본 연구는 콘 관입시험(CTP)과 딜라토미터시험(DMT)을 이용한 부산지역 점토의 최대전단탄성계수 추정($G_{max}$)에 관한 것이다. 이를 위해 부산신항 지역과 녹산지역에서 피에조콘 관입시험(CPT) 및 달라토미터시험(DMT)를 수행하였으며, 비교란 시료를 채취하여 hybrid oedometer 시험을 실시하였다. Oedometer 내벽에 장착된 벤더엘리먼트로 전단파 속도를 측정하여 최대전단탄성계수를 산정하였으며, 이를 바탕으로 부산점토의 최대전단탄성계수와 구속응력, 간극비, 응력이력간의 관계를 파악하였다. 현장시험 및 실내시험을 분석한 결과, $q_t$와 $G_{max}$의 상관계수${\alpha}_G$는 소성지수에 반비례하는 것으로 나타났으며, $E_D$와 $G_{max}$의 상관계수 $R_G$는 ($I/I_D$)$(p_a/{\sigma}'_v)^{0.5}$와 비례관계를 나타냈다. 이러한 관계를 바탕으로 본 연구에서는 CPT와 DMT 시험으로부터 $G_{max}$를 추정하는 방법을 개발하였으며, 제안된 방법은 부산점토의 최대전단탄성계수를 적절하게 예측하는 것으로 관찰되었다.
본 연구는 콘 관입시험(CTP)과 딜라토미터시험(DMT)을 이용한 부산지역 점토의 최대전단탄성계수 추정($G_{max}$)에 관한 것이다. 이를 위해 부산신항 지역과 녹산지역에서 피에조콘 관입시험(CPT) 및 달라토미터시험(DMT)를 수행하였으며, 비교란 시료를 채취하여 hybrid oedometer 시험을 실시하였다. Oedometer 내벽에 장착된 벤더엘리먼트로 전단파 속도를 측정하여 최대전단탄성계수를 산정하였으며, 이를 바탕으로 부산점토의 최대전단탄성계수와 구속응력, 간극비, 응력이력간의 관계를 파악하였다. 현장시험 및 실내시험을 분석한 결과, $q_t$와 $G_{max}$의 상관계수 ${\alpha}_G$는 소성지수에 반비례하는 것으로 나타났으며, $E_D$와 $G_{max}$의 상관계수 $R_G$는 ($I/I_D$)$(p_a/{\sigma}'_v)^{0.5}$와 비례관계를 나타냈다. 이러한 관계를 바탕으로 본 연구에서는 CPT와 DMT 시험으로부터 $G_{max}$를 추정하는 방법을 개발하였으며, 제안된 방법은 부산점토의 최대전단탄성계수를 적절하게 예측하는 것으로 관찰되었다.
The is study is to evaluate the small strain shear modulus ($G_{max}$) of Busan clay using in-situ penetration tests. A series of dilatometer tests (DMT) and piezocone penetration tests (CPTu) are performed at Busan newport and Noksan sites, and hybrid oedometer tests are also carried out...
The is study is to evaluate the small strain shear modulus ($G_{max}$) of Busan clay using in-situ penetration tests. A series of dilatometer tests (DMT) and piezocone penetration tests (CPTu) are performed at Busan newport and Noksan sites, and hybrid oedometer tests are also carried out on the specimens obtained from both sites. The $G_{max}$ is evaluated from the shear wave velocity ($V_s$) measured by the bender elements installed at the boundary of oedometer cell. By analyzing these data, the relationship of $G_{max}$ and state variables, such as confined stress and void ratio, is developed. The analysis of lab and in-situ test results reveals that the ratio of $G_{max}$ to $q_t$ is inversely proportional to the plasticity index while the ratio of $G_{max}$ to $E_D$ has a linear relationship with ($I/I_D$)$(p_a/{\sigma}'_v)^{0.5}$. Two correlations suggested in this study, based on CPT and DMT results, appear to provide reasonable predictions of the small strain shear modulus.
