1) Department of Marne and Civil Engineering, Jeonnam National University
흐름방향과 압밀응력이 지반의 수리저항특성에 미치는 영향
Effects of Flow Direction and Consolidation Pressure on Hydraulic Resistance Capacity of Soils
김 영 상1)･ 정 신 현2)･ 이 창 호†
Youngsang Kim ･ Shinhyun Jeong ･ Changho Lee
Received: March 2nd, 2015; Revised: March 17th, 2015; Accepted: April 14th, 2015
ABSTRACT : Big tidal differences, which range from 3.0 m to 8.0 m, exist with regional locations at south and west shores of Korea.
Under this ocean circumstance, since a large scour may occur due to multi-directional tidal current and transverse stress of the wind, the scour surrounding the wind turbine structure can make instability of the system due to unexpected system vibration. The hydraulic resistance capacity of soils consolidated under different pressures are evaluated by Erosion Function Apparatus (EFA) under uni- directional and bi-directional flows in this study. It was found that the flow direction change affects significantly on the sour rate and critical shear stress, regardless of soil types while the consolidation pressure affects mainly cohesive soil. Among geotechnical parameters, the undrained shear strength can be well-correlated with the hydraulic resistance capacity, regardless soil type while the shear wave velocity shows the proportional relationships with the hydraulic resistance capacities of fine grained soil and coarse grained soil, respectively.
Keywords : Flow direction, Consolidation pressure, Hydraulic resistance capacity, Erosion function apparatus (EFA), Shear wave velocity
요 지 : 우리나라 남서해안의 조차는 지역에 따라 3～8m까지 발생하며 이 지역의 풍력기초들은 조류의 다양한 흐름에 의한 세굴로 전체 구조물에 예상치 못한 진동에 의한 장기적인 불안정성이 야기될 수 있다. 본 연구에서는 흐름방향을 고려할 수 있도록 개선된 관수로식 수리저항성능 실험기를 이용하여 압밀압력과 흐름방향의 변화가 지반의 수리저항성능에 미치는 영향을 검토하였다. 실험 결과 양방향 흐름에 노출된 시료의 세굴률이 일방향 흐름에서보다 크며, 한계전단응력은 감소하여 세굴에 더욱 취약해지는 것으로 나타났다. 또한 압밀압력이 증가함에 따라 세립질 토사의 한계전단응력과 같은 수리저항특성은 증가하여 세굴에 대한 저항성이 증가하나 조립토의 수리저항 성능은 크게 변화하지 않았다. 지반공학적 특성과 수리저항특성의 상관관계를 검토한 결과, 비배수전 단강도는 한계전단응력과 비례관계이며 세립토 및 조립토의 흙 분류와 관계없이 하나의 상관관계로 효과적으로 한계전단응력을 예측할 수 있는 것으로 나타났으며 전단파 속도는 한계전단응력과 비례관계에 있으며 조립토와 세립토의 영역에 따라 비교적 명확 히 구분되었다.
