[논문]현장시험과 수치해석을 통한 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 연구

김세원; 양정훈; 김기호; 최항석

문제 정의

본 연구에서는 연약지반의 개량에 있어 말뚝이 시공된 복합지반의 침하거동특성을 규명하기 위해 연약한 암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan 지역의 스톤컬럼이 시공된 현장에서의 재하시험 결과를 분석하였다. 실험 계측값을 Priebe method를 이용하여 산정한 침하량과 비교하였고, 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 검증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

① 스톤컬럼은 삼축응력 상태에서 소성평형 상태를 유지한다.
④ 스톤컬럼은 강성층에 선단 지지한다.
스톤컬럼에 의한 지반 개량은 말뚝 재료가 지반에서 탄성적으로 전단변형을 발생시킨다는 가정 하에서 시작된다. 또한 말뚝이 시공되는 지반은 말뚝이 설치되는 동안 말뚝 재료가 재배열 된다고 가정한다. 이는 토압계수를 1로 보는 것과 동일하다.
한편, 스톤컬럼과 현장 지반은 축대칭 4절점으로 모델링하였다. 또한 재료 모델링은 Priebe method의 기본 가정과 동일하게 탄성거동하는 것으로 가정하였다.
스톤컬럼에 의한 지반 개량은 말뚝 재료가 지반에서 탄성적으로 전단변형을 발생시킨다는 가정 하에서 시작된다. 또한 말뚝이 시공되는 지반은 말뚝이 설치되는 동안 말뚝 재료가 재배열 된다고 가정한다.
이러한 스톤컬럼이 시공된 지반의 압밀침하량을 산정하기 위해 사용되는 방법들은 일반적으로 고려되는 가정에 따라 근사 계산법들과 탄성이나 소성이론을 기본으로 하는 FEM 해석법으로 분류된다. 침하 양상을 추정하기 위해 스톤컬럼의 직경과 간격을 일정하게 가정하고 스톤컬럼의 재하면적을 무한히 넓다고 가정한다. 스톤컬럼의 침하거동에 대한 현재까지의 연구 성과들은 주로 지반과 말뚝의 상대강성에 의한 응력분담비와 스톤컬럼의 직경과 설치간격에 의해 정의되는 치환율을 토대로 한 침하저감계수 평가를 위주로 수행되어왔다.

