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문제 정의
- 이 연구에서는 Terzaghi의 압밀이론에 의한 curve fitting 방법을 점증재하에 대해서 적용할 수 있도록 구현하고 지반의 측방유동이 적은 성토 초기 계측자료에 적용하여 전체 성토에 대한 1차압밀침하량을 산정하고 실측 침하량과의 차이로부터 측방유동에 의한 침하량을 산출하고자 한다.
제안 방법
- (a)와 같이 5개의 구역 (DP-1∼DP-5)으로 구분하고, 설계시에 실시한 지반조사 결과에서 연약지반 토층이 깊고 원지반의 지표가 낮아서 가장 높게 성토되는 제체의 종단 중앙부를 주계측단면으로 선정하였다 (DP-3).
- 8 m까지 증가하는 동안 심도 5 m 지점에서의 지중응력 분포를 2:1 분포법으로 계산한 결과 성토고의 증가에 따라서 심도도 증가하고 재하폭은 감소하기 때문에 지중 응력은 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 역해석을 할 때 지중응력 분포를 고려하였다.
- 8 m까지 시공되었다. 배수조건은 양면 배수와 일면배수조건을 모두 해석하였으나 4단면 모두 1면 배수조건으로 해석하여 얻은 압축지수 (Cc)가 실내시험결과에 비해서 지나치게 큰 값을 나타내었고 DP-3 단면에 대한 piezocone 시험에서도 하부지반에 비피압 모래층이 존재하는 것으로 조사되었으므로 모든 단면에 대해서 양면배수조건을 기준으로 하였다.
- 3(a)와 같이 5개의 구역 (DP-1∼DP-5)으로 구분하고, 설계시에 실시한 지반조사 결과에서 연약지반 토층이 깊고 원지반의 지표가 낮아서 가장 높게 성토되는 제체의 종단 중앙부를 주계측단면으로 선정하였다 (DP-3). 암반층까지 굴착하고 콘크리트를 타설하여 시공하는 여수토와 인접한 지역은 부등침하 및 콘크리트와 제체의 접속부에서 균열이 발생할 것으로 예상되어 안정관리를 주목적으로 부계측단면으로 설정하여 계측기를 설치하였다 (DP-5). DP-1, DP-2 및 DP-4단면에는 원지반 표면에 지표면 침하판 만을 설치하여 침하량을 계측하였으나 DP-2에서는 침하봉이 중간에 유실되어 계측이 중단되었다.
- 연약 점토 지반에 축조한 저수지 시공현장에서 계측된 자료를 이용해서 Terzaghi의 압밀이론에 단계성토를 고려하고 측방유동에 의한 침하량을 구분한 curve fitting 방법을 적용하여 연약지반의 압밀도, 1차압밀침하량 및 측방유동에 의한 침하량을 산정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 이상과 같은 절차에 의해서 시간에 따른 침하량이 중첩이 되도록 프로그램을 수정하였다. Fig.
- 이와 같은 방법으로 DP-1, DP-3, DP-4 및 DP-5단면의 계측자료에 대해서 역해석을 실시하였다. 해석 결과들 중에서 연약지반 심도가 가장 깊은 DP-3 단면에 대해서 해석된 침하곡선들 만을 대표적으로 Fig.
- 해석에 필요한 지반의 습윤밀도, 초기공극비 등은 연약지층의 두께가 비교적 큰 DP-3과 DP-4는 실험 자료를 사용하였으나 DP-1과 DP-5는 실험을 하지 않았기 때문에 DP-2, DP-3 및 DP-4의 평균값을 사용하였다. 지하수위는 지표면에 존재하며 지반은 완전히 포화된 것으로 설정하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서 해석한 현장은 농촌용수개발사업의 일환으로 충남 태안 지역의 연약지반상에 축조한 저수지 시공현장이다. 안정 및 침하관리를 위한 현장계측에는 경사계, 지하수위계, 층별침하계, 공극수압계, 지표면 침하판 등을 설치하였다.
- 제체는 성토고 3.6 m, 저폭 114.4 m로 압성토된 후에 본제체가 시공되었다. 현장에서 시공된 압성토와 성토사면기울기에서 성토고가 10.