주요어 : 흐름방향, 압밀응력, 수리저항특성, 관수로식 수리저항성능 실험기, 전단파 속도 Journal of the Korean Geo-Environmental Society
16(5): 55～66. (May, 2015) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2015.16.5.55
1. 서 론
해상풍력발전의 주요 건설지로 각광받고 있는 우리나라 서남해안이나 남서해안은 900W/m2의 높은 에너지 밀도의 풍력자원을 보유하고 있으며, 20m 내외 수심의 천해 지역으 로 초대형 해상풍력발전 단지를 건설하기에 유망한 지역으 로 보고되고 있다(Kyoung et al., 2003). 그러나 우리나라 서 남해안 및 남서해안의 조차는 약 3.0m(여수, 완도)～9.0m (인천)에 이를 정도로 커서, 이 지역에 설치되는 해상구조물 의 경우 바람에 의한 활하중과 대형 블레이드의 회전으로
인해 발생하는 진동으로 인한 기초주변 지반의 약화 이외에 도 조류의 흐름에 의한 세굴의 영향이 설계 시 고려한 구조 물의 진동특성을 변화시켜 해상풍력시스템의 불안정성이 야기될 수 있다. 지금까지 국내 세굴에 대한 연구는 하천 흐 름에 의한 교량 구조물 주변의 세굴을 분석하여 교량 장수 명화 연구(Kwak et al., 2004)가 수행된 바 있으나 해상에서 조류 흐름에 의한 세굴로 인한 해안구조물 및 해양구조물의 안정성에 관한 연구는 부족한 실정이다. 최근 Kim & Gang (2011a, 2011b)에 의해 관수로식 수리저항성능 실험기를 이 용하여 조석으로 인한 왕복류의 흐름이 발생하는 해상환경
Fig. 1. Schematic diagram of erosion function apparatus (EFA) and its test result 에서의 지반의 세굴에 대한 연구가 진행되었으며, 일방향의
하천 흐름과 달리 왕복류 흐름에서 더 큰 세굴률이 발생하며 세굴이 발생하기 시작하는 한계전단응력도 감소하는 것으로 보고되었다. 국외의 해상세굴에 대한 연구동향을 살펴보면 여러 형태의 수리모형실험과 수치해석을 통해 세굴에 대한 실험식이나 경험식이 발표되어왔으며, 대표적으로 조석의 왕복류 흐름을 고려한 경험식(Nakagawa & Suzuki, 1976), 조류의 일방향 흐름조건을 고려한 경험식(Breusers et al., 1977), 파랑과 흐름조건을 고려한 경험식(Sumer & Fredsoe, 2002) 등이 제안되었다. 또한 Rudolph et al.(2004)은 유럽 북해의 조석의 왕복류 흐름과 파랑의 영향이 있는 천해역에 설치된 해상구조물 기초의 현장 세굴심을 측정하여 기존의 경험식 들과 비교하였다. 경험식들로 구한 값들과 측정된 값을 비 교한 결과, 조석의 왕복류 흐름만 고려한 경험식이 세굴심 의 실측값과 거의 유사하게 나타났으며 파랑과 흐름의 두 가지 조건을 고려한 경우 경험식은 세굴심도를 과소평가하 는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 압밀압력과 해류의 흐름방향 변화가 지반 의 수리저항성능에 미치는 영향에 대하여 집중적으로 검토하 였다. 또한 수리저항성능을 예측하기 위한 방법으로 다양한 지반공학적 특성들과의 상관관계에 대한 검토를 수행하였다. 또한 흙의 지반공학적 특성인 전단파 속도를 구속압의 변화 에 따라 측정하고 수리저항능력과의 상관관계를 파악하였다. 다양한 해저 지반재료의 조건을 반영하기 위하여 대표적인 점토광물인 카올리나이트와 주문진 표준사를 혼합하여 4가 지 중량 혼합비를 가지는 시료를 조성하였다. 조성된 시료의 응력 조건을 변화시키며 전단파 속도를 측정하였으며, 동일 한 시료의 수리저항성능을 측정하여 상관관계를 검토하였다.
2. 실험장비 및 실험법
2.1 흐름방향을 고려한 지반의 수리저항성능 실험
관수로식 수리저항성능 실험은 외경이 76.2mm인 표준 Thin Wall Tube를 이용하여 불교란 상태로 채취된 시료를 구형
관(101.6mm × 50.0mm)의 바닥에 연결시켜 1mm씩 돌출시 킨 후 시료가 관속을 흐르는 물에 의해 침식되는 유속을 결 정하는 방법이다(Fig. 1). 실험 결과는 Fig. 1과 같이 전단응 력에 대한 세굴률 변화 곡선으로 나타내며, 관속을 흐르는 물로 인해 흙 시료 상부에 야기되는 평균전단응력(τ)은 측 정된 유속()을 이용하여 Eq. (1)과 같이 계산할 수 있다 (Briaud et al., 2001).
