[논문]개별진공압밀공법을 적용한 연약점토 지반의 압밀거동 분석을 위한 수치해석적 사례연구

정두회; 이정빈; 이준석

doi:10.7843/kgs.2021.37.4.27

개별진공압밀공법을 적용한 연약점토 지반의 압밀거동 분석을 위한 수치해석적 사례연구
Numerical Analysis of the Consolidation Behavior of Soft Clay Subjected to Individual Vacuum Pressure 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.37 no.4, 2021년, pp.27 - 37

정두회 (부경대학교 토목공학과) , 이정빈 (한국도로공사) , 이준석 ((주)동아지질)

초록
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개별진공압밀공법을 적용한 연약점토 지반의 압밀거동을 분석하기 위하여 Plaxis 2D를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 진공압을 묘사하기 위한 세부적인 방법을 unit-cell 해석 결과와 함께 제시하고, 실제 시공사례를 모델링하여 수치해석결과와 현장계측결과를 비교해봄으로써 개별진공압밀공법이 적용된 연약지반의 압밀거동을 예측하기 위한 Plaxis 2D의 사용 가능성 검토와 해석기법을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An individual vacuum consolidation system has gained a popularity for a ground improvement of soft clayey soil. Finite element anaylses have been performed to simulate the individual vacuum consolidation system using a Plaxis 2D. The modelling procedures of the vacuum consolidation system are presented with the results of an unit-cell analysis. In addition, a case study was carried out to assess the applicability of the Plaxis 2D for simulating the consolidation behavior of soft ground subjected to the individual vacuum pressure.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. A cross sectional view of individual vacuum consolidation system (Dong-Ah Geological Co., 2016)
그림 Fig. 2. Air-water separation system (Dong-Ah Geological Co., 2016)
그림 Fig. 3. Stress profiles
그림 Fig. 4. Effective stress of soil element induced by a vacuum consolidation
그림 Fig. 5. Stress path due to vacuum consolidation
그림 Fig. 6. Conversion of an axisymmetric unit to a plane strain unit (Indraratna, 1997)
그림 Fig. 7. Geometry for a unit-cell analysis
그림 Fig. 8. Reduction of ground water table after a flow analysis
표 Table 1. Drain parameters for a unit-cell analysis
표 Table 2. Engineering properties of clayey soil for a unit-cell analysis
그림 Fig. 9. Consolidation settlement with time
그림 Fig. 10. Variation of pore water pressure with time
그림 Fig. 13. Soil profile at the site (Dong-Ah Geological Eng. Co., 2016)
그림 Fig. 11. Decrease in pore water pressure
그림 Fig. 12. Increase in vertical effective stress
그림 Fig. 14. Cross section for a multi-drain analysis
표 Table 3. Engineering properties of soils for a multi-drain analysis
그림 Fig. 15. Locations of field measurements
표 Table 4. Drain parameters for a multi-drain analysis
그림 Fig. 16. Comparison of consolidation settlements with time
그림 Fig. 17. Comparison of pore water pressures with time
그림 Fig. 18. Distribution of lateral displacements with depth

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 개별진공압밀공법이 적용된 연약지반의 압밀 거동 예측을 위한 Plaxis 2D의 적용 가능성과 해석기법을 제시하고자 하였다. 본 연구의 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
본 연구에서는 유한요소해석 프로그램인 Plaxis 2D를 이용하여 진공압을 묘사하기 위한 세부적인 방법을 Unit cell 해석 결과와 함께 제시하고 또한, 평면변형률 조건에서 개별진공압밀공법을 적용한 실제 시공사례를 모델링하여 연약지반의 압밀거동을 예측하기 위한 Plaxis 2D의 적용 가능성을 검토하고자 한다.
본 절에서는 개별진공압밀공법을 적용한 지반개량공사 현장의 계측결과와 수치해석결과의 비교･분석을 통하여 수치해석의 타당성을 검토하고, 개별진공압밀공법이 적용된 연약지반의 압밀거동 예측을 위한 Plaxis 2D 의 사용 가능성을 제시하고자 한다.

