[논문]수치해석을 이용한 점성토 지반의 아이소크론 영향 분석

이윤식; 이종호; 이강일

doi:10.15683/kosdi.2019.03.31.84

수치해석을 이용한 점성토 지반의 아이소크론 영향 분석
Analysis of Isochrone Effect of Clayey Soils using Numerical Analysis 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.15 no.1 = no.43, 2019년, pp.84 - 97

이윤식 (Jeongmin Geo Tech) , 이종호 (Department of Civil and Environmental Engineering, Daejin University) , 이강일 (Department of Civil Engineering, Daejin University)

초록
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연구목적 : 연약지반의 압밀침하는 연약 점토층 상하부에 분포하는 지층의 투수성(경계조건), 점토층의 두께, 그리고 하중 재하 폭에 따라 간극수압 분포특성이 달라짐에도 불구하고, 현재 설계의 대부분은 점토층의 깊이에 따른 초기간극비가 일정하다는 가정 하에 제안된 Terzaghi 1차원 압밀이론에 의한 아이소크론(Isochrone)을 이용하여 압밀시간을 산정하고 있다. 연구방법 : 따라서 본 연구에서는 하중 재하 폭, 점토층의 두께, 그리고 점토층 하부의 배수조건이 변화할 때 발생하는 과잉간극수압 소산형태를 수치해석적 방법으로 점토의 깊이별로 시간에 따른 과잉간극수압 변화를 체크하고, 이를 Terzaghi 1차원 압밀이론에 의한 아이소크론과 비교 분석하여 합리적인 압밀시간 결정방법을 제시하고자 한다. 연구결과 : 본 연구 결과, Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선에 가장 이상적인 경우가 아닌 경우에는 Terzaghi 1차원 압밀이론에 의한 압밀도-시간계수 곡선, 압밀시간 산정에 유의해야 하며, 가능한 수치해석에 의한 압밀도-시간계수 곡선을 사용하여 압밀시간을 산정하여야 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The consolidation settlement of soft ground is dependent on the distribution of pore water pressure which is also affected by hydraulic conductivities (boundary condition) of layers, thickness of clayey soil layer and surcharge. Results: However, the current consolidation analyses are mostly based on Terzaghi's consolidation theory that assumes the initial pore water pressure ratio with depth to be constant. In this study, numerical analysis are carried out to investigate the variation of pore water pressure dissipation with depth and thickness of clayey soil layer, time, surcharge as well as drainage conditions. Conclusion: Comparative study with Terzaghi's consolidation theory is also conducted. The result shows that Terzaghi's consolidation theory should be used with caution unless it is ideally corresponded to the isochrone.

주제어

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. Terzaghi 1-D Consolidation theory of isochrone (Terzaghi, 1943)
그림 Fig. 2. Average degree of consolidation-time factor(Terzaghi, 1943)
그림 Fig. 3. Isochrone form according to boundary conditions (Terzaghi, 1943)
표 Table 1. Average degree of consolidation-time factor
표 Table 2. Numerical analysis and isochrone correlation
표 Table 3. Isochrone analysis method using numerical analysis
그림 Fig. 4. Pore water pressure measurement point according to depth
표 Table 4. Numerical analysis condition
표 Table 5. Consolidation characteristics of clay layer
그림 Fig. 5. Comparison of isochrone type according to thickness of clay layer(Permeable layer condition)
표 Table 6. Average degree of consolidation of Terzaghi, CASE A and B
그림 Fig. 6. Degree of consolidation-time factor according to thickness of clay layer(Permeable layer condition)
표 Table 7. Average degree of consolidation of CASE A and B
그림 Fig. 7. Comparison of isochrone type according to thickness of clay layer (Impervious layer condition)
표 Table 8. Average degree of consolidation of Terzaghi, CASE D and E
그림 Fig. 8. Degree of consolidation-time factor according to thickness of clay layer(Impervious layer condition)
표 Table 9. Average degree of consolidation of CASE D and E
표 Table 10. Average degree of consolidation of Terzaghi, CASE B and C
그림 Fig. 9. Comparison of isochrone type according to loading width (Permeable layer condition)
그림 Fig. 10. Degree of consolidation-time factor according to loading width(Permeable layer condition)
표 Table 11. Average degree of consolidation of CASE A and C
그림 Fig. 11. Comparison of isochrone type according to loading width (Impervious layer condition)
표 Table 12. Average degree of consolidation of Terzaghi, CASE E and F
그림 Fig. 12. Degree of consolidation-time factor according to loading width(Impervious layer condition)
표 Table 13. Average degree of consolidation of CASE E and F

