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문제 정의
- 따라서 표층처리 공법적용 지반의 거동분석을 이론식 이외에 실험적으로 규명하여 장비진입 가능성을 평가하는 것이 필요하다. 그러므로 본 연구에서는 초연약지반의 표층 개량을 위해 토목섬유위에 모래층(sand mat)을 포설하는 공법의 적용시 장비진입 가능성을 평가하는 목적으로 지지력 실험을 수행하였다. 지지력 실험에는 모형 실험으로 구현하기 어려운 현장의 응력 조건을 실내에서 재현할 수 있는 원심모형실험기 (geo-centrifiige)를 이용하였다.
- 본 연구는 초연약지반의 표층개량을 목적으로 토목섬유 상부에 모래층을 포설하는 공법 적용시 장비진입성을 평가하기 위하여 원심모형실험으로 지지력 실험을 수행하고, 이를 이론식과 유한요소 수치해석을 실시하여 비교 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- (2000)은 점토지반 위에 토목섬유로 보강된 모래지반에서 보강여부에 따른 지지력비에 대해 평가하였다. 본 연구에서는 위와 같은 기존 연구를 고찰하고, 초연약지반의 장비진입을 위한 보다 실용적인 검토를 위하여 현장과 유사한 조건의 원심모형실험과 수치해석을 수행하였다.
- PET Mat는 인장강도를 기준으로 적용한다. 본 연구에서는 현장에서 많이 사용되는 200kN/m 의 인장강도를 갖는 PET Mat를 모사하였다.
제안 방법
- (1) 지반의 비배수 전단강도를 변화하면서 216kN/m의인장강도를 갖는 토목섬유와 0.5m두께의 모래층을 원형제원으로 하는 원심모형실험을 50g의 중력수준으로 수행하여 지반 강도별로 하중-침하 관계를 획득하였다.
- (2) 연약지반의 강도는 액성지수와 비배수 전단강도간의 높은 상관성을 갖는 지수함수식을 유도하여 분석하였다.
- (5) 지반의 비배수 전단강도에 따라 임의의 침하량에서 나타나는 지지력을 회귀분석한 결과를 이용하여 초연약지반에서 장비의 접지압과 침하량으로부터 주행성과 연계된 지반 지지력 평가방법을 제안하였다. (
- 35m, 용량 20g. ton의 기기로 최대 200g까지 가속할 수 있다 본연구에서는 축소비, N을 50으로 50g의 중력수준까지 가속하였다.
- 그러나 조성된 지반의강도를 직접적으로 측정하기 위해 베인시험이나 콘관입시험을 실시하는 것은 모형지반에 파괴를 가져오므로 적용이 어렵다. 그러므로 간접적으로 점토의 강도특성 평가를 위해 지반의 물리적 특성과 비배수 전단강도와의 관계를 분석하였다. Terzaghi et al.
- (1983), Elder(1985) 등은 액성지수와 비배수 전단강도가 높은 상관관계를 갖는 것으로 제안하였다. 그러므로 본 연구는 다양한 함수비 조건에서 베인실험을 수행하여 액성지수에 따른 비배수 전단강도를 분석하였다. 베인실험을 위해 함수비는 다음 두 가지 조건에서 조성하였으며, 베인실험 결과를 액성지수와 비배수 전단강도의 관계로 그림 2에 나타내었다.
- 측정된 침하량으로부터 조성된 시료의 함수비를 파악하였다. 두 번째로는 원심모형실험이 완료된 모형지반에서 베인실험을 실시하고 그 위치에서의 함수비를 측정하여 비배수 전단강도를 분석한 방법(그림 2의 Centrifuge model box)이다. 실험결과, 액성지수가 증가함에 따라 비배수 전단강도가 지수함수 형태로 감소하는 경향이 나타났다.
- 입도분석 결과, 그림 1과 같은 입경가적곡선을 획득하였다 기본물성실험결과, 시료는 통일분류상 CL로 분류되었다. 또한, 압밀시험과 압밀비배수 삼축압축시험을 실시하였다. 그 결과, 압축지수는 0.
- 지지력 실험에는 모형 실험으로 구현하기 어려운 현장의 응력 조건을 실내에서 재현할 수 있는 원심모형실험기 (geo-centrifiige)를 이용하였다. 또한, 현재 사용되고 있는 실용식과 비교하고, 실험과 동일한 조건의 유한요소 수치해석을 수행하여 결과를 평가하였다.
