A Pilot Study of Inhole Type CPTu from Model Tests

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地 盤 工 學

第28卷 第2C 號·2008年 3月 pp. 95~103

실내모형실험을 통한 인홀형 탄성파콘 시험의 적용성 분석

A Pilot Study of Inhole Type CPTu from Model Tests

장인성*·정민재**·권오순***·목영진****

Jang, In-Sung

·

·

·

···

Abstract

Seismic piezocone penetration tests (SCPTu) can be used to obtain dynamic properties of soils as well as cone resistance and penetration pore pressure. However, the SCPTu system can be hardly utilized in marine soils because it is difficult to install the source apparatus which generates the shear wave in offshore site. The authors developed an inhole type piezocone penetration test (CPTu) equipment which both source and receiver composed of bender elements were installed inside the rod located behind the cone. Therefore, it can be applicable to even an offshore site without any additional source apparatus. The objective of this paper is to investigate the practical application of inhole type CPTu by performing laboratory model tests using kaolin- ite as soft clay. The shear wave velocities of kaolinite soil were measured with time, and the effects of soil disturbance due to the installation of source and receiver were also examined for various distance between source and receiver.

Keywords :marine soils, bender element, inhole type CPTu, model test, shear wave velocity, soil disturbance

···

요 지

탄성파 피에조콘 관입시험(Seismic piezocone penetration test, SCPTu)은 콘 관입 저항값과 간극수압 거동 특성 외에도 지반의 동적 특성을 측정할 수 있는 시험법이지만, 해상 조사의 경우 탄성파를 일으키는 발진(Source) 장치를 설치하기가 상당히 힘들기 때문에 SCPTu를 이용하여 해양 지반에 대한 동적 물성치를 파악하는데 어려움이 있다. 따라서 해양 지반의 동적 물성치 파악을 위하여 벤더 엘리먼트를 이용한 인홀형 탄성파 탐사콘(Inhole type CPTu)을 개발하였는데, 이는 콘 롯 드(rod) 내부에 발진기(Source)와 수진기(Receiver)를 내재하고 있기 때문에 외부의 부가적인 발진기가 필요 없어 육상 뿐만 아니라 해상에서도 충분히 활용할 수 있다. 이번 연구에서는 인홀형 탄성파콘의 적용성을 분석하기 위해 카올리나이트를 활 용한 실내 모형 토조실험을 수행하였는데, 카올리나이트 지반의 전단파 속도를 시간에 따라 측정하였고, 또한 발진부와 수진 부 사이의 거리를 다양하게 바꿔가면서 발진기와 수진기가 설치될 때 발생하는 지반 교란의 영향을 검토하였다.

핵심용어

해양 지반, 벤더 엘리먼트, 인홀형 탄성파 탐사콘, 실내 모형실험, 전단파 속도, 지반 교란

···

1.

서 론

피에조콘 관입시험(Piezocone Penetration Test, CPTu) 은 전 세계적으로 그 활용도 및 신뢰성이 널리 알려져 있 는 대표적인 현장 지반조사 기법 중의 하나로서, 연속적인 측정으로 인하여 지층 구분을 원활하게 할 수 있을 뿐만 아니라 지반의 다양한 공학적 특성을 비교적 정확하고 일 관되게 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다(Jang, 2001).

최근에는 기존 피에조콘에 다양한 종류의 센서와 측정장치 를 부착하여 그 기능을 확대하고자 하는 시도가 활발하며, 이 중에서도 미소 변형률 조건의 지반 변형계수를 측정하 기 위해 콘에 탄성파 수진기(Geophone receiver, 또는 Ac-

celerometer receiver)

를 설치한 탄성파 피에조콘(Seismic

piezocone)

의 활용이 늘고 있다. 탄성파 피에조콘 관입시험

(Seismic piezocone penetration test, SCPTu)

은 콘 관입

저항값과 간극수압 거동 특성 외에도 지반의 동적 특성 파 악이 가능함에 따라 지반의 내진 설계 등 지진공학 응용 분야에서 유용성이 매우 큰 현장시험 기법으로서, 우리나라 에서도 최근 시험장비가 도입되어 활용 중이다(김홍종 등,

