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문제 정의
- 식 (8)과 (9)와 같다. 본 논문에서는 Morris(2002)가 제안한 간편 압밀이론해의 적용성을 평가하고자 일련의 실내 자중압밀실험결과와 비교하였다. Morris(2002) 의 간편 이론해를 구하기 위해서 동반논문(곽태훈 등, 2011)에서 구한 인천 준설토와 카올리나이트 시료의 비선형 유한변형 압밀 물성치를 적용하였다.
- 모아지고 있다. 본 연구에서는 인공적으로 조성된 Craney Island의 사례분석을 통하여 적절한 비선형 유한변형 압밀 파라메터 선정의 중요성과 PSDDF를 이용한 준설 매립지반의 압밀거동 평가의 적용성을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀 거동을 평가하기 위해 단순화된 Morris의 간편 이론해와 PSDDF 해석방법이 제시되었다 이를 위해 동반논문에서 얻어진 초기간극비, 비선형의 간극비-유효 응력 관계와 간극비-투수계수 관계를 적용하여, 실제 준설 매립지반의 장기간 비선형 유한변형 압밀거동을 모사하는데 두 방법의 적용 가능성을 보였다. 또한, Craney Island 준설매립장 사례분석을 통하여 PSDDF의 적용성을 평가하여 다음과 같은 결론을 제시하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 동반논문인 곽태훈 등(2011)이 제안한 일련의 실내시험을 통해 얻어진 인천 준설토와 카올리나이트 시료의 초기간극비, 간극비-유효응력 관계와 간극비-투수계수 관계 등의 비선형 압밀 물성치를 적용하여 Morris의 이론해와 PSDDF 프로그램을 통해 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동 평가를 위한 실무적인 해석 및 해석절차를 제안하였다. 전술한 해석 결과는 인천 준설토와 카올리나이트 시료에 대해 수행된 일련의 실내 자중압밀 시험결과와의 비교를 통해 본 논문에서 제안된 비선형 유한변형 압밀 해석 수행 기법의 타당성을 검증하였다.
- 또한, 비선형 유한변형 압밀해석 프로그램인 PSDDF 의 적용성을 제시하기 위해 Craney Island 인공섬 사례분석을 수행하였다. 이 사례분석에서는 미국 버지니아주에 소재한 Craney Island 준설매립장의 장기 침하 거동을 PSDDF를 사용하여 예측하고 최근까지의 현장 실측자료와 비교하였다.
- 수행하였다. 이 사례분석에서는 미국 버지니아주에 소재한 Craney Island 준설매립장의 장기 침하 거동을 PSDDF를 사용하여 예측하고 최근까지의 현장 실측자료와 비교하였다. Craney Island 준설매립장은 미국 버지니아주 노포크 근처에 위치하고 1956년부터 인근 수로와 항구로부터 준설된 토사가 매립 저장되고 있다(최항석과 Stark, 2005; Cargill, 1986; Stark 등, 1994).
- 따라서 실제 초연약지반의 압밀거동을 예측하기 위해서는 간극비-유효응려 간극비-투수계수 관계의 비선형성을 고려한 유한변형 압밀이론의 적용이 필요하다 간극비-유효응력, 간극비-투수계수의 관계를 선형으로 가정한 Terzaghi 압밀이론의 한계를 극복하기 위하여 Gibson 등(1967)은 비선형 유한변형 압밀이론을 제시하였다. 침하량이 큰 초연약지반의 특성상, 시간의 변화에 따라 경계좌표가 변하는 유동좌표계(convective coordinate)를 적용해야 하지만, 해석의 편의를 위해 시-간에 따라 변하지 않는 물질좌표계 또는 축소좌표계 (material or reduced coordinate)를 도입하였다(그림 ] 참조). 물질좌표계는 오직 흙 입자만의 부피를 표현하므로 시간, 변위에 관계없이 일정하다.
- 이용하였다. 또한, 비선형 유한변형 압밀 이론식에 다음과 같은 비선형계수 g(e)와 Xe)를 도입하였다.
- Morris의 간편 이론해와 PSDDF 프로그램을 이용하여 준설매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동 특성을 평가하기 위해서 인천 준설토와 카올리나이트 시료에 대해 일련의 실내 자중압밀실험을 수행하였다. 자중 압밀 실험장비는 지름 15cm, 높이 10cm의 투명 아크릴로 제작하였고 깊이별 간극수압 측정을 위해 각 아크릴 셀마다 간극수압 측정용 벨브를 설치하였다.
