[논문]SCP 복합지반 침하거동예측을 위한 새로운 침하모델의 개발

유상호; 박현일; 임종철; 박이근

doi:10.7843/kgs.2009.25.8.23

SCP 복합지반 침하거동예측을 위한 새로운 침하모델의 개발
Development of New Settlement Model for Prediction of Settlement Characteristics of SCP Composite Ground 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.25 no.8, 2009년, pp.23 - 32

유상호 (부산대학교 사회환경시스템 공학부) , 박현일 (삼성건설 기술연구소) , 임종철 (부산대학교 사회환경시스템 공학부) , 박이근 ((주)지오알앤디)

초록
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본 연구에서는 모래 다짐말뚝 공법의 설계 및 시공단계에서 침하거동 예측에 활용될 수 있는 합리적이고 간편한 해석기법을 제안하였으며, 모델 계수값들은 유전자 알고리즘에 근거한 최적화 과정을 통하여 구할 수 있다. 제안된 기법의 검증을 위하여 0(무치환), 20, 36 및 56%의 다양한 모래 치환율에 대한 SCP 복합지반의 침하거동에 관한 실내압밀실험이 수행되었다. 제안된 모델은 각 치환율에 대하여 간극비-대수응력 관계 및 시간-압축 관계에서 계측값과 매우 일치되는 경향성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the reliable and simple analysis method was proposed to predict the settlement characteristic of composite ground in stage of design and construction of sand compaction pile (SCP). Model parameters could be obtained by the optimization process based on genetic algorithm. In order to examine the proposed method, laboratory consolidation tests on the settlement characteristic of SCP composite ground were performed for various replacement ratio of sand such as 0 (no replacement), 20, 36, and 56%. The proposed model showed very good agreements with measured data in the relation of void ratio-log scaled stress and time-compression far each replacement ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 상용 유한요소기법들을 활용할 경우 적합하게 가정되어야 하는 모델계수 값들의 수가 매우 많다. 따라서, 실내실험에서 얻어진 침하자료에 제안된 모델이 사용된 최적화 과정을 적용하여 해석에 필요한 모델 계수 값들을 간편하게 도출 하는 것을 목표로 하고 있다. 셋째로, SCP 복합지반의 치환율이 각각 0(무보강), 20, 36, 56 및 76%로 조성된 시료에 대한 실내실험을 수행하였으며, 최적화 과정을 통하여 계측 침하 거동모사에 필요한 모델 계수값들을 추정하였다.
본 연구에서는 SCP 복합지반의 설계 및 시공단계에서 기술자의 전문성에 크게 의존하지 않으면서도 SCP 복합지반의 침하거동을 신뢰성 있게 모사할 수 있는 간편한 해석기법을 제안하였으며, 기법의 검증을 위하여 SCP 복합지반의 다양한 치환율에 대하여 실내 압밀 실험을 수행하였다. 이를 정리하면 다음과 같다.
그림 13에는 침하-시간 관계의 계측자료들에 대하여 제안된 모델을 사용한 예측결과들이 각각의 치환율에 대하여 나타나 있다 하중이 단계별로 증가함에 따라 유발되는 시간 의존적인 압밀거동을 전체적으로 매우 정확하게 모사하고 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 SCP 복합지반의 침하거동을 보다 신뢰성 있게 예측하기 위하여 SCP 복합지반 침하모델을 제안하였는데, SCP 복합지반의 설계 및 시공 관리 시에 다음과 같이 활용될 수 있으리라 사료된다. 설계 단계에서 현장에서 채취된 시료에 대하여 본 연구에서 수행된 실내 압밀 실험이나 실내 모형 셀 실험 등을 통하여 주어진 치환율에 대하여 압밀 시험을 수행할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 SCP 복합지반의 침하거동을 살펴보기 위하여 실내모형 압밀실험을 수행하였다. 압밀 실험에 사용한 재료는 원지반용 점토로는 부산광역시 감천항 인근 현장의 해성점토(표 1 참고)를 이용하였으며, SCP 용 재료로는 주문진 표준사를 사용하였다.
으로 각 치환율에 대한 하중단계별 침하거동을 예측함으로써 제안된 기법의 적용성을 검증하고자 하였다.

