An Analysis of the Effect of PBD Discharge Capacity to Leave Period

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방치기간에 따른 PBD의 통수능 효과 분석

An Analysis of the Effect of PBD Discharge Capacity to Leave Period

이 기 용

¹⁾

･ 박 민 철

²⁾

･ 정 상 국

³⁾

･ 이 송

^†

Lee, Keeyong ･ Park, Minchul ･ Jeong, Sangguk ･ Lee, Song

ABSTRACT : Recently PBD method, one of acceleration of consolidation methods is used in the soft ground to shorten consolidation time for fast settlement during construction. It is economical and easy to work. Discharge capacity of PBD is sensitive in proportion to thickness of soft ground layer, and drainage of PBD declines due to disturbance effect in surrounding ground by mandrel used for vertical drainage setting and setting machines and type. Also, deviation of discharge capacity is large according to ground condition, construction condition and soil properties. In addition, when embankment loading is not conducted instantly after PBD setting due to rain or lack of embankment material supply, it causes leaving period problems. But cause and analysis of those problems for discharge capacity is lack. So, in this test, ground improvement and discharge capacity is investigated by implementing composite discharge capacity test for analysis of an effect factor of PBD discharge capacity with leaving period. After fixing the vertical drain on a cylindrical cylinder, put churned sample into the cylinder. Then leave 0day, 30day, 60day and 90day. And then, load following the loading step of 30, 70 and 120kPa using a pressure device. As a result, the longer leaving period, discharge capacity is reduced. It is caused by a decrease of discharge area caused by creep transformation moisture absorption of PBD filter after long leaving period.

Keywords : Acceleration of consolidation method, Composite discharge capacity test, PBD

요 지 : 최근 연약지반에서는 공사기간 중에 압밀에 의한 침하량이 빠르게 일어날 수 있도록 압밀시간을 단축시키는 압밀촉진공법 중 하나인 PBD공법이 적용되고 있다. 이는 시공의 용이성과 경제성을 지닌 압밀촉진 공법 중 하나이다. PBD는 통수능력이 연약층 의 두께에 비례하여 영향을 크게 받는 성질이 있으며, 배수재 타설 방법과 관련하여 배수재 타입 시 사용되는 맨드럴, 타입기기 및 방식에 의한 주변지반의 교란영향으로 배수성능이 저하되는 등 문제점이 있다. 또한 지반조건, 시공조건, 토질특성에 따라 통수 능의 편차가 크게 나타나며 PBD타설 후 강우나 성토재료 수급의 불안정 등 기타 현장여건에 따라 성토 재하중을 바로 실시하지 못해 수개월 동안 방치에 따른 배수재 통수능의 문제점 및 분석이 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 방치기간에 따른 PBD 통수능의 영향인자를 분석하기 위한 복합 통수능 시험을 실시하여 지반개량 및 통수능 평가를 하였다. 원통형 실린더에 배수재를 고정한 후에 교반한 시료를 투기한 후 0day, 30day, 60day, 90day 방치시킨 후에 가압장치를 사용하여 30, 70, 120kPa의 하중을 가해 실험을 수행하였다 . 실험결과, PBD 타설 후 방치기간이 길어질수록 통수능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 장기간 방치에 따른 PBD필터의 흡습에 기인된 크리프 변형으로 통수단면의 감소가 원인이라고 판단할 수 있다.

주요어 : 압밀촉진공법, 복합통수능 시험, PBD

1) 비회원, 서울시립대학교 토목공학과 박사수료

한국지반환경공학회 논문집

제12권 제10호 2011년 10월 pp. 39～49

1. 서 론

최근 국내의 경제 성장과 더불어 공업용지 및 주거용지 의 수요가 점점 증가되고 있고, 부족한 항만 시설의 확충과 시설부지의 확보 및 좁은 국토의 효율적인 활용차원에서 서 남해안의 개발이 지속적으로 확대되고 있다. 따라서 이러한 흐름에 따라 대규모의 지반을 효과적으로 단기간에 최대의 개량효율을 얻을 수 있는 개량공법에 대한 관심이 고조되고 있다.

수많은 종류의 연약지반개량공법이 제시되어 왔으나 이

들을 크게는 고화, 치환, 보강, 다짐, 탈수, 재하 등의 기본 원리로 분류할 수 있다. 하지만 경제성과 시공성에 따라 여 러 가지 원리 중 탈수와 재하를 기본원리로 하는 연직 배수 공법의 경우가 가장 일반적으로 적용되는 지반개량공법 중 의 하나라고 할 수 있을 것이다.

