쇄석말뚝공법은 비교적 강성이 크고 압축성이 작은 쇄석을 연약한 점성토 지반 및 느슨한 사질토 지반에 치환 후 다져 시공함으로써 연약한 지반의 지지력 증가와 침하량 감소, 압밀배수에 의한 지반개량 효과에 더불어 사질토 지반에서는 지진 발생시 액상화 방지에 효과적인 공법이다. 쇄석말뚝공법은 여러 토목분야에서 활용되고 국제적으로 상당히 많은 시공실적을 보이고 있으나, 아직까지 정형화된 침하량 산정방법은 없다. 따라서 본 연구에서는 쇄석말뚝공법의 합리적인 침하량을 예측하기 위하여 기존에 제안되어 사용되고 있는 침하량 이론식들을 비교 분석하여 적용성을 평가하였다. 그 결과 Hook's law 식이 수치해석과 가장 근접하는 것으로 확인되었다.
쇄석말뚝공법은 비교적 강성이 크고 압축성이 작은 쇄석을 연약한 점성토 지반 및 느슨한 사질토 지반에 치환 후 다져 시공함으로써 연약한 지반의 지지력 증가와 침하량 감소, 압밀배수에 의한 지반개량 효과에 더불어 사질토 지반에서는 지진 발생시 액상화 방지에 효과적인 공법이다. 쇄석말뚝공법은 여러 토목분야에서 활용되고 국제적으로 상당히 많은 시공실적을 보이고 있으나, 아직까지 정형화된 침하량 산정방법은 없다. 따라서 본 연구에서는 쇄석말뚝공법의 합리적인 침하량을 예측하기 위하여 기존에 제안되어 사용되고 있는 침하량 이론식들을 비교 분석하여 적용성을 평가하였다. 그 결과 Hook's law 식이 수치해석과 가장 근접하는 것으로 확인되었다.
Stone column is the method that replace soft ground such as weak clay and loose sand with gravel or crushed stone which has relatively high stiffness and low compressive. Stone column increases bearing capacity of the soft ground, reduces settlement, produces ground improvement effect by consolidati...
Stone column is the method that replace soft ground such as weak clay and loose sand with gravel or crushed stone which has relatively high stiffness and low compressive. Stone column increases bearing capacity of the soft ground, reduces settlement, produces ground improvement effect by consolidation drain, and is effective to prevent soil liquefaction in sandy ground during an earthquake. Stone column has been used in many civil works, and has recorded quite a lot of construction achievement internationally, but there is no standardized settlement calculation method yet. Therefore, in this study, the applicability of the existing theoretical equations were evaluated through comparison and analysis to predict a reasonable settlement of the Stone column. Consequently, Hook's law formula was verified to be the most close to numerical analysis.
Stone column is the method that replace soft ground such as weak clay and loose sand with gravel or crushed stone which has relatively high stiffness and low compressive. Stone column increases bearing capacity of the soft ground, reduces settlement, produces ground improvement effect by consolidation drain, and is effective to prevent soil liquefaction in sandy ground during an earthquake. Stone column has been used in many civil works, and has recorded quite a lot of construction achievement internationally, but there is no standardized settlement calculation method yet. Therefore, in this study, the applicability of the existing theoretical equations were evaluated through comparison and analysis to predict a reasonable settlement of the Stone column. Consequently, Hook's law formula was verified to be the most close to numerical analysis.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 여러 가지 제안된 침하량 공식에 대하여 침하량에 영향을 미치는 주요 설계 파라미터를 분석하고 침하량 제안식에 대한 적용성을 평가하였다.
본 논문은 쇄석말뚝의 탄성 침하량 예측방법에 대하여 분석하였다. 침하량 비교에 사용된 산정이론은 Schmertmann 제안식, Priebe 제안식에 추가로 장비제조사인 Bauer사의 침하량 제안식, Vesic의 제안식, Hook’s law의 탄성이론, 수치해석을 이용하여 상호 비교･분석 하였다.
일반적으로 Vesic과 Hook’s law 식은 기초 폭(B)이 가장 큰 영향을 미치며, Priebe 식을 제외한 모든 제안식의 경우 복합지반 탄성계수(Em)의 영향을 받는 것으로 평가되고 있다. 이에 본 연구에서는 쇄석말뚝 침하량 산정 시 가장 크게 영향을 미치는 주요설계 Parameter에 대한 분석을 실시하였다.
가설 설정
그러므로 침하량 산정 시 Vesic과 Hook’s law 식에서 Fig. 4와 같은 지층을 고려하지 않고 무조건 기초 폭(B)을 적용한다면, 침하발생 가능한 지층(H)이 기초 폭(B)보다 큰 경우와 기초 폭(B)보다 작은 경우가 동일한 침하량으로 산정될 것이다.