(1)
여기서 는 Moody 도표로부터 얻어지는 마찰계수, 는 물의 밀도(1,000kg/m3), 는 관내의 평균유속(m/s)이다.
본 연구에서 사용된 관수로식 수리저항성능 실험기(Fig.
2)는 Briaud et al.(2001)이 제안한 EFA(Erosion Function Apparatus)를 개선하여 물의 흐름을 왕복류로 변화시키는 방법이 아닌 흐름의 영향을 받는 시료를 회전시켜 왕복류 흐름을 모사할 수 있도록 제작하였다. 조류의 흐름을 고려 한 왕복류 흐름을 모사하기 위하여 지반의 일방향 수리저항 성능을 측정할 수 있는 실험장치에 Fig. 3과 같이 스크류 감 속모터를 장착하여 시료튜브를 회전(±180o)할 수 있도록 한 시료 회전부를 설치하였다. 시료의 회전을 통하여 기존의 일 방향 흐름의 수리저항실험에서 고려하지 못한 창조와 낙조 시의 조석의 왕복류 흐름 및 회전 각도를 조절함에 따라 해 류의 방향을 고려할 수 있도록 하여 조류의 흐름을 다양하 게 모사할 수 있어 실제적인 평가 실험을 할 수 있도록 개선 하였다. 또한 실험 시 실험자에 따른 오차를 줄이기 위해 관 측 창에 카메라를 장착하여 녹화된 사진 및 영상의 이미지 분석을 실시하여 각 유속에 따라 발생하는 세굴량을 정확하 게 측정하였다(Kim & Gang, 2011a; 2011b).
근본적으로 EFA는 흐름의 시간에 대한 고려는 하지 않 으며, 본 연구에서도 압밀응력과 흐름방향이 변화가 지반의 세굴특성에 미치는 영향만을 확인하였다. 해저 지반이 경험 하는 흐름방향 변화 횟수만을 실제 해류의 흐름과 동일하게 일치하였으며 경험하는 유속의 지속시간은 기존의 일방향
Fig. 2. Photo of erosion function apparatus
Fig. 3. Rotation part for flow direction
흐름 실험과 동일하게 유지하였다. 실험순서는 NCHRP(2001) 의 방법을 따르며 자세한 실험순서는 다음과 같다.
① 대상 지역의 불교란 시료를 채취한다(불교란 시료 채취 가 불가능한 경우, 실내에서 시료를 제작하여 사용할 수 있다).
② 시료를 Thin Wall Tube(외경 76mm) 상태로 직사각형 관수로 바닥에 장착한 후 직사각형관을 물로 채워 1시간 정도 시료를 포화시킨다.
③ 시료를 1mm 상승시킨 후 펌프를 구동하여 관수로 내에 최초 유속(0.3m/s)의 흐름을 발생시킨다.
④1시간 동안 1mm의 시료가 세굴되는 것을 관찰하거나 1mm 세굴이 발생될 경우 다시 상승시켜 반복 실험을 한다.
* 왕복류 흐름 실험에서는 1일 4회 조석 흐름의 조건을 구현하기 위해 동일한 유속에서 3회를 180° 회전시켜
실험한다.
⑤ 1시간 동안 세굴된 양(1mm×상승횟수)을 기록하여 시간 당 세굴률(mm/hr)로 환산한다.
⑥ 대상 지역에 맞게 유속을 다양하게 변경(0.3m/s～4m/s) 하여 ③～⑤의 과정을 반복한다. 그 결과를 Fig. 1과 같 이 정리한다.
2.2 지반의 전단파 전달속도 측정실험
전단파는 포화된 매체라도 입자의 매질만을 따라 전파되 므로 포화된 시료의 특성 관찰에 다양하게 활용되고 있다 (Ohta & Goto, 1978; Castangna et al., 1985). 모세관 현상을 무시할 경우, 비고결화된 흙의 전단파 속도는 유효응력의 함수로 Eq. (2)와 같이 표시할 수 있다(Roesler, 1979; Knox et al., 1982; Yu & Richart, 1984).
