ISSN 1229-2427 http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2012.28.11.41 한국지반공학회논문집 제28권 11호 2012년 11월 pp. 41 ～ 52
개별진공압밀공법이 적용된 점성토의 단계진공압에 따른 압밀특성
The Consolidation Characteristics of Soft Clay by Stepped Vacuum Pressure in Individual Vacuum Method
한 상 재1 Han, Sang-Jae 김 종 석2 Kim, Jong-Seok 김 병 일3 Kim, Byung-Il 김 도 형4 Kim, Do-Hyung
Abstract
Suction drain method can directly apply vacuum pressure to the soft ground through vertical drains so it can make hardening zones around them. These hardening zones make steeply lower the discharge efficiency of the pore water with decreasing permeability. This paper considered a stepped vacuum pressure to minimize a hardening zone which is one of the important parameters that can decrease discharge efficiency. A series of laboratory tests were conducted in order to examine the effect of the hardening zones and to evaluate their effects to the ground improvements with varying durations which applied stepped vacuum pressures(-20kPa, -40kPa, -60kPa and -80kPa) with Busan marine clay.
According to strength(CPT), water content test and theoretical investigation indicate a size of the hardening zone within 7cm and the decreasing ratio of permeability about 2.0～4.0. Also, the total settlements are larger for the stepped vacuum pressure than the instant vacuum loading. The application time with vacuum pressure is determined considering the geotechnical properties of the interested clays. Results of numerical analysis show that consolidation behavior is appropriate to measurement for considering hardening zones.
요 지
석션드레인공법은 연직배수재를 통해 연약지반에 직접 진공압을 가하게 되므로 진공압에 의해 배수재 주변의 경화 영역이 형성된다. 이러한 경화영역은 지반의 투수성을 저하시켜 간극수 배출 효율이 급격히 저하된다. 본 연구에서는 배수효율을 저하시키는 요인 중 하나인 경화영역을 최소화하기 위해 단계 진공압을 고려하였다. 단계 진공압(-20kPa, -40kPa, -60kPa, -80kPa) 적용 기간이 경화영역과 지반개량 효과에 미치는 영향을 평가하기 위해 부산 해성 점토를 대상으로 단계별로 진공압 적용일자를 달리하여 실내시험을 수행하였다. 강도(CPT) 및 함수비 시험과 이론적 검증을 통해 경화영역의 범위는 약 7.0cm 이내이고, 경화영역 내에서의 투수계수 저하비는 약 2.0～4.0으로 평가되었다. 또한, 일괄적인 진공재하방식보다는 단계재하방식이 최종침하량 측면에서 더 우수한 것으로 나타났으며, 단계별 진공압의 적용기간도 대상 점토의 특성을 고려하여 결정되어야 함을 보였다. 수치해석 결과 경화영역을 고려하는 것이 실측값 에 유사한 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.
Keywords : Consolidation characteristics, Suction drain method, Hardening zone, Numerical analysis
1 정회원, (주)지구환경전문가그룹 대표이사 (President, Expert Group for Earth and Environment, Tel: +82-31-478-4105, Fax: +82-31-478-4115, hansj@ege.co.kr, 교신저자) 2 정회원, 현대산업개발 토목설계팀 부장 (General Manager, Hyundai Development Company)
3 정회원, (주)지구환경전문가그룹 기술연구소 선임연구원 (Senior Reseacher, Research Institute, Expert Group for Earth and Environment) 4 비회원, (주)지구환경전문가그룹 기술연구소 연구원 (Reseacher, Research Institute, Expert Group for Earth and Environment)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2013년 5월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
(a) In-situ state (b) Vacuum preloading (c) After consolidation Fig. 1. Mechanism of suction drain method
1. 서 론
일반적인 압밀촉진공법(성토재하공법, 연직배수공 법)의 경우, 성토하중으로 인한 작업량 및 공사비의 상 승, 시공깊이의 제한, 부등침하, 전단파괴 등 여러 가지 문제를 야기할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 Kjellman에 의해 진공압밀(대기압 재하)공법이 제안되 었지만 최대 진공압, 기밀시트의 파손 및 공사비 등의 문제로 적용 빈도가 많지 않았다(Han et al., 2008). 그러 나, 2000년대부터 진공펌프, 기밀시트 및 기수분리탱크 등 관련 기술의 발전으로 대기압 재하 방식의 문제점을 극복한 개별 진공압 재하 방식의 공법이 개발되었다. 국 내에서도 2000년대 중반부터 개별진공압밀공법의 일종 인 석션드레인공법이 개발되어 현장 적용단계에 이르 렀다.
