인천 송도지역 준설토의 침강 및 압밀특성에 대한 실험 및 해석적 연구 Experimental and Numerical Studies for Sedimentation and Consolidation Characteristics of Dredged Soil in Songdo Area, Incheon원문보기
연약지반의 특성에 부합하는 이론을 이용하여 침하량을 합리적으로 예측하는 것은 건설방재적 관점에서도 대단히 중요하다. 특히, 준설매립지반과 같은 초연약지반의 압밀거동 모사를 위해서는 비선형 유한변형 압밀이론을 적용할 필요성이 있다. 본 연구에서는 인천 송도지역 준설토의 침강 및 압밀특성을 파악하기 위하여 침강압밀시험, 자중압밀시험 및 CRS 압밀시험을 수행하였으며, 그 결과를 PSDDF를 이용한 수치해석의 입력치로 사용하여 준설매립지반의 거동을 해석하였다. 본 지역의 준설토는 통일 분류법에 의해 저압축성 실트(ML)로 분류되었으며, Yano법 및 수치해석을 통하여 얻어진 최종 체적변화비는 각각 1.56, 1.17로 나타났다. 이러한 결과의 차이는 계면고가 상대적으로 높고 투수성이 큰 해당 구간 준설매립토의 토질 특성에 기인한 것으로 사료된다.
연약지반의 특성에 부합하는 이론을 이용하여 침하량을 합리적으로 예측하는 것은 건설방재적 관점에서도 대단히 중요하다. 특히, 준설매립지반과 같은 초연약지반의 압밀거동 모사를 위해서는 비선형 유한변형 압밀이론을 적용할 필요성이 있다. 본 연구에서는 인천 송도지역 준설토의 침강 및 압밀특성을 파악하기 위하여 침강압밀시험, 자중압밀시험 및 CRS 압밀시험을 수행하였으며, 그 결과를 PSDDF를 이용한 수치해석의 입력치로 사용하여 준설매립지반의 거동을 해석하였다. 본 지역의 준설토는 통일 분류법에 의해 저압축성 실트(ML)로 분류되었으며, Yano법 및 수치해석을 통하여 얻어진 최종 체적변화비는 각각 1.56, 1.17로 나타났다. 이러한 결과의 차이는 계면고가 상대적으로 높고 투수성이 큰 해당 구간 준설매립토의 토질 특성에 기인한 것으로 사료된다.
Accurate settlement estimation of dredged soft soil deposits is significantly important to prevent potential disasters during land reclamation. An application of the non-linear finite strain consolidation theory is inevitable in dealing with a very soft ground formation such as dredged fill. In this...
Accurate settlement estimation of dredged soft soil deposits is significantly important to prevent potential disasters during land reclamation. An application of the non-linear finite strain consolidation theory is inevitable in dealing with a very soft ground formation such as dredged fill. In this paper, a series of the sedimentation-consolidation test, self-weight consolidation test and CRS test were conducted to clarify sedimentation and consolidation characteristics of dredged fill in the Songdo area, Incheon. In addition, the settlement of dredged fill was numerically simulated using the PSDDF program. The dredged soil obtained from the Songdo area was classified as low-compressible silt (ML) based on USCS (Unified Soil Classification System), and the final bulking factors were estimated to be 1.56 and 1.17 by Yano's method and the numerical simulation, respectively. This difference is attributable to relatively high reclaimed height and large permeability of dredged soil in this region.
Accurate settlement estimation of dredged soft soil deposits is significantly important to prevent potential disasters during land reclamation. An application of the non-linear finite strain consolidation theory is inevitable in dealing with a very soft ground formation such as dredged fill. In this paper, a series of the sedimentation-consolidation test, self-weight consolidation test and CRS test were conducted to clarify sedimentation and consolidation characteristics of dredged fill in the Songdo area, Incheon. In addition, the settlement of dredged fill was numerically simulated using the PSDDF program. The dredged soil obtained from the Songdo area was classified as low-compressible silt (ML) based on USCS (Unified Soil Classification System), and the final bulking factors were estimated to be 1.56 and 1.17 by Yano's method and the numerical simulation, respectively. This difference is attributable to relatively high reclaimed height and large permeability of dredged soil in this region.
