나승주
(Department of Civil Engineering, Chosun Univ.)
,
김대현
(Department of Civil Engineering, Chosun Univ.)
,
이익효
(Department of Marine and Civil Engineering, Chonnam National Univ.)
,
이강일
(School of Civil and Environmental Engineering, Urban Design and Study, Daejin Univ.)
쇄석다짐말뚝(GCP)은 연약지반의 지지력 증가와 침하량 감소를 실현할 수 있어 연약지반 개량에 활발하게 사용되고 있다. 그리고 GCP 설계에 필요한 응력분담비는 치환율, 상재하중, 깊이, 관통률 등에 따라 달라진다. 그동안 많은 연구자들이 현장 실내 실험, 수치해석 연구를 통해 GCP로 개량된 복합지반의 응력분담비를 제안하였지만 명확하게 제시되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 GCP공법의 합리적인 설계법 제안을 위한 기초연구로써, 유한요소해석프로그램인 ABAQUS 6.12-4를 이용하여 GCP로 개량된 복합지반을 모델링하여 치환율과 관통률에 따른 침하량과 응력분담비를 분석하고자 하였다, 그 결과, 최상부 지점을 제외한 다른 지점에서의 응력분담비의 값은 관통률 60%일 때 1.21~5.36, 관통률 80%일 때 1.19~5.45, 관통률 100%일 때 2.16~5.60 이었다. 이는 관통률과 치환율이 증가할수록 응력분담비의 값은 크게 증가함을 알 수 있다.
쇄석다짐말뚝(GCP)은 연약지반의 지지력 증가와 침하량 감소를 실현할 수 있어 연약지반 개량에 활발하게 사용되고 있다. 그리고 GCP 설계에 필요한 응력분담비는 치환율, 상재하중, 깊이, 관통률 등에 따라 달라진다. 그동안 많은 연구자들이 현장 실내 실험, 수치해석 연구를 통해 GCP로 개량된 복합지반의 응력분담비를 제안하였지만 명확하게 제시되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 GCP공법의 합리적인 설계법 제안을 위한 기초연구로써, 유한요소해석프로그램인 ABAQUS 6.12-4를 이용하여 GCP로 개량된 복합지반을 모델링하여 치환율과 관통률에 따른 침하량과 응력분담비를 분석하고자 하였다, 그 결과, 최상부 지점을 제외한 다른 지점에서의 응력분담비의 값은 관통률 60%일 때 1.21~5.36, 관통률 80%일 때 1.19~5.45, 관통률 100%일 때 2.16~5.60 이었다. 이는 관통률과 치환율이 증가할수록 응력분담비의 값은 크게 증가함을 알 수 있다.
Gravel compaction pile (GCP) is widely used as it increases the bearing capacity of soft ground and reduces the consolidation settlement. Stress concentration ratio for design is dependent on the area replacement, surcharge pressure, depth and penetration rate. However, a range of stress concentrati...
Gravel compaction pile (GCP) is widely used as it increases the bearing capacity of soft ground and reduces the consolidation settlement. Stress concentration ratio for design is dependent on the area replacement, surcharge pressure, depth and penetration rate. However, a range of stress concentration ratio obtained through field, laboratory experiments and numerical analysis is large. But since the main objective of the study is to evaluate the stress concentration ratio and settlement for both area replacement ratio and penetration rate through numerical analysis. Numerical analysis using the finite element program ABAQUS 6.12-4 has been performed for the composite ground with GCP. As a result, the stress concentration ratio at the points except for the point of top is in the range of 1.21-5.36, 1.19-5.45, 2.16-5.60 for 60%, 80% and 100% penetration, respectively. In general, as the penetration rate and area replacement ratio increases, the stress concentration ratio tends to increase.
Gravel compaction pile (GCP) is widely used as it increases the bearing capacity of soft ground and reduces the consolidation settlement. Stress concentration ratio for design is dependent on the area replacement, surcharge pressure, depth and penetration rate. However, a range of stress concentration ratio obtained through field, laboratory experiments and numerical analysis is large. But since the main objective of the study is to evaluate the stress concentration ratio and settlement for both area replacement ratio and penetration rate through numerical analysis. Numerical analysis using the finite element program ABAQUS 6.12-4 has been performed for the composite ground with GCP. As a result, the stress concentration ratio at the points except for the point of top is in the range of 1.21-5.36, 1.19-5.45, 2.16-5.60 for 60%, 80% and 100% penetration, respectively. In general, as the penetration rate and area replacement ratio increases, the stress concentration ratio tends to increase.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 GCP 공법의 합리적인 설계법 제안을 위한 기초연구로써, 유한요소해석프로그램인 ABAQUS6.12-4(Dassault System, 2008)를 이용하여 GCP로 개량된 복합지반을 모델링함으로 치환율, 관통률과 깊이에 따른 압밀침하 거동을 분석 하였으며, 이를 위해 복합지반 모델을 대상으로 관통률과 치환율을 달리하여 수치해석을 실시하였고, GCP와 점토지반의 침하량과 응력분담비 특성변화도 분석하고자 하였다.
