[논문]CPT와 DMT를 이용한 남동해안 정규압밀 점토의 압축성 추정

홍성진; 채영호; 이문주; 이우진

doi:10.7843/kgs.2011.27.4.021

CPT와 DMT를 이용한 남동해안 정규압밀 점토의 압축성 추정
Evaluation of Compressibility for Normally Consolidated South-east Coast Clay Using CPT and DMT 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.27 no.4, 2011년, pp.21 - 32

홍성진 (고려대학교 건축.사회환경공학부) , 채영호 (고려대학교 건축.사회환경공학부) , 이문주 (한화건설) , 이우진 (고려대학교 건축.사회환경공학부)

초록
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본 연구는 CPT와 DMT를 이용한 부산지역 점토 압축성 추정에 관한 것으로, 이를 위해 부산신항과 녹산점토에 대해 현장시험 및 실내시험을 수행하였다. 압밀시험 결과 부산신항 및 녹산 점토는 정규압밀점토이며, 압축지수는 0.5~1.3로 나타났다. 분석결과에 의하면 콘저항치와 횡방향구속 변형계수의 상관계수인 ${\alpha}_m$과 ${\alpha}_n$은 소성지수에 따라 감소하였으며, 딜라토미터 계수와 횡방향구속 변형계수의 상관계수 $R_M$은 $1/I_D$에 따라 증가하였다. 본 연구에서는 이러한 관계를 이용하여 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 횡방향구속 변형계수를 추정한 결과 CPT 추정방법은 개량 후 지반의 횡방향구속 변형계수를 과소평가한 반면, DMT 추정방법은 개량 전 후 지반 모두 횡방향구속 변형계수를 적절히 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A series of in-situ and laboratory tests were performed for the clayey soils of Busan area in order to develop the methods to evaluate the compressibility using CPT and DMT results. The laboratory tests show that the clayey layers of Busan areas are normally consolidated, and their compression indices are turned out to be 0.5~1.3. From the analysis of test results, correlation factors between the cone resistance and constrained modulus (${\alpha}_m$ and ${\alpha}_n$) are observed to decrease with increasing plasticity index, and the correlation factor between the dilatometer modulus and constrained modulus $(R_M)$ increases with $1/I_D$. Based on these relationships, the methods evaluating the constrained modulus from CPT and DMT results are suggested. It is shown that the prediction method by CPT underestimates the constrained modulus of improved ground, whereas the prediction method by DMT is suitable for evaluating the constrained modulus of improved and unimproved ground.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 CPT 및 DMT를 통한 부산지역 정규압밀점 토의 압축성 추정에 관한 것으로, 이를 위해 부산신항및 녹산 현장에서 CPT와 DMT를 실시하고, 시료를 채취하여 압밀시험을 수행하였다. 압밀시험을 결과로부터 횡방향구속 변형계수를 구한 뒤 CPTu 및 DMT 결과와 비교하여 상관계수 α_m, α_n그리고 R_M를 산정하였다.
관계를 경험적인 방법으로 제안하였다. 본 연구에서는 압밀시험 결과와 CPT 및 DMT 결과를 이용하여 상관계수들을 산정하고, 소성 지수(PI), 정규화 콘저항치(Q_t), 간극수압비(B_q) 그리고 재료지수 등과 비교하여 지반특성이 상관계수에 미치는 영향을 분석하였다. 정규화 콘저항치와 간극수압비는 식 (6) 및 (7)과 같으며, 토질분류에 주로 사용된다 (Robertson 1990, 이선재 1997).
본 연구에서는 현장시험 결과로부터 점성토의 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하기 위해, 부산지역의 점토에 대해 CPT 및 DMT 시험 그리고 압밀시험 및 기본물성시험을 수행하였다. 실내 및 현장시험 결과를 분석하여 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제시하고, 각 방법의 신뢰성을 검증하였다.

