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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 피압의 존재 유·무에 따른 부산 점토 지반의 압밀 거동을 분석하기 위해 피압 제어가 가능한 대형 컬럼 시험 장비를 제작하고 압밀 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 각각의 압밀 실험 결과를 바탕으로 피압의 존재 유·무에 따른 점토층의 압밀 거동을 비교·분석하였다.
- 또한 압밀이 진행되는 동안 침하와 간극수압의 변화를 실시간으로 계측하였다. 간극수압계의 위치는 각각 점토층 바닥면(E1), 연직배수재 관입 위치(E2) 및 연직배수재 관입 위치의 상부(E3)로서 각각의 센서별로 200mm의 이격거리를 두고 설치를 하였다. 실험의 오차를 저감하고 실험 결과의 정확성을 확보하기 위해 두 개의 컬럼에 동일한 조건으로 지반을 조성한 후에 동일한 하중을 재하 하여 동시에 실험하였다.
- 연직배수재는 점토층의 3/4 지점까지 부분관통으로 설치하여 완전관통 시 피압의 유출구가 되어 압밀이 지연되는 것을 방지하였다. 과잉간극수압 센서를 설치하여 과잉간극 수압 소산 거동을 측정하였다. 또한 점토층 전체 침하량을 산정하기 위해 표층에 다이얼 게이지를 설치하여 침하량을 측정하였다.
- 64kPa)로서 무게추를 이용하여 일정한 하중이 작용되도록 제어하였다. 또한 압밀이 진행되는 동안 침하와 간극수압의 변화를 실시간으로 계측하였다. 간극수압계의 위치는 각각 점토층 바닥면(E1), 연직배수재 관입 위치(E2) 및 연직배수재 관입 위치의 상부(E3)로서 각각의 센서별로 200mm의 이격거리를 두고 설치를 하였다.
- 과잉간극수압 센서를 설치하여 과잉간극 수압 소산 거동을 측정하였다. 또한 점토층 전체 침하량을 산정하기 위해 표층에 다이얼 게이지를 설치하여 침하량을 측정하였다. 상재하중은 각각 4.
- 8mm의 베인을 사용하였다. 베인 실험은 지반의 교란을 최소화하고자 상부에서부터 측정하였으며, 지반의 비균질 특성을 고려하기 위해 각 위치별로 4회씩 측정하였다. Fig.
- 통일분류법(USCS)에 의한 분류결과 소성 점토(CH)로 나타났다. 본 연구에서는 연약지반의 조성을 위해 점토의 함수비를 80%로 하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 피압의 작용 유·무에 따른 점토지반의 압밀침하, 과잉간극수압 변화, 비배수 전단강도 및 함수비의 분포 등과 같은 압밀 거동 특성을 비교·분석하기 위해 대형 컬럼 시험 장비를 이용하여 연직배수재가 부분 관입된 점토층의 압밀 실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 또한 점토층 전체 침하량을 산정하기 위해 표층에 다이얼 게이지를 설치하여 침하량을 측정하였다. 상재하중은 각각 4.91kPa, 9.82kPa, 19.64kPa로 3단계의 하중 제어를 실시하였다. 압밀 시험 종료 후 베인 시험(vane test) 및 함수비의 측정을 통해 깊이에 따른 비배수 전단강도와 함수비 분포 변화를 살펴보았다.
- 현장 점토의 함수비 범위를 조사한 결과 약 30%～65% 내외로 나타났으며, 이는 Korea water resources corporation(2015)에서 실시한 현장 조사의 범위 내에 들어오는 것으로 나타났다. 시료의 균질성을 위해 채취된 시료를 큰 통에 담아 한번에 교반하였으며 10체(2.0mm)로 체가름을 하여 자갈, 조개 등의 불순물을 제거하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 점토의 기본물성을 나타낸다.
- 실험 결과의 정확성을 위해 현장의 시료를 직접 채취하여 실내 시험에 사용하였으며, 점토층의 상·하부에 투수층인 모래층을 조성하여 실제 현장 지반의 조건과 유사하도록 모사하였다.