Mohamed(2016)은 PLAXIS 3D를 GCP로 개량된 연약지반에서 말뚝간 거리, 말뚝직경, 말뚝길이를 변화시키며 말뚝의 거동을 수치적으로 분석하고자 하였다. 또한 지지력, 침하제어, 말뚝의 휨모멘트에 미치는 요인의 영향을 분석하고자하였다. 연구결과, 지지력 및 침하량을 위한 개선은 치환율 증가, 말뚝길이 증가 및 말뚝간격 비율의 감소에 따라 증가하며, 말뚝길이 비가 0.
본 연구는 GCP 공법의 합리적인 설계법 제안을 위한 기초연구로써, 수치해석 프로그램을 이용하여 GCP로 개량된 복합지반을 모델링하여 치환율과 관통률에 대해 분석하였다. 향후에 다양한 지반조건의 경우에 대해서 추가적인 수치해석과 모형시험을 통해 비교·분석하는 연구가 진행된다면 합리적인 설계법에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
가설 설정
본 연구에서는 점토지반의 거동을 잘 나타낼 수 있는 수정된 Cam-Clay 탄·소성모델, GCP는 MohrCoulomb 탄･소성모델, 샌드매트는 탄성거동을 하는 것으로 가정하여 분석하였다.
상재하중은 성토되는 것을 가정하기 위해 3단계로 10일 동안 등분포하중 50kPa를 적용하였으며, 후에 200일 동안의 방치기간을 적용하여 점토지반의 과잉간극수압이 완전히 소산되게 하였다. 지반과 같이 비선형 응력-변형 거동을 나타내는 재료에 대한 유한요소해석에서 가장 중요한 요소는 해석에 적합한 구성모델 선택과 이에 따른 매개변수 결정이다.
제안 방법
또한 Fig. 3(c), (d), (e)과 같이 GCP를 지반의 높이에 대해 관통률(60, 80, 100%)로 모델링하였다.
ABAQUS를 사용하여 Fig. 3과 같이 단일말뚝 GCP로 개량된 복합지반을 치환율(10, 20, 30, 40%)에 대해 GCP의 말뚝 직경을 0.7m로 고정하고 지반의 크기를 치환율 맞게 변화시켰다. Fig.
GCP, 점토지반과 샌드매트 사이의 인터페이스 조건은 각각의 경계면에 대해서 Tie조건으로, 초기간극수압은 0으로, 지하수위는 샌드매트 상부까지 존재, 복합지반은 지중응력을 고려하여 적용하였다.
쇄석입경이 25～45mm의 시료를 대상으로 다짐을 실시한 후 대형직접전단시험을 실시하였으며, 대형직접전단시험 종류로 급속시험과 완속시험 중 전응력 해석이라고도 하며, 압밀효과에 따른 지반의 강도증가 계산에 적용되는 급속시험을 적용하였다. 따라서 대형직접전단시험을 통하여 구한 지반의 강도정수인 탄성계수, 내부마찰각과 점착력을 수치해석에 적용하여 분석하였다.
GCP를 타설하여 연약지반을 개량할 때 GCP가 타설된 지반은 GCP와 점토로 된 복합지반을 형성하므로 상재하중에 의해 시간에 따라 과잉간극수압과 응력변화 등이 나타나면서 치환율과 관통률에 따라 침하량과 응력분담비에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 침하량과 응력분담비를 치환율, 관통률, 깊이에 따라 분석하였다. 분석한 내용은 실제 현장 조건을 그대로 구현한 조건이 아니라 수치해석을 위해 가정한 것으로 본 연구에서 수치해석 가정 사항과 실제 현장의 일반적인 것은 아니며, 수치해석 수행결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
쇄석입경이 25～45mm의 시료를 대상으로 다짐을 실시한 후 대형직접전단시험을 실시하였으며, 대형직접전단시험 종류로 급속시험과 완속시험 중 전응력 해석이라고도 하며, 압밀효과에 따른 지반의 강도증가 계산에 적용되는 급속시험을 적용하였다. 따라서 대형직접전단시험을 통하여 구한 지반의 강도정수인 탄성계수, 내부마찰각과 점착력을 수치해석에 적용하여 분석하였다.
요소는 CAX4P(4-node biquadratic displacement, bilinear pore pressure element)를 사용하였으며, 요소의 크기는 0.1m×0.1m로 분석하였다.