지반 내에 연직의 배수층을 확보함으로써 압밀 배수되는 간극수의 배수거리를 저감하여 압밀소요기간의 단축을 꾀 하는 연직 배수공법은 1920년도에 처음으로 개발된 Sand Drain공법에서 시작해서 발전에 발전을 거듭하여 공장에서 대량생산이 가능한 기성의 배수재에 이르기까지 재료적 측

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그림 1. Delft 방법 실험장치

면이나 시공적인 측면 모두에서 장족의 발전을 거두어왔다.

연약지반 압밀촉진을 위한 연직배수공법은 방사형 압밀 이론에 대한 연구와 지반조건에 적합한 연직배수재의 개발 로 많은 성과의 축적과 지속적인 발전을 거듭하고 있다. 최 근 들어 연직배수공법의 주된 관심은 연직배수재의 통수능 을 감소시키는 요인들을 적정하게 평가하여 압밀 지연 크기 를 정량화하는데 초점이 맞춰지고 있다.

국내의 연약지반 심도는 남해안의 경우 40m～60m, 서해 안 5m～20m정도로서 매우 깊게 형성되어 있다. 항만시설 이나 부지공사의 안정적이고 경제적인 부지이용을 위하여 연약지반에 대한 압밀촉진을 시켜야 한다. 최근 연약지반에 서의 건설산업은 공사기간 중 압밀에 의한 침하량을 빠르게 일어날 수 있도록 하여 압밀시간을 단축시키는 압밀촉진공 법이 적용되고 있다.

연약지반을 압밀 촉진시키기 위한 공법으로 SCP, 페이퍼 드레인, 샌드드레인, PBD 등 다양한 시공법들이 현장에서 적용되고 있다. 이 공법들 중에서 PBD공법은 압밀촉진공법 중 대표적인 공법으로 하중에 의해 발생된 지반 내의 과잉 간극수압을 빨리 소산시키기 위해 지반에 PBD배수재를 타 입하여 배수거리를 단축시켜 압밀을 촉진하는 공법이다. 또 한, PBD공법은 경제적이면서 시공성이 우수하여 현재 많이 사용하고 있으며, PBD공법 설계 시 통수능 인자를 반영하 기 위해서는 복합통수능 실내실험을 실시하여 도출된 결과 값을 설계에 적용한다.

이와 같이 현장에서 많이 쓰이고 있는 PBD공법의 통수 능에 대한 실험 및 분석은 많이 이루어졌지만 아직까지 연 구가 미흡한 부분이 있다. PBD를 타설 후 강우나 성토재료 수급불안정 기타 현장여건에 따라 성토 재하중을 바로 실시 하지 못해 수개월 동안 방치에 따른 배수재 통수능 저하의 문제점 및 분석이 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구는 방치기간에 따른 PBD 통수능의 영향 인자를 비교 ․ 분석하기 위하여 복합통수능 실험을 실시하여 지반개량 및 통수능력을 평가하는데 목적을 두고 있다.

2. PBD실험의 연구 동향

2.1 해외 연구 동향

PBD 배수재의 종방향 통수특성은 현재까지 많은 연구에 의해 분석되었으나, 목적 및 특징에 따라 실험의 방법이 다 르게 수행되었고 그 결과 또한 상당한 차이를 보였다.

Delft 공대의 Oostveen와 Troost(1990)은 셀안에 배수재 를 설치하고 측압을 가한 조건에서 배수재의 통수능력을 분

석하는 실험을 제안하였다. 이 실험은 대형의 압축 셀 내부 에 배수재를 직립 또는 변형하여 설치하고, 라텍스 재질의 고무 멤브레인으로 배수재를 감싸 물의 외부 침투를 막아 셀 내부에 물을 채워 수압을 작용시켰다.

배수재에는 현장의 수평토압과 같은 크기의 수압을 가하 여 측압을 유도하고, 임의의 동수경사 조건에서 물을 상부 에서 하부로 통과시키면서 유량을 측정함으로써 배수재의 통수능력을 분석하였다. 이때 배수재를 직립으로 설치하여 수행하는 실험을 직립조건실험이라 하고, 배수재를 일정한 형태로 비틀거나 구부려 배수재 변형에 따른 통수능력의 감 소 특성을 파악하는 시험을 변형조건실험이라 하였다. 그림 1은 현재 국내의 ○○ 대학에 설치되어 있는 Delft 공대 실 험방법의 장치이다.

미국표준시험법(ASTM D4716-01)에서는 상하부판 사이 에 banding이나 folding이 없는 배수재를 수평으로 설치하 여 sealing하고, 하중을 가하여 원하는 응력으로 설정한다.

임의의 동수경사 조건으로 외부 물의 높이를 조절한 후 배 수재 내부로 물을 흘려보내면서 시간에 따른 통과유량을 측 정하여 배수재의 통수능력을 분석한다. Koerner & Lawrence (1988)도 Drexel이라는 시험기를 제작하여 미국표준시험법 과 유사한 방법으로 시험을 수행하기도 하였다.

