한국토목섬유학회논문집 제3권 1호 2004년 1월 pp. 17 ～ 25
*1 동국대학교 대학원 토목환경공학과 석사과정 (Graduate Student, Dept. of Civil Engrg., Dongguk Univ.)
*2 동국대학교 공과대학 토목환경공학과 교수 (Professor, Dept. of Civil Engrg., Dongguk Univ.)
*3 태조엔지니어링 대리 (Junior Engineer, Teso Engineering, Ltd.)
준설매립토에 대한 실내 수평배수재 실험에서 진공압의 효과
Effects of Vacuum Pressure in The Laboratory Horizontal Drain Test for Dredged Clay
*1 양 원 준 Yang, Won-June
*2 장 연 수 Jang, Yeon-Soo
*3 박 정 용 Park Jung-Yong
Abstract
A horizontal drain method, which applies vacuum pressure at the end of a horizontal drain for discharging pore water, is used often for improving surface reclaimed clay in the field. In this study, to examine the effectiveness of improving consolidation or shear strength depends by varying vacuum pressure, laboratory chamber horizontal drain test using vacuum pressure is performed and the results is compared with that of self-weight consolidation. The results show that water content reduces with the increase of soil depth in case of self-weight consolidation, while it reduces near the horizontal drain and increases with the increase of the distance from the horizontal drain in case of applying vacuum pressure. The shear strength of dredged soil was improved as well, when the vacuum pressure is applied. The optimized consolidation was achieved at the vacuum pressure range of 30 to 50kPa in the laboratory box test of 50cm wide, considering the range of drain interval in the field was between 0.7 and 1.2m.
요 지
준설토의 표층개량을 위해 타설하는 수평배수재의 개량효과를 증가하기 위하여 수평배수재의 단부에 진공압 을 가하여 지중의 간극수를 강제로 배출하는 진공압식 수평배수공법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 진공압의 크기에 따른 준설매립지반의 압밀 및 강도 증가효과를 규명하기 위하여 토조시험을 실시한 후 순수 자중압밀의 경우와 비교하였다. 그 결과 자중압밀의 경우 표층부로부터 깊이가 깊어질수록 함수비가 작아지는 경향을 보였으 나, 진공압이 재하된 경우는 진공압의 크기가 커질수록 배수재 주위에 낮은 함수비가 배수재에서 멀어질수록 높은 함수비 분포를 나타내었다. 진공압이 재하된 경우 준설토의 전단강도 또한 배수재를 중심으로 큰 개량효과 를 얻을 수 있었으며, 토조시험기의 폭이 0.5m로 실제 현장에서 적용되는 배수재 간격이 0.7m ～1.2m인 것을 고려했을 때 토조시험기에서는 진공압 30kPa ～40kPa 범위에서 최적의 압밀효과를 얻을 수 있었다.
Keyw ords : Dredged soil, Surface soil improvement, Horizontal drain, Self-weight Consolidation, Vacuum
pressure, Shear strength
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(a) 토조시험기 개요도 (b) 토조시험장치
그림 1. 진공식 토조시험 장치 개요도
1. 서 론
우리나라는 좁은 국토를 효율적으로 이용하기 위 해서, 서 ․남해안을 중심으로 준설토를 이용한 해안 매립사업을 수행하여 항만 및 대규모 산업단지를 조 성하고 있다. 매립지에 투입되는 준설토의 경우 고함 수비이며 압축성이 크고 자중압밀 동안에 지반의 지 내력이 거의 없는 상태이므로 연약지반개량을 위한 시공장비의 투입은 물론 사람의 보행조차도 곤란하 다. 따라서 준설매립지와 같은 초연약지반의 신속한 지반개량을 위해서는 무엇보다도 지반개량장비의 주행성 확보가 필요하며 이를 위한 표층처리 공법이 필요하다.
