[논문]삼축압축시험을 통한 모래다짐말뚝 공법과 팩말뚝 공법의 거동특성 비교

유완규; 김병일; 이승현

doi:10.5762/kais.2010.11.10.4012

문제 정의

이 연구에서는 기존 사용되던 모래다짐말뚝과 새로운 공법인 팩 말뚝이 시공된 복합지반의 강도 및 거동특성을 비교하기 위하여 인위적인 복합토 시료를 만들어 삼축압축시험을 실시하였다. 기존 고 치환율(a_s ) 모래다짐말뚝을 대체할 수 있는 저치환율 모래-팩-점토 복합토의 적용성 파악을 위하여 10% 및 20%의 저 치환율로 조성된 모래-점토, 모래-팩-점토 복합토의 삼축압축시험을 실시하였으며, 모래-팩-점토 복합토의 경우 인장강도가 다른 두 종류의 팩을 이용하여 팩의 인장강도에 따른 거동 특성을 파악하였다.
이 연구에서는 연약지반에 팩 말뚝이 시공된 복합지반을 모사하는 모래-팩-점토 복합토와 모래다짐말뚝이 시공된 복합지반을 모사하는 모래-점토 복합지반에 대하여 삼축압축시험을 실시하여 두 공법의 강도특성을 비교하고자 하였다.

제안 방법

④ 시료 외부에 필터페이퍼를 부착하고 시료를 삼축실에 안치한 후 시료를 일정압력(100, 200, 300kPa)으로 등방압밀의 과정을 거쳐 비배수 상태(CU Test)에서 변위를 제어하여 0.1%/min의 전단속도로 변형률 15%까지 시험을 실시한다.
이 연구에서는 기존 사용되던 모래다짐말뚝과 새로운 공법인 팩 말뚝이 시공된 복합지반의 강도 및 거동특성을 비교하기 위하여 인위적인 복합토 시료를 만들어 삼축압축시험을 실시하였다. 기존 고 치환율(a_s ) 모래다짐말뚝을 대체할 수 있는 저치환율 모래-팩-점토 복합토의 적용성 파악을 위하여 10% 및 20%의 저 치환율로 조성된 모래-점토, 모래-팩-점토 복합토의 삼축압축시험을 실시하였으며, 모래-팩-점토 복합토의 경우 인장강도가 다른 두 종류의 팩을 이용하여 팩의 인장강도에 따른 거동 특성을 파악하였다.
모래는 2mm 이하의 시료를 사용하기 위해여 체가름을 실시하였다. 모래 시료의 최대건조단위중량은 몰드의 외벽을 타격봉으로 두드려 다짐하는 타격봉시험으로, 최소건조단위중량은 몰드 바닥에서부터 깔때기를 대고 시료를 채우는 깔때기 채우기 시험으로 구하였다[3]. 시험에 사용한 점토와 모래 재료의 특성값을 정리하면 표 1과 같고, 두 재료의 입도분포곡선은 그림 1과 같다.
모래-팩-점토 복합토의 삼축압축시험에 사용될 팩재질을 선택하기 위해 흔히 사용되고 있는 기성제품 4종류에 대하여 인장강도 및 신도시험을 실시한 후 적절한 강도를 갖는 두 개(sample #2, #3(사진 1))의 폴리프로필렌 매트(Poly Propylene mat)를 선택하였다. 선택된 섬유샘플은 시험에 적정한 크기로 재단하여 ‘Flat’봉합[4]을 하였으며 봉합부의 봉합강도시험을 실시하여 섬유의 인장강도와 봉합강도를 비교하였다.
선택된 섬유샘플은 시험에 적정한 크기로 재단하여 ‘Flat’봉합[4]을 하였으며 봉합부의 봉합강도시험을 실시하여 섬유의 인장강도와 봉합강도를 비교하였다. 봉합강도시험결과 봉합강도가 섬유의 인장강도보다 작은 것으로 나타나 이 연구에서는 섬유의 인장강도로 섬유의 봉합강도를 적용하였다. 선정된 섬유의 인장강도와 인장신도 및 봉합강도는 표 2와 같다.
선택된 섬유샘플은 시험에 적정한 크기로 재단하여 ‘Flat’봉합[4]을 하였으며 봉합부의 봉합강도시험을 실시하여 섬유의 인장강도와 봉합강도를 비교하였다.
이 연구에서는 팩 말뚝과 모래다짐말뚝의 강도 및 거동특성을 비교하기 위해 치환율 10% 및 20%로 조성된 모래-점토 복합지반 및 모래-팩-점토 복합지반의 시료에 대하여 일련의 삼축압축시험을 수행하였으며, 연구결과 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
복합토(모래-점토, 모래-팩-점토)에 대하여 표준 삼축압축시험 방법에 따라 압밀 비배수 시험(CU test)을 실시하였다. 치환율 10, 20%로 조성된 모래-점토 복합토와 두 종류의 섬유(sample #2, #3)로 조성된 치환율 10, 20%의 모래-팩-점토 복합토를 구속압력 100, 200, 300 kPa로 압밀 비배수 시험을 실시하였다. 시험순서는 다음과 같다.