Den Hoedt(1981)은 배수재를 얇은 폴리에틸렌 필름으로 감싸고 시험기 내부를 토립자로 채워 물의 흐름에 의한 통 수능을 측정하였고, 필터의 성능은 별도의 압밀시험으로 분 석하였다. 그러나 이 방법은 시험이 복잡하고 간극수가 배 수재로 유입되는 단점이 있다. Suits 등(1986)도 배수재를 plastic sheet로 감싼 뒤 Den Hoedt와 같은 방법으로 시험을 수행하였으나, sheet를 통하여 물이 배출되어 올바른 결과 를 획득하기 어려웠다.

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표 1. 실험조건

구 분 재하하중

(kPa)

배수재 종 류

배수재 길이 (cm)

방치조건 (day)

함수비 (%)

동수 경사 () 방치기간에 따른 PBD의 통수능 효과 분석 30, 70, 120 PBD-H형 60 0, 30, 60, 90 70 0.5

2.2 국내 연구 동향

국내의 배수재 통수능력에 대한 연구는 최근 들어 많이 진행되었으며, 초기에는 Delft 공대의 시험방법과 유사한 시험이 주로 수행되었다.

박영목(1996)은 Delft 시험과 유사한 방법으로 직경 30cm, 높이 100cm의 강재 토조에 멤브레인으로 피복된 배 수재를 설치하여 통수능력을 분석하였다. 이 연구에서는 배 수재의 종류와 측압, 변형 등이 다양한 실험조건으로 반영 되었다. 강민수(1998)는 셀 내에 배수재를 설치하고 두께 3mm의 고무 멤브레인으로 피복한 후 측압을 변화시켜 종 방향으로 통수능력을 분석하였다. 또한, 배수재와 멤브레인 사이에 시료를 넣어 흙에 의해 구속된 배수재의 통수특성을 파악하는 실험도 수행하였다.

박만규(2003)도 배수재와 멤브레인 사이에 시료를 넣어 측압 및 동수경사에 따른 여러 조건에서의 배수재 통수특성 에 대한 실험을 수행하였다. 양상호(2003)는 현장 조건을 고려한 복합통수능 시험기를 제작하여 흙의 구속압이 배수 재에 직접 전해진 상태에서 배수재의 크리프 영향을 살펴보 고 통수능 시험과 압밀시험을 동시에 수행함으로써 압밀진 행에 따른 배수재 통수능력 변화와 변형을 살펴볼 수 있도 록 하였다. 김찬기(2004)는 배수재가 설치된 소형 아크릴 셀에 시료를 성형한 통수능 시험으로 영향인자에 따른 통수 특성을 분석하였다. 김서룡(2005)은 배수재를 먼저 설치하 고 시료를 조성한 후 상재하중으로 압밀을 유도하면서 통수 능력을 측정하는 복합 통수능 시험을 개발하였다. 이 시험 으로 시료와 배수재 종류에 따른 압밀 경향과 소요 통수능 에 대하여 분석하였다.

이러한 복합통수능 실험방법은 흙에 압력을 가하여 배수 재의 크리프 및 변형을 유도하는 장점이 있으나 배수재를 미리 설치한 후 시료를 조성하기 때문에 mandrel을 관입하 여 배수재를 타설하는 실제 현장 조건과는 상이할 수 있다.

한편, smear의 영향을 분석하기 위한 실험은 통수능 시험 과 별도로 수행되어 왔으며, 시료를 조성한 후 배수재를 타 설하면서 발생되는 교란영역 및 투수성 변화에 대한 분석 위주로 수행되었다. 또한, mandrel의 크기와 형상을 변화시 키면서 스미어존에서의 강도 특성과 압밀 특성을 분석하였 다. 장제원(2005)도 이와 유사한 실험장치를 이용하여 배수 재 설치에 따른 지반변형을 스케치함으로써 mandrel 종류

에 다른 교란영역을 분석하였다. 이승재(2003)는 Rowe cell 시험기를 이용하여 조성된 시료에 여러 종류의 mandrel을 관입 인발함으로써 mandrel 형상에 따른 교란 효과를 분석 하였다.

3. 실내모형실험

3.1 실험개요

본 연구는 방치기간에 따른 PBD의 통수능를 효과 분석 하기 위하여 종합적으로 평가할 수 있는 장치를 개발하여 복합 통수능의 측정과 압밀거동을 분석하는 실내모형 실험 이다.

PBD를 장기간 방치했을 시 통수능 효과를 파악하기 위 하여 표 1에 나타낸 바와 같이 현장에서 발생되는 유사한 조건을 모사하기 위하여 0일, 30일, 60일, 90일 4case조건을 설정하여 비교 ․ 분석하였다. 사용된 시료는 부산지역 점토 로서 통일분류법상 CL로 분류되는 시료를 사용하였고, 함 수비는 지반조사결과 data를 바탕으로 70%로 제작하여 사 용하였다. 장기간 방치에 따른 함수비 변화를 방지하기 위 하여 젖은 헝겊과 컬럼 주위에 물을 살수하여 습윤상태를 유지하였다.