- 자중 압밀 실험장비는 지름 15cm, 높이 10cm의 투명 아크릴로 제작하였고 깊이별 간극수압 측정을 위해 각 아크릴 셀마다 간극수압 측정용 벨브를 설치하였다. 각 아크릴 셀을 직렬로 연결함으로서 임의 높이의 자중압밀 실험 장치를 구성할 수 있다.
- 각 아크릴 셀을 직렬로 연결함으로서 임의 높이의 자중압밀 실험 장치를 구성할 수 있다. 초기 시료높이 30cm와 100cm 두 가지 경우에 대해 실험이 수행되었다. 100cm 자중 압밀 장치는 그림 2에서 볼 수 있다.
- 100cm 자중 압밀 장치는 그림 2에서 볼 수 있다. 즉, 표 1과 같이 인천준설토는 30cm 높이의 일면 및 양면배수 조건으로, 카올리나이트는 30cm높이 및 100cm 높이에 대하여 일면 및 양면배수 조건으로 각각 실시하였다 인천 준설토와카올리나이트 시료는 동반논문(곽태훈 등, 2011) 에서구한 초기간극버](인천 준설토 %。=7.29, 카올리나이트 %。=7.38)에 해당하는 함수비를 각각 적용하여 시료를 조성한 후 자중압밀실험을 수행하였다.
- 00247如2/!讪이다. 산정된 유한변형 압밀계수0)를 Morris(2002)의 간편 이론해에 적용하여 시간에 따른 계면고 높이를 구하고 실내 자중 압밀 실험결과와 비교하였다. 카올리나이트 시료 100cm 높이 이외의 경우도 동일한 과정으로 Morris(2002) 의 간편 이론해를 구할 수 있고 이 결과들을 실내 자중 압밀 시험 결과와 더불어 그림 7부터 11까지 비교하였다.
- 4x10%?의 준설토가 매립되어 10-12m 두께의 준설 매립층이 30-37m 두께의 연약한 해성점토 원 지반 위에 형성되어 있다. 매립초기에는 이 CIDMMA가 2000년경에 매립 한계고(평균해수면에서부터 9.2m)에 이를 것으로 예측되었으나, 전술한바와 같이 기존 매립시설의 수명연장이 요구되어 미공병단은 CIDMMA에 오직 제한적으로 준설토를 선별하여 매립하는 프로그램(RUP)을 시행하였다. 특히, 1984년부터는 두 개의 중간제방을 건설하여 8.
- 3m에 도달하면 남쪽구획에 매립한다. 다시 남쪽구획의 매립고가 0.3m에 도달하면 이번에는 북쪽구획으로 옮겨감으로서 각 구획에 자중 압밀과 배수 그리고 증발산에 의한 토체의 추가 체적감소가 충분히 발생할 수 있는 시간을 확보하도록 준설 매립을 운영하였다. 그림 15의 CIDMMA 계획도와 항공사진에서 이 세부분의 구획을 볼 수 있다.
- 04로 산정되었다. 준설토 표면 건조에 영향을 미치는 인자(예를 들어, 표층 배수효율)는 적극적인 표면 배수조건을 반영하기 위해 100%로 두고, 나머지 최대 증발효율, 건조시 포화도, 최대 건조층(crust) 두께 등은 미공병단의 추천치를 적용하였다.
- 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동 모사를 위한 PSDDF의 적용성을 평가하기 위해 CIDMMA의 장기 침하거동을 PSDDF로 예측하고 이를 현장 계측값과 비교하였다. 이 사례분석에서는 준설 매립지반의 일차 및 이차압밀을 고려하고 1992년부터 2002년까지의 실제 매립일정을 적용하여 PSDDF해석을 수행하였다.
- 비교하였다. 이 사례분석에서는 준설 매립지반의 일차 및 이차압밀을 고려하고 1992년부터 2002년까지의 실제 매립일정을 적용하여 PSDDF해석을 수행하였다. 1956년 10월부터 1983년 10월까지 준설매립 일정과 압밀침하에 의한 계면고 변화에 대한 수치해석 결과와 현장 계측치 비교를 그림 17에 나타냈다.