진공압밀의 경우 Kjellman(1952)에 의해 처음 소 개되었으며, 그 내용은 주로 심층의 연약지반 개량을 위한 연직배수재에 관한 것이었다. Holtz(1975)는 진 공압밀공법의 발전과정과 활용사례, 현장적용성의 문제점및 진공압의 선정방법 등을 서술하였으며, 渡 義治 등(1985)은 초연약점성토지반 매립지를 개량 할 목적으로 판형의 플라스틱 배수재를 사용하여 현 장 시험을 실시하였다. Shinsha 등(1991)은 수평배수 재를 직접 현장에 적용하여, 진공압을 이용한 수평배 수공법의 효과를 증명하였다.
본 논문에서는 토조시험을 이용하여 진공압의 크 기에 따른 준설토 지반의 특성 변화를 분석하기 위해 서 수평배수재의 단부에 진공압을 10kPa, 30kPa,
50kPa의 크기별로 재하하여 함수비와 침하량, 강도 를 분석하여 자중압밀침하의 경우와 비교하였다.
2. 수평배수재를 이용한 진공압밀 토조시험
2.1 시험장치 및 토질특성
진공압의 크기에 따른 수평배수공법의 효율성을 평가하기 위해서 실내 토조압밀시험을 실시하였다.
시험장치는 그림 1과 같이 아크릴과 사각형 단면의 강철프레임으로 이루어진 토조로 이루어져 있으며 배수재 주변의 압밀거동을 규명할 수 있도록 진공압 발생장치(그림 2), 배수유량측정장치, 간극수압 측정 장치, 침하측정장치로 구성되어 있다. 토조의 제원은 50cm(x)×100cm(y)×50cm(z)이며, 배수재를 통해 유 입된 간극수는 집수장치를 통해서 배수유량 측정장 치로 이동 측정하고 압밀에 의한 각 위치 및 깊이별 침하량은 토조의 상부에 매달린 층별 침하계로 측정 한다.
침하측정장치는 배수재 타설위치를 중심으로 설 치되었는데 침하계 A, B, C는 배수재와 같은 종단부 에 심도를 달리하여 설치하고(그림 3a), 침하계 D, E는 배수재로부터 10cm 횡방향으로 이격하여 심도 를 달리하여 설치하였다(그림 3b).
시험에 사용된 시료는 진해지역에서 교란된 상태
로 채취된 해성준설토이었으며, 상부 1m를 걷어낸
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그림 5. 시간경과에 따른 준설토의 침강특성 그림 4. 진공압에 따른 배수량
시험에 적용된 진공압(0kPa, 10kPa, 30kPa, 50kPa) 은 현장에서의 0.7m ～1.2m의 배수재 간격보다 보다 좁은 토조의 폭 50cm와 실제 현장에서 발생되는 육 상 배관부의 손실(10kPa), 밀봉 시트의 손실(10kPa), 200m이상 장대 배수재의 저항(10kPa) 등에 의하여 일어나는 손실분을 고려하여 적용하였다( 新舍博, 1990).
3. 토조시험결과 분석
3.1 배수량
배수량은 진공압발생 장치(그림 2)와 연결된 고무 튜브를 통해 강제적으로 배출되는 간극수의 유량을 측정하였다. 배수량은 14일을 기준으로 10kPa일 때 17.6Liter 30kPa일 때 30.1Liter 50kPa일 때 31Liter 로, 30kPa일 때와 50kPa일때는 거의 비슷한 배수량 을 나타냈으며 누적 배수량 변화 곡선경향도 비슷한 형태를 나타냈다. 그러나 10kPa일 때의 배수량과 30kPa일 때의 배수량 차이는 약 1.5배로 큰 차이를 보여 일정 크기 이상의 진공압이 재하되면 진공압의 효율성이 떨어지는 것으로 나타났다(그림 4). 이는 2.2절에서 기술한 바와 같이 현장에서의 손실 진공압 30kPa를 고려할 때 토조에서의 현장 대비 진공압은 40kPa 정도이며 토조시험기의 폭이 0.5m로 실제 현 장에서 적용되는 배수재 간격이 0.7m ～1.2m인 것을 고려하면 본 토조시험에서의 최적 진공압은 30kPa
정도인 것으로 판단된다.