연직배수재의 종류는 현재 경제적으로 뛰어나고 많이 사 용되고 있는 PBD를 길이 60cm로 사용하였다. 현장의 상재 하중과 같은 조건을 모사하기 위하여 30kPa, 70kPa, 120kPa 3단계로 나누어 실시하였으며, 압밀속도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 3개소 장소에 간극수압계를 설치하여 압 밀도를 평가하였으며, 제일 마지막 단계가 끝났을 때 배수 재 거리별 및 심도별로 전단강도 및 함수비 측정을 하였다.

또한, 압밀속도에 미치는 영향인 clogging을 파악하기 위하 여 전자현미경으로 PBD의 내 ․ 외부를 촬영하여 비교 ․ 분석 하였다.

3.2 실험대상 배수재의 특성

본 연구의 대상지역은 지형적인 특성으로 대심도 연약지 반이 존재하는 것으로 나타나고 있어 배수재의 선정에 주의 를 기울여야 한다. 모래는 과거에 통수능력이 우수하여 많 이 사용되었으나, 재료의 수급불균형으로 인한 가격급등으

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표 2. 실험에 사용된 PBD 특성

구 분 H형-PBD

필터재료 폴리프로필렌

코어재료 폴리프로필렌

전체 폭 99.9mm(± 5mm)

두께 5.0mm(± 0.5mm)

코어형태 하모니카형

투수계수(cm/sec) 2.5 × 10^-2

코어(g) 85.29

필터재(g) 31.34

코어+필터재(g) 116.63

그림 2. PBD 사진

표 3. 시료조건

구 분 특 성 구 분 특 성

USCS CL 액성한계 (LL) 44.4%

Passing #200 98.0% 소성한계 (PL) 22.0%

Gs 2.691 소성지수 (PI) 22.4%

그림 3. 입도곡선

그림 4. 실험장치 모식도 및 사진

로 현재는 과거보다 사용이 많이 줄고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 경제적이면서 수급 및 통수능이 우수하고 또한, 현재 연약지반 개량에 많이 사용되고 있는 H형-PBD를 선정하여 기존의 일반적인 통수능 시험결과를 바탕으로 대심도에서 점토지반의 특성을 고려할 수 있는 복 합통수능 시험을 통하여 방치기간에 따른 PBD의 통수능 효 과를 비교 ․ 분석하였다. 표 2는 본 실험에 사용된 PBD특성 을 나타내고 있다.

3.3 대상지반의 특성

본 시험에서 사용된 시료는 부산 웅동지구에서 채취한 점성토로서 시험기의 크기를 고려할 때 이에 필요한 불교란 시료를 확보하는 것은 매우 어렵기 때문에 본 시험에서는 시료를 교란된 상태로 채취하여 실내시험실에서 습윤상태 의 흙을 No.10번체로 체가름한 것을 사용하였다. 이 과정 중 시험결과에 영향을 미칠 정도의 크기가 큰 흙이나 조개 껍데기 등의 불순물을 제거하였다. 표 3과 그림 3에서 나타 냈듯이 평균 #200체 통과율 98.0%와 소성지수(PI) 22.4로 통일분류법상 CL로 분류되었다.

3.4 실험장치 및 구성

본 연구에서는 실내시험을 통해 배수재가 지중에 타설된 후 일정 상재 압력하에서의 최소 통수능을 파악하고자 그림 4와 같이 복합통수능 시험기를 제작하였다. 실험장치는 직

경 38cm, 높이 70cm의 원통형 강재 프레임으로 제작되었으 며, 동수경사() 조절을 위한 장치로 그림 4에서 보는 바와 같이 유출수조와 유입수조가 있으며, 유출수조에서 배수관 로를 통해 유입된 물이 시험기 하부를 통해 배수재 내부로 유입되어 상부 배수관로를 통해 유입수조로 들어온다. 이 때, 물의 흐름은 두 수조의 수두차로 조절된다.

시험기 내에서 배수재의 양단을 시험기의 상, 하부 클램 프에 고정시키고 상부에 원형판과 연결하여 시험 중 점토가 배수재와 배출구의 사이로 유입되지 않도록 하였고, 침하량 을 측정하기 위한 장치로 시험기 상부에 LVDT를 설치하여 침하량을 측정하였다. 이렇게 설치된 시험기 내의 배수재에 대하여 상재압력의 크기, 가압시간 등의 조건을 달리하여 단위시간당 통수량을 측정한다.

