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문제 정의
- 본 논문에서는 RAPP를 비롯한 각종 다짐말뚝공법 (SCP와 GCP)에 대하여 원지반의 구속압에 기인한 다짐말뚝으로의 점토혼입현상이 개량된 지반의 압밀촉진효과에 미치는 영향을 파악하기 위하여 일련의 실내모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 모형지반의 압밀도를 50%, 100%의 상태로 원지반을 모사하였으며 다짐말뚝을 조성한 복합지반에 대해서는 심도 5m에 상응하는 구속압을 적용하였다.
- 본 논문에서는 순환골재 다공질 콘크리트말뚝(Recycled- Aggregate Porous Concrete Pile, RAPP)을 비롯한 각종 다짐말뚝공법(SCP와 GCP)에 대하여 원지반의 구속압에기인한 다짐말뚝으로의 점토혼입현상을 파악하기 위하여 일련의 실내모형실험을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 모형실험에서는 모형지반의 압밀도를 50%, 100%의 상태로 원지반을 모사하였으며 다짐말뚝을 조성한 복합지반에 대해서는 심도 5m에 상응하는 구속압을 적용하였다. 또한 각각의 다짐말뚝으로의 점토 혼입량은 포화된 다짐말뚝으로부터의 배수량을 측정하여 추정하였다. 모형실험 결과를 통하여 다짐말뚝의 종류에 따라 원지반의 압밀 진행 상태에 따라서 연직배수기능을 담당하는 다짐말뚝의 통수 단면적이 변화하는 경향을 분석하였다.
- 예비압밀의 종료 시점은 일차압밀 침하가 끝나는 시점으로 결정하였고, 침하량은 LVDT를 사용하여 계측하였다. 또한 압밀이 종료된 후 시료의 높이를 80mm로 조성하기 위해 시료 상부를 줄톱으로 커팅하였다. 예비압밀 후 함수비는 약 60% 였으며, 조성된 지반의 중심에 직경 150mm의 케이싱을 실시하여 생성된 원형의 구멍에 미리 준비된 말뚝 재료를 각각의 다짐말뚝에 대하여 동일한 소정의 다짐에너지로 균질하게 다져 넣어 복합지반을 제작하였다.
- 여기서 점토 혼입량은 본 모형실험에서 측정한 다짐말뚝으로부터의 배수량과 그 양이 동일하다는 조건으로 산정하였다. 또한 점토 혼입율(%)은 다짐말뚝의 전체 체적에 대한 점토 혼입량의 비율로 계산하였다. 그림에서 알수 있듯이, 압밀도가 100%인 지반에서는 약 2%이하의 낮은 점토 혼입율을 보였으며, 압밀도 50%인 지반에서는 압밀도 100%인 지반에 비해 상대적으로 높은 점토 혼입율을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 실험에 사용된 원형 내부 토조는 내경 280mm, 내부심도 100mm 이며 측면에 직경 10mm의 구멍을 다수 만들어 압력 공급 장치(콤프레셔)로부터 외부 토조(내경 480mm, 내부심도 520mm)에 채워진 물로 전해지는 압력이 내부 토조 내의 점토 시료에 구속압으로 균등하게 전달될 수 있도록 하였다. 또한, 콤프레셔와 외부 토조(압력셀) 사이에 압력 조절 장치를 설치함으로써 콤프레셔로부터 공급되는 압력이 외부 토조를 통해 내부 토조의 점토 시료에 소정의 구속압으로 제어되며 전달될 수 있도록 하였다. 한편 모형실험에서는 점토 시료에 가해진 구속압에 의해 점토 시료의 중앙에 설치된 다짐말뚝의 간극으로 점토가 혼입되게 되는데 이때 혼입된 점토의 체적만큼 미리 포화시킨 다짐말뚝으로부터 물이 배수되게 된다.
- 또한 각각의 다짐말뚝으로의 점토 혼입량은 포화된 다짐말뚝으로부터의 배수량을 측정하여 추정하였다. 모형실험 결과를 통하여 다짐말뚝의 종류에 따라 원지반의 압밀 진행 상태에 따라서 연직배수기능을 담당하는 다짐말뚝의 통수 단면적이 변화하는 경향을 분석하였다.