The is study is to evaluate the small strain shear modulus ($G_{max}$) of Busan clay using in-situ penetration tests. A series of dilatometer tests (DMT) and piezocone penetration tests (CPTu) are performed at Busan newport and Noksan sites, and hybrid oedometer tests are also carried out on the specimens obtained from both sites. The $G_{max}$ is evaluated from the shear wave velocity ($V_s$) measured by the bender elements installed at the boundary of oedometer cell. By analyzing these data, the relationship of $G_{max}$ and state variables, such as confined stress and void ratio, is developed. The analysis of lab and in-situ test results reveals that the ratio of $G_{max}$ to $q_t$ is inversely proportional to the plasticity index while the ratio of $G_{max}$ to $E_D$ has a linear relationship with ($I/I_D$)$(p_a/{\sigma}'_v)^{0.5}$. Two correlations suggested in this study, based on CPT and DMT results, appear to provide reasonable predictions of the small strain shear modulus.
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문제 정의
최대전단탄성계수는 미소변형에서의 지반특성으로 일반적인 장비로 측정이 어려우며 공 진주시험 같은 특수한 실내시험에 의하여 측정하거나 다운 홀, 크로스홀 시험 등의 현장 탄성파 시험으로부터 산정할 수 있다. 그러나 이러한 시험들은 특수한 시험 장비나 기술을 필요로 하는 단점이 있어 연구자들은 최대전단탄성계수를 보다 간단하게 추정하는 방법을 연구하였다. 선행 연구자들은 점성토의 최대전단 탄성 계수가 간극비(e°), 구속응력, 응력이력에 영향을 받으며, 이를 이용하여 아래 식(1)과 같이 최대전단탄성계수를 추정할 수 있다고 하였다(Hardin 1978, Vucetic & Dobry 1991).
본 논문은 CPT와 DMT를 이용한 부산점토의 최대전단탄성계수 추정에 관한 것으로, 부산신항과 녹산 지 역점 토에 대하여 CPT, DMT 그리고 hybrid oedometer 시험을 수행하였다. Hybrid oedometer 시험으로부터 최대전단탄성계수를 산정하였으며, CPT 및 DMT 시험 결과를 분석하여 지반특성을 고려한 최대전단탄성계수 추정 방법을 제안하였다.
안전한 시공을 위해 매우 중요한 일이다. 본 연구는 지반의 동적특성을 나타내는 물성치인 최대전단탄성계수 추정에 관한 것으로, 최대전단탄성계수는 항타, 내진해석 등 지반의 동적해석에 반드시 필요한 지반물성치이다. 최대전단탄성계수는 응력-변형률 관계가 선형으로 나타나는 초기 변형률에서의 값으로, 지반의 종류와 응력이력 등에 따라 차이가 나타나나 일반적으로 변형률 10'3% 이하에서의 전단탄성계수이다(Santagata 2008, Myne 2001).
본 연구에서는 %와 Gmax의 상관계수인 C»g를 이용하여 간단하게 최대전단탄성계수를 추정하는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 hybrid oedometer 시험으로 측정한 최대전단탄성계수와 CPT 결과를 비교하여 «0 를 역산하고, 이를 점토의 특성을 나타내는 대표적인 물성치인 소성지수(PI)와 비교하여 보았다.
본 연구에서는 «G 및 Rg와 지반특성과의 관계를 분석하고 이를 바탕으로 CPT 및 DMT를 이용한 부산 점토의 최대전단변형계수 추정방법에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 부산신항과 녹산지역에서 CPT 및 DMT 시험을 수행하였으며, 압밀셀 벽면에 설치한 벤더엘리먼트로 전단파 속도를 측정하여 최대전단탄성계수를 산정하였다.
본 연구에서는 식 (3)을 이용하여 보다 간단한 개념으로 DMT를 이용한 최대전단탄성계수 추정방법을 제안하고자 한다. 식 (3)의 Rg는 중간변형율의 변형계수인 Ed와 미소변형율의 변형계수인 Gmax의 비율이다.
제안 방법
(1) Hybrid oedometere 압밀셀에 장착되어 있는 벤더엘리먼트를 이용하여 전단파 속도를 측정하였으며, 이를 이용하여 구속응력에 따른 최대전단탄성계수를 산정하였다. 분석결과 최대전단탄성계수는 구속응력과 과압밀비에 비례하였으며, 간극비에 반비례하는 것으로 나타났다.
