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문제 정의
- 이 연구에서는 실내에서 스미어가 발생한 지반을 모사하고 배수재 간격에 따른 스미어의 영향이 차후의 압밀거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대형압밀챔버와 모형 맨드렐 관입 장비를 개발하였다. 개발된 장비를 이용하여 다양한 배수재 간격에 따른 압밀속도와 스미어의 영향을 비교하였고 연직배수공법의 효율을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
- 본 연구에서 수행된 실험은 원통형 시료의 중앙부 연직배수재와 함께 상부 샌드매트가 설치되어 연직 및 방사배수 조건에서 압밀이 진행된다. 기존연구에 따르면 스미어는 지반의 방사방향 투수계수 및 압밀계수에만 영향을 주고 연직방향 투수계수 및 압밀계수는 스미어 발생 후에도 큰 차이가 없으므로(Indraratna와 Redana, 1998), 연직과 방사배수가 동시에 발생하는 지반에서 배수방향에 따른 압밀계수를 산정하기 위하여 스미어 발생으로 인한 연직배수 압밀계수의 변화는 없다고 가정하였다. 먼저 연직배수 조건에서만 수행한 실험 결과를 이용하여 100kPa(과압밀) 재하 및 200kPa(정규압밀) 재하 과정에서의 압밀계수, 압축지수, 간극비 등을 산정하였다.
제안 방법
- 연약지반 개량현장의 배수재 간격비 변화 및 연직배수재 타설로 인한 스미어 발생을 모사하기 위하여 그림 1과 같이 맨드렐 관입시스템을 개발하였다. 개발된 맨드렐 관입시험기는 내경 300mm인 압밀챔버를 프레임 중앙부에 위치시키고 시료 상부로부터 맨드렐을 일정한 속도로 관입할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 프레임 위에 모터 및 기어박스를 장착하였으며, 맨드렐 관입속도는 0∼5.
- 실내에서 스미어가 발생한 지반을 모사하고 배수재 간격에 따른 스미어의 영향이 차후의 압밀거동에 미치는 효과를 분석하기 위하여 대형압밀챔버와 모형 맨드렐 관입 장비를 개발하였다. 개발된 장비를 이용하여 다양한 배수재 간격에 따른 압밀속도와 스미어의 영향을 비교하였고 연직배수공법의 효율을 분석하였다.
- 이 연구에서는 실내에서 스미어가 발생한 지반을 모사하고 배수재 간격에 따른 스미어의 영향이 차후의 압밀거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대형압밀챔버와 모형 맨드렐 관입 장비를 개발하였다. 개발된 장비를 이용하여 다양한 배수재 간격에 따른 압밀속도와 스미어의 영향을 비교하였고 연직배수공법의 효율을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 시료상부에 샌드매트를 약 3cm두께로 포설하고 40kPa의 예압밀 하중을 가하여 시료를 안정화시킨 후, 100kPa와 200kPa의 두 단계로 하중을 차례로 재하하면서 각 하중단계에서의 시간에 따른 침하량과 유출량을 계측하였다. 계측된 침하량을 쌍곡선법으로 분석하여 압밀도 95% 이상이 되는 것을 확인한 후 다음 단계의 하중을 재하하였다. 최종 하중단계까지 압밀이 완료되면 대형압밀챔버를 해체하고 시료 단면의 위치별 함수비와 전단강도를 측정하였다.
- 시료를 성형하고 연직배수재가 설치된 지반을 일정한 연직하중 하에서 압밀시킬 수 있는 대형압밀챔버는 그림 2와 같으며, 직경 300mm인 챔버의 내부는 크롬도금이 되어있어 벽면과 시료의 마찰을 최소화할 수 있도록 하였다. 대형압밀챔버의 하부판은 맨드렐 관입시 맨드렐이 시료 전체를 완전히 관통하여 길이방향으로 일정한 형태를 갖는 연직배수재를 타설할 수 있도록 7개의 구멍을 막고 있는 부분이 탈부착 가능하도록 제작하였다.
- 맨드렐의 형태는 그림 3과 같이 모두 단부가 막혀있는 원통형으로 직경 20mm, 40mm, 60mm인 3가지 형태로 제작하였다. 맨드렐 관입장치 상부에 일정한 간격으로 7개까지 맨드렐을 장착할 수 있도록 설계하였으며, 맨드렐의 직경과 배치형태에 따라 다양한 배수재 간격비를 모사할 수 있도록 하였다. 시료를 성형하고 연직배수재가 설치된 지반을 일정한 연직하중 하에서 압밀시킬 수 있는 대형압밀챔버는 그림 2와 같으며, 직경 300mm인 챔버의 내부는 크롬도금이 되어있어 벽면과 시료의 마찰을 최소화할 수 있도록 하였다.
