Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. 30 September 2023. 47-59
https://doi.org/10.12814/jkgss.2023.22.3.047

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 시험 재료

  •   2.2 시험 방법

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 압축 및 투수특성

  •   3.2 응력-변형 특성

  •   3.3 수치해석 결과 분석

  •   3.4 SC의 압밀대상층 적용성 평가

  • 4. 결 론

1. 서 론

연약 사질토층이 분포하는 연약지반 개량 현장에서 발생되는 장기침하 및 과다침하의 원인으로 분석되는 SC의 물리․역학적 특성과 관련하여 일부 현장에서 계측자료를 활용하여 역해석을 통한 재설계를 수행하고 있지만, 세립분 함유량에 따른 세립질 모래(SC)의 압밀대상층 분류를 위한 역학적 특성에 대한 기준은 정립이 되어 있지 않은 상태이다(Kim, 2018).

모래에 점토로 구성된 세립분이 혼합될 때 일정 혼합비까지는 흙의 거동은 모래에 의해 결정되지만 세립분의 함유율이 증가함에 따라 세립분은 모래입자 사이의 간극을 채워나가며 일정 함유율 이상이 되면 모래입자 접촉면이 세립분 입자들에 의해 둘러 싸여져 모래 입자들을 분리시켜 전체적인 흙의 강도특성이 변하게 된다. 이와 같이 모래-세립분 혼합토의 강도특성을 구명하기 위해서는 무엇보다도 세립분 함유율이 변화함에 따라 모래의 성질에서 세립분의 성질로 전환되는 현상, 즉 전환 세립분 함유율(Threshold Fines Content, Fthc)을 정량적으로 제시하는 것이 중요하다(Kim, 2018).

전환 세립분 함유율과 관련한 국내외 연구동향으로는, 주로 전환 세립분 함유율을 기준으로 세립분 함유율이 적은 모래측 골격구조를 파악하기 위해서 Mitchell(1977)Kenny(1977)가 제안한 골격간극비(Granular void ratio)를 바탕으로 등가 골격간극비(Equivalent granular void ratio), 실트 골격간극비(Silt Granular void ratio) 개념 등이 제안되어 모래-세립분 혼합토 강도특성 평가에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Kim et al., 2012).

Dafalla(2013)는 점토 함유량과 함수비 변화에 따른 직접전단시험의 신뢰성을 연구하기 위해 모래에 점토 함유량을 0, 5, 10, 15, 100%까지 혼합하여 각 공시체에 함수비를 변화시키면서 직접전단시험을 실시한 결과 점토 함유량 증가에 따라 점착력이 증가하였으며, 함수비가 증가함에 따라 내부마찰각과 점착력이 모두 감소한다고 하였다(Kim, 2018). Park and Nong(2014)은 모래 함유량을 증가시키면서 직접전단시험을 실시하여 점토-모래 공시체의 내부마찰각과 점성토의 변화를 측정한 결과 점토 내 모래 함유량이 증가함에 따라 점착력은 감소하고 내부마찰각은 증가함을 확인하였다.

Kim et al.(2016)은 낙동강 하구 델타지역 상부에 넓게 분포하는 상부 퇴적토인 실트질 모래(SM)의 세립분 함유율 및 상대밀도 변화에 따른 전단강도 특성을 고찰하고 재 성형한 실트질 모래의 직접전단시험 결과 상대밀도가 높아질수록 내부마찰각 및 점착력은 미소하게 증가하지만 그 영향은 크지 않은 반면에 모래에 세립분이 증가할수록 내부마찰각은 감소하고 점착력은 선형적으로 증가하여 세립분 함유율이 실트질 모래의 강도특성에 큰 영향이 있는 것을 확인하였다.

