지반을 대상으로 하는 일련의 활동에서 지층의 구성에 관한 정보는 필수적인 요소이다. 일반적으로 시추를 통해 지층 구성을 알 수 있으나, 배출되는 작업수와 슬라임, 굴진속도, SPT 시료 등을 참고하여 작성되는 다소 경험적인 면이 있다. 더욱이 최근 시추장비의 고성능화로 인해 얇은 토사층의 경우 구분이 점점 어려워지고 있는 것이 현실이다. 피에조콘관입시험은 주로 점토층을 대상으로 시행되었으나 최근 모래층 및 실트층으로 사용이 확대되고 있는 실정이다. 연속적인 데이터를 확보할 수 있다는 이점이 있어 흙분류에 적용하기 위한 연구가 많이 진행되었고 다양한 도표가 제안되어 사용되고 있다. 하지만, 국내에서는 이에 대한 검증 없이 적용하고 있는 것이 현실이며, 이에 대한 검증을 바탕으로 국내지반과 현실에 맞는 새로운 흙분류 시스템의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 국내 17개 지역에서 수행된 피에조콘 관입시험 결과와 채취된 시료들에 대한 흙분류 결과를 데이터베이스화하였고, 피에조콘 결과를 이용하도록 제안된 국 내외 흙분류차트 7종류들의 국내지반에 대한 적용성을 토질 종류별로 검토하였다. 또한 종합적으로 국내지반의 흙분류에 가장 적합한 흙분류차트와 사용 변수들을 도출하였고 선정된 도표의 영역별 설명과 국내 기술자들에게 익숙한 통일분류결과와의 상관성에 대하여 고찰하였다.
지반을 대상으로 하는 일련의 활동에서 지층의 구성에 관한 정보는 필수적인 요소이다. 일반적으로 시추를 통해 지층 구성을 알 수 있으나, 배출되는 작업수와 슬라임, 굴진속도, SPT 시료 등을 참고하여 작성되는 다소 경험적인 면이 있다. 더욱이 최근 시추장비의 고성능화로 인해 얇은 토사층의 경우 구분이 점점 어려워지고 있는 것이 현실이다. 피에조콘관입시험은 주로 점토층을 대상으로 시행되었으나 최근 모래층 및 실트층으로 사용이 확대되고 있는 실정이다. 연속적인 데이터를 확보할 수 있다는 이점이 있어 흙분류에 적용하기 위한 연구가 많이 진행되었고 다양한 도표가 제안되어 사용되고 있다. 하지만, 국내에서는 이에 대한 검증 없이 적용하고 있는 것이 현실이며, 이에 대한 검증을 바탕으로 국내지반과 현실에 맞는 새로운 흙분류 시스템의 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 국내 17개 지역에서 수행된 피에조콘 관입시험 결과와 채취된 시료들에 대한 흙분류 결과를 데이터베이스화하였고, 피에조콘 결과를 이용하도록 제안된 국 내외 흙분류차트 7종류들의 국내지반에 대한 적용성을 토질 종류별로 검토하였다. 또한 종합적으로 국내지반의 흙분류에 가장 적합한 흙분류차트와 사용 변수들을 도출하였고 선정된 도표의 영역별 설명과 국내 기술자들에게 익숙한 통일분류결과와의 상관성에 대하여 고찰하였다.
Soil profiling is one of the most important work among geotehnical engineering practice. Generally, soil profile is estimated from the observation of soil samples during subsurface exploration but such estimation also includes some experiencing aspects such as flushed water from the borehole, slime ...
