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문제 정의
- 또한 모형실험은 중력수준을 40, 60, 80g-level로 변화시켜 실시하였다. 단, 본 연구에서는 제방축조 직후에 발생되는 변형형태를 파악하기 위하여 비배수조건으로 지반의 압밀을 고려하지 않는 실험을 실시하였다. 그림 1은 모형지반 형성후의 모형토조의 개요도를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 성토에 의해 발생되는 연약지반의 거동 특성을 파악하기 위하여 연약지반상에 제방축조에 대한 원심모델링을 수행하였다. 제방높이, 지반의 비배수 전단 강도, geotextile의 포설조건 등을 실험변수로 하여 제방축조에 의한 지반의 변위와 변형 특성을 연구하였다.
- 본 연구에서는 제방축조에 의한 연약지반의 변형특성을 분석하기 위하여 제방높이, 지반의 비배수 전단강도, geotextile의 설치여부와 중력수준을 변화시키면서 원심모형실험을 실시하였다. 그림 2～그림 13은 모형실험에서 측정된 지반의 침하와 융기를 나타낸 것이다.
- 본 연구에서는 제방축조에 의해 연약점토지반에서 발생 되는 지반의 변위 및 변형형태를 파악하기 위하여 제방높이, 지반의 비배수 전단강도, geotextile의 설치여부와 중력 수준을 변화시키면서 원심모형시험을 실시하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- Geotextile은 인장강도가 5tf/m인 제품을 사용하였으며, 지표면에 포설하였으며, Geotextile의 특성은 표 4와 같다. 실험 CE 1～4는 제방높이 4cm인 경우, 실험 CE 5～8은 제방높이 6cm인 경우, 실험 CE 9～12는 제방높이 8cm인 경우에 대한 것으로 지반강도와 geotextile의 설치 유무에 따른 지반의 변위 및 변형 양상을 파악하기 위하여 실시하였다. 본 모형실험은 자중압밀, 지반변위 측정을 위한 정방형 격자설치, 제방축조, 원심모형시험기 스윙바스켓 탑재, 중력수준을 40, 60, 80g-level까지 가속하여 모형실험을 실시하였다.
제안 방법
- 본 실험에서는 제방높이, 지반의 비배수 전단강도, geotextile의 부설 조건을 변화시키면서 총 12회의 원심모형실험을 수행하였으며, 표 3은 모형실험조건을 나타낸 것이다. 또한 모형실험은 중력수준을 40, 60, 80g-level로 변화시켜 실시하였다. 단, 본 연구에서는 제방축조 직후에 발생되는 변형형태를 파악하기 위하여 비배수조건으로 지반의 압밀을 고려하지 않는 실험을 실시하였다.
- 실험 CE 1～4는 제방높이 4cm인 경우, 실험 CE 5～8은 제방높이 6cm인 경우, 실험 CE 9～12는 제방높이 8cm인 경우에 대한 것으로 지반강도와 geotextile의 설치 유무에 따른 지반의 변위 및 변형 양상을 파악하기 위하여 실시하였다. 본 모형실험은 자중압밀, 지반변위 측정을 위한 정방형 격자설치, 제방축조, 원심모형시험기 스윙바스켓 탑재, 중력수준을 40, 60, 80g-level까지 가속하여 모형실험을 실시하였다. 실험완료 후에 제방하중에 의해 변형된 지반의 변위와 변형형태를 측정하였다.
- 본 시험에서 제방축조에 의해 발생된 지반의 변형 형태와 변위 양상을 파악하기 위하여 모형지반의 자중압밀이 완료된 후에 모형토조 전면의 아크릴판을 분리한 다음 점 토지반 표면에 약 2cm 간격으로 정방형의 격자망을 설치하였다. 지반의 변위양상은 시험완료 후에 변형된 격자의 좌표를 읽어 측정하였다.