기존 연구들은 모래-실트-점토를 혼합한 인공시료 및 현장시료를 이용하여 세립분 함유율에 따른 모래의 구조적 특성, 압축 및 강도특성 고찰을 통한 모래에서 점토로의 특성으로 전환되는 전환 세립분 함유율을 제시하는 연구가 대부분이다. 그러나 실제 실무에서 흙의 공학적 분류 기준으로 제시되고 있는 통일 분류법상 모래-세립분 혼합토인 점토질 모래와 관련된 연구는 미미한 실정이다(Kim, 2018).

본 연구에서는 점토질 모래(SC)를 대상으로 실내시험을 수행하여 물리적 특성, 압밀/투수 특성, 응력-변형 특성을 분석하고, 세립분 함유량에 따라 모래에서 점토로 흙의 역학적 성질이 변화되는 전환 세립분 함유율을 도출하였다. 또한 현장 적용성 평가를 위해 실제 과다침하로 인하여 문제가 발생된 연약지반 개량 현장의 계측자료를 수집하여 실내시험 및 수치해석 결과를 바탕으로 도출된 침하특성과 현장에서 계측된 실제 침하특성을 비교·분석하여 SC의 압밀 대상층 적용성 평가를 수행하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 시험 재료

2.1.1 모래

모래의 경우 본 연구에서는 입도분포가 양호한 ISO 679 표준사를 사용하여 입도 시험(KS F 2302)을 실시하였다. Fig. 1은 ISO 679 표준사를 입도시험한 결과를 입경가적곡선으로 나타낸 것이며, 곡률계수(Cg)=0.89, 균등계수(Cu)=2.49로 입도분포가 양호함을 확인하였다.

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Fig. 1

Grain size distribution curves of sand

2.1.2 세립분

본 연구에서는 세립분 재료를 선정하기 위해 경기도 안산시 건설현장에서 채취한 점토와 세립분의 표준재료로 널리 활용되는 카올리나이트를 대상으로 물성 시험을 통해 선정하였다. Table 1은 카올리나이트 3종 점토시료를 대상으로 애터버그한계 시험을 수행한 결과로서 통일분류법상 SC분류기준은 세립분 함유율 12%~49%이면서 소성지수(PI)가 7이상인 kaolinite-2를 선정하였다.

Table 1.

Sample selection test (Atterberg limits)

Fine Fine contents (%) Liquid Limit (WL) Plastic Limit (Wp) Plastic Index (Ip) Judgment
Kaolinite-1 49 24.3 21.1 3.2 N.G
Kaolinite-2 15 18.0 10.4 7.6 O.K
Kaolinite-3 15.4 11.7 3.7 N.G

2.1.3 모래-세립분 혼합토

점토질 모래(SC)의 물리적·역학적 특성을 구명하기 위하여 통일분류법(USCS)에서 제시되고 있는 세립분 함유율 12%∼49% 범위의 혼합토를 조성하였다. 점토질 모래의 세립분 함유율(Fc)을 15% ~ 49%로 총 8 Case에 대하여 실험하였으며, 모래-세립분 혼합비는 Table 2와 같다.

Table 2.

Sand-fines mixing ratio

Type Case Sand-fines mixing ratio (%)
Sands Fines
SC 1 85 15
2 80 20
3 75 25
4 70 30
5 65 35
6 60 40
7 55 45
8 51 49

2.2 시험 방법

2.2.1 공시체 제작

본 연구에서는 N치 10이하의 연약한 세립질 모래를 재현하기 위해 상대밀도(Dr)=40%로 설정하고 5회 시험을 실시하여 평균값을 구한 결과 최대건조밀도(γdmax)=18.03kN/m3, 최소건조밀도(γdmin)=15.55kN/m3, 상대밀도(Dr)=40%의 건조밀도는 16.41kN/m3로 나타났다.

Table 3은 표준압밀시험과 삼축압축시험 공시체 제작에 필요한 모래와 세립분의 중량이다.

Table 3.

