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문제 정의
- 본 연구에서는 서해안 간척지 내의 연약지반상에 축조된 농업용 저수지의 성토하중과 수위변화를 고려한 과잉공극수압을 예측하기 위한 새로운 이론식을 유도하고, 이를 현장실측치 및 유한차분법과 비교분석 하여 그 결과를 제체의 압밀도 평가에 적용하기 위하여 수행하였다.
제안 방법
- 8 m까지 시공 완료하고, 방치기간을 포함하여 2003. 5월까지 총 1,054일 동안 현장 계측을 실시하였다. 담수는 2002년 10월부터 담수를 시작하여 2003년 8월이후 E.
-
2. 성토시공 및 현장계측
계측기의 매설위치는 Fig. 2와 같이 배치하였으며, 계측방식은 자동계측방식을 채택하였다. 저수지 제체의 성토는 2000.
- 두번째로 성토완료 후 저수지의 수위가 상승하게 되면 경과시간에 따라 제체내부는 침투수에 의해 침율선의 변동이 발생한다. 따라서 저수지 담수에 따른 정수압(pn)의 증가를 고려해야 하는데 동일조건에서 예측치와 실측치를 비교하기 위해서 계측된 지하수위자료를 이용하여 분석하였다. 분석대상지점은 제체의 중앙에 위치한 양면배수지점(DP-3지점)과 제체 우안쪽 가까이 연약지반심도가 얕은 일면배수지점(DP-5지점)에 대하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 서해안 간척지 내의 연약지반상에 축조된 농업용 저수지의 성토하중과 수위변화를 고려한 과잉공극수압을 예측하기 위한 새로운 이론식을 유도하고, 이를 유한차분법 및 현장실측치와 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 00 m의 수위를 유지하였다. 성토시공속도는 침하관리와 안정관리를 병행하면서 조절하였고, 침하량은 지표면 침하판 및 층별 침하계를 이용하였으며, 공극수압계는 진동현식을 사용하였다.
- 0m 정도 분포되어 있고, 계측기 배치는 조사 자료를 기초로 원지반의 압밀침하 및 사면안정검토를 실시하기 위하여 주계측단면(DP-3)과 부계측단면(DP-5)을 선정하였다. 실내시험은 대상현장에서 채취한 교란 시료와 불교란 시료를 이용하여 물리적 성질, 역학적 성질, 압밀특성시험을 실시하였으며 시험결과는 Table 1과 같다.
- 4(a)는 제체중앙에서(DP-3, P2-2) Terzaghi 방법과 FDM 그리고 제안식에 의해 예측된 압밀도를 실측치와 비교한 것이다. 압밀도는 성토재하시 점증하중형태로 시공되므로 과잉공극수압의 발생과 소산에 따른 영향을 고려하였다.
- 연구 분석대상 지반은 00지구 농업용 저수지의 현장시험자료(시추조사 및 시료채취, 표준관입시험, Piezocone 조사)를 이용하여 연약지반의 분포특성과 역학적 특성을 파악하였다.2)
- 저수지 제체의 재하과정은 시간 의존적이기 때문에 임의의 상재하중에서 시간과 깊이에 따른 과잉공극 수압 거동을 예측하기 위해서 유한차분법(FDM)을 이용하였고(Budhu, 2000), 성토하중에 의한 과잉공극수압은 Terzaghi의 압밀이론을 이용하였다. 제안식으로 과잉공극수압을 예측하기 위하여 일차원 압밀이론에서 과잉공극수압을 상재하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압 하중으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내어 분석하였다. 측정한 공극수압 자료를 기초로, 압성토 공법으로 시공된 점성토 지반에서의 과잉공극수압 거동 특성을 분석하였으며, 지반심도에 따른 지중응력분포는 2:1 분포법을 사용하였다.
- 제안식으로 과잉공극수압을 예측하기 위하여 일차원 압밀이론에서 과잉공극수압을 상재하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압 하중으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내어 분석하였다. 측정한 공극수압 자료를 기초로, 압성토 공법으로 시공된 점성토 지반에서의 과잉공극수압 거동 특성을 분석하였으며, 지반심도에 따른 지중응력분포는 2:1 분포법을 사용하였다.
대상 데이터
- 따라서 저수지 담수에 따른 정수압(pn)의 증가를 고려해야 하는데 동일조건에서 예측치와 실측치를 비교하기 위해서 계측된 지하수위자료를 이용하여 분석하였다. 분석대상지점은 제체의 중앙에 위치한 양면배수지점(DP-3지점)과 제체 우안쪽 가까이 연약지반심도가 얕은 일면배수지점(DP-5지점)에 대하여 분석하였다.