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목적 함수비 제조 및 교반

배수재 및 간극수압계 설치

단위중량에 맞게 시료투기

하중가압판 설치 및 하중재하(30,70,120kPa)

하중단계별 통수량 측정

함수비 및 전단강도 측정

그림 5. 실험순서

3.5 실험방법

방치기간에 따른 PBD의 통수능력 실험조건은 표 1에 제 시한 바와 같다. 현장에서 타설된 배수재의 경우 내적 ․ 외적 막힘현상과 배수재의 크리프에 의해 통수능력 저하가 발생 하게 된다.

일반적으로 실내 통수능시험은 배수재를 고무 멤브레인 으로 감싸거나 배수재와 멤브레인 사이에 점토를 넣어 시험 기 내에 수압을 이용하여 일정한 측압을 가하여 현장조건을 구현한다.

그러나, 고무 멤브레인으로 감싼 시험의 경우 멤브레인 자체가 어느 정도의 인장력을 가지고 있으므로 외부 구속압 이 배수재에 직접적으로 전해지지 못하여 배수재의 크리프 에 의한 영향을 살펴볼 수 없다. 또한, 점토입자가 배수재 외부에 누적되어 발생하는 외적 막힘현상과 필터를 통과하 여 배수재 유로 내부로 유입된 점토 미립자에 의한 내적 막 힘현상을 고려할 수 없다.

따라서, 본 연구에서 실시한 실내 통수능 시험에서는 현장 조건을 최대한 모식화하기 위해 점토로 채워진 시험기 내부 에 배수재를 타설한 후 일정한 연직하중을 가함으로써 배수 재의 필터 부분에 점토가 실제로 영향을 미치는 상황에서 복 합통수능시험을 통하여 이러한 영향을 살펴보고자 하였다.

그림 5는 복합통수능 시험과정을 나타내고 있다. 먼저 복 합통수능 시험기에 지반을 조성한 다음, 압축공기 콤프레셔 를 이용한 압축공기로 단계하중을 가한 후, Hyperbolic method를 이용하여 압밀도 90% 이상이 되었을 경우, 다음 단계 하중을 가하는 방식으로 시험이 진행되었다. 또한, 동 수경사()는 0.5로 수행하였다. 점토로 채워진 셀에 일시에

120kPa의 압력을 적용하였을 경우 급작스런 하중의 증가로 인한 과잉간극수압의 급격한 증가로 시료의 불안정 상태가 예상되므로 단계적으로 하중을 분할하여 증가시키며 시험을 수행하였다. 단계하중은 압축공기로 30kPa, 70kPa, 120kPa 3단계로 나누었다.

4. 실험결과 분석

4.1 통수능 결과

연직배수공법의 주된 목적은 점성토 지반의 투수특성 (K

v

<K

h

)을 이용하여 배수거리 단축에 따른 간극수의 원활 한 배출에 있다. 그러나, 침하가 큰 연약지반에서는 간극수 의 배출에 의한 압밀이 발생할 경우, 지중에 타설된 배수재 는 내적, 외적 요인에 의해 통수능력이 저하될 수 있다.

통수능 저하 요인으로 지반의 침하에 따른 배수재의 변 형과 측압증가에 따른 배수재 필터의 Creep와 Clogging으 로 인한 통수단면적 감소, 동수구배 증가로 인한 배수재 속 의 물 흐름의 난류화 등이 통수능력 감소 요인이며, 이 중 배수재 굴곡에 의한 통수능력 저하는 직립조건의 초기 통수 능력에 비해 15%～40% 정도로 크게 감소한다고 알려져 있 어 그 굴곡 정도에 따라 배수재의 역할이 현저히 떨어질 수 있다(권오일, 2007).

본 절에서는 준설토를 투기한 후 연약지반을 개량하기 위해 PBD를 타설 후 방치기간에 따른 통수능 효과분석을 위해 통일분류법 CL로 분류되는 부산지역의 점토를 대상으 로 방치기간 0일, 30일, 60일, 90일의 복합통수능시험을 실 시하여 통수능, 간극수압, 전단강도, 함수비 변화 및 SEM으 로 촬영하여 비교 ․ 분석하였다.

0 30 60 90 120 150

Lateral Pressure(kPa)

Discharge Capacity (㎤/sec)

0 d a y 3 0 d a y 6 0 d a y 9 0 d a y

그림 6. 방치기간에 따른 통수량 결과

0

20

40

60

80

100

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Elapsed Time(min)

Settlement(mm)

0 day 3 0day 6 0day 9 0day

그림 7. 방치기간에 따른 침하량 측정 결과

120kPa의 하중일 때 통수능을 비교했을 경우 0일의 경우 1.87배, 30일 1.85배, 60일 1.85배, 90일 1.86배로 차이가 발 생하였으며, 가장 높은 하중인 120kPa은 0kPa 하중보다 모 든 방치기간에서 통수능이 적게 발생하는 것으로 나타났다.

