장기압밀시험에 의한 광양항 점성토의 응력이력 특성 연구 A Study on the Characteristics of Stress History of Kwang-Yang Port Clayey Soil Based on the Long-term Consolidation Test원문보기
본 연구에서는 재성형한 광양항 점성토를 이용하여 응력이력과 OCR이 연약 점성토의 장기압밀특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 표준압밀시험기를 개조하여 장기압밀 시험을 수행하였다. 과압밀상태의 점토 시료에 대해, OCR이 1.5를 초과한 경우, 이차압밀 및 최종침하량은 OCR이 2.0에서 3.0으로 증가함에도 큰 차이를 보이지 않았으며, 이로부터 이차압밀과 최종침하량을 저감하기 위해 현장적용 OCR은 1.5로 나타났다. 더욱이 선행하중 재하기간과 장기압밀 거동 특성사이의 관계를 알아보기 위해 광양항 재성형 점토를 이용한 실험결과로부터 압밀도 70~80%를 초과하여 재하하중을 제거하여도 장기압밀에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 재성형한 광양항 점성토를 이용하여 응력이력과 OCR이 연약 점성토의 장기압밀특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 표준압밀시험기를 개조하여 장기압밀 시험을 수행하였다. 과압밀상태의 점토 시료에 대해, OCR이 1.5를 초과한 경우, 이차압밀 및 최종침하량은 OCR이 2.0에서 3.0으로 증가함에도 큰 차이를 보이지 않았으며, 이로부터 이차압밀과 최종침하량을 저감하기 위해 현장적용 OCR은 1.5로 나타났다. 더욱이 선행하중 재하기간과 장기압밀 거동 특성사이의 관계를 알아보기 위해 광양항 재성형 점토를 이용한 실험결과로부터 압밀도 70~80%를 초과하여 재하하중을 제거하여도 장기압밀에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 나타났다.
In this present study, the long-term consolidation tests were performed using the remolded Kwang-Yang port clayey soil to clarify the effect of stress history and over-consolidation ratio (OCR) on the long-term consolidation characteristics of the soft clayey soil. For the over-consolidated state cl...
In this present study, the long-term consolidation tests were performed using the remolded Kwang-Yang port clayey soil to clarify the effect of stress history and over-consolidation ratio (OCR) on the long-term consolidation characteristics of the soft clayey soil. For the over-consolidated state clayey soils, in case OCR exceeds 1.5, there are no great differences of secondary consolidation settlement and final settlement even if OCR increases from 2.0 to 3.0. Therefore, it has been understood that the value of OCR applied on the field site to reduce the secondary consolidation settlement and the final settlement is about 1.5. In addition, in order to investigate the relationship between the pre-loading period and the characteristics of long-term consolidation behavior obtained from the test results using the remolded Kwang-Yang port clayey soils, the influence on long-term consolidation behavior was not large though the pre-load was unloaded with the consolidation degree 70~80% exceeded.
In this present study, the long-term consolidation tests were performed using the remolded Kwang-Yang port clayey soil to clarify the effect of stress history and over-consolidation ratio (OCR) on the long-term consolidation characteristics of the soft clayey soil. For the over-consolidated state clayey soils, in case OCR exceeds 1.5, there are no great differences of secondary consolidation settlement and final settlement even if OCR increases from 2.0 to 3.0. Therefore, it has been understood that the value of OCR applied on the field site to reduce the secondary consolidation settlement and the final settlement is about 1.5. In addition, in order to investigate the relationship between the pre-loading period and the characteristics of long-term consolidation behavior obtained from the test results using the remolded Kwang-Yang port clayey soils, the influence on long-term consolidation behavior was not large though the pre-load was unloaded with the consolidation degree 70~80% exceeded.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 광양항에서 채취한 해성점토를 재성형한 균일 점토를 이용하여 과압밀비를 변화시킨 실내실험을 수행하여 과압밀비와 최종침하량과의 관계를 명확히 하고자 하였다. 또한 현장에서 지반 개량시 일반적으로 적용되고 있는 OCR=1.