3.2 시료의 침강특성
300%이상의 고함수비인 해성점토를 준설매립할 때 준설매립점토의 퇴적과정은 응집, 침강, 압밀의 세 단계로 구별할 수 있다. 첫 번째 단계에서는 침강 은 발생하지 않고 응집(flocculation stage)상태가 형 성되며, 두 번째 단계(settling stage)에서는 응집물이 침강하여 상부의 침강구역과 퇴적물 사이에는 새로 운 경계를 형성하며 이때부터 침강곡선은 직선형태 를 나타낸다. 또한, 새로운 퇴적물 층은 시간이 흐를 수록 서로 결합하여 최종단계(consolidation stage)에 서는 모든 퇴적물이 자중 압밀하에 있게 된다(Imai, 1981). 따라서 본 연구에서는 침하량 측정시 초기 침 강특성의 영향을 고려하기 위하여 침강시험을 실시 하여 그 결과를 그림 5에 도시하였다. 분석결과 침강 상태에서 자중압밀로 바뀌는 시점은 시간에 따른 침 하량 그래프에서 2차 변곡이 생기는 점으로 약 1.3일 을 기준으로 침강에서 자중압밀로 변하며(이승원, 2000) 본 실험에서 이때까지 발생한 침강 발생량은 12cm정도인 것으로 나타났다.
3.3 침하특성
시험 시작 후 시간의 경과에 따른 침하량을 측정
하였으며 각각의 진공압에 따른 침하량을 그림 6에
도시하였다. 도시된 침하량은 초기 침강과 순간적인
진공압의 재하로 인한 배수재의 막힘을 방지하기 위
(a) 침하계 A (b) 침하계 B
(c) 침하계 C (d) 침하계 D
(e) 침하계 E (f) 침하계 F(표층)
그림 6. 침하계가 설치된 위치에서 진공압에 따른 침하량의 비교
하여 약 3일동안 실시한 자중압밀기간을 제외하고
진공압이 재하된 시점부터 도시하였다. 배수재에서 하부로 10cm 이격된 위치에 설치된 침하계 A는 침 하량이 가장 적었으며, 자중압밀 또는 진공압 재하 시 진공압에 따른 침하량의 차이도 크지 않았다 (그림 6 (a)).
그러나 토조 하부로부터 20cm위치에 배수재를 따 라 설치되어진 침하계 B는 진공압의 크기에 따른 침 하량의 차이가 나타났으며(그림 6 (b)) 진공압이 재 하된 경우 진공압의 크기가 10kpa일 때와 비교하여
30kPa, 50kPa일 때의 침하량이 크고 비교적 비슷한
형태와 크기의 침하가 발생하였다. 이는 진공압의 크
기가 30kPa이상으로 커지면 토조시험기의 scale
effect가 영향을 미쳐 진공압이 30kPa, 50kPa일 때는
비슷한 거동을 보이는 것으로 판단된다. 침하계 C는
배수재로부터 상부로 10cm 위치에 설치되어 있으며,
자중압밀일 때와 비교하여 진공압이 재하되었을 때
매우 큰 침하를 나타내었으나 침하계 B의 경우와 마
찬가지로 진공압이 30kPa, 50kPa일 때는 비교적 비
슷한 형태와 크기로 침하하였다.
22 한국토목섬유학회논문집 제3권 제1호
(a) 자중압밀(P=0kPa) (b) 진공압 P=10kPa
(c) 진공압 P=30kPa (d) 진공압 P=50kPa
그림 7. 토조시험기 중앙부에서 각각의 진공압에 대한 함수비(%)
배수재로부터 황방향 10cm, 상부 10cm에 위치한
침하계 D는 침하계 C와 달리 침하량이 30kPa, 50kPa 일 때 각각의 진공압에 따라 다른 침하량을 보였다.