- 기존연구에 따르면 스미어는 지반의 방사방향 투수계수 및 압밀계수에만 영향을 주고 연직방향 투수계수 및 압밀계수는 스미어 발생 후에도 큰 차이가 없으므로(Indraratna와 Redana, 1998), 연직과 방사배수가 동시에 발생하는 지반에서 배수방향에 따른 압밀계수를 산정하기 위하여 스미어 발생으로 인한 연직배수 압밀계수의 변화는 없다고 가정하였다. 먼저 연직배수 조건에서만 수행한 실험 결과를 이용하여 100kPa(과압밀) 재하 및 200kPa(정규압밀) 재하 과정에서의 압밀계수, 압축지수, 간극비 등을 산정하였다. 이 때 압밀계수는 log t 방법과 Asaoka방법을 이용하여 산정하였고 두 방법간의 차이가 30% 이내로 작게 나타나는 것을 확인하였으며, log t 방법으로 산정된 압밀계수를 연직배수 조건에서의 압밀계수로 결정하였다.
- 14mm/sec의 속도를 적용하였으며, 맨드렐을 관입･인발시킨 후 주문진 표준사를 느슨하게 부어 연직배수재로 사용하였다. 시료상부에 샌드매트를 약 3cm두께로 포설하고 40kPa의 예압밀 하중을 가하여 시료를 안정화시킨 후, 100kPa와 200kPa의 두 단계로 하중을 차례로 재하하면서 각 하중단계에서의 시간에 따른 침하량과 유출량을 계측하였다. 계측된 침하량을 쌍곡선법으로 분석하여 압밀도 95% 이상이 되는 것을 확인한 후 다음 단계의 하중을 재하하였다.
- 시료의 성형을 위하여 EPK Kaolin 분말에 액성한계 2배의 물을 첨가하여 EPK Kaolin 15kg과 물 20kg을 진 공압을 가하면서 1∼2일 정도 교반한다.
- 내경 300mm의 대형압밀챔버에서 20kPa의 공기압으로 시료를 안정시킨 뒤 단계적으로 하중을 증가시켜 선행압밀압 100kPa로 약 10일 정도 시료를 압밀시켰다. 시료의 압밀이 완료된 후 대형압밀챔버를 맨드렐 관입시험기 중앙에 위치시키고 시험에 사용될 맨드렐의 크기와 배치 형태를 결정하여 관입시험기 상부에 맨드렐을 부착시킨 다음 일정한 속도로 시료내에 정적관입시켰다. 관입속도는 2.
- 실내에서 스미어가 발생한 지반을 모사하고 배수재 간격에 따른 스미어의 영향이 차후의 압밀거동에 미치는 효과를 분석하기 위하여 대형압밀챔버와 모형 맨드렐 관입 장비를 개발하였다. 개발된 장비를 이용하여 다양한 배수재 간격에 따른 압밀속도와 스미어의 영향을 비교하였고 연직배수공법의 효율을 분석하였다.
- 최종 하중단계까지 압밀이 완료되면 대형압밀챔버를 해체하고 시료 단면의 위치별 함수비와 전단강도를 측정하였다. 실험결과의 비교를 위하여 맨드렐 관입시험을 실시하지 않고 연직배수 조건에서 동일한 성형단계와 하중 단계를 적용하여 추가적으로 실험을 실시하였다. 총 5회의 실험을 수행하였으며, 각 실험조건에서의 배수재 간격비(n)와 배수거리 등은 표 2에 정리된 바와 같다.
- 연직배수재 타설을 위한 맨드렐 관입시 맨드렐 부피만큼 주변지반이 방사방향으로 밀려나면서 상부로도 솟아오르는데, 이러한 형태는 압밀이 완료될 때 까지도 어느정도 그대로 유지된다. 실험이 완료된 시료는 그림 9와 같이 단면을 잘라 배수재의 관입형태와 시료의 변형 형상을 확인하고 단면의 위치별로 강도와 함수비 측정을 실시하였다. 시료의 전단강도 측정을 위해 토우베인(torvane)시험기를 이용하였고, 강도 및 함수비 측정 위치는 그림 9와 같다.
- 연약지반 개량현장의 배수재 간격비 변화 및 연직배수재 타설로 인한 스미어 발생을 모사하기 위하여 그림 1과 같이 맨드렐 관입시스템을 개발하였다. 개발된 맨드렐 관입시험기는 내경 300mm인 압밀챔버를 프레임 중앙부에 위치시키고 시료 상부로부터 맨드렐을 일정한 속도로 관입할 수 있도록 하였다.
