심층혼합처리(deep cement mixing, DCM)공법은 두꺼운 연약지반을 개량하는 공법 중 하나이다. 이 공법은 저소음, 저진동으로 공해가 적고 단시간에 큰 강도를 얻을 수 있는 장점이 있다. DCM공법과 같이 연약지반 개량 후 복합지반이 형성되는 지반의 침하량 산정을 위해서는 응력분담비의 결정이 필요하다. 이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반 거동특성을 이해하기 위하여 모형재하시험을 실시하였다. 모형시험에서 측정한 토압과 침하량, 그리고 기존 제안도표를 이용하여 응력분담비를 산정하였는데 응력분담비는 각각 35.4, 28.6, 27.02로 DCM 개량체에 큰 응력집중이 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기존 연구결과에 의한 응력분담비(26.52, 32.5)와 비교할 때 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다.
심층혼합처리(deep cement mixing, DCM)공법은 두꺼운 연약지반을 개량하는 공법 중 하나이다. 이 공법은 저소음, 저진동으로 공해가 적고 단시간에 큰 강도를 얻을 수 있는 장점이 있다. DCM공법과 같이 연약지반 개량 후 복합지반이 형성되는 지반의 침하량 산정을 위해서는 응력분담비의 결정이 필요하다. 이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반 거동특성을 이해하기 위하여 모형재하시험을 실시하였다. 모형시험에서 측정한 토압과 침하량, 그리고 기존 제안도표를 이용하여 응력분담비를 산정하였는데 응력분담비는 각각 35.4, 28.6, 27.02로 DCM 개량체에 큰 응력집중이 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기존 연구결과에 의한 응력분담비(26.52, 32.5)와 비교할 때 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다.
Deep cement mixing method (DCM) is one of the most effective improving methods for deep soft ground. The strength of soft soil can be increased in a short period of time with less noise and vibration. However, it is necessary to determine the stress transferring and concentration ratio of the compos...
Deep cement mixing method (DCM) is one of the most effective improving methods for deep soft ground. The strength of soft soil can be increased in a short period of time with less noise and vibration. However, it is necessary to determine the stress transferring and concentration ratio of the composite soft ground for estimating the settlement behaviors. In this study, a model test was undertaken to investigate the stress distribution of the improved soil. Results of the model test shows that stresses were concentrated mainly on the improved areas by DCM and the concentration ratios (35.4, 28.6, 27.02) were obtained using several different techniques. These were well in accordance with other previous research results (26.52, 32.5).
Deep cement mixing method (DCM) is one of the most effective improving methods for deep soft ground. The strength of soft soil can be increased in a short period of time with less noise and vibration. However, it is necessary to determine the stress transferring and concentration ratio of the composite soft ground for estimating the settlement behaviors. In this study, a model test was undertaken to investigate the stress distribution of the improved soil. Results of the model test shows that stresses were concentrated mainly on the improved areas by DCM and the concentration ratios (35.4, 28.6, 27.02) were obtained using several different techniques. These were well in accordance with other previous research results (26.52, 32.5).
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문제 정의
이 연구에서는 DCM 공법이 시공된 복합지반에 등분포 하중이 작용할 때의 DCM 개량체와 점토지반의 응력분담비(n)를 파악하기 위하여 모형시험을 실시하였다. 원통형 모형토조를 이용한 측정시험의 상세도는 그림 5와 같다.
이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비(n)를 파악하기 위하여 모형시험을 실시하였다. 모형시험결과로부터 응력분담비를 산정하였고, 이 결과를 도표를 이용한 계산방법의 결과 및 기존 연구자들의 연구결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 연구에서는 모형시험에서 산정된 응력분담비(n)를 기존 제안도표에 의한 결과와 현장시험결과에 의해서 산정된 응력분담비(n)와 비교해 보고자 하였다. 실제 현장 시험결과의 경우 이 연구에서 적용된 지반 조건과 개량체의 특성이 반영된 현장에서 실시된 시험결과와 비교하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다.