- 지반조사결과 N치 6이하의 연약점성토층이 5.0～10.0m 정도 분포되어 있고, 계측기 배치는 조사 자료를 기초로 원지반의 압밀침하 및 사면안정검토를 실시하기 위하여 주계측단면(DP-3)과 부계측단면(DP-5)을 선정하였다. 실내시험은 대상현장에서 채취한 교란 시료와 불교란 시료를 이용하여 물리적 성질, 역학적 성질, 압밀특성시험을 실시하였으며 시험결과는 Table 1과 같다.
이론/모형
- 저수지 제체의 재하과정은 시간 의존적이기 때문에 임의의 상재하중에서 시간과 깊이에 따른 과잉공극 수압 거동을 예측하기 위해서 유한차분법(FDM)을 이용하였고(Budhu, 2000), 성토하중에 의한 과잉공극수압은 Terzaghi의 압밀이론을 이용하였다. 제안식으로 과잉공극수압을 예측하기 위하여 일차원 압밀이론에서 과잉공극수압을 상재하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압 하중으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내어 분석하였다.
성능/효과
- 1) 방조제 내부에 설치될 담수호 조성을 위한 방수제나 저수지 제체는 대부분 토공구조물로 연약한 점성토 지반 위에 축조되는데 기초지반의 압밀침하, 활동, 측방유동 등의 현상이 발생할 수 있으며, 성토체 자체의 압축침하, 활동파괴, 침투 등이 예상된다. 연약지반상에 축조된 농업용 저수지는 저수가 목적이므로 제체 축조 후 바로 담수를 시작하게 되며 담수된 물은 제체의 침투문제로 인하여 일반 성토체와는 전혀 다른 거동을 하기 때문에 성토 완료 후 담수시 수위변화에 따른 과잉공극수압소산을 예측하여야 한다.
- 1. 제안식을 검증하기 위하여 Terzaghi 방법과 유한차분법에 의해 과잉공극수압을 비교한 결과 유사하였고, 담수 후에는 제안식이 기존의 방법보다 실측치에 더 근접하게 나타났다.
- 2. 제안식으로 구한 담수 후의 압밀도는 양면배수조건(DP-3)에서는 실측치와 유사하게 나타났고, 일면배수조건(DP-5)에서는 실측치보다 다소 작게 나타났다.
- 3. 연약지반상에 축조된 농업용 저수지의 과잉공극수압은 담수의 영향을 고려하여야 하기 때문에 이를 예측하기 위한 계산식을 제안하여, 현장실측치와 비교 분석한 결과 실측치에 근접하게 나타나서 현장 적용성이 높은 것으로 평가되었다.
- 6% 범위로 매우 유사하게 나타냈다. 3가지 방법으로 예측한 압밀도는 실측치와는 큰 차이를 나타냈지만 시간이 경과함에 따라 실측치에 근접하는 것으로 나타났다. 실측치와 이론치의 차이에 있어서 현저하게 큰 값을 나타내는 것은 실트분이 많은 연약지반으로 과잉공극수압이 빠르게 소산되기 때문이며, 일면배수조건, 계산치에 적용된 토질정수와 현장과의 불일치성 등의 원인으로 판단된다.
- 0 m)에서 실측된 과잉공극수압은 낮은 성토하중으로 인하여 발생 크기는 작으나 소산속도는 상류측보다 약간 빠르게 나타났다. 과잉공극수압은 Terzaghi 방법과 제안식에서는 실측치와 유사하고, 유한차분법에서는 실측치와 약간 크게 나타났다. 이는 측정지점이 담수에 따른 정수압의 영향을 받지 않는 하류측의 매설되어 정수압이 증가한 만큼 공극수압이 증가하지 않았기 때문으로 판단된다.
- 실측된 과잉공극수압은 낮은 성토하중으로 인하여 작고, 소산속도도 느리게 나타냈다. 담수전까지 3가지 방법으로 예측된 과잉공극수압은 실측치와 유사하게 나타났지만, 담수 후(850일)에는 Terzaghi 방법은 계속해서 완만하게 소산되어 실측치와 차이를 나타냈고, FDM과 제안식은 정수압 증가의 영향으로 약간 상승(팽창)하면서 실측치와 유사하게 나타났다.
- 이러한 경우는 지반의 토질정수가 동일한 경우에도 토층을 여러 층으로 분리하여 지중응력을 다르게 적용하였다. 두번째로 성토완료 후 저수지의 수위가 상승하게 되면 경과시간에 따라 제체내부는 침투수에 의해 침율선의 변동이 발생한다. 따라서 저수지 담수에 따른 정수압(pn)의 증가를 고려해야 하는데 동일조건에서 예측치와 실측치를 비교하기 위해서 계측된 지하수위자료를 이용하여 분석하였다.