- 본 실험에서는 제방높이, 지반의 비배수 전단강도, geotextile의 부설 조건을 변화시키면서 총 12회의 원심모형실험을 수행하였으며, 표 3은 모형실험조건을 나타낸 것이다. 또한 모형실험은 중력수준을 40, 60, 80g-level로 변화시켜 실시하였다.
- 본 모형실험은 자중압밀, 지반변위 측정을 위한 정방형 격자설치, 제방축조, 원심모형시험기 스윙바스켓 탑재, 중력수준을 40, 60, 80g-level까지 가속하여 모형실험을 실시하였다. 실험완료 후에 제방하중에 의해 변형된 지반의 변위와 변형형태를 측정하였다.
- 본 연구에서는 성토에 의해 발생되는 연약지반의 거동 특성을 파악하기 위하여 연약지반상에 제방축조에 대한 원심모델링을 수행하였다. 제방높이, 지반의 비배수 전단 강도, geotextile의 포설조건 등을 실험변수로 하여 제방축조에 의한 지반의 변위와 변형 특성을 연구하였다.
- 제방축조에 의해 발생된 지반의 변형단면으로부터 수평면과 치환단면이 이루는 치환각도를 측정하였으며, 그 결과를 그림 14～그림 15에 나타내었다.
- 본 시험에서 제방축조에 의해 발생된 지반의 변형 형태와 변위 양상을 파악하기 위하여 모형지반의 자중압밀이 완료된 후에 모형토조 전면의 아크릴판을 분리한 다음 점 토지반 표면에 약 2cm 간격으로 정방형의 격자망을 설치하였다. 지반의 변위양상은 시험완료 후에 변형된 격자의 좌표를 읽어 측정하였다. 본 시험에서는 각각의 시험조건에 대하여 지반변위를 측정하였지만, 전반적인 변위의 발생경향이 유사하므로 여기서는 지반강도가 4.
대상 데이터
- 2차원 평면변형률 조건을 모사하기 위한 모형토조는 3면과 밑면은 2mm 두께의 스테인레스로 제작되었으며, 실험중 측방관찰을 할 수 있도록 모형토조의 전면은 20mm 두께의 투명아크릴 판으로 제작하였다. 본 실험에서 사용한 토조의 외부 크기는 가로 57cm, 세로 25cm, 높이 37.
- 5kPa로 하였으며, 비배수 전단강도는 점토층 중앙에서 측정된 값을 기준으로 하였다. Geotextile은 인장강도가 5tf/m인 제품을 사용하였으며, 지표면에 포설하였으며, Geotextile의 특성은 표 4와 같다. 실험 CE 1～4는 제방높이 4cm인 경우, 실험 CE 5～8은 제방높이 6cm인 경우, 실험 CE 9～12는 제방높이 8cm인 경우에 대한 것으로 지반강도와 geotextile의 설치 유무에 따른 지반의 변위 및 변형 양상을 파악하기 위하여 실시하였다.
- 모형실험에서 제방을 축조하기 위하여 입자크기가 0.4～2mm인 모래를 사용하였으며, 제방높이(H)는 4, 6, 8cm로 하였으며, 제방축조 후 단위중량은 1.67～1.7gf/cm3 정도로 모든 실험에서 일정하게 하였다.
- 2차원 평면변형률 조건을 모사하기 위한 모형토조는 3면과 밑면은 2mm 두께의 스테인레스로 제작되었으며, 실험중 측방관찰을 할 수 있도록 모형토조의 전면은 20mm 두께의 투명아크릴 판으로 제작하였다. 본 실험에서 사용한 토조의 외부 크기는 가로 57cm, 세로 25cm, 높이 37.5cm이이며, 내부크기는 가로 52cm, 세로 17cm, 높이 35cm이다.
- 본 연구에서 모형실험시 지반형성 재료로는 남해안 지역에 걸쳐 널리 분포하고 있는 해성점토를 재성형하여 사용하였다. 실험에 사용된 대상 시료에 대한 물성실험 결과를 표 1에 나타내었다.