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문제 정의
본 연구에서는 인천 송도지역 준설토의 침강 및 압밀특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 해당 지역의 준설매립 지반에서 시료를 채취하여 일련의 침강압밀시험, 자중압밀시험, CRS 압밀시험을 수행하였다.
제안 방법
본 시험에서는 500%인 초기함수비의 시료를 가지고 투기고 70cm, 100cm의 높이가 다른 시료의 침강시험을 실시하여 침강속도 및 자중압밀 시･종점에 대한 분석을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는 인천 송도지역 준설토에 대하여 일련의침강압밀 시험, 자중압밀 시험 및 CRS 압밀 시험을 수행하여 침강 및 압밀특성을 파악하고, 이를 PSDDF를 이용한 수치해석의 입력치로 사용하여 준설매립 지반의 상태를 추정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
이와 같은 다수의 간극비-유효응력(e-σ') 및 간극비-투수계수(e-k) 관계로부터 이들에 대한 정확한 관계를 제안하는 것은 매우 어려움을 알 수 있다. 본 연구에서는 초연약 준설점토가 경험하게 될 간극비-유효응력(e-σ')의 관계 및 간극비-투수계수(e-k) 관계를 침강 및 자중압밀시험, CRS(일정변형률 압밀시험)를 통해 도출하여 Somogyi(1979)의 누승함수 형태의 제안식을 통한 구성관계를 수립하였다. 본 제안식은 Eq.
본 연구에서는 인천 송도지역 준설토의 침강 및 압밀특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 해당 지역의 준설매립 지반에서 시료를 채취하여 일련의 침강압밀시험, 자중압밀시험, CRS 압밀시험을 수행하였다. 아울러 시험을 통해 얻어진 준설매립토의 압밀특성을 PSDDF(Primary consolidation, Secondary compression, and Desiccation of Dredged Fill) 수치해석의 입력치로 사용하여 현재 매립되어 있는 지반의 상태를 1차원 유한차분 해석법(Finite Difference Method, FDM)을 통하여 추정하였다.
자중압밀 시 낮은 응력상태(1kPa보다 작은 경우)의 간극비-유효응력(e-σ') 및 간극비-투수계수(e-k)의 관계를 얻기 위하여 침강압밀 시험 후 조성된 시료의 표면함수비를 초기함수비로 하여 초기 투기고 30cm로 자중압밀 시험을 실시하였다. 자중압밀 시험장치의 구성은 Fig.
자중압밀 시험에서 얻을 수 없는 비교적 높은 응력상태의 간극비-유효응력(e-σ'), 간극비-투수계수(e-k)의 관계를 얻기 위하여 CRS 압밀 시험을 수행하였다. 이는 침강압밀 후 얻어진 시료는 초연약 상태이므로 표준압밀 시험으로는 시료의 세팅과 가압에 문제가 있고, 각 하중단계에서의 투수 계수를 산정하기 어려움에 기인한 것이다.
또한, 별도로 CRS 압밀시험을 위한 시료 채취를 위하여 하부에 CRS 압밀링을 설치함으로 침강 및 자중압밀이 끝난 시료를 이용하여 CRS 압밀시험을 할 수 있도록 고안하였다. 현장 준설매립토의 시간 경과에 따른 침강압밀특성을 파악하기 위하여 슬러리의 초기함수비는 500%, 시료 높이는 70cm, 100cm로 달리하여 침강압밀 시험을 수행하였다.
이론/모형
준설토의 압밀 특성은 Fig. 13과 같이 본 연구에서 수행한 자중압밀 시험과 CRS 압밀 시험을 토대로 수립한 구성관계식을 사용하며, 원지반 점토층의 경우 지반조사 결과를 반영하여 해석에 적용하였다. 원지반 점토층의 간극비-유효응력(e-σ') 및 간극비-투수계수(e-k) 관계를 Fig.