하중이 증가할수록 통수능 변화는 급격히 저하되는 현상을 확인할 수 있었다. 이는 하중증가로 인한 배수재의 꺾임 현 상이 발생하여 배수재의 통수단면적이 줄어들어 나타나는 결과라고 판단할 수 있다.

4.2 하중단계별 방치기간에 따른 침하량 분석 방치기간에 따른 침하량 측정은 LVDT를 이용하여 일정 한 시간동안 측정하여 분석하였다. 가장 보편화 되어 있는 쌍곡선법을 적용하여 압밀도 90%가 되었을 때 실험을 종료 하였으며, 방치기간에 따른 0일, 30일, 60일, 90일을 비교 ․ 분석하였다.

그림 7은 방치기간에 따른 침하량 결과를 나타내고 있다.

최종침하량으로 비교했을 경우 0일의 최종침하량은 30일 보다 1.04배, 60일 1.11배, 90일 1.22배로 많이 침하한 것으 로 확인되었다. 방치기간이 짧을수록 많은 침하량을 나타내 는 것으로 확인되었으며, 또한 압밀도 90% 도달시간도 0일 인 경우가 30일은 1.10배, 60일 1.21배, 90일 1.30배로 가장 빨리 도달하는 것으로 확인할 수 있었다.

PBD를 타설한 후 장기간 방치했을 경우 압밀도달 시간 은 가장 늦게 도달하는 것으로 확인되었으며, 이는 장기간 방치에 따른 PBD필터의 흡습에 기인된 크리프 변형으로 통 수단면의 감소가 원인이라고 판단된다. 또한, 방치기간 동 안 자중으로 인한 PBD로 간극수가 배출되어 침하량이 미소 하게 생겨 간극비가 줄어들어 발생된 것으로 판단할 수 있다.

4.3 하중단계별 방치기간에 따른 간극수압 소산 분석 연약지반의 방치기간에 따른 간극수압의 소산 정도를 분

석하기 위하여 0.05kPa 단위로 측정이 가능한 간극수압계 를 그림 4에 나타낸 모식도 처럼 배수재로부터 수평방향으 로 5cm, 10cm, 15cm 하단으로부터 높이 20cm, 30cm, 40cm 인 지점에 3개를 설치하여 압밀진행에 따른 시료 위치별 간 극수압 변화를 측정하였다.

침하량 측정을 통한 압밀도 분석은 최종침하량을 예측하 여야 하며 반복시험의 특성상 침하량의 차이를 나타내는 원 인이 다양할 수 있어 방치에 따른 통수능이 압밀속도 차이 의 주원인이라고 볼 수 없다. 이러한 문제를 보완할 필요가 있어 실험 중 측정된 간극수압의 위치별 발생 및 소산특성 을 분석함으로써 방치기간에 따른 압밀속도 분석의 적정성 을 검토하는데 적용하였다.

그림 8은 방치기간에 따른 하중단계별로 나타낸 간극수 압 경시변화를 나타내고 있으며, 압밀도(_{ }





_

 

_

) 90%

일 때 기준을 적용하여 비교 ․ 분석한 결과이다. 공통적으로 각각의 하중단계 시 방치기간이 길어질수록 소산속도가 점 차적으로 느리게 발생한다는 것을 확인할 수 있었고, 간극 수압계가 높게 설치된 곳이 낮게 설치된 곳보다 빨리 소산 되는 경향을 볼 수 있었다.

이러한 결과들은 PBD의 배수효과에 따른 영향에 의해서 발생된 것으로 판단할 수 있다. 통수능과 침하량 등과 같은 결과에서도 알 수 있었듯이 방치를 고려하지 않은 경우보다 장기간 방치했을 경우 간극수압 소산도 매우 느리게 발생되 는 것을 확인할 수 있었다. 이는 장기간 방치에 따른 PBD 흡습으로 기인된 크리프 변형으로 통수단면의 감소가 이루 어져 나타난 결과라고 볼 수 있다.

1 10 100 1000 10000 10000

Elapsed Time(min)

Pore.P(kPa)

0일 30일 60일 90일

0 10 20 30 40 50 60 70

1 10 100 1000 10000

Elapsed Time(min)

Pore.P(kPa)

0일 30일 60일 90일

(c) 30kPa(H-40cm) 간극수압 측정 (g) 120kPa(H-20cm) 간극수압 측정

0 10 20 30 40 50 60

1 10 100 1000 10000 10000

Elapsed Time(min)

Pore.P(kPa)

0일 30일 60일 90일

0 10 20 30 40 50 60 70

1 10 100 1000 10000

Elapsed Time(min)

Pore.P(KPa)

