라 좌굴 방지 및 트랜스듀서 보호를 위해 하단 부분의 링대신 얇은 프레임을 설치하였으며, 전체적인 모양을 링 타입이 아닌 블레이드 타입으로 변경하였다. 또한, 트랜스듀서를 보호하기 위해 트랜스듀서 하단 부분에 트랜스듀서와 비슷한 두께의 3mm, 너비 15mm보호대를 각각 설치하였다.
- 프레임을 통한 신호의 직접적 전달을 방지하기 위하여 프레임과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 스크류를 이용하여 전 단파 트랜스듀서를 고정하였다. 또한 트랜스듀서의 선단 간 거리를 Shelby tube의 직경과 동일하게 하여 현장에서 측정한 전단파 속도와 UD sampler 내의 전단파 속도를 비교하여 교란도도 쉽게 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 약 8mm로 감소 시킬 수 있었다(그림 8). 또한 프레임 모양을 H빔 형태로 제작하여 프레임 내부에 트랜스듀서 전선을 설치하여 프레임의 폭을 최소화 하였다. 트랜서듀서는 프레임 하단의 쐐기를 돌출시켜 보호하였으며, 대칭형 쐐기를 적용하였다.
- 용접식은 볼트 연결식의 단점을 보완한 장비로서 그림 3과 같이 블레이드, 프레임 그리고 하단의 링 부분이 모두 하나의 형태로 용접되어 강성이 강한 지반에도 관입이 용이 할 수 있도록 개발 되었다. 또한 현장의 이방성도 측정 할 수 있도록 트랜스듀서를 여러 높이에 설치하도록 설계하였다(이종섭 외. 2006). 그러나 그림 4와 같이 다량의 실트질이 포함되어 있는 실 트질 점토 지반에서 현장 적용 시 plugging 현상이 발생하여 측정된 데이터의 신뢰성에 의문을 갖게 되었다.
- 또한, 트랜스듀서를 보호하기 위해 트랜스듀서 하단 부분에 트랜스듀서와 비슷한 두께의 3mm, 너비 15mm보호대를 각각 설치하였다. 링 타입 FV中와 마찬가지로 각도 별로 트랜스듀서를 회전시켜 현장에서 직접 이방성을 측정할 수 있게 하였다. 그러나 그림 6처럼 하단 부분의 얇은 프레임이 현장 시험 시 휘어져 트랜스듀서간의 정확한 이동거리를 산정하지 못하는 문제점이 발생하였다.
- 실험장비의 여건상 사석층의 관입이 불가능하므로 사석 층 및 모래층 약 18m를 선굴착 후 원지반의 전 단파 속도를 약 10~50cm 간격으로 측정하였다. 실험 결과 2 차 실험 시 측정된 전단파 속도는 PBD 및 선재하공법의적용에 따른 원지반의 압밀로 인하여 1차 시험 시 측정된 전단파 속도보다 약 3배 정도 증가된 양상을 보였다.
- 모델인 링 타입 FVP를 이용하여 샌드 매트가 시공된 이후 실시하였다. 원지반 상부 두께 약 5m의 모래층은 약 15정도의 N치를 보여 측정 장비 파손을 방지하기 위하여 선 굴착 후 시험을 수행하였다. 굴착 후 케이싱인 발 과정에서 약 3m 심도에서 공벽이 무너져 지표 하부 3m의 느슨한 모래층부터 Im 간격으로 전단파 측정실험을 실시하였다.
- 트랜서듀서는 프레임 하단의 쐐기를 돌출시켜 보호하였으며, 대칭형 쐐기를 적용하였다. 트랜스듀서 부분의 프레임을 반원형으로 제거하여 트랜스듀서와 흙과의 접촉성을 증가시켰으며, 트랜서듀서의 설치 및 교체를 수월하게 하기 위해 트랜스듀서 프레임을 강성이 큰 볼트를 이용하여 고정하였다. 그림 9(a)는 현장 측정 시스템을 보여준다.