- 현장지반조사 결과 지반은 입경이 작은 CL, MH, CH 등의 세립토로 구성되어 있다. 자연함수비와 액성한계는 각각 41 %∼53 %와 33 %∼65 %의 범위에 있다.
이론/모형
- 요약하면 ΔPi의 적용심도는 지반심도의 1/2 지점을 기준으로 하고 성토고의 증가에 따른 각각의 ΔPi 값은 2:1 분포법에 의해서 산출하였다.
- 곡선⑤는 곡선④에서 2단계 성토종료일에 측방유동에 의한 침하량을 추가한 것이다. 측방유동에 의한 침하량은 곡선의 후반부가 잘 일치하도록 시행착오법으로 산정하였다.
성능/효과
- 4 m단계의 방치 종료 시점까지의 자료를 사용하면 측방유동의 영향이 적을 것으로 판단되었다. 2.4 m 방치 종료 시점까지의 자료로 역해석된 압축지수와 압밀계수를 2단계 성토에 의한 침하량 산정에 적용한 결과 실측 침하량과 상당한 차이를 나타내었다. 실측침하량이 매우 빠르게 나타나서 이론적인 침하량은 최적화 과정을 거쳐도 침하속도를 실측침하자료에 접근시키는 것이 곤란하였다.
- DP-4단면에 대한 해석결과에서 전체 침하자료를 입력하여 역해석한 곡선②는 많은 편차를 나타내었고 1단계 역해석 침하량에 시행착오법으로 산정한 측방유동에 의한 침하량을 더한 곡선⑤는 1단계 성토구간과 2단계 성토 종료 후에 잘 일치하였으며 2단계 성토 종료 후에 역해석 결과와 실측자료가 일치하는 시점도 DP-3에서 보다는 더 빠른 것으로 나타났다. 이러한 결과는 연약지반의 깊이가 DP-3보다는 작기 때문에 측방유동이 조기에 종료된 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 연약지반의 깊이가 DP-3보다는 작기 때문에 측방유동이 조기에 종료된 것으로 판단된다. 곡선②와 곡선⑤를 압밀도 95 %가 될 때까지 비교하면 DP-3과 유사한 경향을 나타내어 침하량은 크고 침하속도는 빠른 것으로 나타났다.
- 이러한 결과는 2단계 성토 진행 중에는 압밀에 의한 침하뿐만 아니라 측방유동에 의한 침하도 함께 발생하였기 때문으로 판단되었다. 따라서 2차 성토 기간 중의 침하량은 무시하고 2차 성토 종료 시점에서 특정한 값을 해석된 침하량에 합하여 성토 종료 후의 실측 침하곡선에 curve fitting한 결과 성토 종료 후의 두 곡선이 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러므로 성토 종료 시점에서 추가한 특정한 침하량이 2차 성토기간 중에 발생한 측방유동에 의한 침하량으로 판단되었다.
- 성토 높이가 낮아서 측방유동이 상대적으로 작은 공사 초기 동안의 계측자료 만을 이용하여 개발된 프로그램으로 역해석하여 지반을 대표할 수 있는 압축지수와 압밀계수를 얻을 수 있었다.
- 실측된 침하곡선은 측방유동을 고려하지 않고 예측한 침하곡선보다 최적화 과정을 거쳤음에도 불구하고 빠른 속도로 진행되는 편차를 나타내어서 압밀침하와 압밀이외의 원인에 의한 침하가 함께 발생했음을 확인할 수 있었다.
- 이는 측방유동에 의한 침하가 압밀침하로 간주되어 압축지수가 과다하게 해석된 것으로 판단된다. 압밀계수는 각 해석 방법과 실내시험 모두 불규칙적인 관계로 나타났고 편차는 약 40 배 정도의 범위 내에 있는 것으로 나타났다. 모두 인접한 지반이므로 압밀계수도 모든 단면에서 비슷한 값을 나타낼 것으로 판단되었다.
- 5에서는 실내시험결과와 곡선② 및 곡선⑤ 방법으로 역해석하여 얻은 각 단면별 압축지수 (Cc)와 압밀계수 (Cv)를 각각 비교하였다. 압축지수 (Cc)는 DP-1 및 DP-5 단면에서는 모두 비슷하게 나타났고, DP-3 및 DP-4 단면에서는 곡선②의 압축지수가 크게 나타났다. 이는 측방유동에 의한 침하가 압밀침하로 간주되어 압축지수가 과다하게 해석된 것으로 판단된다.
