[논문]주요 강하구 연약지반의 압밀 특성 평가

이준대; 권영철; 배우석

doi:10.14481/jkges.2019.20.2.69

주요 강하구 연약지반의 압밀 특성 평가
Estimation of Consolidation Characteristics of Soft Ground in Major River Mouth 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.2, 2019년, pp.69 - 79

이준대 (Department of Civil Engineering, Semyung University) , 권영철 (Department of Civil Engineering and Management, Tohoku Institute of Technology) , 배우석 (R&D Center, NANO-GEO ENC Co. Ltd.)

초록
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해안지역은 강의 지형과 지질, 해류 및 강하구 등 환경조건에 따라 다양한 퇴적층을 구성하므로 해안지역에 충적된 해성점토 특성을 파악하는 것이 연약지반의 형성을 규명하는데 중요한 역할을 수행하게 된다. 일반적으로 충적지반은 지형과 자연환경변화와 같은 다양한 구성요소로 형성되므로 퇴적된 지역이나 퇴적상황에 따라 매우 다른 성질을 가지게 된다. 더구나 해안지역을 따라 다양한 대형사업이 강하구에 집중됨으로써 해류의 흐름이나 퇴적특성이 바뀌어 퇴적상태가 변하여 불확실성이 더욱 심해지고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 지반의 불확실성을 고려한 설계 상수를 제시할 목적으로 서해안과 남해안을 5개 영역으로 구분하고 대상연안에 해당되는 상대적으로 높은 신뢰성을 가진 실내 및 현장조사 자료를 수집하여 통계적인 분석을 수행하였으며, 선형 및 비선형 회귀 분석을 사용하여 설계 매개 변수 간의 상관관계를 분석하였다. 또한 정상 검증, 이상치제거와 같은 통계 분석을 통해 각 지역의 불확실성을 고려한 설계 매개 변수의 분포 특성을 제안했다.

Abstract ▼ AI-Helper

The coastal area forms various sedimentary layers according to the environmental conditions such as the topography and geological features of the upper region of the river, ocean currents, and river mouth. Therefore, identifying the characteristics of the marine clay deposited in the coastal area plays a key role in the investigation of the formation of soft ground. In general, alluvial grounds are formed by a variety of factors such as changes in topography and natural environment, they have very diverse qualities depending on the deposited region or sedimentation conditions. The most important thing for the construction of social infrastructures in soft ground areas is economical and efficient treatment of soft ground. In this study, the author collected data from diverse laboratory and field tests on five areas in western and southern offshore with relatively high reliability, and then statistically analyzed them, thereby presenting standard constants for construction design. Correlation between design parameters such as over consolidation ratio, preconsolidation pressure was analyzed using linear and non-linear regression analyses. Also, proposed distribution characteristics of design parameters in consideration of each region's uncertainty through statistical analyses such as normality verification, outlier removal.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Maximum data of major river mouth
그림 Fig. 1. Variation of activities with river site
표 Table 2. Comparison of physical properties
그림 Fig. 2. Variation of preconsolidation pressure with depth
그림 Fig. 3. Variation of the OCR with depth
표 Table 3. Descriptive statistics of original data
표 Table 4. Results of normality tests using Kolmogorov-Smirnov
표 Table 5. Descriptive statistics with outlier filtering
그림 Fig. 4. Relationship between Pc and depth
표 Table 6. Results of Linear regression analysis about D-Pc
표 Table 7. Results of statistical analysis about Pc/[qu/2] after O.F
표 Table 8. Results of statistical analysis about OCR
표 Table 9. Comparison of design factors

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대상지역의 퇴적이력에 의한 응력 상태를 정확히 평가하기 위해 시추된 시료를 이용하여 압밀시험 결과를 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 해안지역을 퇴적 특성이 상이할 것으로 판단되는 서남해안의 한강, 금강, 영산강, 섬진강, 낙동강 하구로 국한하여 양질의 실험자료를 확보한 후 설계정수의 불확 실성을 줄이기 위해 정규성검증이나 이상치 제거 등의 통계 처리를 통해 강하구별로 압밀특성을 구분하고 비교하였다.

