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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연약지반 개량시에 연직배수재로서 사용되고 있는 모래의 대체 재료로써 순환골재와 쇄석의 배수성능을 평가하기 위해 실내모형실험을 실시하고, 재료별 침하량과 공극수압 등의 측정치와 유한요소 해석에 의한 예측치를 비교 분석하여 연직배수재의 현장 적용 가능성을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 연약지반개량시에 연직배수재로서 이용되고 있는 모래의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석의 활용가능성에 대해 실내모형실험을 수행하였다. 배수성능을 평가하기 위해 침하량과 공극수압을 측정하고 유한요소 해석으로 비교 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 분석에 사용된 토질 상수는 각각 Table 3은 및 Table 4와 같다. Table 4에서 수직 투수계수는 압밀시험으로 구하였고, 수평투수계수는 Rowe cell 압밀시험으로 구하였으며, 쌍곡선 매개 변수는 삼축압축시험으로 구하였다.
- 2와 같이 각 연직배수재의 중앙과 하부에 공극수압계 (Ⓟ) 및 토압계 (Ⓔ)를 설치하였고, 상부에는 자동 및 수동 침하계를 설치하였다. 각각의 측정값은 Data Logger와 Computer에 의해 자동적으로 저장하도록 하였고, 측정기기 매설 후 PP매트를 한 겹으로 덮은 후 모래를 부설 하였다.
- 재료별 이격거리 50 cm이고, 연직배수재 휠터는 PVD 공법에 사용되는 filter를 사용하였다 (규격 : 100×4 mm, 유효구멍크기 (O90) : 90 ㎛ 이하, 투수계수 1×103 cm/s 이상). 그리고 점토의 혼입으로 인하여 연직배수재의 배수성능이 감소되는 현상을 검토하기 위하여, 철망속에 연직배수재를 넣어 점토 이동이 원활하게 한 경우와 PVD filter 속에 연직배수재를 넣어 점토입자의 이동을 차단한 경우와의 차이점을 비교하였다.
- 모형지반의 상부 (7 cm)와 하부 (10 cm)는 모래와 부직포를 약 17 cm 정도 부설하여 양면배수조건으로 하였고, 측면마찰을 감소시키기 위하여 비닐에 그리스를 바르고 모형지반이 침하되는 만큼 비닐이 내려갈 수 있도록 하여 측면마찰을 경감시켰다.
- 하중은 측면 아크릴의 변형을 고려하여 75 kg, 150 kg, 225 kg, 300 kg을 약 25일 동안 재하 시켰다. 시험은 모래, 순환골재, 쇄석을 연직배수재로 이용하여 점토층에 타입하였을 경우의 침하량을 파악하기 위한 것이므로 배수재와 점토층의 침하량을 동시에 측정한 것이다.
- 연약지반에 연직배수재를 타입하였을 경우 배수성능을 평가하는 방법 중의 한 가지는 동일한 재하조건에서 일시에 배수를 허용하였을 경우 (수위 급강하시)에 연직배수재 내의 공극수압이 얼마만큼 감소하느냐에 따라서 각 재료의 우수성을 판단할 수 있다. 연직배수재로 사용되는 5종의 배수재의 배수성능을 확인하기 위하여 5일 간격으로 하중을 재하하고 300 kg의 하중이 재하되었을 때 수위를 급강하시켜 완전배수상태에서 공극수압의 변화를 측정하였다.
- 따라서 연약지반에 연직배수재를 타입하였을 경우 배수성능을 평가하기 위해 동일한 조건하에서 일시에 배수를 허용하였을 경우 (수위 급강하시)에 연직배수재 내의 공극수압이 얼마만큼 감소하느냐에 따라서 각 재료의 우수성을 판단할 수 있다. 연직배수재로 사용되는 5종의 배수재의 배수성능을 확인하기 위하여 5일 간격으로 하중이 재하되어 300 kg의 하중이 재하되었을 때 수위를 급강하시켜 완전배수상태에서 공극수압의 변화를 실측치와 예측치를 비교분석하였다.
- 연직배수재의 투입은 특별히 제작된 원형관을 이용하여 직경 10 cm로 보링 후 원형관 안쪽의 점토를 제거한 후 배수재를 투입하였고, 토조의 밑면에는 각각의 재료별로 배수구멍을 뚫어 배수재내의 물이 일시에 배수되도록 하였다. 연직배수재를 타설할 경우 현장에서는 타설장비의 진동으로 교란영향이 크게 나타나지만 본 실험에서는 교란영향을 최소화하기 위해 원형관 (두께:3 mm) 외부에 그리스를 바르고 직경 10 cm로 보링한 후 원형관과 함께 내부점토를 밖으로 들어냈다.