쇄석말뚝 침하량 산정 시 가장 크게 영향을 미치는 주요설계 Parameter에 대한 분석을 위하여 쇄석말뚝 적용 사례가 많은 플랜트 구조물 중 기초 공학적으로 가장 문제가 될 수 있는 위험물(유류, 인화성 물질 등) 저장 Tank 기초를 대상으로 단면을 가정하였다. Tank 폭(B)은 70m, 하중은 300kN/m2, 쇄석말뚝 길이(Hs)는 15m, 말뚝 직경(d)은 1.
8과 같이 설정하였으며, 지반 정수는 Table 4와 같이 가정하여 적용하였다. 폭(B)은 70m, 하중은 300kN/m2,쇄석말뚝 길이(Hs)는 15m, 말뚝 직경(d)은 1.0m, 간격(s)은 2.2m(치환율 16.2%)로 가정하여 적용하였으며 하부 25m 이후의 침하량은 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 쇄석의 탄성계수(Es) 범위를 100～400MPa로 가정하여 50MPa씩 증가시켜 가면서 침하량을 산정하였으며, 쇄석의 탄성계수(Es)의 영향이 없는 Priebe 식 결과와 상호 비교를 실시하였다. 그 결과는 Fig.
쇄석말뚝 침하량 산정 시 가장 크게 영향을 미치는 주요설계 Parameter에 대한 분석 결과를 이용하여 각각의 쇄석말뚝 침하량 산정 이론식 및 유한요소해석에 대한 비교･분석을 실시하였다.
본 논문은 쇄석말뚝의 탄성 침하량 예측방법에 대하여 분석하였다. 침하량 비교에 사용된 산정이론은 Schmertmann 제안식, Priebe 제안식에 추가로 장비제조사인 Bauer사의 침하량 제안식, Vesic의 제안식, Hook’s law의 탄성이론, 수치해석을 이용하여 상호 비교･분석 하였다. 그 결과는 다음과 같다.
유한요소해석은 Midas GTS NX를 사용하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 규준에 따른 탄소성모델을 적용하였다. 해석조건은 이론식 분석조건(지반조건, 탱크하중, 개량깊이 및 범위 등)과 동일하게 적용하여 1) 원지반 + 변위 초기화, 2) 지반 개량(쇄석말뚝 모델링), 3) 강성판모델링(탱크와 같은 재질의 강성판(5mm)을 지반 위에 모델링), 4) 하중재하의 과정으로 진행하였다. Fig.
데이터처리
본연구는 2차원 유한요소해석(FEM)을 실시하여 이론식 결과와 비교하였다. 유한요소해석은 Midas GTS NX를 사용하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 규준에 따른 탄소성모델을 적용하였다.
이론/모형
따라서 본 연구에서는 Fig. 9와 같이 2:1 분포법을 이용하여 Vesic 식과 Hook’s law 식의 침하량을 산정하였다. 또한 3장과 마찬가지로 이론식으로부터 산정된 결과를 비교하기 위해 유한요소해석을 수행하였으며, 그 절차는 3.
본연구는 2차원 유한요소해석(FEM)을 실시하여 이론식 결과와 비교하였다. 유한요소해석은 Midas GTS NX를 사용하였으며, Mohr-Coulomb 파괴 규준에 따른 탄소성모델을 적용하였다. 해석조건은 이론식 분석조건(지반조건, 탱크하중, 개량깊이 및 범위 등)과 동일하게 적용하여 1) 원지반 + 변위 초기화, 2) 지반 개량(쇄석말뚝 모델링), 3) 강성판모델링(탱크와 같은 재질의 강성판(5mm)을 지반 위에 모델링), 4) 하중재하의 과정으로 진행하였다.
성능/효과
(1) 이론식에 따른 침하량 산정 시 주요 설계 Parameter는 Vesic 식과 Hook’s law의 탄성이론의 경우 기초 폭(B)이 가장 큰 영향을 미치며, Priebe 식을 제외한 모든 제안식의 경우 복합지반의 탄성계수(Em)가 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
(2) 주요 설계 Parameter 검토 결과 Vesic 식과 Hook’s law의 탄성이론 기초 폭(B)은 B>H인 경우 침하 가능성이 있는 지반의 깊이(H)로 변경하여 침하량을 산정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
(3) 탄성계수(Es)의 경우 쇄석말뚝의 설계 및 시공 경험이 많은 Bauer사의 경우 경험적으로 100～200MPa의 범위를 주로 사용하고 있으며, 탄성계수(Es)가 증가할수록 침하량은 감소하고 탄성계수(Es)가 300MPa 이상으로 커지면 침하량 감소율이 상대적으로 감소하는 것으로 나타났다.