- 본 연구에서 사용한 원심모형시험기의 최대 원심가속도는 200g-level, 최대용량은 25g•ton으로 실험 가능한 모형 토조의 최대크기는 500×500×300mm이고, 중심축에서 힌지까지의 거리가 920mm, 스윙바스켓 저면까지의 거리는 1280mm로 제작되었다(허열 등, 2006).
성능/효과
- (1) 제방하중에 의한 지반의 치환단면은 geotextile을 설치하지 않은 경우 포물선 형태를 나타내었고, geotextile을 설치한 경우에는 제방하부에서 균일한 침하단면을 나타내는 사다리꼴 형태를 나타내었다. 균일침하분포가 발생하는 범위는 0.
- (2) 제방축조에 의한 지반의 최대침하량은 제방중심 아래에서 발생하였으며, 최대융기량은 최대침하량의 49%정도로 제방중심에서 1.2～1.36B 떨어진 지점에서 발생하였다.
- (3) 치환각도는 제방높이와 중력수준이 증가할수록 그리고 지반의 비배수 전단강도가 작을수록 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 동일 지반강도에서 geotextile을 포설한 지반의 치환각도가 geotextile을 부설하지 않은 지반에 비해 약 1.
- (4) 제방하중에 의한 지반의 변위는 제방중심 아래에서 거의 연직방향의 변위를 일으키며, 중심으로부터 거리가 멀어짐에 따라 변위의 방향이 연직방향에서 수평방향으로 변하면서 제방 선단부 아래 부분에서 최대 수평 방향의 변위를 일으키는 대수나선형태로 지표면까지 발생됨을 확인할 수 있었다.
- (5) 최대 수평변위가 발생하는 위치는 지표면에서 점토층 깊이의 0.24～0.35H0 지점으로 평균 0.3H0인 것으로 나타났으며, geotextile을 설치하지 않은 경우 지반의 최대 침하량(S)과 최대 수평변위(δm)는 δm = 0.54S, geotextile을 설치한 경우에는 δm = 0.60S의 관계를 나타내었다.
- (6) 지반의 변형형태로부터 제방중심에서 1B 정도 떨어진 지점까지의 수평변위는 깊이에 따라 비선형적인 형태를 나타내지만, 그 이후부터는 깊이에 따른 수평변위가 선형적인 형태를 나타내었으며, 제방 중심아래에서 최대 수평방향의 팽창은 지표면으로부터 약 0.4H0인 지점에서 발생하였다.
- 5kPa, geotextile 포설)에서 얻어진 결과를 나타낸 것으로 제방하중에 의한 치환단면의 형상, 침하와 융기의 전반적인 경향은 실험 CE 7과 거의 유사하게 나타났다. 균등한 침하분포를 나타내는 범위는 약 0.56B 정도로 지반강도가 1.5kPa인 경우와 거의 일치하는 것으로 나타났다. 중력수준이 40, 60, 80g-level인 경우 최대침하량은 각각 2.
- 최대 변위벡터의 발생 위치, 제방 저면에서의 위치에 따른 변위양상 등 전반적인 변위의 발생경향은 geotextile을 설치하지 않은 경우와 유사하다. 단, 제방 하부에서 최대 변위벡터가 나타나지만 gotextile의 설치로 인해 일정한 폭에 걸쳐 비교적 균등한 변위벡터를 보이고 있으며, 균등한 변위가 발생하는 폭은 0.47～0.67B 정도로 중력수준과 제방높이가 증가할수록 그 폭이 감소하는 경향을 나타내었다. 제방높이(H=4, 6, 8cm)에 따른 최대 수평변위의 크기는 각각 1.
- 또한, geotextile을 포설하지 않은 경우에는 초기 제방의 폭보다 실험후 측정된 제방의 폭은 1.06～1.08B 정도로 초기 제방폭보다 약간 증가하였으며, geotextile을 설치한 경우에는 0.94～0.97B 정도로 초기 제방폭보다 약간 감소하였다. 이것은 geotextile의 설치로 인해 균등한 침하가 발생하면서 제방의 사면부가 초기에 근접한 상태를 유지하였기 때문인 것으로 생각된다.