석션드레인공법은 저투수성 원지반을 기밀층으로 이 용한 기밀시트가 필요 없는 개별 재하 방식의 진공압밀 공법으로 유공/무공의 교차구조를 통한 기밀층 확보 및 샌드층 등 지반 불확실성에 대해 탄력적으로 대처할 수 있으므로 복잡한 지반조건에서도 기밀성을 확보할 수 있다. 또한 석션드레인공법은 배수저항 및 꺾임에 유리 한 변형 순응형의 나선 원통형 배수재를 기밀커넥터에 삽입하여 결속시킴으로써 진공압의 누기 및 효율을 극 대화 시킬 수 있다(Kim et al., 2009).
이상과 같이 대기압 재하 방식의 진공압밀공법과 개 별 재하 방식의 석션드레인공법은 모두 진공압을 이용 한다. 그러나 준설토를 진공압밀 시키면 준설토속의 물 과 공기가 제거되면서 흙입자가 재배열되어 간극비가 감소하게 된다. 따라서 진공압을 직접적으로 받는 면의 간극비가 급속히 줄어들어 투수계수가 줄어드는 경화 영역(Hadening Zone)이 형성되고, 진공압이 대상층으로 전달되지 못하게 되어 배수 효율이 저하된다. 이와 같은 경화영역의 형성을 방지하거나 최소화 할 수 있는 대책
마련이 대기압 또는 개별 재하 방식의 진공압밀공법에 서 필수 과제라 할 수 있다.
개별 재하 방식의 진공압밀공법 적용시 목표 진공압 에 대해 일괄재하 방식보다는 단계별 진공압 재하방식 이 경화영역을 최소화하고, 단계별 진공압 재하기간에 따라 배수효율에 영향을 미치는 것은 알려진 바 있다 (Lee, 2007). 이에 본 연구에서는 최근 개발된 개별 진공 재하방식의 석션드레인공법이 준설토에 적용되었을 경 우 경화영역의 형성 과정과 범위 및 이를 최소화 할 수 있는 방법 등을 실내 석션대형압밀시험과 수치해석을 통해 제시하고자 하였다.
2. 이 론
2.1 석션드레인공법의 메카니즘
일반적으로 선행하중재하공법의 경우 압밀 완료 후 전응력과 유효응력은 재하하중만큼 증가하게 된다. 반 면에, 석션드레인공법에서는 추가 전응력의 변화없이 진공압을 이용하여 대기압하의 간극수압을 감소시키기 때문에 증가하는 압밀하중(유효응력)은 간극수압의 감 소량(적용 진공압)과 같다(Fig. 1).
Fig. 2(a)에는 재하공법과 석션드레인공법의 적용시 이론적인 응력경로를 나타내었다. 선행하중재하공법에 의한 응력경로 ABC는 파괴포락선 근처에 존재하기 때 문에 항상 파괴의 가능성을 가지고 있다. 그러나 석션드 레인공법의 경우에는 진공하중에 의한 압밀촉진과 동 시에 석션압 크기의 응력이 최대주응력, 최소주응력에 같은 크기로 가해지기 때문에(등방압밀) 재하공법에서 처럼 AB경로를 따르지 않고 AD 경로를 따르게 되며, 파괴포락선으로부터 점점 멀어진다. 즉, 석션은 수직, 수평방향을 동시에 압축변형을 시킴으로써 전단에 의 한 활동 파괴가 발생하지 않는다.
ABC: Pre-loading
AD: Suction Drain K
f-Line (Failure Line)
K
O-Line
(a) Surcharge and vacuum preloading (b) Menard drain method and Suction drain method Fig. 2. Comparison between conventional method and suction drain method
Fig. 2(b)의 경우 대기압 재하 방식의 진공압밀공법과 개별 재하 방식의 진공압밀공법간의 차이를 개념적으 로 설명한 것이다. 대기압 재하 방식의 경우 지표에 수 평방향으로 샌드매트 및 기밀시트가 설치되어 지표가 진공상태가 되므로 대기압에 해당하는 하중이 지반에 연직으로 작용하게 되지만, 개별 재하 방식의 경우 연직 드레인에 직접적인 진공압이 적용되므로 하중이 수평 으로 작용하게 된다. 따라서 대기압 재하 방식보다 지반 내 진공압 전달속도가 빠르고 효율이 우수하며, 지반에 서 유입되는 간극수(배출수)를 직접 흡입하여 배출하기 때문에 배수저항이 작아 배수효율이 높다.