하지만, 해상에서 행해지고 있는 콘관입시험 장치의 경우 에는 탄성파를 일으키는 발진(Source) 장치를 설치하기가 상 당히 힘들기 때문에 SCPTu를 이용하여 해양 지반에 대한 동적 물성치를 파악하는데 어려움이 있다. 따라서 권오순 등

(2006)

과 목영진 등(2006)은 육상에서의 탄성파 탐사시험 중

하나인 인홀 시험기법(목영진 등, 2005)의 개념과 콘을 접목

*정회원ㆍ교신저자ㆍ한국해양연구원연안개발연구본부선임연구원 (E-mail : [email protected])

**University of Texas at Austin (E-mail : [email protected])

***정회원ㆍ한국해양연구원연안개발연구본부책임연구원 (E-mail : [email protected])

****정회원ㆍ경희대학교 토목건축공학부 교수 (E-mail : [email protected])

시켜 인홀형 탄성파 탐사콘(Inhole type CPTu)을 개발하였 는데(해양수산부, 2004), 이는 콘 롯드(rod) 내부에 발진기

(Source)

와 수진기(Receiver)를 내재하고 있기 때문에 외부의

부가적인 발진기가 필요 없어 육상 뿐만 아니라 해상에서도 충분히 활용할 수 있다. 그림 1은 인홀형 탄성파콘 장치의 개념도를 나타낸 것이다. 여기서 활용될 발진기와 수진기는

로봇, 자동차, 메카트로닉스 등 첨단 산업에 다양하게 응 용되고 있으며 최근 들어 토목 계측에도 많이 적용되는 신 소재인 압전 휨소자(piezoelectric bender element)로, 전기적 에너지가 기계적 에너지 또는 그 반대로 변환되는 특성이 있다. 그림에서 보는 바와 같이 임의의 심도에서 콘의 관입 을 멈춘 후 콘 롯드에 부착되어 있는 외팔보(cantilever) 형 태의 회전보(swing arm)가 펼쳐지고, 이 후 벤더 엘리먼트 를 통해 지반의 전단파 속도를 측정하게 된다. 벤더 엘리먼 트를 비롯하여 인홀형 탄성파콘 장치의 개념 및 원리는 다 음 장에 자세히 설명되어 있다.

이번 논문에서는 벤더 엘리먼트를 활용한 인홀형 탄성파콘 의 적용성을 분석하기 위해 카올리나이트를 활용한 실내 모 형 토조실험을 수행하였는데, 카올리나이트 지반의 전단파 속도를 시간에 따라 측정하였고, 또한 발진부와 수진부 사이

의 거리를 다양하게 바꿔가면서 회전보가 설치될 때 발생하 는 지반 교란의 영향을 검토하였다.

2.

인홀형 탄성파콘 시험

2.1

벤더 엘리먼트

벤더 엘리먼트는 그림 2와 같이 두 개의 피에조 세라믹이 내부의 금속판(shim)과 접착된 상태로 구성되어 있다

(Santamarina, 2001).

벤더 엘리먼트는 전압이 가해질 때 한

쪽 세라믹판이 신장하는 동안 반대편 세라믹판은 수축하게 됨으로써 굴곡 변형이 발생하게 된다. 즉 전압을 가하면 벤 더 엘리먼트가 외팔보(cantilever) 형태로 진동한다. 또 이와 는 반대로 외부로부터 벤더 엘리먼트에 휨 변형이 생기면 각 피에조 세라믹판에 각각 압축 및 신장 방향으로 변형이 발생하여 벤더 엘리먼트 내부에 전하가 일어난다. 즉 진동을 전압으로 변환하여 수신을 가능하게 하는 것이다 이와 같은 원리로 벤더 엘리먼트를 이용하여 간단하게 진동을 발생하 고 진동을 수진할 수 있다(정재우 등, 2005).

벤더 엘리먼트는 피에조 세라믹과 금속판과의 접합 방식이 나 단자 연결 방법에 따라 직렬(series)과 병렬(parallel)의 두 가지 방법이 있다. 그림 3(a)와 같은 병렬 방식은 같은 전압을 가하였을 때 직렬연결(그림 3(b))보다 더 많은 변위 를 발생하므로 주로 발진기(source)에 많이 사용되며 반대로 직렬연결은 같은 변위에서 병렬연결보다 높은 전압이 발생 하므로 수진기(receiver)에 주로 사용한다(Jung, 2005).

