지 반 공 학
대 한 토 목 학 회 논 문 집제32권 제4C호·2012년 7월 pp. 139~147
연약지반에서 저회혼합다짐말뚝의 적정 혼합비 및 치환율 산정에 관한 연구
The Study of Appropriate Mixture Ratio and Replacement Ratio of Bottom Ash Mixture Compaction Pile in Soft Ground
도종남*·주익찬**·채휘영***·천병식****
Do, Jong Nam·Chu, Ick Chan·Chae, Hwi Young·Chun, Byung Sik
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Abstract
In this study, various laboratory tests using bottom ash, which has similar engineering properties with sand, were conducted in order to solve the problem of clogging in granular compaction pile and to address sand supply and demand. In particular, testing was performed to help reduce clogging and minimize voids in a crushed stone compaction pile constructed in soft ground. Based on compaction tests and large diameter direct shear tests, an optimum mixing ratio was determined to be 80:20 (crushed stone to bottom ash) because an 80:20 mixing ratio showed the highest shear strength. Test results showed that as the bottom ash content increased above 20%, internal friction angle decreased. Another test method showed freezing and thawing had little effect when the replacement ratio was over 40%. Therefore, bottom ash mixed compaction piles in soft ground are most economical at a 40% replacement ratio.
Keywords : soft ground improvement, compaction pile method, clogging, bottom ash, mixing ratio, replacement ratio
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요 지
본 연구에서는 모래의 수급 문제와 회처리장 부족으로 전력생산 위기에 처해진 화력발전소의 문제점을 해결하며, 쇄석다짐 말뚝의 폐색 현상에 대처하기 위한 방안으로 모래와 공학적 성질이 유사한 화력발전소 부산물인 저회를 조립재료다짐말뚝 재료로 활용하기 위하여 다양한 공학적 시험을 실시하였다. 특히 연약지반에 쇄석다짐말뚝의 클로깅 현상을 줄이고 말뚝 내 공극을 감소시키기 위한 연구가 수행되었다. 각 재료의 배합비별 전단강도 시험을 통해 적정혼합비를 산정하고 연약지반에 적용 시 효율적인 치환율을 공학적 시험으로 도출하였다. 다짐 시험 및 대형직접전단 시험결과, 쇄석:저회 혼합비 80:20의 전단강도가 가장 크므로 쇄석과 저회 혼합다짐말뚝의 최적 혼합비로 결정하였다. 저회의 혼합비가 20% 이상의 영역에서는 혼합재료의 입자간 맞물림 효과 감소에 의한 내부마찰각 저하가 발생하였다. 동결융해법에 의한 모형시험 방법을 개발하여 압축시험을 수행한 결과, 저회혼합다짐말뚝의 치환율이 40% 이상일 경우 그 영향이 크게 증가하지 않았다. 따라서 저회혼합 다짐말뚝을 연약지반에 시공 시 경제적인 치환율은 40%로 판단된다.
핵심용어 : 연약지반개량, 다짐말뚝공법, 폐색, 저회, 혼합비, 치환율
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1. 서 론
최근 산업화의 영향으로 우리나라는 급격한 경제성장이 이 루지고 있는 가운데, 대단위 주거단지, 산업단지, 도로, 항만, 철도 및 공항 등에 대한 투자가 지속적으로 이루어지고 있 는 추세이다. 따라서 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라의 지 형적 여건으로 볼 때 효율적이고 경제적인 연약지반 개량의 필요성이 점차 높아지고 있다. 이에 국내에서는 대단위의 연 약지반 개량공법으로써 연직 배수 공법을 현장에 많이 적용