- 모래층은 그림 6과 같은 강사장치를 이용하여 lOnan 의 두께로 조성하여 50g 중력가속시 0.5m의 두께로 모델링되도록 하였다.
- 모형토조에 LVDT를 설치하여 변위를 측정하고, 재하장치에 Load cell-g- 설치하여 하중을 측정하였다. 그림 8은 원심모형실험을 위해 준비가 완료된 모형토조이다.
- 타입의 모형 Mat를 선정하였다. 선정된 모형 Mat에 대하여 인장강도시험을 실시하였다. 인장강도시험은 폭 50mm, 길이 125mm로 모형 Mat를 절단한 후 두장을 겹쳐 2회 수행하였으며, 그림 3에 인장강도시험 전경을 나타내었다.
- 수치해석은 초기 원지반 형성, 선행압밀하중 재하 및 제거, PET mat 포설, Sand mat 포설, 이동판 및 cater- pillar 설礼 변위제어식 하중재하의 순으로 진행하였다. 선행압밀하중 재하 및 제거는 소정의 비배수 전단강도를 갖는 지반을 조성하기 위한 단계이다.
- 싱대밀도는 원심모형시험에 사용될 모형토조(폭 0.2m, 길이 0.45m)에 강사높이를 0.75m로 고정하여 낙하하는 조건으로 강사장치의 슬릿폭을 조절하면서 건조단위 중량을 측정하였다. 측정된 건조단위중량으로 표 3의 결과를 이용하여 상대밀도를 분석하고, Meyerhof(1959)의 제 안식에 적용하여 모래의 내부마찰각을 표 4와 같이 추정하였다.
- 표 1에 시료의 물리.역학적 특성을 정리하였다.
- 평가하였다. 원심모형실험단면에 50g의 상사성을적용한 원형제원으로 그림 13과 같은 단면으로 수치해석을 실시하였다. 본 연구의 수치해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 Plaxis BV사의 Plaxis 2D를 이용하였다.
- 원심모형실험으로 수행한 토목섬유와 모래로 보강된초연약지반의 지지력을 유한요소 수치해석을 통하여비교 평가하였다. 원심모형실험단면에 50g의 상사성을적용한 원형제원으로 그림 13과 같은 단면으로 수치해석을 실시하였다.
- 50g 중력수준의 원심모형실험에서 모형 Mat는 216kN/m의인장강도를 발휘하였으며, 모래는 0.5m의 두께에 30。의내부마찰각을 갖도록 모델링 하였다. 점토지 반은 3.
- 이를 위해 먼저, 시료에 해수를가하여 액성한계의 약 3배인 90%의 함수비조건에서 균질하게 교반하였다. 이 시료를 직경 0.15m, 높이 0.15m 의 원통형 용기에 넣고 용기를 해수에 수침시켰다 용기 속 시료위에 다공판을 올려놓고 하중을 재하하여 압밀을 유도하고, 침하를 측정하였다. 측정된 침하량으로부터 조성된 시료의 함수비를 파악하였다.
- 이러한 모래가 모형토조에 조성될 때 형성되는 강도 특성을 분석하기 위하여 상대밀도를 측정하였다. 싱대밀도는 원심모형시험에 사용될 모형토조(폭 0.
- 선행압밀하중 재하 및 제거는 소정의 비배수 전단강도를 갖는 지반을 조성하기 위한 단계이다. 이를 위해 초기지반을 형성하고 선행압밀하중을 재하하여 지반의 강도증가를 유도하였다. 선행압밀하중의 크기는 지반과 접흐!" 는 이동판 폭의 절반깊이 심도인 지표하 3m(GL.
- 선정된 모형 Mat에 대하여 인장강도시험을 실시하였다. 인장강도시험은 폭 50mm, 길이 125mm로 모형 Mat를 절단한 후 두장을 겹쳐 2회 수행하였으며, 그림 3에 인장강도시험 전경을 나타내었다. 시험결과, 그림 4와 같이 최대 인장력이 4.