- 이 때 압밀계수는 log t 방법과 Asaoka방법을 이용하여 산정하였고 두 방법간의 차이가 30% 이내로 작게 나타나는 것을 확인하였으며, log t 방법으로 산정된 압밀계수를 연직배수 조건에서의 압밀계수로 결정하였다. 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대해서는 앞서 산정한 연직배수 압밀계수를 적용하고 방사배수 압밀계수를 변화시켜가면서 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대한 역해석을 수행하였다. 수치해석은 윤찬영 등(2008)에 의해서 개발된 해석 프로그램을 사용하였으며, 압밀중 지반 물성치 변화는 고려하지 않았다.
- 먼저 연직배수 조건에서만 수행한 실험 결과를 이용하여 100kPa(과압밀) 재하 및 200kPa(정규압밀) 재하 과정에서의 압밀계수, 압축지수, 간극비 등을 산정하였다. 이 때 압밀계수는 log t 방법과 Asaoka방법을 이용하여 산정하였고 두 방법간의 차이가 30% 이내로 작게 나타나는 것을 확인하였으며, log t 방법으로 산정된 압밀계수를 연직배수 조건에서의 압밀계수로 결정하였다. 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대해서는 앞서 산정한 연직배수 압밀계수를 적용하고 방사배수 압밀계수를 변화시켜가면서 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대한 역해석을 수행하였다.
- 이를 위하여 프레임 위에 모터 및 기어박스를 장착하였으며, 맨드렐 관입속도는 0∼5.75mm/sec의 범위 내에서 자유롭게 변화시킬 수 있도록 하였다.
- 실내모형실험을 실시하기 위해 사용된 시료는 EPK Kaolin으로 통일분류법 상 CH로 분류되는 투수성이 낮은 점성토이다. 지반의 물성치 산정을 위하여 EPK Kaolin에 대한 기본물성실험을 수행하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.
- 실험결과의 비교를 위하여 맨드렐 관입시험을 실시하지 않고 연직배수 조건에서 동일한 성형단계와 하중 단계를 적용하여 추가적으로 실험을 실시하였다. 총 5회의 실험을 수행하였으며, 각 실험조건에서의 배수재 간격비(n)와 배수거리 등은 표 2에 정리된 바와 같다.
- 계측된 침하량을 쌍곡선법으로 분석하여 압밀도 95% 이상이 되는 것을 확인한 후 다음 단계의 하중을 재하하였다. 최종 하중단계까지 압밀이 완료되면 대형압밀챔버를 해체하고 시료 단면의 위치별 함수비와 전단강도를 측정하였다. 실험결과의 비교를 위하여 맨드렐 관입시험을 실시하지 않고 연직배수 조건에서 동일한 성형단계와 하중 단계를 적용하여 추가적으로 실험을 실시하였다.
- 최종 하중단계까지 압밀이 완료된 시료는 시험기에서 꺼내어 중앙부 단면에서 위치별 함수비와 강도를 측정한다. 연직배수재 타설을 위한 맨드렐 관입시 맨드렐 부피만큼 주변지반이 방사방향으로 밀려나면서 상부로도 솟아오르는데, 이러한 형태는 압밀이 완료될 때 까지도 어느정도 그대로 유지된다.
대상 데이터
- 75mm/sec의 범위 내에서 자유롭게 변화시킬 수 있도록 하였다. 맨드렐의 형태는 그림 3과 같이 모두 단부가 막혀있는 원통형으로 직경 20mm, 40mm, 60mm인 3가지 형태로 제작하였다. 맨드렐 관입장치 상부에 일정한 간격으로 7개까지 맨드렐을 장착할 수 있도록 설계하였으며, 맨드렐의 직경과 배치형태에 따라 다양한 배수재 간격비를 모사할 수 있도록 하였다.
- 압밀계수는 연약지반의 압밀속도를 나타내는 지표로서 연약지반 개량설계에서 중요한 설계인자이다. 본 연구에서 수행된 실험은 원통형 시료의 중앙부 연직배수재와 함께 상부 샌드매트가 설치되어 연직 및 방사배수 조건에서 압밀이 진행된다. 기존연구에 따르면 스미어는 지반의 방사방향 투수계수 및 압밀계수에만 영향을 주고 연직방향 투수계수 및 압밀계수는 스미어 발생 후에도 큰 차이가 없으므로(Indraratna와 Redana, 1998), 연직과 방사배수가 동시에 발생하는 지반에서 배수방향에 따른 압밀계수를 산정하기 위하여 스미어 발생으로 인한 연직배수 압밀계수의 변화는 없다고 가정하였다.
- 실내모형실험을 실시하기 위해 사용된 시료는 EPK Kaolin으로 통일분류법 상 CH로 분류되는 투수성이 낮은 점성토이다. 지반의 물성치 산정을 위하여 EPK Kaolin에 대한 기본물성실험을 수행하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.
데이터처리
- 이 때 실험결과와 수치해석 결과는 log t 방법에서 압밀계수를 산정하는 영역인 압밀도 40∼60%지점에서의 결과가 일치하는 것을 기준으로 하였으며, n=5일 때의 대표적인 해석결과를 그림 7에 나타내었다.