제안 방법

αm및 αn과 소성지수 관계식은 PI=35를 경계로 각 2개 식으로 정리하였으며, RM은 1/ID의 2차식으로 관계식을 정리하였다.
CPT는 콘단면적 10cm², 마찰슬리브 면적 150cm²인 u₂형식의 피에조콘을 2cm/sec의 속도로 관입하면서 q_c, f_s 그리고 u₂를 측정하였다. 부산신항의 경우 지반개량 전 GL-6m부터 GL-50m까지, 지반개량 후 GL-20m부터 GL-34m까지 각각 2개 시험 공에서 CPT시험을 실시하였다.
DMT는 60mm 직경의 강철 멤브레인이 장착되어 있는 폭 95mm, 두께 14mm 크기의 관입체를 지중에 관입 시키며 20cm간격으로 시험을 수행하였다. 강철 멤브레인이 0.
R_M-PI관계에 의하면 R_M이 소성지수에 따라 감소하는 듯 하나 현장 별로 차이가 커서 경향성을 파악하기 어려웠다. R_M-I_D관계를 보면 R_M은 I_D에 역으로 비례하는 것으로 관찰되어, R_M과 1/I_D를 비교하여 보았다. R_M-1/I_D의 기울기는 1/I_D가 증가함에 따라 커지는 것으로 나타나 그림 10에서와 같이 1/I_D의 2 차식으로 경향선을 표시하였다.
녹산 현장은 원지반 점토에 4m 정도 매립을 한 지역으로, 경위도는 E128°53’28”, N35°06’17”이다. 각 현장에서 CPT와 DMT를 실시하였으며, 비교를 위해 동일 위치에서 피스톤 샘플러로 채취한 시료에 대해 실내시험을 수행하였다.
압밀시험을 결과로부터 횡방향구속 변형계수를 구한 뒤 CPTu 및 DMT 결과와 비교하여 상관계수 α_m, α_n그리고 R_M를 산정하였다. 그리고 소성지수, 간극수압비, 정규화 콘저항치, 재료지수와 상관계수의 관계를 분석하여 CPT와 DMT를 이용한 정규압밀점토 횡방향구속 변형계수 추정방법을 제안하였다.
부산신항의 경우 지반개량 전에는 GL-6m 부터 GL-31m까지, 지반개량 후에는 GL-20m부터 GL-33m 까지 각각 2개 시험 공에서 DMT를 수행하였다. 녹산 현장은 GL-6m부터 GL-34m까지 DMT를 수행하였다.
부산신항 현장은 지반개량 전/후에 시험을 실시하였는데, 개량 전 지반은 GL-8m부터 GL-45m까지 시료를 채취하여 IL 및 CRS 압밀시험을, 개량 후 지반은 GL-22m부터 GL-40m까지 시료를 채취하여 IL 압밀시험을 실시하였다. 녹산현장은 GL-13m부터 GL-30m까지 시료를 채취하여 IL 압밀시험을 수행하였다.
본 연구에서는 MPE(Mean Percentage Error)와 MAPE (Mean Absolute Percentage Error)를 이용하여 제안된 추정방법의 정확성을 비교하였다(표 2). MPE는 추정오차의 평균값으로 식 (8)과 같이 산정한다.
본 연구에서는 대상지반의 압축특성을 파악하기 위하여 기본 물성시험과 함께 단계하중(incremental loading; IL) 및 일정변형률(constant rate of strain; CRS) 압밀시험을 실시하였다. IL 압밀시험의 경우 하중증가비 1.
본 연구에서는 낙동강 하구에 위치한 부산신항 및 녹산산업단지의 점토 층을 대상으로 시험을 실시하였다. 부산신항 현장은 원래 바다였으나 항만조성을 위해 6m 정도의 모래로 매립하고 연직배수재를 타설한 후 13m 두께의 사석하중으로 지반개량을 하였다. 시험현장 경위도는 E128°47’56”, N35°04’30”이다.
004%/min의 속도로 1500kPa까지 시험을 수행하였다. 부산신항 현장은 지반개량 전/후에 시험을 실시하였는데, 개량 전 지반은 GL-8m부터 GL-45m까지 시료를 채취하여 IL 및 CRS 압밀시험을, 개량 후 지반은 GL-22m부터 GL-40m까지 시료를 채취하여 IL 압밀시험을 실시하였다. 녹산현장은 GL-13m부터 GL-30m까지 시료를 채취하여 IL 압밀시험을 수행하였다.
를 측정하였다. 부산신항의 경우 지반개량 전 GL-6m부터 GL-50m까지, 지반개량 후 GL-20m부터 GL-34m까지 각각 2개 시험 공에서 CPT시험을 실시하였다. 녹산 현장의 경우 GL-12m부터 GL-40m까지 시험을 수행하였다.
분석 결과 αm과 αn은 소성지수가 증가함에 따라 감소하였으며, 이러한 관계를 이용하여 CPT로 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 현장시험 결과로부터 점성토의 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하기 위해, 부산지역의 점토에 대해 CPT 및 DMT 시험 그리고 압밀시험 및 기본물성시험을 수행하였다. 실내 및 현장시험 결과를 분석하여 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제시하고, 각 방법의 신뢰성을 검증하였다.
실내 시험 결과 대상지역 점토층의 함수비 및 액성한계는 30%～90%, 소성한계는 25%～35% 정도로 분포하였으며, 점토의 주요 성분은 illite로 나타났다. 압밀시험 결과 대상지반의 압축지수는 0.5～1.3으로 나타났으며, 이를 이용하여 횡방향구속 변형계수를 추정하였다. 부산신항과 녹산 지역의 횡방향구속 변형계수는 각각 500kPa～3500kPa과 1200kPa～2000kPa 정도로 분포하였다.
압밀시험을 결과로부터 횡방향구속 변형계수를 구한 뒤 CPTu 및 DMT 결과와 비교하여 상관계수 αm, αn그리고 RM를 산정하였다.
소성지수 및 재료지수와 R_M의 관계를 분석한 결과 R_M은 1/I_D와 비례관계로 나타났으며 소성지수와는 특정한 관계를 찾기 힘들었다. 이를 이용하여 DMT로 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하였다.

