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문제 정의
- 소성지수의 경우 응력상태를 고려하지 못하며, 강성지수는 산정을 위하여 특수한 추가시험이 필요하므로 사용이 어렵다. 반면 간극수압비는 추가시험 없이 CPTu 결과만을 이용해 쉽게 산정할 수 있으므로 본 연구에서는 토질특성을 고려하기 위하여 간극 수압 비와 콘 계수들과의 관계를 분석하였다. 이를 위해 낙동강하구에 위치한 부산신항과 녹산지역에서 CPTu 및 현장 베인 시험을 실시하였으며, 시료를 채취하여 기본 토성 시험 및 CK0U 삼축압축시험을 실시하였다.
- 본 연구는 CPTu를 통한 부산지역 점토의 비 배수 전단 강도 추정법에 관한 내용으로 부산신항 및 녹산지 역에서 CKoU 삼축압축, 베인전단 및 CPTu 시험을 실시하고 결과를 분석하여 3가지 콘계수를 산정하였다. 그리고 지반 특성이 콘계수에 미치는 영향을 파악하기 위하여 소 성지 수 및 간극수압비와 콘계수의 관계를 파악하고 간극 수압 비를 이용한 콘계수 추정밥법을 제안하였다.
- 비배수전단강도를 산정하는 방법으로는 베인전단시험, 삼축압축시험, 단순 전단시험 등을 통한 직접적인 측정법과 CPT, DMT등의 현장시험을 통한 간접적인 추정법이 있다. 본 연구는 피에조 콘 관입시험(CPTu)을 이용한 비배수전단강도 추정에 관한 것으로 다양한 시험을 통하여 부산지역 점토에 적합한 콘계수 추정방법에 대하여 연구하였다. CPT를 이용하여 비배수전단강도를 추정하는 것은 빠르고 경제적이지만 지반에 직접적인 전단변형을 일으켜 측정하는 것이 아니라 지반의 복합적 거동에 영향을 받는 콘 저항치(%)로 부터 간접적으로 추정하므로, 다양한 영향을 고려할 수 있는 추정식을 개발하는 것이 중요하다.
- 콘 관입시험을 이용하여 비배수전단강도를 추정하는데 중요한 것은 콘계수의 결정이다. 본 연구에서는 비 배수 전단 강도 측정 시 많이 사용되는 삼축압축시험과 베인전단시험을 실시하여 부산지역 점토의 비 배수 전단 강도를 측정하였으며, 동일한 위치에서 수행한 CPTu 결과와 비교하여 부산점토의 삼축압축 및 베인 전단 강도 콘계수 추정방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
- (2) CPTu 결괴를 삼축압축 및 베인 시험결과와 비교하여 콘계수를 산정하였다. 삼축 비배수전단강도 추정을 위한 Nkt와 Nke 그리고 Ng는 각각 7-20, 3 — 18, 4-9로 나타났으며, 베인 비배수전단강도를 추정하기 위한 Nkt와 Nke 그리고 Nau는 각각 13 — 35, 10-30, 5—13으로 나타났다.
- Chan이 개발한 자동화 삼축시험기를 이용하여 CKoU 삼축 압축시험으로 측정되었다. CKoU 삼축 압축 시험은 시료를 포화시키고 현장 연직유효응력까지 응력을 증가시키면서 Ko 상태로 압밀을 실시한 후 0.05%/min의 변형률 속도로 비배수 전단을 실시하였다. 현장 베인 시험은 베인 날개 폭 5cm, 날개길이 10cm인 자동화 베인 장비를 이용하여 67mine 회전속도로 시험을 실시하였다.
- 2개의 시험 위치는 40m 떨어져 있으며 동일 위치에서 각각의 시험과 시료채취는 3m 정도의 간격을 두고 실시하였다. CPTu는 심도 50m 까지, 베인 전단시험은 심도 36m 까지 실시하였으며, 시료는 심도 41m 까지 채취하여 2.5m 간격으로 삼축압축 및 기본 물성시험을 실시하였다 녹산지역은 원지반에 3m 정도의 자가 모래 매립을 한 지역으로 CPTu는 심도 18m~30tn에서 수행을 하였으며 심도 20m~30m까지 시료를 채취하여 2m 간격으로 삼축압축 및 기본 물성시험을 수행하였다.
- 그리고 지반 특성이 콘계수에 미치는 영향을 파악하기 위하여 소 성지 수 및 간극수압비와 콘계수의 관계를 파악하고 간극 수압 비를 이용한 콘계수 추정밥법을 제안하였다.