따라서 본 연구에서는 광양항에서 채취한 해성점토를 재성형한 균일 점토를 이용하여 과압밀비를 변화시킨 실내실험을 수행하여 과압밀비와 최종침하량과의 관계를 명확히 하고자 하였다. 또한 현장에서 지반 개량시 일반적으로 적용되고 있는 OCR=1.5를 대상으로 선행하중 제거시기를 결정하기 위한 선행하중 재하기간(방치기간)의 차이에 따른 압밀도와 잔류침하 발생량과의 관계를 실내시험 결과를 이용하여 비교/분석하고 현장에 적용 가능한 하중제거시기에 적합한 압밀도와 과압 밀비를 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 광양항 재성형 점토시료를 이용하여 과압밀 상태에 대한 OCR의 크기에 따른 압밀특성과 선행하중 재하기간과 압밀특성의 관계를 규명하기 위한 개조된 표준압밀시험기를 이용한 장기압밀시험을 수행하고, 과압밀비와 최종침하량과의 관계 및 하중재하기간에 따른 압밀도와 최종침하량과의 관계를 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 최종압밀하중 단계에서의 간극수압 소산과정을 살펴보기 위해, 표준 압밀 시험장치를 개조하여 압밀셀 바닥면에서 간극수압을 측정할 수 있도록 간극수압센서를 장착하였으며, 최종하중단계 이외의 단계에서는 간극수압 측정용 밸브를 개방하여 양면배수로 압밀을 진행하고 최종압밀단계에서 밸브를 폐쇄하여 간극수압을 측정할 수 있도록 하였다.
제안 방법
과압밀 상태에 대한 장기압밀특성을 알아보기 위해 Table 2에 나타낸 바와 같이 동일 최종하중 단계에 대한 정규압밀상태와 과압밀 상태의 거동특성을 비교하기 위하여 Case 1-1∼1-3의 실험을 수행하고 과압밀비의 차이에 따른 거동특성을 비교하기 위하여 나머지 조건에 대한 장기압밀시험을 수행하였다.
또한 연약지반 개량시 주로 사용되는 선행재하공법과 관련한 실내시험 방법으로 선행하중(OCR=1.5) 재하후의 방치기간 (압밀도 U=25, 35, 50, 70, 80, 90, 100%: U= St/Sf×100%)에 따른 공용하중 재하시의 이차압밀거동특성을 명확히 하기 위해 Table 3에 나타낸 하중재하방법으로 장기압밀시험을 수행하였다.
본 연구에서는 동일 조건하에서의 압밀특성을 파악하기 위해 균일한 재성형 점토시료를 작성하여 사용하였다. 재성형 점토시료의 작성방법은 광양항 준설매립 현장에서 채취한 점성토를 이물질 제거를 위해 0.
4kgf/cm2 의 최종압밀하중을 선정한 이유는 정규압밀상태의 심도 9m의 평균유효상재하중에 상당하는 값을 선정하였으며, 90일 간의 재하는 현장에서 1차압밀이 종료된 안정된 점토가 얻어지는 재하시간(Kim, 2011 참조)을 이용하여 선정한 것이다). 압밀종료 후의 시험용 시료 제작을 위해 블록으로 분절하여 각 시료의 함수비 변화를 방지하기 위해 랩과 호일로 도포한 후, 파라핀으로 도포하여 항온상태에서 보존하였다. 본 연구에서 사용한 실내시험용 해성 점토의 물리특성을 나타낸 것이 Table 1이다.
재성형 점토시료의 작성방법은 광양항 준설매립 현장에서 채취한 점성토를 이물질 제거를 위해 0.42mm 체로 체가름한 점성토를 액성한계의 2배(90%±5%)의 함수비로 장시간 교반하여 대형 토조(220mm×1,200mm×600mm: 폭×길이×높이)에 투입하였다.
과압밀 상태에 대한 장기압밀특성을 알아보기 위해 Table 2에 나타낸 바와 같이 동일 최종하중 단계에 대한 정규압밀상태와 과압밀 상태의 거동특성을 비교하기 위하여 Case 1-1∼1-3의 실험을 수행하고 과압밀비의 차이에 따른 거동특성을 비교하기 위하여 나머지 조건에 대한 장기압밀시험을 수행하였다. 최종하중 단계이전의 각 단계별 재하-제하시간은 24시간을 표준으로 하였으며, 최종하중 단계는 충분한 2차압밀 거동이 나타나는 14일 이상을 재하하였다.
투입이 완료된 후, 토조내의 점성토의 안정화를 위해 4일간 방치하여 자중압밀을 통해 안정화 시키고, 초기 점성토시료의 교란의 영향을 최소화하기 위해 0.05kgf/cm2, 0.1kgf/cm2, 0.2kgf/cm2을 재하한 후, 최종 압밀하중 단계인 0.4kgf/cm2의 압밀하중을 실제지반과 같은 안정화된 균일점토 제작을 위해 약 90일간 재하 하였다(0.4kgf/cm2 의 최종압밀하중을 선정한 이유는 정규압밀상태의 심도 9m의 평균유효상재하중에 상당하는 값을 선정하였으며, 90일 간의 재하는 현장에서 1차압밀이 종료된 안정된 점토가 얻어지는 재하시간(Kim, 2011 참조)을 이용하여 선정한 것이다).