- 간극수압계의 위치는 각각 점토층 바닥면(E1), 연직배수재 관입 위치(E2) 및 연직배수재 관입 위치의 상부(E3)로서 각각의 센서별로 200mm의 이격거리를 두고 설치를 하였다. 실험의 오차를 저감하고 실험 결과의 정확성을 확보하기 위해 두 개의 컬럼에 동일한 조건으로 지반을 조성한 후에 동일한 하중을 재하 하여 동시에 실험하였다. 각각의 압밀 실험 결과를 바탕으로 피압의 존재 유·무에 따른 점토층의 압밀 거동을 비교·분석하였다.
- 각각의 압밀 실험 결과를 바탕으로 피압의 존재 유·무에 따른 점토층의 압밀 거동을 비교·분석하였다. 압밀 시간은 총 32일로서 1단계 및 2단계 하중 재하 기간은 각각 8일이며 3단계에서는 16일 동안 압밀을 진행한 후 실험을 종료하였다.
- 64kPa로 3단계의 하중 제어를 실시하였다. 압밀 시험 종료 후 베인 시험(vane test) 및 함수비의 측정을 통해 깊이에 따른 비배수 전단강도와 함수비 분포 변화를 살펴보았다. 피압에 따른 과잉간극수압의 소산과 침하량을 살펴보기 위해 컬럼의 제원과 시료의 상태가 동일한 두 개의 컬럼을 각각 준비하여 피압의 작용 유·무에 따른 압밀 실험을 동시에 수행하여 점토지반의 거동을 비교·분석하였으며, 시료의 재성형으로 인한 오차를 저감하고자 하였다.
- 압밀 시험 종료 후 피압의 작용 유·무에 따른 점토층의 비배수 전단강도를 알아보기 위해 현장 베인 장비(Fig. 11)를 이용하여 비배수 전단강도 시험을 측정하였다.
- 압밀 시험을 종료한 후 피압의 작용 유·무에 따른 점토층 지반의 함수비 분포를 알아보기 위해 점토층의 깊이 및 배수재로부터의 이격 거리(배수재로부터 0mm, 50mm, 100mm)에 따른 함수비를 각각 측정하였다(Fig. 13).
- 압밀 하중 단계는 총 3단계(4.91kPa, 9.82kPa, 19.64kPa)로서 무게추를 이용하여 일정한 하중이 작용되도록 제어하였다. 또한 압밀이 진행되는 동안 침하와 간극수압의 변화를 실시간으로 계측하였다.
- 6), 점토층 전체 높이인 800mm 중 600mm까지 관입하였다. 연직배수재 설치 후 상부 모래층을 포설하였으며, 모래 포설 과정 중 연직배수재 내부에 모래 유입으로 인한 통수능의 저하가 발생하지 않도록 하였다. 또한 균질한 지반의 조성을 위해 원형관을 통해 점토를 포설하여 바닥에서부터 점차 차오르도록 하였으며, 간극수압센서는 지반을 조성하기 전에 여과지로 감싼 후 각 계측위치별로 벽면에 미리 부착하여 지반의 교란을 방지하였다.
- 실험 결과의 정확성을 위해 현장의 시료를 직접 채취하여 실내 시험에 사용하였으며, 점토층의 상·하부에 투수층인 모래층을 조성하여 실제 현장 지반의 조건과 유사하도록 모사하였다. 연직배수재는 점토층의 3/4 지점까지 부분관통으로 설치하여 완전관통 시 피압의 유출구가 되어 압밀이 지연되는 것을 방지하였다. 과잉간극수압 센서를 설치하여 과잉간극 수압 소산 거동을 측정하였다.
- 컬럼의 하부에는 피압을 제어할 수 있도록 밸브를 통해 대형 수조와 연결되며 수위차(∆h)를 조절할 수 있다. 지반 구성을 상부 모래층 100mm, 중간 점토층 800mm, 하부 모래층 200mm로 하여 실제 현장의 지층구조와 유사하게 제작하였다. 피압의 크기는 동수경사를 0.
- 7은 피압의 존재 유·무에 따른 압밀 침하 측정 결과를 나타낸다. 총 3단계의 하중 재하 결과로서 1단계(stage 1) 및 2단계(stage 2)는 각각 8일의 압밀 기간을 두었으며, 3단계(stage 3)에서는 16일의 압밀 기간으로 총 32일간의 압밀 침하 기간을 두었다. 각 조건에 따른 최종 침하량은 피압이 작용하지 않는 지반(soil without artesian pressure)의 경우 약 142.