Soil profiling is one of the most important work among geotehnical engineering practice. Generally, soil profile is estimated from the observation of soil samples during subsurface exploration but such estimation also includes some experiencing aspects such as flushed water from the borehole, slime colour, boring speed and so on. In addition, since the capacity of hydraulic drill rig is significantly increased, thin layers might be easily missed. So, continuous soil profile is almost impossible over all depth to be bored from conventional subsurface exploration. While CPT or CPTu can serve continuous soil profile information over all depth generally in 5cm interval. Many charts or methods for soil profile from CPT result have been proposed during last several decades over the world. However they have not been verified in local ground condition in Korea. In this research, CPT results and soil classification results based on USCS were compiled from 17 sites over the Korea. Soil classification results by using 7 CPT soil classification charts were compared with those of USCS for the compiled database. Most proper CPT soil classification chart for Korean soil characteristics was evaluated and effective parameters for the soil classification from CPT were discussed. Finally interrelationship between CPT soil classification chart and USCS soil classification was evaluated.
Soil profiling is one of the most important work among geotehnical engineering practice. Generally, soil profile is estimated from the observation of soil samples during subsurface exploration but such estimation also includes some experiencing aspects such as flushed water from the borehole, slime colour, boring speed and so on. In addition, since the capacity of hydraulic drill rig is significantly increased, thin layers might be easily missed. So, continuous soil profile is almost impossible over all depth to be bored from conventional subsurface exploration. While CPT or CPTu can serve continuous soil profile information over all depth generally in 5cm interval. Many charts or methods for soil profile from CPT result have been proposed during last several decades over the world. However they have not been verified in local ground condition in Korea. In this research, CPT results and soil classification results based on USCS were compiled from 17 sites over the Korea. Soil classification results by using 7 CPT soil classification charts were compared with those of USCS for the compiled database. Most proper CPT soil classification chart for Korean soil characteristics was evaluated and effective parameters for the soil classification from CPT were discussed. Finally interrelationship between CPT soil classification chart and USCS soil classification was evaluated.
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문제 정의
이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서 구축된 데이터베이스를 바탕으로 Robertson 등(1986)의 차트와 이선재(1997) 차트를 비교하고 Robertson 등(1986)의 흙분류 영역과 통일분 류법 간의 관계를 도출하고자 한다. 본 연구에서는 판정 성공률이 높은 것으로 평가되는 qt-Bq차트에 대한 상관관계를 도출하였다.
그러나 Robertson 등(1986)의 도표는 이선재(1997) 도표에서 제공하는 통일분류에 의한 흙분류를 제공하지 않아 국내 기술자들에세 유용한 정보제공에 어려움이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서 구축된 데이터베이스를 바탕으로 Robertson 등(1986)의 차트와 이선재(1997) 차트를 비교하고 Robertson 등(1986)의 흙분류 영역과 통일분 류법 간의 관계를 도출하고자 한다. 본 연구에서는 판정 성공률이 높은 것으로 평가되는 qt-Bq차트에 대한 상관관계를 도출하였다.
그러나 국외에서 제안된 방법들에 대한 국내지반의 적용성은 세밀히 평가된 적이 없어 각 도표들에서 제공하는 흙분류 결과에 대한 국내 기술자들의 국내지반에 대한 인식과 상이한 점이 나타나는 등 사용상에 어려움이 있으며 이는 피에조콘시험결과를 이용한 흙분류차트로 국내에서 대표적으로 사용되고 있는 Robertson등(1986)이 개발한 차트 역시 그러하다. 이에 본 연구에서는 국내 17개 현장에서 수행된 피에조콘관입시험 결과를 바탕으로 국내외에서 제안된 7종류의 피에조콘 흙분류차트에 대한 국내 지반의 적용성을 평가하고, 통일분류법과의 연계성을 제시하고자 하였다.
가설 설정
5개국의 20개 현장에서 자료를 수집하였으며, 식 (5)로 정의되는 유효콘저항(qE)을 사용하였다. 굳은 점토 또는 고결점토는 포함되지 않았으며 모래층의 경우 관입간극수압을 정수압으로 가정하여 흙분류 차트를 작성하였다.