이론/모형
본 연구에서 수행한 압밀시험의 정규압밀 상태에 대한 하중재하방법과 실험결과는 참고문헌(Kim, 2011)을 참고하기 바란다. 과압밀 상태에 대한 장기압밀특성을 알아보기 위해 Table 2에 나타낸 바와 같이 동일 최종하중 단계에 대한 정규압밀상태와 과압밀 상태의 거동특성을 비교하기 위하여 Case 1-1∼1-3의 실험을 수행하고 과압밀비의 차이에 따른 거동특성을 비교하기 위하여 나머지 조건에 대한 장기압밀시험을 수행하였다.
성능/효과
1) 응력이력의 차이가 압축곡선 e-logp 곡선의 압축지수에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
2) 과압밀 영역에 대한 실험결과, OCR의 증가와 더불어 최종침하량 및 이차압밀침하량이 크게 감소되며, 현장에서의 적용 가능한 OCR의 크기는 1.5 정도로 설정 가능함을 알았다.
3) 실내시험 결과를 이용하여, OCR에 따른 최종침하량에 대한 근사식으로서 Sf(OCR)/Sf(OCR=1.0)=-0.1722x3 +1.1615x2-2.6403x+2.6325을 이용해 임의의 OCR에 대한 최종침하량을 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
4) 선행압밀하중 재하기간이 증가할수록 최종침하량 및 이차압밀침하량이 감소하고, 선행하중 재하기간의 압밀도 70～80% 도달시에 하중을 제거하여도 장기압밀에 미치는 영향은 크지 않았다.
그림에서 알 수 있는 것처럼 동일한 최종압밀하중(3.2kgf/cm2)이 적용되었으나 제하이력을 갖지 않는 정규압밀(NC1->1)과 과압밀이력을 갖는 결과와 비교한 결과, 응력이력에 따른 OCR의 증가와 더불어 과압밀 영역에서 최종침하량 및 장기압밀침하량이 크게 감소함을 알 수 있다.
)에 따른 최종침하량과의 비(Sf(u) /Sf(u=100))를 계산한 결과를 나타낸 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 압밀도가 증가할수록 최종침하량은선형적으로 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 압밀도 U=70%를 초과한 시점에서 최종침하량이 압밀도 100%로 하였을 경우의 잔류침하량이 20% 정도를 나타냄을 알 수 있다. 이들 결과로 부터 현장에서의 선행하중 재하기간을 압밀도 70～80% 부근에서 제거하여도 장기압 밀침하에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다.
본 연구에서 사용한 실내시험용 해성 점토의 물리특성을 나타낸 것이 Table 1이다. 본 연구에서는 이물질 제거를 위해 0.42mm 체로 체가름한 점성토를 사용하였으며, 원지반 점토의 물성과 비교하여 조개껍질 등의 이물질과 모래질토의 제거로 인해 액성한계와 소성지수가 약간 증가함을 알 수 있다. 그러나 원지반토와 물성에 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
5를 초과하면 OCR의 증가에 따른 이차 압밀량 및 최종침하량에 큰 차이를 나타내지 않았다. 본 연구에서와 같이 해성점토를 재성형한 점토에 대한 적용 가능한 OCR의 크기는 1.5정도로 설정하여도 장기적인 허용 침하에는 큰 차이가 없을 것으로 판단된다. 이를 현장에 적용하기 위해서는 물리 특성(초기간극비, 함수비, 소성지수 등)변화에 따른 다양한 시험이 수행되어져야 할 것이다.
또한 Figure 7(b)에서 알 수 있는 것처럼, 이차압밀 과정에서는 침하-팽창-침하를 반복하며 서서히 침하가 진행됨을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 압밀과정중의 부의 다이레이탄시의 영향에 의한 간극수압의 발생 또는 유효응력완화 현상에 의한 유요응력의 감소시에 팽창과정을 거치고, 다시 점토골격이 안정화를 진행하며 유효응력이 증가되어 침하가 진행되는 과정을 반복하고 있는 것으로 판단된다.
후속연구
이들 결과로 부터 현장에서의 선행하중 재하기간을 압밀도 70～80% 부근에서 제거하여도 장기압 밀침하에 미치는 영향은 미미할 것으로 판단된다. 다만, 본 연구는 광양항 해성점토를 재성형한 점토에 대해 수행된 결과를 검토한 것으로 다양한 현장에 적용하기 위해서는 물리특성(초기 간극비, 함수비, 소성지수 등)의 변화에 따른 추가시험이 수행되어져야 할 것이다.