- 9cm 정도로 제방높이에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 제방높이에 따른 최대 수평변위가 발생하는 깊이비(z/H0)는 각각 0.28, 0.31, 0.35로 제방높이가 높을수록 증가하였다. 여기서, z는 지표면으로부터 최대 수평변위가 발생하는 지점까지의 깊이, H0는 초기 모형지반의 높이를 의미한다.
- 그림 14는 geotextile을 부설하지 않은 지반에서 측정된 제방높이에 따른 치환각도를 보여주고 있으며, 이로부터 제방높이와 중력수준이 증가할수록 치환각도가 거의 선형적으로 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한, 지반의 비배수 전단강도가 클수록 치환각도가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 중력수준 및 제방높이가 증가할수록 지반의 침하가 크게 발생하기 때문이다.
- 5kPa인 연약지반위에 geotextile을 포설한 후 제방을 4cm 높이로 축조한 실험 CE 3에서 측정된 지반침하와 융기를 나타낸 것이다. 제방하중에 의한 치환단면의 형상은 사다리꼴 형태로 제방 중심에서 0.58～0.67B 범위에서 균등한 침하분포를 보이고 있으며, 중력수준 증가에 따라 그 폭이 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 인장력이 큰 geotextile의 설치로 인한 막효과 등에 의해 제방하중에 의한 응력이 분산되기 때문인 것으로 판단된다.
- 또한, 제방 중심으로부터 수평방향으로 거리가 멀어짐에 따라 변위의 방향이 연직방향에서 수평방향으로 변하면서 제방 선단부 아래 부분부터는 제 방하중에 의한 수평방향 응력의 증가로 인해 흙요소가 연직방향으로 팽창이 발생되어 지표면까지 확장되고 있다. 제방하중에 의해 변형된 격자의 형태로부터 제방 아래의 흙요소는 하중에 의해 지반이 압축되어 주동상태를 나타내고 있으며, 제방 선단부 바깥쪽의 지반은 연직방향으로 팽창되어 수동상태를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
- 5kPa인 실험 CE 11과 일치한다. 중력수준 증가에 따른 지반의 최대침하량은 각각 2.32, 2.85, 3.37cm로 지반 강도가 1.5kPa인 실험 CE 11에 비해 10(80g-level)～21% (40g-level) 정도 작게 나타났으며, geotextile을 설치하지 않은 실험 CE 10보다 8～9% 정도 작게 측정되었다. 중력수준이 40, 60, 80g-level인 경우 지반의 최대융기량은 각각 0.
- 53B 범위에서 균등한 침하분포를 보이고 있다. 중력수준 증가에 따른 최대침하량은 각각 2.92, 3.47, 3.75cm 정도로 지반의 비배수 전단강도가 1.5kPa 이고 geotextile을 포설하지 않은 실험 CE 9에 비해 16～23% 정도 감소하였다. 한편, 제방하중에 의한 지반의 최대 융기량은 각각 1.
- 5kPa)에서 측정된 침하와 융기를 중력수준에 따라서 나타낸 것으로 치환단면의 형상은 포물선 형태로 제방중심 아래 부분에서 최대 침하를 나타내고, 중력수준이 증가할수록 침하와 융기가 증가하고 있음을 알 수 있다. 중력수준에 따른 지반의 최대 침하량은 각각 3.4, 3.7, 4.12cm로 거의 비례적으로 증가하고, 최대융기량은 1.45, 1.66, 1.96cm로 최대침하량의 43～48% 정도인 것으로 나타났다. 또한, 최대융기량의 발생위치는 제방 중심으로부터 1.