Sand-fines mixing ratio

Test Mixture rate by weigh (%)
(Sand:Fines)
Sample weight
Sand (g) Fines (g)
Standard consolidation test 100:0 92.8 -
85:15 78.9 13.9
80:20 74.3 18.6
75:25 69.6 23.2
70:30 65.0 27.8
65:35 60.3 32.5
60:40 55.7 37.1
55:45 51.1 41.8
51:49 47.3 45.5
Triaxial compression test 100:0 322.3 -
85:15 274.0 48.3
80:20 257.8 64.5
75:25 241.7 80.6
70:30 225.6 96.7
65:35 209.5 112.8
60:40 193.4 128.9
55:45 177.3 145.0
51:49 164.4 157.9

2.2.2 삼축압축시험

본 연구에서는 세립분 함유량에 따른 혼합토를 대상으로 총 8 Case에 삼축압축시험을 진행하였으며, 시험을 통해 혼합토의 응력경로 및 강도정수, 응력-변형율 관계 등을 구하여 세립분 함유량에 따른 혼합토의 강도특성을 비교·분석하였다.

2.2.3 표준압밀시험

본 연구에서는 모래와 세립분 혼합율에 따라 총 8 Case에 대해 표준압밀시험을 실시하였다. 표준압밀시험의 하중은 5kP ~ 1,280kPa까지 총 9단계에 걸쳐 단계별 24시간 동안 하중을 재하하고, 압밀 종료 후 320kPa, 80kPa, 10kPa의 3단계로 단계별 24시간 동안 하중을 재하 후 시험을 종료하였다.

2.3 수치해석을 통한 압밀침하 특성

2.3.1 수치해석 방법

점토질 모래(SC)의 세립분 함유율에 따른 압밀침하 특성을 분석하기 위해 세립분 합유율을 15%~49%로 변화시키며, 총 8 Case의 혼합토를 대상으로 압밀침하 해석을 수행하고, 함유율에 따른 시간, 침하량, 압밀도의 관계 특성을 비교·분석하였다.

압밀침하해석 방법은 대표적 압밀이론인 Terzaghi 1차원 압밀이론 및 유효응력과 공극율을 통해 거동에 어떤 영향을 미치는지 고려하여 다양한 하중 조건에서 토양의 변형과 강도를 예측하는데 적합한 Modified Cam Clay 이론을 적용한 GTS NX 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행 하였다. 각 Case의 해석결과에서 압밀침하량, 압밀도 도달시간 등을 비교 분석하여, 세립분 함유율에 따른 지반의 변화 특성을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 압축 및 투수특성

3.1.1 압축특성

표준압밀시험을 통해 세립분 함유율에 따른 SC의 압축특성을 Table 4와 같이 정리하였다. Fig. 2는 SC의 세립분 함유율(Fc)에 따른 e-log P곡선을 나타낸 것으로, 압밀하중이 증가 할수록 세립분 함유율 25%이상부터 간극비의 감소폭이 증가하며 40%부터 급격하게 간극비가 변화하였다.

Table 4.

Standard consolidation test by load step

Consolidation
pressure (kPa)
SC (void ratio, e)
Fc=15% Fc=20% Fc=25% Fc=30% Fc=35% Fc=40% Fc=45% Fc=49%
5 0.606 0.605 0.601 0.598 0.597 0.596 0.596 0.594
10 0.587 0.573 0.576 0.568 0.553 0.561 0.567 0.570
20 0.577 0.557 0.549 0.542 0.542 0.536 0.543 0.548
40 0.564 0.532 0.513 0.505 0.523 0.510 0.506 0.518
80 0.549 0.507 0.480 0.472 0.486 0.477 0.464 0.472
160 0.532 0.478 0.446 0.438 0.452 0.424 0.428 0.435
320 0.513 0.450 0.411 0.402 0.404 0.369 0.379 0.385
640 0.490 0.418 0.373 0.361 0.360 0.315 0.318 0.334
1280 0.462 0.382 0.329 0.318 0.313 0.255 0.256 0.264
320 0.426 0.339 0.279 0.265 0.259 0.193 0.188 0.194
80 0.451 0.365 0.307 0.295 0.284 0.222 0.217 0.224
10 0.469 0.384 0.327 0.314 0.305 0.243 0.243 0.247

