[논문]CPTU 데이터를 이용한 저소성 실트 지반의 부분배수 강도 평가

김주현

doi:10.12814/jkgss.2017.16.2.055

초록
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본 연구에서는 지반 특성에 관계없이 일률적으로 적용되는 피에조콘 관입속도 2cm/s 조건 하에서, 저소성 실트 지반의 경우 부분배수 내지는 완전 배수 현상이 발생된다는 관점에서 저소성 실트 지반의 비배수전단강도선과 완전배수 전단강도선 사이에서의 피에조콘계수($N_{kt}$)에 의한 전단강도 분포 경향을 기준으로 부분배수 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 인천, 화성 및 군산 저소성 실트 지반의 부분배수 내부마찰각(${\varphi}^{\prime}$)은 $3{\sim}15^{\circ}$에서 분포하는 것으로 분석되었다. 한편, 강제치환 역해석 결과 및 비압밀비배수 삼축시험으로부터 얻어진 내부마찰각(${\varphi}^{\prime}$)은 소성지수 감소에 따라 $2{\sim}14^{\circ}$의 범위에서 분포되어, CPTU 데이터에 의한 부분배수 내부마찰각(${\varphi}^{\prime}$)과 유사한 경향을 나타내어 이에 대한 적용성을 확인할 수 있었다.

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The standard piezocone penetration rate of 2 cm/s is proposed in specifications regardless of soil type. However, conditions of standard Piezo Cone Penetration (CPTU) Testings in silty soils with low plasticity vary from undrained to partially drained or fully drained penetration conditions. The par...

The standard piezocone penetration rate of 2 cm/s is proposed in specifications regardless of soil type. However, conditions of standard Piezo Cone Penetration (CPTU) Testings in silty soils with low plasticity vary from undrained to partially drained or fully drained penetration conditions. The partially drained shear strengths of Incheon, Hwaseong and Gunsan silty soils were estimated from the analysis results of the distributions of CPTU-based shear strengths. The CPTU-based shear strengths were compared between the undrained shear strength line and the fully drained shear strength line, which were determined from approximately ${\varphi}^{\prime}=3^{\circ}$ and ${\varphi}^{\prime}=15^{\circ}$, respectively. The internal friction angles obtained from the back analysis and UU-tests tended to increase with decreasing plasticity index, which range approximately from ${\varphi}^{\prime}=2^{\circ}$ to ${\varphi}^{\prime}=14^{\circ}$. The results matchs well with CPTU-based estimation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 서해안 지역의 인천, 화성 및 군산 지역의 간이 CU 시험에서 얻어진 심도에 따른 비배수 전단강도선과 완전배수 전단강도선을 결정한 후, 이들 두 강도선 사이에서 CPTU 데이터의 상대적인 분포경향을 분석하여 부분배수 내부마찰각을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 지반 특성에 관계없이 일률적으로 적용 되는 피에조콘 관입속도 2cm/s 조건 하에서, 저소성 실트 지반의 경우 부분배수 내지는 완전 배수 현상이 발생된다는 관점에서 저소성 실트 지반의 비배수전단강도선과 완전배수 전단강도선 사이에서의 피에조콘계수(N_kt)에 의한 전단강도 분포 경향을 기준으로 부분배수 전단강도를 평가하였다.
따라서, 첫 번째 원인에 대한 대안으로 저소성 실트 지반 조건에 대해 완전 비배수 거동의 관점에서 설계 비배수 전단강도를 결정할 때 간이 CU 시험을 적용하여 시료 채취 후 대기압 조건에서 감소된 잔류유효응력을 고소성 점토 지반의 수준으로 회복시킨 후 전단강도를 평가하도록 추천하였다.
또한, 부분 배수거동 관점에서 CPTU 데이터를 이용하여 부분배수 발생 유무를 판단할 수 방법을 제시하였으며, 인천지역의 강제치환 실측 치환깊이와 동일한 값이 얻어지도록 역해석을 실시하여 내부마찰각(φ′)이 2∼7°의 범위에서 분포하는 것으로 제시하였다.

대상 데이터

본 연구는 서해안 지역의 대표적인 토질특성을 나타내는 인천, 화성 및 군산 지역에서 실시된 지반조사 결과를 이용하여 수행되었다. 흙의 물리적 특성 및 토질분류를 위해 실시된 액성한계, 소성한계와 입도분석시험은 각각 ASTM 4318(2000), ASTM D422(1990)과 ASTM D2487(2000)에 따라 수행하였으며, 액성한계 시험은 Casagrande 방법을 적용하여 수행하였다.
CPTU 시험은 ASTM D 5778(2003) 규정에 따라 시험 결과에 영향을 주는 관입속도, 콘의 모양 및 크기, 지반의 응력이력, 압축성, 입자크기 등의 요소를 최소화하기 위해 원추모양의 Cone Probe의 관입속도를 일정한 속도 (2cm/s) 로 유지하고, 선단각 60°C, 선단면적 10cm² , 주면면적 150cm²의 ASTM에서 통용되고 있는 표준콘을 적용하였다. 이 때, 간극수압 측정을 위한 필터는 콘선단부 바로 뒤쪽에 위치하였다.