(2) CPT와 측정한 최대전단탄성계수를 비교한 결과, 상관계수 C9는 소성지수에 따라 감소하는 경향이 나타났으며, 이를 바탕으로 CPT를 이용한 최대전단탄성계수 추정방법을 식 (7)과 같이 제안하였다. 식 ⑺ 을 이용하여 추정한 최대전단탄성계수와 측정값의 오차는 최대 10% 미만으로 비교적 정확하게 예측하였다.
수행하였다. Hybrid oedometer 시험으로부터 최대전단탄성계수를 산정하였으며, CPT 및 DMT 시험 결과를 분석하여 지반특성을 고려한 최대전단탄성계수 추정 방법을 제안하였다.
Gg를。泌严로 정규화하고 그 값을 간극비와 비교하였다. 여기서 既는 평균주응력(矶+2Kobv)/3으로 Ko는 동일한 심도에서 실시한 DMT 결과를 사용하였으며, 잔류응력의 영향을 배제하기 위하여 선행 압밀 하중보다 큰 응력에서의 Gmax를 사용하였다’ 분석결과 A는 460, F°=l/e"로 나타났다.
식 (10)을 이용하여 추정한 최대전단탄성 계수와 측정값의 오차는 최대 7% 미만으로 CPT를 이용한 추정 방법보다 정확하게 예측하였다. 그리고 Id를 이용하여 예측하므로 추가적인 시험이 필요가 없으며, CPT를 이용한 추정과 달리 모래층에서 최대전단탄성계수를 과대평가하지 않았다.
점토의 경우 투수계수가 작아 특성 주파수가 시험주파수에 비해 10배 이상 큰 값을 나타내므로, 총 단위질량을 이용하여 최대전단탄성계수를 산정하여야 한다. 본 연구에서는 채취한 샘플을 이용하여 부산신항의 경우 심도 10m에서 31m 까지 8회, 녹산지역의 경우 심도 16m부터 29m까지 4회 시험을 실시하였다. 압밀시험의 흐}중은 5kPa부터 640kPa까지 하중증가비 1로 시험을 실시하였으며, 하중제하 역시 동일한 하중 단계로 실시하였다.
부산점토에 대하여 최대전단탄성계수 추정방법을 제안하기 위하여 hybrid oedometer 시험결과를 분석하였다. 식 (1)에서 AFe 값을 산정하기 위하여 정규압밀 상태의 Gg를。泌严로 정규화하고 그 값을 간극비와 비교하였다.
압밀시험의 흐}중은 5kPa부터 640kPa까지 하중증가비 1로 시험을 실시하였으며, 하중제하 역시 동일한 하중 단계로 실시하였다. 시료의 두께가 표준앞밀 시험보다 크기 때문에 압밀시간을 하중 재하 시에는 48시간으로, 제하 시에는 12시간으로 하였으며, 압밀 완료 후 다이얼게이지를 이용하여 변위를 측정하였다. 압밀 완료 후 측면 벤더엘리먼트를 이용하여 V(hh)를 즉정하고, 식 (4)를 이용하여 각 응력상태에서의 최대전단변형계수를 산정하였다.
본 연구에서는 채취한 샘플을 이용하여 부산신항의 경우 심도 10m에서 31m 까지 8회, 녹산지역의 경우 심도 16m부터 29m까지 4회 시험을 실시하였다. 압밀시험의 흐}중은 5kPa부터 640kPa까지 하중증가비 1로 시험을 실시하였으며, 하중제하 역시 동일한 하중 단계로 실시하였다. 시료의 두께가 표준앞밀 시험보다 크기 때문에 압밀시간을 하중 재하 시에는 48시간으로, 제하 시에는 12시간으로 하였으며, 압밀 완료 후 다이얼게이지를 이용하여 변위를 측정하였다.
식 (3)의 Rg는 중간변형율의 변형계수인 Ed와 미소변형율의 변형계수인 Gmax의 비율이다. 이 러한 비율은 지반의 특성에 따라 영향을 받을 것이므로, DMT시험 중 지반특성을 나타내는 Id를 Rg와 비교하여 보았다. 그림 10은 Id와 Rg의 관계를 나타내는 그래프로 두 값은 반비례관계를 나타냈다.