이론/모형
- 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대해서는 앞서 산정한 연직배수 압밀계수를 적용하고 방사배수 압밀계수를 변화시켜가면서 연직배수와 방사배수가 동시에 발생하는 지반에 대한 역해석을 수행하였다. 수치해석은 윤찬영 등(2008)에 의해서 개발된 해석 프로그램을 사용하였으며, 압밀중 지반 물성치 변화는 고려하지 않았다. 이 때 실험결과와 수치해석 결과는 log t 방법에서 압밀계수를 산정하는 영역인 압밀도 40∼60%지점에서의 결과가 일치하는 것을 기준으로 하였으며, n=5일 때의 대표적인 해석결과를 그림 7에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 과압밀 영역에서는 배수재 직경 및 개수가 증가할 수록 스미어의 영향범위가 증가하면서 최종 침하량이 증가하는 것으로 나타났다. 반면에 정규압밀시료에서는 배수재 간격비와 상관없이 최종 침하량은 거의 유사하게 나타났다.
- (2) 연직배수 조건에 비해 샌드 드레인이 설치된 지반에서 압밀시간이 단축되는 경향을 보였다. 하지만 n값이 감소하여 배수거리가 짧아지더라도 짧아진 배수거리만큼 압밀속도가 빨라지지는 않았다.
- (3) 역해석을 통하여 방사배수 압밀계수를 산정한 결과, 방사배수 압밀계수는 n값이 작아질수록 감소하는 경향을 나타낸다. 과압밀 영역에서 방사배수 압밀계수는 n=15일 때 연직배수 압밀계수에 비하여 2.
- (4) 실험이 완료된 후에 시료의 단면을 잘라서 위치별 강도와 함수비를 측정한 결과, 다른 위치보다 배수면 근처에서 약 1∼2kg/cm2의 더 큰 강도 및 약 3∼13%의 더 작은 함수비의 분포를 갖는 것으로 나타났으며, 이는 방사배수 압밀과정에서 배수거리에 따른 압밀속도 차이로 인하여 유발되는 위치별 물성치 차이인 것으로 판단된다.
- 과압밀 영역에서 방사배수 압밀계수는 n=15일 때 연직배수 압밀계수에 비하여 2.47배 크지만 n값이 3.75로 감소함에 따라 압밀계수도 연직배수에 비하여 0.11배까지 감소하였으며, 정규압밀 영역에서도 3.37∼0.18배까지 감소하였다.
- 18배까지 감소한다. 따라서 방사배수는 연직배수보다 압밀속도를 증가시키지만, 압밀계수로 평가한 압밀효율에 대해서는 배수재 간격비(n)가 3 이하인 방사배수가 연직배수보다 효율이 떨어진다.
- 18배까지 감소한다. 따라서 방사배수는 연직배수보다 압밀속도를 증가시키지만, 압밀계수로 평가한 압밀효율에 대해서는 배수재 간격비(n)가 3 이하인 방사배수가 연직배수보다 효율이 떨어진다.
- 표 5 및 그림 6에서 압밀 시간을 정규화하여 비교한 결과 n값이 감소함에 따라 압밀에 필요한 정규화 시간은 오히려 증가하며, 이는 배수재 간격이 감소함에 따라 스미어의 영향이 상대적으로 증가하고 압밀효율을 감소시킴을 의미한다. 따라서 연약지반 개량설계시 연직배수공법을 적용하여 방사배수조건에서 압밀이 진행되도록 하면 압밀시간을 단축시킬 수 있지만, 압밀시간을 더욱 단축시키기 위하여 배수재 간격을 줄이는 것은 압밀효율을 감소시켜 기대하는 압밀시간 감소를 얻을 수 없다는 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 경향성은 최종침하량만을 배수재직경비에 따라서 정리한 그림 5 및 표 3에서도 확인할 수 있다. 따라서 침하량의 측면에서 보면 과압밀 영역에서는 배수재 간격비가 작아질수록 스미어의 영향 범위가 증가하면서 침하량도 증가하는 경향이 있으며, 정규압밀 영역에서는 그 효과가 거의 사라져 n값에 상관없이 최종침하량은 비슷한 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
- 또한 방사배수조건의 결과만을 비교했을 때는 배수재 간격비(n)와 압밀속도가 뚜렷한 관계를 가지지는 않았지만, n값이 가장 작은 Ø20 7EA의 압밀속도가 가장 빨랐다.
- 이는 n값이 감소함에 따라 배수거리는 짧아지지만 스미어의 영향이 증가하여 압밀효율이 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 압밀속도는 배수거리의 제곱에 비례하므로 시간을 배수거리의 제곱으로 나누어 정규화한 결과, n값이 감소함에 따라 스미어의 영향이 증가하면서 압밀효율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
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