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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 친환경 지반개량공법을 개발하는데 기본 자료로 활용하고자 천연자원을 대체할 수 있는 순환골재를 이용한 다공질 콘크리트 말뚝(recycled aggregate porous concrete pile, RAPP) 의 공학적 특성을 평가하기 위하여 인위적으로 다공질 콘크리트 말뚝 (RAPP)-점토 복합지반을 조성하고, 비배수조건 및 배수 조건에 따라 치환율과 구속압을 변화시켜 삼축압축시험을 실시하였으며, 복합지반의 응력-변형률관겨L 과잉간극수압, 강도정수 등을 정량화하여 순환골재 다공질콘크리트 말뚝에 의하여 조성된 복합지반의 전단 거동특성을 규명하고 공학적 우수성을 기존 모래 다짐 말뚝과 비교 평가하였다. 여기서 순환골재 다공질 콘크리트말뚝은 순환골재, 시멘트 물과 적절히 배합하여 만든 말뚝을 의미한다.
- 대하여 저항한다. 이런 조건을 실내시험에서 재현하기 위해 본 연구에서는 배수조건 및 비 배수 조건으로 시험하고 현장응력상태를 재현할 수 있는 삼축압축시험이 현장여건에 가장 적합하다고 판단되어 복합지반에 대한 삼축압축시험을 수행하였다. 치환 재료의 입도를 고려하여 시료의 직경은 50mm, 높이는 lOOnim 를 기준으로 시험을 실시하였다.
제안 방법
- 시험사용에 적당하도록 2mm 이상의 입자를 제거하여 사용하였다. 모래 시료의 최대건조단위중량(的响)은 몰드의 외벽을 타격 봉으로 두드려 다짐하는 타격봉 시험으로 가장 조밀한 상태의 건조단위중량을 구했다. 최소건 조단위중량(7<tain) 은 몰드 바닥에서부터 깔때기를 대고 시료를 채우는 깔때기 채우기 시험으로 가장 느슨한 상태의 건조단위 중량을 구하였다.
- 모래 시료의 최대건조단위중량(的响)은 몰드의 외벽을 타격 봉으로 두드려 다짐하는 타격봉 시험으로 가장 조밀한 상태의 건조단위중량을 구했다. 최소건 조단위중량(7<tain) 은 몰드 바닥에서부터 깔때기를 대고 시료를 채우는 깔때기 채우기 시험으로 가장 느슨한 상태의 건조단위 중량을 구하였다.
- 물/시멘트의 배합비의 경우, 순환골재의 미립분과 흡수율을 고려하여 물/시멘트비를 결정하고 삼축압축 시험에서의 결과치를 도출하기 위한 배합비를 결정하였다. 치환율 15, 35, 60%는 일반 실내에 비치된 상태의 순환 골재를 이용하여 물/시멘트비 35%의 배합비를 결정하였다
- 치환율 15, 35, 60%는 일반 실내에 비치된 상태의 순환 골재를 이용하여 물/시멘트비 35%의 배합비를 결정하였다
- 점토시료는 현장에서의 복합지반 형성 재현을 위하여 사용하였다 본 연구에서는 불교란시료 채취의 어려움이 있어 일반적으로 사용하고 있는 방법으로 슬러리 상태의 시료에 소정의 선행압밀압력으로 예비 압밀을 하여 재성형 시료를 제작하였다. 이를 위하여 인천 해안지역에서 점토시료를 채취하여 건조시킨 후 재성형 시료로 준비하였다.
- 시료준비는 액성한계의 2배의 함수비로 시료를 반죽하여 충분히 교반한 후, 슬러리 상태로 만들어 슬러 리 상태에서 물이 증발되지 않도록 포장을 한 후, 2일간 방치하여 포화과정을 거쳐 재성형 장치에 저장하였다. 저장된 시료는 양면배수상태로 상재흐] 중을가하면서 재성형 시료를 만들었다 이때 상재하중은 표준 압밀 시험과 마찬가지로 lOkPa, 20kPa, 40kPa 순으로 하중 증가비를 2배로 하고 배수거리를 고려하여 36시간 동안 압밀을 시켰다. 압밀이 완료된 시료는 공시체 규격에 맞게 해체하여 항온 항습기에 보관하여 실험에 사용하였다 그림 3은 재성형 시료 제작 장치에 담긴 슬러리 모습을 보여준다
- 점토시료안에 소정의 상대밀도로 조성된 모래 말뚝을 설치하여 모래-점토 혼합토를 조성하였다. 모래 말뚝은 각 치환율별로 조성된 케이싱에 상대밀도 약 70%로 다짐 봉을 이용하여 다지면서 조성하였으며(그림5(a)), 다짐 시 물을 첨가하여 모래가 완전히 포화되도록 하였다.