제안 방법
17개 국내현장의 5173개 전체 시험결과를 토대로 작성된 데이터베이스를 앞서 기술한 7개의 기존 흙분류 방법에 따라 흙분류를 수행하고 통일분류 결과와 비교하여 분류결과의 성공여부를 판정하였다. 이때 제안된 기존의 차트와 방법 들이 제공하는 흙분류 방식이 서로 다르고 또한 본 연구에서 그룹화한 6개 그룹의 통일분류 결과와도 상이하므로 4.
4) 이선재(1997)가 제안한 차트는 통일분류법을 기준으로 작성되어 차트의 영역을 기준으로 하여 “CH” 토질의 경우 A영역, “CL” 토질의 경우 A, B영역, “MH” 토질의 경우 B영역, “ML” 토질의 경우 B, C영역, “SM”, “SP”, “SPSC”, “SW”는 C, D, E영역으로 평가하였다.
6. 국내 데이터베이스의 통일분류결과와 이선재 차트를 Robertson 등(1986)의 qt-Bq차트와 비교함으로써 Robertson 등(1986) 차트의 흙분류 영역과 통일분류 결과와의 상관 관계를 도출하였다. “Clay”에 해당되는 3번 영역은 주로 “CH” 그리고 보조적으로 “CL” 해당한다.
지반조사의 가장 기본적인 목적은 지층의 종류와 성질을 파악하는 것이라 할 수 있다. 국내 17개 현장에서 수행된 피에조콘관입시험과 채취된 시료에 대한 통일분류법 결과로 부터 5173개의 데이터베이스를 구축하고 국내외에서 제안된 7개의 피에조콘 흙분류차트들로 흙분류를 수행한 뒤 통일분류 결과와 비교함으로써 각 방법의 국내지반 적용성을 평가하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
대표 토질이 “CH”와 “CL”을 “HPC”로, “MH” 와 “ML”을 “HPM”로 “SM”, “SP”, “SP-SC”, “SW”를 “HPS”로 분류하는 경우를 성공한 것으로 평가하였다.
피에조콘 관입시험은 그림 7과 같이 국내 17개 현장의 퇴적층을 대상으로 수행되었다. 동일한 위치에서 시추조사와 특정심도에서 토질에 따라 자연시료 및 SPT시료를 채취하였고, 시료를 추출하여 물리시험 및 역학시험을 실시하였다. 피에조콘 관입시험은 관입시 5cm~10cm 간격으로 데이터를 취득하였으며, 자연시료와 SPT시료의 채취심도와 일치하는 심도의 데이터만을 대상으로 총 5173개의 데이터베이스를 구축하였다.
미서부지역에서 수행된 콘관입시험 결과를 통일분류법에 근거하여 지층 구분을 시도하였다. 그러나, “MH”로 분류되는 토질은 고려되지 않았으며 각 토질영역이 겹쳐지는 특징이 있다.
선정된 대표 흙종류가 “CH” “CL” “Clayey”로, “MH” “ML” “Silty”, “SM”, “SP”, “SPSC”, “SW” “Sandy” 분류하는 경우를 성공한 것으로 평가 하였다.
17개 국내현장의 5173개 전체 시험결과를 토대로 작성된 데이터베이스를 앞서 기술한 7개의 기존 흙분류 방법에 따라 흙분류를 수행하고 통일분류 결과와 비교하여 분류결과의 성공여부를 판정하였다. 이때 제안된 기존의 차트와 방법 들이 제공하는 흙분류 방식이 서로 다르고 또한 본 연구에서 그룹화한 6개 그룹의 통일분류 결과와도 상이하므로 4.1 절과 같이 유사한 그룹들을 통합하여 평가하였다.
대상 데이터
Eslami와 Fellenius(1997)는 말뚝설계에 피에조콘관입시험 데이터를 적용할 목적으로 흙분류 차트를 개발하였다. 5개국의 20개 현장에서 자료를 수집하였으며, 식 (5)로 정의되는 유효콘저항(qE)을 사용하였다. 굳은 점토 또는 고결점토는 포함되지 않았으며 모래층의 경우 관입간극수압을 정수압으로 가정하여 흙분류 차트를 작성하였다.