- 피압에 따른 과잉간극수압의 소산과 침하량을 살펴보기 위해 컬럼의 제원과 시료의 상태가 동일한 두 개의 컬럼을 각각 준비하여 피압의 작용 유·무에 따른 압밀 실험을 동시에 수행하여 점토지반의 거동을 비교·분석하였으며, 시료의 재성형으로 인한 오차를 저감하고자 하였다.
- 피압의 작용 유·무에 따른 연직배수재 필터의 막힘 현상(clogging)을 측정하고자 SEM(Scanning Electron Microscopy) 분석을 실시하였다.
- 피압의 존재에 따른 점토층의 압밀 거동을 알아보기 위해 상향침투 제어가 가능한 대형 압밀 장비를 제작하였다(Fig. 5). 장비의 제원은 높이 1,500mm, 내부 직경 230mm(외부 직경 250mm), 두께 10mm이다.
- 지반 구성을 상부 모래층 100mm, 중간 점토층 800mm, 하부 모래층 200mm로 하여 실제 현장의 지층구조와 유사하게 제작하였다. 피압의 크기는 동수경사를 0.5로 하여 5.5kPa의 피압이 하부에서 작용하도록 하였으며, 수두를 일정하게 유지하여 수두 손실에 따른 피압의 변화가 발생하지 않도록 하였다. 실험에 사용된 연직배수재는 폭 100mm, 두께 5mm의 하모니카형 연직배수재이며(Fig.
대상 데이터
- 11)를 이용하여 비배수 전단강도 시험을 측정하였다. 배수재의 굴곡 및 장비의 크기를 고려하여 직경 25.4mm, 높이 50.8mm의 베인을 사용하였다. 베인 실험은 지반의 교란을 최소화하고자 상부에서부터 측정하였으며, 지반의 비균질 특성을 고려하기 위해 각 위치별로 4회씩 측정하였다.
- 본 실험에서 사용된 시료는 부산 낙동강 하구 에코 델타 시티(Eco-Delta City, EDC) 조성단지 지역에서 채취한 점토로서 황동관을 이용하여 현장 시료를 채취하였다. 현장의 지층구조를 살펴보면 하부에 자갈·모래층(피압대수층, confined aquifer)과 중간에 대심도 점토층이 존재하며 상부에 약 10m 내지 15m 두께의 퇴적 모래층이 존재한다(Fig.
- 5kPa의 피압이 하부에서 작용하도록 하였으며, 수두를 일정하게 유지하여 수두 손실에 따른 피압의 변화가 발생하지 않도록 하였다. 실험에 사용된 연직배수재는 폭 100mm, 두께 5mm의 하모니카형 연직배수재이며(Fig. 6), 점토층 전체 높이인 800mm 중 600mm까지 관입하였다. 연직배수재 설치 후 상부 모래층을 포설하였으며, 모래 포설 과정 중 연직배수재 내부에 모래 유입으로 인한 통수능의 저하가 발생하지 않도록 하였다.
- 5). 장비의 제원은 높이 1,500mm, 내부 직경 230mm(외부 직경 250mm), 두께 10mm이다. 컬럼의 하부에는 피압을 제어할 수 있도록 밸브를 통해 대형 수조와 연결되며 수위차(∆h)를 조절할 수 있다.
성능/효과
- (1) 피압의 작용 유·무에 따른 압밀 침하를 측정한 결과 피압이 작용하는 점토층에서 더 큰 압밀침하가 나타났다.
- (2) 피압의 작용 유·무에 따른 과잉간극수압의 발생 및 소산 경향을 살펴본 결과 피압이 작용하지 않는 점토층의 경우 시간에 따라 거의 소산되는 경향을 보였으나, 피압이 작용하는 점토층의 경우 전부 소산되지 않고 잔류하는 것으로 나타났다.
- (3) 압밀 시험 종료 후 점토층의 깊이별 비배수 전단강도와 함수비 분포를 측정한 결과 점토층의 상부에서는 비배수 전단강도와 함수비의 분포가 피압의 작용에 관계없이 유사한 경향을 보인 반면, 점토층 하부로 갈수록 피압의 영향으로 인해 피압이 작용하는 점토층의 비배수 전단강도가 감소하고 함수비가 증가하는 경향을 보였다.