하여 왔다. 이 중에서도 가장 기초적인 공법인 샌드 드레인 (Sand Drain) 공법, 경제적인 장점으로 많은 현장에서 적용되 는 플라스틱 보드 드레인(Plastic Board Drain)공법, 진공압 밀공법, 모래다짐말뚝(Sand Compaction Pile)공법 등 지반의 여건과 환경에 따라 다양한 공법을 적용하여 왔다. 특히 모 래다짐말뚝공법은 연약지반에 소정의 간격을 두고 지중에 모 래다짐말뚝을 형성하는 공법이다. 하지만 최근 모래의 수급 이 어려워져 수입하는 등의 경제적인 문제점과 모래채취로 인한 자연 훼손의 문제점을 야기하므로 이에 대한 대책공법
*정회원·한국도로공사 도로교통연구원 건설환경연구실 지반연구팀 박사후연수자 (E-mail : [email protected])
**한양대학교 대학원 건설환경공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])
***정회원·한양대학교 대학원 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])
****정회원·교신저자·한양대학교 공과대학 건설환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])
이 시급한 실정이다(천병식과 정헌철, 2002). 따라서 국내에 서는 연약지반 개량공법으로서 모래나 천연자갈에 비해 경 제적이며 소요강도를 지니고 있는 쇄석다짐말뚝을 사용하고 있다(천병식 등, 2003). 쇄석다짐말뚝공법은 배수능이 우수하 여 연약지반 개량공법으로 많이 쓰여지고 있으나, 장기적인 시점에서 배수 시 미세한 점토입자가 쇄석다짐말뚝의 공극 속으로 침투하는 폐색현상이 발생하여 배수능이 저하된다(박 민철 등, 2011). 따라서 연약지반에 시공되어지는 쇄석다짐 말뚝의 공극을 모래로 채워서 쇄석다짐말뚝에 발생하는 폐 색현상을 최소화하면서 전단강도를 증대시키는 방안을 위한 연구가 진행중에 있다. 그러나 최근 국내에서는 모래의 수급 이 점차 어려워져 국외에서 수입하는 등의 경제적인 문제점 과 모래채취로 인한 자연 훼손의 문제점을 야기하므로 모래 대체재료로 공학적 성질이 유사한 저회(Bottom Ash)를 선정 하여 쇄석과 저회 혼합재료에 관한 연구가 필요한 실정이다 ( 천병식 등, 1990). 또한, 정부는 2008년 주요 정책으로 저 탄소 녹색성장을 제시하였고, 에너지, 환경관련 기술과 산업 등에서 미래 유망품목과 신기술을 개발하기 위해 총력을 기 울이고 있다(김태호 등, 2011). 그러나 에너지 관련 부문에 서는 현 전력시스템을 획기적으로 대체하여 본격적으로 상 용화되기까지 많은 시간이 필요하기 때문에 당분간 국내 전 력의 대부분은 화력발전과 원자력발전에 의존해야 하는 실 정이다(천병식 등, 1990). 특히 국내 전력의 45% 정도를 차지하고 있는 화력발전의 경우 발전소에서 부산되고 있는 석탄회는 약 700만 톤이며, 향후 한국전력의 장기 전력수급 계획에 따라 신규 석탄화력 후속기들이 건설되고 있으며 이 에 따라 2015년도와 2017년도의 석탄회발생량은 각각 800 만톤과 940만톤으로 지속적인 증가가 예상된다. 그러나, 일 부 화력발전소에서는 석탄회 매립장 용량이 한계에 부딪혀 최악의 경우 전력생산을 중단할 수 밖에 없는 위기에 처할 수도 있는 상황에 처해있다. 따라서, 화력발전소 부산물 중 가장 큰 부피를 자치하는 저회를 건설재료로써 적극적으로 활용하는 기술개발이 시급한 실정이다(산업자원부, 2000; 이 용수, 2002; 천병식, 2010).
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 석탄회를 건설 재료로 활용하기 위한 연구는 1990년부터 다양하게 이루어 져왔으며 최근에는 지식경제부의 지원으로 석탄회를 활용한 경량 유동성채움재(Flowable Fills)의 제조공정을 개발하여 실용화를 앞두고 있다(천병식, 2010). 또한 석탄회를 다른 분야에 적용하기 위한 연구로 천병식과 도종남(2008)은 저회 다짐말뚝공법을 특허로 등록(특허 제100813104호) 하는 등 석탄회 재활용에 대한 연구가 활발하게 진행되어지고 있다.
따라서 본 연구에서는 기 개발된 저회다짐말뚝 뿐만 아니라 이를 응용하고자 쇄석과 저회를 혼합하여 다짐말뚝으로 사 용하는 저회혼합다짐말뚝에 관한 기초 연구를 수행하였다.