대상 데이터

모래-점토, 모래-팩-점토 복합토의 삼축압축시험에서 사용된 흙은 부산연약지반에서 채취한 해상점토 그리고 시험을 위해 적당한 입도로 체가름한 모래가 사용되었다. 점토의 경우 균질한 재료를 얻기 위해 불순물을 제거하고 재료를 끓여서 포화도를 높였다.

이론/모형

복합토(모래-점토, 모래-팩-점토)에 대하여 표준 삼축압축시험 방법에 따라 압밀 비배수 시험(CU test)을 실시하였다. 치환율 10, 20%로 조성된 모래-점토 복합토와 두 종류의 섬유(sample #2, #3)로 조성된 치환율 10, 20%의 모래-팩-점토 복합토를 구속압력 100, 200, 300 kPa로 압밀 비배수 시험을 실시하였다.

성능/효과

(1) 삼축압축시험 결과, 모래-점토 복합토에 비해 모래-팩-점토 복합토의 강도가 치환율 10% 및 20% 모두에서 훨씬 크게 측정되어 팩말뚝이 모래다짐말뚝보다 큰 지지력을 갖는다는 것을 확인하였다.
(2) 모래-팩-점토의 삼축압축시험 결과 치환율 10%에서는 팩의 인장강도와 상관없이 두 시료가 거의 같은 강도를 갖는 것으로 나타났는데 이것은 모래 다짐말뚝에서는 벌징(bulging)파괴가 발생하지만 팩 말뚝에서는 좌굴파괴가 발행하기 때문으로 판단된다.
(3) 전형적인 정규압밀점토의 응력경로를 보이는 점토 시료와는 달리 모래-점토 및 모래-팩-점토 복합토의 경우 치환율의 증가에 따라 과압밀점토의 응력 경로에 가까운 형태를 갖으며, 같은 치환율에서는 구속압력이 작을수록 과압밀점토의 경향을 갖는 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이 점토의 경우 전형적인 정규압밀점토의 응력경로를 나타내고 있다. 모래-점토 및 모래-팩-점토 복합토의 경우 치환율의 증가에 따라 조금 더 과압밀점토의 응력경로에 가까운 형태를 갖는 것을 확인할 수 있었으며 같은 치환율에서는 구속압력이 작을수록 과압밀점토의 경향을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 모래-점토와 모래-팩-점토 복합토의 응력경로가 과압밀점토의 경향을 갖는 것은 서로 다른 요인에 의해 의한 것이라고 볼 수 있는데 모래-점토 복합토의 경우 치환율의 증가에 따라 모래의 다일러턴시 현상에 의해 과잉간극수압이 감소하여 과압밀점토에 가까운 경향을 나타내는 반면 모래-팩-점토 복합토의 경우 치환율이 증가 하더라도 과잉간극수압은 거의 일정하였으며 치환율의 증가에 따른 축차응력 증가양상의 변화에 의해 응력경로가 변화되어 과압밀점토의 경향을 나타내는 것으로 판단되었다.
이러한 결과는 팩의 인장강도가 팩의 파괴 전까지는 모래-팩-점토 복합토의 거동에 큰 영향을 미치지 않기 때문인 것으로 판단된다. 모래-팩-점토 복합토는 모래-점토 복합토에 비해 치환율 10%의 경우 약 2배, 20%의 경우 약 3배가량 압축응력이 큰 것으로 확인되어(변형률 15% 기준) 팩 말뚝공법은 SCP공법에 비해 지지력 측면에서 좋은 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 치환율 10%의 경우 팩의 인장강도가 다르더라도 두 시료가 거의 같은 값을 나타내는 것을 볼 수 있는데 이는 팩 말뚝이 좌굴파괴되어 팩의 인장강도가 발휘되지 못했기 때문인 것으로 추정된다.
그림에서 보는 바와 같이 모래-점토 복합토가 변형률 13% 부근에서 파괴되는 것과는 달리 모래말뚝을 팩으로 보강했을 때는 변형률의 증가에 따라 압축 응력이 계속 증가하는 양상을 나타내는 것을 알 수 있다. 모래-팩-점토 복합토의 치환율 10%의 경우 변형률 15% 부근에서 시료의 좌굴로 인한 파괴가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 치환율 20%의 경우 팩 #2, #3 모두 변형률이 15% 이상 발생하여도 시료는 파괴에 이르지 않고 거의 유사한 거동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 팩의 인장강도가 팩의 파괴 전까지는 모래-팩-점토 복합토의 거동에 큰 영향을 미치지 않기 때문인 것으로 판단된다.
삼축압축시험의 결과로 얻어진 강도정수를 표 3에 나타내었다. 표 3에서 보는 바와 같이 점토의 강도정수보다는 모래-점토 복합토의 강도정수가, 모래-점토 복합토의 강도정수보다는 모래-팩-점토 복합토의 강도정수가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 하지만 모래-팩-점토 복합 토에 대한 강도정수의 경우 치환율 10%에서는 팩의 인장강도와 상관없이 거의 비슷한 값을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 치환율 20%에서는 Pack #3은 점착절편(c, c′)이 Pack #2에 비해 크게 나타난 반면 전단저항각(Ø, Ø′)은 작은 것으로 나타났다.
모래-점토 및 모래-팩-점토 복합토의 경우 치환율의 증가에 따라 조금 더 과압밀점토의 응력경로에 가까운 형태를 갖는 것을 확인할 수 있었으며 같은 치환율에서는 구속압력이 작을수록 과압밀점토의 경향을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 모래-점토와 모래-팩-점토 복합토의 응력경로가 과압밀점토의 경향을 갖는 것은 서로 다른 요인에 의해 의한 것이라고 볼 수 있는데 모래-점토 복합토의 경우 치환율의 증가에 따라 모래의 다일러턴시 현상에 의해 과잉간극수압이 감소하여 과압밀점토에 가까운 경향을 나타내는 반면 모래-팩-점토 복합토의 경우 치환율이 증가 하더라도 과잉간극수압은 거의 일정하였으며 치환율의 증가에 따른 축차응력 증가양상의 변화에 의해 응력경로가 변화되어 과압밀점토의 경향을 나타내는 것으로 판단되었다.