′
′ ′
(2)여기서 ′=(′ ′)/2이며, ′는 파가 전파되는 방향의 유효응력이며, ′은 입자가 움직이는 방향의 유효응력이다.
Pa는 대기압이며 유효응력의 단위와 같다. 계수와 지수 는 실험적으로 결정되는 상수이며, 와 는 0.36 ‑700 의 관계를 가진다고 알려져 있다(Santamarina et al., 2001).
일반적으로 의 값은 둥글고 부드러운 입자 또는 조밀한 모래의 경우 0.16～0.2 정도의 값을 가지며, 각진 입자이거 나 느슨한 모래의 경우 0.25 정도, 정규 점토의 경우 0.3 정 도, 과압밀 점토와 고결화된 흙의 경우 0.15 정도이다.
전단파 측정을 위한 트랜서듀서로 벤더 엘리먼트를 이용 하였다. 벤더 엘리먼트는 금속판에 대칭으로 압전소자가 붙 여져 있으며, 압전소자의 극성 방향에 따라 직렬형식과 병렬 형식으로 분류된다. 본 연구에서는 벤더 엘리먼트 간의 전기 적 간섭 현상(Cross-talk)을 최소화하기 위하여 병렬형식의 벤더 엘리먼트를 사용하였다(Lee & Lee 2006). 전단파 속도 측정을 위한 주변 장치는 신호 발생기, 오실로스코프, 송수 신용 진동기로 구성되며 신호 발생기에서 발생한 신호가 송 수신기를 통해 시료 내에 전단파를 발생시켜 도달시간 및 파형을 분석하여 시료의 전단파 속도를 결정하였다(Fig. 4).
전단파 속도는 신호분석을 통해 전단파의 도달 시간과 벤더 엘리먼트 간의 거리로부터 Eq. (3)을 이용하여 계산하 였다:
(3)
(a)
(b)
Fig. 4. Shear wave velocity measurement in the consolidation cell: (a) Photograph; (b) Schematic drawing. BE in Fig.
4(b) indicates the bender element
Table 1. Physical and mechanical properties of artificial soils
σc (kPa) Composition ratio ω (%) Gs e LL (%) PI (%) γt (kN/m3) su (kPa) USCS
50
K80S20 64.00 2.65 1.60 66.70 30.69 15.79 6.73 MH
K70S30 58.41 2.65 1.79 62.33 26.82 15.69 5.21 MH
K50S50 45.02 2.67 1.26 56.44 25.94 16.67 4.38 SM-SC
K40S60 37.70 2.67 1.07 56.78 26.41 17.55 3.49 SM-SC
75
K80S20 59.59 2.65 1.73 66.70 30.69 15.20 9.24 MH
K70S30 52.30 2.65 1.43 62.14 26.05 16.28 10.56 MH
K50S50 38.80 2.67 1.05 56.44 25.94 17.65 8.42 SM-SC
K40S60 34.80 2.67 0.95 58.49 26.57 18.14 6.90 SM-SC
100
K80S20 55.30 2.65 1.52 66.70 30.69 15.89 17.36 MH
K70S30 47.23 2.65 1.30 62.33 26.82 16.57 17.85 MH
K50S50 34.59 2.67 0.98 56.44 25.94 17.75 12.55 SM-SC
K40S60 30.63 2.67 0.79 56.78 26.41 18.93 13.78 SM-SC
200
K80S20 44.14 2.65 0.98 66.70 30.69 16.48 28.05 MH
K70S30 41.06 2.65 1.14 62.33 26.82 17.06 30.19 MH
K50S50 32.60 2.67 0.82 56.44 25.94 18.14 21.96 SM-SC
K40S60 24.69 2.67 0.82 58.78 26.41 18.34 17.06 SM-SC
여기서 L은 벤더 엘리먼트 간 거리를 나타내며 t1-t2는 전 단파가 송신기부터 수신기까지 도달하는 도달시간을 나타 낸다.