하지만 아직까지 국내에서는 DCM공법이 적용된 복합지반의 응력분담비(n) 파악에 대한 연구가 미흡한 실정이다. 이에 이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비(n)를 파악하기 위하여 DCM공법으로 개량된 복합지반을 모사하는 지반모형을 제작하여 재하시험을 실시하였다. 모형시험결과로 측정된 침하량 및 토압측정 결과를 이용하여 응력분담비(n)를 산정하였고, 이 결과를 기존 문헌에 제안된 도표를 이용한 계산방법의 결과 및 기존 연구자들의 연구결과와 비교해 보았다.
제안 방법
Bergado & Lorenzo[13]는 15kPa 이하의 비배수 강도(현장 베인시험(FVT) 결과)를 갖는 연약 점토층(soft Bangkok clay)에 대한 현장시험을 통해서 DCM 개량지반의 침하저감효과를 확인하였다. 1.5m 간격의 사각배치로 직경(D) 0.5m, 길이(L) 9.0m의 심층혼합말뚝(deep mixing pile)을 설치하여 복합지반을 조성한 후 6m 높이로 성토를 한 후에 침하량을 측정하여 무처리 지반의 침하량과 비교하였다. 이 연구결과에 따르면 성토하중 재하 1년 후의 평균 침하량은 DCM으로 개량된 복합지반의 경우 310mm, 무처리 지반의 경우 1000mm로 나타났다.
DCM 공법이 적용된 지반을 모사하는 DCM 개량체와 점토의 복합지반에 등분포 하중을 재하하고 토압계를 설치하여 개량체와 점토층에 발생하는 토압을 각각 측정한다. 토압 측정결과를 이용하여 모형복합지반에 발생한 토압분포로부터 응력분담비(n)를 계산한다.
그림 5에서 보는 바와 같이 토압은 세 지점(점토, DCM 개량체, 상부 쇄석층)에서 측정하였으며, 재하로 인해서 발생하는 침하량은 변위계를 이용하여 측정하였다. 이 연구에서 모형시험과 기존의 제안방법을 이용한 응력분담비(n) 산정방법은 다음과 같다.
응력분담비(n) 측정시험을 위하여 200kPa의 등분포하중을 재하하면서 토압계를 이용하여 쇄석층, 점토지반 및 개량체에 작용하는 토압을 측정하였고 그 결과를 그림 8에 나타내었다. 그림 8에서 보는 바와 같이 재하는 3단계로 나누어 실시하였고 목표 등분포 하중인 200kPa의 등분포하중이 가해진 후 평균적으로 개량체에 약 430kPa, 점토지반에 12.2kPa, 쇄석층에 203kPa의 토압이 측정되었다. 모형시험을 통해서 개량체와 점토지반에서 측정된 토압으로 산정된 응력분담비(n)는 약 35.
토압 측정결과를 이용하여 모형복합지반에 발생한 토압분포로부터 응력분담비(n)를 계산한다. 또한, 재하시험 중 복합지반에 발생하는 침하량을 측정하고 무처리 점토지반에 발생하는 침하량을 계산한다. 침하량 측정 및 계산 결과에 대해서 식 (1)과 식 (2)를 이용하여 응력분담비(n)를 계산한다.
이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비(n)를 파악하기 위하여 모형시험을 실시하였다. 모형시험결과로부터 응력분담비를 산정하였고, 이 결과를 도표를 이용한 계산방법의 결과 및 기존 연구자들의 연구결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
응력분담비(n) 측정시험을 위하여 200kPa의 등분포하중을 재하하면서 토압계를 이용하여 쇄석층, 점토지반 및 개량체에 작용하는 토압을 측정하였고 그 결과를 그림 8에 나타내었다. 그림 8에서 보는 바와 같이 재하는 3단계로 나누어 실시하였고 목표 등분포 하중인 200kPa의 등분포하중이 가해진 후 평균적으로 개량체에 약 430kPa, 점토지반에 12.