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Fig. 2

e-log P Curves (SC)

세립분 함유율 15%~20%의 경우 압밀하중 증가에 따라 간극비의 변화 패턴이 다른 거동특성을 보였으나, Fc=25% 이상부터는 압밀하중별 간극비의 변화 패턴이 유사한 경향을 나타났다.

Table 5는 SC의 세립분 함유율에 따른 압축지수 결과로 SC의 압축지수는 세립분 함유율이 증가함에 따라 증가하였으며, 세립분 함유율 25%를 기준으로 이전에는 압축지수가 큰 폭으로 증가하다가 이후부터는 10% 내외로 증가하였다.

Table 5.

Compression index (Cc) calculation by fines content (SC)

Soil Fines content (Fc) Clay sand (SC)
Compression index
(Cc)
15% 0.103
20% 0.119
25% 0.167
30% 0.171
35% 0.194
40% 0.222
45% 0.243
49% 0.263

Fig. 3은 세립분 함유율에 따른 SC의 압축지수 관계를 선형회귀분석한 것으로 정식화한 결과는 식 (1)과 같으며, 상관계수 R2= 0.947이다.

(1)
Cc=0.0341+0.0047(Fc)sc

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Fig. 3

Comparison of compression index (Cc) by fines content in SC

3.1.2 압밀 및 투수특성

Table 6은 SC의 세립분 함유율(Fc)에 따른 압밀계수 산정결과로 압밀계수의 경우 세립분 함유율이 증가할수록 감소하는 경향을 나타냈다. Table 7은 투수계수(k)를 세립분 함유율에 따른 산정 결과로 투수계수는 압밀계수 결과와 유사하게 세립분 함유율이 증가할수록 감소 경향이 나타났다.

Table 6.

Coefficient of consolidation (Cv) calculation by fine content (SC)

Soil Fines content
(Fc)
Clay sand
(SC)
Coefficient of Consolidation,
Cv (cm2/sec)
15% 0.0191
20% 0.0180
25% 0.0161
30% 0.0133
35% 0.0137
40% 0.0100
45% 0.0078
49% 0.0052
Table 7.

Coefficient of permeability (k) by fines content (SC)

Soil Fines content
(Fc)
Clay sand
(SC)
Coefficient of Permeability,
k (cm/sec)
15% 1.94E-06
20% 1.59E-06
25% 1.70E-06
30% 1.13E-06
35% 1.12E-06
40% 8.93E-07
45% 6.48E-07
49% 4.28E-07

Fig. 4는 세립분 함유율에 따른 SC의 압밀계수 변화를 나타낸 것으로 Fc=15%~25%의 범위에서는 Cv 값이 선형적으로 감소했으나, Fc=25%이상부터는 급격하게 Cv가 감소하였다.

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Fig. 4

Coefficient of consolidation (Cv) by fines content in SC

Fig. 5는 SC의 세립분 함유율에 따른 투수계수의 관계를 나타낸 것으로 압밀계수의 변화와 동일하게 Fc= 25%이상부터 급격하게 k가 감소하는 경향을 보였으며, Fc=15%에서 49%로 증가에 따른 투수계수 감소율은 약 55%로 나타났다.

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Fig. 5

Coefficient of permeability (k) by fines content in SC

선형회귀분석한 결과 식 (2), (3)과 같이 상관계수(R2)는 압밀계수(Cv)의 경우 0.968, 투수계수(k) 0.956으로 양호한 선형성을 보이며, SC의 압밀계수 및 투수계수는 세립분 함유율이 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.

