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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연약지반개량시에 연직 및 수평배수재로서 이용되고 있는 모래의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석의 활용가능성에 대해 실내모형실험을 실시하고, 연직배수재로 사용하였을 경우에 공극수압 변화에 따른 배수성능 등을 비교 분석하여 현장적용 가능성을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 연약지반 개량시에 연직 및 수평배수재로서 이용되고 있는 모래의 대체 재료로서 순환골재와 쇄석의 활용가능성에 대해 실내모형실험을 실시하고, 연직배수재로 사용하였을 경우에 공극수압 변화에 따른 배수성능 등을 비교 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
-
2.1 모형장치
모형실험장치는 높이(H) 100cm, 폭(W) 80cm, 길이(L) 200cm의 크기로 현장에서 채취된 교란된 점토를 균질하게 하고 패류, 유기물질, 사력분을 제거하기 위하여 No.4 체에서 통과시켜 수중에서 약 20cm 두께로 자중압밀시킨 후, 약 3개월 후에 같은 방법으로 40cm를 추가로 수중에서 자중압밀시켜 총 75cm의 실내모형을 축조하였고, 그 후 약 9년 동안 압밀시켰다
. - 모형지반의 상부와 하부는 모래와 부직포를 약 17cm정도 부설하여 양면배수조건으로 하였고, 측면마찰을 감소시키기 위하여 비닐에 그리스를 발라 모형지반의 측면마찰을 경감시켰다.
- 물 공급은 토조 내에 일정하게 유량을 공급 시켜줄 수 있도록 플라스틱 원형수조를 설치하였고, 직경(∅) 50㎜ 파이프에 구멍을 뚫어 시료 내에 매설하고 좌측에서 우측으로 물이 일정한 동수경사 0.5를 유지하며 수평이동 하도록 급수밸브를 조절하였다.
- 실내모형실험은 모래와 순환10mm이하, 순환25mm와 순환25mm이하, 쇄석25mm으로 구분하여 실시하고, 하중은 75kg씩 4일 간격으로 24일간 재하를 하였다.
- 연약지반에서 수평 및 연직배수재로서 사용되는 모래와 순환골재, 쇄석의 투수계수를 비교하기 위하여 투수시험을 실시하였다.
- 연직배수재의 단면은 그림 2와 같이 직경은 10cm이고, 배치간격은 20cm의 정사각형 배치로 타입하였다. 연직배수재를 타입한 후 시간이 경과함에 따라 점토가 배수재속으로 혼입하여 배수성능을 감소시키는 clogging 현상을 고찰하기 위하여 2가지 형태로 구분하여 타입하였다. 첫 번째는 특별히 제작된 원형 철망속에 연직배수재를 넣어 시험중에 점토 이동이 원활하게 한 경우와 두번째는 PBD 공법에 사용되는 filter(규격 : 100×4mm, 유효구멍크기(O90) : 90㎛이하, 투수계수 1×103 cm/s이상)속에 연직배수재를 넣어 점토입자의 이동을 차단한 경우와의 차이점을 비교하였다.
- 연직배수재의 투입은 특별히 제작된 원형관을 이용하여 직경 11cm 로 보링 후 원형관 안쪽의 점토를 제거한 후 배수재를 투입하였고, 토조의 밑면에는 배수구멍을 뚫어 배수재내의 물이 일시에 배수되도록 하였다. 모형지반은 그림 2와 같이 각 연직배수재의 상부에는 침하계, 중앙에는 공극수압계(Ⓟ), 하부에는 토압계(Ⓔ)를 설치하고, 측정기기 매설 후 PP매트를 한 겹으로 덮은 후 모래를 10cm 부설 하였다.
