[논문]점토지반 조건 및 쇄석말뚝 특성에 따른 응력분담비 산정

김동은; 박현일; 이승래; 유상호

doi:10.7843/kgs.2008.24.11.35

점토지반 조건 및 쇄석말뚝 특성에 따른 응력분담비 산정
Evaluation of Stress Distribution Ratio According to Clay Ground Condition and Stone Column Characteristics 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.24 no.11, 2008년, pp.35 - 41

김동은 (한국환경기술진흥원) , 박현일 (삼성건설 기술연구소) , 이승래 (한국과학기술원, 건설환경공학과) , 유상호 (부산대학교 사회환경시스템 공학부)

초록
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쇄석말뚝은 연약지반의 침하 억제 및 지지력 보강에 사용되는 연약지반 보강공법 가운데 하나이다. 본 연구에서는 연약지반의 침하저감효과를 평가하는데 영향을 미치는 중요한 인자인 응력분담특성을 살펴보기 위하여 쇄석말뚝으로 보강된 점토지반에 대한 실내실험을 수행하였다. 상재하중 재하 시 시간경과에 따라 쇄석말뚝의 응력비 값은 감소하는 것으로 나타났다. 점토지반의 강성도가 증가함에 따라 쇄석말뚝의 응력비는 증가하는 경향성을 보였다. 또한, 쇄석말뚝으로 보강된 연약지반의 응력분담율을 간편하게 예측하기 위하여 제안된 수정된 Baumann & Bauer의 해가 계측 결과와 잘 일치되는 결과를 보여주는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stone columns, one of the soft ground improvement techniques, are being used for not only accelerating consolidation but also increasing bearing capacity of soft grounds. In this study, in order to observe the stress distribution characteristics which are one of the important factors to estimate the settlement reduction of the soft ground, lab-scale experiments were performed in stone column reinforced clay ground. The stress distribution ratio of stone column decreased with the lapse of time after surcharge loading but increased as the stiffness of clay deposit increases. It shows that the modified Baumann and Bauer's solution, which is able to easily predict the stress distribution ratio of stone column reinforced soft ground, exhibits reasonable agreement with the measured data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 쇄석말뚝으로 보강된 점토 지반에서 하중 재하에 따른 응력 분담 거동을 살펴보기 위하여 모형 토조 실험을 수행하였다. 실험에서 계측되는 항목은 쇄석말뚝으로부터 점토지반까지 방사방향으로의 수직 응력 분포, 모형지반의 지표면 침하량 및 점토지반 내부의 간극수압 소산양상이다.
본 연구에서는 쇄석말뚝의 지지력 산정 뿐만 아니라 쇄석 말뚝이 설치된 점토지반의 침하거동을 산정하는데 가장 중요한 인자 가운데 하나인 응력분담 거동을 실내모형실험을 통하여 검토하고자 하였다. 다양한 점토 지반 강성도와 말뚝재료 특성을 갖도록 실내 모형지반을 조성하여 쇄석말뚝으로 보강된 점토지반의 응력분담 거동을 살펴보았다.
본 연구에서는 쇄석말뚝이 설치된 비점성토 지반의 응력분담율을 간편하게 예측하기 에 적합한 Baumann과 Bauer(1974)의 해를 점성토 지반에 적용 가능하도록 수정하였다. 쇄석말뚝으로 보강된 지반은 상재하중 재하시 등(equal) 변위 침하거동을 보이고 쇄석 말뚝에서의 부피 변화는 없다고 가정되었으며, 쇄석말뚝과 인접지반에 작용하는 응력은 탄성이론에 근거하여 추정되었다.

가설 설정

식 (12)를 사용하여 쇄석말뚝과 점토지반의 응력 비를 예측함에 있어서 점토지반의 강성이 쇄석 말뚝의 강성에 비하여 매우 작기 때문에 하중재하에 따라 쇄석 말뚝은 초기상태의 자체 강성이 충분히 발휘되지 못하고 인접 지반의 강성에 크게 좌우된다. 따라서, 본연구에서는 점토지반과 쇄석말뚝의 강성차이를 고려하지 않고 Es/Ec 값을 1.0으로 가정하였다. 수정 응력분담율 식을 사용하여 점토지반의 강성변화에 대한 응력분담비를 산정한 결과, 쇄석말뚝과 점토지반에서의 응력변화 양상에 대하여 계측결과와 비교적 유사한 예측 결과를 얻을 수 있었다.
쇄석말뚝으로 보강된 지반은 상재하중 재하시 등(equal) 변위 침하거동을 보이고 쇄석 말뚝에서의 부피 변화는 없다고 가정되었으며, 쇄석말뚝과 인접지반에 작용하는 응력은 탄성이론에 근거하여 추정되었다. 쇄석말뚝으로 보강된 지반에서의 힘의 평형조건은 다음 식 ⑴과 같이 표현될 수 있다.