제안 방법

2. 현장시험을 ABAQUS 프로그램으로 단일말뚝만 고려한 2D해석과 무리말뚝을 고려한 3D해석을 수행하였다. 해석 결과, 계측 침하량과 무리말뚝을 고려한 해석 침하량이 유사함을 보이고 있어 주변말뚝으로 인한 구속조건으로 지지력이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
먼저 단일말뚝이 시공된 지반에 대한 해석은 말뚝 중심축을 기준으로 축대칭조건이 성립되므로 2차원 축대칭 모델을 적용하였다. 그림 4에서 보여주는 바와 같이 경계 조건의 설정에 있어 좌-우측면은 수평방향 변위를 구속하였으며, 바닥면은 수평, 연직방향 변위를 구속하였다.
현장 지반과 하부지지층 그리고 쇄석말뚝은 3차원 8절점 요소를 적용하였다. 변위경계조건에 있어 수평경계면은 각각 수평방향 변위를 구속하였으며, 바닥면은 수평 및 연직방향 변위를 구속하였다. 한편 말뚝에 작용되는 하중은 케이스별 재하판에 점진적으로 하중이 증가하도록 모델링하여 Loading schedule에 적용된 하중과 동일하게 하였다.
스톤컬럼으로 보강된 현장의 복합지반의 침하거동특성을 평가하기 위해 Arabian Gulf 연안 Saudi의 Kayan 지역에 스톤컬럼이 시공된 현장에서 재하시험 실시하였다. 현장에 시공된 스톤컬럼은 연약지반에 원통형으로 쇄석을 다지면서 압입하여 비교적 지름이 큰 말뚝을 지중에 형성시켜 지반을 개량하는 공법으로써, 재하시험을 시행한 모래지반과 같은 경우 밀도증대와 액상화 방지, 수평저항력 등을 증가시키는 효과를 가지게 된다.
스톤컬럼이 시공된 지반의 유한요소해석은 무리말뚝이 시공된 실제 현장 지반의 구속 조건을 평가하기 위해 지반에 단일말뚝만 시공된 조건만을 가정한 해석과 무리말뚝이 시공된 실제 조건을 적용하여 그 결과를 비교하였다.
5m 두께의 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan, Saudi 지역에서 수행되었다. 시공 현장 지반개량을 위해 스톤컬럼을 지면으로부터 9.0m 깊이까지 시공되었고, 재하시험은 재하판의 크기에 따라 네가지 Case로 수행되었다. 현장재하시험 계측값을 Priebe method로 지반개량계수를 산정하여 계산한 침하량과 비교하였다.
5m 두께의 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재하며, 암염층 상부에는 비교적 압축성이 작은 모래층(Dense Sand)과 하부에는 압축성이 큰 모래층(Silty Sand)으로 구성되어 있고, 표 1에 그 결과를 정리하였다. 이러한 암염층(Sabkha)층이 존재하는 시공 현장 지반개량을 위해 스톤컬럼을 지면으로부터 9.0m 까지 시공하였다.
암염층(Sabkha)의 주된 성상은 그 구조적 특성이 매우 취약하다는데 있으며, 지내력이나 압축성 등이 토목 설계기준에 부합되지 않아서 자연 상태로서는 그 위에 어떤 구조물을 설치하기가 곤란하고, 파괴가능성이 커 일상적인 조건에서도 그 위험도가 허용치를 초과한다. 이러한 연약지반 보강을 위해 스톤컬럼을 시공하였고, 현장재하시험을 수행하여 지반개량효과를 평가하였다.
해석의 편의상 스톤컬럼은 지반에 매입된 상태인 것으로 모델링하였다. 재하시험 모델링에서 하중재하는 각 케이스별 재하판의 넓이에 해당하게 환산한 단면적에 현장 Loading schedule과 동일하게 하중을 점진적으로 증가시키며 재하하였다. 한편, 스톤컬럼과 현장 지반은 축대칭 4절점으로 모델링하였다.
주변 말뚝으로 인한 구속조건에 따른 지지력 향상을 평가하기 위해 무리말뚝의 모델링은 그림 5와 그림 6에서 보여주는 바와 같이 말뚝 길이방향으로 두 축에 대해 대칭조건이 성립되므로 1/4단면에 대한 3차원 모델링을 수행하였다. 현장 지반과 하부지지층 그리고 쇄석말뚝은 3차원 8절점 요소를 적용하였다.
재하시험 모델링에서 하중재하는 각 케이스별 재하판의 넓이에 해당하게 환산한 단면적에 현장 Loading schedule과 동일하게 하중을 점진적으로 증가시키며 재하하였다. 한편, 스톤컬럼과 현장 지반은 축대칭 4절점으로 모델링하였다. 또한 재료 모델링은 Priebe method의 기본 가정과 동일하게 탄성거동하는 것으로 가정하였다.
7-1을 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 재료의 물성치는 현장재하시험 계측값과 비교하기 위해 앞 절에서 전술한 것과 동일한 현장조건을 사용하여 해석하였다.
주변 말뚝으로 인한 구속조건에 따른 지지력 향상을 평가하기 위해 무리말뚝의 모델링은 그림 5와 그림 6에서 보여주는 바와 같이 말뚝 길이방향으로 두 축에 대해 대칭조건이 성립되므로 1/4단면에 대한 3차원 모델링을 수행하였다. 현장 지반과 하부지지층 그리고 쇄석말뚝은 3차원 8절점 요소를 적용하였다. 변위경계조건에 있어 수평경계면은 각각 수평방향 변위를 구속하였으며, 바닥면은 수평 및 연직방향 변위를 구속하였다.

대상 데이터

1. 현장재하시험은 지면으로부터 2.5～6.5m 두께의 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan, Saudi 지역에서 수행되었다. 시공 현장 지반개량을 위해 스톤컬럼을 지면으로부터 9.
현장에 시공된 스톤컬럼은 연약지반에 원통형으로 쇄석을 다지면서 압입하여 비교적 지름이 큰 말뚝을 지중에 형성시켜 지반을 개량하는 공법으로써, 재하시험을 시행한 모래지반과 같은 경우 밀도증대와 액상화 방지, 수평저항력 등을 증가시키는 효과를 가지게 된다. 시험 시공 현장인 Kayan 지역은 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재한다. 암염층(Sabkha)은 건조한 기후에서 생성된 퇴적층으로 염분이 다량으로 함유된 사질층이고, 대개 사질의 석회질, 점질토층이 혼재해 있다.