- 만일 특정심도에서 지중용력이 성토고가 증가함에 따라 비선형으로 변화한다면 주어진 성토조건에서 압밀침하곡선의 형태가 변하게 되므로 최종침하량도 다르게 나타난다. 따라서 상재하중(q)가 증가하는 동안 심도 GL-5m 지점에서의 지중응력을 2 : 1 분포법으로 계산하면 성토고의 증가에 따라서 심도도 증가하고 재하폭은 감소하기 때문에 지중응력은 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경우는 지반의 토질정수가 동일한 경우에도 토층을 여러 층으로 분리하여 지중응력을 다르게 적용하였다.
- 8m)에서 실측된 과잉공극수압은 성토 중에는 증가하다가, 성토가 중지되면 빠른 속도로 소산되고, 담수 후(850일)에서는 정수압증가로 인하여 과잉공극수압이 상승하는 현상을 나타내고 있다. 성토 완료 후 예측된 과잉공극수압은 소산의 기울기로 보면 실측치와는 큰 차이를 나타내지만 시간이 경과함에 따라 실측치에 근접하는 것으로 나타났다.
- 상류측은 성토높이가 제체중앙보다 낮아 성토하중 증가에 따른 과잉공극수압은 발생크기도 작고 소산속도도 느리게 나타났다. 성토완료 후 초기에는 Terzaghi 방법, FDM 및 제안식에 의해 예측된 과잉공극수압은 실측치와 유사한 경향을 나타냈지만, 담수 후(850일)에는 일반적인 해석방법인 Terzaghi 방법은 정수압의 영향을 고려하지 않았기 때문에 시간에 따라 완만하게 소산되고, FDM과 제안식은 급격한 수위상승에 의한 정수압 증가의 영향으로 과잉공극수압이 약간 상승(팽창) 하는 결과를 나타냈다.
- 0% 범위로 거의 같은 값을 나타내고 있다. 성토완료 후부터 3가지 방법으로 예측된 압밀도는 4.0～9.4% 정도로 실측치와 유사하게 평가되었다.
- 실측된 과잉공극수압은 성토완료 후 초기에 빠르게 소산됨에 따라 압밀도가 급격히 증가하고, 담수 후(850일)에는 정수압 증가의 영향으로 압밀도 변화가 거의 없이 일정하게 나타났다. 담수후에 Terzaghi 방법과 유한차분법 그리고 제안식에 의한 압밀도는 1.
- 5 m)에서 실측된 과잉공극수압은 낮은 성토하중으로 인하여 발생크기도 작고 소산속도도 느리게 나타났다. 예측된 과잉공극수압은 3가지 방법 모두 실측치와 약간의 차이를 나타났고, 담수 후에는 소산속도가 완만하게 나타났다.
- 3 m)의 과잉공극수압은 성토 중에는 증가하다가 성토가 중지되면 빠른 속도로 소산되는 것을 알 수 있다. 예측된 과잉공극수압은 유한차분법에서 약간 크고, Terzaghi 방법과 제안식에서 실측치와 유사하게 나타났으며 담수 후에는 소산속도가 완만하게 나타났다.
- 이상과 같이 예측된 과잉공극수압으로 압밀도를 평가하여 본 결과, 양면배수조건(DP-3)에서 제안식에 의해 예측된 압밀도는 실측치와 유사하게 나타났고, 일면배수조건(DP-5)에서 제안식에 의해 예측된 압밀도는 매우 작게 평가되었지만, 시간이 경과함에 따라 실측치에 근접하는 것으로 나타났다.
- 전체적으로 상류측에서 실측된 과잉공극수압은 담수로 인한 정수압 증가의 영향으로 약간 상승(팽창)하는 것으로 나타났고, 제안식에 의해 예측된 과잉공극수압거동과 유사한 경향을 나타냈다.
- 제안식(5)으로 과잉공극수압을 예측하기 위해서는 첫번째로 상재하중(q)증가에 따른 자중응력 분포를 고려해야 하는데, 본 현장의 저수지 제체는 압성토 공법으로 시공되었고 성토사면선에서 성토고가 10.8 m까지 성토되었다. 만일 특정심도에서 지중용력이 성토고가 증가함에 따라 비선형으로 변화한다면 주어진 성토조건에서 압밀침하곡선의 형태가 변하게 되므로 최종침하량도 다르게 나타난다.
- 제체 중앙에서 제안식에 의해 예측된 과잉공극수압은 양면배수조건(DP-3)에서는 실측치와 유사한 경향을 나타냈고, 일면배수조건(DP-5)에서는 큰 차이를 나타냈지만 시간이 경과함에 따라 실측치에 근접하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 일차원 압밀이론에서 과잉공극수압을 상재하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압으로 인한 과잉 공극수압의 합으로 나타내면, 압밀도의 예측뿐만 아니라 침하거동에 대한 해석과 경과시간에 따른 잔류 침하량의 예측도 가능할 것으로 판단된다.
- 이와 같은 결과는 앞으로 저수지 설계시 담수에 따른 과잉공극수압을 예측하여 정확한 압밀도를 산정하는데 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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