이 연구에서는 응력분담비(n) 산정을 위하여 200kPa의 등분포하중을 재하하면서 토압의 측정과 함께 복합지반에 발생하는 침하량을 측정하였고 그 결과를 그림 9에 나타내었다. 그림 9에서 보는 바와 같이 재하로 인해서 복합지반에는 총 6.
실제 현장 시험결과의 경우 이 연구에서 적용된 지반 조건과 개량체의 특성이 반영된 현장에서 실시된 시험결과와 비교하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 하지만 이 연구에서는 현장시험을 실시하지 못한 관계로 DCM 공법을 적용한 해외 현장시험 사례를 인용하여 응력분담비(n)를 비교하였다.
한편, 이 연구에서는 200kPa의 등분포 하중을 지속적으로 재하하기 위하여 약 1MN까지 재하가 가능한 만능 시험기(Universal Test Machine(UTM)) (그림 4 참조)를 사용하였다.
대상 데이터
또한, 크기가 31cm× 36cm(지름×높이)인 강재원통형 모형토조를 사용하였다.
변위 및 토압의 측정과 자료수집을 위해서 변위계, 토압계 및 데이터 로거를 사용하였으며, 개량지반에 균등한 재하를 위하여 29.5×3cm(지름×높이)의 강재 재하판을 사용하였다.
응력분담비 측정시험에서 연약지반과 DCM 개량체의 재료로 점토를 사용하였으며 복합지반 상부, 하부에 쇄석층과 샌드매트의 재료로 각각 쇄석과 모래를 사용하였다(표 1 참조). 시험에 사용된 DCM 개량체는 7일 양생 후 일축압축강도 3MPa를 만족하는 물시멘트비(W/C) 70%와 고로슬래그 시멘트/점토 배합비 28.5%를 적용하여 제작하였고, 개량체의 형태는 접원식 개량방식을 적용하였다.
응력분담비 측정시험에서 연약지반과 DCM 개량체의 재료로 점토를 사용하였으며 복합지반 상부, 하부에 쇄석층과 샌드매트의 재료로 각각 쇄석과 모래를 사용하였다(표 1 참조). 시험에 사용된 DCM 개량체는 7일 양생 후 일축압축강도 3MPa를 만족하는 물시멘트비(W/C) 70%와 고로슬래그 시멘트/점토 배합비 28.
데이터처리
이에 이 연구에서는 DCM공법으로 개량된 복합지반의 응력분담비(n)를 파악하기 위하여 DCM공법으로 개량된 복합지반을 모사하는 지반모형을 제작하여 재하시험을 실시하였다. 모형시험결과로 측정된 침하량 및 토압측정 결과를 이용하여 응력분담비(n)를 산정하였고, 이 결과를 기존 문헌에 제안된 도표를 이용한 계산방법의 결과 및 기존 연구자들의 연구결과와 비교해 보았다.
모형시험에 적용된 등분포 하중(=200kPa) 및 개량체의 목표 일축압축강도를 이용하여 기존에 제안된 도표를 이용하여 응력분담비(n)를 계산하고 1)의 정하중 재하시험으로 얻어진 응력분담비(n)의 결과와 비교한다.
성능/효과
1) DCM공법을 적용한 복합지반의 토압측정과 침하량 계산으로 산정된 응력분담비(n)는 각각 35.4, 28.6으로 산정되어 DCM 개량체에 큰 응력집중이 발생하는 것으로 나타났다.
2) 기존 제안도표를 이용하여 산정된 응력분담비(n)는 27.02로 토압측정으로 산정된 응력분담비(n)에 비해서 침하량으로 산정된 응력분담비(n)에 가까운 결과를 나타내었다.
3) 이 연구에서 산정된 응력분담비(n) 및 기존 연구결과의 응력분담비(n)는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 결과를 볼 때 응력분담비(n)는 여러 조건에 대해서 일정한 범위 내에서 변화할 것으로 예측된다.
계산의 편의를 위하여 복합지반 재하시험에서 측정된 전체 침하량을 DCM으로 개량된 복합지반에 발생한 침하량이라고 가정할 때, 무보강 점토지반의 침하량(85mm)과 DCM으로 개량된 복합지반의 침하량(6.32mm)을 식 1에 대입하여 침하저감계수(β)는 0.0744로 결정되었다.