- 모래 말뚝은 각 치환율별로 조성된 케이싱에 상대밀도 약 70%로 다짐 봉을 이용하여 다지면서 조성하였으며(그림5(a)), 다짐 시 물을 첨가하여 모래가 완전히 포화되도록 하였다. 그리고 혼합토를 조성할 때 발생할 수 있는 시료 교란을 줄이고자 조성된 모래말뚝을 냉동장치를 활용하여 동결 시켜 보관하여 사용하였다(이상익 등 2005).
- 치환율에 맞게 제작된 케이싱을 점토중앙에 삽입한 후에 점토시료가 교란되지 않도록 천천히 인발한다. 그 후 점토 안에 생긴 공동안에 얼린 모래말뚝을 주의깊에 천천히 밀어 넣어 모래-점토 혼합토를 치환율별로 조성한 후, 동결된 모래 말뚝이 해동될 때까지 방치한 후에 삼축시험을 실시하였다. 그림 5는 혼합토 조성과정을 나타내었다.
- 치환 재료의 입도를 고려하여 시료의 직경은 50mm, 높이는 lOOnim 를 기준으로 시험을 실시하였다. 그리고 치횐율 및 구속압조건을 달리하여 혼합토의 전단거동을 파악하였다. 먼저 혼합토의 공시체를 제작하여 그 후 공시체의 보화를 위하여 약 4kPa의 압력으로 이산화탄소를 공시체의 하부 캡으로 주입시키고 상부 캡을 통하여 공기가 빠져나가 시료 내에 이산화탄소로 치환되도록 1시간(60분) 순환시켰다.
- 그리고 치횐율 및 구속압조건을 달리하여 혼합토의 전단거동을 파악하였다. 먼저 혼합토의 공시체를 제작하여 그 후 공시체의 보화를 위하여 약 4kPa의 압력으로 이산화탄소를 공시체의 하부 캡으로 주입시키고 상부 캡을 통하여 공기가 빠져나가 시료 내에 이산화탄소로 치환되도록 1시간(60분) 순환시켰다. 이는 시료 내의 공기를 일정압력 이상에서 물에 잘 녹는 이산화탄소로 치환함으로써 시료의 포화도를 거의 100%까지 높일 수 있기 때문이다.
- 포화단계로 넘어가게 된다. 포화시에 구속압과 배압을 단계별로 증가시켜 Skempton의 B-vahie가 0.95 이상이 될 때까지 압력을 증가시켰다. 이러한 조건에 만족할 경우에 구속압을 고정하고 배압을 낮추어 배수를 시킴으로써 압밀을 유도하였다.
- 이러한 조건에 만족할 경우에 구속압을 고정하고 배압을 낮추어 배수를 시킴으로써 압밀을 유도하였다. 이때 원하는 구속압에 도달하게 되면 비배수 상태로 0.1%钮in(배수시 0.01%/min) 의 변형률로 전단을 하여 변형률에 따른 축차응력, 간극수압 등을 측정하였다. 이와 같은 시험을 구속압을 50kPa, lOOkPa, 200kPa로 달리 하여 3회 이상 반복함으로써 응력-변형율, 간극수압.
- 연약지반개량을 위하여 많이 적용되고 있는 모래 다짐 말뚝의 대체 재료로서 순환골재 다공질 콘크리트 말뚝(RAPP)의 활용성을 평가하고자 모래-점토, RAPP-점토로 조성된 시료를 치환율 변화에 따른 구속압을 달리하면서 삼축압축시험을 실시한 결론은 다음과 같다.
- 이와 같은 시험을 구속압을 50kPa, lOOkPa, 200kPa로 달리 하여 3회 이상 반복함으로써 응력-변형율, 간극수압.변형율 및 파괴포락선을 작성하여각 시료별 강도정수를 구하였다. 삼축압축시험의 조건을 정리하면 표 3과 같다
대상 데이터
- 순환골재를 이용한 다공질 콘크리트 말뚝 공법과의 비교검토를 위하여 현재 우리나라에서 연약지반 개량공법으로 많이 사용되고 있는 SCP공법을 인위적으로 재현하기 위하여 모래를 사용하였马. 여기서 사용된 모래의 경우 일반 강모래를 사용하였다.
- 위하여 모래를 사용하였马. 여기서 사용된 모래의 경우 일반 강모래를 사용하였다. 시험사용에 적당하도록 2mm 이상의 입자를 제거하여 사용하였다.