- 실측침하량이 매우 빠르게 나타나서 이론적인 침하량은 최적화 과정을 거쳐도 침하속도를 실측침하자료에 접근시키는 것이 곤란하였다. 이 결과로 부터 실측된 침하량에는 이론적인 침하량만으로는 설명할 수 없는 침하가 포함되어 있다는 것을 유추할 수 있다. 그러나 성토 종료 후에는 실측침하곡선과 역해석 침하곡선이 유사한 형태를 나타내었다.
- Table 1의 습윤밀도와 점착력을 사용하여 얻은 한계성토고는 DP-1, DP-4 및 DP-5에서 약 9 m 정도로 나타났고, DP-3에서 5 m로 나타났다. 전체 계측자료를 입력하여 curve fitting 방법으로 역해석한 결과 실측침하곡선과 역해석된 이론 곡선은 특히 성토 기간 동안 상당한 차이를 나타내고 있다. 이러한 차이는 성토에 따른 측방유동에 의한 침하로 판단되었다.
- 이러한 경우에는 지반의 토질정수가 동일한 경우에도 토층을 여러 층으로 분리하여 ΔP를 다르게 적용하여야 한다. 지중응력분포를 산정한 결과에 의하면 성토고에 비해서 지반심도가 얕기 때문에 근사적으로 직선형으로 고려하여도 될 것으로 판단되었다.
- 9년의 범위에 있다. 측방유동에 의한 침하를 구분하여 해석한 결과에서 모두 최종 침하량이 작게 나타났으므로 측정 종료시점 현재의 압밀도는 더 크게 나타났다.
- 측방유동을 고려하지 않고 역해석한 침하곡선은 측방유동을 고려하여 역해석한 침하곡선보다 최종적인 침하량은 더 크고압밀도 95 %에 도달하는데 필요한 시간은 더 짧게 나타났다.
- 4(b)는 곡선② 및 곡선⑤가 압밀도 95 %에 도달할 때까지의 장기 침하곡선을 나타낸 것이다. 측방유동을 고려하지 않은 침하곡선②는 측방유동을 고려한 경우에 비해서 침하량도 크고 압밀도 빨리 진행되는 것으로 나타났다.
- 측방유동이 크게 발생하기 전에 실측된 침하자료를 역해석하고 이후의 실측 침하량과 비교하여 측방유동에 의한 침하량을 산정하는 방법은 연약지반의 두께와 정비례관계가 있는 것으로 나타나서 신뢰성이 있는 방법으로 판단되었다.
- 4 m로 압성토된 후에 본제체가 시공되었다. 현장에서 시공된 압성토와 성토사면기울기에서 성토고가 10.8 m까지 증가하는 동안 심도 5 m 지점에서의 지중응력 분포를 2:1 분포법으로 계산한 결과 성토고의 증가에 따라서 심도도 증가하고 재하폭은 감소하기 때문에 지중 응력은 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 역해석을 할 때 지중응력 분포를 고려하였다.
후속연구
- 성토기간 동안에 계측된 침하자료에 역해석 이론을 적용하여 측방유동에 의한 침하량을 산출한다는 것은 다른 한편으로는 성토기간 동안에 계측된 침하자료를 단순하게 역해석에 적용해서 1차압밀침하량을 산출하는 것이 부적절하다는 본질적인 한계점을 나타내고 있다. 기존의 역해석 방법을 성토 기간 중에 적용할 수 있도록 발전시키기 위해서 경사계로 계측한 측방유동량을 역해석에 포함시키는 기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이 연구의 대상이 된 현장에서는 자동계측방식에 의한 경사계를 사용하였으나 측정결과에 기복이 심하여 후속연구를 진행시키지 못하였다.
- 기존의 역해석 방법을 성토 기간 중에 적용할 수 있도록 발전시키기 위해서 경사계로 계측한 측방유동량을 역해석에 포함시키는 기법에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이 연구의 대상이 된 현장에서는 자동계측방식에 의한 경사계를 사용하였으나 측정결과에 기복이 심하여 후속연구를 진행시키지 못하였다.
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