- 본 논문에서는 RAPP를 비롯한 각종 다짐말뚝공법 (SCP와 GCP)에 대하여 원지반의 구속압에 기인한 다짐말뚝으로의 점토혼입현상이 개량된 지반의 압밀촉진효과에 미치는 영향을 파악하기 위하여 일련의 실내모형실험을 수행하였다. 모형실험에서는 모형지반의 압밀도를 50%, 100%의 상태로 원지반을 모사하였으며 다짐말뚝을 조성한 복합지반에 대해서는 심도 5m에 상응하는 구속압을 적용하였다. 또한 각각의 다짐말뚝으로의 점토 혼입량은 포화된 다짐말뚝으로부터의 배수량을 측정하여 추정하였다.
- 본 모형실험에서는 원지반의 압밀 진행 상태에 따른 다짐말뚝의 종류 별 점토 혼입 양상을 비교·분석하기 위하여 각기 다른 세 가지 종류의 말뚝(SCP, GCP, RAPP)에 대하여 심도 5m에 상응하는 지중응력 상태를 갖는 모형지반을 각기 다른 압밀도(50%, 100%)로 조성한 후 실험을 수행 하였다.
- 본 연구에서 수행한 모형실험에서는 다음의 순서에 의해 모형지반을 제작하였다. 우선, 이물질 제거를 위해 눈금 4.
- 그림 6은 모형실험결과로부터 추정한 다짐말뚝으로의 점토 혼입량을 원지반 압밀도에 따라 그 변화를 정리한 것이다. 여기서 점토 혼입량은 본 모형실험에서 측정한 다짐말뚝으로부터의 배수량과 그 양이 동일하다는 조건으로 산정하였다. 또한 점토 혼입율(%)은 다짐말뚝의 전체 체적에 대한 점토 혼입량의 비율로 계산하였다.
- 또한 압밀이 종료된 후 시료의 높이를 80mm로 조성하기 위해 시료 상부를 줄톱으로 커팅하였다. 예비압밀 후 함수비는 약 60% 였으며, 조성된 지반의 중심에 직경 150mm의 케이싱을 실시하여 생성된 원형의 구멍에 미리 준비된 말뚝 재료를 각각의 다짐말뚝에 대하여 동일한 소정의 다짐에너지로 균질하게 다져 넣어 복합지반을 제작하였다. 점토가 말뚝 간극으로 혼입되는 양을 측정하기 위해 말뚝은 물로 포화시킨 후 실험을 진행하였다.
- 이후, 재하판과 재하추, 하중 전달 장치를 사용하여 점토가 5m 심도에 상응하는 응력상태와 압밀도를 나타내도록 압력을 가하여 예비압밀을 실시하였다. 예비압밀의 종료 시점은 일차압밀 침하가 끝나는 시점으로 결정하였고, 침하량은 LVDT를 사용하여 계측하였다. 또한 압밀이 종료된 후 시료의 높이를 80mm로 조성하기 위해 시료 상부를 줄톱으로 커팅하였다.
- 본 연구에서 수행한 모형실험에서는 다음의 순서에 의해 모형지반을 제작하였다. 우선, 이물질 제거를 위해 눈금 4.76mm의 체로 체가름을 실시한 자연 점토를 약 90%의 함수비로 반죽하고 멤브레인과 멤브레인 고정용 받침대가 설치된 내부토조와 예비압밀용 토조를 상하로 결합 시켜 토조 내에 120mm 높이가 되도록 충진 하였다. 이후, 재하판과 재하추, 하중 전달 장치를 사용하여 점토가 5m 심도에 상응하는 응력상태와 압밀도를 나타내도록 압력을 가하여 예비압밀을 실시하였다.