- 이 중 치환율 15%의 순환골재 다공질 콘크리트 말뚝을 고려하여 No. 4번체를 통과하고 No. 8번체에 잔류하는 크기의 순환골재 3.5mm±1.0mm를 사용하고 물, 시멘트와 배합하여 순환골재 다공질 콘크리트 말뚝을 형성하였다. 여기서, 치환율 15%는 치환재로 사용되는 순환 골재 다공질 콘크리트 말뚝의 지름이 19.
- 재성형 시료를 제작하였다. 이를 위하여 인천 해안지역에서 점토시료를 채취하여 건조시킨 후 재성형 시료로 준비하였다. 시료준비는 액성한계의 2배의 함수비로 시료를 반죽하여 충분히 교반한 후, 슬러리 상태로 만들어 슬러 리 상태에서 물이 증발되지 않도록 포장을 한 후, 2일간 방치하여 포화과정을 거쳐 재성형 장치에 저장하였다.
이론/모형
- 그리고 혼합토를 조성할 때 발생할 수 있는 시료 교란을 줄이고자 조성된 모래말뚝을 냉동장치를 활용하여 동결 시켜 보관하여 사용하였다(이상익 등 2005). 동결된 모래 말뚝을 점토시료에 설치하는 방법은 기 제작된 마이터박스와 상하부캡을 이용하였다. 치환율에 맞게 제작된 케이싱을 점토중앙에 삽입한 후에 점토시료가 교란되지 않도록 천천히 인발한다.
- 삼축압축시험으로부터 강도정수를 구하기 위하여 재료의 파괴를 정의하는 여러가지 이론 중 Mohr-Coulomb 의 파괴이론을 적용하여 강도정수를 산출하였다. Mohr- Coulomb의 파괴이론은 재료가 파괴될 때 파괴면에서 의전단 응력은 전단강도과 같다고 정의한다.
성능/효과
- 응력.변형률 관계는 전반적으로 치환율과 구속압이 증가할수록 파괴시 응력 이 계속 증가하는 변형율경화(strain hardening)의 거동 양상을 보였다. 구속압이 증가할수록 파괴시 변형률은 계속 증가하는 거동양상을 보였다.
- 변형률 관계는 전반적으로 치환율과 구속압이 증가할수록 파괴시 응력 이 계속 증가하는 변형율경화(strain hardening)의 거동 양상을 보였다. 구속압이 증가할수록 파괴시 변형률은 계속 증가하는 거동양상을 보였다. 이는 비배수 전단시에는 체적변화가 발생하지 않아야 하지만 혼합시료내부의 치환재로 사용된 모래의 부피가 팽창하려는 다일리턴시(dilatancy)현상으로 인하여 시료가 연속적으로 파괴에 저항하기 때문인것으로 판단된다.
- RAPP-점토 혼합토에 대한 삼축압축시험의 응력-변형률 관계는 치환율과 구속압이 증가할수록 파괴시 응력은 계속 증가하다가 최대응력을 지난후 계속 감소하는 변형율연화(strain softening) 현상을 보였다. 또한 구속압의 변화에 따른 응력증가는 크게 발생하지 않았는데 이는 혼합시료내부의 치환재로 사용된 다공질 콘크리트 말뚝의 강도에 크게 지배하는 것으로 판단되었다.
- 변형율연화(strain softening) 현상을 보였다. 또한 구속압의 변화에 따른 응력증가는 크게 발생하지 않았는데 이는 혼합시료내부의 치환재로 사용된 다공질 콘크리트 말뚝의 강도에 크게 지배하는 것으로 판단되었다. 치환율이 15%에서는 최대주응력이 최소 l, 655.
- 0kPa까지 나타났다. 치환율 100%의 RAPP의 삼축압축시험 결과, 전반적으로 정점을 지난 후 취성파괴를 양상을 보였다. 구속압의 변화에 비해 응력증가는 크게 발생하지 않았으며 이는 RAPP-점토 혼합토의 비배수 전단시의 결과와 비슷한 형태를 보였으며 이것은 순환골재 다공질 말뚝의 강도에 크게 지배되는 것으로 판단된다.
- 치환율 100%의 RAPP의 삼축압축시험 결과, 전반적으로 정점을 지난 후 취성파괴를 양상을 보였다. 구속압의 변화에 비해 응력증가는 크게 발생하지 않았으며 이는 RAPP-점토 혼합토의 비배수 전단시의 결과와 비슷한 형태를 보였으며 이것은 순환골재 다공질 말뚝의 강도에 크게 지배되는 것으로 판단된다. RAPP-점토 혼합토와의 차이점은 정점을 형성한 후 잔류강도가 크게 감소한 것이었다.