데이터처리

본 연구에서는 연약지반의 개량에 있어 말뚝이 시공된 복합지반의 침하거동특성을 규명하기 위해 연약한 암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan 지역의 스톤컬럼이 시공된 현장에서의 재하시험 결과를 분석하였다. 실험 계측값을 Priebe method를 이용하여 산정한 침하량과 비교하였고, 유한요소프로그램인 ABAQUS를 이용하여 검증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
앞에서 산정한 침하저감계수를 시공 지반에 적용시켜 식(1)을 이용하여 스톤컬럼으로 치환된 복합지반의 침하량을 계산하였다. 표 5에서 Priebe method에 의한 침하 해석결과와 시험 시공한 지반의 현장재하 시험 계측값을 비교하였다. Priebe method로 해석된 침하 결과는 현장에서 시공 전에 예비 설계에 중요한 요소로 사용된다.
현장재하시험 결과를 검증하기 위해 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS v6.7-1을 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 재료의 물성치는 현장재하시험 계측값과 비교하기 위해 앞 절에서 전술한 것과 동일한 현장조건을 사용하여 해석하였다.
0m 깊이까지 시공되었고, 재하시험은 재하판의 크기에 따라 네가지 Case로 수행되었다. 현장재하시험 계측값을 Priebe method로 지반개량계수를 산정하여 계산한 침하량과 비교하였다. 그 결과 계측값보다 Priebe method를 이용하여 산정된 침하량이 4～8 배가량 크게 나타났다.

이론/모형

스톤컬럼으로 보강된 현장의 복합지반 침하량을 Priebe method를 사용하여 산정하였다. Priebe method로 침하량을 산정하기 위해 현장재하시험과 동일한 재하 하중으로 침하량을 계산하였다. 즉, Case 1의 경우는 135kPa, Case 2, 3, 4는 60kPa의 하중에 대하여 침하저감계수를 산정하였다.
스톤컬럼으로 보강된 현장의 복합지반 침하량을 Priebe method를 사용하여 산정하였다. Priebe method로 침하량을 산정하기 위해 현장재하시험과 동일한 재하 하중으로 침하량을 계산하였다.

성능/효과

3. 수치해석을 통해 말뚝부와 점토부에서 발생하는 응력값을 비교하여 응력분담비를 산정한 결과 응력 분담비가 2～3정도로 나타났다. 또한 재하하중이 클수록 응력분담비가 감소하는 경향이 나타났다.
84mm의 침하가 발생하였다. 같은 크기의 재하판과 동일한 하중을 재하한 Case 2와 3을 비교한 결과 무리말뚝의 조건인 Case 3이 단말뚝인 Case 2에 비해 침하가 적게 발생하였는데, 이는 무리말뚝의 경우 지반 개량효과가 큼을 확인할 수 있는 결과이다.
현장재하시험 계측값을 Priebe method로 지반개량계수를 산정하여 계산한 침하량과 비교하였다. 그 결과 계측값보다 Priebe method를 이용하여 산정된 침하량이 4～8 배가량 크게 나타났다. 이 결과로부터 Priebe 제안식을 설계에 적용할 경우 과다 설계되어질 수 있다고 판단된다.
Selvem(2006)이 말레이시아 지역의 Trans-Asia Railway에 스톤컬럼을 시공한 현장에서 침하량을 직접 계측하여 Priebe method로 설계한 침하량과 비교하였다. 그 결과 현장 계측값이 Priebe method로 예상한 침하량보다 매우 적게 측정되었고, 그 오차가 평균 42.3%로 나타났는데 이는 본 연구 결과와 유사하다. 이러한 결과들을 통해 Priebe method로 계산된 침하량으로 쇄석말뚝을 시공할 지반을 예비 설계할 경우 과다 설계되어 목표하고자 하는 지반 개량효과를 위해 시공 지반에 보다 많은 쇄석말뚝을 시공하게 되거나 말뚝의 치환율을 과다하게 설계하여 경제성에 문제가 있을 것이라 판단된다.
Priebe method로 해석된 침하 결과는 현장에서 시공 전에 예비 설계에 중요한 요소로 사용된다. 그러나, 표 5에서 보듯이 쇄석말뚝이 시공된 지반의 계측값보다 Priebe method를 이용하여 산정된 침하량은 4～8배 가량 크게 나타났다. 또한, 표 5에서 Case 2와 Case 3을 비교하면 재하 시험은 재하판을 말뚝 1개 위에 위치시켜 하중을 재하하는 경우(Case 2)와 4개의 말뚝위에서 하중을 재하(Case 3) 하는 두 가지 경우에 대해 실시하여 현저히 다른 계측값이 나타났지만, Priebe method를 이용한 침하해석에 있어서는 두 가지의 경우를 구분지어 적용시킬 수 없다.
99mm 로 나타났으며, 이러한 결과 역시 재하시험 계측값과 유사한 경향성을 보여주고 있다. 그림 7에서 보여주듯이 무리말뚝을 고려한 ABAQUS 해석결과와 시험시공현장에서 계측된 결과와 유사함을 보이고 있으며, 본 연구 대상지반에서 ABAQUS 프로그램이 스톤컬럼이 타설된 복합지반의 침하특성 해석에 적용성이 있음이 판단되었다.
수치해석을 통해 말뚝부와 점토부에서 발생하는 응력값을 비교하여 응력분담비를 산정한 결과 응력 분담비가 2～3정도로 나타났다. 또한 재하하중이 클수록 응력분담비가 감소하는 경향이 나타났다. 이러한 결과를 통해 복합지반의 응력분담거동을 확인할 수 있다.
이러한 응력분담비는 일반적 스톤컬럼이 시공된 현장의 설계에 적용하는 응력분담비와 유사한 결과이다. 또한, 재하하중이 클수록 응력분담비가 감소하는 경향을 확인할 수 있는데, 이러한 해석 결과를 통해 지반에 많은 하중이 전달되는 복합지반의 응력분담거동을 확인할 수 있다.
해석 결과, 계측 침하량과 무리말뚝을 고려한 해석 침하량이 유사함을 보이고 있어 주변말뚝으로 인한 구속조건으로 지지력이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구 대상지반에서 스톤컬럼이 타설된 복합지반의 침하특성 해석에 있어 수치해석의 적용성이 있다고 판단하였다.
현장시험을 ABAQUS 프로그램으로 단일말뚝만 고려한 2D해석과 무리말뚝을 고려한 3D해석을 수행하였다. 해석 결과, 계측 침하량과 무리말뚝을 고려한 해석 침하량이 유사함을 보이고 있어 주변말뚝으로 인한 구속조건으로 지지력이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구 대상지반에서 스톤컬럼이 타설된 복합지반의 침하특성 해석에 있어 수치해석의 적용성이 있다고 판단하였다.

