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문제 정의
- 본 연구에서는 연속관입형 소형콘관입시험(CIMCPT) 장비의 크기효과, 효용성과 한계, 그리고 성능 향상을 위한 현장적용 개선사항에 대해 살펴보았다. 도입 및 개선된 장비를 이용한 현장시험 결과에 대한 사례분석 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 6은 심도별 콘저항력, 주면마찰력 분포 및 확률론적 방법으로 분석한 흙분류 결과이다. CIMCPT는 롯드 휨방지를 위해 10 m 미만에서 25 MPa 정도의 콘저항력이 측정되는 심도에서 조사를 종료하였고, CPT의 경우에는 10 m까지 시험을 수행하였다. Figs.
- 경기도 시화지역에 분포하는 점토지반에서 현장검증 시험을 수행하였다. 대상부지는 상부 10 m 정도가 퇴적 점토로 균질하게 구성되어 있으며 현장검증 시험을 위해 총 4개소에 대해서 1 m 간격으로 비교시험을 수행하였다.
- 경기도 평택지역에 분포하는 연약점토층에 대해 현장검증 시험을 수행하였다. 본 현장은 교량공사가 예정되어 있는 곳으로 강을 중심으로 양쪽으로 발달한 연약점토층 3개소에 대한 비교 조사를 수행하였다.
- 국내 OO지역의 고속철도노반 공사구간에서 연약지반 출현이 예상되는 구간에 대한 지층분포 현황 파악을 위해, CIMCPT를 수행하여 심도에 따른 콘저항력의 분포를 실시간으로 모니터링하여 연약점토층의 심도별 분포 경향을 평가하였다. 트럭형태의 CIMCPT 조사차량을 이용하여 1차 조사를 수행하고, 1차 조사에서 진입이 어려웠던 구역에 대해서는 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 탑재하고 추가조사를 수행하여 전체 구간에 대해서 분석을 수행하였다.
- 경기도 시화지역에 분포하는 점토지반에서 현장검증 시험을 수행하였다. 대상부지는 상부 10 m 정도가 퇴적 점토로 균질하게 구성되어 있으며 현장검증 시험을 위해 총 4개소에 대해서 1 m 간격으로 비교시험을 수행하였다.
- 현장 비교 시험 시 대상지반의 불균질성을 최대한 줄이기 위해서는, 균질한 토층에 대하여 1 m 이내의 인접 구역에서 두 가지 시험이 동시에 수행되도록 계획하였다. 따라서, 객관적인 현장검증 시험을 위해 흙의 특성이 서로 다른 세 개의 현장을 선정하여, CIMCPT 및 CPT를 동시에 수행하고 콘의 크기에 따른 콘저항력 및 주면마찰력에 대한 영향과 흙의 분류 결과에의 영향을 평가하였다.
- , 1997). 본 연구에서는 CIMCPT 조사 결과의 간편한 이용을 위해서 확률론적 지반분류를 수행할 수 있는 콘관입시험 결과 분석 프로그램인 PClass-CPT v3.0으로 자료를 분석하여 심도 별 지반분류를 수행하였다(Zhang and Tumay, 1999; Abu-Farsakh et al., 2008). 프로그램에서 사용된 확률론적 지반분류법은 퍼지이론(Fuzzy logic)을 이용하여 콘저항력 및 주면마찰력과 관련한 흙의 거동에 기반을 두고 흙을 점토(Highly Probable Clay, HPC), 실트(Highly Probable Mixed Soil, HPM), 모래(Highly Probable Sandy Soil)로 구분한다.
- 이러한 단점을 보완하기 위하여 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 장착하는 등 조사장비의 성능을 개선하여 현장 적용 범위를 확대하였다. 본 연구에서는 CIMCPT와 기존의 표준 CPT와의 비교 검증을 위하여 서로 다른 토질특성을 나타내는 3개 현장에서 각각 수행된 시험 결과 분석을 통하여 콘크기에 따른 크기효과(scale effect)에 대해서 평가하였으며, 트럭 형태의 조사차량에 장착된 CIMCPT 시스템과 궤도장치에 장착되어 개량된 CIMCPT 시스템의 연약지반 탐지를 위한 현장적용 결과를 비교분석하였다.