(4) 주요설계 Parameter에 대한 분석 결과를 적용하여 각각의 쇄석말뚝 침하량 산정 이론식과 수치해석 결과를 비교･분석한 결과 Hook’s law 식이 수치해석과 가장 근접한 것으로 확인되었다.
그러나 유한요소해석 결과 및 Schmertmann 식에 비해서는 2배 이상 큰 값을 예측하고 있다. 검토 결과 Vesic과 Hook’s law 식에 적용된 기초 폭(B)은 침하 가능성이 있는 지반의 깊이(H)가 기초 폭(B)보다 작은 경우 침하 가능성이 있는 지반의 깊이(H)로 변경하여 침하량을 산정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
후속연구
(5) 실용적인 이유로 제안된 가정이나 단순화시킨 이론식을 이용하여 사전에 지반의 침하 예측을 정확히 계산하는 것은 상당히 어려운 문제이다. 따라서 시공을 통해 실제 발생하는 침하량을 측정하여 설계 타당성을 확인하면서 많은 경험과 실측치를 통하여 설계자료 축척을 통한 개선이 필요할 것으로 판단된다.
유한요소해석(FEM) 결과와 비교 시 Schmertmann 식을 제외한 대부분의 식들이 최소 20mm 이상 큰 값을 예측하며, Schmertmann 식 또한 전 구간에서 약 10mm 정도 작게 예측하고 있어 다소 편차가 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 유한요소해석 결과를 기준으로 볼 때, 본 연구에서 비교한 식 중 Schmertmann 식을 제외한 대부분의 식들이 침하량을 보수적으로 평가하고 있으나 그 편차가 커서 침하 예측 시 적용할 식에 대한 적절한 선정 및 다양한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연약지반 처리는 어느때에 필수인가 ?
지상에 설치되는 각종 토목, 건축, 플랜트 등의 다양한 구조물들이 상대적으로 연약한 지반에 놓일 경우 지지력 및 침하 등의 문제가 발생하게 되며 안정성 확보를 위한 연약지반 처리는 필수적이라고 할 수 있다. 연약지반에 건설되는 구조물의 특성, 건설기간 및 건설비용 등을 고려하여 구조물을 안전하게 지지하는 방법을 모색하여야 한다.
침하량 비교에 사용된 산정이론을 비교 분석한 결과 어떤 점이 Hook's law와 근접했는가 ?
(4) 주요설계 Parameter에 대한 분석 결과를 적용하여 각각의 쇄석말뚝 침하량 산정 이론식과 수치해석 결과를 비교･분석한 결과 Hook’s law 식이 수치해석과 가장 근접한 것으로 확인되었다.
쇄석말뚝공법이란 ?
쇄석말뚝공법은 비교적 강성이 크고 압축성이 작은 쇄석을 연약한 점성토 지반 및 느슨한 사질토 지반에 치환 후 다져 시공함으로써 연약한 지반의 지지력 증가와 침하량 감소, 압밀배수에 의한 지반개량 효과에 더불어 사질토 지반에서는 지진 발생시 액상화 방지에 효과적인 공법이다. 쇄석말뚝공법은 여러 토목분야에서 활용되고 국제적으로 상당히 많은 시공실적을 보이고 있으나, 아직까지 정형화된 침하량 산정방법은 없다.
참고문헌 (7)
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Iowa state university (2003), Highway applications for rammed aggregate piels in Iowa soils, Iowa state university, pp. 9.
Kim, S. W., Lee, C. H., Kim, K. H. and Choi, H. S. (2011), A comparison of analysis methods on mechanical behavior of stone column reinforced in the soft sabkha deposit, Korean Geotechnical Society, pp. 53-63 (in Korean).
Korean Geotechnical Society (2009), Commentary of foundation structure design criteria, Korean Geotechnical Society, pp. 247-266 (in Korean).
Priebe (1976), Estimating settlements in a gravel column consolidated soil, Die bautechnik 53, German, pp. 160-162.
Raman, S. (2006), Comparison of predicted settlement behavior to the field measurement of stone column improved ground, M.S. Theis, Universiti Teknologi Malaysia, pp. 33-63.
Vesic, A. S. (1961), Bending of beams resting on isotropic elastic soild, ASCE Journal of the Engineering Mechanics, Vol. 87, No. EM2, pp. 35-53.
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