연약지반 조성에 사용된 점토는 끓여서 완전히 포화된 조건을 만들었으며, 평균 함수비 40%의 조건에서 간극비(e0)는 1.072, 포화단위중량(γsat)은 18.1 kN/m3로 산정되었다.
연약지반 조성에 사용된 점토를 재성형하여 표준 압밀시험(KS F 2316)을 하였고, 그 결과로 압축지수(Cc)와 압밀계수(cv)는 각각 0.368, 3.25×10-3cm2/sec로 결정되었다.
0m의 심층혼합말뚝(deep mixing pile)을 설치하여 복합지반을 조성한 후 6m 높이로 성토를 한 후에 침하량을 측정하여 무처리 지반의 침하량과 비교하였다. 이 연구결과에 따르면 성토하중 재하 1년 후의 평균 침하량은 DCM으로 개량된 복합지반의 경우 310mm, 무처리 지반의 경우 1000mm로 나타났다. 복합지반과 무처리 지반의 침하량을 통해서 침하저감계수(β)는 0.
후속연구
4) 응력분담비(n)가 다양한 조건에 대해서 영향을 받는 것을 고려할 때, 다양한 조건에 대한 추가적인 연구를 통해서 응력분담비(n)를 파악한다면 현장에서 DCM공법 설계에 적용할 수 있는 좀 더 정확한 자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
[10]의 연구결과와 같이 유사한 조건에서도 치환율(as)의 변화에 따라서 그 값이 변하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 종합해 볼 때 DCM 공법의 설계에 필요한 응력분담비(n) 파악을 위해서는 응력분담비(n)에 영향을 미치는 다양한 조건에 대한 추가적인 연구를 통해서 응력분담비의 변화를 파악해야 할 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연약지반이란 무엇인가?
해안항만공사는 공사 특성상 해저 연약지반 위에 대형 구조물을 설치해야 하는 어려움이 있다. 연약지반(soft ground)이란 전단강도가 작아 상부에 건설되는 구조물을 지지할 수 없거나, 또는 상부 구조물의 축조로 인해 매우 큰 침하가 발생하는 지반을 말한다[1]. 이러한 압축성이 큰 연약한 점성토지반 위에 구조물을 축조할 경우 연약지반은 상당히 변형되고 이 지반 변형으로 인해 많은 피해가 발생하게 된다.
압축성이 큰 연약한 점성토지반 위에 구조물을 축조할 경우 어떤 문제가 발생하는가?
연약지반(soft ground)이란 전단강도가 작아 상부에 건설되는 구조물을 지지할 수 없거나, 또는 상부 구조물의 축조로 인해 매우 큰 침하가 발생하는 지반을 말한다[1]. 이러한 압축성이 큰 연약한 점성토지반 위에 구조물을 축조할 경우 연약지반은 상당히 변형되고 이 지반 변형으로 인해 많은 피해가 발생하게 된다. 최근 연약지반 상에 컨테이너 부두와 같은 대형 중량구조물의 시공이 증가함에 따라 두꺼운 연약층을 단기간에 고강도로 개량해야 하는 경우가 증가하고 있다[2].
우리나라에서 해상지반에 연약지반 개량 공법으로 주로 시공되고 있는 모래다짐말뚝공법, 쇄석말뚝공법, 치환공법 등의 단점은 무엇인가?
우리나라에서 해상지반에 주로 시공되고 있는 연약지반 개량 공법은 크게 모래다짐말뚝공법, 쇄석말뚝공법, 치환공법 등이 있다. 이러한 공법들은 지반의 강도를 개선시키는데 한계가 있으며 두꺼운 연약층에는 적용하기가 어려운 단점이 있다[3]. 이에 따라 해상 지반개량 공사에 심층혼합처리(Deep Cement Mixing, 이하 DCM)공법의 적용이 증가하고 있다.
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