- 관입의 용이성과 장치의 안정성을 고려하여 Dilatometer와 유사한 모양의 블레이드(90x305x8, 너비X높이X두께, mm)를 십자 모양으로 교차 시 킨 후 각 모서 리에 전단파 트랜스듀서 설치를 위한 프레임을 연결하였다(이종섭 외 2006). 프레임을 통한 신호의 직접적 전달을 방지하기 위하여 프레임과 임피던스 차이가 큰 나일론 재질의 스크류를 이용하여 전 단파 트랜스듀서를 고정하였다. 또한 트랜스듀서의 선단 간 거리를 Shelby tube의 직경과 동일하게 하여 현장에서 측정한 전단파 속도와 UD sampler 내의 전단파 속도를 비교하여 교란도도 쉽게 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 하부 Plate에 수압을 작용하여 하중을 가하였으며, 양면 배수 시스템을 적용하였다. 하부 plate 와 연결된 피스톤의 변화를 측정하여 시료의 압밀 침하량을 계산하였다:
- 현장 적용 실험은 연약지반 개량을 위한 사석 공법이 적용된 현장에서 수행하였고 개발된 FVP를 이용하여 깊이별 전단파 속도를 도출하였다.
- 현장 전단파 측정을 위해 설계, 제작된 FVP는 많은 실내 및 현장 실험, 데이터 분석과 시행 착오를 통하여 링 타입 FVP 에서 블레이드 타입 FVP로 발전하였다.
- 혼합 중 진공펌프를 이용하여 슬러리 내부의 공기를 제거하였다. 혼합 후 챔버 내부에 슬러리 상태의 시료를 조심스럽게 채운 후 시료를 안정화시키기 위하여 2일 동안 50kPa의 압력을 가하였다. 또한 그림 10과 같이 원활한 배수를 위하여 시료 상부 및 하부에 약 3cm두께의 부직포와 샌드 매트를 설치하였다.
대상 데이터
- FVP 블레이드의 관입에 의한 교란 효과 조사 및 FVP 를 통해 측정된 전단파 속도의 타당성을 확인하기 위하여 chamber 내부에 벤더 엘리먼트가 설치된 길이 600mm, 직경 30mm의 2개의 롯드를 설치하였다. 두 롯드 사이의 이격 거리는 약 250mm이다.
- FVP관입 시험 이후 길이 400mm, 직경 15mm의 깊이별로 벤더 엘리먼트가 설치된 2개의 롯드를 설치하였다. 2개 롯드 사이의 간격은 그림 11(a)와 같이 각각 70mm, 110mm, 그리고 160mm이다.
- 개발된 시험장비의 현장 적용성 확인을 위하여 현재 시공 중인 부산 신항 북컨테이너 현장에서 현장 시험을 실시하였다. 시험 부지의 원지반은 심도 약 30m 이상 의대 심도 연약지반이다.
- 대형 calibration 챔버 실험을 위한 비교란상태의 자연 시료를 얻기는 거의 불가능하기 때문에 재성형 부산 점토를 시험에 이용하였다. 비교란 시료로부터 얻어진 부산 점토의 물리적 특성은 표 1과 같다.
- 그에 따라 좌굴 방지 및 트랜스듀서 보호를 위해 하단 부분의 링대신 얇은 프레임을 설치하였으며, 전체적인 모양을 링 타입이 아닌 블레이드 타입으로 변경하였다. 또한, 트랜스듀서를 보호하기 위해 트랜스듀서 하단 부분에 트랜스듀서와 비슷한 두께의 3mm, 너비 15mm보호대를 각각 설치하였다. 링 타입 FV中와 마찬가지로 각도 별로 트랜스듀서를 회전시켜 현장에서 직접 이방성을 측정할 수 있게 하였다.
- 비교란 시료로부터 얻어진 부산 점토의 물리적 특성은 표 1과 같다. 시험에 사용된 점토는 초기 함수비 110%의 슬러리 상태로 믹서에서 물과 잘 혼합하였다. 혼합 중 진공펌프를 이용하여 슬러리 내부의 공기를 제거하였다.
- 관입시 프레임의 좌굴을 방지하기 위하여 트랜서듀서가 설치된 프레임의 길이를 축소하였다. 프레임 길이의 축소로 인하여 다수의 트랜스듀서의 설치가 어려워 4쌍의 트랜서듀서만을 설치하였다. 또한 각 트랜서듀서의 하단에 설치하였던 보호대도 최하단의 트랜서 듀서 에만 적용하였다.
이론/모형
- 2차 실험은 사석을 이용한 선재하(Preloading) 공법이 실시된 후 블레이드 타입 FVP-1 을 이용하여 실시하였다. 실험장비의 여건상 사석층의 관입이 불가능하므로 사석 층 및 모래층 약 18m를 선굴착 후 원지반의 전 단파 속도를 약 10~50cm 간격으로 측정하였다.
