[논문]연직배수재가 부분 관입된 점토지반의 피압에 따른 압밀 거동에 관한 연구

윤대호; 김재홍; 김윤태

doi:10.12814/jkgss.2016.15.1.047

초록
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부산 낙동강 하구 대심도 연약지반 아래에 피압대수층이 존재한다는 것이 많은 연구자들에 의해 관측되었다. 연약지반에 작용하는 피압은 압밀 속도, 압밀 침하량, 연직배수재의 성능 등에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 피압의 작용 유 무에 따른 연직배수재가 부분 관입된 점토지반의 압밀 거동을 분석하였다. 연구를 수행하기 위해 일차원 대형 컬럼 장비를 이용한 실내실험과 유한요소 해석을 실시하였다. 실험 결과 피압이 작용하는 점토지반의 압밀 침하가 피압이 작용하지 않는 점토지반보다 더 크게 나타났으며, 과잉간극수압의 소산 속도는 더디게 나타났다. 또한 동일한 지반 조건을 이용하여 유한요소해석을 수행한 결과 실내 실험과 유사한 경향을 나타내었다.

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Many researchers reported that artesian pressure exists in thick soft ground of Busan Nakdong river estuary. Artesian pressure in soft ground could affect rate of consolidation, settlement and drainage capasity of prefabricated vertical drain(PVD). This paper investigated consolidation behaviors of ...

Many researchers reported that artesian pressure exists in thick soft ground of Busan Nakdong river estuary. Artesian pressure in soft ground could affect rate of consolidation, settlement and drainage capasity of prefabricated vertical drain(PVD). This paper investigated consolidation behaviors of soft ground with partially penetrated PVD subjected to artesian pressure. Laboratory tests with 1-dimensional large column equipment and their numerical analyses were carried out. Test results showed that the consolidation settlement of clay ground with artesian pressure was higher than that without artesian pressure. Due to artesian pressure, the dissipation rate of excess pore water pressure was reduced in soft ground with artesian pressure, especially at bottom part of clay ground. Numerical results were in good agreement with experimental test results.

주제어

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문제 정의

따라서 다양한 지반공학적 문제를 야기시킬 수 있는 피압의 영향을 정량적으로 분석하기 위해 동일한 지반 조건에서 피압의 작용 여부에 따른 실내실험과 유한요소 해석을 통한 비교 및 검증이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 피압이 점토지반의 압밀 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위해 실내실험과 유한요소해석을 수행하였다. 부산 낙동강 하부 연약지반 상태를 원통형 대형 압밀 시험으로 모델링하기 위해 내부 직경 230mm(외부 직경 250mm), 높이 1,500mm의 상향 침투 제어가 가능한 대형 압밀시험 장치를 개발하여 연약점토 지반을 조성하였으며, 간극수압센서 및 다이얼 게이지를 설치하여 상재하중에 따른 각각의 압밀 특성을 실시간으로 계측하였다.
시료의 안정화는 지반 조성시 발생한 과잉간극수압이 소산되는 것을 나타낸다. 실험 수행시 1개의 대형 컬럼 장치에는 피압을 작용시키지 않았고, 다른 1개의 대형 컬럼 장치에는 피압을 작용시켜 동일한 조건으로 단계별 압밀시험을 수행하여 실험오차를 최소화하고 정확한 실험 결과를 얻고자 하였다. 1단계와 2단계의 하중 재하 기간은 각각 8일, 3단계에서는 16일 동안 실험을 수행하여 총 32일 동안 압밀을한 후 실험을 종료하였다.