이론/모형

본 연구는 서해안 지역의 대표적인 토질특성을 나타내는 인천, 화성 및 군산 지역에서 실시된 지반조사 결과를 이용하여 수행되었다. 흙의 물리적 특성 및 토질분류를 위해 실시된 액성한계, 소성한계와 입도분석시험은 각각 ASTM 4318(2000), ASTM D422(1990)과 ASTM D2487(2000)에 따라 수행하였으며, 액성한계 시험은 Casagrande 방법을 적용하여 수행하였다.

성능/효과

11～13에 나타냈다. CPTU 데이터에 의한 전단강도가 완전배수 전단 강도보다 크게 평가된 구간이 존재하는데 이러한 원인은 지층 내에 존재하는 수 많은 샌드심으로 인해 정수압보다 작은 과잉간극수압이 발생되어 콘저항치(q_t)가 크게 평가된 결과로 추정할 수 있다. 따라서, 완전배수 상태의 전단 강도보다 큰 값을 적용할 수 없으므로 이에 대한 주의를 요한다.
세 지역의 CPTU 분석결과를 종합적으로 기술하면, 콘선단저항력(q_t) 및 주면마찰력(f_s)이 심도에 따라 일정하게 증가되는 경향에서 벗어나 급변하며, 샌드심으로 인해 과잉간극수압(u_a)이 정수압(u₀) 이하로 떨어지는 위치가 지층 내에 다수 존재하게 되므로, CPTU 데이터가 완전배수 전단강도선을 크게 벗어나 훨씬 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 피에조콘 관입 중에 비배수 및 부분배수 상태가 교호하는 형태를 나타내며 내부마찰각의 변화폭은 매우 크지만, 부분배수 내부마찰각은 3°에서 15°사이에서 분포하는 것으로 분석되었다.
(1) 인천, 화성 및 군산 지역에서 채취된 시료를 이용하여 압밀비배수삼축시험으로부터 얻어진 완전배수 내부 마찰각은 소성지수 및 모래함유율에 관계없이 전 심도에 걸쳐서 거의 유사하게 32～35° 전후의 값을 나타냈는데, 이는 국내 서해안 저소성 지반과 유사한 지층 특성을 나타내는 일본 동북지역인 Ishinomaki 에서의 결과인 42° 보다는 다소 작은 값을 나타냈다.
(2) 비배수전단강도선과 완전배수전단강도선 사이에서의 CPTU 데이터에 의한 전단강도 분포 경향으로 배수특성(비배수, 부분배수 및 완전배수 거동)을 판단할 수 있었으며, 인천, 화성 및 군산 저소성 실트 지반의 부분배수 내부마찰각(φ′)은 3～15°에서 분포하는 것으로 분석되었다.
(3) 강제치환 역해석 결과 및 비압밀비배수 삼축시험으로부터 얻어진 내부마찰각(φ′)은 소성지수 감소에 따라 2～14°의 범위에서 분포되어, CPTU 데이터에 의한 부분배수 내부마찰각(φ′)과 유사한 경향을 나타냈다. 이를 통해서 피에조콘관입시험으로 구한 부분배수 전단강도의 적용성을 확인할 수 있었다.