7) Zhang과 Tumay(1999)의 Fuzzy분류법 역시 “HPC”, “HPM” “HPS” 3개 영역에 소속될 멤버쉽함수 값을 계산하고 가장 큰 멤버쉽함수값을 제공하는 토질을 대표 토질로 선정하였다.
동일한 위치에서 시추조사와 특정심도에서 토질에 따라 자연시료 및 SPT시료를 채취하였고, 시료를 추출하여 물리시험 및 역학시험을 실시하였다. 피에조콘 관입시험은 관입시 5cm~10cm 간격으로 데이터를 취득하였으며, 자연시료와 SPT시료의 채취심도와 일치하는 심도의 데이터만을 대상으로 총 5173개의 데이터베이스를 구축하였다. 또한 데이터베이스의 신뢰성을 확보하기 위하여 동일한 심도라 하더라도 시추결과와 피에조콘 관입시험 결과를 비교하여 지층의 변화가 심해 데이터의 일관성이 나타나지 않는 경우 자료에서 제외하였다.
피에조콘 관입시험은 그림 7과 같이 국내 17개 현장의 퇴적층을 대상으로 수행되었다. 동일한 위치에서 시추조사와 특정심도에서 토질에 따라 자연시료 및 SPT시료를 채취하였고, 시료를 추출하여 물리시험 및 역학시험을 실시하였다.
데이터처리
이상의 평가방법을 적용한 결과는 그림 8~그림 11과 같다. 평가는 4.1절의 평가방법을 기준으로 하며 입력 토질에 대한각 분류법의 성공자료수를 해당 토질 전체 자료 수 기준의 백분율로 표기하는 성공률(success rate, %)로 나타내었다.
이론/모형
확률론적 영역추정법은 Douglas와 Olsen(1981)이 제안한 차트를 기반으로 원추관입저항력과 마찰비에 근거해 식 (6)과 같이 정의되는 흙분류지수(U)와 그림 6의 확률함수를 이용하여 “Clayey”, “Silty”, “Sandy” 의 세 영역에 포함될 확률을 계산한다.
성능/효과
“CL” 토질의 경우는 “CL-CH & ML”, “ML” 토질그룹의 경우는 “CL-CH & ML”과 “SM-SP & ML” 영역, “SM” 및 “SP-SC” 토질과, “SP-SC” 및 “SW”는 “SM & SP”영역 내에 표시되는 경우를 성공한 것으로 간주하였다.
“SM”, “SP-SC” 토질과 “SP”, “SW” 토질의 경우 전체적으로 대부분의 방법들이 고르게 높은 성공률을 보였으며 특히 간극수압비 Bq를 사용한 이선재 차트의 성공률이 가장 높은 것으로 나타났다.
1) “Sensitive fine grained” “Organic material”에 해당하는 1, 2번 영역과 “Gravelly sand to sand”인 10번, “Very stiff fine grained”인 11번, “Sand to Calyey sand(overconsolidated or cemented)”인 12번 영역은 국내지반에서 구축된 데이터베이스를 대입 결과, 데이터가 극히 일부만 분포하여 상관관계를 도출하기 어렵다.
1. 전체 데이터베이스에 대한 국내외에서 제안된 7개 흙분류 차트 또는 방법의 평가결과, 입력변수 중 원추관입저항력과 슬리브마찰력(fs) 또는 마찰비(Rf)만을 채택하고 있는 차트들보다는 간극수압비 Bq를 사용하는 Robertson 등 (1986)과 이선재(1997)의 qt-Bq차트, 그리고 Qt-Bq-Rf 관계를 동시에 이용하는 Jeffereies의 차트가 성공률이 높게 나타났다.
2) “Clay”에 해당되는 3번 영역은 “CH” 토질의 약 97(%), “CL” 토질의 약 70%가 대응한다.