Figure 11은 압밀도의 변화에 따른 침하곡선의 변화 양상을 살펴보기 위해 하중재하기간의 차이에 따른 압 밀도의 차이와 s-logt 곡선에서 구한 이차압밀계수(Ca= (Δs/Δlogt)의 관계를 나타낸 것으로 선행압밀하중 재하기간의 증가와 더불어(압밀도의 증가) 이차압밀계수도 선형적으로 감소하고 있음을 알 수 있다. 또한 이차압밀계수와 압밀도의 변화가 좋은 상관성을 나타내고 있으므로 현장 적용시의 선행하중 재하기간 및 허용잔류침하량과 압밀도의 설정에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
본 연구에서 얻어진 결과는 광양항 재성형 점토를 이용한 장기압밀시험에서 얻어진 결과로 현장 적용을 위해서는 다양한 물리특성 변화에 따른 추가실험을 실시할 필요가 있을 것으로 판단된다.
5정도로 설정하여도 장기적인 허용 침하에는 큰 차이가 없을 것으로 판단된다. 이를 현장에 적용하기 위해서는 물리 특성(초기간극비, 함수비, 소성지수 등)변화에 따른 다양한 시험이 수행되어져야 할 것이다. 또한 그림에서 이차압밀 개시 후 침하량이 주기적으로 침하→팽창(감소)→침하의 과정을 반복하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
시공성, 경제성, 공용후의 안정성과 관련된 가장 큰 문제로 대두되는 것은?
또한 국가경제 발전의 거점이 되는 공항, 항만, 공단부지 등 대단위 기반시설을 수용하기 위한 해안지역 준설･매립으로 대규모 부지조성이 증가되고 있는 추세이다. 이와 같은 대규모 부지의 대부분이 퇴적지반상에 위치하게 되며, 이러한 퇴적지반에서는 많은 공학적 문제점을 가지고 있으나 특히 시공성, 경제성, 공용후의 안정성과 관련된 가장 큰 문제로 대두되는 것이 점성토지반의 침하문제이다. 최근 들어 구조물의 대형화와 더불어 연약지반상에 구조물 건설 증가로 사회기반시설 물의 안정성 및 유지관리, 건설비용의 감액 관점에서 연직배수공법을 병행한 사전압밀공법에 의한 지반개량이 활발히 행해지고 있다.
최근 급속한 산업발달과 국토의 효율적인 이용을 위해 무엇이 확대되고 있는 추세인가?
최근 급속한 산업발달과 국토의 효율적인 이용을 위해, 구조물의 대형화와 축초위치가 양호한 양질 지반에서 점차 해안, 항만, 매립지 등으로 확대되고 있는 추세이다. 또한 국가경제 발전의 거점이 되는 공항, 항만, 공단부지 등 대단위 기반시설을 수용하기 위한 해안지역 준설･매립으로 대규모 부지조성이 증가되고 있는 추세이다. 이와 같은 대규모 부지의 대부분이 퇴적지반상에 위치하게 되며, 이러한 퇴적지반에서는 많은 공학적 문제점을 가지고 있으나 특히 시공성, 경제성, 공용후의 안정성과 관련된 가장 큰 문제로 대두되는 것이 점성토지반의 침하문제이다.
구조물 축조후의 공용하중에 의한 잔류침하(2차 압밀 포함)로 인한 유지관리에 막대한 경비가 소요되는 이유는?
이와 같은 대규모 부지의 대부분이 퇴적지반상에 위치하게 되며, 이러한 퇴적지반에서는 많은 공학적 문제점을 가지고 있으나 특히 시공성, 경제성, 공용후의 안정성과 관련된 가장 큰 문제로 대두되는 것이 점성토지반의 침하문제이다. 최근 들어 구조물의 대형화와 더불어 연약지반상에 구조물 건설 증가로 사회기반시설 물의 안정성 및 유지관리, 건설비용의 감액 관점에서 연직배수공법을 병행한 사전압밀공법에 의한 지반개량이 활발히 행해지고 있다. 그러나 연약점성토 지반에서의 침하와 관련된 문제로서 압밀침하는 점토의 낮은 투수 계수로 1차압밀과 유효응력이 일정한 상태에서 장기간에 걸쳐 발생하는 이차압밀이 있다. 그러나 현장에서의 압밀해석은 Terzaghi(1948)의 탄성압밀이론을 이용한 경험식이 주로 이용되고 있으며 2차압밀을 고려할 수 없다. 따라서 구조물 축조후의 공용하중에 의한 잔류침하(2차 압밀 포함)로 인한 유지관리에 막대한 경비가 소요된다.
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