AI 본문요약
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제안 방법

Fig. 4는 수치해석에 적용한 단면 중 대표적으로 CASE A와 CASE B를 나타낸 것이며 성토하중 재하시 각 지층별 과잉간극수압의 변화를 측정하기 위해 0.5m~5.0m 간격으로 간극수압 측정지점을 지정하고 시간경과에 따른 과잉간극수압 소산 경향을 분석하여 각 조건별 아이소크론에 미치는 영향을 검토하였다.
상기와 같이 압밀이론에 대한 많은 연구가 수행되었음에도 불구하고 현재 설계나 시공과정에서는 이론이 간단하고, 적용이 편리하다는 이유로 Terzaghi의 1차원 압밀이론을 적용하고 있으나, 실제 현장에서 나타나는 압밀 경향과의 차이에 관한 연구는 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 수치해석으로 하중 재하 폭, 점토층의 두께, 점토층 상, 하부의 배수조건을 조합하고, 각 수치해석 조건에 대하여 심도별 시간경과에 따른 간극수압 변화를 측정하여 각각의 아이소크론을 결정하였다. 또한 수치해석을 통해 얻어진 아이소크론은 Terzaghi 1차원 선형 압밀이론에 의한 아이소크론과 비교·분석을 실시하여 하중 재하 폭, 점토층의 두께, 그리고 점토층 상하부의 배수조건에 따른 합리적인 압밀시간 결정방법을 제시하였다.
따라서 본 연구에서는 수치해석으로 하중 재하 폭, 점토층의 두께, 점토층 상, 하부의 배수조건을 조합하고, 각 수치해석 조건에 대하여 심도별 시간경과에 따른 간극수압 변화를 측정하여 각각의 아이소크론을 결정하였다. 또한 수치해석을 통해 얻어진 아이소크론은 Terzaghi 1차원 선형 압밀이론에 의한 아이소크론과 비교·분석을 실시하여 하중 재하 폭, 점토층의 두께, 그리고 점토층 상하부의 배수조건에 따른 합리적인 압밀시간 결정방법을 제시하였다.
본 연구는 연약지반의 과잉간극수압 소산형태(Isochrone)가 하중 재하 폭, 점토층 두께 그리고 점토층 하부에 위치한 흙의 배수조건에 따라 달라진다는 점에 착안하여 수치해석적 방법으로 Terzaghi의 아이소크론에 대한 영향을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 과잉간극수압 소산 형태에 대한 영향을 분석하기 위해 Table 2와 같이 수치해석 CASE별 아이소크론 형태및 압밀도-시간계수와의 상관관계를 표로 나타내었으며 Table 3은 Terzaghi 1차원 압밀이론에 의한 아이소크론과 하중 재하 폭, 점토층의 두께 그리고 점토층 하부의 배수조건에 따라 달라지는 아이소크론을 비교·분석하기 위한 비교 방법을 나타내었다.

대상 데이터

수치해석을 통해 점토층 상부에 가해지는 재하하중으로 인해 발생하는 과잉간극수압의 소산 형태를 시뮬레이션하기 위해서는 점토의 압밀거동을 재현할 수 있는 Cam-Clay Model이나 Soft Soil Model이 사용되며, 본 연구에 사용된 Plaxis 프로그램에는 점토의 압밀침하 해석과 간극수압 소산을 분석할 수 있는 Soft Soil Model이 내장되어 있어 이 모델을 적용하였다. 점토층의 프로그램 입력상수는 전라북도 군산시 새만금 내부도로 건설공사 설계시 조사된 점토의 압밀특성을 Table 5와 같이 적용하였다.

이론/모형

수치해석에 사용된 프로그램은 네덜란드 Technical University에서 개발된 국내 연약지반 설계에 일반적으로 사용되고 있는 범용 프로그램인 PLAXIS-2D를 사용하였다. 수치해석 단면은 하중 재하 폭, 점토층 두께 그리고 점토층 하부의 배수조건이 간극수압 소산에 미치는 영향을 확인하기 위해 Table 4와 같이 6개의 CASE 단면을 계획하였다.
수치해석을 통해 점토층 상부에 가해지는 재하하중으로 인해 발생하는 과잉간극수압의 소산 형태를 시뮬레이션하기 위해서는 점토의 압밀거동을 재현할 수 있는 Cam-Clay Model이나 Soft Soil Model이 사용되며, 본 연구에 사용된 Plaxis 프로그램에는 점토의 압밀침하 해석과 간극수압 소산을 분석할 수 있는 Soft Soil Model이 내장되어 있어 이 모델을 적용하였다. 점토층의 프로그램 입력상수는 전라북도 군산시 새만금 내부도로 건설공사 설계시 조사된 점토의 압밀특성을 Table 5와 같이 적용하였다.