Lee et al.(2010) 및 Yoon & Lee(2010)는 관입형 전단파 탐사 프로브를 개발하여 연약지반에 관입하면서 10cm 내외 의 간격의 상세한 전단파 속도 주상도를 도출하였다. 또한 Robertson et al.(1986)과 Hegazy & Mayne(2006)는 현장 시 험 결과를 바탕으로 전단파 속도와 콘 관입실험의 저항력 사이의 관계를 제시하였다. 본 연구에서는 해저지반의 심도 가 증가함에 따라서 증가하는 구속 응력이 수리저항특성에 미치는 영향을 검토하기 위해 압밀시험을 실시하면서 시료 의 응력상태 변화에 따른 전단파 속도를 측정하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 인공지반시료의 조성
우리나라에서 해상풍력발전을 하기에 최적지로 알려진 서남해안과 남서해안의 표층은 주로 실트질이나 점토에 모 래와 같은 조립토가 부분적으로 혼재되어 있는 지반으로 구 성되어있다(한국지반공학회, 2005). 이러한 다양한 해저 지 반재료의 조건을 반영하기 위하여 대표적인 점토광물인 카 올리나이트와 우리나라의 표준사인 주문진 표준사를 4가지 중량비로 혼합하여 Table 1과 같이 시료를 조성하였다. 또 한 해저지반의 심도가 증가함에 따라서 변화하는 응력이력 (상재하중 또는 압밀압력)이 수리저항특성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 슬러리 압축 고화장치(Fig. 5)를 이용하여
(a)
(b)
Fig. 5. Large scale oedometer for manufacturing artificial soil sample: (a) Large scale oedometer; (b) Consolidation phase
(a)
(b)
Fig. 6. Photographs taken before and after scouring: (a) Before scouring; (b) After scouring
50kPa, 75kPa, 100kPa과 200kPa의 압력으로 선행압밀하였 다. 조성된 인공지반시료의 물리･역학적 특성은 Table 1에 정리하였다. 카올리나이트의 증가에 따라 함수비() 증가가 뚜렷하며 이에 따라 간극비(e) 또는 간극률(n)과 액성한계 (LL)도 함께 증가하였다. 이는 점토광물의 함유량 증가로 같은 체적 내 비표면적 증가로 인한 흡착수와 자유수 증가 때문이다. 그러나 시료 내 카올리나이트 양의 증가로 인해 건조단위중량(Dry unit weight, )은 감소하는 것으로 나타 났다. 일축압축실험(Unconfined compressive strength test) 결과로 얻어진 비배수전단강도()는 카올리나이트의 함유 량이 높아질수록 더 크게 나타났으며 이는 점토의 점착력 (Cohesion)이 일축압축강도의 주 발현요인인 것으로 판단된 다. 압밀압력이 75kPa에서 200kPa로 증가할수록 조성비와 관계없이 간극의 크기와 관계되는 함수비, 간극비, 간극률 이 모두 감소하였다. 또한 단위중량과 비배수전단강도는 증 가하는 것으로 나타났다. 조성비의 차이로 인하여 통일분류 결과 K80S20 및 K70S30의 경우 세립질인 MH로 구분되고,
K50S50 및 K40S60의 경우 실트질-점토질 모래 SM-SC로 구분되어 조립질로 분류되었다.
