[논문]모래로 치환된 점토지반의 지지력비에 따른 얕은 기초의 지지력 특성

하영민; 정민형; 신효희; 이송

doi:10.7843/kgs.2011.27.11.017

모래로 치환된 점토지반의 지지력비에 따른 얕은 기초의 지지력 특성
Characteristic of Bearing Capacity of Shallow Foundation upon Clay Ground Replaced by Sands Depending on Bearing Capacity Ratio 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.27 no.11, 2011년, pp.17 - 25

하영민 (에스코 컨설턴트 에스코 부설 기술연구소) , 정민형 (현대건설 연구개발실) , 신효희 (서울시립대학교 토목공학과) , 이송 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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본 연구는 모래로 부분치환된 점토지반 위의 줄기초의 지지력 특성에 대한 것이다. 극한 지지력을 구하기 위해 FEM해석을 사용하였으며 부분치환은 기초의 폭의 비와 양단의 경사로 정의 하였다. B'=inf인 경우는 모래층이 점토층과 같은 반무한체인 경우로 이 때의 극한 지지력이 부분치환된 지반에서의 극한 지지력과 비교를 위해 사용하였다. 지지력 효율 ${\beta}$는 B'=inf인 경우의 극한 지지력과 부분치환에 의한 극한 지지력의 비로 모래로 부분치환된 점토지반의 지지력 특성을 파악하기 위해 사용하였다. 각각 3가지의 점토의 비배수 전단강도와 모래의 내부마찰각을 고려하였다. 분석결과 부분치환 시의 지지력효율 ${\beta}$에 가장 큰 요인은 치환깊이이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we considered the bearing capacity of strip footing over clay layers partially replaced by sand. The FEM analysis is performed to calculate the ultimate bearing capacity. Partial replacement is defined by multiples of footing width(B) and inclination of sides. The cases(B'=inf.) of sand layers equal to clay layers are preferentially conducted. The baring capacity of B'=inf. is comparative value for bearing capacity of partial replacement layers. ${\beta}$ is the ratio of ultimate bearing capacity of B'=inf and partial ultimate bearing capacity replacement. ${\beta}$ is used to analyze the characteristic of bearing capacity of clay layers partially replaced by sand. Each of the three undrained shear strengths of clay and friction angles of sand is considered. The result of this analysis shows that ${\beta}$ depends on sand depth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 모래로 부분치환된 점토지반의 극한지지력 산정을 위해 FEM을 이용한 탄소성해석을 하였으며 비교적 다양한 모래와 점토의 강도정수에 따라 해석하여 보다 일반적인 경향과 특성을 파악하려 하였다.
세 번째는 부분치환 결과와 비해 얼마나 지지력이 감소했는지를 알아보기 위해서이다. 부분치환된 극한지지력의 특성을 나타내기 위해 부분치환에 의한 극한 지지력(知')을 구한 뒤 같은 지반강도정수와 치환 깊이 비를 가지는 B, =inf의 극한 지지력 대한 지지력 효율을라 하며 백분율로 나타내 부분치환의 극한지
첫 번째로 무한매체 크기의 타당성을 검토하기 위해서이다. 무한매체의 타당성 검토를 위해, 실무에서 많이 사용되는 하중확산 매커니즘에 의한 Yamaguchi(1963) 의 연구결과, 관입전단매커니즘에 의한 Meyerhof(1974) 의 연구결과, 그 중간 형태를 띄며 가장 최근의 연구 결과인 Okamura et al.

가설 설정

탄성영역에서의 변형과 관련된 탄성계수와 포아송비는 일반적인 범위 내에서 정하였다. 모래의 부피팽창각(切은 한계상태의 내부마찰각을 30。로 가정하고 Bolton(1986)의 연구결과를 이용하여 선정하였다. 투수계수는 극한지지력 산정에 영향이 없음에도 지반정수로 나타낸 것은 프로그램의 입력 정수 중 하나이기 때문에 같이 나타내었다.