제안 방법

, 1986), 교란영역의 투수계수는 연직방향 투수계 수와 동일한 크기를 적용하였다(Hansbo, 1987). 2차원 평면변형률 해석을 수행하기 위하여 식 (5)와 식 (6)을 이용하여 불교란영역과 교란영역에 대한 등가투수계수 를 산정하였고, 진공압의 계측결과(Dong-Ah Geological Co., 2016)에 근거하여 연직배수재 전체 길이에 92kPa 의 진공압이 작용하도록 모델링하였다.
Unit-cell 해석에서 수평투수계수는 연직투수계수의 2배를 적용하였고, 교란영역의 투수계수는 연직투수계수와 동일한 크기를 적용하였다. 2차원 평면변형률 해석을 위해 식 (5)와 식 (6)을 이용해서 교란영역과 불교란영역의 등가 투수 계수를 산정하여 해석에 적용하였으며, 90kPa의 진공압이 배수재의 전체 길이에 균등하게 작용하도록 모델링하였다.
Plaxis 2D를 이용하여 개별진공압밀공법의 적용에 따른 포화점토지반의 압밀거동을 해석하기 위한 전 단계로 먼저 unit-cell 해석을 통해 진공압의 재현 가능성을 평가하였다. Unit-cell 해석은 2차원 평면변형률 조건에서 수행하였으며 해석을 위한 기하조건은 Fig.
Plaxis 2D를 이용해서 진공압 묘사의 타당성을 평가하기 위해 시간 경과에 따른 간극수압의 변화와 함께 압밀 침하량을 검토하였으며, 초기 상태 및 압밀 완료 후의 깊이에 따른 간극수압과 유효응력의 분포를 분석하였다. Fig.
수치해석 시 고려된 연직배수재의 특성과 모든 토질 정수를 각각 Table 1과 Table 2에 제시하였다. Unit-cell 해석에서 수평투수계수는 연직투수계수의 2배를 적용하였고, 교란영역의 투수계수는 연직투수계수와 동일한 크기를 적용하였다. 2차원 평면변형률 해석을 위해 식 (5)와 식 (6)을 이용해서 교란영역과 불교란영역의 등가 투수 계수를 산정하여 해석에 적용하였으며, 90kPa의 진공압이 배수재의 전체 길이에 균등하게 작용하도록 모델링하였다.
2와 같이 공기와 물을 분리하는 시스템(air-water separation system)을도입하여 개량기간 동안 진공압이 효과적으로 유지되도록 하고 있다. 공기와 물을 분리하는 시스템은 이중의 수평 배수관으로 형성되어 있으며 진공압을 이용해서 점토 지반에서 배출된 간극수는 하향경사를 갖는 하층 배수관을 통하여 집수정으로 유입되도록 하고, 공기는 상층의 진공배관을 통하여 외부로 배출되도록 하였다. 집수정으로 유입된 간극수는 수중펌프를 이용해서 지상으로 배출되고 공기는 진공펌프를 통해 외부로 배출된다.
본 해석에서는 Table 4에 제시한 바와 같이 교란 영역을 멘드렐 직경의 2배로 평가하였다. 대상 현장에서 사용한 맨드렐의 직경이 0.15m이기 때문에 교란 영역을 0.3m로 모델링하여 수치해석을 수행하였다.
불가능하다. 따라서 연직배수재의 설치 간격과 성토 제방의 사면을 고려한 실제 단면 형상과 전체적인 지반 거동을 묘사하기 위해 2차원 평면변형률 해석을 수행하였다. 수치해석을 위한 단면형상은 지반조사와 실내시험 결과를 토대로 Fig.
본 연약지반 개량공사 현장의 사례에서는 현장에 진공 압밀 시스템을 구축한 후 약 2주 동안 시험가동을 하면서 진공압 누기점검 후 본격적으로 진공압 시스템을 가동하였다. 진공압밀시스템의 본격적 가동에 이어서 지반개량 후 지반계획고를 맞추기 위해서 압밀로 인한 침하량을 보충하기 위하여 3m 높이의 침하보충토 성토작업을 약 3주에 걸쳐서 실시하였다(Dong-Ah Geological Co.
따라서, 교란영역은 수치해석을 위한 모델링 작업 시 반드시 포함되어야 하는 요소이다. 본 해석에서는 Table 4에 제시한 바와 같이 교란 영역을 멘드렐 직경의 2배로 평가하였다. 대상 현장에서 사용한 맨드렐의 직경이 0.
, 2016). 유한요소해석에서는 시험가동 기간의 진공압 재현은 불가능하기 때문에 진공압밀시스템을 본격적으로 가동한 시점부터 진공압을 작용시키고 침하보충토 재하과정도 함께 재현하였다.
진공압 누기점검 후 본격적으로 진공압 시스템을 가동하였다. 진공압밀시스템의 본격적 가동에 이어서 지반개량 후 지반계획고를 맞추기 위해서 압밀로 인한 침하량을 보충하기 위하여 3m 높이의 침하보충토 성토작업을 약 3주에 걸쳐서 실시하였다(Dong-Ah Geological Co., 2016). 유한요소해석에서는 시험가동 기간의 진공압 재현은 불가능하기 때문에 진공압밀시스템을 본격적으로 가동한 시점부터 진공압을 작용시키고 침하보충토 재하과정도 함께 재현하였다.