가설 설정

따라서, 본 연구에서는 그림 SCP 복합지반의 e-log P 관계에서의 압죽특성을 모사하기 위하여 응력 수준에 따른 복합지반의 압축지수 값이 그림 8에 나타난 바와 같이 치환율에 따라 비선형적으로 변화한다고 가정하였다. 제안된 압축지수 Q 값은 식 (4)와 같이 가정되었다.
태의 압축지수곡선을 제안하였다. 또한 작용하는 상재 하중에 대하여 모래와 점토에 분담되는 하중 비율을 의미하는 응력분담비 값이 응력수준에 따라서 변화하며, 압밀과정 중에 점토의 압밀계수 값도 응력 수준에 의존하는 것으로 가정하였다.
실제 설계 및 해석 시에는 등변형율 조건을 가정하는데, 이는 이론적으로는 적합하지 않지만 상대적으로 간편하고 실용적이다. 초기에 재하되는 상재하중은 모두 과잉간극수압으로 작용하며, 모든 변형율은 연직방향으로만 작용하고 각 배수재의 영향범위는 원형이라고 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 응력수준에 따른 m 값의 변화양상을 간편하게 모사하기 위하여 그림 6(b)에 나타난 바와 같이 값이 응력 값의 선형함수 형태를 갖는다고 가정하여 에 m 값이 응력의 연관성을 찾고자 하였다(식 (2) 참고). 각 치환율에서 구해진 SCP 복합지반침하계측자료에 대한 최적화 과정을 통하여 m 값을 구하도록 하였다.
그림 1에는 압밀 시험에 사용된 시험장치가 도시되어 있으며, 그림 2에는 모래말뚝이 설치된 점토시료에 대한 단면이 나타나 있다. 모래말뚝의 치환율을 각각 0%(무처리), 20%, 36%, 56%로 변화시켜, 무처리지반과 모래말뚝이 시공된 지반에 대한 압밀침하량을 측정하였다. 또한 하중단계를
이와 같이 선택된 두 개체 (parents)는 다음 세대에 적용될 새로운 개체(offspring)를 생산하기 위하여 교배된다. 본 연구에서는 중간 재조합 (intermediate recombination) 방법을 사용하여 두 개체 (parents) 즉 R 및 3로부터 새로운 개체(ofTsprhig)를 다음식 (8)와 같이 생산하게 된다(Miihlenbein와 Schlierkar叩- Voosen, 1993).
본 연구에서는 치환율 20, 36 및 56%인 실내실험 침하자료에 대하여 제안된 모델의 계수값들을 산정하기 위하여 침하자료에 최적화 과정을 적용하였다. 그림 9에는 치환율 20% 인 경우에 대하여 유전자 알고리즘에 근거한 최적화 과정이 나타나 있으며, 세대수 증가에 따른 각각의 모델 계수 값들 압축지수 치환율 계수(K), 압밀계수 (4), 응력분담비仞。) 및 응력분담비 기울기 계수㈣版)의 수렴과정이 나타나 있다.
따라서, 실내실험에서 얻어진 침하자료에 제안된 모델이 사용된 최적화 과정을 적용하여 해석에 필요한 모델 계수 값들을 간편하게 도출 하는 것을 목표로 하고 있다. 셋째로, SCP 복합지반의 치환율이 각각 0(무보강), 20, 36, 56 및 76%로 조성된 시료에 대한 실내실험을 수행하였으며, 최적화 과정을 통하여 계측 침하 거동모사에 필요한 모델 계수값들을 추정하였다. 이를 바탕
있는 새로운 침하모델을 제안하였으며, 모델 변수 값들은 유전자 알고리즘에 근거한 최적화 기법을 사용하여 구할 수 있다. 수행된 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
이를 정리하면 다음과 같다. 첫째로 SCP 복합지반의 침하거동을 모사할 수 있는 모델을 제안하였으며, 제안된 모델에는 SCP 복합지반의 침하해석에 필요한 SCP 복합지반의 응력분담비율과 점토의 시간 의존적 침하거동을 모사하는데 필요한 간극비와 상재 하중에 대한 e-log P 관계 및 작용하중에 따른 점토의 시간 의존적 침하관계가 포함되어 있다. 둘째5, 제안된 모델에 사용되는 설계변수들에 대한 적합한 추정방법에 관한 것이다.
총 6 단계로서 9.8, 19.6, 39.2, 78.5, 160.0, 314.0W, /으로 증가시키면서 압밀시험을 실시한다. 각 하중 단계의 압밀 시간은 24시간으로 하였다.
태의 압축지수곡선을 제안하였다. 또한 작용하는 상재 하중에 대하여 모래와 점토에 분담되는 하중 비율을 의미하는 응력분담비 값이 응력수준에 따라서 변화하며, 압밀과정 중에 점토의 압밀계수 값도 응력 수준에 의존하는 것으로 가정하였다.

대상 데이터

압밀 실험에 사용한 재료는 원지반용 점토로는 부산광역시 감천항 인근 현장의 해성점토(표 1 참고)를 이용하였으며, SCP 용 재료로는 주문진 표준사를 사용하였다. 그림 1에는 압밀 시험에 사용된 시험장치가 도시되어 있으며, 그림 2에는 모래말뚝이 설치된 점토시료에 대한 단면이 나타나 있다.