- 여기서, 70%의 초기함수비는 모형토조에서 하중 재하시 시료의 유실 없이 상재하중을 작용할 수 있는 최대 함수비이다. 점토시료위에 20-40N 의 무게를 갖는 재하판을 올려놓고 50g의 중력수준에서 가속시간을 변화하면서 지반을 조성하였다. 조성된 지반의 함수비를 식 (1)에 적용하여 비배수 전단강도를 분석한 결과, 각각 실험조건에서 3.
- 있다. 점토시료의 물리 역학적 특성 실험에서 혼합되어 있는 불순물를 제거하기 위하여 No.10체로 체 가름을 실시하였다. 현장에서 채취한 시료의 함수비는 60.
- 5m의 두께에 30。의내부마찰각을 갖도록 모델링 하였다. 점토지 반은 3.1 〜 11.7kPa의 비배수 전단강도로 형성되도록 조성하여 지지력 실험을 수행하였다.
- 점토지반의 비배수 전단강도를 6가지 조건으로 조성하여 50g의 중력수준에서 하중재하장치와 모형재하판을 이용한 지지력시험을 수행하였다. 원심모형시험결과, 그림 9와 같이 하중이 재하되면서 지반의 변형이 발생하였으며, 계측기를 이용하여 하중-침하곡선을 획득하여 그림 10에 정리하였다.
- 점토지반의 조성은 먼저 70%의 초기함수비로 점토시료를 교반하고, 이를 폭 0.2m, 길이 0.45m, 높이 0.6m의토조에 투기하였다. 여기서, 70%의 초기함수비는 모형토조에서 하중 재하시 시료의 유실 없이 상재하중을 작용할 수 있는 최대 함수비이다.
- 준설매립지반의 장비진입시 지지력 분석을 위한 원심모형실험을 50g의 중력가속도에서 6회 실시하였다. 50g 중력수준의 원심모형실험에서 모형 Mat는 216kN/m의인장강도를 발휘하였으며, 모래는 0.
- 지반조성 후 모형 Mat 2장을 겹치게 포설하여 현장의 216kN/m 인장강도를 모사할 수 있도록 하였다. 모형 Mat는 그림 5와 같이 단부를 길게 하여 토조 상단에 고정함으로써 충분한 신율이 발휘되면서 모형 Mat가 지니는 인장강도가 나타나도록 설치하였다.
- 15m 의 원통형 용기에 넣고 용기를 해수에 수침시켰다 용기 속 시료위에 다공판을 올려놓고 하중을 재하하여 압밀을 유도하고, 침하를 측정하였다. 측정된 침하량으로부터 조성된 시료의 함수비를 파악하였다. 두 번째로는 원심모형실험이 완료된 모형지반에서 베인실험을 실시하고 그 위치에서의 함수비를 측정하여 비배수 전단강도를 분석한 방법(그림 2의 Centrifuge model box)이다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 점토시료는 인천신항 00공사 예정지에서 채취한 교란시료이며 폐조개 등의 불순물이 혼합되어 있다. 점토시료의 물리 역학적 특성 실험에서 혼합되어 있는 불순물를 제거하기 위하여 No.
- 본 연구에서는 Sand mat를 모사하기위해 모르타르시멘트 용도로 시판되고 있는 주문진 표준사를 사용하였다. 표 2에서와 같이 사용된 모래는 비중 2.
- 의 최대 및 최소 건조단위중량과 간극비는 동일한 시료로 수행한 기존 실험자료(정길수, 2005)를 활용하였으며, 표 3에 정리하였다.
- 이를 위해 시중에서 구할 수 있는 기성품 중 원심모형 시험기에서 인장강도와 신율을 모사할 수 있는 부직포 타입의 모형 Mat를 선정하였다. 선정된 모형 Mat에 대하여 인장강도시험을 실시하였다.
- 본 연구에서 사용된 상사법 칙은 Buckhigham 의 兀정 리 에 의해 분석된 상관관계로 Fuglsang & Ovesen(1988)의 연구를 참조하였다. 지지력 실험에 사용한 원심모형실험기는 반경 1.35m, 용량 20g. ton의 기기로 최대 200g까지 가속할 수 있다 본연구에서는 축소비, N을 50으로 50g의 중력수준까지 가속하였다.
