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문제 정의
- 현재까지 다양한 방법으로 지반의 정지토압계수를 추정하기 위한 시도가 있었으나, 다양한 과압밀 상태를 고려한 신뢰성 있는 방법이 정립되지 못하였다. 본 연구에서는 딜라토미터 시험을 이용하여 지반의 정지토압계수인 K0를 추정하는 방법을 제안하였다. 대형 챔버에 조성된 시료에 딜라토미터 시험과 콘관입시험을 수행하여 제안된 방법을 검증하고, 제안식의 적용성을 기존의 방법과 비교 검토하였다.
제안 방법
- 1. 본 연구에서는 KD/K0-ψ관계와 ED/σm'-ψ관계를 조합하여 KD/K0=χ(ED/σm')δ의 형태의 새로운 K0 추정법을 제안하였다.
- Jamiolkowski and Robertson(1988) 방법에 의한 식 (8)과 본 연구에서 제안된 방법에 의한 식 (9)는 유사한 정확도로 사질토의 K0를 추정할 수 있었다. 그럼에도 불구하고, 콘관입시험과 딜라토미터 시험을 동시에 적용하여 K0를 평가해야만 하는 Jamiolkowski and Robertson(1988)의 방법과 비교하여, 본 연구에서 제안된 방법은 딜라토미터 시험만으로 유사한 정확도로 K0를 추정할 수 있다.
- 본 연구에서는 딜라토미터 시험을 이용하여 지반의 정지토압계수인 K0를 추정하는 방법을 제안하였다. 대형 챔버에 조성된 시료에 딜라토미터 시험과 콘관입시험을 수행하여 제안된 방법을 검증하고, 제안식의 적용성을 기존의 방법과 비교 검토하였다.
- 조성된 시료에 연직구속압 50~400kPa의 정규압밀상태 시료와 연직구속압 400kPa 또는 200kPa에서 제하된 과압밀 시료(OCR=2, 4, 8)에 대한 딜라토미터 시험을 수행하였다. 딜라토미터 멤브레인은 초기 약 20cm 깊이에 위치하며, Bellotti 등(1997)의 실험과 같이 10cm 마다 단계적으로 관입시키면서 시료깊이 30~70cm에서 P0와 P1을 측정하였다. 전체적인 딜라토미터 시험조건은 표 2와 같다.
- 지반의 정지토압계수는 현장 시험의 결과를 활용한 다양한 경험적 상관관계로부터 추정되어지고 있다. 본 연구에서는 딜라토미터 시험으로부터 지반의 정지토압계수를 추정하는 방법을 제안하였으며, 챔버 콘관입시험과 딜라토미터 시험을 수행하여 제안된 방법을 검증하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
- 5cm)와 낙하고(15~60cm)를 조절하여 시료를 낙사시킨 후, 시료의 중량과 부피를 측정하여 시료의 최종 상대밀도를 결정하였다. 조성된 시료 위에 상부 플레이트와 챔버셀을 조립한 후 각 방향의 응력을 조절한 후 관입시험을 실시하였다. 자세한 시료조성 방법은 Choi et al.
- 조성된 시료에 연직구속압 50~400kPa의 정규압밀상태 시료와 연직구속압 400kPa 또는 200kPa에서 제하된 과압밀 시료(OCR=2, 4, 8)에 대한 딜라토미터 시험을 수행하였다. 딜라토미터 멤브레인은 초기 약 20cm 깊이에 위치하며, Bellotti 등(1997)의 실험과 같이 10cm 마다 단계적으로 관입시키면서 시료깊이 30~70cm에서 P0와 P1을 측정하였다.
