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문제 정의
- 본 연구에서는 연약지반에서 채취한 점토와 모래를 혼합하여 일정변형률(CRS) 시험을 실시하고 변형률 속도가 압밀정수에 미치는 영향과 표준압밀시험과 일정변형률(CRS) 시험으로 구한 연직압밀계수와의 상관관계를 비교분석하고자 한다.
제안 방법
- 현장 성토시공 단면과 현장계측 자료는 00지구 농업용 저수지 현장 자료를 이용하여 분석하였다 (Min과 Lee, 2008). 또한 시험조건은 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 혼합한 시료를 가지고 표준압밀시험 및 일정변형률 (CRS) 압밀시험을 실시하였다. 시료의 물리적 성질 및 입도분포곡선은 Table 1 및 Fig.
- 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.
- 표준압밀시험에서는 연직압밀계수(Cv)를 구하기 위하여t 법을 사용하였고, 전 하중 단계에서는 압밀하중과 간 극비와의 관계에서 압축지수(Cc) 및 선행압밀하중(pc), 투수계수(k)를 구하였다.
- 시료저면에서 측정된 과잉공극수압과 시료에 가해진 전응력 비 (ub/Δσ)가 30%를 넘지 않는 범위에서 시험하였다.
- 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.
- 재성형된 시료는 낮은 점성을 주기 위하여 증류수로 액성한계의 약 2배의 함수비를 가진 slurry상태로 만든 후 완전포화가 되도록 하고, 시료의 포화를 위해 압력셀의 압력과 같은 크기의 백프래셔를 24시간 가한 후 시료저면에서 공극수압을 측정하여 공극수압계수 (B)가 0.97 이상인 경우에 시험을 실시하였다. 시험시료는 표준압밀시험과 동일한 조건에서 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 변화시켰다.
- 97 이상인 경우에 시험을 실시하였다. 시험시료는 표준압밀시험과 동일한 조건에서 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 변화시켰다.
- 시료저면에서 측정된 과잉공극수압과 시료에 가해진 전응력 비 (ub/Δσ)가 30%를 넘지 않는 범위에서 시험하였다. 일정변형률 압밀시험은 Fig. 2와 같이 압축시험장치, 변위장치, 하중 로드셀, 공극수압 측정 장치, pressure system, back pressure system으로 구성되어 있고, 모든 측정자료는 컴퓨터로 자동 저장 되도록 하였다.
- ), 투수계수(k)를 구하였다. 일정변형률 압밀시험(CRS)에서 침하량을 공극비로 변화시켜 e-log p 곡선을 구하였고, 유효 응력은 시료하부에서 측정된 과잉공극수압을 이용하여 비선형 평균유효응력을 구하였다.
- 연직압밀계수(Cv)의 경우는 시료저면에서의 간극수압비, 연직응력, 평균시료높이, 시간 등을 고려하여 비선형 상태에서의 압밀계수를 이용하였다. 시험을 통해 변형률 속도와 재성형 점토, 혼합시료에 따른 침하량, 유효응력에 따른 공극비(e), 연직압밀계수(Cv), 공극수압의 변화를 비교·분석하였다.
- 연직압밀계수(Cv)의 경우는 시료저면에서의 간극수압비, 연직응력, 평균시료높이, 시간 등을 고려하여 비선형 상태에서의 압밀계수를 이용하였다. 시험을 통해 변형률 속도와 재성형 점토, 혼합시료에 따른 침하량, 유효응력에 따른 공극비(e), 연직압밀계수(Cv), 공극수압의 변화를 비교·분석하였다.
- 연직압밀계수(Cv)의 경우는 시료저면에서의 간극수압비, 연직응력, 평균시료높이, 시간 등을 고려하여 비선형 상태에서의 압밀계수를 이용하였다. 시험을 통해 변형률 속도와 재성형 점토, 혼합시료에 따른 침하량, 유효응력에 따른 공극비(e), 연직압밀계수(Cv), 공극수압의 변화를 비교·분석하였다.
- 연직배수조건하에서 일정변형률 압밀이론은 Smith와 Wahls(1969), Wissa 등(1971)을 비롯해 많은 학자들에 의해 연구되었는데 그 중에 정상상태에서의 비선형(Cv-log p) 관계의 해가 ASTM에 표준시험 해석방법으로 채택되어 현재 가장 널리 사용되고 있기 때문에 본 연구에서도 비선형 거동에 의한 압밀계수를 구하였다. 일정변형률 압밀시험은 표준압밀시험에서 발생되는 기계적 오차 및 개인적 오차를 최소화하여 연속적인 곡선을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.
- 표준압밀시험은 10~1200kPa까지 하중을 재하하였고, 일정변형률(CRS)압밀시험은 40~640kPa 하중을 재하하여 변형률-유효응력과의 관계를 나타내었다. 변형률로 표시한 이유는 재성형 점토를 시험한 결과 슬러리 상태에서는 간극비의 편차가 크기 때문에 비교분석을 위하여 변형률을 사용하였다.