2.2 석션드레인공법의 압밀 해석
대기압 재하 방식의 진공압밀공법에서 경화영역이 형성될 수 있다는 연구 결과가 Cha(2003)과 Jang(2004) 에 의해 발표되면서, 이후 석션드레인공법에서도 동일 현상이 발생될 수 있음이 Kim(2008)에 의해 제시되었 다. 특히, Kim(2008)의 경우 실제 발생되는 경화영역의 범위를 수치적으로 유추하기 위해, 연직배수공법에서 적용되고 있는 Hansbo(1981)의 방사형 압밀이론을 변형 하여 이용하였으며, 식 (1)～(5)과 같이 경화영역을 평 가하는 방법을 제안하였다.
exp
(1)
(2)
(배수재 간격에 관한 영향계수) (3)
ln
(Hardening Zone 효과에 의한 영향계수) (4)
(배수저항에 의한 영향계수) (5)
여기서,
: 시간계수(
), : Hardening Zone에 의한 투수계수의 감소비, : 간격비 (=), : Hardening Zone의 직경, : 드레인의 직경, : 배수재의 등가직경, : 배수재의 통수능 (=),
: Hardening Zone의 반경비 (= S), : 임의 깊이,
: 배수재의 길이 (일면배수 즉, 배수가 배수재의 한쪽 에서 발생할 경우. 단, 양면배수인 경우 H는 1/2값을 사용) 석션드레인공법의 압밀 해석은 일반 연직배수공법의 압밀 해석과 매우 유사하다. 다만, 석션드레인공법의 경 우 연직배수공법에서의 멘드렐의 관입 및 인발에 따른 교란영역 대신 경화영역의 영향을 고려해야 한다. 일반 적으로 교란영역은 멘드렐 직경의 2.0배 정도이며, 경화 영역은 3.0배 정도이기 때문에 경화영역을 고려하는 것 이라 판단된다.이상과 같이 진공압밀공법에서 필연적으로 발생되는 경화영역을 고려하지 않고 적용할 경우 설계 및 유한요 소 해석 결과가 실측치와 상이한 결과를 초래할 수 있으므
(a) Drain install (b) Sample (c) Vacuum system
(d) Measurement (e) Vacuum loading (f) Top plate remove
(g) Test points (h) CPT test (i) Water content test
Fig. 3. Laboratory test step of suction drain method
로 압밀해석시 반드시 고려되어야 할 인자 중 하나이다.
3. 실 험
3.1 시료 특성
본 시험에서는 사용된 시료는 부산 OO지구 준설토 투기장에서 해성점토를 채취하여 사용하였다. 현장에서 채취한 불교란 시료를 이용하여 실내시험을 실시한 결 과, 시료의 물리적인 특성은 액성한계 42.2%, 소성지수 16.7%, 비중 2.72, #200체 통과량은 약 95.2%로 확인되 었으며, 통일분류법에 의해 CL～CH로 분류된다. 또한, 압축지수 0.456, 초기간극비 1.972로 나타났다(BPA, 2009).
시료조성시 완전포화체로 재조성하면서 타설이 용이 하도록 액성한계보다 높은 함수비(72.4%)로 교반하여
사용하였다.
3.2 시험 방법
배수재는 포켓식 필터와 나선형 코어 구조를 가진 원 형으로 동일하게 사용하였다. 유/무공 구조를 육안으로 구분하기 위해 무공 부분(30cm)은 배수재를 제거하고 유공부위(70cm)만 필터를 남겨 배수재 타설시 기밀층 의 심도를 육안으로 구분하기 용이하도록 하였다. 시험 에 사용되는 시험기는 내경 50cm, 높이 100cm인 원통 형 철제로 제작되었다.
본 연구의 시험순서는 다음과 같다.