- , 2010). 초기 상대밀도 40, 60, 80%의 시료를 조성하기 위해 개폐구멍의 크기(1.2~3.5cm)와 낙하고(15~60cm)를 조절하여 시료를 낙사시킨 후, 시료의 중량과 부피를 측정하여 시료의 최종 상대밀도를 결정하였다. 조성된 시료 위에 상부 플레이트와 챔버셀을 조립한 후 각 방향의 응력을 조절한 후 관입시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 딜라토미터(DMT)는 폭 95mm, 두께 15mm, 길이 230mm인 노 모양의 관입체에 60mm 직경의 강철 멤브레인이 장착되어 있다. DMT 시험은 강철 멤브레인에 소정의 변위를 유발시키기 위한 압력을 측정하여, 이를 통해 수평방향응력과 관련된 지반의 역학적 특성들을 추정한다.
- 챔버에서는 레이닝 시스템을 이용한 건조낙사법으로 다양한 상대밀도의 시료를 균등하게 조성한다. 본 연구에서 사용된 레이닝 시스템은 시료저장을 위한 직경 1.2m, 높이 1.0m의 상부 sand storage, 낙사되는 모래시료의 낙하량을 조절하는 개폐판(shutter plate), 그리고 적정 낙하고를 제공하기 위한 extension tube와 효율적인 시료 분산을 위한 분산시스템으로 구성된다. 특히 분산시스템은 기존의 분산체에 porous plate를 추가하여 목표 상대밀도의 원활한 조성이 가능하도록 하였다(Choi et al.
- 본 연구에서 사용된 챔버시스템은 그림 3과 같이 높이 1.0m, 직경 1.2m의 챔버셀과 하부 피스톤, 그리고 각종 관입시험을 위한 아답터가 연결된 상판으로 구성되어 있다. 횡방향 경계조건을 조절할 수 있도록 측면의 챔버셀은 이중벽으로 구성되어 있고, 응력은 챔버의 내측셀, 외측셀, 그리고 하부 피스톤과 연결된 제어판에서 조절한다.
데이터처리
- 그림 11은 Ticino sand를 이용한 Baldi et al.(1986)의 챔버 딜라토미터 시험 결과를 이용하여 본 연구에서 제안된 K0 추정법을 검증한 것이다. Ticino sand의 경우에도 비교적 높은 상관성(R2=0.
이론/모형
- 본 연구에서는 부산사의 한계상태선(critical state line)을 결정하기 위해 선행연구(Kim et al., 2007)로부터 결정된 부산사의 한계상태정수(Γ=1.07, λ=0.068)를 활용하였다.
- SEM 분석결과 부산사는 패각이 일부 포함되어 있는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 CaO 성분이 소량 검출되었다. 시료의 최대 간극비는 깔대기법(ASTM D-4254)법으로 결정되었으며, 최소 간극비는 입자파쇄 효과를 고려하여 Miura and Toki(1982)가 제안한 낙사법(pluviation method)으로 결정되었다. 부산사의 최대, 최소 간극비는 1.
성능/효과
- 2. 콘관입시험의 콘선단저항과 딜라토미터 시험의 수평응력지수를 모두 활용하는 기존의 방법은 콘선단저항과 수평응력지수에 미치는 응력이력의 상대적인 영향정도를 비교함으로써 지반의 K0를 효과적으로 예측할 수 있으나, 심각한 불균질성 지반에서는 추정에 오차가 발생될 수 있다.
- 3. 본 연구에서 제안된 방법은 딜라토미터 계수와 딜라토미터 계수에 비해 지반의 수평응력 변화에 매우 민감한 수평응력지수를 활용하기 때문에 정규압밀 상태 뿐만 아니라 과압밀 상태인 사질토의 K0를 모두 예측할 수 있다. 또한 수평응력지수와 딜라토미터 계수가 동시에 측정되기 때문에, 지반의 불균질성이 K0 추정에 미치는 영향이 최소화된다.
- 4. 결과적으로 본 연구에서 제안된 K0 추정법은 기존의 콘관입시험과 딜라토미터 시험을 동시에 적용하는 방법이나, 콘관입시험 만으로 K0를 평가하는 방법에 비해 더욱 간편하고 신뢰성이 높은 방법으로 판단된다.