제안 방법

국내 서남해안의 연약지반을 대상으로 수행된 양질의 실내시험 결과를 바탕으로 압밀에 관련된 인자들을 평가하고, 정규성검증과 이상치 제거 등의 통계처리를 통해 주요 강하구의 연약지반에 대한 평가를 수행한 결과는 다음과 같다.
5)와 같이 지수함수식(y=y₀+e^-bx)의 형태로 감소하며, 퇴적환경과 깊이에 따른 차이가 큰 것으로 나타났다. 따라서 과압 밀비의 분석에서는 깊이에 따른 과압밀비의 분포를 고려하여 크게 3개의 영역(과압밀영역, 정규압밀영역, 과소압밀영역)으로 구분하였다.
5배를 넘어갈 경우 이상치로 판단하게 된다. 따라서 본 연구에서는 획득된 자료의 정규성을 확보하기 위해 box-plot을 이용하여 이상치를 제거하였다. 변동 계수(coefficient of variation, C.
서해안 모든 지역에 대하여 깊이가 5∼6m 이하의 경우 과압밀비의 폭이 크게 나타나며 5∼6m 이상일 경우 일정한 값을 가지는 패턴을 보여 서해안지역에서는 심도를 2개의 범위(한강, 영산강:5m, 금강:6m)로 구분하였다. 또한 남해안 지역은 3개의 범위에서 일정한 패턴을 보여 섬진강지역은 4m 미만, 4～16m, 16m 초과로 구분하였고, 낙동강지역은 4m 이하, 4～22m, 22m 초과로 구분하여 영역별 과압밀비를 분석하였다. 일반적으로 첫 번째 영역에서는 깊이에 따른 과압밀비의 변화가 심하게 나타나며, 전반적으로 1 이상의 과압밀비를 보이고 있고, 두 번째 영역은 전반적으로 1 내외의 과압밀비를 나타내고, 마지막 영역에서는 대부분이 1 이하의 값을 보이는 것으로 나타났다.
또한 원자료와 이상치 제거 후의 자료에 대해 KolmogorovSmirnov 방법과 Shapiro-Wilk의 방법에 의한 정규성 검정결과 모든 지역에서 심도에 따라 구분한 영역 내에서 정규 분포를 따르는 것으로 나타나고 이상치 제거 후 왜도가 0에 근접하는 값을 보여 이를 근거로 과압밀비를 구분하는 심도를 결정하였다.
본 연구에서는 SPSS를 이용하여 압밀특성에 대한 상관성분석을 주요 강하구별로 나누어 수행하였으며, 특히 지역 별로 지반의 압밀상태를 규명하기 위해 선행압밀하중과 과압밀비를 중심으로 분석하였다.

대상 데이터

Hwang(2016)이 서남해안의 물리 역학 특성을 분석하기 위해 수집한 취합하여 활용하였으며 총 619개 현장의 물성 및역학시험자료를 분석하였다.
그러나 장기간동안 수행되어온 해안구간의 간척사업과 항구, 방파제 사업으로 하구의 해수 유동과 퇴적특성이 크게 변하고 있어 지반의 불확실성은 지속적으로 변동되고 있음을 밝혀둔다. 본 연구에서는 Table 1과 같이 물성실험 자료 5,312건, 압축시험 자료 5,823건, 압밀시험 3,107건을 수집하고 분류하여 분석에 활용하였다. 분석에 사용된 자료는 Yoon & Heo(2004)와 Kang(2012),

데이터처리

본 연구의 확률통계분석은 압밀시험 결과를 대상으로 빈도분석, 데이터탐색 등을 통하여 원 자료에 대한 평균, 표준편차 등의 기술통계량을 작성하였으며, Q-Q plot, KolmogorovSmirnov 방법을 통하여 시험자료에 대한 정규성 검정을 실시하고 정규분포를 따르는 물성치를 확인하였다.
심도에 따른 압밀특성을 파악하기 위하여 선형회귀분석을 실시하였으며, 분석을 위해 box plot을 통하여 이상치를 제거한 후의 자료를 이용하였다.

