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문제 정의
- 있다. 지반조사의 목적은 지반특성 및 퇴적환경, 응력이력, 각 토층의 토질정수를 산정하기 위한 것이다. 이러한 목적을 이루기 위해 다양한 실내시험 및 현징* *시험이 이루어지고 있다.
- 이에 본 연구에서는 서해안 시화호 주변에 광범위하게 분포하고 있는 연약지반 특성을 파악하기 위하여 수행 된 일축압축시험 , 삼축압축시험 , 현장베인시험 , DMT (Dilatometer Test)의 결과를 피에조콘 관입시험과 병행하여 비교.분석하였다.
- 이러한 문제점 때문에 피에조콘을 이용한 비배수전단강도는 주로 경험적 방법에 의한 피에조콘계수를 이용하여 구하고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 서해안 시화호 주변지역 점성토지반에서 수행된 피에조콘 관입시험의 결과로부터 점성토의 비배수전단강도를 산정하기 위하여 피에조콘계수 산정 시 1985년 L나nne가 추천한 가장 적용성이 좋은전체 선단저항치를 이용한 방법을 통해서 산정 하였으며, 또한 실내시험이나 현장시험에서 얻은 값에 대한 오차에 의한 영향을 줄이기 위하여 통계기법을 적용하여신뢰성을 향상시키도록 하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 수행된 현장시험 및 실내시험 내용은 시추조사 56회, 피에조콘 관입시험 58회, 간극수압 소산시험 21회, 현장베인시험 8회, Dilatometer Test 4회 등을수행하였으며, 채취된 불교란 시료를 통해 물성시험 1 식 및 UU-Test 34회, CU-Test 35회 등을 수행하였다. 또한 시추조사 성과 및 현장시험 성과를 비교, 분석하기 위하여 집중조사구간을 선정, 동일 위치에서 시추조사 및 다양한 현장시험, 실내시험을 수행하여 지반특성 분석 시 발생할 수 있는 오차를 최소화 하였다.
- 시추조사 결과와 동일 위치 및 근접구간에서 수행된연속적인 피에조콘 관입시험 결과인 콘 관입저항력, 간극수압, 마찰력 등을 이용해서 심도별 세부 지층분류 및연약층 강도, 샌드심의 존재 등을 파악하였다. 그림 2는피에조콘 관입시험결과를 나타낸 것으로 심도별 지층분류, 콘 관입저항력, 간극수압 분포를 도시하고 있다.
- 연구대상 지역의 점성토층 비배수전단강도 특성을파악하기 위하여 연속적인 현장베인시험을 실시하였으며, 점성토충의 예민비를 파악하기 위하여 교란 상태에서 시험을 실시하였다. 그림 3은 현장베인시험에 의한심도별 비배수전단강도 분포와 예민비 분포를 95% 신뢰구간에서 나타내고 있다.
- 현장베인시험 시 불교란 상태에 대한 시험 이외에 교란된 상태의 비배수전단강도 시험을 실시하여 불교란 시 비배수전단강도와 교란 시 비배수전단강도의 비로 점토층의 예민비를 산정하였다. 시험결과 예민비는 최소 2.
- DMT를 실시하여 흙의 분류, 비배수전단강도 등의 연구대상 지역의 지반특성을 파악하였다.
- 베인시험 및 DMT 값에 의한 피에조콘계수 산정은각각의 시험위치 및 시험공 근접구간의 콘관입시험 결과에 의한 콘 저항력과의 상관관계를 비교 분석하여 피에조콘계수를 산정하였다.
- 또한, 일축압축시험 및 삼축압축시험의 경우는 연구대상지역내의 특정 지역에서 시험결과를 이용할 경우 획득된 비배수전단강도 자료의 부족 및 심도별 연속적인값과 콘관입시험에 의한 관입저항력의 상관성을 분석하기 곤란하여 전체 연구구간에서 실시한 자료를 이용하여상관관계를 분석하여 피 에조콘계수를 산정하였다.
- 산정해야한다. 이것을 위해서 앞선 상관 분석시 적용된 4개 기준시험으로부터 얻어진 각 위치 및 심도별 비배수전단강도와관입저항력에 의한 피에조콘계수를 각 데이터별로 산정하였다.