과대 추정하는 경향이 나타났다. 이것은 Rg가 Id뿐 아니라 구속응력에도 영향을 받음을 의미하며, 이러한 오차를 없애기 위해 구속응력의 효과를 고려한 Rg와 Id관계를 분석하였다. 그림 12는 Ro와 (UIdXpMv)"의 관계를 나타낸 것으로, 두 값은 선형적인 관계를 나타낸다.
연구하였다. 이를 위하여 부산신항과 녹산지역에서 CPT 및 DMT 시험을 수행하였으며, 압밀셀 벽면에 설치한 벤더엘리먼트로 전단파 속도를 측정하여 최대전단탄성계수를 산정하였다.
한다. 이를 위해 hybrid oedometer 시험으로 측정한 최대전단탄성계수와 CPT 결과를 비교하여 «0 를 역산하고, 이를 점토의 특성을 나타내는 대표적인 물성치인 소성지수(PI)와 비교하여 보았다. 그림 8은 산정한 aG와 PI의 관계를 나타낸 그래프로 g는 PI에 따라선 형적으로 감소하는 것으로 나타났다.
CPT, DMT 및 시료 채취는 원지반 점성토를 대상으로 3m 정도의 간격을 두고 실시하였으며, 시료는 내경 74mm의 piston sampler 를 이용하여 채취하였다. 채취한 시료를 이용하여 기본물성시험과 hybrid oedometer 시험을 수행하였다.
1997). 본 연구에서 사용한 CPT 장비는 선단각도가 60°, 콘단면적 lOcnf, 마찰면적이 150cm2인 Geotech사의 U? 형식의 전기식 피에조콘으로, 시험은 콘 프로브를 지반에 2cm/sec의 속도로 관입시키며 발생하는 콘 저항력(%)과 간극수압(U2) 그리고 마찰력仏)을 측정하였다. 부산신항지역의 경우 심도 7m~50m까지 수행하였으며, 녹산지역의 경우 심도 6 m~12m와 심도 18m~30m 구간에서 시험을 수행하였다.
대상 데이터
녹산지역의 경위도는 각각 引28。47, 56", N35o04'30" 와 E128°53'28", N35°06'17” 이다. CPT, DMT 및 시료 채취는 원지반 점성토를 대상으로 3m 정도의 간격을 두고 실시하였으며, 시료는 내경 74mm의 piston sampler 를 이용하여 채취하였다.
시험현장은 낙동강 하구지역으로 신항건설 및 산업단지 조성을 위해 2m~6m를 매립한 지역으로 부산신항 및 녹산지역의 경위도는 각각 引28。47, 56", N35o04'30" 와 E128°53'28", N35°06'17” 이다. CPT, DMT 및 시료 채취는 원지반 점성토를 대상으로 3m 정도의 간격을 두고 실시하였으며, 시료는 내경 74mm의 piston sampler 를 이용하여 채취하였다. 채취한 시료를 이용하여 기본물성시험과 hybrid oedometer 시험을 수행하였다.
하부와 측면에 벤더엘리먼트를 장착해 구속 하중에 따른 시료의 전단파 속도를 측정하도록 개발한 장비이다(이창호 등 2008). 그림 2는 시험장비 모식도로, 시료의 직경과 높이는 각각 74mni 및 37mm이며, 시용된 벤더엘리먼트는 두께 11mm 너비 4mm이고 시료에 접촉되는 길이는 4mm이다. 압밀셀 상하좌우에 설치된 벤더엘리먼트로 V(vH)와 V(hh)를 측정할 수 있으며, 식 (4)를 이용하여 G, 或를 산정할 수 있다.
본 연구는 부산신항 북 컨테이너 현장 및 녹산산업단지 조성현장 지역의 점토를 대상으로 실시하였다(그림 1). 시험현장은 낙동강 하구지역으로 신항건설 및 산업단지 조성을 위해 2m~6m를 매립한 지역으로 부산신항 및 녹산지역의 경위도는 각각 引28。47, 56", N35o04'30" 와 E128°53'28", N35°06'17” 이다.