본 구성관계는 비선형 유한변형 압밀이론을 적용하기 위한 중요한 인자로서 전술한 바와 같이 Somogyi(1979)의 누승함수식으로 근사화시켰다. 본 관계식은 PSDDF와 같은 유한변형 압밀해석 프로그램의 입력 데이터로 사용할 수 있으며, 이를 통해 준설매립 과정 모사는 물론 매립 일정에 따른 현재 및 미래 시점에서의 지반 침하량 및 간극수압 분포를 구함으로써 지반의 압밀도 산정에도 이용할 수 있다.
이를 위해 해당 지역의 준설매립 지반에서 시료를 채취하여 일련의 침강압밀시험, 자중압밀시험, CRS 압밀시험을 수행하였다. 아울러 시험을 통해 얻어진 준설매립토의 압밀특성을 PSDDF(Primary consolidation, Secondary compression, and Desiccation of Dredged Fill) 수치해석의 입력치로 사용하여 현재 매립되어 있는 지반의 상태를 1차원 유한차분 해석법(Finite Difference Method, FDM)을 통하여 추정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 준설매립토의 물성치 및 수치해석을 통한 현장 상태분석은 향후 연약지반 개량설계 시에 기초자료로 이용될 것이다.
앞에서 구한 자중압밀 시점과 종점에서 계면고와 실질토량고 관계를 이용하여 임의 시간의 자중압밀 침하량과 체적변화비를 Yano의 이론을 이용하여 계산하였다. 준설 매립토의 초기함수비를 500%, 자중압밀 시점 시 계면고(Hi)를 12.
성능/효과
(1) 본 지역의 준설토는 통일 분류법(USCS)에 의해 저압축성 실트(ML)로 분류되었으며, Yano법에 의한 체적 변화비는 투기 직후(1년)의 2.50에서부터 최종적으로 1.56까지 감소하였다. 그러나 본 방법은 일반적으로 고함수비이며 계면고가 낮은 경우에 적용성이 좋은 것으로 알려져 있으므로 비교적 높은 계면고를 갖고 투수성이 커서 자중압밀 시 함수비가 급격히 감소하는 해당 구간에서는 설계 적용에 신중을 기할 필요가 있다고 생각된다.
(2) 준설토에 대하여 자중압밀시험 및 CRS(일정변형률 압밀 시험)를 수행하고, 그 결과들을 Somogyi의 누승함수식으로 근사화하여 간극비-유효응력(e-σ') 및 간극비-투수계수(e-k) 구성관계식을 도출하였다. 이를 반영한 수치해석 시 목표 매립고로서 DL(+)10.
(3) 해당 구간의 준설 전 점토의 초기간극비 e0는 1.00이며, 수치해석에 의한 지층의 평균간극비를 이용하여 체적변화비를 산출한 결과 준설매립 완료 시기인 1년 시점에서 체적변화비는 1.59로 분석되었으며, 최종적으로는 1.17로 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 Yano법에 의하여 구해진 최종 체적 변화비 1.
(2) 준설토에 대하여 자중압밀시험 및 CRS(일정변형률 압밀 시험)를 수행하고, 그 결과들을 Somogyi의 누승함수식으로 근사화하여 간극비-유효응력(e-σ') 및 간극비-투수계수(e-k) 구성관계식을 도출하였다. 이를 반영한 수치해석 시 목표 매립고로서 DL(+)10.5m까지 실질토량 기준으로 평균 6.5cm/day로 준설매립하는 상황을 모델링하였으며, 그 결과 준설매립층은 투기완료 시점부터 총 5.27m의 침하량이 발생하였고 투기 후 3.5년 시점(누적 시간 4.5년)에서 자중압밀도가 95%에 도달하는 것으로 분석되었다. 이때 원지반의 침하량은 투기완료 직후에 4.