발진기에 발생시키는 신호의 경우, 신호발생기(Function

generator)

를 이용하는데, 지반의 종류에 따라 전압증폭기

(Power amplifier)

를 활용하여 전압을 최대 200V까지 증폭

하여 벤더 엘리먼트를 가동하고, 지반을 통해 전파된 신호는 수진기를 통해 오실로스코프(Oscilloscope)로 연결되어 확인 하게 된다.

벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파 속도, V

를 구하기 위해 서는 아래의 식 (1)에서 보는 바와 같이 발진부와 수진부의 거리(d)와 전단파의 이동시간(t

즉 전단파의 도달시간(t)에 서 입력파의 시작시점(t

을 뺀 값을 구해야 한다.

그림

인홀형 탄성파콘 개념도 그림

벤더 엘리먼트의 구조

그림

벤더 엘리먼트의 제작 방법

− 97 −

여기서, 전단파 도달 시간을 산정하는 방법은 그림 4에 나 타난 바와 같이 발진부에서 얻은 파에서 초기 파형의 도달 시간(Primary arrival, t

이나 초기 파형의 최대값(t

또는 두 번째 파형의 도달시간(Secondary arrival, t

을 기준으로 하는 방법 이외에도 기존 탄성파 신호 처리에서 활용되어 온 상호상관법(Cross-correlation) 등을 활용할 수 있다.

Brignoli(1996), Jung(2005), Celestino(2006),

정재우 등

(2006)

은 초기 파형의 도달시간, 즉 t

을 기준으로 전단파

속도를 산정한 바 있고, Lee 등(2005)은 근접장 효과(Near

field effect)

및 P파의 거동 등의 영향을 무시하기 위해 두

번째 파형의 도달시간(t

을 기준으로 한 바 있다.

2.2

인홀형 탄성파콘

인홀형 탄성파콘 장치는 앞서 그림 1에서 설명한 바와 같 이 발진기와 수진기를 일반 콘에 장착하여 콘을 관입시켜가 며 전단파를 계측하여 연약지반의 동적 특성, 즉 전단파 속 도를 깊이에 따라 실시간으로 평가하는 시험법이다. 그림 5 는 제작된 인홀형 탄성파을 나타낸 것으로, 기존의 콘에 탄 성파 콘 부분을 착탈식으로 연결 및 분리할 수 있도록 제작 하였다. 또한, 벤더 엘리먼트를 외팔보 형태의 회전보(swing

의 양끝에 부착시켰으며, 벤더 엘리먼트와 연결된 신호 케이블은 콘 로드 안쪽을 통하여 신호 측정장치까지 연결되 도록 하였다. 따라서, 콘의 관입 중에는 원추관입저항력(q

주면마찰력(f

그리고 관입간극수압(u

등을 측정할 수 있 고, 탄성파 시험을 수행할 심도에 도달했을 때에는 콘의 관 입을 멈추고 회전보를 전동장치를 통해 회전하여 발진부와 수진부가 일정 거리를 두고 마주보도록 설치하게 된다. 여기 서 회전보의 길이는 100mm로 고정하였는데, 이는 Whittle 과 Aubeny(1993)가 제시한 결과에 근거하여 콘의 관입시 콘 롯드 주면에서 발생하는 교란의 영향 범위 및 제작 조건 등을 고려하여 설정한 것이다. Whittle과 Aubeny(1993)는

Baligh(1985)

가 제시한 변형률 경로법(Strain path method)

을 활용하여 콘을 비롯한 다양한 관입장치의 점성토 지반 내 관입을 모사하였는데, 이 때 콘 롯드 주면에서의 거리, r 이 4.5R(=84.6mm; R: 콘의 반경) 이상이 될 경우, 팔면 전단변형률(Octahedral shear strain, E)이 약 2% 이내로 콘 관입에 따른 교란의 영향이 점차 줄어드는 것으로 나타 났다. 그리고 회전보의 설치시 발생하는 교란의 영향을 최소 화하기 위하여 측면을 3mm 이내로 최대한 얇게 제작하였 고, 벤더 엘리먼트를 콘 롯드에서 최대한 이격시켜 부착하 였다.