제안 방법

(1) 피압의 작용 유·무에 따른 점토층의 압밀거동을 살펴보기 위해 대형 컬럼 장비를 이용하여 실내실험을 수행하였다. 두 번의 실험 결과 피압이 작용하지 않는 점토층의 침하량이 피압이 작용하는 점토층에 비해 더 크게 발생하는 것으로 나타났다.
실험 수행시 1개의 대형 컬럼 장치에는 피압을 작용시키지 않았고, 다른 1개의 대형 컬럼 장치에는 피압을 작용시켜 동일한 조건으로 단계별 압밀시험을 수행하여 실험오차를 최소화하고 정확한 실험 결과를 얻고자 하였다. 1단계와 2단계의 하중 재하 기간은 각각 8일, 3단계에서는 16일 동안 실험을 수행하여 총 32일 동안 압밀을한 후 실험을 종료하였다. 또한 실험의 정확한 경향을 파악하기 위해 모든 실험은 동일한 조건으로 각각 2회씩 수행하였다.
64kPa)로 가했으며, 각 단계의 침하량과 간극수압의 증가 및 소산 변화량을 실시간으로 계측하였다. 간극수압계(pore water pressure sensor)의 위치는 점토층 바닥면(점토층 상부에서 800mm), 연직배수재 관입 위치(점토층 상부에서 600mm) 및 연직배수재 관입 위치의 상부(점토층 상부에서 400mm)로서 각각 센서의 위치별로 200mm의 이격 거리를 두고 설치를 하였다. 동일하게 제작된 두 개의 1차원 대형 컬럼 장치에 동일한 함수비로 조성된 점토 시료를 이용하여 연약지반을 조성하였으며, 시료의 안정화를 위해 예비압밀을 14일 동안 수행하였다.
간극수압계(pore water pressure sensor)의 위치는 점토층 바닥면(점토층 상부에서 800mm), 연직배수재 관입 위치(점토층 상부에서 600mm) 및 연직배수재 관입 위치의 상부(점토층 상부에서 400mm)로서 각각 센서의 위치별로 200mm의 이격 거리를 두고 설치를 하였다. 동일하게 제작된 두 개의 1차원 대형 컬럼 장치에 동일한 함수비로 조성된 점토 시료를 이용하여 연약지반을 조성하였으며, 시료의 안정화를 위해 예비압밀을 14일 동안 수행하였다. 시료의 안정화는 지반 조성시 발생한 과잉간극수압이 소산되는 것을 나타낸다.
본 연구에서는 실내실험과 유한요소해석 결과를 통해 연직배수재가 부분 관입된 점토지반의 피압 작용 유·무에 따른 압밀거동에 대한 비교 및 분석을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 피압이 점토지반의 압밀 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위해 실내실험과 유한요소해석을 수행하였다. 부산 낙동강 하부 연약지반 상태를 원통형 대형 압밀 시험으로 모델링하기 위해 내부 직경 230mm(외부 직경 250mm), 높이 1,500mm의 상향 침투 제어가 가능한 대형 압밀시험 장치를 개발하여 연약점토 지반을 조성하였으며, 간극수압센서 및 다이얼 게이지를 설치하여 상재하중에 따른 각각의 압밀 특성을 실시간으로 계측하였다. 실내실험시 정확한 경향을 파악하기 위해 모든 실험은 2번씩 반복적으로 수행하였다.
4는 본 연구를 위해 제작한 1차원 대형 컬럼 장치의 개념도를 나타낸다. 피압의 존재에 따른 점토층의 압밀 거동을 알아보기 위해 상향 흐름의 제어가 가능하도록 하였으며 두 개의 1차원 대형 컬럼 장치를 제작하여 피압의 작용 유･무에 따른 압밀 실험을 동시에 수행하였다. 장비의 제원은 높이 1500mm, 내부 직경 230mm(외부 직경 250mm)이며, 컬럼의 하부에는 대형 수조가 연결되어 있어 동수경사를 이용하여 피압을 작용할 수 있다.

대상 데이터

점토층의 심도는 지표면을 기준으로 약 10m부터 시작하여 15m～40m의 분포를 가진다. 본 연구에서는 실제 현장 지반의 거동을 분석하기 위해 부산 낙동강 하구 에코델타시티 조성단지 지역의 현장 점토를 얇은 황동관을 이용하여 채취하였으며, 실험실에서 재성형하여 실험에 사용하였다.
시료의 구성은 상부와 하부 모래층이 각각 100mm, 200mm이며, 중간에 점토층을 800mm로 하여 실제 현장의 지층 구조와 유사하게 조성하였다. 실험에 사용된 연직배수재는 폭 100mm, 두께 5mm의 하모니카형 연직배수재이며(Fig. 5), 피압수가 배수재를 통해 즉시 유출되지 않도록 점토층 내 600mm까지 부분관입으로 관입하였다.
0)을 이용하여 피압의 작용 유·무에 따른 점토지반의 압밀거동분석을 수행하였으며, 실내실험결과와 비교하였다. 유한요소해석 수행시 요구되는 입력자료는 본 연구에서 수행한 실내실험결과와 현장지반조사결과(한국수자원공사, 2015)를 이용하였다(Table 3). 피압의 작용 유·무에 따른 컬럼의 수치해석 모델링은 Fig.

데이터처리

실내실험시 정확한 경향을 파악하기 위해 모든 실험은 2번씩 반복적으로 수행하였다. 또한 실내실험 결과를 토대로 유한요소해석을 수행하여 피압 조건에 따른 각각의 실험결과에 대한 비교 및 분석을 수행하였다.
수치해석 프로그램(PLAXIS 8.0)을 이용하여 피압의 작용 유·무에 따른 점토지반의 압밀거동분석을 수행하였으며, 실내실험결과와 비교하였다. 유한요소해석 수행시 요구되는 입력자료는 본 연구에서 수행한 실내실험결과와 현장지반조사결과(한국수자원공사, 2015)를 이용하였다(Table 3).