제안 방법

Baumann과 Bauer의 해에는 수평응력 산정에 있어서 지반의 점착력이 고려되지 않았으므로 본 연구에서는 공동확장이론에 근거하여 점토지반과 쇄석말뚝에 작용하는 수평응력을 다음과 같이 산정하였다. 즉 쇄석 다짐 말뚝의 길이가 침하 정도에 관계없이 극한흐】중을 견딜 수 있는 한계길이(critical length)보다 크며 상대적으로 지반이 비교적 견고한 경우에는 쇄석다짐말뚝의 거동은 벌징(bulging) 거동을 보이게 된다.
통하여 검토하고자 하였다. 다양한 점토 지반 강성도와 말뚝재료 특성을 갖도록 실내 모형지반을 조성하여 쇄석말뚝으로 보강된 점토지반의 응력분담 거동을 살펴보았다. 또한, 쇄석말뚝이 설치된 점토 지반의 응력분담률을 간편하게 예측할 수 있도록 수정된 Baumann과 Bauer의 해에 대한 현장 적용성을 검증하기 위하여 실내실험 결과와 비교 검토되었다.
stiff가 되도록 조성하였다. 또한 쇄석말뚝의 재료 특성 변화에 따른 영향을 살펴보기 위하여 동일한 강도로 조성된 점토지반인 토조 2, 4 및 5에 대하여 각각 자갈, 모래 및 자갈+모래와 같이 서로 다른 재료 특성을 갖도록 말뚝을 조성하였다. 각 말뚝 재료에 대한 입도 분포곡선은 그림 3에 나타나 있다.
다양한 점토 지반 강성도와 말뚝재료 특성을 갖도록 실내 모형지반을 조성하여 쇄석말뚝으로 보강된 점토지반의 응력분담 거동을 살펴보았다. 또한, 쇄석말뚝이 설치된 점토 지반의 응력분담률을 간편하게 예측할 수 있도록 수정된 Baumann과 Bauer의 해에 대한 현장 적용성을 검증하기 위하여 실내실험 결과와 비교 검토되었다.
서로 다른 전단강도 값을 갖도록 조성된 점토 지반에 직경 6cm의 모형 쇄석말뚝을 설치한 후 가압판을 사용하여 등 변위조건 하에서 흐}중을 재하하였다. 총 5개 토조에서 하중 재하는 2단계로 이루어졌으며, 먼저 4kPa의 1단계 상재하중을 재하한 후 과잉간극수압이 95% 이상 소산된 이후에 다음 단계의 추가하중 4kPa를 가하였다.
토조 실험을 수행하였다. 실험에서 계측되는 항목은 쇄석말뚝으로부터 점토지반까지 방사방향으로의 수직 응력 분포, 모형지반의 지표면 침하량 및 점토지반 내부의 간극수압 소산양상이다.
약 3일 가량 자중 압밀시켰다. 직경 0.56m의 가압 판을 제작하여 설치한 후 점토지반의 전단강도가 soft, medium 및 stiff/]- 되도록 상재하중을 달리하여 한달 가량 압밀하였다. 그림 2에는 3개 토조에 대하여 상재 하중을 가하기 전에 수행된 깊이 별 vane 실험 결과가 나타나 있으며, 전단 강도를 구하는데 사용된 장비는 ELE사의 pocket shearmeter로서 측정범위가 0 〜 20kN/cm²인 sensitive vane。] 사용되었고, ASTM D2573 규정에 근거하여 측정되었으며, 전단강도는 소성지수에 대한 보정되지 않은 값이다.
등 변위조건 하에서 흐}중을 재하하였다. 총 5개 토조에서 하중 재하는 2단계로 이루어졌으며, 먼저 4kPa의 1단계 상재하중을 재하한 후 과잉간극수압이 95% 이상 소산된 이후에 다음 단계의 추가하중 4kPa를 가하였다.
총 5개의 모형토조에 점토지반을 조성하기 위하여 점토 시료를 함수비 85%로 슬러리화하여 토조에 조성한 다음 약 3일 가량 자중 압밀시켰다. 직경 0.
표 2에 나타난 바와 같이 점토지반의 강성도가 응력분담 양상에 미치는 영향을 살펴보고자 3개 토조(토조번호=1, 2 및 3)에 대하여 점토지반의 강도가 soft, medium 및 stiff가 되도록 조성하였다. 또한 쇄석말뚝의 재료 특성 변화에 따른 영향을 살펴보기 위하여 동일한 강도로 조성된 점토지반인 토조 2, 4 및 5에 대하여 각각 자갈, 모래 및 자갈+모래와 같이 서로 다른 재료 특성을 갖도록 말뚝을 조성하였다.