3.

모형 토조실험

3.1

실험 방법

실내모형실험에서는 그림 6에 나타난 바와 같이 길이

500m,

폭 300m, 높이 320m의 플라스틱 박스를 모형 토조

로 활용하였고, 지반 재료로는 카올리나이트를 사용하였다.

카올리나이트와 물을 토조에 넣은 다음, 교반기를 이용하여 골고루 잘 섞어서 조성하였다. 조성된 초기 카올리나이트 지 반의 높이는 약 220~250mm 정도로 측정되었다. 표 1은 카올리나이트의 기본 물성값을 나타낸 것이다. 여기서 함수 비는 다양한 실험조건에 대해 각각 측정한 값이다.

그림 7과 그림 8은 벤더 실험장치의 모식도 및 실제 모 형을 나타낸 것이다. 벤더 엘리먼트를 고정한 수진부 및 발 진부를 포함하여 벤더 실험장치 모형의 연결부재는 모두 알 루미늄 재질을 활용하였고, 수진부와 발진부 사이의 거리에

t_d ---- d

t t–₀ ---

= =

그림

전단파 도달 시간의 산정방법

그림

제작된 인홀형 탄성파콘

그림

시료 교반 모습 표

카올리나이트의 기본 물성치

비중 액성한계 (%) 소성한계 (%) 초기 함수비 (%)

2.61 46.3 22.0 96.0~103.1

따른 영향을 비롯하여 회전보의 설치시 발생하는 교란의 영 향을 검토하기 위하여 다양한 위치에 벤더 엘리먼트를 설치 하였다. 여기서, 벤더 엘리먼트를 약 10일 이상 장시간 동안 수중에 설치하여 실험을 수행하여야 하기 때문에 방수 및 부식 등을 방지하기 위하여 폴리우레탄 등을 이용하여 코팅 처리를 하는 것 뿐만 아니라 해수용 에폭시(marine epoxy) 를 이용하여 알루미늄 부재에 고정하였다. 한편, 모형 토조 에서 실제 카올리나이트 지반의 조성 높이가 약 250mm 내 외로 벤더 엘리먼트 수진부 및 발진부의 관입을 모사하기에 는 충분하지 않기 때문에 그림 8에서 보는 바와 같이 벤더 실험장치 모형을 90

회전시켜 모형의 설치 방향을 결정하 였다. 본 실험에서는 흙의 이방성 및 상재하중의 영향을 고 려하지 않았다. 각 알루미늄 부재들은 볼트와 너트로 고정을 하였고, 회전보의 경우에는 힌지로 연결하여 회전이 원활하 게 발생하도록 제작하였다.

그림 9는 벤더 실험장치의 설치모습을 나타낸 것이다. 그

림 9(a)에서 보는 바와 같이 각각의 실험 case에 대하여 4 개의 벤더 실험장치 모형을 설치하였는데, ①과 ②는 기준 실험(reference test)에 해당되는 고정조건의 발진부와 수진부 를 각각 나타낸 것이고, ③과 ④는 회전보의 설치를 모사한 장치로서 회전조건의 발진부와 수진부를 각각 나타낸다. ① 과 ②, ③과 ④에서 벤더 엘리먼트들 간의 간격은 15mm 이내로 유지하였고, 고정조건과 회전조건에 대한 실험 장치 는 150mm의 간격을 두어 기준 실험 장치에 미치는 교란의 영향을 최소화하고자 하였다. 그림 9(c)는 모형 토조에 실험 장치를 설치한 모습을 나타내고 있다.

지반 내 모형 설치가 완료되고 난 이후에는 다양한 시간 에 대하여 전단파 속도 측정실험을 수행하였다. 우선 그림

에 나타나 있는 것처럼 전압증폭기(Power amplifier)를 통 해 증폭된 전압(약 50V)을 신호발생기(Function generator) 를 이용하여 주파수 500Hz의 sine 파로 발진기에 가하게 되는데, 여기서 수진부에 전달된 전파는 오실로스코프

(Ocscilloscope)

를 통해 컴퓨터로 확인할 수 있다.

