초록 ▼

본 연구과제의 최종적인 성과물은 지반구조물 설계를 위한 합리적인 토질정수 결정방법과 또 그 것을 얻기 위한 시험장치의 표준화가 포함되어 있으므로 이론적 아이디어 개발과 그 결과의 활용적 성격에 속한다고 볼 수 있다. 지반구조물설계를 위한 지반정수는 지반 또는 지반을 구성하는 각 토층마다의 흙의 제반 성질(간극비, 함수비, 콘시스탄시 등 물리적 성질, 압밀계수, 변형계수, 토압계수 등의 변형정수, 전단강도, 강도증가율 등의 강도정수 및 투수계수, 다짐특성 등)을 규정하는 정수(상수, 계수)를 말한다. 이 들 정수 중 설계시 필요한 주

본 연구과제의 최종적인 성과물은 지반구조물 설계를 위한 합리적인 토질정수 결정방법과 또 그 것을 얻기 위한 시험장치의 표준화가 포함되어 있으므로 이론적 아이디어 개발과 그 결과의 활용적 성격에 속한다고 볼 수 있다. 지반구조물설계를 위한 지반정수는 지반 또는 지반을 구성하는 각 토층마다의 흙의 제반 성질(간극비, 함수비, 콘시스탄시 등 물리적 성질, 압밀계수, 변형계수, 토압계수 등의 변형정수, 전단강도, 강도증가율 등의 강도정수 및 투수계수, 다짐특성 등)을 규정하는 정수(상수, 계수)를 말한다. 이 들 정수 중 설계시 필요한 주요 토질정수는 강도특성과 변형특성 등의 역학적 성질을 나타내는 정수이다. 공사의 대규모화 및 복잡화로 인해 실제문제로서 지반의 변형량 그 자체를 정확히 예측할 필요가 있는 경우가 점차 증가하고 있다. 그 중 대표적인 것은 해저점토층의 성토에 의한 압밀침하문제이나, 이와 같이 큰 변형에 대한 문제가 아니더라도, 경질 지반상에 건설된 구조물 기초의 침하나, 도시지역 굴착지반에서의 지반변형, 터널굴착에 따르는 지반변형 등, 비교적 작은 지반변형을 정확히 예측할 필요가 있는 경우도 계속 증가하고 있다. 이 경우는 지반을 구성하는 흙 요소의 전단변형계수(넓게는 응력∼변형률 관계)를 정확히 알 필요가 있다. 전단변형계수는 변형률이 커지면 작아지는 비선형성을 갖고 있고, 기타 영향요인이 많다. 따라서, 각종의 원위치시험, 실내시험의 결과간에, 동적시험, 정적시험의 결과 간에 불일치에 의한 혼란이 지속되고 있고, 시험결과에 대한 신뢰성 저하의 원인이 되기도 한다. 결과적으로는 경제적이고도 합리적인 설계·해석이 뒤따르지 못할 가능성이 내재되어 있다고 볼 수 있다. 이와 같은 배경하에 첫째 실내시험방법의 표준화, 특성화를 위한 분류 및 시험장치 제작, 둘째 흙 종류에 따른 효과적이고 신뢰성 있는 표준적 응력∼변형특성 조사시험방법 개발, 셋째 표준적 조사시험방법에 의한 시험결과를 이용한 데이터 해석기법(변형정수 및 강도정수 등) 개발이라는 세 가지 최종목표를 설정하였다.설계 및 시공의 원칙은 단기간에 경제적인 공사비로 목적에 부합되는 양질의 공사를 시행하는 것이다. 양질의 공사는 구축된 구조물이 파괴되지 않아야 함과 동시에 구조물의 목적과 기능에 악영향을 끼칠 수 있는 부등침하, 변위 또는 경사 등을 허용치 이하가 되도록 품질이 확보된 공사를 의미한다. 최근 우리나라에서 시행되는 토목공사는 규모가 더욱 더 대형화되고 있고, 아울러 구조물의 기능도 고도화되고, 경제성측면에서의 시공기간 단축도 요구되고 있다. 이러한 조건하에서 양질의 공사를 시행하기 위해서는 시공에 앞서 사전에 적절한 원위치 지반조사 및 실내 토질 시험을 시행하여 그 결과를 충분히 이용한 이론해석에 근거하여 설계, 시공을 진행해가는 것이 상식적인 내용으로 되어있고, 또 토공구조물이나 지반의 거동을 유한요소해석과 같은 해석기법에 의해 추정하여, 보다 상세한 설계를 수행하는 방법도 시행되고 있다. 이와 같은 방법에 적용되는 해석이론의 대부분은 현장의 거동을 상당히 단순화시켜 유도된 것으로, 이 경우의 토공구조물이나 지반 또는 지반내 각토층의 토질은 균질한 등방체로 이상화하여 취급하는 것이 일반적이다. 