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문제 정의
- 이번 분석에서는 모형토조실험을 통한 소산특성을 분석하여 구한 수평압밀계수와 일반적으로 설계에서 많이 적용하는 Ch = Cv 값을 적용하여 구한 수평압밀계수와의 비교, 분석을 통하여 그 차이를 알아보고자 하였다. 그림 7에서는 소산결과 및 cv값으로 구한 수평압밀계수 및 원지반의압밀계수에 대한 스미어 존의 수평압밀계수의 비(Ch/Cv )를 모형실험 Case별로 비교하여 나타내었다.
- 이번 연구에서는 모형실험결과를 이용하여 모형토조 내부의 스미어 존의 분포양상을 알아보기 위하여 크리깅 기법을 이용하여 모형토조 내부의 수평압밀계수 분포양상을 추정함으로써 스미어 존을 평가하였다. 그림 4에서는 모형토조 반단면에서의 수평압밀계수 분포를 나타냈는데, 맨드렐이 관입되는 지점으로부터 1.
- 이번 연구에서는 연약지반의 개량공사에서 맨드렐 관입시 발생하는 지반교란효과를 파악하여 스미어 존을 알아보고자 모형토조실험을 수행하였다. 모형토조실험에서는 연구대상지반의 현장지반상태를 최대한 모사하기 위하여 현장에서 채취한 교란시료를 가지고 완전 교란시켜 토조에 넣고 하중을 가하여 압밀을 시킨 후에 실험을 수행하였다.
제안 방법
- (3) 간극수압계를 데이터 수집장치에 연결시킨 후 맨드렐을 정적 관입시키면서 계측을 실시한다.
- (4) 실험 후 간극수압 소산결과를 토대로 스미어 존의 크기 및 수평방향 압밀계수, 투수계수 등을 계산한다.
- 그러나 이러한 방법으로 산정된 수평투수계수, 수평압밀계수 및 스미어 존의 크기는 설계 특성상 불확실성에 대한 과대설계로 진행되어 시공성, 공사기간 및 경제적인 측면에서 큰 손실을 가져올 수 있게 된다. 따라서 이번 연구에서는 국내에 서해안과 남해안 지역에 널리 분포하고 있는 저소성 지반을 대상으로 선정, 실험을 수행하여 저소성의 실트 및 점토지반에서의 스미어 존의 크기를 평가하였으며, 원지반의 압밀특성 및 물리적 특성과의 상관성 분석을 수행하였다.
- 맨드렐이 모형지반 내부로 타입되는 경우에 발생하는 과잉간극수압의 변화를 살펴보았으며, 과잉간극수압의 시간변화에 따른 변화양상을 분석하였다. 아울러 신뢰성 높은 스미어 존의 결정을 위하여 맨드렐 타입 후 발생되었던 과잉간극수압이 소산되는 시점을 기준으로 하여 시간에 따른 과잉간극수압의 소산실험결과를 분석하여, 수평압밀계수를 산정함으로써 스미어 존을 평가하여 보았으며, 그 결과는 그림 3에 나타내었다.
- 모형토조실험에 이용된 모형지반은 경기도 화성시에 위치하고 있는 간척지인 OO지구에서 채취하였다. 모형토조실험에 앞서 모형지반의 신뢰성 높은 물리, 역학적 특성을 알아보기 위하여 다양한 토질시험을 수행하였다. 토질시험은 모형토조실험 후 토조내에서 교란 및 불교란시료를 채취하여 시험하였으며, 물리시험 및 압밀시험을 각 Case별로 수행하였다.
- 이번 연구에서는 연약지반의 개량공사에서 맨드렐 관입시 발생하는 지반교란효과를 파악하여 스미어 존을 알아보고자 모형토조실험을 수행하였다. 모형토조실험에서는 연구대상지반의 현장지반상태를 최대한 모사하기 위하여 현장에서 채취한 교란시료를 가지고 완전 교란시켜 토조에 넣고 하중을 가하여 압밀을 시킨 후에 실험을 수행하였다. 표 1은 이번 연구에서 수행한 Case를 나타내었다.