① 원통형 셀 내부에 배수재를 설치하고 커넥터로 수평배관과 연결한다. 이때 배수재를 설치하기 전
Table 1. Test conditions
Case No. Vacuum pressure(kPa) and duration(day) Case 1 20(1) → 40(1) → 60(1) → 80 Case 2 20(2) → 40(2) → 60(2) → 80 Case 3 20(3) → 40(3) → 60(3) → 80 Case 4 20(4) → 40(4) → 60(4) → 80
(a) Settlements (b) Discharge velocity
Fig. 4. Settlement and discharge velocity
에 필터에 존재할 수 있는 공기를 제거하기 위하 여 물속에 배수재를 방치하여 충분한 포화를 유 도한다(Fig. 3(a)).
② 현장에서 채취한 자연시료를 목표함수비 조건이 될 수 있도록 해수를 추가하고 충분히 교반한 후 셀 내부에 채우고 일정기간 동안 방치한다(Fig. 3(b)).
③ 상판을 설치하고 배관을 진공시스템과 연결한다 (Fig. 3(c)).
④ 상판에 다이얼게이지를 설치한다(Fig. 3(d)).
⑤ 극소의 진공압 조건에서 누기 및 배관상의 문제 를 확인한다.
⑥ 단계별 진공압을 적용하고 시간경과에 따른 침하, 배수량을 측정한다. 목표압밀도 도달시 시험을 종 료한다(Fig. 3(e)).
⑦ 시험종료 후 지반에 대한 콘관입시험과 함수비를 측정한다(Fig. 3(g～i)).
3.3 시험 조건
단계 진공압과 적용기간에 따른 개량효율 및 영향을 파악하기 위해 적용된 진공압 및 적용 일수는 Table 1과 같다. 최대 진공압(목표진공압)을 -80kPa으로 설정하고, 각각의 실험 조건에 따라 적용 기간을 달리하여 실험을 실시하였다.
배수재는 모두 동일하며 유/무공 구조를 육안으로 구 분하기 위해 무공 부분은 필터를 제거하고 유공부위만 필터를 남겨 배수재 설치 시 기밀층의 심도를 육안으로 구분하기 용이하도록 하였다. 침하량은 다이얼게이지를 통해 측정하였으며, 시험 종료 후 각 지점 별 콘관입저 항치를 측정하여 경화영역의 범위를 검토하였다.
4. 시험 결과 및 분석
4.1 침하 특성 분석
Fig. 4(a)는 적용 진공압을 Table 1의 조건으로 증가 시켰을 때 경과시간에 따른 침하량을 도시한 것이다. 실 험결과 3일씩 단계진공압을 증가시킨 Case 3에서 침하 량이 가장 크게 나타났다. 또한 -80kPa의 최종 진공압까 지 빨리 도달한 Case 1, 2의 경우 초기침하량은 크게 나 타났으나 시간이 경과함에 따라 Case 3에 비해 감소하 는 것으로 나타났다.
Fig. 4(b)는 Case 별 간극수의 유출 속도를 도시한 것 으로 단계별 진공압 적용시 낮은 진공압에서 높은 진공 압으로 상향기간을 급격히 올렸을 경우 초기 유출속도 는 증가하나 최종침하량 도달시 침하저감이 발생하는 것으로 나타났다. 이는 상향기간 및 완충 기간을 적절하 게 설정하고 이후 최대 진공압을 유지시키는 것이 배수 효율 측면에서 우수함을 나타내는 결과이다.
본 실험은 최종 압밀도에 도달하지 못한 상태에서 시 험이 종료된 바 각 Case별 최종 침하량을 예측하고자 하였다. 최종침하량 예측은 국내에서 가장 많이 활용되고 비교적 예측이 정확한 쌍곡선법, Asaoka 법 및 Monden의 시산법 등 3가지를 비교하였으며, 이중 결정계수(R2)가 가장 높은 Monden의 시산법(Monden, 1963) 예측결과
Table 2. Final settlements and degrees of consolidation
Case 1 Case 2
Final S. U R
2Final S. U R
2156.2mm 83.4% 0.9994 175.5mm 70.9% 0.9987
Case 3 Case 4
Final S. U R2 Final S. U R2
190.3mm 73.4% 0.9971 189.3mm 64.2% 0.9945
Fig. 5. Predicted final settlement and degree of consolidation
를 Table 2와 Fig. 5에 나타내었다.