제안 방법

바닥면이 거친 기초로서 해석이 되었다. 극한 지지력의 경우 재하면 바로 아래의 요소들의 응력-변형률 관계에서의 극한지지력들을 산정하고 그것들의 평균값을 극한지지력으로 사용하였다.
수치해석결과를 통해 극한지지력을 산정하고 비 배수 전단 강도 비와 같이 극한지지력비(知/波)를 이용해 치환 깊이 비(H/B)에 대해 나타내었다. 내부마찰각이 30。인 경우 비배수전단강도비가 증가함에 따라 극한 지지력비가 크게 증가하지 않는 것을 알 수 있는데 이는 모래층의 지지력이 상대적으로 크지 않기 때문에 모래층에서 대부분의 파괴가 일어나기 때문이다.
2 version을 이용하여 2차원 평면변형 조건으로 해석을 진행하였다. 여러 차례의 시행착오를 걸쳐 하중작용면에 대해 영향을 받지 않는 충분한 무한매체를 묘사하였다. 적용된 무한매체의 크기는 20Bx30B로 정하였고 B'=inf 인 경우가 기존의 연구방식과 같은 치환층이 무한히 넓은 경우이다.
지력의 특성을 파악하였다.

데이터처리

지반공학 유한요소 해석 프로그램인 PLAXIS2D 8.2 version을 이용하여 2차원 평면변형 조건으로 해석을 진행하였다. 여러 차례의 시행착오를 걸쳐 하중작용면에 대해 영향을 받지 않는 충분한 무한매체를 묘사하였다.

이론/모형

주로 사용되는 Mohr-Coulomb 파.괴모델을 적용하였다. 상한해석의 Michalowski, R.
하지만 이층지반에 대한 한계평형식의 경우 식의 특성상 비배수전단강도비가 커질수록 치환깊이비가 커질수록 극한지지력비가 커진다. 이를 위해 'Meyerhof(1965)의 지지력식을 이용하여 모래 단일 층만의 극한 지지력을 나타내어 상한값을 정하였다. 한계평형식마다 가정 조건과 실험 조건들이 다양하기 때문에 특정한 공식을 이용하여 상한값을 정하는 것은 정량적인 해석 보다는 정성적인 해석에 무게를 두기 위함이다.

성능/효과

(3) 한계깊이비에 근접, 수렴하지 못한 경우에는 H/B 가 증가하면서 지지력효율이 감소하는데 이는 부분 치환 시 의 파괴영 역이 점토층까지 넓 어지면서 B, =inf의 지지력과의 차이가 커지기 때문이다.
(4) 치환깊이비가 한계깊이비에 도달한 경우는 지지력 효율이 크며 치환폭이 커질수록 지지력 효율은 증가하나 그 영향이 미비하고 치환깊이비가 한계 깊이 비에 도달하지 못한 경우도 치환폭이 커질수록 지지력효율이 커지지만 영향이 크지 않고 정성적인 영향은 보이지 않는다.
(5) 이를 통해 치환깊이비가 부분치환시의 지지력 효율에 가장 큰 인자임을 확인하였고 치환 깊이 비가 크지 않고 모래층과 점토층의 지지력 차이가 크지 않은, 즉 한계깊이비가 크지 않은 경우에는 기존의 한계평형식이나 한계해석상의 제안된 도표를 이용하는 것이 큰 무리는 없겠지만 한계 깊이 비가 큰 경우에 있어서 치환폭이 제한되었을 때 기존의 방법으로 이층지반의 지지력을 구한다면 지지력을 과대평가하게 된다.
(1997) 등 대부분의 연구에서 파괴 모델로 Mohr-Coulomb 파괴모델을 사용하였다. soft-soil 모델이나 cam-clay 모델을 사용하여 실제와 같은 거동특징과 같이 하는 것이 보다 필요할 수도 있겠지만 본 연구와 위의 언급된 연구 모두 이층지반의 극한 지지력에 대한 것이므로 단순 강도만으로 파괴모형을 만들어낼 수 있는 Mohr-Coulomb 파괴모델이 사용하기 편리 하며 모래와 점토의 변형특징과 강도 특징이 서로 상이하기 때문에 점토에 비교적 잘 통용이 되는 cam-clay 모델이나 soft-soil 모델의 사용이 이층지반의 해석에서는 잘 이용되지 않는 것으로 판단된다. 하중재하방식은 일정한 변형을 지반에 가하여 그 힘을 얻는 방식의 변형제어 하중재하 방법을 선택하였다.
한계평형식마다 가정 조건과 실험 조건들이 다양하기 때문에 특정한 공식을 이용하여 상한값을 정하는 것은 정량적인 해석 보다는 정성적인 해석에 무게를 두기 위함이다. 그래프 상에서는 FEM해석과 한계 평형 해석에서 차이가 크다고 판단할 수 있으나 특정값 이상에서 이층지반의 극한 지지력식이 적용되지 않는 사실이라면 비배수전단강도비가 커질수록 FEM해석 결과와 한계 평형 해석의 모래층만의 지지력이 유사한 경향성을 보이는 것을 알 수 있다.
모래의 치환깊이비가 크지 않은 경우(H/B=l)인 경우와 한계깊이비가 작은, 즉 상대적으로 점토지반의 비 배수 전단강도비가 크고 모래지반의 내부마찰각이 작은 경우 지지 력효율이 크게 나타났다. 전자는 모든 강도 정수에서 극한지지력 값이 점토층의 영향을 많이 받기 때문에 知와 知'가 큰 차이를 보이지 않아 지지력 효율이 크게 나타났다.
지지 력효율이 크게 나타났다. 전자는 모든 강도 정수에서 극한지지력 값이 점토층의 영향을 많이 받기 때문에 知와 知'가 큰 차이를 보이지 않아 지지력 효율이 크게 나타났다. 후자는 한계깊이비가 작은 경우 파괴 깊이 또한 작기 때문에 부분치환 시 파괴영역이 모래층에보다 더 국한되므로 지지력효율이 좋은 것으로 판단된다.
통해 점토의 비배수전단강도비가 클수록 모래의 내부마찰각이 작을수록 한계깊이비가 작음을 알 수도 있었다. 내부마찰각이 35。인 경우 FEM해석에서 모래층 의지 지력이 다소 크게 산정되어 극한지지력비의 수렴 점을 보이진 않지만 한계평형식을 이용한 상한값 이하로는 한계평형식과의 경향성 관계가 좋은 편이다.
한계평형해석, 운동한적 상한해석, 탄소성론을 이용한 FEM해석 모두 접근하는 방법이 다르지만 B, =inf의해석에서 공통적인 경향성을 찾을 수 있다면 특별한 비교군이 없는 FEM을 이용한 부분치환의 경우에 있어서의 지지력 특징을 보다 명확히 분석할 수 있다고 판단하였다. B, =inf인 경우의 지지력 특징이 기존의 한계 평형 해석 결과들과 큰 차이가 없다면 부분치환의 결과의 비교군으로 사용될 수 있을 것이며, FEM을 통해 정해진 한계 깊이 비가 운동학적 상한해석의 결과와 그 경향성이 일치한다면 부분치환의 지지력 특징의 경향성을 해석하는데 이용이 되는 것도 충분한 근거가 될 것이다.