대상 데이터

부산신항의 경우 지반개량 전 GL-6m부터 GL-50m까지, 지반개량 후 GL-20m부터 GL-34m까지 각각 2개 시험 공에서 CPT시험을 실시하였다. 녹산 현장의 경우 GL-12m부터 GL-40m까지 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 낙동강 하구에 위치한 부산신항 및 녹산산업단지의 점토 층을 대상으로 시험을 실시하였다. 부산신항 현장은 원래 바다였으나 항만조성을 위해 6m 정도의 모래로 매립하고 연직배수재를 타설한 후 13m 두께의 사석하중으로 지반개량을 하였다.
2001). 부산신항의 경우 지반개량 전에는 GL-6m 부터 GL-31m까지, 지반개량 후에는 GL-20m부터 GL-33m 까지 각각 2개 시험 공에서 DMT를 수행하였다. 녹산 현장은 GL-6m부터 GL-34m까지 DMT를 수행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 압밀시험결과에 Schmertmann(1955) 방법과 식 (1)을 적용하여 횡방향구속 변형계수를 구하고 이를 CPT 결과와 비교하여 식 (2)와 식 (4)의 상관계수 αm과 αn을 산정하였다.
이 방법은 데이터가 적은 IL 압밀시험에서도 횡방향구속 변형계수 산정이 용이하다. 압축지수 역시 시험 시 시료 교란으로 인해 과소평가되므로, 본 연구에서는 교란효과를 보정하는 Schmertmann(1955) 방법으로 압축지수를 구하고 식 (1)을 이용하여 횡방향구속 변형계수를 산정하였다. Schmertmann(1955) 방법으로 보정한 압축지수는 e-log σ′_v 그래프에서 직접 구한 압축지수에 비하여 약 30% 정도 크게 나타났는데, 지반 개량에 따른 부산신항 침하량을 분석한 결과 보정된 압축지수가 침하량을 적절히 예측하였다.