7m로 고정하고, 지반의 크기를 달리하여 치환율을 변화시켰다. 치환율이 40% 이상으로는 현장 여건상 치환하기 어렵기 때문에 40%까지 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 설계정수는 Table 2와 같이 부산신항의 SCP 복합지반 설계 시 적용된 값(Busan New Port Corp., 1999)을 참조하여 사용하였다.
성능/효과
(1) 침하량은 관통률 및 치환율이 증가할수록 침하량은 선형적으로 감소하고 있다. 이는 GCP 복합지반의 응력분담비 및 관통되지 않은 점토지반의 하부 침하량의 차이, 점토지반과 GCP에 작용하는 응력분담비가 관통률 및 치환율이 증가함에 따라 달라지기 때문이라고 판단된다.
(2) 성토 1단계에서 지반 상부에서는 응력분담비가 크게 나타나고, 지반 하부에서의 응력분담비는 작게 나타났으며, 성토단계가 진행됨에 따라 전 단계에 비해 지반 상부의 응력분담비는 감소하고, 지반 하부의 응력분담비는 약간 증가하는 경향을 보였다.
(3) z/H=0인 지점에서는 성토하중의 영향을 바로 받아 응력분담비의 값이 크게 나타났지만, 이외의 지점에서는 응력분담의 값이 관통률 100%일 때 2.16～5.60 범위의 값, 관통률 80%일 때 1.19～5.45 범위의 값, 관통률 60%일 때 1.21～5.36 범위의 값이 분석되었으며, 전반적으로 관통률과 치환율이 클수록 응력분담비가 크게 발생하였다. 또한 응력분담비는 관통률보다 치환율에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다.
Table 4는 치환율, 관통률, 깊이별 응력분담비를 나타낸 것이다. z/H=0인 지점에서는 성토하중의 영향을 바로 받아 응력분담비의 값이 크게 나타났으나, 이외의 지점에서는 응력분담 값이 관통률 100%일 때 2.16～5.60 범위의 값, 관통률 80%일 때 1.19～5.45 범위의 값, 관통률 60%일 때 1.21～5.36 범위의 값이 분석되었으며, 전반적으로 관통률과 치환율이 높은 GCP 복합지반일수록 응력분담비가 크게 나타났다. 또한 수치해석결과, 응력분담비는 관통률보다 치환율에 더 영향을 많이 받는 것으로 분석되었다.
5는 (a) 성토단계, (b) 치환율과 (c) 관통률에 따른 침하량을 나타낸 것이다. 관통률과 치환율이 증가할수록 침하량이 선형적으로 감소하지만 GCP의 침하량은 큰 차이가 없었다. 이러한 연구경향은 관통률에 따른 침하량의 기존 연구와 비교해 볼 때 Kolekar(2011)의 연구결과와 유사한 경향을 보였다.
36 범위의 값이 분석되었으며, 전반적으로 관통률과 치환율이 높은 GCP 복합지반일수록 응력분담비가 크게 나타났다. 또한 수치해석결과, 응력분담비는 관통률보다 치환율에 더 영향을 많이 받는 것으로 분석되었다.
36 범위의 값이 분석되었으며, 전반적으로 관통률과 치환율이 클수록 응력분담비가 크게 발생하였다. 또한 응력분담비는 관통률보다 치환율에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다.
5의 값을 나타냈다. 또한 치환율, 형상비, 상대밀도 증가에 따라 응력분담비가 증가하였으나, 일정한지점에서는 수렴하고, 고치환율(일반적으로 치환율 50% 이상)이나 긴 말뚝에서는 상재하중의 증가에 따라 응력분담비가 영향을 받았다.
7(a),(b),(c),(d)와 같이 응력분담비가 지반 상부에서는 치환율이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였지만 지반 하부에서는 감소하는 경향을 보였다. 또한 치환율이 10%일 경우에는 깊이가 깊어질수록 응력분담비가 증가했다 감소하였지만, 치환율 20, 30, 40%인 경우에는 깊이가 깊어질수록 감소하는 경향으로만 나타났다.
5의 범위에 있는 것으로 연구되었다. 본 연구에서도 다소 차이는 있지만 이러한 연구결과와 유사한 거동을 보였으며, 전반적으로 관통률과 치환율이 클수록 응력분담비가 크게 발생되었다.
(2005)은 치환율에 따른 GCP 복합지반을 PENTAGON 3D 프로그램을 이용하여 20～70%에 대해서 재하하중 단계별로 GCP 복합지반의 거동을 분석하기 위해 수치해석을 수행하였다. 분석결과, 응력분담비는 3.6～3.85의 값을 나타냈으며, 재하하중이 클수록, 복합지반의 치환율이 낮을수록 쇄석기둥의 횡방향 변위는 증가하였다. 또한 Lee(2004)는 수치해석을 통해 치환율이 고려된 응력분담비 공식을 제안하였으며, 저치환율에 비하여 고치환율의 경우 치환율 증가에 따른 침하량 감소율이 높지 않은 것으로 나타나 적정 치환율은 40%로 확인하였다.
