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문제 정의
- 본 연구에서 대상으로 하는 미관통SCP와 관통SCP에 대한 유한요소 모델링은 그림 3과 같이 굵은 선의 구조가 반복되어 배치되도록 하였으며 그림 속의 굵은 선의 요소 단면을 확대하여 모형지반의 치환율로 SCP직경을 설정하였다. 본 연구는 향후 1-G상태의 모형실험과 원심모형실험을 실시하기 위한 기초연구이기 때문에 소규모 모델을 수치해석 한 것이다.
제안 방법
- 일반적으로 SCP공법은 개량하고자 하는 점토층의 하부지반 전체를 관통하여 지반을 개량하고 있다. 그러나 본 연구에서는 저치환율 SCP공법을 점토지반 전체에 관통시키지 않고 미관통 상태로 남게 함으로서 시공비의 감소,시공기계의 한계성, 하부 모래자갈층에서 SCP로 지하수의 유입으로 인한 문제 등을 방지할 수 있는 미관통 SCP모델지반에 대하여 탄･점･소성 유한요소해석을 실시하였다(Jung, 1998).
- 본 연구에서 적용한 유한요소 메쉬 및 모델링에 대한 경계조건과 배수조건은 그림 4와 같이 양 측면은 연직방향만 자유단이며 하부지반은 고정으로 하였다(김영남 등 2004; 平林岳樹, 2002). 또한 모델링지반의 하단은 모래다짐말뚝이 풍화암까지 근입되는 현장조건을 고려하여 하부에서 침하가 발생하지 않도록 하였으며 측면은 하중이 재하될 때 팽창하지 않으면서 침하는 발생할 수 있도록 하였다. 배수조건으로 양 측면 및 하부는 비배수조건, 상부는 배수조건으로 하였다.
- 또한 모델링지반의 하단은 모래다짐말뚝이 풍화암까지 근입되는 현장조건을 고려하여 하부에서 침하가 발생하지 않도록 하였으며 측면은 하중이 재하될 때 팽창하지 않으면서 침하는 발생할 수 있도록 하였다. 배수조건으로 양 측면 및 하부는 비배수조건, 상부는 배수조건으로 하였다. 해석조건은 표 3과 같으며 그림 5와 같이 관통율(Hd/H)은 완전개량 지지층까지 모래말뚝의 길이(H)에 대한 필요한 개량대상층까지의 모래말뚝 길이의 비를 의미하며 심도(y/H)는 완전개량 모래말뚝 길이(H)에 대한 상부표면(y=0)으로 부터의 비를 나타낸다.
- 본 연구는 경제적이고 효과적인 SCP 타설방법를 제안하기 위해 미관통 SCP 복합지반의 압밀해석을 연구한 것으로 이를 위해 관통SCP와 미관통SCP를 교호로 타설하는 개량방법에 착안하여 FEM해석를 통하여 침하량, 유효 응력, 응력분담비의 특성을 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구는 유한요소해석을 이용하여 저치환율일 경우 압밀도에 따른 미관통 SCP공법과 관통 SCP 공법을 병용한 복합지반의 압밀침하 거동을 비교평가 하였다. 이를 위해 사전에 작성된 모델지반을 대상으로 관통율, 치환율 그리고 압밀도등을 달리한 수치해석을 실시하여 모래말뚝과 점성토 지반의 침하량, 유효응력특성 및 응력분담비 특성 변화를 분석 고찰하였다.
- 본 연구에서 사용한 수치해석 프로그램은 AFIMEX에 내장되어 있는 압밀전용 해석 솔버인 DACSAR(Deformation Analysis Considering Stress Anisotropy and Reorientation)를 사용하였으며 점성토에 적용한 구성식은 세키쿠치-오오타(關口-太田)모델로 탄･점･소성 해석을 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 미관통SCP와 관통SCP에 대한 유한요소 모델링은 그림 3과 같이 굵은 선의 구조가 반복되어 배치되도록 하였으며 그림 속의 굵은 선의 요소 단면을 확대하여 모형지반의 치환율로 SCP직경을 설정하였다. 본 연구는 향후 1-G상태의 모형실험과 원심모형실험을 실시하기 위한 기초연구이기 때문에 소규모 모델을 수치해석 한 것이다.
- 본 절은 저치환율을 갖는 관통 및 미관통 SCP개량지반에서 압밀도가 90%, 상재하중 1t/m2일 경우로 국한하여 치환율 변화에 따른 거동특성을 비교 분석하였으며 각 치환율별 침하량 값은 증분비로 도시한 것이다.
- 본 절은 저치환율을 갖는 관통 및 미관통 SCP개량지반에서 치환율이 30%, 상재하중이 1t/m2일 경우로 국한하여 압밀도 변화에 따른 SCP지반의 거동특성을 비교 분석한 것이며 각 침하량과 유효응력은 압밀시간의 경과가 고려된 압밀도별 침하량 및 유효응력의 변화를 관찰할 수 있도록 그 값을 증분비로 도시하였다.