(2)
Cv=0.0259-0.0004T(Fc)sc
(3)
k=3E-06-4E-8(Fc)sc

3.2 응력-변형 특성

3.2.1 응력-변형율 특성

Table 8은 SC의 구속응력 100kPa, 200kPa, 300kPa일 때의 세립분 함유율에 따른 최대축차응력-축변형율 관계 및 축차응력-변형율 관계를 나타낸 것이다. 세립분 함유율이 20%이하에서의 축차응력 최대값은 축변형율 약 1.17~3.35%에서 나타났으며, 변형율이 증가할수록 변형율 연화(strain softening)거동을 보였다.

Table 8.

Maximum deviatoric stress and fracture strain by fines content (SC)

Division

Fines content
(Fc)
Confining pressure
100kPa 200kPa 300kPa
Maximum Deviator
stress, q (kPa)
Fracture Strain,
εf (%)
Maximum Deviator
stress, q (kPa)
Fracture Strain,
εf (%)
Maximum Deviator
stress, q (kPa)
Fracture Strain,
εf (%)
15% 53.69 1.17 101.32 1.06 154.00 1.81
20% 72.21 2.03 134.70 2.89 192.47 3.35
25% 54.87 1.72 107.88 2.63 162.63 14.41
30% 69.29 14.42 129.74 14.73 179.41 11.66
35% 86.90 14.82 138.77 14.64 195.72 14.75
40% 92.43 11.26 156.41 14.90 212.28 10.37
45% 98.65 14.95 175.03 15.02 230.12 14.28
49% 110.94 13.98 188.80 11.55 262.26 11.70

Fc=25%에서 구속압 100kPa, 200kPa에서는 변형률이 증가하면서 연화거동을 나타냈으며, 구속압 300kPa의 경우에는 변형율이 증가함에 따라 경화거동 특성을 보였다. 또한 Fc=30%~45%에서는 초기 변곡점이 축변형율 2~3%에서 형성한 후 축차 응력이 증가하는 변형율 경화(strain hardening) 거동특성을 보였다. 반면 Fc=49%에서 구속압 100kPa의 경우 변형율 경화거동특성을 보였으며, 200kPa, 300kPa의 경우 최대 축차응력이 축변형율 약 11.60%에서 나타났으며 이후 연화특성을 보였다.

Fig. 6은 세립분 함유율에 따른 구속압력별 응력-변형율 관계로 구속압 및 세립분이 증가할수록 첨두강도가 증가하였하며, 구속압 100kPa 일 때의 응력-변형율 거동은 세립분 함유율 25% 이상에서 경화적인 특성을 보였으나, 구속압이 증가할수록 세립분 함유율 25% 이상에서 변형율 경화 특성이 크게 나타났다.

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Fig. 6

Deviator stress and axial strain relationship by fine contents (SC)

3.2.2 간극수압-변형율 특성

Table 9는 간극수압-변형률 관계 및 파괴시 간극수압을 세립분 함유율에 따라 나타낸 것으로, 세립분 함유율 20%이하에서는 구속압 100kPa, 200kPa에서 변형율 증가와 함께 과잉간극수압이 미소하게 감소하거나 수렴되는 경향을 보였으나, 구속압 300kPa은 과잉간극수압이 증가하는 것으로 나타났다. 세립분 함유율 25%의 경우 구속압이 변형율 증가에 따라 수렴하였으며 과잉간극수압의 증가 또는 감소하는 경향은 나타나지 않았다. 반면에 세립분 함유율 30% 이상인 경우에는 구속압 및 세립분함유율이 증가할수록 과잉간극수압의 감소폭은 크게 나타나는 경향을 보였다.

Table 9.