설계시의 지반정수(또는 토질정수, 토질계수)는 이와 같이 이상화시킨 토공구조물이나 지반 또는 지반을 구성하는 각 토층마다의 흙의 성질을 규정하는 정수(상수, 계수)를 의미함이 일반적이다. 이 들 정수 중 설계시 필요한 주요 토질정수는 강도특성이나, 변형특성 등의 역학적 성질을 나타내는 정수이다. 설계시의 토질정수는 설계방법에 근거한 소정의 조사 및 시험을 시행하여 결정되는 것이나, 실제로 적절한 정수를 구하는 것은 다음과 같은 이유로 대단히 어려운 작업 및 과정을 필요로 한다. 첫째, 자연지반을 구성하는 토층은 복잡하고, 토질은 과거의 이력에 의해 지극히 다양하나, 이 들을 항상 명확하게 일련의 지반조사 및 토질시험을 통해 구할 수 있다고 단언할 수 없다. 둘째, 원래 설계시의 토질정수로서는, 지반내 또는 예를 들어 성토시의 다짐된 흙에 대해 있는 그대로의 성질을 나타내는 것만으로는 불충분하고, 성토 등의 재하, 굴착 등에 의한 장단기적인 지반의 물성변화, 시공순서, 시공방법, 강우, 침투수 등의 영향에 따른 토성변화 등이 고려된 정수가 필요하다. 따라서, 설계를 위한 토질정수가 획일적으로 정해진 조사, 시험만으로 결정될 수 있다고 하는 것은 결과적으로 커다란 오류를 일으킬 수 있고, 설계의 목적과 대상 또는 방법 등에 대응한 조사, 시험의 실시가 불가결하다는 인식을 가져야 할 필요가 있다. 지금까지 현장에서 발생하는 실제거동의 이론해석에 대해서는 많은 제안이 있으나, 토질조사시험의 분석, 설계에 관련한 토질정수의 고려사항 또는 결정방법에 대해서는 정형적인 방법은 없고, 각 기관 또는 개개의 연구자 등 개인의 노력에 의탁되어 있다고 하여도 틀림이 없다. 설계에 필요한 지반정수로서 지금까지 가장 빈번히 사용되어온 것은 역학적 성질 중 강도정수와 압밀정수이다. 강도정수는 지반의 지지력문제 및 안정문제를 해명하기 위해, 압밀정수는 지반 또는 흙구조물에 발생하는 압밀침하 문제를 검토하기 위해 필요한 필수 설계정수이기 때문에 중요한 토질정수로 취급되어 왔다. 그러나 계획되는 구조물이 대규모화되고, 구조적 기능도 복잡하고 다양화 되어감에 따라 파괴의 한계를 규정하는 강도정수나 일차원 압밀만을 대상으로 하는 압밀정수만으로는 현장에서 발생하는 제반현상에 대한 충분한 답을 얻을 수 없는 경우가 많아지고 있다. 특히, 흙의 응력∼변형특성에 관한 구성식을 이용하여 유한요소법에 의해 예측에 필요한 해답을 얻으려고 하는 경우에는 더 많은 지반의 데이터가 필요하다. 또한 최근에는 흙의 응력∼변형률∼시간 관계로부터 변형과정에 있어서의 변위량을 예측하기 위하여 변형계수나 지반반력계수 등의 변형정수가 토질정수의 중요한 부분이 되어가고 있다. 예를 들어 대형 중요구조물이나 도시내 근접시공에서는 변형 또는 변위를 직접 예측해야 할 경우가 많다. 이러한 경우의 설계문제의 대부분은 대변형이 허용되지 않는 지반의 문제이고, 지반내의 변형률도 0.1%정도 이하로 대단히 작은 변형률에서의 변형계수가 필요하다. 그러나 현재 일반적으로 이용되는 시험방법에서 축변형률을 측정할 경우 정도 및 감도가 너무 낮아 위와 같이 작은 변형률을 다루어야 하는 공학적 목적에는 이용하기 곤란하다. 또한 실내시험, 원위치시험, 현장거동의 역해석에 의한 변형 계수간의 불일치와 동적시험과 정적시험에 의한 변형계수간의 불일치가 당연한 것으로 받아들여지는 상황에서는 신뢰성 있는 변형정수를 얻는 방법을 확립시키기는 어렵다. 위와 같은 배경하에 본 연구에서는 다음과 같은 내용에 주안점을 두어 연구목표를 설정하였고, 연구목표를 달성하기 위한 세부적 연구내용 및 구체적 시행방법을 설정하였다.