- 벤더엘리먼트-흙 간의 상호 작용에 의하여 공명주파수가 결정되며 지반의 전단파 속도와 공명주파수에 의하여 근접장 거리가 결정된다. 본 논문에서는 측정 지점에서 벤더 엘리먼트-흙 간의 공명주파수를 결정한 후, 명확한 전단파 신호를 획득하기 위해 공명주파수와 유사한 정현파를 입력파(lOVpp: Peak-to-peak amplitude) 로 이용하였다. 전단파 속도는 전단파의 초기도달 시간과 전단파의 이동거리 즉, 발신 및 수신 트랜서듀서 선단 간 거리를 고려하여 다음 식 (1)과 같이 직접 계산할 수 있다.
- 속도로 계산된다. 수신된 전단파 신호로부터 전단 파의 초동시간(1st arrival time)을 근접장 효과를 고려하여야 하며 본 논문에서는 Lee and Santamrina(2005) 에 의해 제시된 초동시간 산정법인 zero after first bump 점을 이용하였다. 벤더엘리먼트-흙 간의 상호 작용에 의하여 공명주파수가 결정되며 지반의 전단파 속도와 공명주파수에 의하여 근접장 거리가 결정된다.
- 시험 부지의 원지반은 심도 약 30m 이상 의대 심도 연약지반이다. 연약지반 개량을 위하여 샌드 매트 PBD 및 사석을 이용한 선재하 (Preloading) 공법이 적용 되었다. 그림 12와 같이 현장시험은 장비의 개발 및 개량과 시공 과정에 따라 약 1년에 걸쳐 진행 되었다.
성능/효과
- 1차, 2차 및 3 차 실험 통하여 산정된 전단파 속도는 그림 14에 나타내었다. 2차 실험결과와 비교해 볼 경우, 원지반 점토층의 최상부는 압밀이 거의 완료되어 2차 실험과 거의 유사한 전단파 속도를 보이며 심도가 증가함에 따라 시간에 따른 압밀로 인하여 약간의 전단파 속도 증가가 관찰되었다. 전단파 속도 증가는 압밀과정중 유효응력의 증가와 직접적으로 관련되므로 (이종섭과 이창호 2006) 전 단파 속도의 증가를 통하여 압밀에 따른 유효응력 증가를 추정할 수 있었다.
- 관입 시 지반의 교란을 최소화 하기 위하여, 프레임의 두께를 최소화 하였다 프레임을 통한 신호의 직접적 전달방지와 트랜스듀서의 고정을 위해 사용한 특수 나일론 스크류 대신 적절한 연성과 강성을 동시에 유지하는 특수 에폭시를 이용, 트랜스듀서를 고정하여 프레임의 두께를 약 8mm로 감소 시킬 수 있었다(그림 8). 또한 프레임 모양을 H빔 형태로 제작하여 프레임 내부에 트랜스듀서 전선을 설치하여 프레임의 폭을 최소화 하였다.
- 그림 11(a)와 같이 2번의 FVP 시험을 실시하여 그림 11(b)와 같이 시료의 깊이별 전단파 속도를 얻었다. 시료의 깊이별 전단파 속도는 상부, 중부, 하부에서 각각 약 30m/s, 20m/s 이하, 그리고 30m/s/로 나타났다. 이러한 깊이별 전단파속도의 분포는 양면 배수의 결과로 판단된다
- 실험장비의 여건상 사석층의 관입이 불가능하므로 사석 층 및 모래층 약 18m를 선굴착 후 원지반의 전 단파 속도를 약 10~50cm 간격으로 측정하였다. 실험 결과 2 차 실험 시 측정된 전단파 속도는 PBD 및 선재하공법의적용에 따른 원지반의 압밀로 인하여 1차 시험 시 측정된 전단파 속도보다 약 3배 정도 증가된 양상을 보였다. 그러나 1차 실험과 달리 약 18m의 사석층으로 인하여 지표로부터 원지반, 즉, 측정 심도까지 길게 이어진 롯드 길이로 인하여 롯드 자체의 좌굴 발생과 증가한 원지반의 강성으로 인한 관입 장비의 반력 부족으로 약 14m (모래층 최상부 기준)까지 실험을 실시하였다.
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