- 즉, Nkt 와 Nke는 간극수압비가 증가함에 따라 감소율이 크고 경향성이 뚜렷하기 때문에, 제안된 식은 비배수 전단 강도를 정확히 추정할 수 있지만, 간극수압비와의 경향성을 무시하고 일정한 값으로 비배수 전단강도를 추정할 경우 큰 오차가 발생하게 된다. 또한 일정한 콘 계수를 사용하여 비배수전단강도를 추정할 경우, 전응력 콘 저항 추정법과 유효응력 콘 저항 추정법은 낮은 비 배수 전단 강도에서 비배수전단강도를 과대평가하며, 높은 비 배수 전단 강도에서는 과소평가하였다. 반면, 제안된 콘계 수를 이용하여 비배수전단강도를 추정할 경우, 모든 범위에서 유사한 오차범위를 가지고 비 배수 전단 강도를 추정할 수 있었다.
- 국내의 경우 일반적으로 콘계 수는 선행연구자들이 제안한 값을 사용하거나, 다른 비 배수 전단 강도 시험들과의 비교를 통해 구한 값으로 일정하게 사용하는 경우가 많다. 본 연구에서는 삼축압축및 베인전단시험 결과와 비교하여 비 배수 전단 강도를 추정하기 위한 콘계수를 산정하였으며, 산정한 콘계 수는 토질특성을 나타내는 소성지수 및 간극 수압 비와의 관계를 분석하였다. 소성지수는 점성토의 점성을 나타내는 지표로 응력상태에 영향을 받지 않는 지반의 고유한 성질이다.
- 시험은 cone probe를 지반에 20mm /sec의 속도로 관입시키며 발생하는 콘 저항력과 간극수압, 마찰력을 측정하였다. 삼축 비배수전단강도(Su(CKU))는 C. K. Chan이 개발한 자동화 삼축시험기를 이용하여 CKoU 삼축 압축시험으로 측정되었다. CKoU 삼축 압축 시험은 시료를 포화시키고 현장 연직유효응력까지 응력을 증가시키면서 Ko 상태로 압밀을 실시한 후 0.
- 시험은 cone probe를 지반에 20mm /sec의 속도로 관입시키며 발생하는 콘 저항력과 간극수압, 마찰력을 측정하였다. 삼축 비배수전단강도(Su(CKU))는 C.
- 베인 전단시험의 표준변형속도는 실제 현장에서 발생하는 전단변형률보다 빠른 속도로 전단변형이 발생하며, 이러한 빠른 변형속도는 viscous rate 효과를 발생시켜 소성이 증가할수록 비 배수 전단 강도가 커지는 현상이 발생한다. 이를 보정하기 위해 다양한 식이 제안되었으며, 본 연구에서는 실무에서 많이 사용되고 있는 Bjerrum(1972)이 제안한 보정계수, 식 ⑺을 사용하여 베인 비배수전단강도를 보정하였다.
- 반면 간극수압비는 추가시험 없이 CPTu 결과만을 이용해 쉽게 산정할 수 있으므로 본 연구에서는 토질특성을 고려하기 위하여 간극 수압 비와 콘 계수들과의 관계를 분석하였다. 이를 위해 낙동강하구에 위치한 부산신항과 녹산지역에서 CPTu 및 현장 베인 시험을 실시하였으며, 시료를 채취하여 기본 토성 시험 및 CK0U 삼축압축시험을 실시하였다.
- 콘 시험을 통한 비배수전단강도 추정방법은 극한지지력 이론, 공동확장이론, 변형률 경로법등의 다양한 이론을 통해 제안되었으며, 대부분의 이론은 비 배수 전단 강도와 콘 저항치의 상관관계를 아래 식 (1)과 같은 형태로 제안하였다.
- 콘계수는 이론적 또는 시험적 방법으로 제안되어 왔는데, 이론적 방법의 경우 콘계수를 주로 강성지수와 연관시켜 제안하였으며, 시험적 방법의 경우 일정한 값으로 제시하거나 소성지수 또는 간극수압비 등과 연관시켜 콘계수를 제안하였다. 국내의 경우 일반적으로 콘계 수는 선행연구자들이 제안한 값을 사용하거나, 다른 비 배수 전단 강도 시험들과의 비교를 통해 구한 값으로 일정하게 사용하는 경우가 많다.