2. 이론적 배경
2.1 다짐말뚝 공법
국토면적이 좁고 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 해안 및 내륙의 연약지반의 활용을 통해 효율적인 국토이용이 필 요한 상황이다. 그러나 해안의 초연약지반은 강도가 낮고, 압
축성이 큰 점성토층이 깊은 심도로 분포하고 있어, 지반의 안정성 확보를 위해 연약지반 처리가 필수적이다. 현재 사용 되고 있는 연약지반처리 공법으로는, 샌드 드레인 공법, 모 래다짐말뚝 공법, 여성토공법, 생석회고화공법, 쇄석다짐말뚝 공법 등이 있다. 이중 본 연구에서는 다짐말뚝공법에 관한 연구를 수행하였다.
다짐말뚝공법의 시초는 모래다짐말뚝공법으로써 1955년 일 본의 岡隆一이 개발한 후, 1957년 충격식 말뚝 시공법 도입, 1959 년 진동기 개발, 1960년 진동식 모래다짐말뚝의 타설기 의 개발에 따라 시공능률 향상과 해상시공법 적용이 가능하 게 되어 연약지반 개량 공법으로 많이 적용되고 있다(박종수, 2005). 국내에서는 개량공법으로 본격적으로 적용되어 느슨 한 모래나 점토로 된 연약지반에 모래를 압입하여 비교적 지름이 큰 모래말뚝을 다져 시공하며 모래지반의 경우에는 밀도증대와 액상화 방지, 수평저항력 증가 등의 효과가 있다.
또한 점토지반에서는 원지반과 다져진 모래말뚝이 복합지반 을 형성함으로써 지반의 전단강도 및 지지력 증대, 측방변위 억제, 압밀침하 저감효과 등을 얻을 수 있다.
Sogabe(1981), Shiomi 와 Kawamoto(1986), Hirao 등(1996) 등의 선행 연구자들의 연구결과를 살펴보면 연약지반에 적 용한 다짐말뚝의 시공조건별 치환율 범위는 일반적으로 50%
이하 이므로(표 1 참조), 본 연구에서 치환율에 대한 연구 범위는 10~50%로 설정하였다. 모래다짐말뚝공법으로 지반을 개량하는 경우에 복합지반의 형성에 따른 역학적 거동에 영 향을 주는 요소로는 모래다짐말뚝의 직경과 간격(치환율), 원 지반의 비배수강도, 지반의 방사방향 응력-변형률 특성, 모래 다짐말뚝 재료의 응력-변형률 특성 및 전단저항각 등으로 알 려져 있다. 치환율은 SCP공법의 적용에 있어서 가장 중요한 파라미터에 해당하며, 시공조건별로 표 1과 같이 개략적인 치환율의 범위를 제시하고 있다.
2.2 기존 다짐말뚝공법의 한계
기존의 모래 및 쇄석다짐말뚝공법은 배수효과와 함께 강제 압밀에 의한 주변 지반의 다짐효과, 특히 응력집중효과, 지 반 지지력의 증가 및 침하량의 절대치의 감소를 도모할 수 있고, 재하 성토와 같이 병행하면 초기 성토고의 증가 및 공기단축이 가능하고 또한 사질토와 점성토에 대하여 개량 이 가능하여 대단히 유효한 방법이다(Barkdal과 Bachus, 1983). 하지만, 모래다짐말뚝공법의 주재료인 모래는 재료의 고갈과 환경파괴 등의 이유로 그 채취가 어려워지고 있고, 모래의 채취 및 운반비를 고려할 때 매우 비경제적인 문제 점이 있다. 또한, 쇄석다짐말뚝의 경우 큰 입경으로 구성된 다짐말뚝 내의 공극이 커서 연약지반에 시공 시 초기에는
표 1. 다짐말뚝의 시공조건별 치환율 범위(Shiomi 등, 1986)
지반조건 목적 구조물형식 치환율(%)
해상점토 안정, 침하 중력식호안, 방파제 30~80
육상해상 모래 액상화널말뚝 5~25
육상모래 안정, 침하 성토 10~30
육상점토, 모래 안정 , 침하, 액상화
교대, 교각, 배면성토 10~30
탱크건설 5~30
지하매설물 5~30
배수재로서 배수효과가 크나, 점차적으로 점토에 의해 공극 이 막히는 폐색현상이 발생하여 장기적인 배수능이 저하하 는 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서 주로 다루게 될 모 래 및 쇄석다짐말뚝 공법에 대한 장·단점을 파악해 보면 표 2와 같다.