성능/효과

(1) 서남해안의 주요 강하구 연약지반은 전반적으로 높은 일라이트와 약간의 몬모리노나이트 함량을 나타내고 있으나 영산강하구의 경우 높은 일라이트와 약간의 카올 리나이트 함량을 보여 다른 지역과 차이를 보이고 있다.
(2) 주요 강하구의 평균 과압밀비는 한강지역 1.86, 금강지역 2.10, 영산강 지역 2.37, 섬진강 지역 1.318, 낙동강 지역 1.07로 전체적으로 남해안지역의 과압밀비가 서해 안에 비해 최대 80% 이상 큰 것으로 나타났으며, 서해안 지역에서는 한강지역이 남해안에서는 낙동강 지역이 다소 낮은 값을 나타내고 있다.
(3) 선행압밀하중은 이상치 제거 후, 한강에서 P_c=7.1974D+77.81, 금강 P_c=6.2468D+59.45, 영산강 P_c=3.9256D+54.54, 섬진강 P_c=2.4778D+18.34, 낙동강 P_c=6.2075D+6.394의 회귀관계식을 나타내었다.
(4) 이상치 제거 후 일축압축 비배수전단강도와 선행압밀응력 사이에 한강지역 P_c==3.205(q_u/2), 금강지역 P_c=2.971(q_u/2), 영산강지역 P_c=2.483(q_u/2), 섬진강지역 P_c=3.9762(q_u/2) , 낙동강지역 P_c=3.8914(q_u/2)로 분석되어, 서해안 지역이 남해안에 비해 최소 21%에서 최대 60%까지 작게 나타났고 퇴적환경에 따라 상이한 관계를 나타내었다.
(5) 점토층의 깊이와 OCR의 상관관계식은 한강지역 OCR=1.640+2.435e^-0.0447D로 표현되며, 금강지역은OCR=2.699+11.39e^-0.926D, 영산강지역은 OCR=1.199+18.47e^-0.618D으로 표현된다. 또한 섬진강 지역은 OCR=0.
Table 2는 대표적인 물성실험 결과를 비교한 것으로 서해안에 비해 남해안의 연약점토가 함수비와 액성한계가 100% 이상큰 값을 보여 압축성이 큰 것으로 나타났으며 영산강 지역은 함수비가 약 9~30%, 액성한계는 약 7~18%, 소성지수는 100% 이상 큰 것으로 나타나 다른 서해안 지역과는 차이를 보이고 있음을 확인하였다.
깊이에 따른 과압밀비는 지반특성분석결과(Fig. 5)와 같이 지수함수식(y=y₀+e^-bx)의 형태로 감소하며, 퇴적환경과 깊이에 따른 차이가 큰 것으로 나타났다. 따라서 과압 밀비의 분석에서는 깊이에 따른 과압밀비의 분포를 고려하여 크게 3개의 영역(과압밀영역, 정규압밀영역, 과소압밀영역)으로 구분하였다.
또한 95% 신뢰구간의 과압밀비 분포범위는 한강지역에서 1.330∼3.186, 금강지역에서 0.8440∼5.7638, 영산강지역 1.1375∼6.3750, 섬진강지역 1.221∼1.414, 낙동강지역 1.0182∼1.1223 정도로 모든 지역에서 오른쪽으로 크게 왜곡되어 있으며, 정규 분포보다 매우 뾰족한 모양을 가진 분포를 보이고 있는 것으로 나타났다.
또한 Kolmogorov-Smirnov의 방법에 의한 정규성 검정결과, 검정통계량의 유의확률(p 값)이 유의수준보다 작게 평가되어 자료가 정규분포를 따르지 않는 것으로 나타났다.
)의 형태로 감소하며, 깊이 7m 이내에서는 전반적으로 과압밀비가 2 이상의 값을 나타내고 있어 과압밀 상태에 있는 것으로 나타났다. 또한 남해안 지역도 과압밀비가 지수함수식(y=y₀+e^-bx)의 형태로 감소하고 있으며 깊이 약 4m 이내에서 전반적으로 과압밀비가 2 이상의 값으로 과압밀 상태에 있는 것으로 나타났으나 반면, 일정깊이(섬진강지역의 경우 16m, 낙동강지역의 경우 22m) 이하에서는 대부분 1 이하의 과압밀비를 보이고 있는 것으로 나타났다.
또한 서해안의 경우 남해안에 비해 함수비는 약 23～60%, 간극비는 약 18～58%, 소성지수는 약 24～78%까지 값이감소하여 압축성이 남해안에 비해 작아지는 경향을 확인할수 있으며, 유역에 따라서도 명확한 차이를 보이고 있는 것으로 나타났다. 압축지수는 섬진강유역이 다른 유역에 비해 최대 78%까지 큰 값을 보이고 있으며 낙동강, 영산강, 금강, 한강 유역의 순으로 압축성의 크기를 보여 퇴적특성과 유역별로 토성을 좌우하는 토사의 특성이 압축성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
