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문제 정의
- 본 연구에서는 연약지반상에 축조된 농업용 저수지의 담수 후 성토하중과 수위변화에 따른 과잉공극수압을 예측하기 위하여 실내모형실험과 현장시험을 수행하고, 표준압밀시험과 일정 변형율 (CRS) 시험 및 Rowe cell 시험으로 구한 연직 및 수평압밀계수와의 상관관계를 비교분석하여 연약지반 설계시 합리적인 압밀계수 범위를 제시하고자 한다.
제안 방법
- Rowe cell 시험 (Rowe et al., 1966, 2001)에서 연직 (Cv) 및 수평압밀계수 (Ch)를 구하기 위하여 내경 75 mm 몰드를 사용하여 등변형 (Equal-strain)조건으로 압밀시험을 수행하였으며, 수직하중은 50 400 kPa까지로 ΔP/P=1의 관계를 유지하였고, 연직 및 수평압밀계수는 다음과 같이 산정하였다.
- Rowe cell 압밀시험의 구조는 Fig. 4와 같이 셀, 가압장치, 체적변화, 공극수압 및 침하 측정장치 등이 있으며 측정된 데이터는 자동적으로 컴퓨터에 저장되도록 하였다.
- 공극수압은 전기식 공극수압계 (일본 Kyowa사 50 kPa)를 상류 (P1), 중앙 (P2), 하류부 (P3)에 설치하였고, 침하계 (LVDT)를 부착한 후 Data Logger에 연결하여 컴퓨터에 자동 저장 되도록 하였다.
- 표준압밀시험은 연직하중 10~1280 kPa까지 하중증분비 (Δσ/σ)를 1로 하여 압밀시험을 실시하고 연직압밀계수를 산정하였으며, Rowe cell 시험에서 압밀계수의 산정은 각 하중 단계별로 측정한 침하량, 공극수압, 체적변화량 측정치를 이용하여 압밀계수를 산정하였다. 두 시험은 일정한 유효응력 범위 (50~400 kPa) 내에서 분석하였다.
- 또한 시험조건은 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 혼합한 시료를 가지고 표준압밀시험, 일정변형률 (CRS) 압밀시험 및 Rowe cell 시험을 실시하였다.
- 모형지반은 양면배수조건이고, 수위는 상류에서 5, 10, 15, 20, 10, 0, 20 cm로 일정하게 조절하면서 수위상승과 하강시에 공극수압과 침하량을 측정하였다.
- 모형지반의 상부와 하부에 모래를 부설하여 양면배수조건으로 하였고, 수위조절은 중앙에 아크릴을 설치하여 상류에서 수위를 5, 10, 15, 20, 10, 0, 20 cm로 일정하게 조절하면서 수위상승과 하강시에 공극수압과 침하를 측정하였다.
- 변형률 속도의 산정은 시료의 투수와 압축성에 따라 다르지만 최저공극수압비 (ub/σv)가 제한치를 초과하지 않는 범위에서 보수적인 방법이지만 ASTM에서 제시한 액성한계와 변형률 관계를 참고하여 (0.04 %/min 범위 내) 0.04 %/min, 0.22 %/min, 0.4 %/min의 3단계로 변화시켰다.
- 본 연구에서는 연약지반상에 축조된 농업용 저수지의 담수 후 성토하중과 수위변화에 따른 과잉공극수압을 예측하기 위하여 실내모형실험과 현장시험을 수행하고, 표준압밀시험과 일정 변형율 (CRS)시험 및 Rowe cell 시험으로 구한 연직 및 수평압밀계수와의 상관관계를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시료저면에서 측정된 과잉공극수압과 시료에 가해진 전응력 비 (ub/Δσ)가 30 %를 넘지 않는 범위에서 시험하였다.
-
5. Rowe cell 압밀시험
시험시료는 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 혼합하고, 액성한계의 약 2배의 함수비를 가진 슬러리상태로 만든 후 교반하여, 포화를 위해 약 일주일 동안 밀폐된 용기에 저장하였다. 시료를 셀 안에 넣은 후 포화상태를 확인하기 위하여 구속압과 배압을 조절하여 B계수가 약 0.
- 시험시료는 표준압밀시험 및 Rowe cell 시험과 동일한 조건에서 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 변화시켰다.
- 연약지반상에 축조된 저수지가 성토완료 후 담수를 시작하면서 발생되는 공극수압과 침하량의 변화를 측정하기 위해 Fig. 2와 같이 실내모형실험을 수행하였다.