후속연구

그러나, 저소성 실트 지반의 배수정도(압밀도)에 따라 원지반의 유효응력 및 이에 대응되는 내부마찰각이 달라지므로 실내 및 현장시험을 통해서 구현하기 어려운 측면이 있으므로 부분배수 조건하에서의 전단강도 평가방법을 제시하지는 못하였다.
따라서, 이론상으로는 비압밀비배수 삼축시험(UU)에서 내부마찰각이 발생될 수 없지만, 토질 특성으로 인해 발휘되는 겉보기 내부마찰각을 개념적으로 볼 때, 부분배수 상태에서 어느 정도 크기의 내부마찰각이 발휘될 수 있을지에 대한 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 강제치환 역해석 결과 및 UU-test로부터 얻어진 내부마찰각(φ′) 은 소성지수 감소에 따라 2～14°의 범위에서 분포하며, CPTU 데이터에 의한 부분배수 내부마찰각(φ′)과 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.
그러나, 부분배수 전단강도 평가 방법은 완전한 형태로 제시된 사항이 아니므로, 실무 적용시, 비배수 관점에서의 간이 CU 방법을 우선적으로 적용하고 부분배수 강도에 의한 값은 보조적 수단으로 실제 지반안정성 관점에서 어느 정도의 여유분이 있는지에 대한 판단 수단으로 적용하는 것이 현 단계에서는 바람직할 것으로 판단된다.
)을 어떻게 평가할 것인지에 대한 부분이다. 또한, 실내시험에 의한 전단 강도평가는 완전비배수 또는 완전배수 조건에서 이루어지므로, 부분배수 조건의 부합되는 전단강도 평가방법에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 항만공사에서 강제치환공법이 적용되어온 이유는?	국내 항만공사에서 사석경사제와 같은 호안구조물 축조시, 원지반 점성토를 인위적으로 파괴시키면서 상부 구조물 하중에 대한 지지력이 확보되는 깊이까지 양질의 성토재로 치환시키는 강제치환공법이 폭넓게 적용되어왔는데, 이러한 이유는 원지반의 지지력 확보를 위해 적용되는 모래다짐말뚝공법, 심층혼합처리공법 등에 비해 시공속도가 빠르며, 경제적인 시공을 도모할 수 있기 때문이다.
	중간토의 특성, 즉 부분 배수 거동 특성을 고려한 전단강도 평가방법이 현재까지 제시되지 못한 이유는?	따라서, 중간토의 특성, 즉 부분 배수 거동 특성을 고려한 전단강도 평가방법은 현재까지 제시되지 못하였는데, 이러한 원인은 비배수 또는 완전배수조건 하에서의 설계 전단강도는 통상적으로 각각 하나의 상수값으로 결정될 수 있지만, 부분배수 조건하에서는 동일한 흙이라도 부분 배수 정도(압밀도)에 따라 설계 전단강도가 달라지므로, 압밀 및 배수특성을 충분히 고려해서 결정해야 하기 때문이다.
	인천지역에서 4m 심도에서 과압밀 및 정규압밀 상태의 파괴포락선이 만난다는 것이 의미하는 것은 무엇인가요?	8)×4=35kPa)에서 과압밀 및 정규압밀 상태의 파괴포락선이 만나게 된다. 이는 정규압밀 상태에 도달할 때까지 점착력이 유지되며, 정규압밀상태에 도달하게 되면 배수 내부마찰각의 함수로만 전단강도가 표현된다는 의미이다. 그러므로, 4m 심도(σ′v0 =35kPa)보다 깊은 위치에서의 배수 전단강도식은 정규압밀상태의 완전배수 내부 마찰각 35°에 유효상재압을 곱한 값인 τ = σ'tan35°로 표현되어, 점착력(c')은 발휘되지 않게 된다.

참고문헌 (13)

ASTM D422 (1990), "Standard test method for particlesize analysis of soils", ASTM International, West Conshohocken, PA.
ASTM D2487 (2000), "Standard practice for classification of soils for engineering purposes (Unified Soil Classification System)", ASTM International, West Conshohocken, PA.
ASTM D4318 (2000), "Standard test methods for liquid limit, plastic limit and plasticity index of soils", ASTM International, West Conshohocken, PA.
ASTM D5778 (2003), "Standard test method for electronic friction cone piezocone penetration testing of soils", ASTM International, West Conshohocken, PA.
Hanzawa, H. and Adachi, K. (1983), "Overconsolidation of alluvial clays, Soils and Foundations, Vol.23, No.4, pp.106-118.

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Japanese Port Association (2007), "Technical standards for port and harbor facilities in Japan" (in Japanese)
Jeong, S. G. (2015), "Mechanical characteristics of dredged and reclaimed ground with low plasticity from western coastal site", Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.14, No.4, pp.97-104.

원문보기 상세보기
Kim, S. J., Lee, S. D. and Kim, J. H. (2016), "Evaluation of undrained shear strength for clayey silt with low plasticity from the West coast", Journal of Korean Geotechnical Society, Vol.32, No.8, pp.15-25.
Kim, S. J., Lee, S. D. and Kim, J. H. (2016), "Partial drainage characteristics of clayey silt with low plasticity from the West coast", Journal of Korean Geotechnical Society, Vol.32, No.9, pp.17-27.
Kim, J. H. (2017), "Evaluation of CPTU cone factor of silty soil with low plasticity focusing on undrained shear strength characteristics", Journal of Korean Geosynthetics Society, Vol.16, No.1, pp.73-83.

원문보기 상세보기
Ohmaki, S. (1989), "Undrained shear strength characteristics of marine soils in the fishing port areas", Geotechnical engineering magazine, JGS, Vol.37, No.11, pp.61-66. (in Japanese)
Tanaka, H., Tanaka, M. and Shiwakoti, D. R. (2001), "Characteristics of soils with low plasticity: intermediate soil from Ishinomaki, Japan and lean clay from Drammen, Norway", Soils and Foundations, Vol.41, No.1, pp.83-96.

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Terzaghi, K., Peck, R. B. and Mesri, G. (1996), "Soil mechanics in engineering practice", 3rd edition, pp.152.

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