3.2 압밀압력과 흐름방향에 따른 수리저항성능 변화
지반의 세굴에 대한 특성을 정의하는 수리저항성능은 임 의의 유속에서 발생하는 세굴률(Scour rate, mm/hr)과 세굴률 이 1mm/hr일 때의 전단응력을 정의하는 한계전단응력(Critical shear stress, ) 또는 한계유속(Critical velocity, )을 함께 부르는 것이다. 조석의 흐름을 고려하기 위하여 실행한 양 방향 흐름시험의 경우, 1일 2회의 조석 주기를 고려하여 1 시간 동안의 실험시간을 15분씩 구분하여 정방향→역방향
→정방향→역방향 순서로 회전시키면서 세굴량을 관측하였 으며 회전 시에는 물의 흐름을 정지시켰다. Fig. 6은 실험 전･후 관측 창을 통하여 관측한 시료의 변화 모습이며 낮은 유속부터 점차 유속을 증가시켜 반복적으로 수리저항성능 을 측정하고 Eq. (1)을 이용하여 계산한 전단응력에 대한 세 굴률의 변화를 Fig. 7에 도시하였다. Fig. 7에 따르면 일방향 과 양방향 흐름 모두에서 압밀응력이 커질수록 세굴률이 감 소하는 경향이 있음을 알 수 있다. 이를 좀 더 정량적으로 표현하기 위하여 Fig. 8에 압밀응력에 따른 한계전단응력의 변화를 표시하였다. Fig. 8에 의하면 세립토(i.e., K80S20 및
Uni-flow Bi-flow (a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 7. Shear stress-scour rate test results under uni and bi-directional flows: (a) K80S20; (b) K70S30; (c) K50S50; (d) K40S60
0 50 100 150 200 250 0
5 10 15
20 K80S20
K70S30 K50S50 K40S60
Critical shear stress [kPa]
Consolidation pressure [kPa]
(a)
0 50 100 150 200 250
0 5 10 15
20 K80S20
K70S30 K50S50 K40S60
Critical shear stress [kPa]
Consolidation pressure [kPa]
(b)
Fig. 8. Critical shear stress with respect to consolidation pressure:
(a) Uni-directional flow; (b) Bi-directional flow
K70S30)가 조립토(i.e., K50S50 및 K40S60)에 비해 동일한 압밀응력에서 한계전단응력도 크고 압밀응력이 증가하면 한 계전단응력도 더 많이 증가하여 세굴에 대한 저항성이 커지 는 것으로 확인되었다. 그러나 조립토 성분이 많아질수록 압 밀응력의 증가가 세굴에 대한 저항성 증가에 미치는 영향이 크지 않다.
Fig. 9에 양방향 흐름의 평균 세굴률을 일방향흐름의 평 균 세굴률로 정규화하여 나타낸 평균 세굴률 비(Average sour rate ratio=Two way/One way) 및 각 세굴률 곡선에서 정의 한 한계유속으로부터 계산된 한계전단응력을 양방향흐름의 값을 일방향의 값으로 정규화하여 한계전단응력 비(Critical shear stress ratio)를 도시하였다. Fig. 9와 같이 세립토 및 조립토의 평균 세굴률 비는 각각 1.03～2.00 및 1.54～2.71 로 세립토보다는 조립토의 세굴률 증가 폭이 훨씬 크다. 한 편 한계전단응력 비는 대부분의 경우에서 1 이하로 나타나 양방향 한계전단응력이 일방향 한계전단응력보다 작음을 알 수 있다.
3.3 지반공학특성과 수리저항특성
Fig. 10은 선형 회귀분석(Linear regression)을 통한 다양 한 지반공학적 특성값들과 한계전단응력 간의 상관관계를 보여준다. 선행 연구와 유사하게 건조단위중량과 한계전단 응력은 비례관계(Kwak et al., 2004)이고 함수비와 간극비는 증가할수록 한계전단응력이 감소하는 반비례관계로 나타났 다. 그러나 건조단위중량, 함수비, 간극비는 흙의 종류에 따 라 한계전단응력과 상관관계를 맺을 때 높은 상관성을 보이 고 전체 흙에 대하여 상관관계를 구할 경우 그 상관성이 매 우 낮아졌다. 한편 비배수전단강도는 한계전단응력과 비례 관계를 보일 뿐만 아니라 흙 종류와 상관없이 모든 흙에 대 하여 하나의 상관관계로 표현하더라도 매우 높은 상관관계 를 가지는 것으로 나타났다. 이는 건조단위중량과 비배수전 단강도가 지반의 침식특성에 큰 영향을 미치지만 토성치만 으로는 흙의 침식특성을 설명하기 어렵다는 기존의 연구 (Kwak et al., 2004)를 보완할 수 있는 결과로 판단되며, 향 후 비배수전단강도로부터 흙의 한계전단응력을 예측할 수 있는 예측식 개발이 가능하며 다른 물성값에 비해 보다 실 용적일 것으로 판단된다.