- 연직압밀계수 (Cv)의 경우 표준압밀시험과 같은 변형량-시간곡선을 이용하고, 수평압밀계수 (Ch)의 경우에는 체적변화곡선을 이용하여 값을 결정하였다. 연직 및 수평압밀계수와의 상관관계를 알아보기 위해서 일정한 유효응력 범위에서 분석하였다.
- Rowe cell 시험은 내경 75 mm이고 등변형 (Equal-strain) 조건으로 수행하며, 수직하중은 50 400 kPa까지로 ΔP/P=1의 관계를 유지하였다. 연직압밀계수 (Cv)의 경우 표준압밀시험과 같은 변형량-시간곡선을 이용하고, 수평압밀계수 (Ch)의 경우에는 체적변화곡선을 이용하여 값을 결정하였다. 연직 및 수평압밀계수와의 상관관계를 알아보기 위해서 일정한 유효응력 범위에서 분석하였다.
- 위와 같은 결과로부터 수위상승, 즉 저수지 담수로 인한 과잉공극수압은 기존의 Terzaghi 방법 보다는 제안식을 이용하여 추정하는 것이 실측치에 근접하다는 것을 실내모형실험을 통하여 검증하였다. 또한 정수압의 영향을 고려한 제안식과 고려하지 않은 Terzaghi 식의 비교를 통하여 현장 저수지에서도 적용가능 할 것으로 판단되었다.
- 일정변형률 압밀시험 (CRS)에서 유효응력은 시료하부에서 측정된 과잉공극수압을 고려하여 비선형 평균유효응력을 구해 이용하였고, 연직압밀계수 (Cv)의 경우는 시료저면에서의 공극수압비, 연직응력, 평균시료높이, 시간 등을 고려하여 비선형 상태에서의 압밀계수를 이용하였다.
- 일정변형률 압밀시험은 Fig. 3과 같이 압축시험장치, 변위장치, 하중 로드셀, 공극수압 측정 장치, pressure system, back pressure system으로 구성되어 있고, 모든 측정자료는 컴퓨터로 자동 저장 되도록 하였다.
- 재성형된 시료는 낮은 점성을 주기 위하여 증류수로 액성한계의 약 2배의 함수비를 가진 slurry상태로 만든 후 완전포화가 되도록 하고, 시료의 포화도를 위해 압력셀의 압력과 같은 크기의 백프래셔를 24시간 가한 후 시료저면에서 공극수압을 측정하여 공극수압계수 (B)가 0.97 이상인 경우에 시험을 실시하였다.
- 임의의 성토하중에서 시간과 깊이에 따른 과잉공극수압 거동을 예측하기 위해서 유한차분법 (FDM)을 이용하였고 (Budhu, 2000), 성토하중에 의한 과잉공극수압은 Terzaghi 압밀이론을 이용하였다. 제안식 (식 1)은 성토하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압 하중으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내어 분석하였다.
- 표준압밀시험 시료는 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 혼합하고, 하중재하는 ΔP/P=1이 되도록 하여 10, 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280 kPa의 총 8단계로 재하하고, 연직압밀계수 (Cv)를 구하기 위하여 #법을 사용하였다.
- 표준압밀시험은 연직하중 10~1280 kPa까지 하중증분비 (Δσ/σ)를 1로 하여 압밀시험을 실시하고 연직압밀계수를 산정하였으며, Rowe cell 시험에서 압밀계수의 산정은 각 하중 단계별로 측정한 침하량, 공극수압, 체적변화량 측정치를 이용하여 압밀계수를 산정하였다.
- 97이상 일 때 포화된 것으로 간주하였다. 하중재하는 50, 100, 200, 400 kPa로 총 4단계로 재하하고, 압력 재하 방법으로는 diaphragm pressure system와 back pressure system을 이용하였다.
대상 데이터
- 농업용 저수지 제체는 지반조사결과 N치 6이하의 연약점성토층이 10.0 m 정도 분포되어 있고, 성토높이 10.8 m까지 시공 완료 후에 방치기간을 포함하여 1,054일 동안 현장계측을 실시한 자료를 이용하였다 (Min and Lee, 2008).
- 모형실험장치는 200 (가로)×100 (세로)×76 (폭) cm 크기로 아크릴을 사용하여 제작하였고, 현장에서 채취한 교란시료를 No. 4체를 통과시켜 자중 압밀시킨 후 약 300 kg의 추를 사용하여 일정기간동안 재하 하였다.