이는 30kPa일 때는 배수재에서 작용하는 진공압의 영향이 50kPa에 비해 작아 침하계 C의 침하량과 비 교했을 때 더 작은 값을 갖으나 50kPa일 때는 진공압 의 크기가 크기 때문에 배수재에서 10cm 떨어진 곳 에서도 영향력이 커서 침하계 C와 비슷한 침하량을 나타내었다. 같은 이유로 진공압이 10kPa일 때는 진 공압의 영향력이 약해져서 자중압밀일 때와 비슷한 침하 형태를 나타내었다(그림 6 (d)). 침하계 E는 배 수재로부터 횡방향으로만 10cm 떨어진 동일 높이에 위치해 있어 침하 경향은 침하계 B와 유사하나 배수 재와 이격되어 있는 관계로 진공압의 영향력이 작아 져 침하량이 적게 나타났다(그림 6 (e)).
표층침하계 F는 토조시험기 중앙부에서 표층의 침하량을 측정한 것으로 가장 큰 침하량을 나타내었 으며, 자중압밀에 의한 침하량보다 진공압을 재하하 였을 때 최대 2.5배 이상의 침하량 차이를 나타내었 다(그림 6 (f)).
전체적인 경향을 위치별로 살펴보면 침하계의 위
치가 표층부와 배수재 타설위치에 가까울수록 큰 침 하량을 나타내었으며, 침하계의 위치가 배수재의 높 이보다 깊을수록 진공압의 크기에 따른 침하량의 차 이가 미소하였다(그림 6).
3.4 함수비
시험 종료후 수평배수재에 가해진 진공압의 크기
에 따른 압밀개량효과를 평가하기 위하여 진공압의
크기에 따라 거리별 함수비를 측정하였다. 진공압이
가해지지 않은 자중압밀일 때와 진공압이 10kPa일
때는 전체적으로 고른 함수비 분포를 나타낸 반면
30kPa, 50kPa로 진공압이 커질수록 배수재 주위에서
낮은 함수비 분포를 보이며 배수재로부터 거리가 멀
어질수록 높은 함수비를 보였다. 자중압밀과 진공압
이 10kPa재하 되었을 때는 간극수가 전체적으로 고
르게 배출되어 비슷한 함수비 범위를 갖는 구역이
깊이에 따라 고르게 분포하고, 진공압이 30kPa,
50kPa로 점점 커질수록 배수재 주위의 간극수가 집
중 배출되어 배수재를 중심으로부터 거리가 멀어질
수록 함수비에 차이가 많이 나타났다(그림 7).
(a) 자중압밀(P=0kPa) (b) 진공압 P=10kPa
(c) 진공압 P=30kPa (d) 진공압 P=50kPa
그림 8. 진공압밀시험 종료 후 토조시험기 중앙부에서 각 진공압에 대한 강도값(
kg
/cm
2)또한 초기 함수비 300%에서 시험종료 후 각각의
진공압 크기별 평균 함수비는 자중압밀일 때 약 196%로 약 1.5배정도 감소하였으며, 10kPa일 때 약 154%, 30kPa일 때 약 148.5%, 50kPa일 때 약 146%
로 초기 함수비보다 약 2배정도 감소하였다.
3.5 강도값
휴대용 베인시험기를 이용하여 각 진공압하에서 의 압밀이 종료된 후의 준설점성토의 전단강도를 측 정하였다. 그 결과 자중압밀일 때는 표층부에서 약 10cm깊이 까지는 강도측정이 어려웠으나, 표층부를 중심으로 깊이가 깊어질수록 점점 강도값이 증가하여 바닥부를 중심으로 약 5cm지점에서는 0.015kg/cm 2 의 강도값을 나타내었다. 진공압이 재하된 경우는 강도값 은 초기 측정불가 상태에서 시험종료 후 평균강도값이 10kPa일 때 0.015kg/cm 2 , 30kPa일 때 0.021kg/cm 2 , 50kPa일 때 0.03kg/cm 2 의 값을 나타내었으며 측정위 치에 따라 가장자리에서 0.02kg/cm 2 부터 배수재 주 위에서 약 0.15kg/cm 2 까지 측정되었다.
또한 자중압밀을 수행한 경우의 베인전단강도는 전체적으로 고른 층별 분포를 나타내며 하부로 갈수
록 증가한 반면(그림 8 (a)), 진공압이 10kPa일 때는 자중압밀일 때와 비교하여 중앙부를 중심으로 볼 록한 형태의 강도분포를 나타내었다(그림 8 (b)).