3. 실내시험 방법
3.1 사용 재료의 기본물성
본 연구에 사용된 대상 시료는 주문진 표준사와 쇄석, 그 리고 화력발전소의 부산물인 저회이다. 주문진 표준사의 특 성을 파악하고자 입도시험(KS F 2302), 전단시험(KS F 2343), 비중시험(ASTM D854-10)을 실시하였으며, 또한 쇄 석은 불순물의 제거를 위해 충분히 세척한 후 건조로에 건 조하여 사용하였으며 채움재의 물리·역학적 특성을 파악하 기 위하여 비중시험, 다짐시험(KS F 2312), 전단시험을 실 시하였다. 또한, 저회는 2009년 1월 16일에 영흥화력발전소 에서 채취하였으며, 일반 흙과 같은 방법으로 기본물성 시험 을 실시하였다.
대형 직접전단 시험기에 점성토의 인공지반을 조성하여 저 회혼합다짐말뚝을 설치하고, 치환율을 바꾸어 가며 복합지반 을 형성하였다. 표 3에 나타낸 바와 같이 복합지반을 재현
하기 위하여 사용된 점토는 2009년 6월25일 부산 신항만 시공현장의 해안 퇴적점토를 채취하여 조개껍질 등의 불순 물을 제거한 후, 액성한계 이상의 함수비 상태에서 완전 재 성형하여 24시간 동안 자중압밀시켰다. 성형한 시료의 함수 비는 대략 30% 정도에 해당하며 공극비(e)는 0.7~0.75 정 도이다. 시험에 사용한 쇄석의 물성치는 표 4와 같다.
일반적으로 전국 화력발전소에서 생산되는 저회는 흙의 통 일분류법에 의하면 대부분 SW, SP 또는 SP-SM 등 모래질 로 분류되며, AASHTO분류법으로는 A-1-b군에 해당한다는 연구결과가 있다(천병식과 고용일, 1992). 그림 1에서와 같 이 저회의 유효입경(D
10) 은 0.28mm이며, 균등계수(Cu)는 8.0, 곡률계수(Cg)는 1.3로 나타나 대체로 입도분포가 균등한 것을 알 수 있다. 또한, 통일분류법에 의해 저회를 분류하면, 입도분포가 균등한 SW로 분류되며, 액消寗봄쳬Ë 결과는 모 든 시료가 비소성(NP)으로 나타나 재료적 특성은 양호한 것 으로 평가된다.
3.2 다짐시험
다짐효과는 토질종류, 다짐에너지의 크기, 흙의 함수량에 영향을 받는다. KS F 2312에 따르면 몰드크기와 래머 무게 의 조합에 따라 표 5와 같이 5가지 방법이 있다. 본 연구 에서는 D다짐시험법을 적용하여 층별 다짐횟수별 몰드 내 시료의 무게를 측정하여 최적의 다짐횟수를 산정하는 시험 을 실시하였다. 수정다짐시험 결과를 활용하여 대형직접전단 시험에서 말뚝체 형성 시 다짐을 실시하였다.
3.3 대형직접전단시험
대형직접전단시험에 관한 명확한 시험법이 정립되어 있지 는 않으나 보통 직접전단시험을 기준으로 하여 시험되고 있 다(Head, 1986; 이대수 등, 2005; KS F 2343; ASTM D 3080-98; 한국수자원공사, 1999).
표 2. 기존의 다짐말뚝공법의 장·단점
구 분 장 점 단 점
모래다짐 말뚝공법 (SCP)
• 연약지반 압밀속도 증대.
• 지지력 증대, 침하감소. • 모래의 수급부족으로 인 한 재료비 증가.
쇄석다짐 말뚝공법 (GCP)
• 모래다짐말뚝에 비해 연 약지반에 시공시 초기 압 밀속도 증가.
• 저렴한 재료비.