- 또한 간극수압-변형율 관계에서 모래 말뚝의 경우 간극수압이 점차 증가하다가 어떤 정점을 지난 이후에는 점차 감소하였다. 치환율이 높을수록, 구속압이 작을수록 간극수압은 비교적 작게 측정되었다. 또한, RAPP-점토 혼합토의 간극수압-변형률 관계는 그림 11에서 보는 것처럼 전반적으로 모든 간극수압에서 정점을 지난 후 크게 감소하다가 0에 가까운 값을 나타내었다.
- 간극수압의 크기는 치환율이 커질수록 변형이 진행되면서 점점 감소하는 양상을 보여준다. 그리고 치환율이 높을수록 간극수압이 다소 낮게 측정되었으며 구속압이 작을수록 낮게 측정되었다.
- 모래-점토 혼합토 시험에서 전응력 개념의 내부 마찰각 9)과 점착력(c)는 치환율이 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 강도정수값을 정리하면 내부마찰각(0)은 26.
- 2~35X)°의 범위로 나타났다. 또한 삼축압축시험에서 치환율이 증가함에 따라 혼합토의 강도가 증가하여 점착력이 4.0~ 18.1kPa로 증가하는 범위로 나타났다. 그레七 RAPP-점토 혼합토의 강도정수값은 내부마찰각 泌)은 18.
- (1) RAPP-점토 혼합토에 대한 삼축압축시험의 응력-변형률 관계는 전반적으로 치환율과 구속압이 증가하면서 정점을 지난 후에는 응력이 서서히 감소하는변형율연화의 거동을 보였다. 이는 순환골재 다공질 콘크리트 말뚝 내부의 시멘트의 Bonding효과 발생하여 응력에 저항하다가 파괴가 일어난 후에는 순환 골재 시료만으로 응력에 저항하는 것에서 기 인함으로 판단된다.
- 이는 순환골재 다공질 콘크리트 말뚝 내부의 시멘트의 Bonding효과 발생하여 응력에 저항하다가 파괴가 일어난 후에는 순환 골재 시료만으로 응력에 저항하는 것에서 기 인함으로 판단된다. 또한 구속압의 변화에 따라 응력증가는 크게 발생하지 않았는데 이는 전단시에 복합시료 내부의 강도보다는 치환재로 사용된 순환 골재 다공질 콘크리트 말뚝의 강도에 크게 지배되는 것으로 판단되었다.
- (2) 모래말뚝의 경우 응력-변형율 관계에서는 치환율과구속압이 증가할수록 연직 응력이 계속 증가하는변형율경화 거동을 보였다’ 이는 비배수 전단시 체적변화가 발생하지 않아야 하지만 시료내부 모래의 체적이 팽창하려는 다일러턴시 현상이 발생하여 시료가 파괴에 저항하게 되는 것으로 판단되었다.
- (3) 간극수압-변형율의 관계에서 모래-점토, RAPP-점토 혼합토 모두 간극수압이 증가하다가 정점을 지난 이후에는 점차 감소하였고 치환율이 높을수록 간극수압이 다소 낮게 나타났다.
- (4) 모래-점토 혼합토의 강도정수값은 내부마찰각의 경우, 26~35°의 범위를 나타났으며, 점착력의 경우는 치환율별로 4~ 18kPa의 범위로 나타났다. RAPP-점토 혼합토의 경우, 내부마찰각은 18~34°의 범위를 나타났으며, 점착력의 경우는 557kPa~ 588kPa의 범위를 나타났다.
- (5) 새로운 치환재료인 RAPP와 모래를 비교했을 때의 점착력의 경우, 시멘트의 Bonding효과와 골재의 저항이 크게 작용하여 모래말뚝에 비해 RAPP가 약 60%정도의 강도증가를 보였다. 내부마찰각은 10% 정도의 감소를 보였는데 이는 순환골재 다공질 콘크리트의 경우, 내부 치환된 순환골재 다공질 콘크리트에 크게 지배를 받아서 구속압의 변화에 대한 응력의 변화는 크지 않으며, 치환율에 따른 응력의 증가가 두드러지며, 혼합토 내부에 치환된 순환 골재 다공질 콘크리트의 강도에 의해 응력이 크게 지배되는 것으로 판단되었다.
후속연구
- 이 순환 골재를 이용하여 현재 연약지반에서 많이 사용되고 있는 기존의 지반개량공법 중 다짐말뚝공법에 순환 골재를 이용하면 천연자원의 고갈에 대비하고 골재채취로 인한 환경파괴를 경감 시킬 수 있다고 판단된다. 또한 최근 '건설폐기물 재활용촉진에 관한 법률'에 따라 대형 공사현장에서는 순환골재를 의무적으로 사용해야 하기 때문에 순환골재를 이용한 연약지반 개량공법의 그 활용도가 양호할 것으로 판단된다.
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