- 조사 지역은 연약지반 상부에 모래를 10 m 두께로 매립한 곳으로 통일분류법상 SP(Poorly graded sand)로 분류되는 지반이다. 시험 시 발생하는 지반교란으로 인한 영향을 방지하고, 신뢰성 있는 비교를 위하여 약 1 m 간격으로 6개의 조사대상 지점을 선정한 후 시험을 수행하였다.
- 연약지반 탐지를 위한 CIMCPT는 2차에 걸쳐서 수행(총 36공)되었으며, 1차 조사는 트럭에 탑재된 시스템을 이용하였고(22공), 2차 조사는 궤도장치에 탑재된 시스템을 이용하여 1차 조사 시 접근하기 어려웠던 지역을 위주로 조사를 수행하였다(14공).
- 차량을 이용한 지반조사는 기동성과 조사 편의성 등의 장점을 가지고 있지만, 차륜에 전달되는 큰 접지압으로 인해 표층이 연약한 경우에는 장비 운행 시 조사 안정성을 확보하기 어려우며, 또한 상부에 단단한 매립층이 존재할 경우 콘관입에 제약이 있는 등 다양한 토층에 대한 적용성이 떨어지는 단점이 발생 하였다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 장착하는 등 조사장비의 성능을 개선하여 현장 적용 범위를 확대하였다. 본 연구에서는 CIMCPT와 기존의 표준 CPT와의 비교 검증을 위하여 서로 다른 토질특성을 나타내는 3개 현장에서 각각 수행된 시험 결과 분석을 통하여 콘크기에 따른 크기효과(scale effect)에 대해서 평가하였으며, 트럭 형태의 조사차량에 장착된 CIMCPT 시스템과 궤도장치에 장착되어 개량된 CIMCPT 시스템의 연약지반 탐지를 위한 현장적용 결과를 비교분석하였다.
- 국내 OO지역의 고속철도노반 공사구간에서 연약지반 출현이 예상되는 구간에 대한 지층분포 현황 파악을 위해, CIMCPT를 수행하여 심도에 따른 콘저항력의 분포를 실시간으로 모니터링하여 연약점토층의 심도별 분포 경향을 평가하였다. 트럭형태의 CIMCPT 조사차량을 이용하여 1차 조사를 수행하고, 1차 조사에서 진입이 어려웠던 구역에 대해서는 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 탑재하고 추가조사를 수행하여 전체 구간에 대해서 분석을 수행하였다.
- CIMCPT의 현장적용을 위해서는 콘크기의 차이로 인해 발생하는 측정 결과의 차이를 파악하여 측정한 데이터를 올바르게 활용할 수 있어야 한다. 현장 비교 시험 시 대상지반의 불균질성을 최대한 줄이기 위해서는, 균질한 토층에 대하여 1 m 이내의 인접 구역에서 두 가지 시험이 동시에 수행되도록 계획하였다. 따라서, 객관적인 현장검증 시험을 위해 흙의 특성이 서로 다른 세 개의 현장을 선정하여, CIMCPT 및 CPT를 동시에 수행하고 콘의 크기에 따른 콘저항력 및 주면마찰력에 대한 영향과 흙의 분류 결과에의 영향을 평가하였다.
- 확률론적 방법을 이용한 흙분류를 통하여 점토, 실트, 모래의 심도별 분포경향을 파악할 수 있으며, 각각의 CPT와 CIMCPT 결과의 차이를 비교하였다. Table 4는 조사심도에 대해 확률론적 방법으로 분석한 흙분류 결과를 정량적으로 나타내었다.
대상 데이터
- 경기도 평택지역에 분포하는 연약점토층에 대해 현장검증 시험을 수행하였다. 본 현장은 교량공사가 예정되어 있는 곳으로 강을 중심으로 양쪽으로 발달한 연약점토층 3개소에 대한 비교 조사를 수행하였다. Fig.