3.2

실험 조건

회전보의 설치시 발생하는 교란의 범위 및 그 영향을 알 아보기 위하여 벤더 엘리먼트의 위치를 다양하게 변화시켜 실험을 수행하였다. 표 2는 다양한 실험조건에 대해 정리한 것이다. 모든 실험 case에 대하여 동일한 지반조성 조건 및 실험방식을 활용하긴 하였지만 공학적으로 완전히 똑같은 지 반을 조성하는 것은 상당히 어렵기 때문에, 각 case마다 결 과 비교를 위한 기준 실험(reference test)을 함께 수행하였 다. 즉, 회전조건에 대한 실험 결과를 기준 실험에서 구한 결과로 정규화(normalization)하여 해석을 수행하였다. 표 2 에서 고정조건이 기준 실험 조건에 해당되고, 회전조건의 경 우 발진부와 수진부 사이의 거리를 50mm, 100mm,

150mm

로 구분하였다. 카올리나이트 지반을 조성하고 난 직

후 측정한 초기 함수비는 96%~103% 정도로 나타났다. 한 편, 콘의 로드와 벤더엘리먼트 사이의 거리(s)를 달리한 조건 에 대한 실험도 함께 수행하였으나, 이번 논문에서는 콘 관 입시 발생하는 교란의 영향을 배제하고자 하는 목적으로

s=100mm

인 경우에 대한 해석만 수행하였다.

4.

결과 및 분석

4.1

개요

모형 실험 지반의 전단파 속도를 시간에 따라 측정하여 시간에 따른 전단파 속도의 변화 양상을 알아보았다. 또한, 인홀형 탄성파 시험을 수행하기 위해서는 임의의 심도에서 콘의 관입을 멈춘 후 콘 롯드에 부착되어 있는 회전보를 펼 치게 되는데, 이 때 발생하는 교란의 영향을 검토하기 위하 여 고정조건에 대한 실험과 함께 회전보가 설치하고 난 이 후의 회전조건에 대해서도 시간에 따른 전단파 속도를 검토 하였다. 고정조건과 회전조건의 전단파 속도의 비교를 통해 교란의 영향을 정량적으로 분석하였고, 발진자와 수진부 사 이의 거리(d, 그림 9 참조)에 따른 교란의 영향 또한 비교 하였다.

벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파 속도, V

를 구하기 위해 그림

벤더 실험장치 개념도

그림

벤더 실험장치 모형

− 99 − 서는 식 (1)에 제시한 바와 같이 전단파의 도달시간을 산정 하는 것이 중요한데, 이번 실험결과 분석에서는 그림 4에서 설명한 바 있는 초기 파형의 도달시간(Primary arrival, t

을 기준으로 전단파 도달 시간 및 전단파 속도를 산정하였 다. 여기서, 발진부와 수진부의 극성(polarity)의 방향 등을 고려하여 초기 파형의 도달시점을 파악하였다. 그림 11은

Case-2

의 고정조건에서 발진부와 수진부에서 기록되는 파형

예를 그린 것으로, 실험장치 설치 이전의 극성의 방향을 고 려하여 그림과 같이 도달시간을 산정하였다.

4.2

자중압밀에 따른 지반의 전단파 속도의 변화

카올리나이트 지반을 조성한 다음 벤더 엘리먼트 장치를

그림

벤더 실험장치 설치 모습

토조에 설치한 직후부터 일정한 시간 간격을 두고 전단파 속도 측정 실험을 수행하였다. 그림 12는 Case-3의 고정조 건 중 콘의 로드와 벤더 엘리먼트 사이의 거리(s)가 100mm 에 해당되는 벤더 엘리먼트에 대한 전단파 속도를 시간에 따라 나타낸 것이다. 그림 12(a)를 보면 시간이 경과함에 따 라 카올리나이트 지반의 자중에 의한 압밀이 진행되어 전단 저항의 증가로 인해 전단파 속도가 증가하고 있음을 알 수 있다. 이러한 경향은 Jung(2005), 목영진 등(2006)의 연구결 과와 일치하는 것으로, 다른 다양한 조건에 대해서도 동일하 게 나타난다. 그림 12(b)는 전단파 속도의 변화를 대수 시간 에 대하여 나타낸 것으로, 전단파 속도의 변화 곡선이 크게

