[논문]유한변형률 압밀이론에 의한 남해안준설토의 압밀특성에 관한 연구

송명규; 임종철; 권정근; 주인곤

문제 정의

준설토 투기 후 시간 경과에 따라 변화하는 준설 슬러리의 간극비～유효응력 및 간극비～투수계수의 구성관계를 파악하기 위하여 표준압밀시험을 수행하였다. 본 시험은 저응력압밀시험 및 일정변형율압밀 시험(CRS)보다 큰 하중상태를 재현할 수 있어 고응력 부분의 준설토 압밀 구성관계 규명에 중요한 요소이다.
본 연구는 자중압밀이 완료된 남해안 준설토를 대상으로 저응력압밀, 표준압밀, 일정변형률압밀시험을 시행하고 그 결과를 바탕으로 유한변형 압밀 현상을 예측하기 위한 가장 기본적인 사항인 간극비～유효 응력 및 간극비～투수계수의 관계를 구하여 남해안 준설매립토의 압밀거동을 예측하기 위한 기본 특성을 분석하였다.
준설매립토와 같이 매우 큰 간극비를 갖는 고함수비의 초연약 점토의 압밀특성을 파악하기 위하여 저응력압밀시험 및 표준압밀시험을 수행하였으며, 그 결과와 연계하여 일정변형률 압밀을 수행함으로써 준설토의 간극비～유효응력, 간극비～투수계수의 비선형 구성관계를 합리적으로 규명하고자 하였다. 실험결과 간극비 e = 1.