이론/모형

(2) 제안된 모델에서 사용되는 총 5개의 모델 계수 값들은 최적화기법을 사용하여 산정하였으며, 전역 해에 견고하게 수렴시킬 수 있는 최적화 기법인 실수형 유전자 알고리즘이 적용되 었다.
계측 침하양상을 정확히 모사할 수 있는 모델 정수값들을 추정하기 위해서는 전역해(global solution)로의 수렴성이 확보된 최적화기법의 적용이 필요하다고 할 수 있다. 따라서 적용되는 함수의 모델 계수값들이 많을 수록 전역 해로의 수렴성이 다른 최적화 기법에 비해 견고한(robust) 것으로 알려진 실수형 유전자 알고리즘이 적용되었다.
유전자 알고리즘(GA)은 이와 같이 자연 선택 및 자연 유전자와 같은 생물학적 진화 이론 개념에 근거한 확률론적 최적화 기법으로서 전역적이며 견고한 해를 구할 수 있다{Goldberg 1989, Holland 1975). 본 연구에서는 순위적합선별(rank-based fitness assignment) 방법이 확률론적 비례 추출stochastic universal sampling) 방법과 연계되어 사용되었다. 즉 각 세대에서의 개체들은 순위 적합선별을 통하여 무작위로 선별된 이후 재생산과 돌연변이 과정을 거친 후에 다음 세대에 포함된다.
거동이 나타나게 된다. 본 연구에서는 점토의 시간 의존적 거동을 모사하기 위하여 Barron(1948)의 축대칭 압밀이론을 적용하였다. Barron(1948)은 Terzaghi의 일차원 압밀이론을 토대로 지반을 자유변형률 조건과 등 변형률 조건으로 구분하여, 연직배수재가 설치된 지반의 압밀 해석식을 제안하였다.

성능/효과

(3) 제안된 모델을 사용하여 실내모형실험 침하자료들에 적용한 결과, 치환율 20, 36 및 56%인 경우에 간극비-대수 응력 관계에서 비선형적인 압축특성을 매우 정확하게 모사할 수 있으며, 시간-침하 관계에서 상재 하중이 증가함에 따른 침하경향도 매우 정확하게 예측하고 있음을 확인하였다.
(4) SCP 복합지반의 설계단계에서 제안된 모델은 대상 현장지반에서 채취된 시료에 대한 실내모형 실험 침하자료를 활용하여 필요한 모델계수 값들을 구하여 설계에 요구되는 침하해석이 가능하다. 또한 시공 과정 중에 현장에서 계측된 침하자료에 제안된 모델을 적용할 경우, 계측된 침하양상을 대변하는 모델 계수 값들을 구할 수 있기 때문에 시공 중에 최종 침하양상을 보다 정확히 예측할 수 있다는 점에서 효율적인 침하관리기법으로 활용될 수 있으리라 기대된다.
그림 3에서 치환율 0%에서는 전형적인 점토 시료의 선형적인 e-log p 관계를 보여주고 있다. 그러나 모래로 일부 치환된 점토시료의 e-log p 관계에서는 압축지수 곡선이 비선형적인 형태를 보이며, 치환율 값이 증가함에 따라서 압축지수 곡선의 형태도 점차 완만해 지는 경향성을 보였다. 이후에 치환율이 100%에 가까워 질수록 시료의 압축지수 값은 모래의 선형적인 압축 지수 값 (G) 에 거의 도달될 것으로 사료된다.
대수응력 관계가 서로 비교되어 있다. 그림에 나타난 바와 같이 제안된 모델이 SCP 복합지반 재료의 비선형적인 간극베-대수시간 관계를 매우 정확하게 모사하고 있음을 확인하였다. 그림 13에는 침하-시간 관계의 계측자료들에 대하여 제안된 모델을 사용한 예측결과들이 각각의 치환율에 대하여 나타나 있다 하중이 단계별로 증가함에 따라 유발되는 시간 의존적인 압밀거동을 전체적으로 매우 정확하게 모사하고 있음을 확인하였다.
그림 7(a)에 나타난 바와 같이 치환율이 증가함에 따라 압축지수 값이 급격히 감소하였다. 또한 치환율이 0%인 경우에는 정규압밀거동인 선형적인 압축특성을 보였지만, 치환율에 증가함에 따라 다소 비선형적인 거동 양상을 보였다';
이는 문헌 결과들에서 응력범위의 폭이 좁기 때문에 전체적인 응력수준에서의 경향성을 찾기 다소 어렵다고 사료된다. 본 연구에서 얻어진 해석결과를 살펴보면 응력이 증가함에 따라서 값이 미소하게 증가하는 경향성을 보였다.
기존 문현결과들을 살펴보면, 일부 실험자료의 경우 m 값이 응력수준이 증가함에 증가하거나 감소하는 경향을 보이고, 그외의 많은 연구 결과들에서는 치환율이 증가함에 따라 증가하였다가 다시 감소하는 경향을 보이고 있다. 본 연구에서도 도출된 m 값과 치환율의 상관관계는 해양연구소(1999)등의 연구 결과들과 유사하게 응력 수준의 증가에 따라 증가 이후 감소하는 경향성을 보였다. 이는 저치환율에서는 모래말뚝 상부에서 응력수준이 커짐에 따라서 말뚝의 벌징(bulging) 이 발생하여 말뚝지지력 이상의 응력을 분담할 수 없기 때문에 응력분담비가 증가하기 않으며, 고치환율의 경우에는 점토지반에 비하여 모래말뚝이 차지하는 전반적으로 면적이 매우 크기 때문에 점토지반으로부터 아칭효과로 전달되는 응력분담율이 상대적으로 작기 때문인 것으로 사료된다.
Been과 Jefferies(1985)는 세립분이 모래의 압축특성에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 실트질 성분을 0에서 10%로 증가시키면서 모래와 실트질이 혼합된 시료에 대한 압축 특성을 살펴보았다. 실트질 함량이 증가함에 따라 압축지수 값이 점차 증가하는 양상을 보였다. 한국해양연구소(1999)은 실내실험을 통하여 모래 함량을 0에서 80% 까지 증가시기면서 실내압밀 실험을 수행하였다.
그러나 모래로 일부 치환된 점토시료의 e-log p 관계에서는 압축지수 곡선이 비선형적인 형태를 보이며, 치환율 값이 증가함에 따라서 압축지수 곡선의 형태도 점차 완만해 지는 경향성을 보였다. 이후에 치환율이 100%에 가까워 질수록 시료의 압축지수 값은 모래의 선형적인 압축 지수 값 (G) 에 거의 도달될 것으로 사료된다.