- 본 연구에서는 위의 방법을 토대로 하여 각각의 모형토조실험에 의하여 나타난 수평압밀계수 분포결과에 대하여 스미어 존의 크기를 결정하여 분석에 사용하였다.
- 0D 부근부터 급격하게 증가하는 경향을 나타냈다. 수평압밀계수가 증가하는 경향이 지수곡선의 형태로 증가하는 경향을 보이므로 앞서 제안한 방법으로 스미어 존의 크기를 구하였으며 그 값을 표 5에 나타내었다. 이번 분석에서 사용된 원지반의 수평압밀계수는 스미어 특성 시험결과 나타난 수평압밀계수 분포 경향으로 짐작해보면 스미어 존의 크기가 실제 맨드렐의 위치로부터 최외곽에 위치한 간극수압계의 위치와 비슷할 것으로 예상되므로 최외곽에 위치에서의 수평압밀계수를 원지반의 수평압밀계수와 동일하다고 보고, 최외곽에서 구한 수평압밀계수 값을 각각 적용하였다.
- 0D인 지점까지는 수평압밀계수가 비교적 작은 것으로 평가되었으나, 이후 이격거리가 증가함에 따라서 급격하게 증가하는 경향을 나타냈다. 수평압밀계수가 증가하는 경향이 지수곡선의 형태로 증가하는 경향을 보이므로 앞서 제안한 방법으로 스미어 존의 크기를 구하였으며 그 값을 표 6에 나타내었다. 이번 분석에서 사용된 원지반의 수평압밀계수는 스미어 특성 시험결과에서 나타난 수평압밀계수 분포 경향이 스미어 존의 크기가 실제 최외곽에 위치한 간극수압계의 위치보다 더 클 것으로 예상되므로 최외곽에 위치에서의 수평압밀계수를 원지반의 수평압밀계수와 동일하다고 보기 힘들 것으로 판단되어, 원지반의 압밀시험 결과에서 유추된 수평압밀계수 값을 적용하였다.
- 실제 국내현장에서 시공되고 있는 배수재 타입방식을 모형화하여 스미어 존 모형 실험장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 그림 1처럼 모형토조 내에 간극수압계를 사용하여 실험시에 간극수압 계측을 통하여 스미어 존의 범위 및 특성을 측정하는 방법이다.
- 아울러 맨드렐의 형상이 바뀌더라도 실험방법은 동일하게 진행하였다. 실험결과의 분석시에는 발생한 과잉 간극수압의 값을 모두 해당실험시 발생하는 최대값으로 나누어서 정규화한 결과를 사용하기로 하였다. 또한 본 연구에서 수평압밀계수의 결정은 Teh 등(1991)이 제안한 간극수압소산결과를 사용하여 수평압밀계수를 결정하는 방법을 사용하여 수평압밀계수를 산정, 적용하였다.
- 맨드렐이 모형지반 내부로 타입되는 경우에 발생하는 과잉간극수압의 변화를 살펴보았으며, 과잉간극수압의 시간변화에 따른 변화양상을 분석하였다. 아울러 신뢰성 높은 스미어 존의 결정을 위하여 맨드렐 타입 후 발생되었던 과잉간극수압이 소산되는 시점을 기준으로 시간에 따른 과잉간극수압의 소산실험결과를 분석하여, 수평압밀계수를 산정함으로써 스미어 존을 평가하여 보았으며, 그 결과는 그림 5에 나타내었다.