- 첫 번째는 특별히 제작된 원형 철망속에 연직배수재를 넣어 시험중에 점토 이동이 원활하게 한 경우와 두번째는 PBD 공법에 사용되는 filter(규격 : 100×4mm, 유효구멍크기(O90) : 90㎛이하, 투수계수 1×103 cm/s이상)속에 연직배수재를 넣어 점토입자의 이동을 차단한 경우와의 차이점을 비교하였다.
- 모형지반은 그림 2와 같이 각 연직배수재의 상부에는 침하계, 중앙에는 공극수압계(Ⓟ), 하부에는 토압계(Ⓔ)를 설치하고, 측정기기 매설 후 PP매트를 한 겹으로 덮은 후 모래를 10cm 부설 하였다. 측정장치는 전기식 공극수압계(일본 Kyowa사 50 kPa), 전기식 토압계(일본 SSK 사, 1.0kgf/cm^2)와 침하계 (LVDT)는 Data Logger에 연결하여 컴퓨터에 자동 저장 되도록 하였다.
- 5를 유지하며 수평이동 하도록 급수밸브를 조절하였다. 토조내의 수평배수재가 원활하게 배수되는지의 여부를 판단하기 위해 시료하부에 공극수압계를 설치하여 실험동안의 변화량을 측정하였다. 연직투수계수를 구하기 위한 원형토조는 직경(∅) 19.
- 상부모래층 위에는 형강을 부설하여 상부하중이 모형지반에 균등하게 전달되도록 하였다. 하중은 4일마다 75kg씩 증가시켜 75kg, 150kg, 225kg, 300kg, 375kg, 425kg을 약 25일 동안 재하시켰다.
대상 데이터
- 수평투수계수를 구하기 위한 대형 토조는 그림 3과 같이 높이(H) 100cm, 폭(W) 130cm, 길이(L) 132cm로 콘크리트로 제작하였다. 토조 전면에는 2개의 아크릴을 설치하였고, 유량공급수조에서 조절된 물은 pipe를 통해 수평으로 흐르도록 하였다.
- 실험에 사용한 점토는 연약지반현장에서 채취한 교란시료를 이용하여 물리적 성질, 역학적 성질, 압밀 시험을 실시하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.
- 연직 배수재로 사용한 모래(해사), 순환골재와 쇄석은 충남 당진군 석문면에서 채취 및 구입하였고, 사용된 시료는 모래, 순환골재 10mm이하, 25mm이하, 25mm와 쇄석 25mm로 총 5종으로 그의 물리적 특성과 입도곡선은 표 2 및 그림 1과 같다.
- 연직투수계수를 구하기 위한 원형토조는 직경(∅) 19.5㎝, 길이(L) 39～44cm를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 연직 및 수평배수재로서 순환골재와 쇄석의 입경별 투수시험 결과를 모래를 기준으로 비교ㆍ분석하면, 순환 골재의 수평투수계수(kh)는 1.8～4.0배, 연직투수계수(kv)는 1.2～2.5배 정도 더 크게 나타났고, 쇄석의 수평투수계수(kh)는 3.3배, 연직투수계수(kv)는 3.0배 정도 더 크게 나타났다. 따라서 순환골재 및 쇄석은 기존에 연직 및 수평배수재로서 사용되어 왔던 모래의 대체 재료로 충분한 배수성능을 나타내서 현장 적용성이 우수할 것으로 평가되었다.
- 2. 공극수압 변화에 따른 연직배수성능을 평가하기 위해 실내모형실험을 실시한 결과, 시간에 따른 공극수압은 모든 연직배수재에서 하중변화에 관계없이 큰 차이를 나타내지 않았고, 수위 급강하시에 순환골재와 쇄석에서의 공극수압은 0에 가깝게 감소하여 모래와 동등한 배수성능을 나타내므로 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 3. 침하량은 배수재에 따라 큰 차이 없이 완만한 침하형태를 나타냈고, 수위 급강하시 시간에 따른 토압은 순환골재와 쇄석 모두 모래와 유사하게 0에 근접하여 동등한 배수성능을 나타내는 것으로 평가되었다.