데이터처리
- 점토의 비배수 전단강도에 따라 임의의 침하량에서의 지지력을 산정하기 위하여 최소자승법에 의한 선형회귀분석을 실시하였다. 그림 11의 각각의 침하량에 따른 비배수 전단강도와 지지력과의 관계를 선형으로 회귀분석하여 기울기S)와 절편(B), 결정계수(If)를 표 8 에 나타내었다.
이론/모형
- 원심모형실험에서 모형과 원형 사이의 상사 및 축척관계는 미분 방정식에 의한 차원해석으로 구할 수 있으며, 동차성원리(Principle of dimen sional homogeneity)0]] 근거한다. 본 연구에서 사용된 상사법 칙은 Buckhigham 의 兀정 리 에 의해 분석된 상관관계로 Fuglsang & Ovesen(1988)의 연구를 참조하였다. 지지력 실험에 사용한 원심모형실험기는 반경 1.
- 원심모형실험단면에 50g의 상사성을적용한 원형제원으로 그림 13과 같은 단면으로 수치해석을 실시하였다. 본 연구의 수치해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 Plaxis BV사의 Plaxis 2D를 이용하였다. 해석시 적용된 지반의 구성모델과 물성치를 표 9와표 10에 정리호卜였다.
- 그러므로 본 연구에서는 초연약지반의 표층 개량을 위해 토목섬유위에 모래층(sand mat)을 포설하는 공법의 적용시 장비진입 가능성을 평가하는 목적으로 지지력 실험을 수행하였다. 지지력 실험에는 모형 실험으로 구현하기 어려운 현장의 응력 조건을 실내에서 재현할 수 있는 원심모형실험기 (geo-centrifiige)를 이용하였다. 또한, 현재 사용되고 있는 실용식과 비교하고, 실험과 동일한 조건의 유한요소 수치해석을 수행하여 결과를 평가하였다.
- 75m로 고정하여 낙하하는 조건으로 강사장치의 슬릿폭을 조절하면서 건조단위 중량을 측정하였다. 측정된 건조단위중량으로 표 3의 결과를 이용하여 상대밀도를 분석하고, Meyerhof(1959)의 제 안식에 적용하여 모래의 내부마찰각을 표 4와 같이 추정하였다.
- 해석시 적용된 지반의 구성모델과 물성치를 표 9와표 10에 정리호卜였다. 해성점성토층은 Modified cam clay 모델을 적용하였으며, Sand mat는 Mohr-coulomb 모델을 적용하였고, PET mat는 인장력만 고려되는 Geogrid 요소의 Elastoplastic 모델로 적용하였다.
성능/효과
- (3) 지반의 강도가 증가함에 따라 동일한 하중에서 침하가 감소하는 경향을 보였으며, 기초의 하중-침하 관계는 가해진 하중내에서 극한지지력은 나타나지 않았으며 항복응력은 3.1kPa의 가장 낮은 비배수 전단 강도 조건에서만 나타났다. 파괴 형태는 국부 또는 관입전단파괴의 경향을 보이는 것으로 분석되었다.
- (4) 하중-침하실험결과를 이론식과 비교한 결과, 지반의 비 배수 전단강도가 클수록 작은 침하량에서 극한지지력에 도달하고 강도가 낮은 지반은 극한지지력에 도달하기 전에 큰 침하가 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서, 초연약지반에서 작은 강도의 지반은 침하가 중요하나 지반 강도가 증가할수록 지지력의 문제가 지배적인 것으로 나타났다.
- 6) 선행압밀하중을 재하하여 점토지반의 비배수 전단강도를 조성한 후 변형률 제어조건으로 하중을 가한 유한요소 수치해석을 수행한 결과, 모형실험과 비교적 유사한 하중-침하 관계를 획득하였으며, 특히 침하량 0.5m 이하에서는 결과가 보다 잘 부합되어 나타났다.
- 따라서, 초연약지반에서 작은 강도의 지반은 침하가 중요하나 지반 강도가 증가할수록 지지력의 문제가 지배적인 것으로 나타났다.
- 이론적인 극한지지력 산정결과에 비하여 실험결과는 Q6m의 침하량이 발생할 때까지의 지지력이 작은 결과로 나타났다. 또한, 낮은 전단강도에서는 극한지지력에 도달하기까지 보다 많은 침하량이 예상되는 반면에 비배수 전단강도가 높아짐에 따라 동일한 침하량에서 극한지지력 보다 근접한 결과가 도출되었다. 즉, 강도가 낮은 지반은 극한지지력에 도달하기전에 큰 침하가 발생할 가능성이 크며, 상대적으로 강도가 높은 지반은 큰 침하에 도달하기 전에 극한지지력에도달하는 경향이다.