대상 데이터

개별진공압밀공법을 적용하였다. 지반개량 부지면적은 6820m²(341m × 20m)이고 대상 부지의 기초지반은 연약한 해안 매립층으로 구성되어 있다. 지반개량 공사 기간은 7개월로 연약지반 개량공사부터 계측조사 및 지반개량평가를 위한 확인조사까지 수행되었다.

데이터처리

15에 나타낸 위치에서 측정한 시간 경과에 따른 압밀침하량, 간극수압, 횡방향 변위에 대한 현장 계측 결과를 수치해석 결과와 비교･분석하였다. 4.5.2 에서 언급한 바와 같이 본 현장에서는 진공 압밀 시스템을 본격적으로 가동하기 전에 약 3주 정도 시험가동을 실시하였기 때문에 계측결과에서 해당기간 동안 발생한 압밀 침하량, 간극수압 및 횡방향 변위를 모두 제외한 계측 결과를 이용하여 수치해석 결과와 비교･분석하였다.
수치해석을 통한 현장 압밀거동 묘사의 적합성을 평가하기 위해서 Fig. 15에 나타낸 위치에서 측정한 시간 경과에 따른 압밀침하량, 간극수압, 횡방향 변위에 대한 현장 계측 결과를 수치해석 결과와 비교･분석하였다. 4.

이론/모형

Schmertmann(1953)이 제안한 유효응력-간극비 곡선의 수정법에 따라 실험실 압축지수 대신 현장 압축지수를 산정하여 해석에 적용하였다. 그리고 투수계수의 적 정성을 평가하기 위하여 Log-t법과 Root-t법으로 산정 된 투수계수를 수치해석에 적용하였다.
수정법에 따라 실험실 압축지수 대신 현장 압축지수를 산정하여 해석에 적용하였다. 그리고 투수계수의 적 정성을 평가하기 위하여 Log-t법과 Root-t법으로 산정 된 투수계수를 수치해석에 적용하였다. 수평방향 투수 계수는 연직방향 투수계수의 2배를 적용하였고(Rixner et al.
전라남도 여수시 중흥동에 위치한 국가산업단지에 건설될 석유화학 플랜트 부지 조성을 위한 지반개량공사에 개별진공압밀공법을 적용하였다. 지반개량 부지면적은 6820m²(341m × 20m)이고 대상 부지의 기초지반은 연약한 해안 매립층으로 구성되어 있다.

성능/효과

(2) 연약점토지반의 압밀거동 예측을 위한 수치해석에 실내시험 결과로부터 구한 압축곡선을 이용해서 압축지수를 수정한 현장압축지수와 Root-t법을 이용해서 산정한 투수계수를 적용한 결과 압밀침하와 간극수압 소산과정을 비교적 정확하게 묘사할 수 있다.
(3) 실제 시공사례를 모델링한 Multi-drain 해석의 결과 현장 계측 결과와 수치해석 결과의 일치성이 매우 높은 것으로 평가되었다. 따라서 Plaxis 2D를 이용해서 2차원 평면변형률 조건으로 수치해석을 수행하면 개별진공압밀공법을 적용한 포화점토지반의 압밀 거동을 합리적으로 묘사할 수 있다.
1) Plaxis 2D에서는 대기압이 고려되지 않기 때문에 drain 요소 내 전수두를 초기 설정된 지하수위 높이에서 진공압에 해당하는 수두의 크기만큼 감소시킨 후 지하수 흐름계산(flow analysis)을 통해 진공압을 재현한다.
2) Drain 요소의 전수두 감소 후 지하수위 흐름 계산으로 인해 Fig. 8과 같이 지하수위가 감소하게 되고 이에 따라 포화점토지반이 불포화 상태로 변하게 되어 이후 수치해석 계산 단계에서는 불포화 단위 중량이 해당 지반의 단위중량으로 사용된다. 이는 수치해석 상의 문제로 현실 조건과는 다르기 때문에 포화점토지반의 단위중량은 모두 포화단위 중량으로 적용되어야 하며, 수리모델(hydraulic model)은 반드시 “saturated”로 지정되어야 한다.
3) 압밀 해석 시 Pore pressure calculation typee 반드시 “Steady state groundwater flow”로 설정되어야 하며, Deformation control parameters 부분의 “Ingnore suction” 기능이 해제되어야만 진공압의 묘사가 가능하다.
4) 진공압 재현을 위해서는 초기 지하수위 보다 작은 전수 두가 드레인 요소에 적용되어야 한다. 이를 위해, 배수재의 거동은 “Vacuum”으로 설정되어야 한다.
18은 시간 경과에 따라 측정한 깊이별 지반의 횡 방향 변위를 수치해석 결과와 비교한 그래프이다. 계측 결과에 의하면 진공시스템 가동 초기에는 전 깊이에 걸쳐 횡방향 변위가 내측 방향으로 발생하였으나, 침하보충토의 급속성토로 인하여 횡방향 변위의 방향이 외측으로 향하는 것으로 나타났다. 수치해석 결과에서도 계측 결과와 유사하게 횡방향 변위가 발생하는 양상을 시공 단계별로 합리적으로 묘사할 수 있음을 확인할 수가 있다.
4m 두께의 두꺼운 실트질 점토 층이 존재하고 있고, 실트질 점토층의 N치는 으로 기록되어 개량이 필요한 연약지반임을 알 수 있다. 또한 실 트질 점토층 하부에는 점토질 자갈층이 얇게 분포하여 배수경계를 이루고 있으며, 최하층에는 풍화암층이 분포하는 것으로 나타났다.
계측 결과에 의하면 진공시스템 가동 초기에는 전 깊이에 걸쳐 횡방향 변위가 내측 방향으로 발생하였으나, 침하보충토의 급속성토로 인하여 횡방향 변위의 방향이 외측으로 향하는 것으로 나타났다. 수치해석 결과에서도 계측 결과와 유사하게 횡방향 변위가 발생하는 양상을 시공 단계별로 합리적으로 묘사할 수 있음을 확인할 수가 있다.
0m 깊이에서 측정된 시간 경과에 따른 간극수압의 변화를 나타내었다. 재하성토를 하지 않고도 압밀이 진행됨을 확인할 수 있고, 실제 압밀 현상에 따른 간극수압 변화와 같이 시간 경과에 따라 간극수압이 감소하는 것을 확인할 수 있다. Fig.