대상 데이터

15m) 개략도가 나타나 있으며, 실험에 사용된 양산 물금지역에서 채취된 점토 시료와 쇄석 말뚝 재료에 대한 기본 물성값 들이 표 1에 정리되어 있다. 제작된 총 5개의 토조에 대하여 2개의 침하판이 각각 설치되었으며, 상재하중의 응력분담양상을 계측하기 위하여 4개의 토압계가 각각 설치되었다. 또한 간극 수압의 소산 계측을 위하여 그림 1에 나타난 바와 같이 연직 및 수평 방향으로 간극 수압계가 설치되었다.

성능/효과

이는 1번 토조의 점토 지반 강성이 작기 때문에 압밀속도가 일반적으로 느리며 뿐만 아니라 쇄석말뚝 설치 및 압밀과정 중에 3번 토조에 비하여 점토입자들이 쇄석말뚝으로 보다 많이 침투됨으로 인하여 쇄석말뚝의 배수능력이 저하되기 때문으로 사료된다. 따라서, 그림 7과 8의 결과로부터 점토 지반의 강성이 작아질수록 침하억제 효과도 감소하고, 압밀 속도도 지연될 수 있음을 알 수 있다.
쇄석말뚝으로 보강된 점토지반에 상재하중 재하시 시간경과에 따라 쇄석말뚝의 응력비 값은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 압밀 진행에 따라 지반강성이 증가하게 됨으로 인해 쇄석말뚝이 부담하는 응력이 감소하기 때문이며 동시에 하중 재하에 따른 쇄석말뚝의 벌징으로 인한 쇄석말뚝의 단면적이 증가하기 때문이다.
0으로 가정하였다. 수정 응력분담율 식을 사용하여 점토지반의 강성변화에 대한 응력분담비를 산정한 결과, 쇄석말뚝과 점토지반에서의 응력변화 양상에 대하여 계측결과와 비교적 유사한 예측 결과를 얻을 수 있었다.
따라서, 말뚝 자체의 강성보다는 점토 지반의 상대적인 강성에 근거한 쇄석말뚝에 대한 구속력이 보다 중요하게 작용하는 것으로 사료된다. 수정된 응력 분담율 식의 경우, 말뚝재료에 관계없이 동일한 去 /瓦 값을 적용하였으며, 모래말뚝의 경우 예측 오차가 비교적 크게 나타났다. 그림 10에서는 쇄석말뚝의 재료 특성 변화가 쇄석말뚝으로 보강된 점토지반의 침하에 미치는 영향이 나타나 있으며, 자갈 말뚝과 모래 말뚝이 자갈+모래 말뚝보다 침하가 억제되는 것으로 나타났다.
점토지반의 강성도가 증가함에 따라 쇄석말뚝의 응력 비는 증가하는 경향성을 보였다. 동일한 강성도를 갖는 점토지반에 대하여 재료특성이 다른 말뚝을 적용한 경우에는 쇄석말뚝의 응력비 차이가 크게 나타나지 않았다.

후속연구

예측결과를 제공하였다. 따라서 추후 연구에서는 서로 다른 치환율에 대하여 점토지반의 강성도를 달리하여 모형실험을 수행함으로써, 응력분담비의 변화를 보다 신뢰성 있게 검토하며 수정 Baumann과 Bauer 해의 적용성을 검증할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
Hughes, J.M.O., Withers, N. J. and Greenwood, D. A. (1975), A field trial of the reinforcing effect of a stone column in soil. Geotechnique, Vol.25, No.1, pp.34-44
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Yamagata, K., and Hukumoto, K. (1982), "Stress ratio of a sand pile and cohesive soil in composite ground", $17^{th}$ JSSMFE Conf., pp.2417-2420

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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