3.4 전단파 속도와 수리저항특성
Fig. 11은 조성된 인공지반 시료 중 K70S30과 K40S60의 응력에 따른 전단파 신호를 보여준다. 각 전단파 신호의 크 기는 각 응력에서 측정한 최대 크기로 정규화하여 도시하였 다. 시료 종류 및 선행압밀응력의 크기에 상관없이 응력의 증가에 따라 전단파 초동신호는 빨라지며, 전단파 신호의 공 진 주파수는 증가함을 알 수 있다.
Near field effect를 고려하여 First pick 방법(Lee & Santamarina 2005)으로 선택한 전단파 신호의 초동과 Eq. (3)으로부터 계 산한 전단파 속도는 압밀하중이 증가함에 따라 증가하였다.
또한 조성된 시료 중 상대적으로 적은 강성을 가지는 카올 리나이트의 함유량이 증가함에 따라 전단파 속도가 저하되 는 것으로 나타났다(Fig. 12).
조성된 시료의 응력이력 효과를 고려하기 위하여 시료 조 성 시 가해준 압밀하중에 따른 한계전단응력(τc)과 전단파 속도(VS)와의 상관관계를 분석하여 Fig. 13에 도시하였다. 전 단파 속도는 흐름방향의 영향을 고려할 수 없으므로 일방향 흐름을 상한계로 양방향 흐름을 하한계 범위로 표시하였다.
Fig. 13과 같이 전단파 속도와 한계전단응력은 시료의 종류 에 따라 세립토와 조립토의 영역이 확실하게 구분되었으며, 시료 내 모래 함유량이 증가함에 따라 전단파 속도는 증가 하였다.
Average scour rate ratio Critical shear stress ratio (a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 9. Change of average scour rate ratio and critical shear stress ratio with respect to consolidation pressure and flow direction: (a) 200 kPa; (b) 100 kPa; (c) 75 kPa; (d) 50 kPa
선행 연구에 따르면 한계전단응력은 흐름에 의한 표층의 변화를 예측하기 위해 반드시 필요한 값으로 지금까지 대부 분 입도 특성인 평균입경(D50)이나 밀도에 근거한 경험식에
의해 결정되었다(Thorn & Parson, 1980). 또한 하천의 흐름 에 의한 수중구조물의 국부세굴에 대한 연구결과, 조립토를 대상으로 개발된 교량세굴 예측식들은 실제 세굴량을 평균
Uni-flow Bi-flow (a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 10. Relationship between geotechnical characteristics and critical shear stress under uni-directional and bi-directional flows: (a) Dry unit weight; (b) Water content; (c) Void ratio; (d) Undrained shear strength. Hollow and solid markers indicate uni-and bi-direction flows, respectively.