Fig. 5는 최종 침하량과 압밀도를 나타낸 것으로, 단 계별 진공압의 적용기간이 증가할수록 침하량은 증가 하는 경향을 보였으며, Case 4의 경우 최종 침하량이 약 189.3mm로 190.3mm인 Case 3의 결과와 비슷한 양상을 나타내었다(Fig. 5). 이는 일정 적용기간 이상의 경우에 는 침하가 증가하지 않음을 나타내는 결과이다. 따라서 현장에서의 석션드레인공법의 적용은 단계 진공압의 적용기간에 대한 신중한 선택이 필요함을 알 수 있다.
4.2 실험을 통한 경화영역 평가
서론에서 언급한 바와 같이 경화영역은 고압의 진공 압이 배수재에 작용하게 되면 배수재 주변 지반이 급격 하게 압밀개량 되면서 형성된다는 것을 알 수 있다. 이 는 배수재 인근 지반의 함수비 감소와 그에 따른 간극비 감소, 투수계수 감소 및 강도증가를 유발하기 때문에 함 수비 측정, 콘관입시험 등으로 평가할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 경화영역을 산정하기 위해 육안 및 촉진
Table 3. Results of hardening zone tests
- Thickness of hardening zone(cm)
Top Middle Bottom
Case 1 2.9 ～ 4.1 7.2 ～ 8.5 12.4 ～ 13.8
Case 2 2.8 ～ 4.1 6.8 ～ 8.1 12.6 ～ 13.4
Case 3 3.2 ～ 3.5 6.4 ～ 7.2 13.2 ～ 13.6
Case 4 2.5 ～ 3.8 6.2 ～ 6.8 12.8 ～ 13.4
(a) Hardening zoneⓐ (b) Hardening zoneⓑ (c) Diagram of Hardening zone
Fig. 6. Hardening zone
(a) Case 1 (b) Case 2
(c) Case 3 (d) Case 4
Fig. 7. CPT results
에 의한 대략적인 경화영역을 평가하고 배수재로부터 이격거리에 따라 콘관입시험 및 심도별 함수비를 측정 하여 경화영역의 정량적 평가를 시도하였다.
Table 3은 각 Case별 육안 관측된 개략적인 경화영역 측정 결과로 Fig. 6(c)에 제시한 바와 같이 상부에서 약
3～4cm, 중앙에서 약 6～8cm, 하부에서 약 12～14cm 의 범위에서 형성되는 것으로 나타났다.
배수재 중심에서의 거리에 따라 Zone A(0～100mm), Zone B(100～160mm), Zone C(160～250mm)로 분할하 고 콘관입 및 함수비시험 결과를 통해 각 구역별로 경화
(a) Case 1 (b) Case 2
(c) Case 3 (d) Case 4
Fig. 8. Water content
영역이 존재함을 공학적으로 평가하였다.
Fig. 7은 각 Case에 대한 구역별 콘관입치의 최대치, 최소치와 평균값 그리고 Zone A의 평균 콘관입치를 기 준으로한 백분율을 도시한 것이다. 평균 콘관입치는 Zone A의 경우 46.3～92.6kPa의 범위를 보이며, Case 4에서 가장 크게 측정되었다. 모든 시험조건에서 Zone C는 Zone A에 비해 약 50%의 콘관입치를 보였으며 Zone B의 경우 약 55%～75%의 범위를 보이는 것으로 나타났다. 각 Zone별 강도차는 Zone B～C 보다 Zone A～B가 큰 경향을 보였다. 따라서 경화영역은 Zone A 와 Zone B의 사이에 존재함을 확인할 수 있었다.
Fig. 8은 각 Case에 대한 구역별 함수비 분포와 Zone C의 평균 함수비를 기준으로한 백분율을 도시한 것이 다. 평균 함수비는 Zone A의 경우 50.5～52.0%의 범위 를 보이며, Case 4에서 가장 작게 측정되었다. 모든 시 험조건에서 Zone A는 Zone C에 비해 약 85%의 함수비 를 보였으며 Zone B의 경우 약 95%의 함수비를 보였다.