후속연구

3%로 나타났는데 이는 본 연구 결과와 유사하다. 이러한 결과들을 통해 Priebe method로 계산된 침하량으로 쇄석말뚝을 시공할 지반을 예비 설계할 경우 과다 설계되어 목표하고자 하는 지반 개량효과를 위해 시공 지반에 보다 많은 쇄석말뚝을 시공하게 되거나 말뚝의 치환율을 과다하게 설계하여 경제성에 문제가 있을 것이라 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스톤컬럼 공법은 어떻게 이용되는가?	스톤컬럼 공법은 자갈, 쇄석 등을 연약지반에 강제로 압입하여 상부응력을 말뚝과 지반이 서로 분담하여 지지력을 향상시키고, 점토에서 과잉간극수압을 감소시키는 압밀촉진공법의 일환으로 이용되고 있다. 스톤컬럼은 연약지반의 지지력을 향상시킴으로써 지반의 침하저감효과가 있다.
	스톤컬럼의 효과는?	스톤컬럼 공법은 자갈, 쇄석 등을 연약지반에 강제로 압입하여 상부응력을 말뚝과 지반이 서로 분담하여 지지력을 향상시키고, 점토에서 과잉간극수압을 감소시키는 압밀촉진공법의 일환으로 이용되고 있다. 스톤컬럼은 연약지반의 지지력을 향상시킴으로써 지반의 침하저감효과가 있다. 이러한 스톤컬럼이 시공된 지반의 압밀침하량을 산정하기 위해 사용되는 방법들은 일반적으로 고려되는 가정에 따라 근사 계산법들과 탄성이나 소성이론을 기본으로 하는 FEM 해석법으로 분류된다.
	침하거동특성을 평가하기 위해 현장에 시공된 스톤컬럼은 어떤것인가?	스톤컬럼으로 보강된 현장의 복합지반의 침하거동특성을 평가하기 위해 Arabian Gulf 연안 Saudi의 Kayan 지역에 스톤컬럼이 시공된 현장에서 재하시험 실시하였다. 현장에 시공된 스톤컬럼은 연약지반에 원통형으로 쇄석을 다지면서 압입하여 비교적 지름이 큰 말뚝을 지중에 형성시켜 지반을 개량하는 공법으로써, 재하시험을 시행한 모래지반과 같은 경우 밀도증대와 액상화 방지, 수평저항력 등을 증가시키는 효과를 가지게 된다. 시험 시공 현장인 Kayan 지역은 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재한다.

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