• 쇄석의 입자가 커서 연 약지반에 시공 시 폐색 현상 발생.
표 3. 점토 물성치 비중 액성한계 (%) 소성한계
(%) 습윤밀도
(kN/m
3) 최대건조밀도
(kN/m
3) 통일분류
2.68 42 25 20.20 17.54 CL
표 4. 쇄석 물성치
비중 내부마찰각(
o) 최대건조밀도(kN/m
3) 통일분류
2.67 48.8 15.98 GW
그림 1. 각 시료별 입도분포곡선
표 5. 다짐시험법의 종류 종류 래머무게 (N) 몰드안지름
(cm) 다짐층수 1 층당의
다짐횟수 허용최대입자 지름(mm)
A 25 10 3 25 19
B 25 15 3 55 37.5
C 45 10 5 25 19
D 45 15 5 55 19
E 45 15 5 92 37.5
대형직접전단시험은 기존의 직접전단시험기의 단점을 일부 보안한 것인데 KS F 2343 “압밀배수조건에서 흙의 직접전 단시험방법”에 규정되어 있는 직접전단시험기는 ①가압판이 가압축에 고정되어 있지 않기 때문에 전단 중에 기울어지며
②수직, 수평변위계는 각각1개의 다이얼게이지를 이용하여 변위측정의 정밀도가 떨어지며 ③전단 시 전단상자 내부에 발생하는 정(+) 또는 부(-)의 체적팽창이 상부에 작용하는 수직하중을 변화시키는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 보안한 대형직접전단시험으로 현장지반을 모사하여 실험을 진행하였다(그림 2 참조). 우선 직경 30cm, 높이 35cm의 전단상자에 점토를 채워 넣은 후 미리 제작된 치환율 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 의 원형의 아크릴 틀을 전단박스중앙 에 배치하여 저회를 채운 후 아크릴 틀을 인발하면서 진동 다짐을 한 후 복합지반을 조성하였으며 치환율별로 90%압 밀에 도달한 후 수직하중을 100, 150, 200kPa로 변화시켜 1mm/min 의 전단속도로 시험을 수행하였다. 대형직접전단시
험의 구성과 제원은 그림 2 및 표 6과 같다.
3.4 압축특성 시험
본 연구에서는 실내시험을 통해 치환율에 따른 압축특성을 구명하기 위하여 하중이 재하된 점토-저회로 형성된 복합지 반전체가 1차원으로 압축되는 경우에 발생되는 침하특성(침 하량, 침하속도)를 연구하고자 하였다. 압축특성을 파악하기 위하여 치환율별 모형지반을 시공할 수 있는 몰드를 제작하 였다. 하지만 몰드 제작 시 몰드의 직경과 높이가 상당히 작으므로 인발시 점토지반의 교란이 상당할 것으로 사료된 다. 따라서 동결융해법을 이용하여 24시간 동결을 시킨 후 해동이 된 후에 실험을 진행하였다. 모형지반에 가해지는 압 축력은 표 7과 같이 단계별로 하중을 증가하여 압축특성을 구명하였다.
시험과정은 강관 철재 틀로 제작한 모형몰드에 미리 성형 된 점토시료를 넣은 후, 케이싱에 저회를 타설하였으며 제작 된 다짐봉으로 진동을 가하여 소정의 상대밀도를 갖도록 하 였다. 또한 케이싱은 시료교란을 최소화하기 위해 표면마찰 저항이 낮으며 두께가 0.15mm인 유압실린더용 고강도 스테 인리스 파이프를 제작하였으며, 인발시 관입저항을 최소화하 기 위해 파이프 내벽과 외벽에 수용성 젤을 도포하였다. 치 환율에 따른 전단강도의 특성을 분석하기 위하여 저회말뚝 의 치환율을 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 로 변화시키면서 시험을 실시하였다. 시험순서를 요약하 면 다음과 같다(그림 3 참조).