후속연구

B, =inf인 경우의 지지력 특징이 기존의 한계 평형 해석 결과들과 큰 차이가 없다면 부분치환의 결과의 비교군으로 사용될 수 있을 것이며, FEM을 통해 정해진 한계 깊이 비가 운동학적 상한해석의 결과와 그 경향성이 일치한다면 부분치환의 지지력 특징의 경향성을 해석하는데 이용이 되는 것도 충분한 근거가 될 것이다.

참고문헌 (8)

김대현, 야마모토켄타로 (2004), "점토층 위의 모래지반에 위치한 얄은 기초의 지지력에 대한 상한 한계해석", 한국지반공학회논문집,제20권 제3호, pp.85-96.
Burd, H. 1., Frydman, S. (1997), "Bearing capacity of plane-strain footings on layered soils", Canadian Geotechnical Journal, Vol.34, No.2, pp.241-253.

상세보기
Boiton, M. D. (1986), "The strength and dialatancy of sands", Geotechnique, 36(1), pp.65-78.

상세보기
Meyerhof, G. G. (1965), "Shallow foundations", Journal of Soil Mechanics and Foundation Engineering, ASCE, Vol.91, No.SM2, pp.21-31.
Meyerhof, G. G. (1974), "Ultimate bearing capacity of footings on sand layer overlying clay", Canadian Geotechnical Journal, Vol.11, pp.223-229.

상세보기
Michalowski, R. L., Shi, L. (1995), "Bearing capacity of footing over two-layer foundation soils", Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 121(5), pp.421-428.

상세보기
Okamura, M., Takemura, J., Kimura, T. (1998), "Bearing capacity predictions of sand overlying clay based on limit equilibrium methods", Soils and Foundation, Vol.38, No.1, pp.181-194.
Yamaghuchi, H. (1963), "Practical formula of bearing value for two layered ground", Proceedings of 2nd Asian Regional Conference on SMFE, Vol.1, pp.176-180.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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