하지만, 본 기술의 적용 이유는 시공기계의 시공심도 제약성과 경제성, 다짐말뚝으로 지하수의 유입을 방지하기 위하여 적용하고 있다, 또한 현장실험, 실내실험과 수치해석 연구를 통해 제시된 응력분담비의 범위는 연구자에 따라 상이하다. 상재하중이 증가할수록 응력분담비가 증가하는 경우, 일정하게 유지되는 경우, 감소하는 경우, 증가했다가 감소하는 경우 등 치환율, 관통률, 상재하중과 깊이 등에 따른 응력분담비가 각각 다른 경향이 나타났다.
6(a), (b), (c)는 치환율 30% 경우, 관통률 60, 80, 100%에 대해서 성토단계별 깊이에 따른 응력분담비를 분석한 그림이다. 성토 1단계에서는 지반 상부의 응력분담비가 크게 나타나고, 지반 하부의 응력분담비는 적게 나타났다가 성토단계가 진행될수록 전 단계에 비해 지반 상부의 응력분담비는 감소, 지반 하부의 응력분담비는 약간 증가하는 경향을 보였다.
(2011)은 조립질 다짐말뚝으로 개량된 점토지반의 응력변화와 응력분담비의 변화를 파악하기 위해 말뚝의 재료(쇄석, 모래)와 하중재하조건, 치환율을 변화시켜가며 실내실험을 수행하였다. 실험결과, 동일한 치환율에서는 점토지반의 연직응력은 유사하게 나타났으나, 말뚝 상부에서의 연직응력은 GCP로 개량한 경우가 SCP로 개량한 경우보다 크게 나타났으며, GCP의 응력분담비의 범위는 치환율에 따라 4.4～7.5로 나타났다.
(2012)는 부분적, 전체적으로 관통된 SCP에 의해 개량된 복합지반의 파괴거동을 규명하고 관통률과 치환율의 효과를 비교하기 위해 원심모형실험을 수행하였다. 실험결과, 전체 관통된 복합지반의 침하 감소비는 부분 관통된 복합지반의 침하감소비보다 더 크게 나타났으며, 표층변위는 관통률의 증가에 따라 감소하였다.
Kolekar(2011)은 PLAXIS를 사용하여 GCP 복합지반에서 관통률(55, 61, 67, 78, 89, 100%)에 따른 GCP 거동을 확립하고자 하였다. 연구결과, GCP 복합지반 크기의 1.75배 되는 길이의 미관통된 말뚝 사용은 완전히 관통된 GCP의 경우와 같은 거동을 보였으며, 관통률 60% 이상에서는 침하량이 거의 비슷하게 나타났다. 따라서 연약지반을 개량함에 있어 부분으로 관통된 GCP를 사용하여 쇄석을 절감할 수 있다고 판단하였다.
또한 지지력, 침하제어, 말뚝의 휨모멘트에 미치는 요인의 영향을 분석하고자하였다. 연구결과, 지지력 및 침하량을 위한 개선은 치환율 증가, 말뚝길이 증가 및 말뚝간격 비율의 감소에 따라 증가하며, 말뚝길이 비가 0.75의 말뚝을 이용하는 것이 연약지반 개선 성능과 경제성 측면에서 경제적이라 판단하였다.
59) × 100%= 49%로 나타났으며, 나머지도 이와 같이 구했다. 표에서도 전반적으로 치환율과 관통률이 증가함에 따라 침하량이 감소함을 볼 수 있으며, 관통률 보다는 치환율에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
후속연구
(4) 본 연구에서는 한가지 지반의 경우에 대해서만 분석하여 응력분담비가 관통률 보다 치환율에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였으나, 다양한 지반강도에 대하여 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
향후에 다양한 지반조건의 경우에 대해서 추가적인 수치해석과 모형시험을 통해 비교·분석하는 연구가 진행된다면 합리적인 설계법에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미관통 GCP 공법이란 무엇인가?
미관통 GCP 공법은 연약점성토 지반에 시공할 때 기술적･경제적 제약 등의 이유로 인해 개량 대상지반인 연약점토층 밑에 존재하는 지지층까지 GCP를 관통시키지 않고 관통되지 않은 상태 그대로 GCP를 지반 중간에 조성하는 공법이며, 미관통 GCP를 조성하는 방법은 다양하다. 예를 들어, Fig.
GCP 공법의 목적은?
GCP 공법은 지반의 지지력 증가, 침하량감소, 압밀촉진과 지반의 액상화방지 등의 연약지반 보강을 목적으로 사용되며, GCP 복합지반에 등분포 상재하중이 재하되면 복합지반 내 GCP에 의한 영향면적을 등가원주로 고려하여 복합지반 전체에 대한 해석이 이루어져야 한다.
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