그림 2. 대형직접전단시험기의 구성 및 말뚝 형성 전경
표 6. 대형직접전단시험기의 구성
장비크기 2100mm(L) ×1700mm×1850mm(H)
최대 재하하중(수평) 500kN
유압밸브 및 제어장치(연직) 200kN
재하속도 1~100mm/min
변위계 수평 200mm
연직 100mm
전단상자 크기 d=300mm h=350mm
(1) 모형몰드 직경 5.6cm, 높이 2cm의 공시체를 제작하여 케이싱을 중앙에 위치를 시키며 맨 하단에 양면테이프를 붙 여 케이싱이 움직이지 않도록 고정하였다.
(2) 케이싱을 고정한 후 미리 성형한 점토를 채워 넣으며 이때 케이싱내벽과 외벽에 수용성 젤을 도포하여 인발저항 을 최소화시켰다.
(3) 치환율에 맞게 제작된 다짐봉을 이용하여 저회말뚝이 소정의 상대밀도를 갖도록 다짐하면서 케이싱을 인발한다.
(4) 몰드를 해체 할 때 생기는 시료의 교란을 줄이고자 조성된 몰드자체를 냉동고에 얼려 사용하였다.
(5) 냉동고에서 꺼낸 몰드를 해체하여 소형직접전단시험기
에 올려놓아 해동이 될 때까지 방치한 뒤에 시험을 실시하 였다.
4. 실내시험 결과
4.1 다짐시험 결과
영흥 화력발전소에서 2009년 1월 16일에 채취한 저회를 A 다짐과 D다짐 시험방법(KS F 2312)에 의한 다짐시험을 실시하였다. A다짐의 경우 최대건조단위중량 13.12kN/m
3최 적함수비 23.30%, D다짐의 경우 최대건조단위중량 14.38 kN/m
3최적함수비 16.30%로 나타났으며, 일반적인 토사와 그림 3. 압밀시험기의 구성 및 동결융해법을 이용한 공시체 몰드제작 과정
표 7. 압축특성 구명 시험 시 단계별 압축력 재하 과정
단계 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
압축력(kPa) 10 20 40 80 160 320 160 80 40 20 10
같이 다짐에너지의 증가에 따라 최대건조밀도는 증가하고 최 적함수비는 감소하는 경향을 나타냈다. 다짐곡선에서 그림 4 에서 보는 바와 같이 밀도가 완만한 경향을 나타내어 함수 비의 영향은 크지 않을 것으로 판단된다.
저회와 쇄석의 배합비에 따른 다짐시험은 대형직접전단시 험 및 폐색시험시 시료를 다지는 정도를 결정하기 위해 실 시하였으며 그 결과는 표 8 및 그림 5와 같다. 각 혼합시 료의 다짐정도를 파악하기 위하여 다짐횟수를 0, 25, 55, 75 회 타격하였으며 각 시료의 배합비에 따라 그 무게를 나 타내었다.
완전 건조된 시료의 다짐횟수에 따른 각 배합비별 밀도를 살펴보면 다짐횟수가 증가할수록 시료무게, 즉 밀도가 증가 하는 경향을 나타내는데, 쇄석:저회 80:20의 밀도가 가장 크 게 나타났으며 각 배합비별 다짐횟수는 약 55회가 가장 효
율적인 다짐정도로 대형직접전단시험 및 폐색 시험에서 다 짐말뚝 형성 시 층별 다짐횟수를 55회로 결정하였다.
4.2 대형직접전단시험 결과
대형직접전단시험은 각 재료의 치환율 및 혼합률에 따른 2 가지의 경우에 대하여 실시하였다. 연약지반에 저회다짐말뚝 만을 시공할 때 각 치환율에 따른 전단거동을 살펴보고, 기 존의 쇄석다짐말뚝의 clogging 감소를 위한 방법으로 저회 및 모래를 혼합하였을 경우 혼합률에 따른 전단거동을 구명 하기 위하여 대형직접전단시험을 실시하였다.
일반적으로 비배수 시험은 시료의 부피변화가 발생하지 않 아야 하는데, 직접전단시험은 불완전 비배수시험으로서 부피 변화와 과잉간극수압이 모두 발생하게 된다. 이 때 발생하는 과잉간극수압의 측정이 불가능하므로 편의상 본 연구에서는 CU 시험이라고 했으며, 고치환율인 경우에는 CD시험과 유사 한 거동을 할 것으로 판단된다.