함수비 감소폭은 Zone B～C 보다 Zone A～B가 큰 것 으로 나타났다. 따라서 경화영역은 Zone A와 Zone B의 사이에 존재하며, 이는 콘관입시험 결과와 동일함을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 경화영역을 정량적으로 평가할 수 있었으며, 이는 콘관입 및 함수비 측정 위치가 중심 으로부터 Zone A의 경우 7.0cm, Zone B의 경우 13.0cm 이므로 배수재(반경 1.6cm) 필터로부터 이격거리 5.4～
11.4cm에서 경화영역이 발생한 것으로 간주할 수 있었 다. 그러나 강도 및 함수비 시험간격이 6cm로 설정되어 다소 크게 산정되었을 가능성이 있는바 추후 연구에서 는 시험간격을 보다 조밀하게 함으로써 경화영역 경계 를 정밀하게 규명할 수 있을 것으로 판단된다.
4.3 경화영역 산정
본 연구에서는 Hansbo(1981)의 방사형 압밀방정식과 김기년(2008)의 방법을 이용하여 투수계수 감소비와 경 화영역에 따른 압밀도와 실측된 침하량 결과를 비교/분 석하여 Fig. 9와 같이 도시하였다. Case 1 경우 투수계수 감소비(kh/kH)에 관계없이 4.0cm의 경화영역을 보이는 것으로 나타났다. Case 2, 3은 경화영역 폭이 유사한 것 으로 나타났으며, kh/kH에 따라 5～12cm의 범위를 보 였다. 또한 Case 4의 경우 Case 2, 3에 비해 경화영역이 큰 것으로 나타났으며, kh/kH에 따라 6～20cm의 범위
Ratio kh/kH = 2 kh/kH = 3 kh/kH = 4
Measured and predicted U
Hardening zone, dH
Case 1 4cm 4cm 4cm
Case 2 12cm 6cm 5cm
Case 3 12cm 6cm 5cm
Case 4 20cm 8cm 6cm
Fig. 9. Degree of consolidation with kh/kH and hardening zone
Table 4. Degree of consolidation with duration
- Duration(days) U with vacuum pressure(%)
-20kPa -40kPa -60kPa
0 0 0 0 0
Case 1 1 30.22 21.54 24.71
Case 2 2 39.58 43.14 47.13
Case 3 3 41.03 52.11 54.58
Case 4 4 42.63 59.74 58.37
Fig. 10. Optimum stepped vacumm pressure
를 보였다.
실험을 통해 도출된 강도 및 함수비 저하 특성을 고 려하여 배수재로부터 5.4～11.4cm 범위에 경화영역이 존재함을 확인하였으며, 시험을 통해 도출된 시험 전･
후의 간극비를 통해 Lambe and Whitman(1969)의 시험 식[kH/kh=(e3/(1+e))/(e03/(1+e0))]을 이용한 투수계수 저 하비를 산정하였다. 산정결과 역산된 투수계수 저하비 가 약 0.4～0.6 범위내에서 발현되므로 이를 kh/kH 비로 환산하여 약 3.0의 투수계수 저하비로 결정할 수 있다.
따라서 Fig. 9(b)로부터 경화영역 발생범위는 평균 7.0cm(Case 1 제외)로 나타났으며, 이는 실내시험을 통 해 확인된 범위와 일치하는 것으로 나타났다.