- (4) 시험 종료 후 연직배수재의 형상을 살펴보면 피압이 작용한 점토층에서 더 큰 굴곡이 발생하였다. 또한 SEM 분석을 통해 배수재 필터를 촬영한 결과 필터의 막힘 현상은 피압의 영향을 크게 받지 않았다.
- 먼저 피압이 작용하지 않는 지반의 경우(Fig. 9(a)) 시간이 경과함에 따라 상재 하중에 의해 발생한 과잉간극수압이 거의 소산하는 경향을 보였다. 특히 모래층과 인접한 바닥부분(E1)에서 가장 빠르게 소산되었으며, 연직배수재 끝단(E2)에서 가장 늦은 소산 속도를 보였다.
- 반면 피압이 작용하는 지반의 경우(Fig. 9(b)) 과잉간극수압은 시간이 경과함에 따라 부분적으로 소산되나 각각 깊이에 따라 일정한 값에 수렴되는 경향을 보였다. 특히 각각 깊이별 과잉간극수압의 크기는 바닥부분(E1)에서 가장 크게 나타났으며 상부로 갈수록 그 값이 작아지는 경향을 보였다.
- 10(a)) 모든 하중 단계에서 시간이 경과함에 따라 과잉간극수압이 소산되는 경향을 보인 반면, 피압이 작용할 경우(Fig. 10(b)) 피압에 의해 발생한 과잉간극수압이 시간이 경과해도 모두 소산되지 않고 잔류간극수압이 존재한다는 것을 알 수 있다. 이것은 하부에 작용하는 피압에 의한 영향 때문이다.
- (c)를 통해 피압의 작용 유·무에 따른 필터 바깥면의 막힘 현상을 비교해 본 결과 뚜렷한 차이를 보이지는 않았으며, 이를 통해 필터의 막힘은 피압의 작용과 크게 관계가 없는 것으로 판단된다.
- 전체적인 거동은 1단계에서 침하가 가장 크게 나타났으며 하중 단계가 증가할수록 침하가 감소하는 경향을 보였다. 각 하중 단계별 침하는 피압이 작용하는 지반에서 더 크게 나타났으며 특히 하중 단계가 증가할수록 침하량의 차이가 점차 증가하는 경향을 보였다. 피압이 작용하지 않는 지반에서 각 단계별 하중에 따른 침하량은 71.
- (4) 시험 종료 후 연직배수재의 형상을 살펴보면 피압이 작용한 점토층에서 더 큰 굴곡이 발생하였다. 또한 SEM 분석을 통해 배수재 필터를 촬영한 결과 필터의 막힘 현상은 피압의 영향을 크게 받지 않았다.
- 또한 각 하중 단계별 침하량을 비교한 결과 피압의 작용 유·무에 따른 침하량의 차이는 점차 증가하는 경향을 보였다.
- 연직배수재 설치 후 상부 모래층을 포설하였으며, 모래 포설 과정 중 연직배수재 내부에 모래 유입으로 인한 통수능의 저하가 발생하지 않도록 하였다. 또한 균질한 지반의 조성을 위해 원형관을 통해 점토를 포설하여 바닥에서부터 점차 차오르도록 하였으며, 간극수압센서는 지반을 조성하기 전에 여과지로 감싼 후 각 계측위치별로 벽면에 미리 부착하여 지반의 교란을 방지하였다.
- 또한 피압의 작용 유·무에 따른 침하량 차이를 살펴보면 각 하중 단계별로 3.83mm, 4.36mm 및 5.14mm로 하중이 증가함에 따라 침하량의 차이가 점차 벌어지는 경향을 보였다.
- 연직배수재의 굴곡 형태를 살펴보면 피압이 작용한 점토층에서 더 크게 나타난 것을 알 수 있으며, 이는 침하 실험 결과와 동일한 경향을 보인다. 또한 피압이 작용한 점토층에 설치한 연직배수재의 굴곡 위치가 피압이 작용하지 않은 점토층의 연직배수재에 비해 상부에서 굴곡이 더 발생한 것을 알 수 있는데 이는 피압이 작용한 점토층의 경우 상부층은 모래층 등에 의해 배수가 원활하게 이루어져 초기침하가 점토층 상부에서 발생하여 나타난 결과로 판단된다.