- 05%/min의 변형률 속도로 비배수 전단을 실시하였다. 현장 베인 시험은 베인 날개 폭 5cm, 날개길이 10cm인 자동화 베인 장비를 이용하여 67mine 회전속도로 시험을 실시하였다. 베인전단시험 결과를 이용하여 비배수전단강도를 산정하는 방법은 베인 주변의 전단응력 분포에 따라 다르며, 본 연구에서는 널리 사용되고 있는 식 ⑹을 사용하여 비배 수전단강도를 산정하였다.
대상 데이터
- (1) 본 연구를 수행한 부산지역 시험현장 점토의 주요성분은 XRD 분석결과 illite로 나타났으며, 지반은 정규 압밀 되었다. 삼축압축시험 결과 평균 SU(CKU)/O'v 는 0.
- 본 연구에서는 부산신항 북 컨테이너 현장 및 녹산산업단지 조성현장 지역을 대상으로 시험을 실시하였다. 그림 1은 시험부지 위치로 부산신항 및 녹산현장은 낙동강 하구에 위치한 해안매립지역에 위치하며, 부산신항과 녹산지역의 경위도는 각각 E 128。47, 56", N 35。04, 30"와 E 128。53'28", N 35。06'17” 이다.
- 그림 1은 시험부지 위치로 부산신항 및 녹산현장은 낙동강 하구에 위치한 해안매립지역에 위치하며, 부산신항과 녹산지역의 경위도는 각각 E 128。47, 56", N 35。04, 30"와 E 128。53'28", N 35。06'17” 이다. 부산신항 경우 수심 3m 정도의 바다였으나, 지반 개량을 위해 6m 정도의 모래매립을 한 지반으로 시험부지 내 2개 위치에서 CPTu 및 베인 전단시험을 실시하였으며 74mm 피스톤 샘플러를 이용하여 시료를 채취하였다. 2개의 시험 위치는 40m 떨어져 있으며 동일 위치에서 각각의 시험과 시료채취는 3m 정도의 간격을 두고 실시하였다.
이론/모형
- 현장 베인 시험은 베인 날개 폭 5cm, 날개길이 10cm인 자동화 베인 장비를 이용하여 67mine 회전속도로 시험을 실시하였다. 베인전단시험 결과를 이용하여 비배수전단강도를 산정하는 방법은 베인 주변의 전단응력 분포에 따라 다르며, 본 연구에서는 널리 사용되고 있는 식 ⑹을 사용하여 비배 수전단강도를 산정하였다. 베인 전단시험의 표준변형속도는 실제 현장에서 발생하는 전단변형률보다 빠른 속도로 전단변형이 발생하며, 이러한 빠른 변형속도는 viscous rate 효과를 발생시켜 소성이 증가할수록 비 배수 전단 강도가 커지는 현상이 발생한다.
성능/효과
- (3) 점토의 콘계수와 소성지수의 관계는 불분명하였으나, 콘계수와 간극수압비의 관계는 명확하게 나타났다. 분석결과, 삼축 비배수전단강도 추정을 위한 부산지역 점토의 콘계수와 간극수압비의 관계는 Nkt=23.
- (4) 콘계수의 평균값으로 비배수전단강도를 추정한 경우 과잉간극수압 추정법이 가장 정확하였으며, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 부정확하게 비 배수 전단 강도를 예측하였다. 반면 제안된 식을 이용하여 간극수압비로부터 콘계수를 추정할 경우, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하게 비 배수 전단 강도를 추정하였으며 과잉간극수압 추정법이 가장 부정확하였다.
- 04° 간격으로 스캔범위 5~80。를 2<7min의 속도로 분석하였다. 3개 시료의 분석결과는 거의 일치하였으며, quartz와 illite 계열 광물질인 muscovite, biotite 에서 파장의 강도 (intensity)가 강하게 나타났다. 즉, 부산점토가 quartz 성분의 실트 혹은 모래와 illite 계열의 점토로 이루어져 있다는 것으로 이는 부산점토의 주요성분이 illite라는 Locat and Tanaka(1999)의 주장과 일치한다.
- 卜也와 Nke 그리고 Nz로 추정한 삼축 비배수전단강도의 SD는 각각 18.2%, 15.7%, 21.2%로 나타났으며, 베인 비 배수 전단 강도의 경우, 8.8%, 8.6%, 10.2%로 나타났다. 일정한 콘계수를 사용하여 비배수전단강도를 추정한 경우와는 달리, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하게 비 배수전단강도를 추정 하였으며 과잉간극수압 추정 법이 가장 부정확하였다.