Pore water pressure at failure (uf) by fines content (SC)

Division
Fines content (Fc)
Pore water pressure at failure, uf (kPa)
Confining pressure
(100kPa)
Confining pressure
(200kPa)
Confining pressure
(300kPa)
15% 94.4 171.7 248.7
20% 82.0 152.3 221.7
25% 80.2 144.6 207.9
30% 65.1 126.2 201.0
35% 60.5 133.6 169.4
40% 59.1 124.4 183.2
45% 58.5 116.8 177.1
49% 59.1 110.7 156.9

Fig. 7은 구속압별 응력-간극수압관계를 세립분 함유율에 따라 나타낸 것으로 세립분 함유율과 구속압 증가에 따라 과잉간극수압의 감소 경향이 나타나며, 구속압이 증가할수록 세립분의 영향이 크게 나타남을 알 수 있다. 또한 파괴 시 간극수압은 세립분 함유율 25% 이상에서 감소하는 경향을 보여 사질토에서 점성토로의 특성 전환이 나타나는 전환 세립분 함유율(Fcth) Fc=25%인 것으로 판단된다.

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Fig. 7

Porewater pressure and axial strain relationship by fine contents (SC)

3.3 수치해석 결과 분석

3.3.1 1차원 압밀이론에 의한 침하해석 결과 분석

Fig. 8은 1차원 압밀이론에 의한 점토질 모래의 세립분 함유율에 따른 압밀도-침하량, 시간-침하량 해석 결과로 세립분 함유율이 증가함에 따라 압밀시간 및 침하량이 증가하는 것으로 나타났다.

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Fig. 8

1D consolidation theory comparison result (SC)

Table 10은 세립분 함유율에 따른 총 침하량과 압밀도 99% 도달시간을 나타낸 것으로 세립분 함유율이 15%일 때 37.30cm에서 49%일 때 96.16cm으로 증가하였으며, 압축특성의 경우 세립분 함유율이 증가함에 따라 비례하여 증가하였다. 또한 세립분 함유율 25%에 침하량 변화가 변곡점으로 나타나는 경향을 보였다. 이는 SC의 전환세립분 특징이 25%부터 나타나는 것을 알 수 있다.

Table 10.

Total settlement U=99% Consolidation Time and of 1D consolidation theory

Fines content, Fc (%) sc
Total settlement (cm) Total settlement (cm)
15 37.30 37.30
20 43.14 43.14
25 60.60 60.60
30 62.27 62.27
35 70.80 70.80
40 81.09 81.09
45 88.68 88.68
49 96.20 96.20

세립분 함유율에 따른 압밀도 99%에서 압밀시간은 세립분 함유율이 증가함에 따라 점차로 증가하는 것으로 나타났다. 세립분 함유율 25%이상에서 압밀시간이 급격하게 증가하였으며, 전환 세립분 25%부터 변형률 연화(Strain softening)에서 변형률 경화(Strain hardening)로의 거동특성의 변화가 나타났다.

3.3.2 Modified Cam Clay Model에 의한 수치해석 결과 분석

Modified Cam Clay Model에 의한 시간-침하량, 압밀도-침하량 압밀침하 해석결과 Fig. 9 ~ Fig. 10과 같이 압밀시간 및 침하량은 세립분 함유율이 증가할수록 점증적으로 증가하는 경향을 보였다.

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Fig. 9

Analysis result of modified cam clay model (SC)

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Fig. 10

Modified cam clay model comparison result (SC)

Table 11은 세립분 함유율에 따른 총 침하량과 압밀도를 나타낸 것으로 침하량은 Fc=15%에서 36.54cm, Fc=49%에서 96.87cm로 세립분 함유율이 증가할수록 침하량이 큰 경향을 나타냈으며 세립분 함유율 25%에서 침하량 변화가 큰 것으로 나타났다.

Table 11.