- 부산 OO지역 모래매립 지반을 대상으로 크기효과 검증 시험이 수행하였다. 조사 지역은 연약지반 상부에 모래를 10 m 두께로 매립한 곳으로 통일분류법상 SP(Poorly graded sand)로 분류되는 지반이다.
- 9에 비교하여 도시하였다. 비교를 위한 조사위치는 성토공사가 진행 중인 현장에서 선정되었으며, 약 100 m 이격된 위치의 차이로 인하여 직접적인 비교는 어렵지만, 연약지반의 심도는 유사하게 분포할 것이라고 판단하여 비교조사를 수행하였다. 전반적으로 궤도장치에 탑재된 CIMCPT 시스템으로 측정한 콘저항력은 다소 작게 측정되었으나, 심도별 경향성은 유사하게 나타났다.
이론/모형
- 연약지반 심도 파악을 위한 흙분류 방법으로는 퍼지이론을 이용한 심도별 확률론적 흙분류법(Zhang and Tumay, 1999)을 적용하였다. 점토층과 사질토층이 교호하고 있는 경우 확률론적 분류방법을 이용하여 토층을 단순화 시켜 간편하게 점토의 분포 성향을 파악할 수 있는 장점이 있다(Abu-Farsakh et al.
- , 2008). 프로그램에서 사용된 확률론적 지반분류법은 퍼지이론(Fuzzy logic)을 이용하여 콘저항력 및 주면마찰력과 관련한 흙의 거동에 기반을 두고 흙을 점토(Highly Probable Clay, HPC), 실트(Highly Probable Mixed Soil, HPM), 모래(Highly Probable Sandy Soil)로 구분한다. 콘저항력(qc)과 마찰저항비(Rf)로부터 Eqs.
성능/효과
- (1) 콘크기에 따른 CPT와 CIMCPT의 콘저항력과 주면마찰력 측정값의 비는 각각 qc(CIMCPT) / qc(CPT) = 0.94~1.56와 fs(CIMCPT) / fs(CPT) = 0.94~4.74로 측정되었다.
- (2) CIMCPT는 CPT에 비해 작은 단면적으로 인해 상대적으로 큰 관입력을 발휘하므로, 연약지반뿐만 아니라 중간정도 조밀한 모래지반까지도 조사가 가능하기 때문에, 연약지반과 상대적으로 단단한 일반 지반이 교호하고 있는 경우에도 지층 분포 및 지반 특성을 파악하는데 사용할 수 있는 장점이 있다.
- (3) CIMCPT의 현장적용 결과 코일식 롯드의 휨현상이 발생하지 않는 30 MPa 정도의 콘저항력을 나타내는 지반까지 관입이 가능하므로 중간정도의 조밀한 토층에서 조사가 가능함을 확인하였다.
- (4) 차량에 탑재된 CIMCPT는 차륜의 높은 접지압으로 인해 표층이 연약한 경우에는 안정적인 조사가 어렵기 때문에 다양한 토층에 대한 현장적용이 불리한 측면이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 장착하여 조사대상을 확장하여 현장적용성을 개선할 수 있었다.
- (5) 12 m 코일식 롯드가 장착된 CIMCPT 시스템은 10 m 내외의 연약점토층의 심도 및 분포현황을 간편하고 신속하게 파악할 수 있는 조사방법으로써 장점이 있음을 확인하였다.
- 기존 연구결과에 따르면, 시험조건에 따라 수치에 있어서 약간의 차이는 있지만, 대체적으로 소형콘이 콘저항력에 대해서는 10~15% 과대평가, 주면마찰력에 대해서는 10% 정도 과소평가하는 것으로 나타났다. Tumay and Kurup (1999)은 콘크기 차이에 따른 크기효과는 콘관입에 따른 소성영역 발생과 관계가 있다고 주장하였다.