- 그러므로 실험결과로부터 침하량에 따른 지지력을 분석하여표 6에 정리하였다. 비배수 전단강도가 증가함에 따란 선형적인 경향으로 지지력이 증가하는 결과를 보이고있으며, 침하량이 증가함에 따라 지지력의 기울기도 증가하는 경향이 나타났다.
- 두 번째로는 원심모형실험이 완료된 모형지반에서 베인실험을 실시하고 그 위치에서의 함수비를 측정하여 비배수 전단강도를 분석한 방법(그림 2의 Centrifuge model box)이다. 실험결과, 액성지수가 증가함에 따라 비배수 전단강도가 지수함수 형태로 감소하는 경향이 나타났다. 함수비에 따른 비배수 전단강도 관계를 지수함수식으로 분석한 결과, 식 (1)과 같은 결고]를 도출하였다.
- 그림 11과 같이 각 침하량별로 산정된 비배수 전단강도와 지지력과의 관계에서는 먼저, Meyerhof의 결과와 Yamanouchi의 제안식에 의한 극한 지지력은 매우 유사하게 분석되었다. 이론적인 극한지지력 산정결과에 비하여 실험결과는 Q6m의 침하량이 발생할 때까지의 지지력이 작은 결과로 나타났다. 또한, 낮은 전단강도에서는 극한지지력에 도달하기까지 보다 많은 침하량이 예상되는 반면에 비배수 전단강도가 높아짐에 따라 동일한 침하량에서 극한지지력 보다 근접한 결과가 도출되었다.
- 이와 같이 원심모형실험과 동일한 조건으로 수행한 수치해석 결과, 침하량 0.5m까지 실험과 수치해석에서 비교적 유사한 하중-침하 관계를 획득할 수 있었다. 그러므로 현장의 장비에 따른 하중이 결정되면, 실험 또는 수치해석으로 분석된 하중-침하 관계로부터 침하량을 추정하여 작업이 가능한 범위인지에 대하여 비교 검토하므로써 장비 진입에 대한 안정성을 분석할 수 있을것으로 판단된다.
- 실험결과 모두에서 극한지지력을 보이지 않고, 하중이 증가함에 따라 침하의 증가량이 점차 커지는 하중.침하 관계를 보이며, 실험 후 지반변형 형상에서 기초지반하부 쐐기가 잘 나타나지 않았다. 그러므로 표층처리된초연약지반이 국부 또는 관입전단파괴의 경향으로 진행되는 것으로 판단된다.
- 해성점토에 대해 물리적 특성을 분석하기 위해 기본 물성실험을 수행하였다’ 시료의 비중은 2.70, 액성한계는 29.0%, 소성한계는 16.5%, 소성지수 12.5로 나타났다. 입도분석 결과, 그림 1과 같은 입경가적곡선을 획득하였다 기본물성실험결과, 시료는 통일분류상 CL로 분류되었다.
후속연구
- 5m까지 실험과 수치해석에서 비교적 유사한 하중-침하 관계를 획득할 수 있었다. 그러므로 현장의 장비에 따른 하중이 결정되면, 실험 또는 수치해석으로 분석된 하중-침하 관계로부터 침하량을 추정하여 작업이 가능한 범위인지에 대하여 비교 검토하므로써 장비 진입에 대한 안정성을 분석할 수 있을것으로 판단된다.
- 1kPa의 조건을 제외하고 극한 또는 허용지지력을 분석할 수 없었다. 또한, 초연약지반의 장비진입을 위해서는 지지력 뿐 아니라 침하에서도 그 안정성을 확보해야 할 것으로 판단된다. 그러므로 실험결과로부터 침하량에 따른 지지력을 분석하여표 6에 정리하였다.
- 이와 같이 산정한 식 ⑵를 이용하면, 임의의 강도를 갖는 연약지반에서 장비진입시 장비접지압이 극한지지력 보다 작더라도 이동 및 작업이 가능한 허용 침하량에서의 지지력과 비교하여 장비의 진입 가능 여부를 분석할 수 있을 것으로 판단된다.
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