- 76mm의 체로 체가름을 실시한 자연 점토를 약 90%의 함수비로 반죽하고 멤브레인과 멤브레인 고정용 받침대가 설치된 내부토조와 예비압밀용 토조를 상하로 결합 시켜 토조 내에 120mm 높이가 되도록 충진 하였다. 이후, 재하판과 재하추, 하중 전달 장치를 사용하여 점토가 5m 심도에 상응하는 응력상태와 압밀도를 나타내도록 압력을 가하여 예비압밀을 실시하였다. 예비압밀의 종료 시점은 일차압밀 침하가 끝나는 시점으로 결정하였고, 침하량은 LVDT를 사용하여 계측하였다.
- 예비압밀 후 함수비는 약 60% 였으며, 조성된 지반의 중심에 직경 150mm의 케이싱을 실시하여 생성된 원형의 구멍에 미리 준비된 말뚝 재료를 각각의 다짐말뚝에 대하여 동일한 소정의 다짐에너지로 균질하게 다져 넣어 복합지반을 제작하였다. 점토가 말뚝 간극으로 혼입되는 양을 측정하기 위해 말뚝은 물로 포화시킨 후 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 다짐말뚝은 SCP, GCP, RAPP의 총 세 가지로 하였으며, 예비압밀로 조성된 점토 중앙에 직경 150mm의 케이싱을 관입하여 말뚝을 타설하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 수행한 모형실험에서는 광양지역에서 채취한 점토를 사용하였으며 그 물리적 특성은 표 1에 나타낸 바와 같다. 또한 다짐말뚝 제작에 사용된 재료는 선행연구(유승경, 2009)에서와 동일한 물리적 특성을 갖는 모래와 순환골재를 사용하였으며 특히 GCP 제작에는 RAPP 제작에 사용한 순환골재를 사용하였다. 그림 3은 모형실험에 사용된 점토와 모래, 순환골재의 입도분포 곡선을 나타내고 있다.
- 본 연구에서 수행한 모형실험에서는 광양지역에서 채취한 점토를 사용하였으며 그 물리적 특성은 표 1에 나타낸 바와 같다. 또한 다짐말뚝 제작에 사용된 재료는 선행연구(유승경, 2009)에서와 동일한 물리적 특성을 갖는 모래와 순환골재를 사용하였으며 특히 GCP 제작에는 RAPP 제작에 사용한 순환골재를 사용하였다.
- 점토가 말뚝 간극으로 혼입되는 양을 측정하기 위해 말뚝은 물로 포화시킨 후 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 다짐말뚝은 SCP, GCP, RAPP의 총 세 가지로 하였으며, 예비압밀로 조성된 점토 중앙에 직경 150mm의 케이싱을 관입하여 말뚝을 타설하였다. 말뚝의 높이는 80mm이며, 조성된 지반에 대한 말뚝의 치환율은 29%이다.
- 그림 1과 그림 2는 각각 본 연구에서 사용한 실내 모형 실험 장치의 모습과 그 상세도를 나타내고 있다. 실험에 사용된 원형 내부 토조는 내경 280mm, 내부심도 100mm 이며 측면에 직경 10mm의 구멍을 다수 만들어 압력 공급 장치(콤프레셔)로부터 외부 토조(내경 480mm, 내부심도 520mm)에 채워진 물로 전해지는 압력이 내부 토조 내의 점토 시료에 구속압으로 균등하게 전달될 수 있도록 하였다. 또한, 콤프레셔와 외부 토조(압력셀) 사이에 압력 조절 장치를 설치함으로써 콤프레셔로부터 공급되는 압력이 외부 토조를 통해 내부 토조의 점토 시료에 소정의 구속압으로 제어되며 전달될 수 있도록 하였다.
성능/효과
- (1) 압밀도 100%인 지반에서는 심도 5m에 작용하는 구속 압에 의한 점토의 혼입 현상은 거의 발생하지 않았으며, 압밀도 50%인 지반에서는 말뚝으로의 혼입현상이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 말뚝별로 점토의 혼입율을 살펴보면 GCP, RAPP, SCP의 순으로 크게 나타난 것을 알 수 있었으며 각각의 다짐말뚝에 대하여 원지반의 압밀도가 낮아질수록 말뚝에 혼입되는 점토의 양은 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 사실로부터 원지반의 압밀이 진행 중인 상태이거나 상대적으로 큰 간극비를 갖는 다짐말뚝에서 구속압에 의한 점토혼입이 현저하게 나타남을 알 수 있었다.