- 두 방법의 적용 가능성을 보였다. 또한, Craney Island 준설매립장 사례분석을 통하여 PSDDF의 적용성을 평가하여 다음과 같은 결론을 제시하였다.
대상 데이터
- PSDDF 해석에 필요한 준설토의 초기간극비는 6.5이고, 간극비-유효응력 관계와 간극비-투수계수 관계는 Stark 등 (2005b)과 동반논문(곽태훈 등, 2011)의 그림 5와 8에 제시한 "Craney Island, 자료를 적용하였다. 기타 입력 물성치는 표 2에 정리하였다.
데이터처리
- 산정된 유한변형 압밀계수0)를 Morris(2002)의 간편 이론해에 적용하여 시간에 따른 계면고 높이를 구하고 실내 자중 압밀 실험결과와 비교하였다. 카올리나이트 시료 100cm 높이 이외의 경우도 동일한 과정으로 Morris(2002) 의 간편 이론해를 구할 수 있고 이 결과들을 실내 자중 압밀 시험 결과와 더불어 그림 7부터 11까지 비교하였다.
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3. PSDDF 해석결과와 자중압밀 실험결과 비교
비선형 유한변형 압밀해석 프로그램인 PSDDF의 적용성을 평가하기 위하여 카올리나이트 100cm시료에 대한 양면배수 자중압밀 실험결과(그림 5)를 동일 조건에서의 PSDDF 해석결과와 비교하였다. PSDDF 해석을 이용하여 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동을 평가하기 위해서는 초기간극비, 간극비-유효응력, 간극비후수계수 관계가 입력 물성치로 필요하다.
- 그림 17의 1983년까지 해석결과를 PSDDF 의 RESTART 옵션을 통해 추가해석의 입력값으로로 적용하고 미공병단에서 제안한 순환 매립방식을 고려하여 1983년 이후의 해석이 수행되었다. 순환 매립방식에 따라 1983년 10월부터 2070년까지 CIDMMA 북쪽구획에 대한 준설 매립 일정과 압밀침하에 의한 계면고 변화에 대한 수치해석 결과와 현장 계측치 비교를 그림 18에 나타냈다.
이론/모형
- 본 논문에서는 Morris(2002)가 제안한 간편 압밀이론해의 적용성을 평가하고자 일련의 실내 자중압밀실험결과와 비교하였다. Morris(2002) 의 간편 이론해를 구하기 위해서 동반논문(곽태훈 등, 2011)에서 구한 인천 준설토와 카올리나이트 시료의 비선형 유한변형 압밀 물성치를 적용하였다.
- 본 논문에서는 지면의 제한으로 카올리나이트 100cm 시료의 양면배수 조건에 대한 Moms(2002) 간편 이론식적용 과정만을 설명한다. 다른 조건에 대해서도 동일한 과정으로 해석을 수행할 수 있다.
- PSDDF 해석을 이용하여 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동을 평가하기 위해서는 초기간극비, 간극비-유효응력, 간극비후수계수 관계가 입력 물성치로 필요하다. 카올리나이트 시료에 대한 상기 비선형 유한변형 압밀 물성치는 동반논문(곽태훈 등, 2011)에서 구한 초기간극비(%。=7.38)과 간극비-유효응력, 간극비-투수계수 관계를 적용하였다.
성능/효과
- 해석 및 해석절차를 제안하였다. 전술한 해석 결과는 인천 준설토와 카올리나이트 시료에 대해 수행된 일련의 실내 자중압밀 시험결과와의 비교를 통해 본 논문에서 제안된 비선형 유한변형 압밀 해석 수행 기법의 타당성을 검증하였다.
- Craney Island 준설매립장은 미국 버지니아주 노포크 근처에 위치하고 1956년부터 인근 수로와 항구로부터 준설된 토사가 매립 저장되고 있다(최항석과 Stark, 2005; Cargill, 1986; Stark 등, 1994). PSDDF로 예측한 각 시기별 계면고 높이는 현장 실측된 자료와 잘 일치함을 보였다.
- 일면 및 양면배수 조건으로 수행한 30cm, 100cm 높이의 자중압밀 실험결과에서 시간에 따른 계면고의 변화는 배수거리 차이로 인해 상하부 양면배수 조건이 상부 일면배수 조건보다 자중압밀 속도가 현저히 빠름을 알 수 있다. 또 하나의 흥미로운 결과는 양면배수 조건과 일면배수 조건의 압밀속도 뿐 아니라 최종 침하량도 양면 배수 조건이 일면배수 조건보다 다소 크게 측정 됨을 볼 수 있다.