성능/효과

CPT를 이용한 횡방향구속 변형계수 추정방법 중 PI-αm 관계를 이용하는 방법이 PI-αn관계를 이용하는 방법에 비해 정확성이 높았다.
그러나 CPT 추정방법의 경우 개량지반의 횡방향구속 변형계수를 과소평가하였으며, 추가시험을 통해 소성지수를 구해야 하는 단점이 있다. DMT 추정방법은 원지반 횡방향구속 변형계수 추정뿐 아니라 개량지반의 횡방향구속 변형계수도 적합하게 추정하였으며, 추가시험 없이 DMT 시험만으로 횡방향구속를 추정하는 장점이 있다.
PI-αm 관계를 보면 αm은 소성지수에 따라 감소하며, PI=35 부근에서 αm의 감소 기울기가 줄어드는 것으로 나타나 PI=35를 기준으로 2개의 경향선으로 표현하였고, 경향선의 결정계수(R2)는 0.67이다.
그림 11과 표 2에 의하면 CPT 추정방법은 지반개량 후 부산현장에 대해서는 횡방향구속 변형계수를 30% 이상 과소평가하였다. 반면, DMT 추정방법은 부산신항(지반개량전)과 녹산 현장 추정의 경우 CPT 추정방법보다 MAPE가 약간 컸으나, 지반개량 후 횡방향구속 변형계수를 적절하게 평가하였다. 소성지수의 경우 지반의 고유한 특성으로 응력조건 등에 영향을 받지 않는 물성치인 반면, I_D는 지반의 공학적 특성을 나타내는 물성치로 응력조건 등에 영향을 받는다.
6으로 α_n이나 α_m에 비해 값이 작았다. 소성지수 및 재료지수와 R_M의 관계를 분석한 결과 R_M은 1/I_D와 비례관계로 나타났으며 소성지수와는 특정한 관계를 찾기 힘들었다. 이를 이용하여 DMT로 횡방향구속 변형계수를 추정하는 방법을 제안하였다.
실내 시험 결과 대상지역 점토층의 함수비 및 액성한계는 30%～90%, 소성한계는 25%～35% 정도로 분포하였으며, 점토의 주요 성분은 illite로 나타났다. 압밀시험 결과 대상지반의 압축지수는 0.
압밀시험 분석결과 εv-σ′v그래프에서 구한 횡방향구속 변형계수는 식 (1)로 구한 압밀계수에 비해 1.8배 정도 크게 나타났으며 MDMT보다는 1.4배 정도 작게 나타났다.
위의 분석결과에 의하면 CPT 상관계수 αm과 αn은소성지수와, DMT 상관계수 RM은 1/ID와 높은 상관성을 보인다.
소성지수의 경우 지반의 고유한 특성으로 응력조건 등에 영향을 받지 않는 물성치인 반면, I_D는 지반의 공학적 특성을 나타내는 물성치로 응력조건 등에 영향을 받는다. 이러한 이유로 소성지수를 이용하는 CPT 추정방법은 지반개량 효과를 정확히 반영하지 못하지만, I_D를 이용한 DMT 추정방법은 지반개량 효과를 반영하는 장점이 있는 것으로 판단된다. 해안 연약지반위에 건설되는 구조물들은 대규모 프리로딩 공법으로 지반개량을 한 후 구조물을 건설하는 경우가 많다.
부산신항 현장에 서는 실트/모래 층을 제외하고는 균질한 지반특성이 나타났다. 재료지수(I_D)는 지반개량 전 0.1～0.3 정도로 심도에 따라 약간씩 증가하였으나, 지반개량 후에는 0.3 정도로 일정하게 나타났다. 횡방향응력지수(K_D)는 지반 개량 전·후 모두 1.
부산신항의 경우 GL-35m까지 횡방향구속 변형계수가 심도에 따라 일정하게 증가하다 혼재층이 나타나는 GL-35m 이후에 기울기가 급격히 증가하는 양상이 나타났다. 지반 개량에 의한 횡방향구속 변형계수의 증가는 지표면에 가까울수록 크게 나타났는데, 이것은 상부층의 지반개량 효과가 큰 것을 의미한다. 녹산 현장의 경우 횡방향구속 변형계수가 서서히 감소하다가 균질한 점토층이 나타나는 GL-20m 이후에는 구속응력증가로 인해 증가 하였다.
3으로 나타났으며, 액성한계와 유사하게 심도에 따라 변화하였다. 지반개량 후 부산신항 압축지수는 개량 전보다 심도 30m 이하에서는 약간 감소하였으며, 심도 30m 이상에서는 변화가 없었다.
7로 증가한 후 복잡하게 분포한다. 지반개량 후 부산신항 현장의 q_t와 u₂는 각각 1700kPa과 900kPa 정도로 나타났으며, 심도에 따라 비교적 일정한 분포를 보였다. 지반개량 후 Q_t와 B_q는 각각 2.
표 2를 보면 CPT 추정방법 중에서는 αm을 이용한 방법이 αn을 이용한 방법에 비해 MAPE가 작아 αm을 이용한 추정방법이 더 적합한 것으로 나타났다.