- 재료별 이격거리 50 cm이고, 연직배수재 휠터는 PVD 공법에 사용되는 filter를 사용하였다 (규격 : 100×4 mm, 유효구멍크기 (O90) : 90 ㎛ 이하, 투수계수 1×103 cm/s 이상).
- 재하방법은 모래, 순환골재, 쇄석으로 3개 부분으로 구분하고 각각에 대하여 하중을 재하한 후 점토층의 침하량을 측정하였다. 재하판은 3개 부분으로 나누어 재하하고, 상부모래층 위에는 나무판과 형강을 부설하여 상부하중이 모형지반에 균등하게 전달되도록 하였다.
- 재하방법은 모래, 순환골재, 쇄석으로 3개 부분으로 구분하고 각각에 대하여 하중을 재하한 후 점토층의 침하량을 측정하였다. 재하판은 3개 부분으로 나누어 재하하고, 상부모래층 위에는 나무판과 형강을 부설하여 상부하중이 모형지반에 균등하게 전달되도록 하였다. 하중은 측면 아크릴의 변형을 고려하여 75 kg, 150 kg, 225 kg, 300 kg을 약 25일 동안 재하 시켰다.
- 유한요소 프로그램 분석에 사용된 단면은 하중이 재하 되는 드레인 한 구간을 2차원 평면으로 나타내어 분석하였다. 전처리 과정에서의 유한요소망을 각각의 하중단계와 수위를 적용시켜 연직배수재 별로 분석한 후, 후처리 과정에서 시간에 따른 배수재별 침하량과 공극수압 변화량을 그래프로 나타냈다. 해석치는 실내모형토조에서 직접 측정한 실측값과 비교·분석하였고 이를 바탕으로 분석 모델 적용의 가능성 및 정확성을 판단하여 연약지반에서 연직배수재의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석의 현장 적용 가능성을 검토하였다.
- 침하량은 측정시 3개 부분으로 나누어 재하 하였기 때문에 측정시간에 ±1일 정도의 변화가 발생되었지만, 예측침하량은 평균 5일을 기준으로 분석하였다.
- 실내모형실험에 사용된 연직배수재는 모래 (SA), 순환골재 10 mm 이하 (RAB10), 25 mm 이하 (RAB25), 25 mm (RA25), 쇄석 25 mm (CS25)로 총 5종의 재료를 사용하였다. 하중은 75 kg, 150 kg, 225 kg, 300 kg을 총 25일간 재하한 후 수위를 급강하시켜 완전배수상태로 연직배수재별 침하량을 측정하였다. 시험은 모래, 순환골재, 쇄석을 연직배수재로 이용하여 점토층에 타입하였을 경우의 침하량을 파악하기 위한 것이므로 배수재와 점토층의 침하량을 동시에 측정한 것이다.
- 재하판은 3개 부분으로 나누어 재하하고, 상부모래층 위에는 나무판과 형강을 부설하여 상부하중이 모형지반에 균등하게 전달되도록 하였다. 하중은 측면 아크릴의 변형을 고려하여 75 kg, 150 kg, 225 kg, 300 kg을 약 25일 동안 재하 시켰다. 시험은 모래, 순환골재, 쇄석을 연직배수재로 이용하여 점토층에 타입하였을 경우의 침하량을 파악하기 위한 것이므로 배수재와 점토층의 침하량을 동시에 측정한 것이다.
- 해석치는 실내모형토조에서 직접 측정한 실측값과 비교·분석하였고 이를 바탕으로 분석 모델 적용의 가능성 및 정확성을 판단하여 연약지반에서 연직배수재의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석의 현장 적용 가능성을 검토하였다.
- 모형실험장치는 높이 100 cm, 폭 80 cm, 길이 200 cm의 크기로 철재와 아크릴로 제작하였다. 현장에서 채취된 교란된 점토를 균질하게 하고 패류, 유기물질, 사력분을 제거하기 위하여 No. 4 체에서 통과시켜 수중에서 약 20 cm 두께로 자중 압밀시킨 후, 약 3개월 후에 같은 방법으로 40 cm를 추가로 수중에서 자중 압밀시켜 실내모형을 축조하였다. 그 후 약 9년 동안 압밀시킨 후 최종 점토층의 높이는 58 cm로 압밀되었다.