4.4 최적 단계 진공압 결정
본 절에서는 최적의 단계 진공압을 결정하기 위해 Table 4의 Case 별 진공압 적용 기간을 바탕으로 단계별 적용기간에 따른 압밀도를 산정하였다. Monden(1963) 의 시산법을 이용하여 예측한 압밀도 분석 결과 Fig. 10 과 같이 각 단계 진공압 조건 별로 발생되는 압밀도의 분포는 일정기간이 지나면 비교적 큰 변화가 발생되는
변곡점이 발생하여 수렴하는 양상을 나타냈다. 변곡점 전･후 곡선의 연장선을 작도하여 연장선이 만 나는 점을 압밀효과를 극대화 시킬 수 있는 적용기간으 로 가정했을 때, 각 진공압 단계 별로 결정되는 최적 적 용 기간은 -20kPa→1.2일, -40kPa→2일, -60kPa→2.1일 로 산정되었다. 산정된 진공압 적용기간은 저진공압 (-20kPa)에서 침하속도가 가장 빨랐던 Case 1의 진공압 적용기간과 일치하는 것으로 나타났으며, -40kPa, -60kPa 의 진공압 상태는 유출속도를 일정하게 유지할 수 있었 던 Case 2와 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 저진공
Non-Holey
Applied vacuum
Holey
Dredging soil Hardening zone Loading plate x fixed x fixed
x, y fixed
(a) Test apparatus (b) Analysis section
Fig. 11. Conditions of laboratory tests and numerical analysis
Table 5. Input parameters
Soil Model
Parameters
κ
λ ecs M G
(kN/m
3)
(kN/m
3)
x (cm/sec)
y (cm/sec)
Clay MCC 0.0292 0.198 2.059 0.772 0.330 15.29 9.81 2.44E-09 9.37E-10
압 적용기간을 짧게 하고 그 후 적용기간을 적절히 유지 함으로써 배수재 주변의 경화현상에 의한 침하저감 및 유출속도 저감을 최소화할 수 있을 것으로 예상할 수 있으며, 실제 지반에 석션드레인공법을 적용하는데 있 어서 제안된 단계 진공압 조건을 기준으로 적용기간을 설정할 수 있을 것이다.
5. 수치해석
5.1 해석조건
석션드레인 대형압밀시험의 검증 및 최적 단계 진공 압의 적정성을 검토하기 위해 개별진공압밀공법에 대 한 해석이 가능한 수치해석 프로그램(GeoImprove)을 개발하여 실험 결과와 비교, 분석을 실시하였다. 본 프 로그램은 개별 진공압밀공법의 특징인 심도별 진공압 의 손실을 직접적으로 고려할 수 있다(Kim, 2008). 본 해석시 모든 조건은 대형압밀시험과 동일하게 적용하 였으며, 예상 Hardening Zone은 배수재 필터로부터 7.0cm(실험 결과 및 해체시 육안 판별치)를 적용하였다.
Fig. 11(b)는 수치해석 시 해석단면을 나타낸 것으로 축 대칭모델을 적용하였다. 이때, 하부는 수평 및 연직 방 향 변위를 구속하였으며, 시료의 중앙 및 벽면에 해당하 는 좌측과 우측은 수평 변위만을 구속하였다. 실내 시험 에 관한 모델링의 경우 현장과 달리 매우 작은 규모의 토체(soil mass)를 이용하므로, 해석시 오차를 최소화하 기 위하여 인접 요소간의 크기는 최대 2.0배 이상이 되 지 않도록 하였다. 상부 기밀층은 30cm, 개량층은 70cm 를 적용하였으며, 시료 최상부에 강성 재하판을 모델링 하여 등변위 조건에서의 거동을 예측하고자 하였다. 또 한, 실험시 배수재의 길이가 1.0m로 짧기 때문에 배수 재 내부에서의 심도에 따른 진공압 손실은 없는 것으로 간주하였다. Table 5는 입력 파라미터로 해당 값은 현장 에서 채취된 불교란 시료에 대한 실내 표준압밀시험 결 과로부터 산정하여 적용하였다.
5.2 해석결과
Fig. 12는 각 Case에 대한 해석결과와 실측결과를 도 시한 것이다. 해석시 각 Case별로 실제 적용된 진공압
(a) CASE 1 (b) CASE 2 (c) CASE 3 (d) CASE 4 Fig. 12. Prdicted and measured settlements
Table 6. Comparison between predicted and mearured settlements
Case Measured(mm) Predicted(mm) Gap(mm)
Case 1 128.95 133.70 ∆4.75
Case 2 123.07 133.91 ∆10.84
Case 3 137.41 139.29 ∆1.88
Case 4 120.96 137.03 ∆16.07
Fig. 15. Predicted settlement with and without hardening zone Fig. 13. Predicted settlement in optimum vacuum pressure
Fig. 14. Settlements with vacuum loading conditions
기간으로 입력하였으며, 나머지 조건은 모두 동일하게 적용하였다. Case 1, 3의 경우 실측결과와 해석을 통한 예측 결과 침하량의 오차가 1～3% 이내로 매우 작게 나타났으며 침하 양상도 실측치와 유사함을 보였다
(Table 6 참조). Case 2, 4의 경우 초기 침하량 예측 결과 는 실측치와 유사한 경향을 보였으나, 실험 중반이후 Case 1과 3에 비해 다소 차이가 발생하는 것으로 나타 났다(침하량 오차 8～13%). 이는 실험 중반 이후 배수 재 휨이나 필터막힘 등 침하 속도 저하요인이 발생하여 이를 수치해석에 반영할 수 없었기 때문인 것으로 판단 된다.