2. 국내 지반에 대한 피에조콘 흙분류의 성공여부는 실트질 지반에 대한 분류 성공여부가 가장 중요한 요소이며 이러한 이유로 간극수압비를 Bq를 이용한 분류가 마찰비를 이용한 경우보다 효과적인 것으로 판단된다. 따라서 국내에서 마찰비 Rf 를 사용하는 차트와 Bq를 사용하는 차트의 흙분류가 상이할 경우 간극수압비 Bq를 사용하는 차트의 분류결과가 우선적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.
3) “Stiff clay to clay”인 4번과 “Calyey silt to silty clay”인 5번 영역의 경우 “CL” 토질이 약 11%, “MH” 토질이 약 88%, “ML” 토질이 31.0% 정도 대응된다.
3. 국내지반의 자료를 바탕으로 제안된 이선재(1997)의 차트는 국내 데이터베이스에 대하여 일관성있게 높은 성공률을 나타냈다. 그러나 제안된 흙분류 평가 영역 외부에 존재하는 데이터가 다른 방법들에 비해 상대적으로 많아 이에 대한 차트의 보완 또는 수정이 필요할 것으로 판단된다.
5) “Sand to silty sand”인 8번과 “Sand”인 9번 영역은 “SM, SP-SC” 토질이 62.8%, “SP, SW” 토질이 67.4%로 사질토 영역으로 평가된다.
를 추가적으로 사용하는 차트들에 비해 성공률이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 동일한 연구자가 제안한 차트 내에서도 공통적으로 나타났으며 그림 11에 나타낸 바와 같이 성공률이 전체적으로 우수한 방법 3가지를 보면 이선재(1997), Robertson 등(1986), 그리고 Jefferies와 Davis(1991)가 제안한 차트들이며 이들 차트 중에서도 간극수압비 Bq를 이용한 qt-Bq차트가 qt-Rf 차트에 비해 성공률이 높은 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 Bq를변수로 이용하는 차트의 성공률이 높은 이유는 “MH”와 “ML” 그룹에 대한 성공률의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
또한 qc-Rf 관계에 근거한 Tumay교수의 확률 및 퍼지 분류법은 비배수 상태인 점토질과 완전 배수 상태인 모래질에서는 비교적 높은 판정성공률을 보이나 부분배수 상태일 것으로 판단되는 실트질(“MH”, “ML”) 에서의 성공률이 낮은 것을 알 수 있어 간극수압비를 고려 한 새로운 퍼지 및 확률 분류법의 개발이 필요하다. 이상에서 국내 지반에 대한 피에조콘 흙분류의 성공여부는 실트질 지반의 분류 성공여부가 가장 중요한 요소이며 이를 위해서는 간극수압 비 Bq를 이용한 분류법들이 보다 효과적인 것으로 판단된다. 따라서 국내에서 마찰비 Rf를 사용하는 차트와 Bq를 사용하는 차트의 흙분류가 상이할 경우 간극수압비 Bq를 사용하는 차트의 분류결과가 우선적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.
전체 데이터베이스에 대한 국내외 7개 흙분류 차트 또는 방법의 평가결과, 입력변수 중 원추관입저항력과 슬리브마찰력(fs) 또는 마찰비(Rf)만을 채택하고 있는 차트 또는 방법의 경우 간극수압비 Bq를 추가적으로 사용하는 차트들에 비해 성공률이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 동일한 연구자가 제안한 차트 내에서도 공통적으로 나타났으며 그림 11에 나타낸 바와 같이 성공률이 전체적으로 우수한 방법 3가지를 보면 이선재(1997), Robertson 등(1986), 그리고 Jefferies와 Davis(1991)가 제안한 차트들이며 이들 차트 중에서도 간극수압비 Bq를 이용한 qt-Bq차트가 qt-Rf 차트에 비해 성공률이 높은 것을 확인할 수 있다.