후속연구

(4) 본 연구에 적용한 해석방법을 이용해서 다양한 현장 사례에 대한 연구를 추가하면 개별진공 압밀 공법의 설계에 Plaxis 2D를 효율적으로 사용할 수 있다고 판단된다.

참고문헌 (13)

Indraratna, B. and Redana, I.W. (1997), "Plane Strain Modeling of Smear Effects Associated with Vertical Drains", Journal of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering, ASCE., Vol.123, No.5, pp.474-478.

상세보기
Indraratna, B. and Redana, I. W. (2000), "Numerical Modeling of Vertical Drains with Smear and Well Resistance Installed in Soft Clay", Canadian Geotechnical Journal, Vol.37, pp.132-145.

상세보기
Indraratna, B., Rujikiatkamjorn, C., and Sathananthan, I. (2005), "Analytical and Numerical Solutions for a Single Vertical Drain Including the Effects of Vacuum Preloading", Canadian Geotechnical Journal, Vol.42, pp.994-1014.

상세보기
Rujikiatkamjorn, C., Indraratna, B., and Chu, J. (2008), "2D and 3D Numerical Modeling of Combined Surcharge and Vacuum Preloading with Vertical Drains", International Journal of Geomechanics, ASCE., Vol.8, No.2, pp.144-156.

상세보기
Perera, M.D.A. (2015) "Modelling Vertical Drains with Vacuum Preloading Considering the Soil Structure Characteristics", Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, School of Civil, Mining and Environmental Engineering, University of Wollongong, Australia.
Hansbo, S. (1981), "Consolidation of Fine-grained Soils by Prefabricated Drains", Proc. 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol.3, pp.12-22.
Hansbo, S. (1987), "Design Aspects of Vertical Drains and Lime Column Installations", Proceedings of 9th Southeast Asian Geotechnical Conference, Bankok, Thailand, Vol.2, pp.8-12.
Dong-Ah Geological Engineering Company (2013), "A Report on Field Measurement Control of the Site Improvement for the Construction of LNG Cryogenic Machine Technology Center".
Dong-Ah Geological Engineering Company (2016), "A Report on Field Measurement Control of the Site Improvement for the Construction of Lotte Versalis Complex".
Schmertmann, J.H. (1953), "The Undisturbed Consolidation Behavior of Clay", ASCE Transactions, Vol.120, pp.1201-1233.
Olson, R.E. (1986), "State of the Art: Consolidation Testing", Consolidation of soils: Testing and Evaluation, ASTM STP 892, pp.7-68.
Bergado, D., Asakami, H., Alfaro M., and Balasubramaniam, A. (1991), "Smear Effects of Vertical Drains on Soft Bangkok Clay", Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.117, No.10.

상세보기
Rixner, J.J., Kraemer, S.R., and Smith, A.A. (1986), "Prefabricated Vertical Drains", Vol.1 (Engineering Guidelines), Ferderal Highway Administration, Report No. FHWA-RD-86/168, Washington D.C., pp.33-37.

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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