후속연구

하지만 아직 팩 말뚝 공법에 대한 많은 연구가 진행되지 않아 팩 말뚝이 시공된 지반의 거동특성을 예측한다는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 팩 말뚝이 시공된 복합지반의 거동특성을 파악하기 위해서는 많은 연구가 수행되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팩 말뚝 공법의 목적은 무엇인가	국내외에서 최근 새로운 공법으로 개발되고 있는 팩 말뚝(pack pile)공법이 있다. 팩 말뚝 공법은 골재말뚝의 외벽을 소정의 인장강도를 갖는 토목섬유로 보강하여 속 채움 재료의 소모량을 줄이면서 지반의 지지력 및 전단 저항을 증가시키고, 압밀침하량을 감소시키는데 그 목적이 있다[2]. 하지만 아직 팩 말뚝 공법에 대한 많은 연구가 진행되지 않아 팩 말뚝이 시공된 지반의 거동특성을 예측한다는 것은 매우 어려운 일이다.
	우리나라 해안지대의 연약지반을 개량하는 공법은 무엇이 있는가	우리나라 해안지대의 연약지반을 개량하는 공법으로 최근까지 모래다짐말뚝(sand compaction pile)공법, 자갈 다짐말뚝(gravel compaction pile)공법, 쇄석기둥(stone column)공법 등이 자주 사용되어 왔다[1]. 하지만 이러한 공법들은 자원의 고갈 현상 및 재료의 가격이 날로 상승하고 있으며, 공사에 필요한 재료를 충분히 확보하기가 어려워 이러한 공법들을 대체할 수 있는 공법에 대한 연구에 관심이 높아지고 있다.
	우리나라 해안지대의 연약지반을 개량하는 공법 중 모래다짐말뚝공법, 자갈다짐말뚝공법, 괘석기등공법의 문제점은 무엇인가	우리나라 해안지대의 연약지반을 개량하는 공법으로 최근까지 모래다짐말뚝(sand compaction pile)공법, 자갈 다짐말뚝(gravel compaction pile)공법, 쇄석기둥(stone column)공법 등이 자주 사용되어 왔다[1]. 하지만 이러한 공법들은 자원의 고갈 현상 및 재료의 가격이 날로 상승하고 있으며, 공사에 필요한 재료를 충분히 확보하기가 어려워 이러한 공법들을 대체할 수 있는 공법에 대한 연구에 관심이 높아지고 있다.

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