첫째, 실내시험방법의 표준화, 특성화에 의한 분류에 주안점을 두었다. 공학으로서의 토질시험은 가급적 원위치상태를 재현하고자 하는 시험이 기본이 되어야 하나, 개개 프로젝트의 상황에 따라 원위치 지반의 응력∼변형률 이력과 전단시의 조건을 간략화한 시험이 많이 시행되고 있고, 한편으로는 지반의 변형∼강도관계의 기본적 특성 및 전체적 특성과 지금까지 밝혀지고 있지 않은 영향인자나 그에 따른 영향에 대한 연구시험도 시행되고 있다. 예를 들어 일축압축시험은 원위치지반의 조건을 거의 고려치 않는 현재 실무에서 많이 사용되고 있는 일종의 지표시험이다. 이에 반해 이방압밀 비배수 삼축압축시험 등과 같이 가능한 한 원위치의 응력∼변형률상태를 재현하고자 하는 시험은 앞의 일축시험과 같은 지표시험과 별도의 분류가 필요하다. 실내에서 응력과 변형률 관계를 얻고자 하는 시험에 대해 시험목적, 시험방법의 표준화가능성, 원위치조건의 재현성, 실무활용가능성 등을 고려하여 분류, 표준화 및 특성화하여 각각의 시험에서 얻어진 결과가 각각 독립적이 아니라 결국 상호보완적이 될 수 있도록 하여 종합적 이용방안을 제시하고자 한다.

목차 Contents

• 제1장 서론 ...1
• 제1절 연구개발의 목적...1
• 제2절 연구개발의 필요성 ...2
• 제3절 연구개발의 범위 ...5
• 제2장 국내.외 기술개발 현황 ...7
• 제1절 국내기술동향 ...7
• 제2절 국외 관련 기술동향 ...8
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...10
• 제1절 연구수행 방법 ...10
• 제2절 연구수행 내용 ...12
• 1. 실내 정밀삼축압축실험 및 벤더엘리먼트 시험 결과 ...12
• 2. 원위치조건을 고려한 지반재료의 변형특성 평가 ...53
• 3. 압축강도와 변형계수와의 관계 ...69
• 4. 실내시험 결과와 원위치시험 결과의 상호보완적 해석기법 ...78
• 5. 응력～변형특성의 정식화 ...104
• 6. 지반재료의 비선형 탄성거동 및 수치해석 ...154
• 7. 실제 지반에의 적용 및 효용성...191
• 제3절 연구결과 ...198
• 1. 실내 정밀삼축압축실험 및 벤더 엘리먼트 시험 결과 ...198
• 2. 원위치조건을 고려한 지반재료의 변형특성 평가방법 ...199
• 3. 압축강도와 변형계수와의 관계 ...201
• 4. 실내시험 결과와 원위치시험 결과의 상호보완적 해석기법 ...202
• 5. 응력～변형특성의 정식화 ...203
• 6. 제안된 모델의 해석상 효용성 분석 ...204
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ...206
• 제1절 연구개발목표의 달성도 ...206
• 제2절 관련분야에의 기여도 ...207
• 1. 기술적 측면에서의 기여도 ...207
• 2. 경제적.산업적 측면에서의 기여도 ...208
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...210
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...211
• 제7장 참고문헌 ...214