또한 섬진강지역의 활성도는 대부분 0.8～3.0 사이에 분포하고 있는 것으로 나타나 Illite와 Montmorillonite 와 같은 보통 내지 고활성도의 점토로 구성되어 있으며, 낙동강지역은 대부분 0.8～1.5사이에 분포하며, 주로 Illite 점토광물로 구성되어 있으며, 약간의 Montmorillonite 계열도 존재하는 것으로 나타났다.
또한 평균값을 고려하면 비배수전단강도와 선행압밀응력의 관계는 한강지역 Pc==3.205(qu/2) 금강지역 Pc=2.971(qu/2), 영산강지역 Pc=2.483(qu/2), 섬진강지역 Pc=3.9762(qu/2), 낙동강지역 Pc=3.8914(qu/2)의 관계가 있는 것으로 분석되었으며, 서해안 지역이 남해안에 비해 최소 21%에서 최대 60%까지 작게 나타났고 퇴적환경에 따라 상이한 관계를 나타내었다.
분석결과 Table 5와 같이 이상치 제거 후 변동계수가 감소하고 왜도의 값이 0에 가깝게 감소하여 분포형태가 대칭형태에 근접하는 것을 확인하였다.
분석결과 선행압밀하중은 다른 서해안 지역에 비해 영산 강지역이 30% 정도 큰 값을 보이고 있으며, 섬진강 지역의 경우 다른 지역에 비해 측정 자료의 분산도가 큰 것으로 나타났다.
서남해안에 접하는 주요강 하구에 대한 압밀시험 결과, Fig. 2와 같이 한강지역의 선행압밀응력은 0.98～686.5kPa의 범위(평균 67.86)의 값을 나타냈으며, 금강지역은 17.55～ 296.20kPa(평균 60.41), 영산강지역은 24.527～293.22kPa(평균 86.10)이고 섬진강지역은 4.90～313.81kPa(평균 47.76), 낙동강지역은7.85～647.24(평균 92.77)인 것으로 평가되었다.
압축지수는 섬진강유역이 다른 유역에 비해 최대 78%까지 큰 값을 보이고 있으며 낙동강, 영산강, 금강, 한강 유역의 순으로 압축성의 크기를 보여 퇴적특성과 유역별로 토성을 좌우하는 토사의 특성이 압축성에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
이상치 제거 후 Pc/[qu/2]의 값의 95% 신뢰구간은 한강지 역의 경우 1.947～5.937, 금강지역 1.711～6.862, 영산강지역 1.69∼4.287, 섬진강지역 3.8862～4.0863, 낙동강지역 3.7638～4.0189로 평가되었다.
주요 강하구의 평균 과압밀비는 한강지역 1.86, 금강지역 2.10, 영산강 지역 2.37, 섬진강 지역 1.318, 낙동강지역 1.07로 전체적으로 남해안지역의 과압밀비가 서해안에 비해 최대 80% 이상 큰 것으로 나타났으며, 서해안 지역에서는 한강지역이 남해안에서는 낙동강 지역이 다소 낮은 값을 나타내고 있다.
Table 9는 주요강 하구에 대한 5,300여 개의 물성시험결과와 3,100여 개의 압밀시험 결과를 취합하여 정규성검증을 수행하고 이상치를 제거하였으며 이 자료를 산술평균한 결과이다. 지역별로 분석결과를 종합해보면, 한강유역에서 영산강 유역으로 갈수록 함수비가 커지고 액성한계와 소성지수가 증가하는 특성을 보여 점토의 압축성이 커지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 경향은 초기간극비와 압축지수와 같은 설계정수에서도 동일하게 나타나는 것으로 분석되었다.
회귀분석 결과, 한강지역 점토층의 깊이와 OCR의 상관관계식은 OCR=1.640+2.435e^-0.0447D로 표현되며, 금강지역은 OCR=2.699+11.39e^-0.926D, 영산강지역은 OCR=1.199+18.47e^-0.618D으로 표현된다. 또한 섬진강 지역은 OCR=0.