대상 데이터
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가. 모형장치
모형실험장치는 높이 100 cm, 폭 80 cm, 길이 200 cm의 크기로 철재와 아크릴로 제작하였다. 현장에서 채취된 교란된 점토를 균질하게 하고 패류, 유기물질, 사력분을 제거하기 위하여 No.
- 연직 배수재로 사용한 모래 (해사), 순환골재와 쇄석은 충남 당진군 석문면에서 채취 및 구입하였고, 골재생산 업체에서 가장 보편적으로 이용되고, 실내모형실험에 적용 가능한 재료를 선정하였다. 사용된 재료의 최대입경은 모래 (2 mm), 순환골재 10 mm 이하, 25 mm 이하, 25 mm와 쇄석 25 mm 총 5종으로 그의 물리적 특성과 입도곡선은 Table 2 및 Fig. 1과 같다 (Lee and Lim, 2010).
- 수위 급강하시에 각각의 배수재별 실측치는 모래 (SA: 8.63 mm), 순환골재 10 mm 이하 (RAB10: 8.63 mm), 순환골재 25 mm 이하 (RAB25: 6.55 mm), 25 mm (RA25: 6.55 mm), 쇄석 25 mm (CS25: 6.8 mm)이고, Hyperbolic model 예측치는 7.45～7.92 mm (평균: 7.69 mm)로 실측치와 거의 유사한 값을 나타냈다.
- 실내모형실험에 사용된 연직배수재는 모래 (SA), 순환골재 10 mm 이하 (RAB10), 25 mm 이하 (RAB25), 25 mm (RA25), 쇄석 25 mm (CS25)로 총 5종의 재료를 사용하였다. 하중은 75 kg, 150 kg, 225 kg, 300 kg을 총 25일간 재하한 후 수위를 급강하시켜 완전배수상태로 연직배수재별 침하량을 측정하였다.
- 실험에 사용한 점토는 연약지반현장에서 채취한 시료를 이용하여 물리적 성질, 역학적 성질, 압밀시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table 1과 같다. 통일분류법상 CL로 분류되고, 자연함수비 (wn)가 액성한계 (LL)보다 크고, 액성지수 (LI)가 1보다 커서 압축성이 크고 유동가능성이 있는 점토로 나타났다.
- 연직 배수재로 사용한 모래 (해사), 순환골재와 쇄석은 충남 당진군 석문면에서 채취 및 구입하였고, 골재생산 업체에서 가장 보편적으로 이용되고, 실내모형실험에 적용 가능한 재료를 선정하였다. 사용된 재료의 최대입경은 모래 (2 mm), 순환골재 10 mm 이하, 25 mm 이하, 25 mm와 쇄석 25 mm 총 5종으로 그의 물리적 특성과 입도곡선은 Table 2 및 Fig.
- 연직배수재의 단면은 현장에서 적용되고 있는 연직배수재의 직경 범위 (6.6-12 cm)를 고려하고 실험토조모형의 크기를 고려하여 Fig. 2와 같이 직경 10 cm, 배치간격 20 cm의 정사각형 배치로 타입 하였다. 재료별 이격거리 50 cm이고, 연직배수재 휠터는 PVD 공법에 사용되는 filter를 사용하였다 (규격 : 100×4 mm, 유효구멍크기 (O90) : 90 ㎛ 이하, 투수계수 1×103 cm/s 이상).
데이터처리
- 유한요소 프로그램 분석에 사용된 단면은 하중이 재하 되는 드레인 한 구간을 2차원 평면으로 나타내어 분석하였다. 전처리 과정에서의 유한요소망을 각각의 하중단계와 수위를 적용시켜 연직배수재 별로 분석한 후, 후처리 과정에서 시간에 따른 배수재별 침하량과 공극수압 변화량을 그래프로 나타냈다.
이론/모형
- 모형토조 실험으로 측정된 배수재별 침하량과 공극수압 실측치를 해석치와 비교분석하기 위하여 영국 Cambridge 대학에서 개발한 SAGE CRISP 해석 프로그램을 이용하였다 (Rahim, 1999). 이 프로그램은 지반공학문제를 해석하기 위한 유한요소해석 프로그램으로 2차원, 3차원 및 축대칭 압밀해석을 적용할 수 있다.