30kPa, 50kPa일 때는 배수재가 위치한 곳을 중심으 로 큰 전단강도를 나타내었고 진공압의 크기가 클수 록 배수재를 중심으로 큰 개량효과가 나타났다(그림 8 (c), 8 (d)). 이는 함수비의 경우와 같이 진공압의 크기가 클수록 배수재 주위의 간극수가 집중적으로 배출되기 때문에 진공압이 클수록 배수재 주위에서 높은 강도값을 나타내는 것으로 보인다.
3.6 표층에서 발생된 균열
표층에서 발생시간이 걸렸으며 표면에 발생하는 균열도 점차적으로 커졌다. 반면 진공압의 크기가 클 수록 균열 발생시기가 빨랐으며, 50kPa의 경우 한 순 간에 중앙부 전체에 균열이 발생하였다.
토조시험장치내에 준설토의 표면에 발생된 균열
은 진공압으로 인한 지중응력분포의 변화, 즉 진공압
이 작용하는 배수재(C구역)를 중심으로 발생한 큰
수축력과 이로 인하여 배수재로부터 거리가 먼 B
지역의 침하발생 그리고 이에 의한 A지역의 인장
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(a) 자중압밀(P=0kPa) (b) 진공압 P=10kPa
(c) 진공압 P=30kPa (d) 진공압 P=50kPa
그림 9. 진공압의 크기에 따라 표층부에 발생된 균열
그림 10. 진공압 적용시 배수재를 중심으로 한 지중응력의 변화
응력의 발생으로 인하여 나타난 것으로 보여진다 (그림 10).
4. 결 론
진공압을 달리한 수평배수재 실내 압밀토조시험 을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 배수량은 10kPa와 30kPa에서는 배수량의 변화가 크게 나타났으나 30kPa일 때와 50kPa일 때는 거
의 비슷하였다. 현장에서의 손실 진공압 30kPa를 고려할 때 토조에서의 현장 대비 진공압은 40kPa 정도이며 토조시험기의 폭이 0.5m로 실제 현장에 서 적용되는 배수재 간격이 0.7m ～1.2m인 것을 고려하면 본 토조시험에서의 최적 진공압의 범위 는 30kPa ～40kPa 정도인것으로 판단된다.
2. 초기 함수비 300%에서 시험종료 후 각각의 진공 압 크기별 평균 함수비는 자중압밀일 때 약 196%
로 약 1.5배정도 감소하였으며, 10kPa일 때 약 154%, 30kPa일 때 약 148.5%, 50kPa일 때 약 146%로 초기 함수비보다 약 2배정도 감소하였다.
자중압밀의 경우 표층부로부터 깊이가 깊어질수 록 함수비가 작아지는 경향을 보였으나, 진공압이 재하된 경우는 진공압의 크기가 커질수록 배수재 주위에 낮은 함수비가 배수재에서 멀어질수록 높 은 함수비 분포를 나타냈다.
3. 전단강도의 경우 진공압이 재하된 경우 시험종료
후 그 평균값이 10kPa일 때 0.015kg/cm 2 , 30kPa일
때 0.021kg/cm 2 , 50kPa일 때 0.03kg/cm 2 의 값을
나타내었으며 측정위치에 따라 가장자리 0.02kg/cm 2
부터 배수재 주위 약 0.15kg/cm 2 까지 측정되어 함
수비의 분포와 같이 배수재를 중심으로 큰 개량효 과를 얻을 수 있었다.
4. 진공압밀시험 중 진공압에 의한 수축력이 배수재 주위로 집중되면서 토조의 좌우측부에 큰 변형이 발생하고 이로 인해 표층부 중앙에 인장응력이 발 생하여 표층부에 균열이 발생하였다. 자중압밀의 경우 토조시험기내에는 압축응력, 인장응력이 고 르게 분산되어 표층균열은 발생되지 않았다.
감사의 글
본 연구는 21세기 프론티어 연구개발사업의 수자 원 지속적 확보기술사업단(과제번호 4-3-1)의 연구 지원에 의해 수행되었습니다.
참 고 문 헌
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