- 맨드렐이 모형지반 내부로 타입되는 경우에 발생하는 과잉간극수압의 변화를 살펴보았으며, 과잉간극수압의 시간변화에 따른 변화양상을 분석하였다. 아울러 신뢰성 높은 스미어 존의 결정을 위하여 맨드렐 타입 후 발생되었던 과잉간극수압이 소산되는 시점을 기준으로 하여 시간에 따른 과잉간극수압의 소산실험결과를 분석하여, 수평압밀계수를 산정함으로써 스미어 존을 평가하여 보았으며, 그 결과는 그림 3에 나타내었다.
- 모형토조실험에 사용된 모형지반은 시료를 채취하여 완전히 교란시켜 토조안에 채워 넣은 후에 간극수압계를 모형지반 내부 소정의 위치에 설치하고 압밀을 진행하였다. 이러한 과정은 모형실험 Case별로 수행하였으며, 95% 이상 간극수압의 소산이 이루어진 이후에 모형맨드렐을 관입하면서 모형지반내에서 발생하는 간극수압의 변화를 측정하는 방식으로 진행하였다. 맨드렐의 관입은 분당 2cm 정도의 속도로 관입하는 변위제어방식으로 진행되었다.
- 수평압밀계수가 증가하는 경향이 지수곡선의 형태로 증가하는 경향을 보이므로 앞서 제안한 방법으로 스미어 존의 크기를 구하였으며 그 값을 표 5에 나타내었다. 이번 분석에서 사용된 원지반의 수평압밀계수는 스미어 특성 시험결과 나타난 수평압밀계수 분포 경향으로 짐작해보면 스미어 존의 크기가 실제 맨드렐의 위치로부터 최외곽에 위치한 간극수압계의 위치와 비슷할 것으로 예상되므로 최외곽에 위치에서의 수평압밀계수를 원지반의 수평압밀계수와 동일하다고 보고, 최외곽에서 구한 수평압밀계수 값을 각각 적용하였다.
- 수평압밀계수가 증가하는 경향이 지수곡선의 형태로 증가하는 경향을 보이므로 앞서 제안한 방법으로 스미어 존의 크기를 구하였으며 그 값을 표 6에 나타내었다. 이번 분석에서 사용된 원지반의 수평압밀계수는 스미어 특성 시험결과에서 나타난 수평압밀계수 분포 경향이 스미어 존의 크기가 실제 최외곽에 위치한 간극수압계의 위치보다 더 클 것으로 예상되므로 최외곽에 위치에서의 수평압밀계수를 원지반의 수평압밀계수와 동일하다고 보기 힘들 것으로 판단되어, 원지반의 압밀시험 결과에서 유추된 수평압밀계수 값을 적용하였다.
- 모형토조실험에 앞서 모형지반의 신뢰성 높은 물리, 역학적 특성을 알아보기 위하여 다양한 토질시험을 수행하였다. 토질시험은 모형토조실험 후 토조내에서 교란 및 불교란시료를 채취하여 시험하였으며, 물리시험 및 압밀시험을 각 Case별로 수행하였다. 그 결과는 표 2에 나타내었으며, 모형토조실험에 사용된 배수재 및 맨드렐의 제원은 표 3 및 표 4에 나타내었다.
대상 데이터
- 국내에 서해안 지역에 널리 분포하고 있는 저소성의 실트 및 점토지반을 대상으로 선정, 모형토조실험을 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 모형토조실험에 이용된 모형지반은 경기도 화성시에 위치하고 있는 간척지인 OO지구에서 채취하였다. 모형토조실험에 앞서 모형지반의 신뢰성 높은 물리, 역학적 특성을 알아보기 위하여 다양한 토질시험을 수행하였다.
이론/모형
- 실험결과의 분석시에는 발생한 과잉 간극수압의 값을 모두 해당실험시 발생하는 최대값으로 나누어서 정규화한 결과를 사용하기로 하였다. 또한 본 연구에서 수평압밀계수의 결정은 Teh 등(1991)이 제안한 간극수압소산결과를 사용하여 수평압밀계수를 결정하는 방법을 사용하여 수평압밀계수를 산정, 적용하였다.