Total settlemen and consolidation time of modified cam clay model

Fines content, Fc(%) SC
Total settlement (cm) U=99% Consolidation Time, t (day)
15 36.54 1,178
20 42.84 1,053
25 60.64 1,153
30 62.36 1,275
35 72.07 1,284
40 82.17 1,815
45 89.77 2,446
49 96.87 3,559

압밀도의 경우 Fc=15%일 때 1,178일에서 Fc=49%일 때 3,559일로 증가하였으며, 세립분 함유율 25%에서 압밀시간 변화의 변곡점을 나타냈으며, 세립분 함유율 25%이상에서 압밀시간에 따른 전환 세립분 함유율의 특징이 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 압밀계수가 동일 적용된 1차원 압밀이론에서의 결과와 유사하다.

3.4 SC의 압밀대상층 적용성 평가

Fig. 11은 연약지반 현장의 계측기 설치 단면도로서 지표면 침하판(S), 간극수압계(P), 층별 침하계(E), 경사계(I), 지하수위계(W) 설치 위치를 현황을 나타낸다. Table 12Fig. 12는 구간별 성토높이(Zone 1 H=4.5m, Zone 2 H=3.0m)에 따른 지표면 침하판을 통한 성토 및 방치기간 중에 발생된 침하량 분석 결과이다. Zone 1의 경우 성토초기에는 침하가 미소하나 최종성토 이전에 급격한 침하가 발생하는 경향을 보였으나 Zone 2는 성토시 침하가 대부분 발생하는 것으로 나타났다.

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Fig. 11

Soft ground measuring placement

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Fig. 12

Settlement tendency by zone

Table 12.

Measurement results of settlement extensometer and surface settlement pin

Section Measuring instrument number Height of
embankment (m)
Measurement
settlement (cm)
Zone1 Surface settlement plate S-12-30 (L) 4.5 70.6
S-12-31 (C) 4.5 88.4
S-12-32 (R) 4.5 80.6
Average 79.9
Zone2 Surface settlement plate S-13-1 (L) 3.0 82.9
S-13-2 (C) 3.0 94.4
S-13-3 (R) 3.0 94.3
Average 90.5

Table 13은 검토구간(Zone)의 계측(실측)침하량을 이용하여 쌍곡선법(Hyperbolic method), Hoshino법(t법), Asaoka법으로 최종침하량을 예측한 결과이다.

Table 13에서 Zone 1: 3.3~3.7cm, Zone 2: 3.9~7.6cm의 잔류침하가 발생되는 것으로 예측되었으며, 연약점성토가 분포하는 Zone 2의 상대적으로 시공 후 침하량이 큰 것으로 나타나며 이는 2차 압밀침하량 발생으로 인한 것으로 판단된다.

Table 13.

Predicted final settlement (Zone1, 2)

Section Measuring instrument number Predicted final settlement, <italic>S<sub>f</sub></italic> (cm)
Hyperbolic method Asaoka Method Hoshino Method Average
Zone1 Surface
settlement pin
S-12-30 (L) 72.8 72.6 77.5 74.3
S-12-31 (C) 90.7 90.1 94.2 91.7
S-12-32 (R) 82.2 81.8 82.1 82.0
Average 82.7
Zone2 Surface
settlement pin
S-13-1 (L) 91.5 86.7 92.7 90.4
S-13-2 (C) 100.6 99.5 101.1 100.4
S-13-3 (R) 95.5 99.2 98.2 97.6
Average 96.1

Table 14는 Zone별 세립분 함유율에 따른 선형회귀식 및 실내시험 결과로 SC의 압밀대상층 여부를 판단하기 위해 침하량 산정을 위한 지반정수는 당초 설계의 지반조사보고서를 참고하여 적용하였다. 압밀침하량 산정방법은 SoilWorks V.4.6.0 수치해석 프로그램을 사용하여 산정하였으며, 당초 설계와 동일하게 Terzaghi의 1차원 압밀이론을 기본으로 하였다. Fig. 13은 구간(Zone)별 수치해석 지반 모델이며, 침하량은 중앙부에 설치된 지표침하계 위치에서 측정하였다.

Table 14.