- (3) 본 모형실험 결과에 의해 구속압에 의한 점토의 혼입으로 인해 각각의 다짐말뚝은 초기에 비해 치환율이 감소됨을 알 수 있었다. 이는 배수 기능을 가지는 통수단면적이 줄어들게 됨을 의미하며 따라서 원지반의 압밀 상태 및 다짐말뚝의 종류에 따라 연직배수에 의한 압밀촉진 지연 효과를 정량적으로 판단하여 설계에 반영하여야 할 것으로 판단된다.
- 그림 5는 모형지반에 대한 구속압 적용 후 시간에 따른 다짐말뚝으로부터의 배수량 변화를 나타내고 있다. 다짐말뚝의 종류와 원지반의 압밀 상태에 관계없이 다짐말뚝으로부터의 배수량은 약 10분 정도까지 급격하게 증가하였으며 그 이후에는 배수가 발생되지 않고 정상상태를 유지하고 있음을 알 수 있다. 따라서 현장에서의 구속압에 의한 점토 혼입 현상은 다짐말뚝의 타설 직후에 발생되며그 이후에는 더 이상 진행되지 않는다고 판단할 수 있다.
- 그림에서 보는 바와 같이 치환율은 점토의 혼입율에 따라 감소하는 것을 알 수 있으며 압밀도 100%인 지반에 비해 압밀도 50%인 지반에서 다소 큰 폭의 치환율 감소가 발생한 것을 알 수 있다. 또한 치환율 변화의 크기는 GCP, RAPP, SCP의 순으로 크게 나타났다. 이는 원지반의 압밀이 진행 중인 상태이거나 상대적으로 큰 간극비를 갖는 다짐말뚝에서 구속압에 의한 점토혼입이 현저하게 나타남을 의미하며 이러한 사실에 따라 원지반의 압밀 상태 및 다짐말뚝의 종류에 따라 연직배수에 의한 압밀촉진 지연 효과를 정량적으로 판단하여 설계에 반영하여야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 수행한 모형실험의 결과로부터 원지반 구속압에 따른 다짐말뚝으로의 점토혼입양상이 발생된다는 사실을 확인하였다. 그러나 전반적인 양상의 규명을 위해서는 원지반의 심도와 압밀정도에 대한 다양한 조건에서의 추가적인 연구가 필요하며 필자는 추후 연구에 반영하여 수행할 계획이다.
- (2) 말뚝별로 점토의 혼입율을 살펴보면 GCP, RAPP, SCP의 순으로 크게 나타난 것을 알 수 있었으며 각각의 다짐말뚝에 대하여 원지반의 압밀도가 낮아질수록 말뚝에 혼입되는 점토의 양은 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 사실로부터 원지반의 압밀이 진행 중인 상태이거나 상대적으로 큰 간극비를 갖는 다짐말뚝에서 구속압에 의한 점토혼입이 현저하게 나타남을 알 수 있었다.
- 따라서 현장에서의 구속압에 의한 점토 혼입 현상은 다짐말뚝의 타설 직후에 발생되며그 이후에는 더 이상 진행되지 않는다고 판단할 수 있다. 한편, 각각의 다짐말뚝에 대하여 원지반의 압밀도가 50%인 경우에서 가장 많은 배수량이 관측되었으며 압밀도가 증가할수록 배수량은 적게 나타남을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서 수행한 모형실험의 결과로부터 원지반 구속압에 따른 다짐말뚝으로의 점토혼입양상이 발생된다는 사실을 확인하였다. 그러나 전반적인 양상의 규명을 위해서는 원지반의 심도와 압밀정도에 대한 다양한 조건에서의 추가적인 연구가 필요하며 필자는 추후 연구에 반영하여 수행할 계획이다.
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