- 5kPa)에서 측정된 침하와 융기를 나타낸 것으로 중력수준에 따른 영향과 치환단면의 형상, 최대 침하량 및 융기량 발생위치는 실험 CE 5와 유사한 경향을 나타내고 있다. 중력수준에 따른 지반의 최대침하량은 각각 2.27, 2.90, 3.3cm로 실험 CE 5에 비해 20(80g-level)～33(40g-level)% 정도 작게 발생하였으며, 최대융기량은 0.92, 1.23, 1.49cm로 최대침하량의 41～45% 정도로 나타났다.
- 이로부터 제방축조에 의한 연약지반 치환단면의 형상은 포물선 형태를 보이고 있으며, 중력수준이 증가할수록 침하와 융기가 증가하고 있음을 알 수 있다. 중력수준에 따른 지반의 최대침하량은 각각 3.77, 4.12, 4.47cm로 거의 비례적으로 증가하고, 최대융기량은 2.03, 2.20, 2.38cm로 최대침하량의 53～54% 정도를 보이고 있다. 또한, 최대침하량은 제방중심 아래 부분에서 발생하고, 제방 선단부분에서는 거의 변형이 발생하지 않았다.
- 이러한 경향은 인장력이 큰 geotextile의 설치로 인한 막효과 등에 의해 제방하중에 의한 응력이 분산되기 때문인 것으로 판단된다. 중력수준에 따른 최대침하량은 각각 1.87, 2.45, 2.65cm 정도로 중력수준이 증가함에 따라 크게 나타났으며, geotextile을 설치하지 않은 실험 CE 1에 비해 13～18% 정도 감소하였다.
- 58B 범위에서 균등한 침하분포를 보이고 있다. 중력수준에 따른 최대침하량은 각각 2.62, 3.15, 3.5cm 정도로 중력수준이 증가함에 따라 거의 선형적으로 증가하였으며, geotextile을 포설하지 않은 실험 CE 5에 비해 15～23% 정도 감소하였다. 한편, 지반의 최대융기량은 각각 1.
- 5kPa인 경우와 거의 일치하는 것으로 나타났다. 중력수준이 40, 60, 80g-level인 경우 최대침하량은 각각 2.07, 2.6, 3.17cm로 지반강도가 1.5kPa인 실험 CE 7보다 10(80g-level)～21%(40g-level) 정도 작게 나타났으며, geotextile을 설치하지 않은 실험 CE 6보다 4～9%정도 작게 측정되었다. 중력수준에 따른 최대융기량은 0.
- 이로부터 중력수준이 증가할수록 침하와 융기가 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 중력수준 40, 60, 80g-level에서 최대침하량은 각각 2.27, 2.81, 3.12cm로 거의 비례적으로 증가하고, 최대 융기량은 1.13, 1.53, 1.8cm 로 최대침하량의 50～57% 정도가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 치환단면의 형상은 포물선 형태로 제방중심 아래 부분에서 최대 침하를 나타내고 제방 끝부분에서는 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 지반의 비배수 전단강도가 4.5kPa인 경우 제방높이 및 중력수준에 따른 치환각도는 26～46°로 나타났으며, 비배수 강도가 1.5kPa인 경우 치환각도(36.5～54°)에 비해 15～29% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 지반의 비배수 전단강도가 4.5kpa인 경우 제방높이 및 중력수준에 따른 치환각도는 35～53°로 나타났으며, 비배수 강도가 1.5kPa인 경우 치환각도(50.5～62.5°)에 비해 15～33%정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 45cm로 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 한편, 제방높이 증가에 따른 최대 수평변위는 1.55, 1.8, 1.9cm 정도로 제방높이에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 제방높이에 따른 최대 수평변위가 발생하는 깊이비(z/H0)는 각각 0.
- 5kPa인 실험 CE 9에 비해 18(80g)～32(40g)% 정도 작게 발생한다는 것을 알 수 있다. 한편, 지반의 최대융기량은 1.24, 1.49, 1.70cm로 최대침하량의 46～48% 정도를 보이고 있으며, 실험 CE 9에 비해서 23～39% 정도 최대융기량이 감소하는 것으로 나타났다.
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