0일 30일 60일 90일

(d) 70kPa(H-20cm) 간극수압 측정 (h) 120kPa(H-30cm) 간극수압 측정

그림 8. 간극수압 소산 분석

(d) 90day 전단강도 분석 결과 그림 10. 전단강도 분석 결과

0 10 20 30 40 50 60 70

1 10 100 1000 10000

Elapsed Time(min)

Pore.P(kPa)

0일 30일 60일 90일

(j) 120kPa(H-40cm) 간극수압 측정 그림 8. 간극수압 소산 분석(계속)

그림 9. Vane Test 위치

4.4 복합통수능 종료 후 전단강도 분석 간극수압 소산(  



_

 

_

)이 90% 정도로 되었을 때 연약지반에 대한 압밀촉진 효과를 확인하기 위하여 그림 9 와 같이 방치기간에 따른 배수재 중앙에서부터 5cm, 10cm, 15cm 거리별과 일정한 심도별 간격으로 Vane Test를 실시 하여 전단강도값을 도출하였다.

그림 10은 전단강도 측정결과를 나타내고 있으며, 0day 의 경우 7.1kPa～23.9kPa, 30day 5.1kPa～20.0kPa, 60day 4.2kPa～19.8kPa, 90day 3.6kPa～17.1kPa로 나타났으며, 방 치기간에 따른 전단강도 차이는 미미하게 발생하였지만, 거 리별, 심도별 전단강도 범위는 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

PBD부근의 중앙부분(5.0cm)과 가장자리(15cm)의 전단 강도 차이는 0day의 경우 1.39배～1.91배, 30day 1.21배～ 2.22배, 60day 1.26배～2.55배, 90day 1.31배～2.74배로 나 타나, PBD로부터 멀어질수록 간극수압의 소산이 적어 전단 강도가 적게 나오는 것으로 확인되었다. 또한, 실험조건이 상향방향 일면배수 조건이기 때문에 심도의 깊이 여부에 따 라 전단강도의 차이를 최상부와 최하부를 조건으로만 분석

(9)

그림 11. 함수비 측정 위치

30

35

40

45

50

55 0 5 10 15 20

Distance from center(cm)

Moist content(%)

D ept h 5cm Dep th 10 cm D ept h 20c m Dep th 30 cm D ept h 40c m Dep th 50 cm

(a) 0day 함수비 측정 결과

30

35

40

45

50

55

60 0 5 Distance from center(cm) 10 15 20

Mo ist content(%)

D e p t h 5 c m D e p t h 1 0 c m D e p t h 2 0 c m D e p t h 3 0 c m D e p t h 4 0 c m D e p t h 5 0 c m

(b) 30day 함수비 측정 결과

30

35

40

45

50

55

60

0 5 10 15 20

Distance from center(cm)

Moi st content( %)

D epth 5c m Dep th 10cm

D epth 20 cm Dep th 30cm

D epth 40 cm Dep th 50cm

(c) 60day 함수비 측정 결과

30

35

40

45

50

55

60 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Distance from center(cm)

Mo is t con te nt (%)

De p t h 5 cm De p th 1 0 cm De p t h 2 0c m De p th 3 0c m De p t h 4 0c m De p th 5 0c m

(d) 90day 함수비 측정 결과 그림 12. 함수비 분석

하였다. 0day의 경우 1.90배～2.42배, 30day 1.77배～3.25

배, 60day 1.85배～3.76배, 90day 1.74배～3.66배로 큰 차이 를 나타냈다.

방치기간에 따른 전단강도 차이는 미미하였지만, 심도별, 거리별 전단강도 차이가 많이 나는 원인은 Column 중앙에 위치한 PBD를 통해 배수거리가 짧아진 연약지반 내의 간극 수가 빨리 배수되는 PBD공법의 압밀촉진의 메카니즘을 확 인할 수 있었다.

4.5 복합통수능 종료 후 함수비 분석

연약지반개량공사에서 PBD 타입 후 장기간 방치에 따른 압밀촉진 효과를 알아보기 위하여 그림 11과 같은 위치에서 거리별, 심도별 시료를 채취하여 함수비 변화를 분석하였다.

그림 12에 나타난 것처럼 함수비는 0day의 경우 39.3 0%～52.85%, 30day 39.60%～53.85%, 60day 39.80%～ 54.03%, 90day 39.90%～55.30%로 나타났으며, 방치기간에 따른 함수비 차이는 전단강도와 마찬가지로 미미하게 발생 하였지만, 거리별, 심도별 함수비는 많은 차이를 나타냈다.

PBD부근의 중앙부분(5cm)과 가장자리(15cm)의 함수비 차 이는 0day의 경우 8.61%～11.03%, 30day 9.30%～10.51%, 60day 9.23%～11.38%, 90day 10.03%～12.89%로 많은 차 이를 나타내었다. PBD에서 거리가 멀어질수록 함수비는 높 게 측정되었다. 이는 배수거리가 길어 압밀촉진이 미미하게 이루어진 것으로 판단할 수 있다.