- 1997, 장인성 등 2001, 박영환 등 2007). 그러나 콘계 수는 지역, 응력상태뿐 아니라, 토질과 비 배수 전단 강도에 종류에 영향을 받으므로 종합적인 지반특성을 고려한 콘계수 추정방법을 개발하여야 보다 정확한 비 배수 전단 강도 예측이 가능하다. 토질특성에 따른 콘계 수를 파악하기 위하여 선행연구자들은 소성지수, 강성지수 (Ir), 간극수압비(Bq) 등을 이용하여 콘계수를 추정하였다(Vesic 1972, Baligh 1975, Teh와 Houlsbly 1991, Karlsrud 등, 1996).
- 예측하였다. 반면 제안된 식을 이용하여 간극수압비로부터 콘계수를 추정할 경우, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하게 비 배수 전단 강도를 추정하였으며 과잉간극수압 추정법이 가장 부정확하였다.
- 또한 일정한 콘 계수를 사용하여 비배수전단강도를 추정할 경우, 전응력 콘 저항 추정법과 유효응력 콘 저항 추정법은 낮은 비 배수 전단 강도에서 비배수전단강도를 과대평가하며, 높은 비 배수 전단 강도에서는 과소평가하였다. 반면, 제안된 콘계 수를 이용하여 비배수전단강도를 추정할 경우, 모든 범위에서 유사한 오차범위를 가지고 비 배수 전단 강도를 추정할 수 있었다.
- 5배정도 크기 때문이다 국내 선행연구자들의 결과와 비교하여 보면, 본 연구에서 산정된 베인 콘 계수들은 정성교 등(2003)의 결과보다는 크게 나타났다. 베인 콘계수 중 데이터가 부정확한 심도 30m 이상 지반의 데이터를 제외하면, Nkt와 Nke는 소성지수에 따라 감소하는 경향이 나타났으며, 삼축 콘계수와 마찬가지로 심도에 따라 감소하는 경향도 나타났다. 부산신항 지반은 심도 30m까지는 심도가 증가함에 따라 소성지수가 증가한다.
- 경향이 나타났다. 베인시험 결과 중, 시험 시 여러 오차 요인으로 비배수전단강도가 크게 측정된 것으로 판단된 심도 30m 이상에서의 결과를 제외할 경우, 베인 콘 계수들과 간극수압비의 관계를 나타낸 추세선은 각각 Nkt=40-32Bq, Nke=39-42Bq, Ng=6.2+10Bq로 나타났으며, 결정계수는 각각 0.83, 0.95, 0.기로 삼축 콘 계수 결과에 비하여 높게 나타났다. 즉, 베인 콘계수들은 간극 수압 비와 높은 상관관계를 가지며, 삼축 콘계수와 마찬가지로 간극수압비를 이용하여 추정할 수 있다고 판단된다.
- 본 연구를 통해 콘계수(Nkt, Nke)는 간극수압비와 일정한 관계가 있음을 확인하였으며 이를 통해 부산 점토의 삼축 및 베인 비배수전단강도를 추정할 수 있었다. 특히, 3가지 비배수전단강도 추정법 중에서 유효 응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하였다.
- 33으로 심도에 따라 일정하게 나타났다. 부산신항 지역 베인 시험결과는 30m 이하의 심도에서는 HSucvst火5'/詩 0.22로 일정하게 나티났으며, 30m 이상에서는 모래층등의 영향으로 강도증가비가 크게 나타났다.
- 부산신항 지역의 경우, %와 也는 심도에 따라 일정하게 증가하였으며, 3정규화 콘 저항치(Qt)는 심도 30m 까지 7에서 3 정도로 감소하다 점차 일정해지는 경향이 나타났다. 간극 수압 비(Bq)의 경우 심도에 따라 증가하며 0.
- 분석결과, 삼축 비배수전단강도 추정을 위한 부산지역 점토의 콘계수와 간극수압비의 관계는 Nkt=23.5-18.8Bq, Nkc=19.0-17.5B% Nm=6.7로 나타났으며, 베인 비배수전단강도 추정을 위한 관계는 Nkt=40-32Bq, 糸=39-42禺, N&=6.2+10Bq로 나타났다
- 커지는 것으로 나타났다. 비배수전단강도를 연직유효응력으로 정규화한 강도증가비(Su(CKU)/矶)의 경우 3 ~ 4개 시험결과를 제외하고는 0.31-0.34 정도로 비교적 일정한 값으로 나타났으며, 강도증가비 평균값은 0.33 정도로 나타났다. 이러한 결과는 Jamiolkowski 등(1985) 이 주장한 Su(cku)/o'v=0.