후속연구

실내시험으로 횡방향구속 변형계수를 산정할 경우 압축변형을 직접 측정할 수 있는 반면, 시료채취 및 시험에 많은 시간과 비용이 소요되며 시료 교란의 영향을 받는다. CPT와 DMT 결과를 이용한 횡방향구속 변형계수 추정은 빠르고 경제적이며 연속적으로 지반의 데이터를 획득할 수 있으나, 간접적으로 물성치를 추정하므로 지반조건에 맞는 적합한 추정식의 개발이 필요하다.
관계를 이용하는 방법에 비해 정확성이 높았다. 그러나 CPT 추정방법의 경우 개량지반의 횡방향구속 변형계수를 과소평가하였으며, 추가시험을 통해 소성지수를 구해야 하는 단점이 있다. DMT 추정방법은 원지반 횡방향구속 변형계수 추정뿐 아니라 개량지반의 횡방향구속 변형계수도 적합하게 추정하였으며, 추가시험 없이 DMT 시험만으로 횡방향구속를 추정하는 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DMT의 이점은 무엇인가?	DMT는 1970년대 Marchetti에 의해 개발되어 지반조사에 널리 사용되고 있다(Marchetti 2006, Robertson 2009). DMT는 SPT 나 CPT에 비해 관입 시 상대적으로 적은 주변지반 변형이 발생하므로 DMT를 통해 지반의 횡방향구속 변형계수, 응력이력, 횡방향 토압계수 등을 추정하는 연구가 활발히 진행되었다(Marchetti 1980, Marchetti et al. 2001, Mayne 2001, Monaco et al.
	부산신항 현장은 어떤 상태인가?	그림 1은 각 시험현장의 지층 및 기본 물성치를 심도에 따라 나타낸 것으로, 부산신항 현장의 경우 지반개량 전의 물성치를 나타낸 것이다. 부산신항 현장은 GL-6m 까지 매립 모래층, GL-6m～GL-32m 점토층, GL-32m 이상 심도에서는 점토와 모래가 혼재하는 층이 존재한다. 녹산 현장은 GL-17m까지 점토와 모래의 혼재 층이고, 이후 부산신항과 유사한 균질한 점토층이 나타난다.

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저자의 다른 논문 :

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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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