4.6 SEM(Scanning Electronic Microscope) 측정 결과

SEM의 원리는 그림 13과 같이 전자선이 시료면 위를 주 사할 때 시료에서 발생되는 여러 가지 신호 중 그 발생확률 이 가장 많은 이차전자 또는 반사전자를 검출하는 것이다.

본 연구에서는 복합통수능 시험 종료 후 PBD의 SEM촬

(10)

그림 13. SEM 측정장치

(a) 0day-안쪽 (e) 60day-안쪽

(b) 0day-바깥쪽 (f) 60day-바깥쪽

(c) 30day-안쪽 (g) 90day-안쪽

(d) 30day-바깥쪽 (h) 90day-바깥쪽

그림 14. SEM 측정 사진

영을 위하여 필터부를 절삭하여 시편을 준비하고 PBD 필터 의 안쪽과 바깥쪽을 진공상태에서 촬영하였다. PBD 필터부 를 배율 100배로 확대한 후 촬영하여 그림 14에 나타내었 다. 장기간 방치시킨 90day의 경우 0day 보다 점토입자가 바깥쪽 필터부분에 많이 흡착되어 있는 것으로 확인되었다.

이는 4.1절의 통수능 결과와 거의 비슷한 경향을 나타내 는 것으로 PBD 타입 후 장기간 방치 시 점토입자의 많은 흡착으로 인해 통수능에 영향을 끼쳤다고 판단된다. 반면에 필터 안쪽에는 점토입자가 붙어 있지 않아 Clogging이 거의 발생하지 않은 것으로 나타났으며, 이에 따른 Well resistance 의 영향은 거의 없을 것으로 판단된다.

(11)

5. 결 론

연약지반의 개량을 위한 이상적인 연직배수재는 압밀을 지연시키지 않도록 최소한의 통수능을 가지고 있어야 하며, 압밀 진행 중 통수능이 감소하는 특성이 있는데 이 때 감소 된 통수능도 압밀을 지연시키지 않는 소요통수능 이상을 유 지하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 준설토 지반에 PBD 를 타설 후 방치기간에 따른 통수능의 효과를 분석하기 위 해 0day, 30day, 60day, 90day의 4가지 조건을 설정하여 실 내모형 실험을 통해 PBD의 통수능 효과를 비교 ․ 분석하였 다. 각각의 조건에 따른 복합통수능시험을 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 방치기간에 따른 통수능 변화를 분석한 결과 하중 단계 별 0day은 38.9～48.0cm

³

/sec, 30day 30.4～38.2cm

³

/sec, 60day 24.1～30.2cm

³

/sec, 90day 20.9～25.6cm

³

/sec로 각각 나타났다. 0day 120kPa의 통수능을 기준으로 비교 했을 경우 30일 1.04배, 60일 1.11배, 90일 1.22배로 방 치기간이 길어질수록 통수능이 감소하는 경향을 확인 할 수 있었다. 이는 장기간 방치에 따른 PBD필터의 흡 습에 기인된 크리프변형으로 통수단면의 감소가 원인 이라고 판단할 수 있다.

(2) 방치기간에 따른 침하량을 분석한 결과 0day의 침하량 은 30day 보다 1.04배, 60일 1.11배, 90일 1.22배로 많이 침하한 것으로 확인되었다. 또한, 압밀도 90% 도달시간 도 0day 경우가 30day 보다 1.10배, 60day 1.21배, 90day 1.30배로 가장 빨리 도달하는 것으로 확인할 수 있었다.

이는 장기간 방치에 따른 PBD필터의 흡습에 기인된 크 리프 변형으로 통수단면의 감소가 원인이라고 판단된 다. 또한, 방치기간 동안 자중으로 인한 PBD로 간극수 가 배출되어 침하량이 미소하게 생겨 간극비가 줄어들 어 발생된 것으로 판단할 수 있다.

(3) 복합통수능 시험 종료 후 PBD의 Clogging을 분석하기 위해 SEM촬영을 실시하였다. PBD의 필터부를 절삭하 여 시편을 준비하고 PBD필터의 안쪽과 바깥쪽을 진공 상태에서 PBD필터부를 배율 100배로 확대하여 촬영한 결과 장기간 방치시킨 90day의 경우 0day 보다 점 토입 자가 바깥쪽 필터부분에 많이 흡착되어 있는 것으로 확 인되었다. 이는 통수능 결과와 거의 비슷한 경향을 나타 내는 것으로 PBD 타입 후 장기간 방치 시 점토입자의

많은 흡착으로 인해 통수능에 영향을 끼쳤을 것으로 판 단된다.

감사의 글

이 논문은 2011년도 서울시립대학교 연구년교수 연구비 에 의하여 연구되었음.

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