제안 방법

원형 Column에 함수비 700%로 제도된 준설 슬러리를 투기하고, 계면고를 측정한다 계면고의 정확한 측정을 위하여 총 4면에 각각 측정용 자를 부착하고, 굴절오차를 최소화하기 위해 Column내부에 측정용자를 부착하여 관측하도록 한다. 계면고의 관측은 예비실험을 통해 투기 후 800분 내에 침강이 끝나는 변곡점이 발생하는 것을 토대로 800분까지는 세밀히 관측을 하였고, 그 이후로는 12시간 간격으로, 자중압밀 중간시점에는 1일에 한번 씩 관측한다.
일정변형률 압밀시험은 준설 슬러리를 현장함수비와 유사한 함수비 80%로 제조하여 1회를 수행하였다. 고함수비의 초연약 준설토에 대한 압밀하중 재하시의 문제점(매우 작은 초기하중 재하 및 침하량의 측정 등)을 극복하기 위하여 일정변형률 압밀시험을 수행하였으며, 표준압밀시험과의 차이점은 다음과 같다.
저응력 압밀시험 중 투수시험이 불가능하므로 투수시험을 위한 시료를 따로 제작한다. 따라서, 저응력압밀시험의 대용으로 Column을 5개를 준비하여 침강과 자중압밀이 끝난 시료와 동일한 시료를 제작하여 1kPa, 3kPa, 6kPa, 12kPa, 24kPa로 하중을 재하한다 각 단계별로 저응력압밀이 종료된 시료를 추출하여 변수위 투수시험을 실시하였다.
본 시험은 교란시료에 대해 함수비 80%, 90%, 100%의 시료를 제작해 표준압밀 시험을 수행한다. 표준압밀 시험은 KS F 2316 규정에 의거하여 시료에 점증적으로 하중을 가하여 시료의 압밀을 유도하는 점증하중을 단계별 5kPa에서 1280kPa까지 가하여 압축지수, 체적압축계수, 압밀계수 등의 압밀정수를 구한 후 간극비～유효응력 관계를 규명한다.
본 연구는 남해안 웅동지구 1단계 항만배후단지(제1공구)에 매립된 준설토에 대하여 기본물성시험, 함니율 선정시험 및 염분비 보정을 통해서 준설토의 특성을 분석하였고, 침강 및 자중압밀시험을 끝낸 시료에 대하여 저응력압밀시험, 변수위투수시험, 표준압밀시험, 일정변형률압밀시험(CRS test)을 각각 수행하여, 그 시험결과를 이용하여 준설토의 간극비～유효응력 및 간극비～투수계수 관계식을 회기분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 준설 · 매립에 의해 형성된 초연약 준설토의 시간 경과에 따른 간극비～투수계수 관계를 저응력압밀, 표준압밀 및 일정변형률압밀시험(CRS) 결과를 바탕으로 Somogyi(1980)의 식( e=C k D)을 이용, 회기분석에 의해 구성관계를 추정하였으며, 결과는 그림 16와 같다.
준설 · 매립에 의해 형성된 준설토의 압밀 특성을 파악하고자 저응력압밀 시험 및 표준압밀시험, 일정 변형률 압밀시험(CRS) 시험을 수행하였다. 시험결과에 의해 산정된 준설토의 간극비～유효응력, 간극비～투수계수의 비선형적 관계를 도시하여 회기 분석을 통하여 구성관계식을 산정하였다.
준설 현장과 동일한 조건을 모델링하기 위해 초기 투기 함수비를 결정하여 침강 및 자중압밀을 실시한다. 원형 Column에 함수비 700%로 제도된 준설 슬러리를 투기하고, 계면고를 측정한다 계면고의 정확한 측정을 위하여 총 4면에 각각 측정용 자를 부착하고, 굴절오차를 최소화하기 위해 Column내부에 측정용자를 부착하여 관측하도록 한다. 계면고의 관측은 예비실험을 통해 투기 후 800분 내에 침강이 끝나는 변곡점이 발생하는 것을 토대로 800분까지는 세밀히 관측을 하였고, 그 이후로는 12시간 간격으로, 자중압밀 중간시점에는 1일에 한번 씩 관측한다.
일정변형률 압밀시험은 준설 슬러리를 현장함수비와 유사한 함수비 80%로 제조하여 1회를 수행하였다. 고함수비의 초연약 준설토에 대한 압밀하중 재하시의 문제점(매우 작은 초기하중 재하 및 침하량의 측정 등)을 극복하기 위하여 일정변형률 압밀시험을 수행하였으며, 표준압밀시험과의 차이점은 다음과 같다.
준설 · 매립에 의해 형성된 준설토의 압밀 특성을 파악하고자 저응력압밀 시험 및 표준압밀시험, 일정 변형률 압밀시험(CRS) 시험을 수행하였다.
준설 현장과 동일한 조건을 모델링하기 위해 초기 투기 함수비를 결정하여 침강 및 자중압밀을 실시한다. 원형 Column에 함수비 700%로 제도된 준설 슬러리를 투기하고, 계면고를 측정한다 계면고의 정확한 측정을 위하여 총 4면에 각각 측정용 자를 부착하고, 굴절오차를 최소화하기 위해 Column내부에 측정용자를 부착하여 관측하도록 한다.
준설에 의한 침강 후 자중압밀 및 저응력에서 고응력에 이르는 압밀상태를 분석하기위해 저응력압밀시험, 표준압밀시험, 일정변형률압밀시험을 수행하고, 시험결과를 이용하여 준설토의 간극비～유효응력～투수계수의 관계식을 회기분석으로 산정하고자 한다. 준설에 의한 침강 후 자중압밀 및 저응력에서 고응력에 이르는 압밀상태를 분석하기위해 저응력압밀시험, 표준압밀시험, 일정변형률압밀시험을 수행하고, 시험결과를 이용하여 준설토의 간극비～유효응력～투수계수의 관계식을 회기분석으로 산정하고자 한다.
준설토 투기 후 시간 경과에 따라 변화하는 준설 슬러리의 간극비～유효응력 및 간극비～투수계수의 구성관계를 파악하기 위하여 표준압밀시험을 수행하였다. 본 시험은 저응력압밀시험 및 일정변형율압밀 시험(CRS)보다 큰 하중상태를 재현할 수 있어 고응력 부분의 준설토 압밀 구성관계 규명에 중요한 요소이다.
초기함수비 700%의 시료를 제작하여 투기하고 계면고를 계측하였다. 계측결과 120cm의 시료는 침강 종료시 69.
침강과 자중압밀이 끝난 시료를 저응력압밀시험기로 옮겨서 안정화를 시킨후, 공압을 이용해 1, 3, 6, 12, 24kPa의 하중을 단계별로 가한다. 시험장치는 그림 4에 나타내었다.
표준압밀 시험은 KS F 2316 규정에 의거하여 시료에 점증적으로 하중을 가하여 시료의 압밀을 유도하는 점증하중을 단계별 5kPa에서 1280kPa까지 가하여 압축지수, 체적압축계수, 압밀계수 등의 압밀정수를 구한 후 간극비～유효응력 관계를 규명한다. 표준압밀실험을 수행하는 동안 각 하중단계에서 압밀완료 후 주어진 소정의 간극비에 대한 투수계수를 측정하기 위하여 시료의 하부 배수경계면에 Stand Pipe를 설치하여 변수위 투수실험을 수행하여 간극비～투수계수의 구성관계를 규명하였다.