- 구하였다. 이때의 확률분포함수는 물리현상 등의 예측을 할 때 발생하는 오차분포가 실제로 정규분포에 근사한 경우가 많고, 모집단이 정규분포이거나 또는표본의 크기가 커지면 표본의 분포는 일정한 값으로 분포한다는 통계의 기본특성을 기반으로 산정하였다. 각 시험별 확률분포에 의해 구해진 평균 및 표준편차는 표 1에 정리하였다.
- 본 연구에서는 기존에 알고 있는 피에조콘계수의 사전정보를 가지고 금회 연구에서 산정된 표본정보를 이용해 신뢰성 향상을 도모하는 Bayesian 통계 기법을 이용하여 본 연구대상 지역에서 최적의 피에조콘계수를산정하였다.
- 국내 서해안 지역의 점성토 지반을 대상으로 일축압축시험, 삼축압축시험, 현장베인시험, Dilatometer Test, 피에조콘관입시험 실시한 결과를 활용하여 서해안 시화호 인근 점성토 지반의 피에조콘계수를 산정한 결과다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 연구대상 지역에서의 실내시험결과 중 콘 관입저항력과 직접적인 관련이 있는 심도별 일축압축시험 및 ULLTest에 대한 결과를 정리하였다.
데이터처리
- 분석하였다. 또한, 상기 결과와 기존의 연구에서 제시한 피에조콘계수를 통계분석 기법을 활용하여 합리적인 피에조콘계수를 산정하였다.
- 산정된 각 기준시험별 피에조콘계수를 이용해 각각의 확률분포함수에 의한 피에조콘계수의 평균과 표준편차를 구하였다. 이때의 확률분포함수는 물리현상 등의 예측을 할 때 발생하는 오차분포가 실제로 정규분포에 근사한 경우가 많고, 모집단이 정규분포이거나 또는표본의 크기가 커지면 표본의 분포는 일정한 값으로 분포한다는 통계의 기본특성을 기반으로 산정하였다.
- Monte Carlo Simulation 기법에 적용되는 표본의 추출은 앞서 구한 확률분포에 의해 구해진 각 시험별 피에조콘계수의 평균과 표준편차를 이용해 정규분포 형태를 따르는 난수 2000개를 무작위로 추출 하였다 그리고 추출된 2000개의 표본에 의해 각 시험별 확률분포함수를 통해 평균과 표준편차를 구해서 각 시험별 해당하는 피에조콘계수를 산정하였다.
- Bayesian 통계기법에서 사전정보로 적용된 국내.외 피에조콘계수 정보를 이용하여 사전정보인 기존자료의평균 및 표준편차는 15.5와 7.78로 적용하였고, 표본정보는 Monte Carlo Simulation 분석결과를 적용하여 평균및 표준편차는 19.451과 3.944를 Bayesian 기법으로 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서도 자료의 제한성 극복을 통한 신뢰성 향상을 위해서 Monte Carlo Simulation 기법을 적용하였다.
- 그림 10과 같이 사전정보와 표본정보를 활용하여 Bayesian 기법으로 분석하였다.
- 이 사전정보인 국내.외에서제안된 피에조콘계수들의 사전확률 분포와 표본정보인금회 산정결과에 의한 우도함수를 이용해 Bayesian 기법을 적용하여 사후확률밀도함수로부터 Bayesian값인과업구간의 피에조콘 계수를 산정하였다.
성능/효과
- 수행하였다. 또한 시추조사 성과 및 현장시험 성과를 비교, 분석하기 위하여 집중조사구간을 선정, 동일 위치에서 시추조사 및 다양한 현장시험, 실내시험을 수행하여 지반특성 분석 시 발생할 수 있는 오차를 최소화 하였다.
- 본 연구대상의 시추조사 결과 점성토층은 통일 분류법상 CL, ML을 보이는 것이 많으며, 심도는 BH-17에서최대 10.8m 분포하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 사질토충인 모래층은 주로 실트질 모래와 모래, 자갈질 모래의 형태를 보이고 있고, 통일 분류법상 SM을 보이는 것이 많은 것으로 나타났으며, 심도는 BH-5 및 BHJ2에서 약 ILOm의 충후를 나타내고 있는 것으로 나타났다.