후속연구
아울러 시험을 통해 얻어진 준설매립토의 압밀특성을 PSDDF(Primary consolidation, Secondary compression, and Desiccation of Dredged Fill) 수치해석의 입력치로 사용하여 현재 매립되어 있는 지반의 상태를 1차원 유한차분 해석법(Finite Difference Method, FDM)을 통하여 추정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 준설매립토의 물성치 및 수치해석을 통한 현장 상태분석은 향후 연약지반 개량설계 시에 기초자료로 이용될 것이다.
17로 수렴하는 것으로 나타났다. 해석 결과를 살펴보면 매립 이후에 상당 기간에 걸쳐 잔류침하가 발생하므로 압밀도를 고려하여 준설매립량을 증가시키는 것에 대해서도 향후 검토할 필요가 있다고 사료된다.
이는 자중압밀이 완료된 시점에서 시료에 작용하고 있는 선행압밀하중은 매우 미소하기 때문인 것으로 판단된다. 향후 설계 시 전체 준설 매립층을 대표할 수 있는 압축지수를 다른 토질 정수들과의 연관성 및 추가 지반조사를 통하여 산정할 것을 제안한다. 이와 함께, 본 시험으로부터 도출된 간극비-투수계수(e-k)의 상관관계를 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Terzaghi의 압밀이론식을 사용하기에 적절하지 않은 경우는?
연약지반의 침하량을 계산함에 있어 일반적으로 쓰여 지고 있는 Terzaghi의 일차원 압밀이론식은 간극비와 유효응력의 선형적 관계, 압밀 진행 중 일정한 투수계수, 그리고 미소변형이라는 세 가지 가정이 중심이 된다. 이러한 가정 하에 유도된 Terzaghi의 압밀이론식으로 준설매립지반과 같이 큰 침하 양상을 보이는 연약지반의 압밀거동을 해석하는 것은 적절하지 않다고 알려져 있다. 따라서 큰 압밀 침하량이 예상되는 준설매립지반의 일차원 압밀거동을 해석하기 위해서는 유효응력-간극비-투수계수(e -σ′ -k) 구성관계의 비선형성 및 압밀에 따른 변형률의 영향이 고려된 유한변형 압밀이론의 적용이 필요하다(Gibson et al.
Terzaghi의 일차원 압밀이론식의 중심이 되는 세 가지 가정은?
연약지반의 침하량을 계산함에 있어 일반적으로 쓰여 지고 있는 Terzaghi의 일차원 압밀이론식은 간극비와 유효응력의 선형적 관계, 압밀 진행 중 일정한 투수계수, 그리고 미소변형이라는 세 가지 가정이 중심이 된다. 이러한 가정 하에 유도된 Terzaghi의 압밀이론식으로 준설매립지반과 같이 큰 침하 양상을 보이는 연약지반의 압밀거동을 해석하는 것은 적절하지 않다고 알려져 있다.
큰 침하 양상을 보이는 연약지반의 압밀거동을 해석하기 위해 필요한 것은?
이러한 가정 하에 유도된 Terzaghi의 압밀이론식으로 준설매립지반과 같이 큰 침하 양상을 보이는 연약지반의 압밀거동을 해석하는 것은 적절하지 않다고 알려져 있다. 따라서 큰 압밀 침하량이 예상되는 준설매립지반의 일차원 압밀거동을 해석하기 위해서는 유효응력-간극비-투수계수(e -σ′ -k) 구성관계의 비선형성 및 압밀에 따른 변형률의 영향이 고려된 유한변형 압밀이론의 적용이 필요하다(Gibson et al., 1967; Cargill,1982; Stark et al.
참고문헌 (12)
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Yano, K. (1985), Properties of very soft ground reclaimed by dredged marine clay and their prediction, Journal of the Japan Society of Civil Engineers, No. 364, pp. 1-14 (in Japanese).
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