(a)
(b)
Fig. 11. Shear wave signals with vertical effective stress: (a) K70S30; (b) K40S60. The numbers in figure denote the vertical effective stress 적으로 10m 이상, 최대 21.4m까지 과대평가하는 것으로 보
고되어(Kwak et al., 2004) 원지반 시료를 이용한 세굴실험 은 매우 중요하다. 본 연구에서 사용된 관수로식 수리저항 성능 실험기는 현장에서 채취된 원시료의 한계전단응력을 직접 결정할 수 있어 그 활용성이 더욱 증가할 것으로 판단 된다. 그러나 시험에 채취된 원지반 시료를 이용하므로 특 정 위치와 깊이에 해당하는 지점 속성(Point property)만을 제공하여 넓은 해역의 경우에는 전체 해역의 한계전단응력
을 평가하기 위하여 많은 비용과 긴 시간이 소요되는 단점 이 있다. 그러나 본 연구의 결과와 유사하게 넓은 지역에 대 해 전단파 속도와 한계전단응력 간의 상관관계를 파악할 수 있다면 전단파 토모그래피를 이용하여 전단파 속도 분포도 를 얻을 수 있으며, 설계 대상 구조물 주변의 흐름 특성을 고려하여 대상 지역의 한계전단응력 분포도를 유추할 수 있 을 것으로 기대된다.
Fig. 12. Comparison of shear wave velocity for preconsolidation pressure = 75 kPa and 200 kPa
Fig. 13. Relationship between critical shear stress and shear wave velocity. Hollow and sloid makers indicate the uni-direction and bi-direction flows, respectively
4. 결 론
본 연구에서는 다양한 해저 지반재료의 조건을 반영하기 위하여 카올리나이트와 주문진 표준사를 혼합하여 4가지 중 량 혼합비를 가지는 시료를 조성하였다. 조성된 시료는 응 력이력현상을 반영하기 위하여 서로 다른 압밀응력조건으 로 압밀하였으며, 조성된 세립토(MH)와 조립토(SM-SC) 시 료를 관수로식 수리저항성능 실험기(EFA)를 이용하여 수리 저항성능 실험을 실시하고, 벤더 엘리먼트가 설치된 압밀셀 을 이용하여 응력에 따른 전단파 속도 변화를 측정하였다.
(1) 관수로식 수리저항성능 실험 결과, 조립토와 세립토 두 시료 모두 일방향 흐름보다는 양방향 흐름조건에서 세 굴률이 증가함에 따라 수리저항성능이 감소하는 것으 로 나타났다. 따라서 해상환경과 같은 조류 흐름방향 변 화가 있는 곳이나 다양한 흐름방향을 경험하는 수중 구
조물에서 지반의 세굴을 예측하는 경우에 흐름방향의 효과를 고려해야 할 것으로 판단된다.
(2) 세립토의 경우는 압밀압력이 증가함에 따라 한계전단 응력의 증가량이 크나 조립토의 경우는 압밀응력에 따 른 효과가 미미하였다. 이는 조립토의 경우 압밀응력의 증가에도 응력이력효과에 따른 세굴 저항이 크게 증가 하지 않음을 의미한다.
(3) 지반공학 특성 중 건조단위중량과 함수비, 간극비 등으 로부터 흙의 한계전단응력을 예측하기 위해서는 흙 분 류 결과에 따라 종류별로 구분하여 예측하는 것이 더 높 은 상관관계를 보이는 것으로 나타났다. 그러나 비배수 전단강도는 흙 분류 결과와 상관없이 한계전단응력과 높은 상관관계를 나타내 지반공학 특성들 중 한계전단 응력 예측에 더 효과적이며 실용적인 것으로 판단된다.
(4) 전단파 속도 측정결과, 압밀하중이 커짐에 따라 전단파 속도가 커지는 것으로 나타났으며 모래 함유량이 증가 함에 따라 전단파 속도도 증가하는 것으로 나타났다. 한 편 관수로식 수리저항성능 실험기로 결정된 수리저항 특성을 흐름방향에 따라 일방향 흐름을 상한계로 양방 향 흐름을 하한계 범위로 표시하고 전단파 속도와 함께 도시하면 조립토와 세립토 영역에 대한 구분이 가능하 고 한계전단응력과 전단파 속도의 상관관계 도출이 가 능한 것으로 나타났다.
감사의 글
본 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업(NRF- 2013R1A1A4A01011403)으로 지원되었으며 연구비 지원에 감사드립니다.
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