Physical properties of soft ground (Zone1, 2)

Section Soil Fcγt (kN/m3) γsat (kN/m3) e0Cc△p (kN/m2)
Zone1
~
Zone2
SC 43.4 17.0 18.0 0.597 0.238 85.5
CL 80.7 17.0 17.0 1.250 0.427

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Fig. 13

Numerical analysis modeling (Zone1,2)

Table 15는 SC의 압밀 대상층 적용성 평가결과로 SC를 모래층으로 검토한 예측침하량은 시공 중 계측침하량의 평균 48.8%의 침하가 발생되는 것으로 나타났으며, 반면에 실내 시험 결과를 바탕으로 점토질 모래를 압밀 대상층으로 적용하여 침하량을 분석한 결과, 계측한 침하량과 거의 일치하도록 평균 91.2%의 침하가 발생하는 것으로 나타났다.

Table 15.

Evaluation of applicability of SM, SC consolidation layer

Section Design predicted
settlement (cm)
[A]
Measurement
settlement (cm)
[B]
SC consolidation target layer applied Settlement (cm)
[C]
[B][A]×100 (%) [B][C]×100 (%)
Zone1 56.5 82.7 78.4 68.3 97.8
Zone2 56.5 96.1 78.4 58.8 81.6
Average 48.8 91.2

Fig. 14는 현재 사용되고 있는 설계 기준에 따라 점토질 모래(SC)와 점성토를 포함하여 압밀 대상층을 평가한 결과, 계측한 침하량과 점토질 모래를 포함한 침하량이 매우 유사하게 나타났다. 이는 전환 세립분 함유율(Fcth) 이상의 SC를 포함하는 압밀 대상층은 설계 기준에서 제시된 즉시침하보다는 압밀침하 경향이 우세하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 연약지반 설계에서 압밀 대상층을 판정할 때, SC의 압밀침하 가능성을 고려하는 것이 필요하며, SC를 포함한 연약지반의 판정 기준을 더 세분화하여 정립하는 것이 필요하다.

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Fig. 14

Evaluation results of applicability of SC to consolidation target layer

4. 결 론

본 연구에서는 점토질모래의 세립분 함유율에 따른 압밀이론 및 수치해석별 압밀도-침하량, 시간-침하량의 관계 특성을 분석하고, 이를 바탕으로 점토질 모래의 연약지반개량 현장 데이터를 통해 점토질모래의 압밀대상층 적용성 평가를 수행하였으며. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

1. SC의 압축특성 분석결과 세립분 함유율 25%이상에서 간극비의 감소폭이 급격히 증가하며, 압축지수는 세립분 함유율이 증가할수록 선형적으로 증가하고, 세립분 함유율(Fc)이 증가할수록 투수계수(k)와 압밀계수(Cv)는 감소하여 점토입자의 세립분 함유율이 흙의 압밀 특성 변화와 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.

2. 세립분 함유율(Fc)에 따른 응력-변형율 변화를 분석한 결과 세립분이 증가할수록 변형률 연화에서 정규압밀 점성토 특성인 변형률 경화로 변화되는 양상을 나타냈다.

3. 압밀도가 99%가 도달하는 압밀시간을 분석한 결과, 세립분 함유율이 증가함에 따라 압밀시간이 증가하고, 세립분 함유율 25%이상일 때 변곡점을 나타내는데, 이는 전환 세립분 함유율(Fc) 특성을 나타내는 지점으로 판단된다.

4. 연약지반 현장의 수치해석을 통해 전환 세립분 함유율 Fc=25%이상의 점토질 모래를 압밀 대상층으로 적용한 경우, 침하량이 계측침하량 대비 평균 91.2%로 거의 일치하는 결과를 확인하였으며, 연약지반 설계에서 압밀대상층 범위 선정 시 전환 세립분 함유율 이상의 점토질 모래는 연약지반에 포함하여 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by National Research Foundation of Korea Grand Funded by the Korean Government(C1016725002).

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