- Table 5는 CIMCPT 조사위치와 인접한 기존 시추주상도를 비교하여 추정된 연약지반 심도의 차이를 나타내었다. 대체적으로 약 1 m 내외의 심도 차이를 보이므로, CIMCPT를 이용하여 예측한 연약지반 심도가 적절하게 평가된 것으로 판단된다. 따라서, 연약지반 출현이 예상되는 구간에 대해 CIMCPT를 이용한 지반조사를 수행할 경우, 연약점토층의 심도 및 분포현황을 간편하게 파악할 수 있는 수단으로써 장점이 있음을 확인할 수 있었다.
- 대체적으로 약 1 m 내외의 심도 차이를 보이므로, CIMCPT를 이용하여 예측한 연약지반 심도가 적절하게 평가된 것으로 판단된다. 따라서, 연약지반 출현이 예상되는 구간에 대해 CIMCPT를 이용한 지반조사를 수행할 경우, 연약점토층의 심도 및 분포현황을 간편하게 파악할 수 있는 수단으로써 장점이 있음을 확인할 수 있었다.
- Table 4는 조사심도에 대해 확률론적 방법으로 분석한 흙분류 결과를 정량적으로 나타내었다. 모래지반의 경우에는 CPT 및 CIMCPT가 유사한 결과를 나타냈지만, 점토지반의 경우에는 대체적으로 CIMCPT가 점토성분의 분포범위를 크게 평가하는 것으로 나타내었다.
- 두 시험법 모두 상부 1 m 이내에 약간의 점토층이 존재하는 것으로 판단하였으나, 이는 구속압이 작은 상부에서의 측정치이기 때문인 것으로 판단된다. 본 시험결과, CIMCPT를 이용한 모래지반에서의 측정치는 기존 CPT와 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
- , 2008). 분석결과에 따르면 상부 약 4 m 까지는 점토층이 우세한 것으로 나타났으며, 연약지반 심도는 상부로부터 약 4 m 깊이에 위치할 것으로 예상된다. Table 5는 CIMCPT 조사위치와 인접한 기존 시추주상도를 비교하여 추정된 연약지반 심도의 차이를 나타내었다.
- 7(c) and 7(d)에 나타낸 바와 같이 두 시험법이 유사한 결과를 나타냈으며, CIMCPT의 결과가 상부 연약층의 점토성분이 더 많을 것으로 예측하였다. 상부 연약층은 4.5 m 심도에 존재할 것으로 예상되며, 심도에 따른 콘저항력, 주면마찰력, 확률론적 흙분류를 통해서 점토층 심도를 확인할 수 있었다.
- 전체 시험 심도에 대하여 크기효과로 인한 차이를 Table 2에 요약하여 정리하였으며, 본 연구에서의 측정결과 및 기존 문헌연구 결과를 요약하여 Table 3에 나타내었다. 서로 다른 지반특성을 보이는 국내 3개의 현장에서 CPT와 CIMCPT에 의해 수행된 비교시험 결과에 따르면, 크기효과는 콘저항력의 경우 최대 56%까지 과대평가하는 것으로 나타났다(Table 2). 이는 기존의 연구결과 (Table 3)와 유사한 결과이나 주면마찰력의 경우에는 기존의 문헌과는 다르게 CIMCPT가 과대평가하는 것으로 나타났다.
- 8(c) and 8(d)에서 볼 수 있듯이, 약 4 m 심도까지는 연약점토층이 존재하고 이후 심도에서는 실트층과 모래층이 분포하는 것으로 나타났다. 심도별 콘저항력 및 주면마찰력 분포는 비슷한 결과를 나타내었으나, CIMCPT 결과가 상부 연약층에 대해 점토 성분이 더 많은 것으로 평가하였다.