후속연구

833D과 같이 지수감소 함수식으로 표현된다. 이상과 같이 과압밀비는 깊이에 따른 분포상태를 고려하여 영역 (과압밀영역, 정규압밀영역, 과소압밀영역)을 구분하고 강하구별로 퇴적여건을 고려하여 영역을 대표하는 심도를 구분해야 할 것으로 판단된다.
이상에서와 같이 이상치 제거를 통한 압밀특성이 주요 강하구에 따라 상이한 범위를 나타내고 있어 각 지역의 퇴적환경에 영향을 받고 있음을 확인할 수 있고, 압밀비는 강하구별로 퇴적여건을 고려하여 영역을 대표하는 심도를 구분해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충적층이란?	해안지역은 이와같이 지형과 지질, 조수간만, 해수면의 변화, 인위적인 건설현황 등의 환경조건에 따라 다양한 퇴적층을 구성하며, 일반적으로 충적층으로 구분된다. 충적층은 가장 최근에 형성된 지층으로 암반의 풍화에 의한 침식과 다양한 운반, 퇴적작용으로 이루어진 지층으로 매우 복잡한 구성요소에 영향을 받으므로 퇴적된 지역이나 퇴적상황에 따라 매우 상이한 성질을 갖는다. 특히 국내의 남해안은 수차례의 조산운동으로 복잡한 리아시스식 해안을 형성하며 연안류에 의한 세립 퇴적물 유입, 조류에 의한 공급, 중국 양자강 부유 퇴적물, 하천에서 유출된 퇴적물 유입 등에 의해 형성되었으며, 서해안은 침수해안으로 크고 작은 규모의 만(bay)을 가진 리아형 해안으로 평균 4.
	영산강 지역이 다른 서해안 지역과 차이를 보이는 이유는?	Table 2는 대표적인 물성실험 결과를 비교한 것으로 서해안에 비해 남해안의 연약점토가 함수비와 액성한계가 100% 이상큰 값을 보여 압축성이 큰 것으로 나타났으며 영산강 지역은 함수비가 약 9~30%, 액성한계는 약 7~18%, 소성지수는 100% 이상 큰 것으로 나타나 다른 서해안 지역과는 차이를 보이고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 활성도 및 점토광물의 종류가 기타지역과 차이가 나기 때문인 것으로 판단된다.
	연약지반의 토질특성이나 침하특성을 평가하기 위해서 중요한 것은?	따라서 연약지반의 토질특성이나 침하특성을 평가하기 위해서는 해수면 변동이나 퇴적환경에 따라 발생되는 지반의 압밀상태를 정확히 파악하는 것이 중요하다. 이에 대한 연구로 Hwang(2004)은 목포지역에 대해 지표면에서 4m 깊이까지 과압밀 경향이 강해 4m 이하를 정규압밀로 보고 해석한다고 제안하고, Kim(2006)은 진주 남강지역에 대해 세립토의 98%가 과압밀 상태이며 지하수위나 상재하중의 영향이 크게 미치지 않는 8m를 기준으로 정규압밀을 나타낸 다고 주장하였다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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