성능/효과

1. 동일한 상재하중과 재하 폭(B=5m)이 작용하고, 점토층의 두께와 하중재하 폭이 동일(B=H)한 경우에는 Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선 (1) 및 (3)의 시간계수를 적용하여 압밀시간을 산정할 수 있지만, 상재하중이 작거나 점토층의 두께가 두꺼워 상재하중에 의해 발생되는 지중응력이 점토층 하부까지 전달되지 않는 경우에는 수치해석에 의한 압밀도-시간계수 곡선을 사용하여 압밀시간을 산정하는 것이 압밀시간의 오차를 줄일 수 있다.
2. 동일한 상재하중과 점토층 두께 H=20m이고, 하중 재하 폭에 대한 점토층 두께의 비가 작아질수록 Terzaghi 아이소크론과 유사한 형태를 보이고, Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선 (1) 및 곡선 (3)에 근접하는 반면, 하중 재하 폭과 점토층 두께의 비가 큰 경우에는 수치해석에 의한 압밀도-시간계수 곡선을 사용하여 압밀시간을 산정하여야 압밀시간의 오차를 줄일 수 있다.
3. Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선에 가장 이상적인 점토층 두께와 하중재하 폭의 비는 2배 이하이며, 점토층의 두께(H)가 하중 재하 폭(B)보다 2배 이상 큰 경우에는 상재하중에 의한 지중응력이 점토층 하부까지 전달되지 않을 수 있으므로 Terzaghi 1차원 압밀이론에 의한 압밀도-시간계수 곡선, 압밀시간 산정에 유의해야 하고, 가능한 수치해석에 의한 압밀도-시간계수 곡선을 사용하여 압밀시간을 산정하여야 한다.
9와 같다. 그림과 같이 하중재하 폭이 5m인 CASE B(H=4B)의 과잉간극수압 소산형태는 Terzaghi의 아이소크론과 유사한 형태이나 압밀시간이 상당히 느려지는 경향을 보이고 있는 반면, 하중재하 폭이 10m인 CASE C(H=2B)의 과잉간극수압 분포는 CASE B(H=4B)에 비해 Terzaghi의 아이소크론과 더욱 유사한 형태를 보이는 것으로 나타났다.
그림과 같이 점토층이 얇은 경우(CASE A)에는 Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선(1)과 유사한 것으로 나타났지만, 재하폭에 비해 연약층의 두께가 두꺼운 경우 (CASE B)에는 Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선 (3)보다도 시간계수가 작아지는 것으로 나타나 Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선 (1)을 적용할 경우에는 압밀시간 산정에 큰 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 상재하중이 점토층 하부까지 충분히 전달되는 경우에는 Terzaghi 압밀도-시간계수 곡선(1)을 이용하여 압밀시간을 산정할 수 있지만, 점토층 두께가 두꺼워 상재하중에 의한 영향범위가 작은 경우에는 수치해석에 의한 압밀도-시간계수 곡선을 사용하거나 Terzaghi 압밀도-시간계수 곡선 (3)을 적용하는 것이 압밀시간 오차를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, 점토층 하부가 불투수층이고, 점토층이 얇으며, 상재하중이 점토층 하부까지 충분히 전달되는 경우에는 Terzaghi가 제안한 압밀도-시간계수 곡선 (3)의 시간계수를 사용하여 압밀시간을 산정할 수 있지만, 점토층 하부가 불투수층이고, 하중 재하 폭에 비해 점토층의 두께가 두꺼워 상재하중에 의한 영향범위가 작은 경우에는 수치해석에 의해 얻어지는 압밀도-시간계수 곡선을 사용하여야 압밀시간의 오차를 줄일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연약 점토층의 압밀침하는 무엇을 통해 발생하는가?	연약 점토층의 압밀침하는 흙에 가해진 하중에 의해 발생된 과잉간극수압의 소산과정을 통해 발생하며, 그 소산속도는 점토층 상, 하부 경계면에 분포하는 지층의 투수성에 따라 달라진다. 그러나 점토층의 두께가 두껍고, 하중 재하 폭이 작은 경우에는 지표면 부근에 과잉간극수압이 크게 발생하며, 하부로 갈수록 과잉간극수압이 작아진다.
	Terzaghi 1차원 압밀이론 어떠한 가정하에 제안 되었는가?	Terzaghi 1차원 압밀이론은 점토층 상부에 하중이 작용할 경우 점토층에 발생하는 과잉간극수압은 깊이에 관계없이 일정하게 분포한다는 가정하에 제안 되었으며, 점토층의 상, 하부의 배수조건에 따라 Fig. 1과 같은 아이소크론을 갖는다.

참고문헌 (12)

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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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