후속연구

요구되는 침하해석이 가능하다. 또한 시공 과정 중에 현장에서 계측된 침하자료에 제안된 모델을 적용할 경우, 계측된 침하양상을 대변하는 모델 계수 값들을 구할 수 있기 때문에 시공 중에 최종 침하양상을 보다 정확히 예측할 수 있다는 점에서 효율적인 침하관리기법으로 활용될 수 있으리라 기대된다.
얻어진 침하자료에 대하여 제안된 침하모델을 사용한 최적화 과정을 적용하면 SCP 복합지반에 관한 실내실험 침하거동을 동일하게 모사할 수 있는 모델계수 값들을 얻을 수 있으며, 따라서 설계단계에서 SCP 복합지반에 대한 보다 신뢰성 있는 침하 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 시공 단계에서 현장에서 시공 초기에 계측된 SCP 복합지반의 실제 침하자료에 대하여 제안된 모델의 계수 값들을 최적화 과정을 통해 구한 다음에 향후 침하양상을 예측한다면 보다 신뢰성 있고 효율적인 시공관리가 가능하리라 사료된다.
본 연구에서는 SCP 복합지반의 침하거동을 보다 신뢰성 있게 예측하기 위하여 SCP 복합지반 침하모델을 제안하였는데, SCP 복합지반의 설계 및 시공 관리 시에 다음과 같이 활용될 수 있으리라 사료된다. 설계 단계에서 현장에서 채취된 시료에 대하여 본 연구에서 수행된 실내 압밀 실험이나 실내 모형 셀 실험 등을 통하여 주어진 치환율에 대하여 압밀 시험을 수행할 수 있을 것이다. 얻어진 침하자료에 대하여 제안된 침하모델을 사용한 최적화 과정을 적용하면 SCP 복합지반에 관한 실내실험 침하거동을 동일하게 모사할 수 있는 모델계수 값들을 얻을 수 있으며, 따라서 설계단계에서 SCP 복합지반에 대한 보다 신뢰성 있는 침하 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
설계 단계에서 현장에서 채취된 시료에 대하여 본 연구에서 수행된 실내 압밀 실험이나 실내 모형 셀 실험 등을 통하여 주어진 치환율에 대하여 압밀 시험을 수행할 수 있을 것이다. 얻어진 침하자료에 대하여 제안된 침하모델을 사용한 최적화 과정을 적용하면 SCP 복합지반에 관한 실내실험 침하거동을 동일하게 모사할 수 있는 모델계수 값들을 얻을 수 있으며, 따라서 설계단계에서 SCP 복합지반에 대한 보다 신뢰성 있는 침하 해석 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 시공 단계에서 현장에서 시공 초기에 계측된 SCP 복합지반의 실제 침하자료에 대하여 제안된 모델의 계수 값들을 최적화 과정을 통해 구한 다음에 향후 침하양상을 예측한다면 보다 신뢰성 있고 효율적인 시공관리가 가능하리라 사료된다.

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