- 본 실험에서 사용한 시료는 농업용저수지 현장의 연약지반에서 채취하였으며, 통일분류법상 실트질 점토 (CL)로 분류된다. 현장 성토시공 단면과 현장계측 자료는 00지구 농업용 저수지 현장 자료를 이용하여 분석하였다 (Min and Lee, 2008).
- 본 실험에서 사용한 시료는 농업용저수지 현장의 연약지반에서 채취하였으며, 통일분류법상 실트질 점토 (CL)로 분류된다. 현장 성토시공 단면과 현장계측 자료는 00지구 농업용 저수지 현장 자료를 이용하여 분석하였다 (Min and Lee, 2008).
이론/모형
- 임의의 성토하중에서 시간과 깊이에 따른 과잉공극수압 거동을 예측하기 위해서 유한차분법 (FDM)을 이용하였고 (Budhu, 2000), 성토하중에 의한 과잉공극수압은 Terzaghi 압밀이론을 이용하였다. 제안식 (식 1)은 성토하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압 하중으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내어 분석하였다.
성능/효과
- 1. 실내모형실험 결과 수위변화에 따른 과잉공극수압은 상류와 중앙에서 상승과 하강에 따라 민감하게 나타났으나 하류에서는 큰 변화가 없었고, 침하량은 수위상승과 하강에 관계없이 일정한 침하형태를 나타냈다. 저수지 담수로 인한 과잉공극수압은 기존의 Terzaghi 방법 보다는 제안식을 이용하여 추정하는 것이 실측치에 근접하게 나타났고, 이러한 결과는 현장 농업용저수지의 해석에서도 유사하게 나타났다.
- 2. 시료의 혼합비율에 따라 압밀계수의 범위는 큰 차이를 나타냈고, Rowe cell과 일정변형률시험에서의 압밀계수는 유효 응력의 증가에 따라 표준압밀시험보다는 급격한 증가현상을 나타내었다.
- 3. 연직압밀계수는 일정변형률시험과 표준압밀시험과의 비(Cvc/Cvo)에서 가장 크고, 수평압밀계수는 Rowe cell 시험과 표준압밀시험과의 비 (ChR/Cvo)에서는 가장 큰 차이를 나타냈다. 연직 및 수평압밀계수비는 시료의 혼합비율과 시험방법에 따라서 매우 큰 차이를 나타내므로 농업용 저수지의 압밀소요시간 예측시에 신중하게 선정하여야 할 것으로 판단된다.
- 8배 정도로 큰 차이를 나타냈다. 또한 일정 변형률시험과 Rowe 시험과의 연직압밀계수비 (CvR/Cvc)는 약 0.08~1.5배 정도로 작게 나타났다.
- 성토하중과 정수압의 영향을 고려하여 제안식으로 구한 과잉공극수압은 수위가 5 cm일 경우에는 측정치보다 약간 작게 나타났지만, 수위가 상승함에 따라 점차로 측정치에 근접하게 나타났다. 그러나 일반적으로 과잉공극수압 추정시에 이용되고 있는 기존의 Terzaghi 방법은 정수압의 영향을 고려하지 않았기 때문에 측정치와는 매우 큰 차이를 나타냈다.
- 7은 제체 상류 (P1)지점에서 수위변화에 따른 과잉공극수압을 제안식 및 Terzaghi 방법으로 구한 과잉공극수압과 비교한 것이다. 수위가 상승함에 따라 과잉공극수압 측정치는 약간씩 증가하였고, 정수압의 영향을 고려한 제안식은 측정치에 근접하게 나타났으나 Terzaghi 방법은 일정하게 나타나 실측치와 매우 큰 차이를 나타냈다.
- 실내모형실험은 일반 저수지 시공현장과는 다르게 과잉공극수압 크기도 작고, 규모제한으로 성토과정을 현장과 같은 형태로 모식화 할 수 없기 하중재하에 따른 공극수압과 침하량이 시공현장과는 다르게 나타났다.
- 8(c))에서 실측된 과잉공극수압은 낮은 성토하중으로 인하여 작게 나타났으나, 소산속도는 상류측보다 약간 빠르게 나타났다. 예측된 과잉공극수압은 Terzaghi 방법과 제안식에서는 실측치와 유사하고, 유한차분법에서는 실측치와 약간 크게 나타났다. 이는 측정지점이 담수에 따른 정수압의 영향을 받지 않는 하류측에 매설되어 정수압이 증가한 만큼 공극수압이 증가하지 않았기 때문에 시간에 따라 완만하게 소산되는 것으로 판단된다.