DMT시험은 콘의 관입 저항치를 측정하는 CPT에 비하여 지반의 횡방향 토압계수, 과압밀비, 압축성 등을 비교적 정확하게 추정하며, 재료지수를 이용하여 지반을 분류하고, 추정식을 이용하여 비 배수 전단강도, 단위중량, 내부마찰각 등을 산정할 수 있다(Marchetti 등, 2001). 본 연구에서는 부산신항지 역의 경우 심도 7m~31m까지, 녹산지역의 경우 6m~32m까지 20cm간격으로 시험을 수행하였다.
본 연구에서 사용한 CPT 장비는 선단각도가 60°, 콘단면적 lOcnf, 마찰면적이 150cm2인 Geotech사의 U? 형식의 전기식 피에조콘으로, 시험은 콘 프로브를 지반에 2cm/sec의 속도로 관입시키며 발생하는 콘 저항력(%)과 간극수압(U2) 그리고 마찰력仏)을 측정하였다. 부산신항지역의 경우 심도 7m~50m까지 수행하였으며, 녹산지역의 경우 심도 6 m~12m와 심도 18m~30m 구간에서 시험을 수행하였다.
성능/효과
측정 및 추정의 최대 오차는 10% 미만으로, 본 연구에서 제안한 CPT 및 DMT 추정방법들은 최대전단탄성계수를 잘 예측하는 것으로 나타났다. CPT 및 DMT 로 예측한 값들의 SD는 각각 6.5%와 4.3%로 DMT를 이용한 방법이 더 정확한 것으로 나타났다.
3인 점토 지반이 나타났다. CPTu 결과에서 발견된 심도 24m와 29m의 얇은 모래층은 DMT 시험결과에서는 나타나지 않았는데, 이것은 협재된 모래증이 두께가 너무 얇아서 20cm 간격으로 시험을 수행하는 DMT 시험결과에는 나타나지 않은 것으로 판단된다. 심도 10m 내외에서 OCR % 1.
본 연구를 통해 제안된 CPT 및 DM仃를 이용한 추정 방법은 부산점토의 최대전단탄성계수를 정확하게 예측할 수 있었다. 특히, DM仃를 이용한 방법은 추가시험 없이 간편하게 최대전단탄성계수를 추정할 수 있었다.
산정하였다. 분석결과 최대전단탄성계수는 구속응력과 과압밀비에 비례하였으며, 간극비에 반비례하는 것으로 나타났다.
이러한 내용은 그림 9와 13을 통해서도 확인이 가능한데, CPT 추정 방법의 경우 모래층이 포함된 지역에서 최대전단탄성계수를 지나치게 과대평가하는 반면 DMT 추정방법은 모래층이 포함된 지역도 적정한 값을 예측하였다. 이상의 결과를 종합하여 보면, DM仃를 이용한 최대전단탄성계수 추정이 사용성과 정확성 모두 CPT를 이용한 방법에 비해 우수한 것으로 판단된다.
그림에서 SD는 추정값에서 측정값을 뺀 후 측정값으로 나눈 값이 표준편차를 나타내는 것으로 SD가 작을수록 정획하게 예측하는 것을 뜻한다. 추정값의 오차는 대부분 20%미만이며, 부산신항과 녹산 지역의 SD는 19.4%와 22.4%로 녹산지역의 오차가 조금 크게 나타났다.
측정 및 추정의 최대 오차는 10% 미만으로, 본 연구에서 제안한 CPT 및 DMT 추정방법들은 최대전단탄성계수를 잘 예측하는 것으로 나타났다. CPT 및 DMT 로 예측한 값들의 SD는 각각 6.
수 있었다. 특히, DM仃를 이용한 방법은 추가시험 없이 간편하게 최대전단탄성계수를 추정할 수 있었다. 본연구의 현장은 정규압밀된 점토지반으로, 과압밀되거나, 실트, 모래지반에서는 적용이 어렵다.
후속연구
본연구의 현장은 정규압밀된 점토지반으로, 과압밀되거나, 실트, 모래지반에서는 적용이 어렵다. 응력 이력과 지반 종류가 현장시험과 최대전단탄성계수에 어떠한 영향을 미치는지 파악하기 위해서는 다양한 응력 이력과 지질 특성을 가진 지반에서 추가적인 연구가 필요하다.
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