- 본 연구는 유한요소해석을 이용하여 저치환율일 경우 압밀도에 따른 미관통 SCP공법과 관통 SCP 공법을 병용한 복합지반의 압밀침하 거동을 비교평가 하였다. 이를 위해 사전에 작성된 모델지반을 대상으로 관통율, 치환율 그리고 압밀도등을 달리한 수치해석을 실시하여 모래말뚝과 점성토 지반의 침하량, 유효응력특성 및 응력분담비 특성 변화를 분석 고찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 모래의 토질매개변수는 표 4와 같이 해양수산부(1999)에서 연구한 주문진 표준사의 탄성지반의 물성값을 사용하였고 점토지반은 표 5와 같이 포항종합제철주식회사(1990)의 점성토 지반의 토질특성을 대상으로 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용한 수치해석 프로그램은 AFIMEX에 내장되어 있는 압밀전용 해석 솔버인 DACSAR(Deformation Analysis Considering Stress Anisotropy and Reorientation)를 사용하였으며 점성토에 적용한 구성식은 세키쿠치-오오타(關口-太田)모델로 탄･점･소성 해석을 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 미관통SCP와 관통SCP에 대한 유한요소 모델링은 그림 3과 같이 굵은 선의 구조가 반복되어 배치되도록 하였으며 그림 속의 굵은 선의 요소 단면을 확대하여 모형지반의 치환율로 SCP직경을 설정하였다.
- 본 연구에서 적용한 유한요소 메쉬 및 모델링에 대한 경계조건과 배수조건은 그림 4와 같이 양 측면은 연직방향만 자유단이며 하부지반은 고정으로 하였다(김영남 등 2004; 平林岳樹, 2002). 또한 모델링지반의 하단은 모래다짐말뚝이 풍화암까지 근입되는 현장조건을 고려하여 하부에서 침하가 발생하지 않도록 하였으며 측면은 하중이 재하될 때 팽창하지 않으면서 침하는 발생할 수 있도록 하였다.
성능/효과
- (1) 미관통 SCP를 포함하는 복합지반의 침하저감효과는 미관통SCP지반의 관통율이 줄어들수록 감소한다. 이 현상은 주로 관통율 감소로 인한 미개량지반에서의 침하증가에 기인하고 있다.
- (2) 미관통 SCP의 유효응력은 압밀도의 증가와 함께 감소하고 미관통부을 포함한 복합지반 중 관통 SCP에서는 상단부보다 하단부의 응력이 크게 발생하고 있다. 이는 압밀이 진행됨에 따라서 미관통 SCP를 포함한 복합지반의 하부에서 응력 재분배가 왕성하게 이루어지기 때문으로 판단된다.
- (3) 미관통SCP의 하단부에서는 응력집중효과는 발휘되지 않았으며 응력분담비는 압밀도에 관계없이 거의 일정한 양상을 보이며 관통율이 클수록 더 크게 발생하였다.
- (4) 관통 SCP지반과 가장 유사한 양상을 보이는 경우는 치환율이 30%정도인 경우 중 관통율이 75%인 경우로 해석되었다.
- 표 7 및 그림 13은 관통율이 다른 복합지반 중 미관통 SCP지반에 대하여 치환율에 따른 응력분담비를 심도별로 분석한 것이다. 그림 13(a)에서와 같이 응력분담비는 상부 지표면에서 치환율에 따라서 큰 변화는 없지만 하부로 갈수록 치환율이 증가함에 따라서 응력분담비가 더 감소해가는 양상을 보였다. 또한 그림 13(b)와 (c)의 미관통 SCP지반의 경우는 미관통 SCP지반의 중앙부근(y/H=50%)에서 응력분담비의 최대값을 나타내고 있다.
- 그림 7(a)는 관통 SCP개량지반(Hd/H=100%)에 대하여 심도방향으로 유효응력 변화특성을 나타낸 것이다. 개량 점토지반의 경우는 무처리지반과 유사하게 상부에서 유효 응력이 가장 크게 발생되어 점점 감소하는 일정한 특성을 보이며 무처리 점토지반에 비하여 유효응력 변화가 더 적게 나타났다. 이는 개량지반의 경우 응력분담을 SCP지반에서 대부분 받고 있기 때문으로 판단된다.
- 그림에서와 같이 압밀도가 증가함에 따라서 유효응력이 약간 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한 심도별 유효응력은 지표면에서 가장 크고 심도별로는 관통율이 75%인 경우가 50%인 경우보다 더 작은 값을 보였는데 이는 미관통 하부 점토지반의 영향으로 판단되며 미관통SCP지반 상부에서의 응력집중효과는 모두 주변점토와의 마찰과 응력재분배에 의해서 지지되고 있다는 것을 의미한다.
- 이와 같이 응력분담비는 압밀도가 증가함에 따라 감소한다는 것을 알 수 있고, 상부에서는 관통율 및 압밀도에 관계없이 거의 일정한 값을 보이지만, 관통SCP지반에서는 심도가 증가함에 따라 응력분담비도 증가하며, 압밀도가 증가하면서 관통된 SCP지반의 응력분담비도 점점 감소해 간다. 그러나 미관통부의 SCP지반의 경우는 압밀도에 관계없이 거의 일정한 양상을 보이고, 미관통SCP지반의 하부에서의 응력분담비가 1에 가까워진다는 것을 알 수 있다.
- 1% 정도 더 큰 침하가 발생됨을 알 수 있다. 표에서와 같이 전반적으로 치환율과 관통율이 증가함에 따라 침하량은 감소하고 있으며 치환율보다 관통율이 침하량에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 이 표를 보면 미관통 SCP공법이 상당수를 점하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 미관통 SCP에 의한 개량지반의 압밀침하 시스템은 대단히 복잡하고 그 해명을 위해서는 향후 국내에서도 계속적인 데이터의 집적 및 연구가 필요하다.
- 본 연구는 미관통 SCP지반에 대한 모형지반의 수치해 연구로서 향후 압밀도, 상재하중 및 치환율 등 다양한 조건이 변할 경우에 대한 추가적인 수치해석 및 1-G상태의 모형실험과 원심모형실험을 통한 비교분석 연구가 필요하다.
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