- 8m 분포하고 있는 것으로 나타났다. 또한, 사질토충인 모래층은 주로 실트질 모래와 모래, 자갈질 모래의 형태를 보이고 있고, 통일 분류법상 SM을 보이는 것이 많은 것으로 나타났으며, 심도는 BH-5 및 BHJ2에서 약 ILOm의 충후를 나타내고 있는 것으로 나타났다. 또한 표준관입시험 결과로부터 점성토의 연경도와사질토의 상대밀도를 분석한 결과, 점성토는 N치가 2이하인 매우 연으段 층이 으扌 55%, 연약층이 18.
- 또한, 사질토충인 모래층은 주로 실트질 모래와 모래, 자갈질 모래의 형태를 보이고 있고, 통일 분류법상 SM을 보이는 것이 많은 것으로 나타났으며, 심도는 BH-5 및 BHJ2에서 약 ILOm의 충후를 나타내고 있는 것으로 나타났다. 또한 표준관입시험 결과로부터 점성토의 연경도와사질토의 상대밀도를 분석한 결과, 점성토는 N치가 2이하인 매우 연으段 층이 으扌 55%, 연약층이 18.Z知 보통견고한 층이 17.
- 또한, 사질토의 경우는 매우 느슨한 상태가 10.1%, 느슨이 30.3%, N치가 15~30인 보통 조밀한 층 42.0%, N 치 30이상의 조밀한 층이 약 17.6%로 나타나 연구대상지역의 사질토층은 대부분 보통 조밀한 층을 형성하고있는 것으로 나타났다.
- CPT-13의 시험결과 층후는 0.0~3.8m(CL층), 3.8~ 5.2m(SM층), 5.2~13.3m(CL층), 13.3 ~20.1m(SM층)으로 분포하고 상부 점성토층과 하부 점성토층 사이에 샌드심으로 추정되는 모래층이 약 1.4m 정도 분포하는 것으로 나타났으며, 콘 관입저항력 분포는 점성토층 상부에서는 0.56~6.83kg0cm2, 하부 점성토층에서는 2.65 ~ 26.42kg〃cm2로 나타났다.
- CPT-23의 시험결과 충후는 0.0 ~ 7, 0m(CL충), 7.0~ 10.0m(SM 층), 10.0 ~ 15.8m(CL충), 15.8 ~ 16.8m(SP 층) 으로 분포하고 상부로부터 점토충이 일정심도까지 연속적으로 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 또한 사질토충이 하부 점성토 사이로 약 3.0m 정도 협재하는 것으로나타나고 있다. 콘 관입저항력 분포는 점성토층 상부에서는 1.
- CPT-261의 시험결과 층후는 0.0~0.8m(ML층), 0.8~ 3.5m(CL충), 3.5 ~ 5.5m(SM층), 5.5 ~ 12.1m(ML층), 12.1- 17.0m(SM충), 17.0 ~ 17.5rrKML 층), 17.5 ~ 19.73m(SM 층)으로 다양한 지층상태가 나타났으며, 콘 관입저항력 분포는 점성토층 상부 ML에서는 7.59-13.87kgfcm2, CL에서는 0.35 ~ 7.53kgfcm2 의 분포를 보여 상부 近의 콘 관입저항력이 크게 나타났다. 또한 5.
- 연구대상 지역의 베인 시험결과 교란 및 불교란 모두심도 증가에 따라 비배수전단강도가 증가하는 것으로나타났으며 , 심도별 비배수전단강도는 Su=0.33Dz+O398 의 상관성을 보이고 있다. 비배수전단강도 분포는 최소값이 0.
- 예민비를 산정하였다. 시험결과 예민비는 최소 2.0에서 최대 15.3의 분포로 평균 5.27을 나타내고 있으며, 상부에서 하부로 갈수록 작은 값을 나타내고 있다. 심도 증가에 따른 예민비는 St—O.