조립질을 재료로 하는 다짐말뚝에서 지지력에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 내부마찰각이다(이대수 등, 2005).
따라서 대형직접전단 실험을 통하여 점착력(c) 및 내부마찰 각(φ)을 저회의 치환율 10, 20, 30, 40, 50%에 따라 산 정하였으며, 그 결과는 그림 6~7 및 표 9와 같다. 시험결 과, 저회의 내부 마찰각은 43.53
o로 주문진 표준사 ( φ=37.8
o) 보다 내부마찰각이 크게 나타났으며, 저회의 치환 율이 증가할수록 그 차이는 미미하지만 전단강도 정수가 증대하는 경향을 나타냈다(김택곤 등, 1999). 이는 저회의 치환율이 증대될수록 저회입자의 전단특성 반영 비율이 커 진 것으로 사료된다.
조립질 재료인 쇄석다짐말뚝 역시 지지력에 가장 큰 영향 을 미치는 요인은 내부마찰각이다(천병식과 정헌철, 2002).
연약지반에 시공된 쇄석다짐말뚝이 측압 및 재하하중에 의 한 파괴에 큰 영향을 미치는 시료간의 내부마찰각을 구명하 기 위하여 대형직접전단시험을 실시하였다. 또한 치환율이 100% 인 경우 쇄석과 저회, 쇄석과 모래의 혼합비에 따라 쇄 석공극에 저회 또는 모래가 혼합됨으로 인한 맞물림 효과를 파악하였다. 이 실험에서 쇄석:저회의 혼합비 100:0, 90:10, 85:15, 80:20, 75:25, 70:30 에 대한 수직응력(60kPa, 120kPa, 180kPa) 을 가하여 시험을 실시하였다. 저회의 혼합률에 따른 내부마찰각의 변화는 그림 8과 같이 나타낼 수 있다. 시험 결과 쇄석과 저회 혼합비가 80:20일 때 내부마찰각이 가장 크게 나타났으며 저회의 혼합비가 20%를 넘어가면 내부마 찰각이 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 마찬가지로 쇄석 과 모래의 혼합비에 따른 내부마찰각 역시 쇄석과 저회혼합 의 내부마찰각과 유사한 성향을 확인할 수 있었다. 즉, 저회 그림 4. 저회의 건조단위중량
표 8. 다짐횟수에 따른 다짐몰드 내 시료의 무게(쇄석+저회) 다짐횟수 (회)
혼합비에 따른 시료의 무게(N) 100% 저회 쇄석
100% 쇄석90%
저회10% 쇄석85%
저회15% 쇄석80%
저회20% 쇄석75%
저회25% 쇄석70%
저회30%
0 29.5 49.0 51.0 54.5 53.5 52.0 50.0
25 34.0 56.0 55.5 59.5 59.0 56.5 55.0
55 42.0 59.5 57.5 64.5 65.0 61.5 59.0
75 42.0 60.5 57.5 64.5 65.5 61.5 59.5
그림 5. 쇄석과 저회 혼합재료의 다짐시험 결과
및 모래의 혼합량이 20%를 초과하면 혼합재료의 입자간 맞 물림 효과가 감소함에 따른 내부마찰각 저하가 발생하는 것 으로 사료된다. 따라서 저회와 모래는 전단강도시험에서 유 사한 특성임을 확인할 수 있었으며 쇄석:저회 혼합비 80:20 의 전단강도가 가장 크므로 쇄석과 저회 혼합다짐말뚝의 최 적 혼합비로 결정하였다.
4.3 압축시험 결과
저회다짐말뚝 지반의 치환율(a
s) 별 표준압밀시험 결과를 e- logP 곡선으로 나타내면 그림 9와 같다. 저회다짐말뚝의 치 환율이 증가할수록 공극비가 감소됨을 알 수 있었고, 치환율
30% 에 비해 40%일 때, 공극비가 약 20% 감소됨을 확인할 수 있었다. 또한, 치환율 50%와 70%일 때의 e-logP곡선이 유사한 형태로 나타나는 것으로 보아 고치환율로 분석할 수 있다.