성능/효과
- (1) 모형토조실험의 결과를 비교 분석한 결과, 저소성 실트지반에서의 스미어 존의 크기는 2.0D이하의 값을 사용하는 것이 합리적일 것으로 판단되며, 저소성 점토지반에서의 스미어 존의 크기는 2.0D이상의 값을 사용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
- (2) 실내 압밀시험결과를 토대로 산정한 수직압밀계수와 모형실험 결과를 토대로 산정한 수평압밀계수와의 관계(Ch/Cv )를 분석한 결과, 저소성 실트에서는 3.1～9.6의 비를 나타내며, 저소성 점토에서는 1.3～4.5의 비를 나타냈다.
- (3) 이격거리별 수평투수계수와 도시한 k20직선과 만나는 점에서의 스미어 존의 크기가 환산크기이다.
- 그림 5의 내용을 살펴보면, 맨드렐이 관입되는 거리에서 이격된 위치별로 수평압밀계수값은 각기 다르게 평가되었으며 발생되는 수평압밀계수의 분포경향도 미소한 차이를 보이고 있다. 공통적으로는 이격거리가 2.0D인 지점까지는 수평압밀계수가 비교적 작은 것으로 평가되었으나, 이후 이격거리가 증가함에 따라서 급격하게 증가하는 경향을 나타냈다. 수평압밀계수가 증가하는 경향이 지수곡선의 형태로 증가하는 경향을 보이므로 앞서 제안한 방법으로 스미어 존의 크기를 구하였으며 그 값을 표 6에 나타내었다.
- 그림 7을 보면 전체적으로 모형토조실험의 간극수압소산에 의하여 산정된 수평압밀계수가 다소 작은 결과 값을 나타낸다. 그 비율, 즉 압밀계수비는 1.3～9.6의 분포로 나타나 일정한 값으로 제안하기가 매우 어려운 것으로 나타났다. 다만 분포경향을 살펴보면 저소성 실트질 지반의 압밀계수비가 3.
- 5D 이격된 거리까지는 수평압밀계수가 비교적 작은 것으로 평가되었다. 그러나 1.5D～2.0D 사이에서는 서서히 변화하다가, 맨드렐의 직경비가 2.0D 이상인 지점부터는 수평압밀계수가 상대적으로 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 보이는 것은 맨드렐의 직경비가 1.
- 표 5를 보면 모형토조실험 결과 1.6～1.9D 사이의 값을 보이고 있으며 따라서 이번 연구의 대상 토질인 저소성 실트층에 대하여 설계에 적용하는 데 적합한 스미어 존의 크기는 2.0D 이하의 값을 적용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
- 표 6을 보면 모형토조실험 결과 2.2～2.5D 사이의 값을 보이고 있으며 따라서 이번 연구의 대상 토질인 저소성 점토층에 대하여 설계에 적용하는 데 적합한 스미어 존의 크기는 2.0D 이상의 값을 적용하는 것이 적합한 것으로 판단된다.
후속연구
- (3) 본 모형토조실험에서 나타난 스미어 존의 크기는 Hansbo(1987)가 제안한 결과와 유사한 결과를 나타내는 것으로 나타났으며 따라서 다층지반의 압밀해석시 스미어 존의 크기를 같게 보아서는 과대 혹은 과소 설계가 예상되므로 실트와 점토를 구분하여 압밀해석을 하여야 할 것이다. 이에 대하여 추가적으로 다층지반의 압밀해석기법에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
- (3) 본 모형토조실험에서 나타난 스미어 존의 크기는 Hansbo(1987)가 제안한 결과와 유사한 결과를 나타내는 것으로 나타났으며 따라서 다층지반의 압밀해석시 스미어 존의 크기를 같게 보아서는 과대 혹은 과소 설계가 예상되므로 실트와 점토를 구분하여 압밀해석을 하여야 할 것이다. 이에 대하여 추가적으로 다층지반의 압밀해석기법에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
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