- 각 연직배수재에서 공극수압은 하중변화와는 큰 차이없이 일정한 현상이 나타났고, 순환25mm이하(RAB25), Filter+순환25mm이하(FRAB25), Filter+순환25mm(FRA25), Filter+쇄석25mm(FCS25), 쇄석25mm(CS25)은 공극수압이 20gf/cm2 이하로 다른 배수재보다 작고 변화량도 작게 나타났다.
- 따라서 기존에 연직 및 수평배수재로서 사용되어 왔던 모래의 대체 재료로서 순환골재 및 쇄석은 충분한 배수성능을 나타내어, 현장 적용 시 우수한 배수재로서 사용가능할 것으로 평가되었다.
- 0배 정도 더 크게 나타났다. 따라서 순환골재 및 쇄석은 기존에 연직 및 수평배수재로서 사용되어 왔던 모래의 대체 재료로 충분한 배수성능을 나타내서 현장 적용성이 우수할 것으로 평가되었다.
- 실측침하량으로부터 Asaoka 방법에 의한 압밀도와 Barron식에 의한 압밀도는 약 25일에서 약 30% 정도로 매우 큰 차이를 나타냈다. 이와 같은 현상은 실험모형 축조시 실제로는 점토의 교란이 발생되었으나 해석에서는 웰저항과 스미어 효과를 고려하지 않았기 때문으로 판단된다.
- 연직배수재별로 토압은 하중변화에 관계없이 거의 일정하게 나타났고, Filter+순환25mm는 토압이 다른 재료보다 크게 나타났다. 수위 급강하시에 토압은 모래와 유사하게 0 이하로 감소하였는데 이는 순환골재와 쇄석도 모래와 동등한 배수 성능을 나타낸다는 것을 의미한다.
- 예측침하량은 각 배수재에 따라 큰 차이 없이 비슷하게 나타났고, 실측치보다는 약간 더 큰 1.0cm로 나타났다. 이는 각 재료의 투수계수가 큰 상태에서는 배수가 빠르게 진행되기 때문에 침하량도 유사하고, 실측치보다 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 전체적으로 수위 급강하시 시간에 따른 토압은 순환골재와 쇄석 모두 모래와 유사하게 0이하로 근접하게 나타나는 것으로 보아 모래와 동등한 배수성능을 나타내는 것으로 판단된다.
- 전체적으로 연약지반에서 연직 및 수평배수재로서 순환골재와 쇄석의 입경별 투수시험을 모래를 기준으로 비교ㆍ분석한 결과, 순환골재의 경우에 수평투수계수는 1.8～4.0배, 연직투수계수는 1.2～2.5배 정도 더 크게 나타났고, 쇄석의 경우에 수평투수계수는 3.3배, 연직투수계수는 3.0배 정도 더 크게 나타났다.
- 통일분류법(USCS)상 CL로 분류되고, 자연함수비(wn)가 액성한계(LL)보다 크고, 액성지수(LI)가 1보다 커서 압축성이 크고 유동가능성이 있는 점토로 나타났다.
후속연구
- 철망속에 연직배수재를 넣어 점토 이동이 원활하게 한 경우와 PBD filter속에 연직배수재를 넣어 점토 입자의 이동을 차단한 경우에서 공극수압은 큰 차이점을 나타내지 않았다. 그러나 시험기간이 비교적 짧고 실내모형실험의 한계로 공극수압은 큰 차이점을 나타내지 않았으나, 실제 현장에 적용하였을 경우는 filter 작용에 의해 clogging 현상을 방지할 수 있고, 성토하중에 의한 측방전단파괴를 억제할 수 있을 것으로 판단된다.
- 앞으로 건설폐기물은 배출⋅처리에 관한 관리가 강화되고 재개발, 재건축 및 택지개발 등 대형 공사의 증가로 지속적으로 증가할 것으로 전망된다.
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