- 1%)이 큰 석영질 모래로 파악되었다. SEM 분석결과 부산사는 패각이 일부 포함되어 있는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 CaO 성분이 소량 검출되었다. 시료의 최대 간극비는 깔대기법(ASTM D-4254)법으로 결정되었으며, 최소 간극비는 입자파쇄 효과를 고려하여 Miura and Toki(1982)가 제안한 낙사법(pluviation method)으로 결정되었다.
- 또한 세립분 함유율은 5% 미만인 clean sand에 해당된다. XRF분석 결과 SiO2의 함유량(76.1%)이 큰 석영질 모래로 파악되었다. SEM 분석결과 부산사는 패각이 일부 포함되어 있는 것으로 분석되었으며, 이로 인해 CaO 성분이 소량 검출되었다.
- 정규압밀 상태에서 부산사의 K0는 식 (6)을 이용하여 비교적 정확하게 예측되었다. 그러나 과압밀 상태에서 부산사의 K0는 약 30~80% 과소평가되었으며, 시료의 과압밀비가 증가할수록 측정값과 추정값의 오차는 더욱 증가하였다. 이와 같은 결과는 Toyoura sand의 K0가 과압밀 상태(OCR=7.
- )는 연직 유효응력이 증가할수록 점차 증가하였으며, 이는 Konrad(1988)의 결과와도 일치한다. 또한 동일 상대밀도와 연직 유효응력 상태에서 과압밀 시료의 딜라토미터 계수가 정규압밀 시료보다 8~63% 크게 측정되었으며, 시료의 과압밀비가 증가할수록 그 편차는 더욱 뚜렷하였다. 따라서 딜라토미터 계수도 응력이력의 영향을 받는 것으로 나타난다.
- 부산사의 경우 응력이력에 관계없이 KD/K0-ψ관계와 ED/σm'-ψ 관계를 모두 만족하였으며, 새롭게 제안된 식도 높은 상관성을 가지고 정규압밀 상태 뿐만 아니라 과압밀 상태인 사질토의 K0를 추정할 수 있었다.
- 그림 10(a)는 측정된 부산사의 K0와 식 (5)를 이용하여 추정된 K0를 비교한 그림이다. 전체적으로 추정값과 측정값은 유사한 경향을 보였으나, 동일한 과압밀비 상태의 시료에서, 식 (5)를 통해 계산된 부산사의 K0 변화가 측정값보다 더 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 식 (5)에서 상대밀도의 변화에 민감한 콘선단저항이 K0 추정값에 큰 영향을 미친 반면, 실제로 K0는 상대밀도의 변화에는 큰 영향을 받지 않기 때문이다(Mayne and Kulhawy 1982).
- 6을 초과하며, Marchetti(1980)의 분류법에 의해 “sand”로 구분된다. 정규압밀 상태에서 부산사의 재료지수는 연직 유효응력이 증가할수록 점차 감소하였으며, 특히 동일 상대밀도에서 선행하중을 받은 경우 급격히 감소하였다. 이와 같은 결과는 선행하중이 P1보다 P0의 변화에 더 큰 영향을 미치기 때문이다.
- 즉, 부산사의 딜라토미터 계수와 평균 유효응력의 비(ED/σm')는 동일한 상태정수에서 비교적 일정하게 나타날 뿐만 아니라, 상태정수가 음(-)으로 증가할수록 ED/σm'는 점차 증가하였다.
후속연구
- 5. 기존의 방법들과 마찬가지로 제안된 방법은 입자의 크기 및 강도와 같은 흙의 특성이나 고결과 같은 환경적인 요인에 의해 영향을 받기 때문에, 해당 흙에 대해 별도의 관계식을 정립하기 위해 추후 다양한 모래를 이용한 검토가 필요하다.
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