그림 10은 압밀시험에서 얻은 압밀하중, 치환율 그리고 침 하저감계수의 관계를 나타낸 것이다. 전반적으로 복합지반의 침하저감계수는 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보 이나, 치환율이 40%, 60% 범위에서 대략 일정한 값을 갖 는 것으로 나타났다. 이는 그림 9에 나타난 치환율이 40%, 60% 의 압밀곡선(e-logP)에서도 알 수 있으며, 40~60% 범위 내의 치환율에서는 하중 변화에 따른 침하거동이 치환율에 그림 6. 치환율에 따른 수직응력-전단응력의 그래프
표 9. 저회의 치환율에 따른 강도정수 비교
저회 치환율(%) 10 20 30 40 50 100
c(kPa) 25.27 21.25 20.67 19.67 18.67 12.43
φ 20.94 23.89 26.57 29.03 33.62 43.53
그림 7. 저회 치환율에 따른 내부마찰각 및 점착력 변화
관계없이 유사함을 나타낸다. 또한, 침하저감계수는 각 치환 율 증가에 따라 대체로 감소하나, 40kPa 이상에서는 거의 일정한 경향을 보이고 있다.
그림 11은 재하 압력별 치환율과 t
90의 관계를 각각 나타 낸 것이다. 그림에서 알 수 있듯이, 복합지반의 압밀도 90%
에 도달되는 시간은 치환율이 40%를 넘으면 거의 일정해진 다. 이것은 압밀시험의 경우 시료두께가 작아 수평배수와 연 직배수가 거의 동시에 발생하기 때문에 드래인재로서의 압 밀 기여도가 작기 때문인 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 저회혼합다짐말뚝의 전단·압축거동을 구 명하기 위하여 각 재료로 구성된 말뚝의 배합비별 전단강도 시험을 통한 적정혼합비를 산정하고 연약지반에 적용시 효 율적인 치환율 및 압축거동 특성을 모형시험으로 구명하였 으며 그 결과를 요약, 정리하면 다음과 같다.
1. 저회의 내부마찰각은 43.53
o로 주문진 표준사(=37.8
o) 보다 내부마찰각이 크게 나타났으며, 저회의 치환율이 증가할 수록 그 차이는 미미하지만 전단강도 정수가 증대하는 경 향을 나타내었다. 이는 저회의 치환율이 증대될수록 저회 입자의 전단특성 반영 비율이 커진 것으로 판단된다.
2. 저회혼합다짐말뚝의 적정 혼합률 산정을 위한 다짐 및 전 단강도 시험결과, 쇄석과 저회 혼합비가 80:20일 때 내 부마찰각이 가장 크게 나타났으며 이를 통해 쇄석과 저 회의 효과적인 혼합비는 80:20임을 알 수 있었다. 저회 의 혼합비가 20% 이상일 경우 혼합재료의 입자간 맞물 림 효과가 감소함에 따라 내부마찰각이 저하되는 것으로 판단된다.
3. 저회혼합다짐말뚝의 연약지반에 대한 치환율별 압축특성 을 구명하기 위하여 동결융해법에 의한 모형시험 방법을 개발하여 시험을 수행한 결과, 효과적인 치환율은 40%로 나타났다. 저회다짐말뚝의 치환율이 증가할수록 공극비 및 침하저감비가 감소됨을 알 수 있었다. 복합지반의 압밀도 90% 에 도달되는 시간은 치환율이 40%를 넘으면 거의 일 정해지는데 이는 시료두께가 작아 수평배수와 연직배수가 거의 동시에 발생하기 때문에 드래인재로서의 압밀 기여 도가 작기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존 건설현장에서는 직접적으로 사용되지 않은 저회혼합다짐말뚝공법에 대한 연구를 실내모형시험에 의하여 기초적인 특성을 구명하였다. 저회혼합다짐말뚝의 현 장 적용을 위해서는 향후에 실제 연약지반을 대상으로 현장 시험을 실시하여 각종 경험식 도출 등에 대한 추가적인 연 구가 필요하다.
그림 8. 저회 및 모래재료 혼합에 따른 맞물림 효과와 내부마찰각 의 관계
그림 9. 저회-점토지반의 e-logP곡선
그림 10. 치환율에 따른 침하저감계수
그림 11. 저회-점토치환율과 t
90의 관계
참고문헌