Fig. 13은 실내시험 결과로부터 도출된 최적 진공압 적용기간을 검증하기 위해 제안된 최적 진공압 적용기 간을 입력하여 예측한 결과를 비교한 것이다. 그림에 제 시된 바와 같이 최적 진공압 적용기간에 대한 예측 침하 량은 Case2～Case 3과 비슷한 양상을 나타냈다. 이는 4.4절에서 분석한 최적 단계 진공압 적용 조건이 Case 2와 유사한 것이 수치해석에서도 구현되었음을 나타내 는 결과이다. 따라서 향후 석션드레인공법의 수치해석
및 현장 적용 시 단계 진공압 적용기간의 선택이 매우 중요한 것임을 의미한다.
Fig. 14는 단계 진공압과 일괄적으로 진공압(-80kPa) 을 재하한 결과를 예측/비교하여 도시한 것이다. 일괄 재하시 침하량은 단계재하 조건에서 보다 초기 침하량 은 크게 나타났으나 중반이후 역전되어 단계재하 조건 의 침하량이 큰 것으로 나타나 비교적 급격하게 진공압 을 높인 Case 1과 유사함을 알 수 있다.
Fig. 15는 최적 진공압 적용기간을 적용하여 해석한 경화영역의 고려여부에 따른 수치해석 결과를 도시한 것이다. 경화영역의 고려 유/무에 따른 최종 침하량에는 차이가 없으나 초기 침하속도는 매우 상이한 것으로 예 측 되었다. 최종 침하량의 차이는 수치해석상의 오차율 을 감안하면 동일한 침하량이라고 판단된다(침하량 오 차 1.18mm). 이상의 수치해석 결과로부터 실제 침하속 도를 고려해야하는 경우 설계 및 해석 시 경화영역을 고려해야 한다.
6. 결 론
본 연구에서는 연약지반 개량을 위한 석션드레인공 법 적용에 있어서 단계 진공압별 최적 적용기간을 산정 하기 위해 석션드레인 대형압밀시험을 실시하였다. 이 때 경과시간에 따른 침하량 및 콘관입치를 측정하여 진 공압 적용기간에 따른 압밀 특성 및 경화영역의 발생 범위를 파악하였으며 시험결과를 바탕으로 경화영역과 진공압 재하방식을 고려한 수치해석을 실시하여 실측 침하 거동과 비교, 분석하였다. 다음은 본 연구를 통해 서 도출된 결론을 요약하여 제시하였다.
(1) 단계별 진공압 적용시 최종 진공압 -80kPa에 대한 도달기간이 짧은 경우 간극수의 초기 침하속도는 크게 측정되었으나 최종침하량은 진공압 상향기간 이 느린 경우에서 더 큰 것으로 나타났다. 이는 진공 압 상향기간이 짧은 경우 경화영역이 조기에 형성 되어 침하 속도 저감효과가 발생한 것으로 판단되 며, 최종 침하량을 증가시키거나 배수효율을 향상
시키기 위해서는 대상 지반에 적합한 진공압 적용 기간의 산정이 중요함을 의미한다.
(2) 실내시험 결과 경화영역은 배수재 필터로부터 5.4
～11.4cm 발생한 것을 확인하였으며, Hansbo(1981) 의 이론과 Kim(2008)이 제안한 경화영역 평가방법 을 이용하여 비교한 결과 경화영역의 범위는 평균 7.0cm로 나타났다.
(3) 석션드레인 대형압밀시험의 검증 및 최적 단계 진 공압의 적정성을 검토하기 위해 유한요소 수치해석 을 실시한 결과 실측치와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 진공압 재하방법에 따른 침하량을 비 교한 결과 단계 진공재하가 일괄재하보다 실제 침 하 거동에 보다 유사함을 보였다. 또한 경화영역에 서 발생하는 투수계수 감소 효과를 고려한 수치해 석 예측이 실제 침하거동에 근접한 결과를 보였다.
참 고 문 헌