- 250kgf/cm2으로 나타나고 있다. 또한 심도가 증가할수록 비배수전단강도는 일축압축시험 및 삼축압축시험 모두 증가하는 경향을 보이고 있으며, 심도와 비배수전단강도와의 상관성은 일축압축시험은 Su=0.22D+L09, 삼축압축시험은 Su=0」4D+L46의분포를 나타내고 있다.
- 각 시험별 분포로부터 상관성 분석을 실시하여 피에 조콘계수를 산정한 결과 일축압축시험 피에조콘계수는 20.834로 산정되었고, 삼축압축시험 피에조콘계수는 19.021로 산정되었다. 산정된 콘계수의 값을 비교해 볼 때 두 실내시험 결과에 의해 산정된 값은 유사한 것으로 나타났으나, 비배수전단강도와 관입 저항력의 상관성을 대표하는 W값을 비교해보면 일축압축시험은 0.
- 021로 산정되었다. 산정된 콘계수의 값을 비교해 볼 때 두 실내시험 결과에 의해 산정된 값은 유사한 것으로 나타났으나, 비배수전단강도와 관입 저항력의 상관성을 대표하는 W값을 비교해보면 일축압축시험은 0.3494, 삼축압축시험은 0.5174로 나타나 두 시험 모두 상관성 이 떨어지는 것으로 나타났다.
- 시험 별 분포로부터 비배수전단강도와 관입 저항치의 상관성 분석을 실시하여 피에조콘계수를 산정한 결과베인시험 피에조콘계수는 19.247로 산정되었고, DMT에의한 산정 결과 피에조콘계수는 29.460로 분석되었다산정된 피에조콘계수 값을 비교해 볼 때 두 현장시험결과에 의해 산정된 값은 상당히 큰 차이를 나타내고있으며, DMT 결과는 베인시험 결과에 의한 값보다 약 10정도의 차이를 보이고 있다. 각 시험별로 비배수전단강도와 관입저항력의 상관성을 대표하는 IF값을 보면베인시험은 0.
- 460로 분석되었다산정된 피에조콘계수 값을 비교해 볼 때 두 현장시험결과에 의해 산정된 값은 상당히 큰 차이를 나타내고있으며, DMT 결과는 베인시험 결과에 의한 값보다 약 10정도의 차이를 보이고 있다. 각 시험별로 비배수전단강도와 관입저항력의 상관성을 대표하는 IF값을 보면베인시험은 0.8453, DMT는 0.4629로 나타나 현장 베인시험이 DMT에 의한 값보다 상관성이 높은 것으로 나타났다.
- 각 시험별 확률분포에 의해 구해진 평균 및 표준편차는 표 1에 정리하였다. 4개 기준시험에 대하여 산정된콘계수를 비교해보면 일축압축시험과 삼축압축시험및 베인시험에 의해 산정된 콘계수 값은 비교적 유사한범위를 보이고 있었으나, DMT 결과는 상당히 큰 값으로 3가지 기준시험과는 매우 큰 편차를 보이고 있었다.
- 표 2에서 실내시험인 일축압축시험은 피에조콘계수 22.45, 표준편차 6.26이며, 삼축압축시험은 피에조콘계수 21.91 표준편차 7.951 로 나타났다.
- 비교한 그래프이다. 평균값으로 산정된 피에조콘계수와 각 확률분포에 대한 표준편차를 비교해볼 때 피에조콘계수는 베인시험의 경우 19.451 로 가장작게 산정 되었고, 삼축압축시험은 21.91, 일축압축시험은 22.45, DMT는 32.58 순으로 작게 나타났다. 또한 산정된 피에조콘계수에 대한 표준편차를 비교해보면 베인시험에 의한 값이 3.
- 58 순으로 작게 나타났다. 또한 산정된 피에조콘계수에 대한 표준편차를 비교해보면 베인시험에 의한 값이 3.944로 가장 작게 산정 되었고, 삼축압축시험은 7.951, 일축압축시험은 6.260, DMT는순으로 작게 나타나 베인시험에 의해 산정된 피에조콘계수 값의 분산 폭이 가장 작아 신뢰성이 높은 것으로 나타났으며, DMT의 경우는 가장 큰 분산 폭으로 낮은 신뢰성을 보이는 것으로 분석되었다.