- 표준압밀시험은 연직하중 10~1280kPa까지 하중증분비(Δσ/σ =1)로 하여 압밀시험을 실시하여 연직압밀계수를 산정하였고, 일정변형률 압밀시험(CRS)에서 유효응력은 시료하부에서 측정된 과잉공극수압을 고려하여 비선형 평균 유효응력을 구하였다.
- 본 연구에서는 연약지반에서 채취한 점토와 모래를 혼합하여 일정변형률(CRS) 압밀시험을 실시하고 변형률 속도가 압밀정수에 미치는 영향과 표준압밀시험과 일정변형률시험으로 구한 연직압밀계수를 비교 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
- 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 (Min과 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 (Min과 Lee, 2008). 또한 시험조건은 재성형 점토, 점토와 모래를 각각 1:1, 2:1로 혼합한 시료를 가지고 표준압밀시험 및 일정변형률 (CRS) 압밀시험을 실시하였다.
성능/효과
- 재성형 점토의 변화는 시간에 증가함에 따라 급격하게 감소하였고, 변형률 속도가 0.04%/min 일때는 느린 침하현상을 나타냈고, 0.4%/min에서는 매우 빠른 침하현상을 나타냈다. 1:1과 2:1인 경우에도 초기에는 침하량이 완만하게 감소하다가 점차로 급격하게 감소하였다.
- 전체적으로 침하량은 변형률속도가 증가함에 따라 급격하게 감소하며 뚜렷한 경향을 나타냈고, 모래의 비율이 많아질수록 약간씩 감소하는 경향을 나타냈다.
- 일정변형률 시험에서 점토인 경우(a), 변형률 속도에 따라서 압밀계수는 작고 뚜렷한 차이를 나타내지 않았고, 압밀 곡선은 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가 하였다. 점토와 모래를 각각 1:1(b)과 2:1(c)로 혼합한 시료에 대해서도 유효응력에 따른 연직압밀계수는 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가하고 큰 변화량을 나타냈지만 변형속도에 따라서는 일률적인 경향을 나타내지 않았다.
- 일정변형률 시험에서 점토인 경우(a), 변형률 속도에 따라서 압밀계수는 작고 뚜렷한 차이를 나타내지 않았고, 압밀 곡선은 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가 하였다. 점토와 모래를 각각 1:1(b)과 2:1(c)로 혼합한 시료에 대해서도 유효응력에 따른 연직압밀계수는 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가하고 큰 변화량을 나타냈지만 변형속도에 따라서는 일률적인 경향을 나타내지 않았다. 표준압밀시험에서 연직압밀계수는 매우 작고, 모래 혼합비율이 증가할수록 더 크게 나타났다.
- 점토와 모래를 각각 1:1(b)과 2:1(c)로 혼합한 시료에 대해서도 유효응력에 따른 연직압밀계수는 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가하고 큰 변화량을 나타냈지만 변형속도에 따라서는 일률적인 경향을 나타내지 않았다. 표준압밀시험에서 연직압밀계수는 매우 작고, 모래 혼합비율이 증가할수록 더 크게 나타났다.
- 이때 만일 과잉공극수압 증가량이 전응력 증가량과 같아지면 압밀이 발생되지 않는다. 전체적으로 유효응력이 증가할수록 연직압밀계수는 감소하다가 선행압밀응력부근에서 다시 증가하는 경향을 나타냈고, 모래의 혼합비율이 증가함에 따라 연직압밀계수 값이 커짐을 알 수 있다. 이와 같은 원인은 투수성이 증가할수록 압밀시간이 단축되어 압밀계수의 변화를 가져오기 때문이고, 이런 결과를 나타내는 편차의 큰 요인은 시료의 불균질성, 성형시의 시료 교란, 각 실험 방법 적용시 발생 가능한 편차와 압밀계수 평가방법의 한계 등으로 판단된다.
- 과잉공극수압은 초기시간에 매우 빠르게 증가하고, 변형률이 0.4%/min를 제외하고는 변형 속도가 빠를수록 과잉 공극수압은 빠르게 증가하는 것으로 나타났다. 불교란시료에서는 변형률 속도가 빠를수록 과잉공극수압이 크게 발생되고, 재성형시료에서는 속도가 비슷한 경우를 비교하면 불교란 시료에 비하여 매우 크게 나타난다.
- 점토의 경우(a)는 모든 시험방법에서 유효응력이 증가함에 따라 변형률은 직선적으로 감소하였고, 표준압밀시험은 변형률이 크지만 일정변형률압밀시험에서는 변형률이 작고 두 시험은 큰 차이를 나타내었다. 모래 혼합비율이 1:1인 경우(b)는 유효응력이 증가함에 따라 변형률의 감소폭이 유사하게 나타났다.
- 전체적으로 유효응력이 증가함에 따라 변형률은 직선적으로 감소하였고, 표준압밀시험은 크게 나타났지만, 일정변형률 압밀시험에서는 작게 나타났다. 변형률이 큰 요인은 슬러리 상태에서 시료교란, 성형조건, 불균질성 등으로 판단되며, 모래 함유량이 높아질수록 점차적으로 기울기 값이 작게 나타나는데 이는 결국 압축지수가 작아져 압밀침하량이 작게 나타나는 결과를 초래한다.