- 8(b))에서 과잉공극수압은 성토가 완료되면서 빠른 속도로 소산되었지만, 담수 후에는 소산속도가 완만하게 나타났다. 예측된 과잉공극수압은 유한차분법에서 약간 크고, Terzaghi 방법과 제안식에서 실측치와 유사하게 나타났다.
- 위의 3가지 방법으로 예측된 압밀도를 실측치와 비교한 결과, 성토완료 후 초기에는 실측치와 유한차분법에 의한 압밀도가 유사하게 나타났으며, 담수 후 (850일) 제안식에 의한 압밀도는 실측치의 2.4 % 5.0 % 범위 이내로 거의 같은 값을 나타냈다.
- 일정변형률 압밀시험에서 구한 연직압밀계수 (Cvc)값의 평균치는 4.37×10-3 ~ 2.15×10-1 cm2/s의 범위로 다른 시험방법보다는 급격한 증가현상을 나타내었다.
- 일정변형률 압밀시험에서 구한 연직압밀계수(Cvc)값의 평균치는 9.13×10-3 ~ 1.0×10-1 cm2/s의 범위로 다른 두 시험방법보다는 급격한 증가현상을 나타내었다.
- 실내모형실험 결과 수위변화에 따른 과잉공극수압은 상류와 중앙에서 상승과 하강에 따라 민감하게 나타났으나 하류에서는 큰 변화가 없었고, 침하량은 수위상승과 하강에 관계없이 일정한 침하형태를 나타냈다. 저수지 담수로 인한 과잉공극수압은 기존의 Terzaghi 방법 보다는 제안식을 이용하여 추정하는 것이 실측치에 근접하게 나타났고, 이러한 결과는 현장 농업용저수지의 해석에서도 유사하게 나타났다.
- 전체적으로 시료의 혼합비율에 따라 압밀계수의 범위는 큰 차이를 나타냈고, Rowe cell과 일정변형률시험에서의 압밀계수는 유효응력의 증가함에 따라 표준압밀시험보다는 급격한 증가 현상을 나타냈으며 압밀계수의 범위도 큰 차이를 나타내었다.
- 표준압밀시험과 일정변형률시험과의 압밀계수비 (Cvc/Cvo)는 약 2.9~27.3배 정도로 200 kPa까지는 작다가 400 kPa에서 급격히 증가하는 현상을 나타냈다. 일정변형률시험과 Rowe 압밀시험과의 수평압밀계수비 (ChR/Cvc)는 약 0.
후속연구
- 따라서 수평압밀계수비와 연직압밀계수비는 표준압밀시험, CRS 및 Rowe cell 시험방법과 시료의 혼합비율에 따라서 매우 큰 차이를 나타내므로 농업용 저수지의 압밀 소요시간을 예측시에 신중하게 선정하여야 할 것으로 판단된다.
- 또한 성토완료 후 담수시 기존의 성토 제체에 관한 압밀이론으로는 설명할 수 없는 침하 및 공극수압 변화 현상이 나타나고 있으며 이에 대한 해석이 명확하지 않다. 따라서 일차원 압 밀이론에서 과잉공극수압을 성토하중으로 인한 과잉공극수압과 정수압으로 인한 과잉공극수압의 합으로 나타내면, 압밀도의 예측뿐만 아니라 침하거동에 대한 해석과 경과시간에 따른 잔류침하량의 예측도 가능할 것으로 판단된다.
- 위와 같은 결과로부터 수위상승, 즉 저수지 담수로 인한 과잉공극수압은 기존의 Terzaghi 방법 보다는 제안식을 이용하여 추정하는 것이 실측치에 근접하다는 것을 실내모형실험을 통하여 검증하였다. 또한 정수압의 영향을 고려한 제안식과 고려하지 않은 Terzaghi 식의 비교를 통하여 현장 저수지에서도 적용가능 할 것으로 판단되었다.
- 이와 같은 결과로부터 과잉공극수압 예측은 압밀도 예측과 같고 압밀도는 최종적으로 최종성토 높이와 압밀완료시기를 판단하는데 중요한 요소이므로, 앞으로 저수지 설계시 담수에 따른 과잉공극수압을 예측하여 정확한 압밀도를 산정하는데 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 원인은 재성형에 따라 연직 및 수평압밀계수가 큰 차이가 나타났고, 투수성이 증가할수록 압밀시간이 단축되어 압밀계수의 변화를 가져오기 때문으로 판단되며, 이런 결과를 나타내는 편차의 큰 요인은 시료의 불균질성, 각 실험 방법 적용시 발생 가능한 편차와 압밀계수 평가방법의 한계 등으로 판단된다.
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