성능/효과

(2) 피압이 작용하지 않는 점토층의 과잉간극수압 변화를 살펴보면 상재 하중 재하시 과잉간극수압이 증가하였다가 시간에 따라 점차 소산되는 경향을 보였다. 반면 피압이 작용하는 점토층의 경우 피압으로 인해 과잉 간극수압이 감소하다 점토층 깊이에 따라 각각 일정한 값에 잔류하는 것으로 나타났다.
(3) 유한요소해석 결과 압밀 침하량은 피압이 작용하지 않는 점토층의 경우 약 145.81mm, 피압이 작용하는 점토층의 경우 약 164.59mm의 침하가 발생하였으며, 이러한 결과는 실내실험에서 얻은 결과와 유사한 경향을 나타낸다.
(4) 유한요소해석을 통해 피압의 작용 유·무에 따른 점토층의 과잉간극수압 생성 및 소산을 비교한 결과 피압이 작용하는 지반에서 더 큰 과잉간극수압이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 점토층의 하부에서 차이가 두드러지게 나타나는 경향을 볼 수 있는데 이는 연직 배수재의 관입 깊이 및 피압의 영향으로 인해 나타난 결과로 판단된다.
98mm의 침하가 발생하였다. 두 번의 실험 결과 모두 피압이 작용하는 지반(soil with artesian pressure)에서 약 10% 가량 더 큰 침하가 발생하는 경향을 보였다. 동일한 실험 조건에서 약간의 결과 값의 차이를 보였는데 이는 시료의 비균질성과 재조성 등에 따른 실험적 오차에 기인하는 것으로 판단된다.
(1) 피압의 작용 유·무에 따른 점토층의 압밀거동을 살펴보기 위해 대형 컬럼 장비를 이용하여 실내실험을 수행하였다. 두 번의 실험 결과 피압이 작용하지 않는 점토층의 침하량이 피압이 작용하는 점토층에 비해 더 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 피압의 지속적인 작용에 의해 점토층 내에 간극수압이 증가하게 되며 점토의 유효응력이 감소하고, 이로 인해 지반의 강성도가 감소하기 때문이다.
또한 각 하중 단계별 침하는 피압이 작용하는 지반에서 더크게 나타났으며, 하중 단계가 증가할수록 침하량의 차이가 점차 증가하는 경향을 보였다. 첫 번째 실험 결과에서는 1단계 하중에서 피압이 작용하지 않는 지반의 침하량이 약간 더 크게 나타났으나 이후 하중 단계에서는 피압이 작용하는 지반에서 더 큰 침하량을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연약지반에 작용하는 피압은 무엇에 영향을 줄 수 있는가?	부산 낙동강 하구 대심도 연약지반 아래에 피압대수층이 존재한다는 것이 많은 연구자들에 의해 관측되었다. 연약지반에 작용하는 피압은 압밀 속도, 압밀 침하량, 연직배수재의 성능 등에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 피압의 작용 유 무에 따른 연직배수재가 부분 관입된 점토지반의 압밀 거동을 분석하였다.
	대심도 연약지반에서 건설 시공시 지반조사와 더불어 지반개량이 필수적인 이유는 무엇인가?	일반적으로 강어귀, 해안, 삼각주 및 델타지역 등의 경우 표층 아래 점토층이 주를 이루는 연약지반인 경우가 많아 건설 시공시 연약지반의 개량이 필수적이다. 특히 부산 낙동강 하구 지역은 우리나라의 대표적인 대심도 연약지반으로서 건설 시공시 지반조사와 더불어 지반개량이 필수적인 지역이다.
	피압대수층은 무엇인가?	, 2006). 피압대수층이란 대심도 연약지반 아래 모래 혹은 자갈 대수층이 점토층과 같은 불투수층 또는 투수계수가 지극히 낮은 상부지반의 영향으로 수압의 유출 없이 압력을 지속적으로 받고 있는 피압이 존재하는 대수층을 말한다. Table 1은 선행연구를 통해 부산 낙동강 하구 부근의 피압 수두 관측 결과를 나타낸 것이다.

참고문헌 (14)

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상세보기
Han, Y.C., Yu, G.Y. (1999), A Study of Artesian Characteristics in Yangsan/Mulgeum Site, KGS Fall '99 National Conference, pp.123-130.
Heo, D.Y. (2003), A Study on the Depositional Environment and Geotechnical Properties of Clay Deposited at the Busan New Port Site, Dong-a University, Doctor's thesis, pp.8-195.
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Kim, S.K., Kim, H.I., Hong, B.M., Kim, H.T. (1999), Consolidation Analysis of Vertical Drain Considering Artesian Pressure, KGS conference '99, pp.62-69 (In Korean).
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상세보기
Korea water resources corporation. (2015), Subsoil investigation report of Busan Eco-Delta City - phase 1 & area 3, pp. 1-468 (in Korean).

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