- 사전정보는 먼저 국내, 외에서 제안된 피에조콘계수들을 채택하였고, 표본정보는 앞서 실시한 각 시험별 Monte Carlo Simulation 분석결과 가장 신뢰도가 높게평가된 베인시험 결과에 의한 확률 분포함수를 표본정보인 우도함수로 하였다. 이 사전정보인 국내.
- 518로산정되었다. 또한, Bayesian 분석을 통해 산정된 값을 표본정보인 Monte Carlo Simulation에 의해 분석된 값과비교해 볼 때 피에조콘계수는 19.451에서 18.681 로 나타났으며, 표준편차도 3.944에서 3.581 로 작게 나타났다. 상기의 결과부터 본 연구대상 지역의 점토층에서 피에조콘계수는 베인시험 결과로부터 산정된 값을 이용해서 통계분석기법을 적용한 결과 피에조콘계수 값은 18.
- 581 로 작게 나타났다. 상기의 결과부터 본 연구대상 지역의 점토층에서 피에조콘계수는 베인시험 결과로부터 산정된 값을 이용해서 통계분석기법을 적용한 결과 피에조콘계수 값은 18.681 로 산정되었다.
- (1) 비배수전단강도와 콘관입저항력과의 상관성 분석을 통하여 피에조콘계수와 결정계수(R2)를 산정한결과 일축압축시험은 ^=20.83^2=0.3494), 삼축압축시험은 ^=19.021(^=0.5174), 현장베인시험은 Nkt=19.247(R2=0.8453), Dilatometer Test는 Ny 29.460(R2=0.4629)으로 산정되었다. 따라서 현장베인시험의 경우가 결정계수(if)가 가장 높게 나타나 신뢰성이 가장 높은 것으로 평가되었다.
- (2) 통계분석 기법인 Monte Carlo Simulation 분석을 적용한 결과 산정된 피에조콘계수와 표준편차는 일축압축시험은 22.450±6.26, 삼축 압축시험은 21.910± 7.951, 베인시험은 19.451±3.944, Dilatometer Test는 32.58QHL01 로 산정되었으며, 산정된 피에조콘계수를 비교.분석한 결과 현장베인시험에 의한 값이표준편차가 가장 작게 나타나 신뢰성이 타 시험에비해 높은 것으로 평가되었다.
- 58QHL01 로 산정되었으며, 산정된 피에조콘계수를 비교.분석한 결과 현장베인시험에 의한 값이표준편차가 가장 작게 나타나 신뢰성이 타 시험에비해 높은 것으로 평가되었다.
- (3) 각 기준시험별 피에조콘계수 산정시 상관성 분석에의한 결정계수CRB와 통계분석에 의한 표준편차 값을 비교분석한 결과 피에조콘계수 평가를 위한 가장 적절한 기준 비배수전단강도 시험은 상관성 분석 시 결정계수가 R2=0.8453, 통계 분석 시 표준편차가 b=3.518로 가장 신뢰성이 높은 베인시험을 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- (4) 신뢰성 향상을 위하여 기존 제안값을 사전정보로 Monte Carlo Simulation 분석결과 가장 높은 신뢰도를 보인 베인시험에 의한 피에조콘계수 값을 표본정보로 하여, Bayesian 통계 분석을 실시한 결과 피에조콘계수는 18.681 로 분석되었고, 표준편차는 3.518 로 산정되었다.
후속연구
- 외 지역별 제안값을 비교해 볼 때 각 기준시험및 지반특성에 따라 약간의 차이가 나타내는데 , 그원인은 기준 비배수전단강도시험의 신뢰성, 지반이력, 퇴적환경 등 여러가지 요인들로 판단된다. 따라서 정확한 피에조콘계수 산정을 위해 기준이 되는비배수전단강도시험의 신뢰성 향상 및 지역적 특성등을 고려한 연구가 향후 진행되어야 할 것으로 판단된다.
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