- 시험지반은 이로 분류되었으며, 부산신항지역과 마찬가지로 함수비 및 액.소성은 심도 28m 까지 증가하다 감소하는 양상을 나타났으나, 부산신항과는 다르게 자연함수 비가 액성한계에 비해 약간 작게 나타났다. 압밀 시험 결과 녹산지역의 모래/점토 혼재 층을 제외하고는 두 지역 모두 정규압밀상태로 평가되었다.
- 소성은 심도 28m 까지 증가하다 감소하는 양상을 나타났으나, 부산신항과는 다르게 자연함수 비가 액성한계에 비해 약간 작게 나타났다. 압밀 시험 결과 녹산지역의 모래/점토 혼재 층을 제외하고는 두 지역 모두 정규압밀상태로 평가되었다.
- 31)가 매우 낮게 나타났다. 이상의 결과를 종합하여 보면, 소성지수로부터 삼축 비배수전단강도 추정을 위한 콘계수들을 결정하는 것은 무리가 있다고 판단된다.
- 7±2 정도로 간극수압비와 상관없이 일정하였다. 이상의 결과를 종합하여 보면, 소성지수와는 달리 간극 수압 비는 응력상태에 관계없이 Nkt 및 Nke에 대하여 높은 연관성을 나타내기 때문에, 삼축 콘계수들 중 Nkt와 Nke는간극수압비를 이용하여 추정이 가능하다고 판단된다.
- 2%로 나타났다. 일정한 콘계수를 사용하여 비배수전단강도를 추정한 경우와는 달리, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하게 비 배수전단강도를 추정 하였으며 과잉간극수압 추정 법이 가장 부정확하였다. 제안된 식으로 비 배수 전단 강도를 추정할 경우, 일정한 콘계수로 비배수전단강도를 추정할 경우보다 전응력 콘 저항 추정법과 유효응력 콘 저항 추정법의 SD가 각각 2배, 3배 감소하였다.
- 표 2와 같다. 전단형태에 따라 비 배수 전단 강도가 다르게 나타나므로, 추정할 비배수전단강도에 따라 콘계수와 간극수압비의 관계가 다르게 결정되었다.
- 일정한 콘계수를 사용하여 비배수전단강도를 추정한 경우와는 달리, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하게 비 배수전단강도를 추정 하였으며 과잉간극수압 추정 법이 가장 부정확하였다. 제안된 식으로 비 배수 전단 강도를 추정할 경우, 일정한 콘계수로 비배수전단강도를 추정할 경우보다 전응력 콘 저항 추정법과 유효응력 콘 저항 추정법의 SD가 각각 2배, 3배 감소하였다. 즉, Nkt 와 Nke는 간극수압비가 증가함에 따라 감소율이 크고 경향성이 뚜렷하기 때문에, 제안된 식은 비배수 전단 강도를 정확히 추정할 수 있지만, 간극수압비와의 경향성을 무시하고 일정한 값으로 비배수 전단강도를 추정할 경우 큰 오차가 발생하게 된다.
- 6을 사용하였다 그림의 SD는 추정값과 측정값의 차이를 측정값으로 나눈 값들의 표준편차로 SD가 클수록 오차가 커짐을 의미한다. 콘계수를 일정하게 적용할 경우, 과잉간극수압 추정법이 비배수전단강도를 가장 정확하게 추정하였으며, 유효응력 콘 저항 추정법이 가장 부정확하였다.
- 있었다. 특히, 3가지 비배수전단강도 추정법 중에서 유효 응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하였다. 본 연구의 현장은 정규 압밀 된 지반으로, 응력이력이 콘계수에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위해서는 다양한 응력 이력을 가진 현장지반에서 추가적인 연구가 필요하다.
- 이것은 Nkt와 Nke는 간극수압비에 따라 감소하며, 卜厶는명확한 관계를 나타나지 않는다는 Kalsrud 등(1996)의 결과와 주장과 일치하는 것이다. 회귀분석으로부터 Nkt 및 版와 간극수압비의 관계 각각 Nkt=23.5-18.8Bq와 Nke=19.0-17.5Bq로 추정되 었으며, 결정계수는 각각 0.75 와 0.92로 Nke가 간극수압비와 좀 더 명확한 관계를 나타냈다. 반면 Nz는 0.
후속연구
- 특히, 3가지 비배수전단강도 추정법 중에서 유효 응력 콘 저항 추정법이 가장 정확하였다. 본 연구의 현장은 정규 압밀 된 지반으로, 응력이력이 콘계수에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위해서는 다양한 응력 이력을 가진 현장지반에서 추가적인 연구가 필요하다.
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