- 이는 기존의 연구결과 (Table 3)와 유사한 결과이나 주면마찰력의 경우에는 기존의 문헌과는 다르게 CIMCPT가 과대평가하는 것으로 나타났다. 이는 기존 연구에서 수행한 현장시험이나 모형토조 시험은 상대적으로 균질한 토층조건인데 반해 본 연구에서 분석한 3개의 현장 지반은 중간에 협재된 층이 존재하는 등 상대적으로 불규칙한 토층을 가지고 있어, 상대적으로 큰 값을 측정하는 콘저항력이 주면마찰력에 비해 상대적 높은 신뢰성을 나타내고 주면마찰력은 다소 불안정한 값이 측정된 것으로 판단된다. 이에 대한 명확한 규명을 위해서는 크기효과 검증시험에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- (4) 차량에 탑재된 CIMCPT는 차륜의 높은 접지압으로 인해 표층이 연약한 경우에는 안정적인 조사가 어렵기 때문에 다양한 토층에 대한 현장적용이 불리한 측면이 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 CIMCPT 시스템을 궤도장치에 장착하여 조사대상을 확장하여 현장적용성을 개선할 수 있었다.
- 6(c) and 6(d)는 CPT와 CIMCPT 결과에 대한 확률론적 지반분류 결과이다. 전반적인 경향성은 시험방법에 관계없이 동일하게 나타났으나, CIMCPT에 의한 결과가 약 3.5 m 심도에서 실트층의 존재 가능성을 조금 더 큰 것으로 예측하고 있다. 두 시험법 모두 상부 1 m 이내에 약간의 점토층이 존재하는 것으로 판단하였으나, 이는 구속압이 작은 상부에서의 측정치이기 때문인 것으로 판단된다.
- 콘저항력의 경우에는 기존 문헌의 결과들과 유사하게 10~20% 정도 과대평가하는 경향을 나타내었으나, 주면마찰력의 경우 경향성은 유사하나 실험값은 기존 문헌과는 반대로 CIMCPT가 크게 예측하는 결과를 나타내었다. 콘저항력은 주면마찰력에 비해 상대적으로 큰 값을 측정하기 때문에 안정적인 수치를 측정할 수 있었지만, 주면마찰력은 상대적으로 작은 측정값으로 다소 불안정한 값을 보이는 경향이 나타났다. 이러한 이유로 인하여 주면마찰력 비교 측정치가 기존 문헌 결과에 비해 상이한 경향이 나타난 것으로 보인다.
- 6(a) and 6(b)에서 볼 수 있듯이, 전반적으로 콘저항력 및 주면마찰력의 경향성은 두 가지 시험 모두 동일하게 나타내었다. 콘저항력의 경우에는 기존 문헌의 결과들과 유사하게 10~20% 정도 과대평가하는 경향을 나타내었으나, 주면마찰력의 경우 경향성은 유사하나 실험값은 기존 문헌과는 반대로 CIMCPT가 크게 예측하는 결과를 나타내었다. 콘저항력은 주면마찰력에 비해 상대적으로 큰 값을 측정하기 때문에 안정적인 수치를 측정할 수 있었지만, 주면마찰력은 상대적으로 작은 측정값으로 다소 불안정한 값을 보이는 경향이 나타났다.
후속연구
- CPT 결과 분석을 위해 제안된 도표 및 상관관계를 이용하여 CIMCPT 결과로부터 지반물성치를 도출하기 위해서는 우선 콘크기에 따른 크기효과(scale effect)에 대한 검증이 선행되어야 한다. 크기효과는 대상구조물에 대한 실물 실험이 불가능한 경우 크기가 축소된 모형시험 결과로부터 실물 크기의 결과를 예측하는 경우에 실물과 축소 모형간 크기의 차이에 따른 영향을 의미한다.
- 이는 기존 연구에서 수행한 현장시험이나 모형토조 시험은 상대적으로 균질한 토층조건인데 반해 본 연구에서 분석한 3개의 현장 지반은 중간에 협재된 층이 존재하는 등 상대적으로 불규칙한 토층을 가지고 있어, 상대적으로 큰 값을 측정하는 콘저항력이 주면마찰력에 비해 상대적 높은 신뢰성을 나타내고 주면마찰력은 다소 불안정한 값이 측정된 것으로 판단된다. 이에 대한 명확한 규명을 위해서는 크기효과 검증시험에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 생각된다.
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