- 12는 피압의 작용 유·무에 따른 점토층의 비배수 전단강도를 나타낸다. 실험 결과 피압이 작용하지 않는 점토층의 경우 상부층에서 최대 약 7.51kPa로 나타났으며, 깊이가 깊어질수록 점차 감소하는 경향을 보이다가 점토층 바닥층(800mm)에서 다시 증가하는 경향을 보였다. 이는 점토층 아래에 조성된 모래층으로 인해 압밀이 잘 이루어져 나타난 결과로 판단된다.
- 상부층에서의 함수비 범위는 피압에 관계없이 유사한 값을 가진다. 연직배수재와의 거리에 따른 함수비의 분포는 상부층(200mm), 중간층(400mm), 하부층(600mm)에서 각각 2.21%, 5.02%, 5.39%의 차이로 점토층의 깊이가 깊어질수록 점차 증가하는 경향을 보였다.
- 8은 피압의 존재 유·무에 따른 압밀 침하량을 각각 하중 단계별로 나타낸 것이다. 전체적인 거동은 1단계에서 침하가 가장 크게 나타났으며 하중 단계가 증가할수록 침하가 감소하는 경향을 보였다. 각 하중 단계별 침하는 피압이 작용하는 지반에서 더 크게 나타났으며 특히 하중 단계가 증가할수록 침하량의 차이가 점차 증가하는 경향을 보였다.
- 15는 SEM 측정 결과를 나타낸다. 측정 결과 연직배수재 필터의 바깥쪽은 다량의 점성토 입자가 접착되어 있는 것으로 나타났으나, 필터의 안쪽은 아주 작은 세립분의 입자를 제외하고는 거의 나타나지 않았다. 이를 통해 필터의 막힘 현상에 의한 연직배수재의 통수능 저하의 발생 가능성은 크지 않을 것으로 판단된다.
- (2) 피압의 작용 유·무에 따른 과잉간극수압의 발생 및 소산 경향을 살펴본 결과 피압이 작용하지 않는 점토층의 경우 시간에 따라 거의 소산되는 경향을 보였으나, 피압이 작용하는 점토층의 경우 전부 소산되지 않고 잔류하는 것으로 나타났다. 특히 피압에 의해 소산되지 않고 잔류한 과잉간극수압의 크기는 점토층의 깊이가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 형태를 보였다.
- 이는 점토층 아래에 조성된 모래층으로 인해 압밀이 잘 이루어져 나타난 결과로 판단된다. 피압이 작용하는 지반의 경우를 살펴보면 상부 점토층의 비배수 전단강도는 피압이 작용하지 않는 점토층과 유사한 값의 범위를 보인 반면, 점토층의 깊이가 깊어짐에 따라 비배수 전단강도가 점차 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 점토층의 깊이가 깊어질수록 피압에 의한 과잉간극수압의 크기가 증가하고 이로 인해 점토층의 유효응력이 감소하여 나타난 결과로 판단된다.
- 각 하중 단계별 침하는 피압이 작용하는 지반에서 더 크게 나타났으며 특히 하중 단계가 증가할수록 침하량의 차이가 점차 증가하는 경향을 보였다. 피압이 작용하지 않는 지반에서 각 단계별 하중에 따른 침하량은 71.83mm, 36.71mm, 34.33mm로 나타났으며 피압이 작용하는 지반에서는 각각 75.66mm, 41.07mm, 39.47mm로 하중 단계가 증가함에 따라 침하량은 점차 감소하는 경향을 보였다. 또한 피압의 작용 유·무에 따른 침하량 차이를 살펴보면 각 하중 단계별로 3.
후속연구
- (2002)의 연구 결과에 따르면 현장 계측 결과 및 압밀 해석 결과 피압대수층이 존재하는 지반의 압밀 침하량이 더 크게 발생하였다고 밝힌 바 있다. 피압이 작용하는 지반에서 침하가 크게 발생되는 이유는 추후 간극수압의 분포, 비배수 전단강도 및 함수비 분포 경향에서 살펴보겠지만 하부에 존재하는 피압에 의한 상향침투에 기인된다고 사료된다.
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