- 연직배수재로 사용된 모래, 순환골재, 쇄석의 경우 모델을 단순화 하여 Isotropic Elastic 모델을 사용하였으며, 점토는 Duncan Chang의 Hyperbolic model을 사용하였다 (Duncan and Chang, 1970; Kondner, 1963; Tan et al., 1991). 분석에 사용된 토질 상수는 각각 Table 3은 및 Table 4와 같다.
- 모형토조 실험으로 측정된 배수재별 침하량과 공극수압 실측치를 해석치와 비교분석하기 위하여 영국 Cambridge 대학에서 개발한 SAGE CRISP 해석 프로그램을 이용하였다 (Rahim, 1999). 이 프로그램은 지반공학문제를 해석하기 위한 유한요소해석 프로그램으로 2차원, 3차원 및 축대칭 압밀해석을 적용할 수 있다. 또한 지반의 과잉간극수압과 응력분포 및 연직배수재가 설치된 지역에서의 압밀해석이 가능하다.
성능/효과
- 1. 연직배수재별로 실측치와 예측 침하량은 하중 증가에 따라 완만하게 증가하는 형태를 나타냈다. 배수재별 실측침하량은 6.
- 2. 연직배수재별 공극수압 변화는 실측치와 예측치가 큰 차이를 나타냈으나 수위를 급강하 시킨 완전배수 이후에는 모래와 비슷한 값으로 공극수압이 급격히 감소하였다. 따라서 순환골재와 쇄석은 기존에 연직배수재로 사용되어 왔던 모래의 대체 재료로 동등한 배수성능을 나타내서 현장에 적용할 수 있을 것으로 평가되었다.
- 3. 연직배수재별 시간에 따른 토압의 변화량은 하중의 변화 없이 일정하게 나타났다. 수위를 급강하 하였을 경우 각 재료별 토압의 감소량은 50～180 gf/cm² 범위로 나타났다.
- SA, FSA, RAB10, FRAB10 및 RA25에서는 초기 공극수압이 크고 시간에 따라 일정하게 유지하다가 수위 급강하로 인해 감소폭이 다른 순환골재와 쇄석보다 크게 나타났다. 또한, 철망속에 연직배수재를 넣어 점토 이동이 원활하게 한 경우와 PVD filter 속에 연직배수재를 넣어 점토입자의 이동을 차단한 경우에서의 공극수압은 큰 차이점을 나타내지 않았다.
- 각 연직배수재에서 공극수압은 하중변화에 관계없이 일정한 현상이 나타났고, RAB25, CS25은 공극수압이 20 gf/cm² 이하로 다른 배수재보다 작고 변화량도 작게 나타났다.
- 예측침하량은 각 배수재에 따라 큰 차이 없이 비슷하게 나타났는데 이는 각 재료의 투수계수가 큰 상태에서는 배수가 빠르게 진행되기 때문에 침하량도 유사하게 나타난 것으로 판단된다. 따라서, 연직배수재에 따라 다소 차이는 있지만, 실측치와 예측치의 침하량 변화 형태가 유사한 것으로 나타나 분석에 사용된 Hyperbolic model로 실제 현장의 침하량 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- SA, FSA, RAB10, FRAB10 및 RA25에서는 초기 공극수압이 크고 시간에 따라 일정하게 유지하다가 수위 급강하로 인해 감소폭이 다른 순환골재와 쇄석보다 크게 나타났다. 또한, 철망속에 연직배수재를 넣어 점토 이동이 원활하게 한 경우와 PVD filter 속에 연직배수재를 넣어 점토입자의 이동을 차단한 경우에서의 공극수압은 큰 차이점을 나타내지 않았다.
- 연직배수재별로 실측치와 예측 침하량은 하중 증가에 따라 완만하게 증가하는 형태를 나타냈다. 배수재별 실측침하량은 6.55～8.63 mm이고 Hyperbolic 모델에 의한 예측치는 7.45～7.92 mm로 유사하게 나타나 분석에 사용된 모델은 실제 현장의 침하량 예측에도 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 수위를 급강하 하였을 경우 각 재료별 토압의 감소량은 50～180 gf/cm² 범위로 나타났다. 수위 급강하시 토압은 순환골재와 쇄석 모두 모래와 유사하게 근접하여 동등한 배수성능을 나타내는 것으로 평가되었다.