- 전체적으로 압밀계수는 일정변형률 압밀시험에서는 유효응력의 증가함에 따라 표준압밀시험보다는 급격한 증가현상을 나타냈고, 압밀계수의 범위도 큰 차이를 나타내었다.
- 1. 침하량은 변형률 속도가 빠를수록 침하속도도 빠르고 급격한 침하량을 나타냈고, 모래의 혼합비율이 증가할수록 변형률 속도에 대한 영향은 약간씩 감소하였다.
- 2. 공극비는 유효응력의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내지만, 일정변형률(CRS)압밀시험에서는 변형률 속도에 따라서 뚜렷한 차이를 나타내지 않았고, 공극비의 감소폭도 표준압밀시험에 비하여 작게 나타났다.
- 3. 유효응력에 따른 연직압밀계수는 선행압밀응력 부근에서 급격하게 증가하였고, 변형속도에 따라서는 뚜렷한 경향을 나타내지 않았으며, 모래의 혼합비율이 증가함에 따라 연직압밀계수는 더 크게 나타났다.
- 4. 시간에 따른 과잉공극수압은 변형 속도가 빠를수록 빠르게 증가하고, 선행압밀응력에 도달된 후에도 변형속도에 관계없이 계속해서 과잉공극수압이 증가하였다.
- 5. 유효응력이 증가함에 따라 변형률은 모든 혼합비율에서 일정하게 감소하였고, 표준압밀시험은 크고 일정변형률 시험에서는 작게 나타났다.
- 6. 일정변형률 압밀시험에서의 압밀계수는 표준압밀시험보다 급격한 증가현상을 나타냈고, 연직 압밀계수비는 매우 큰 차이를 나타나서 연약지반개량공법 설계시 신중하게 선정하여야 할 것으로 판단된다.
- 두 시험방법 모두 유효응력의 증가에 따라 공극비는 점차로 감소하는 일반적인 경향을 나타내지만, 일정변형률(CRS)압밀시험에서는 변형률속도 변화에 따라서 뚜렷한 차이를 나타내고 않았고, 공극비의 감소량도 표준압밀시험보다는 작게 나타났다. 표준압밀시험에서는 점토(a), 점토와 모래를 각각 2:1(c)로 혼합한 시료에 대해서 유효응력에 따른 공극비는 매우 크게 감소하였다.
- 일정변형률 압밀시험에서는 변형률 속도 증가에 의한 공극수압 소산속도가 증가되어 일반적으로 표준압밀시험보다 약간 큰 기울기 값을 나타낸다. 따라서 이때의 압축지수 값을 사용하면 표준압밀시험에서 구한 침하량보다 더 커지는 결과를 나타내지만, 본 실험에서는 이와는 반대로 매우 작은 공극비의 변화를 나타냈다. 이러한 원인은 교란된 시료는 압밀중 전이영역에서는 입자의 이동이 공극수압 소산속도에 크게 영향을 미치고 있기 때문이라고 판단된다.
후속연구
- 그러나 지반정수와의 상관관계, 교란영향, 시험 결과에 대한 신뢰성 여부 등으로 인하여 현장에 적용하기에는 아직 많은 문제점이 발생되고 있다. 따라서 본 연구결과는 일반도로, 농업용 저수지 및 소규모 방조제 등의 압밀완료시점을 정확히 파악하여 합리적인 연약지반 설계기법을 개선과 동시에 공사기간 단축 및 공사비 절감 등의 경제적인 효과도 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- )가 큰 차이가 나타났고, 이로 인해 재성형 시료를 액성한계이상으로 성형함으로써 강도가 저하되고 이에 따라 압밀계수 값이 증가한 것으로 보인다. 또한 투수성이 증가할수록 압밀시간이 단축되어 압밀계수의 변화를 가져오기 때문이고, 이런 결과를 나타내는 편차의 큰 요인은 시료의 불균질성, 각 실험 방법 적용 시 발생 가능한 편차와 압밀계수 평가방법의 한계 등으로 판단된다. 그리고 표준압밀시험 및 일정변형률 압밀시험에서 구한 연직압밀계수비는 큰 차이를 나타나서 압밀소요시간이 다르게 계산되기 때문에 연약지반개량공법 설계시 신중하게 고려해서 선정하여야 할 것으로 판단된다.
- 또한 투수성이 증가할수록 압밀시간이 단축되어 압밀계수의 변화를 가져오기 때문이고, 이런 결과를 나타내는 편차의 큰 요인은 시료의 불균질성, 각 실험 방법 적용 시 발생 가능한 편차와 압밀계수 평가방법의 한계 등으로 판단된다. 그리고 표준압밀시험 및 일정변형률 압밀시험에서 구한 연직압밀계수비는 큰 차이를 나타나서 압밀소요시간이 다르게 계산되기 때문에 연약지반개량공법 설계시 신중하게 고려해서 선정하여야 할 것으로 판단된다.
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