후속연구
국내지반의 자료를 바탕으로 제안된 이선재(1997)의 차트는 국내 데이터베이스에 대하여 일관성있게 높은 성공률을 나타냈다. 그러나 제안된 흙분류 평가 영역 외부에 존재하는 데이터가 다른 방법들에 비해 상대적으로 많아 이에 대한 차트의 보완 또는 수정이 필요할 것으로 판단된다.
한편 이 차트를 바탕으로 개발된 Zhang 과 Tumay(1999)의 확률적 방법 그리고 퍼지방법은 비배수 상태인 점토질 흙과 완전배수 상태인 모래질 흙에서는 비교적 높은 판정성공률을 보이나 부분배수 상태인 실트질(“MH”, “ML”)에서의 성공률이 현저히 낮은 것을 알 수 있어 간극수압비를 고려한 새로운 퍼지 및 확률분류법의 개발이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
간극수압의 측정이 가능한 피에조콘이 개발된 배경은 무엇인가?
콘관입시험 결과를 이용한 흙분류는 Begemann(1965)을시작으로 주로 다양한 형태의 차트 형식으로 개발되었으며, 이후 장비의 지속적인 개량으로 전기식콘이 개발되었고 간극수압의 측정이 가능한 피에조콘이 개발되었다. 전기식콘으로 개발된 차트는 Douglas와 Olsen(1981)을 시작으로 다양한 방법들이 개발되었다.
Douglas와 Olsen(1981)이 제안한 전기식콘으로 개발된 차트는 무엇을 근거하여 지층 구분을 시도하였는가?
미서부지역에서 수행된 콘관입시험 결과를 통일분류법에 근거하여 지층 구분을 시도하였다. 그러나, “MH”로 분류되는 토질은 고려되지 않았으며 각 토질영역이 겹쳐지는 특징이 있다.
피에조콘관입시험의 장점은 무엇인가?
반면, 피에조콘관입시험은 일정간격으로 데이터를 취득하여 연속성이 확보된다는 장점이 있어서 활용가치가 높다고할 수 있으며, 이를 흙분류에 적용하려는 연구가 국내·외에서 많이 수행되었다. 국외에서는 Begemann(1965)의 연구를 시작으로 Douglas와 Olsen(1981), Robertson등(1986, 1990), Jefferies와 Davis(1991), Eslami와 Fellenius(1997), Zhang과 Tumay(1999) 등이 다양한 차트 또는 방법들을 개발하였으며 국내에서는 이선재(1997)의 연구가 거의 유일하다.
참고문헌 (9)
이선재(1997) 피에조콘을 이용한 국내 지반의 공학적 특성 연구. 공학박사학위논문, 서울대학교
Begemann, H.K.S. Ph. (1965) The friction jacket cone as an aid in determining the soil profile. Proceedings of the 6th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Montreal, Vol. 1, pp. 17-20
Douglas, B.j. and Olsen, R.S. (1981) Soil classification using electric cone penetrometer. Cone Penetration testing and Experience. Proceedings of the ASCE National Convention, St. Louis, pp. 209-217, American Society Engineers
Eslami, A. and Fellenius, B.H. (1997). Pile capacity by direct CPT and CPTU methods applied to 102 case histories. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 34, pp. 886-904
Jefferies, M.G. and Davies, M.P. (1991) Soil classification by the cone penetration test: Discussion. Canadian Geotechnical Journal, Vol. 28, No. 1, pp. 173-176
Robertson, P.K. Campanella, R.G., Gillespie, D. and Greig, J. (1986) Use of pizometer cone data. Proceedings of the ASCE Specialty Conference In Situ '86: Use of In Situ Tests in Geotechnical Engineering, Blacksburg, pp. 1263-1280, American Society of Engineers
Tumay, M.T. and Farsakh (2008) From Theory to Implementation of a CPT-Based Probabilistic and Fuzzy Soil Classification. KGS spring national conference, 초청강연 II-1-초청강연II-18
Zhang, Z. and Tumay, M.T. (1999) Statistical to fuzzy approach toward CPT soil Classification. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 125, No. 3, pp. 179-186
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