- 수 있다. 또 하나의 흥미로운 결과는 양면배수 조건과 일면배수 조건의 압밀속도 뿐 아니라 최종 침하량도 양면 배수 조건이 일면배수 조건보다 다소 크게 측정 됨을 볼 수 있다. 특히, 이러한 경향은 카올리나이트가 인천 준설토 보다 그리고 초기 시료높이가 100cm인 경우가 30cm인 경우보다 현저한데, 이는 양면배수시, 하방향으로 침투가 발생하여 하뱡향 침투수력(seepage force) 에 의한 추가된 유효응력 때문으로 볼 수 있다.
- 순환 매립방식에 따라 1983년 10월부터 2070년까지 CIDMMA 북쪽구획에 대한 준설 매립 일정과 압밀침하에 의한 계면고 변화에 대한 수치해석 결과와 현장 계측치 비교를 그림 18에 나타냈다. 마지막 계면고 현장계측은 2000년 4월에 수행되었고, 그림 18에서 보듯이 PSDDF 해석결과가 계면고 계측값과 잘 일치함을 알 수 있다. CIDMMA에서 계획된 허용매립 계면고는 평균해수면에서부터 9.
- (1) 인천 준설토와 카올리나이트 시료에 대한 일면 및 양면배수 조건으로 수행한 30cm, 100cm 높이의 자중압밀 실험결과, 일반적으로 예측할 수 있듯이 시간에 따른 자중압밀 속도 비교는 배수 거리 차이로 인해 상하부 양면배수 조건이 상부 일면 배수 조건보다 매우 빠름을 확인하였다. 또한, 양면배수 경우에는 하방으로 침투수력이 작용하여 상부 일면배수 경우보다 다소 큰 유효응력이 발현되어 상대적으로 큰 최종침하량이 측정되었다.
- 또한, 양면배수 경우에는 하방으로 침투수력이 작용하여 상부 일면배수 경우보다 다소 큰 유효응력이 발현되어 상대적으로 큰 최종침하량이 측정되었다.
- (3) 양면배수 조건으로 카올리나이트 100cm 시료에 대한 PSDDF 해석결과는 동일한 조건에서 얻어진 Morris(2002)의 간편 이론해 보다 모든 압밀도에서 실내 자중압밀 실험결과와 비교적 잘 일치하였다. 이는 PSDDF 해석에서는는 각 압밀 단계에서 비선형 유한변형 구성관계식을 유한 차분한 해석 결과를 반영함으로서 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동을 보다 정확히 예측할 수 있기 때문이다.
- (4) 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동 모사를 위한 PSDDF의 적용성을 평가하기 위해 Craney Island 준설매립장 사례분석에서, 실제 현장에 적용된 준설토 매립일정과 일차 및 이차 압밀침하를 고려한 PSDDF해석은 현장에서 계측한 시간에 따른 계면고 변화를 비교적 정확하게 예측하였다. 따라서, 비선형 유한변형 압밀해석 프로그램인 PSDDF를 다양한 준설토 매립조건에 대해 적용한다면, 설계 단계에서 준설매립장의 장기 침하 거동을 보다 정밀하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 이는 Morris(2002) 의 간편 압밀 이론해에서는 평균 압밀도(압밀도 50%) 시점에 산정한 유한변형 압밀계수를 모든 압밀 구간에 적용하여 단순화 시킨 것에 비하여, PSDDF는 각 압밀 단계에서 비선형 유한변형 구성관계식을 유한 차분한 해석 결과를 반영함으로서 준설 매립지반의 비선형 유한변형 압밀거동을 보다 정확히 예측할 수 있기 때문이다. 실내 시험을 통해 산정한 비선형 압밀 물성치를 PSDDF 해석에 적용하여 실제 대심도 준설 매립지반의 압밀 거동을 비교적 정확히 예측할 수 있을 것이라 판단된다.
- 예측하였다. 따라서, 비선형 유한변형 압밀해석 프로그램인 PSDDF를 다양한 준설토 매립조건에 대해 적용한다면, 설계 단계에서 준설매립장의 장기 침하 거동을 보다 정밀하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
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