- 8은 순환골재 25 mm 이하 (RAB25)의 공극수압 변화를 나타낸 것이다. 실측치의 경우 하중증가에 따라 큰 변화 없이 수평적으로 일정하게 나타났고, 예측치의 경우 실측치와는 달리 하중이 증가함에 따라 곡선 형태로 증가하였다.
- 7은 연직배수재로 모래 (SA)를 사용한 경우로, 실측치와 예측치의 공극수압 분포형상은 침하량과 달리 큰 차이를 나타냈다. 실측치의 공극수압은 하중증가와 상관없이 거의 수평적으로 일정한 반면, 예측치는 하중이 증가함에 따라 증가와 감소형태로 나타났다. 그러나 실측치와 예측치 모두 수위를 급강하 시킨 후에는 공극수압이 10 g f/cm²까지 급격히 감소하였다.
- 전체 5종의 연직배수재별 공극수압의 변화는 동일한 실험의 침하량 분포와 달리 실측치와 예측치가 큰 차이를 나타냈다. 공극수압의 변화 양상은 서로 차이가 있으나, 수위를 급강하 시킨 이후에는 모래와 비슷한 값으로 공극수압이 급격하게 감소하여 연직배수재로 순환골재와 쇄석을 사용하였을 경우에도 동등한 배수성능을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
- 전체적으로 RAB25에서는 공극수압 실측치 변화 폭이 SA를 사용했을 경우보다 작게 나타났다. 이는 재료의 공극이 상대적으로 SA보다 커서 수위변화에 따른 변화 정도가 작게 측정된 것으로 판단된다.
- FRAB25에서는 토압의 감소폭이 160 gf/cm², FRA25에서는 180 gf/cm², FCS25에서는 110 gf/cm²으로 감소하였다. 전체적으로 수위 급강하시 시간에 따른 토압은 순환골재와 쇄석 모두 모래와 유사하게 감소하는 것으로 보아 모래와 동등한 배수성능을 나타내는 것으로 판단된다.
- 전체적인 침하량 분포 결과를 살펴보면, 실측치와 예측치 모두 하중 증가에 따라 각각의 연직 배수재에서 점차 침하량이 증가하면서 시간경과에 따라 완만한 형태를 나타냈다. 침하량이 작게 나타난 것은 실내모형토조의 제한으로 압밀하중이 작게 재하되었기 때문으로 판단된다.
- 실험에 사용한 점토는 연약지반현장에서 채취한 시료를 이용하여 물리적 성질, 역학적 성질, 압밀시험을 실시하였으며, 그 결과는 Table 1과 같다. 통일분류법상 CL로 분류되고, 자연함수비 (wn)가 액성한계 (LL)보다 크고, 액성지수 (LI)가 1보다 커서 압축성이 크고 유동가능성이 있는 점토로 나타났다.
후속연구
- 연직배수재별 공극수압 변화는 실측치와 예측치가 큰 차이를 나타냈으나 수위를 급강하 시킨 완전배수 이후에는 모래와 비슷한 값으로 공극수압이 급격히 감소하였다. 따라서 순환골재와 쇄석은 기존에 연직배수재로 사용되어 왔던 모래의 대체 재료로 동등한 배수성능을 나타내서 현장에 적용할 수 있을 것으로 평가되었다. 또한 휠터 종류에 따른 공극수압은 큰 차이를 나타내지 않았다.
- 앞으로 모래의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석을 이용한 연직 배수재의 특성이나 배수성능 실험에 관한 연구는 실내모형실험과 현장시험 시공 등을 통하여 공극수압, 침하량, 토압 등의 계측자료를 비교분석하여 현장 적용 가능성을 향상시키려는 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 앞으로 순환골재를 연직배수재로 활용하기 위해서는 실내모형 실험뿐만 아니라 현장시험시공 등을 실시하여 침하량과 공극수압 거동, 지지력 증대 효과 등을 바탕으로 현장 적용성을 평가하고 적합한 품질관리기준을 제시하여야 할 것으로 판단된다.
- 8 %를 차지하고 있다 (KORAS, 2009). 현재 건설폐기물의 재활용률은 매우 높고 앞으로 건설폐기물은 배출 및 처리에 관한 법률이 강화되고 재개발, 재건축 및 택지개발 등 대형 공사의 증가로 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 그러나 대부분 성토 등의 저급용도로 재활용 되고, 연직배수재, 수평배수재용, 도로기층용, 도로포장 아스팔트 및 콘크리트용 등과 같은 고부가가치용도로의 재활용률은 매우 낮은 실정이다.
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