성능/효과

1) 침강 및 자중압밀시험 결과 120cm 높이의 시료는 69.6cm의 침하량을 나타냈으며, 시간축에 평행한 creep거동을 나타내는 자중압밀구간은 24.1cm로 전체침하량의 20.1%로 준설토의 자중압밀도가 차지하는 비율이 상당함을 알 수 있었다.
2) 초기간극비가 18.55(초기 함수비 700%)인 시료는 자중압밀 종료시 3.975로 감소하였고, 저응력압밀시험 종료시에는 간극비 1.78로 감소하여 자중압밀 종료 후에도 상당한 범위에 걸쳐 압밀이 진행됨을 알 수 있었다.
3) 저응력압밀, 표준압밀, 일정변형률압밀시험의 결과를 바탕으로 압밀구성관계식을 산정한 결과 Somogyi(1980)의 식으로 표현한 결과값이 남해안 준설토의 압밀거동과 가장 근접한을 알 수 있었으며, 관계식은 다음과 같다.
변수위투수시험결과 간극비～투수계수의 관계는 간극비가 커짐에 따라 투수계수가 증가하는 것으로 나타났으며, 산정된 투수계수의 범위는 5.495×10-7~1.479×10-5 cm/sec 으로 나타났으며, 간극비～투수계수관계는 그림 8과 같다.
본 시험은 교란시료에 대해 함수비 80%, 90%, 100%의 시료를 제작해 수행한 결과 그림 8,9,10에서 보듯이 간극비와 유효응력과의 관계는 준설매립토의 특성상 선행압밀하중이 나타나지 않고 거의 직선적으로 나타났다. 압밀하중이 커짐에 따라 유효응력～간극비 곡선이 비선형적 거동을 나타내었다.
초기간극비가 18.55(초기 함수비 700%)인 시료는 자중압밀 종료시 3.975로 감소하였고, 저응력 압밀 시험 결과 압밀하중 24kPa 종료시 1.78로 상당한 범위에 걸쳐 압밀이 진행된다는 것을 알수 있었으며, 그 결과는 그림 7과 같다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국토의 효율적인 활용을 위해 최근 우리 나라에서 실시하는 것은?	최근 우리 나라는 국토의 효율적인 활용을 위하여 서,남해안을 중심으로 해안매립을 활발하게 실시하고 있다. 국내에서의 초기 매립공사는 매립에 이상적인 재료인 투수성이 좋고 압축성이 작은 쇄석이나 산토, 해성모래를 이용하여 매립하였으나, 최근 들어서는 자연경관 파손, 생태계 파괴 등의 환경적 문제가 대두됨에 따라 삼면이 바다로 둘러쌓인 우리나라에서 대부분의 공사가 물량확보가 용이한 준설토 매립으로 진행되고 있다.
	자중압밀이 종료된 준설매립토는 어떤 이론의 지배를 받는가?	이렇게 준설된 해성점토에 의해 조성된 기초지반은 지지력이 거의 없는 슬러리 상태의 초연약 지반을 형성하게 되며 오랜시간에 걸쳐 침강 및 자중압밀 과정을 걸치게 된다. 자중압밀이 종료된 준설매립토 역시 매우 연약하여 Terzaghi의 압밀이론이 아닌 유한변형률 압밀이론에 지배를 받는다.
	설·매립에 의해 형성된 초연약지반의 경우 자중압밀이 완료된 후에도 압밀 진행에 따른 압축성과 투수성이 비선형적 변화를 보이게 되는데, 이러한 비선형적인 압밀침하현상의 예측을 위해서 선행되어야 하는 것은?	위와 같이 준설·매립에 의해 형성된 초연약지반의 경우 자중압밀이 완료된 후에도 압밀 진행에 따른 압축성과 투수성이 비선형적 변화를 보이게 된다. 비선형적인 압밀침하현상의 예측을 위해서는 다양한 유효응력(특히 매우 작은 값의 유효응력)에 따른 간극비 및 투수계수의 관계를 표현할 수 있는 재료의 구성관계 (Material function)의 정립이 선행되어야 한다.

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