두개의 직선 형태로 구분되는 것을 알 수 있고, 이는 김형 주와 오근엽(1999) 등이 수행한 준설토의 자중압밀 과정시 측정되는 침하량과 대수시간 관계 곡선과 유사한 형태를 나 타낸다. 즉, 벤더 엘리먼트를 이용한다면 연약 준설지반의 압 밀 거동을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 실내시험이나 현장 시험에서 측정하기 힘든 아주 연약한 준설지반의 전단파 속 도의 변화를 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 판단된다.

4.3

회전보의 설치시 회전조건에서의 전단파 속도 그림 13은 발진자와 수진부 사이의 다양한 거리에 대하 여, 고정조건 및 회전조건에 따른 시간-전단파 속도 곡선을 그림

계측 장치

표

다양한 실험 조건

Case

실험명 발진부와 수진부 사이의 거리 (d) 벤더 엘리먼트의 갯수 (발진부-수진부)** 초기 함수비 (%)

고정조건* 회전조건 고정조건 회전조건

Case-1 F4S2 100mm 50mm 2-2 2-2 96.0

Case-2 F4S4 100mm 100mm 2-2 2-3 103.1

Case-3 F4S6 100mm 150mm 2-2 2-3 101.4

*

기준 조건(Reference test)을 나타냄.

**

발진부와 수진부에서 벤더 엘리먼트의 개수를 각각 나타낸 것임.

그림

발진 및 수진 기록예

고정조건

도달 시간

=4.12ms)

그림

시간에 따른 전단파 속도의 변화

고정조건

− 101 − 나타낸 것이다. 각 case마다 회전조건에 대한 결과를 비교하 기 위한 목적으로 고정조건을 기준 실험(reference test) 조 건으로 두었다. 우선, 고정조건에 대한 곡선을 먼저 살펴보 면, 그림 12에서 설명한 바와 같이 자중압밀로 인해 시간에 따라 탄성파 속도가 증가하다가 회전보의 설치 직후에 전단 파 속도가 약간 감소하는 경향을 나타낸다. 이는 고정조건과 회전조건에 대한 실험장치를 약 150mm 정도 이격시켰다 하더라도 고정조건의 실험장치가 회전보의 설치에 따라 교 란의 영향을 받은 것 때문으로 판단된다. 하지만, 이러한 영 향은 시간이 지남에 따라 곧바로 회복되는 것을 확인할 수 있다.

반면, 회전보의 설치 직후 회전조건에 대한 전단파 속도 변화를 살펴보면, 지반 교란의 영향 때문에 원지반의 전단파 속도를 나타내는 고정조건에 비해 전단파 속도가 급격하게 감소하였다가 연약지반의 딕소트로피(thixotropy) 현상으로 인 해 지반의 강성이 회복되는 경향을 보이고 있다. 이러한 경 향은 발진자와 수진부 사이의 거리를 달리한 결과 모두에서 동일하게 나타난다.

한편, 그림 13의 각 곡선에 나타내었듯이 회전조건에 대해 서 시간에 따른 탄성파 속도의 변화가 일정한 회귀분석 곡 선의 형태(결정계수, r

로 나타나고 있다. 즉, 시간이 지 남에 따라 회복되는 전단파 속도의 변화를 회귀분석 곡선을 이용하여 추정할 수 있을 것으로 예상된다. 따라서, 원지반 의 전단파 속도를 산정하기 위하여 회전보의 설치 이후 강 성이 회복될 때까지 오랜시간 동안 기다리는 것은 비경제적 이면서도 비효율적이기 때문에 회전조건에 대해 실험 초기 의 결과만을 이용하여 회귀분석을 수행한다면 실험시간을 최 대한 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

4.4

발진부와 수진부 사이의 거리

에 따른 교란의 영향 그림 14는 발진부와 수진부 사이의 거리(d)에 따라 고정조 건에 대한 전단파 속도(V

과 회전조건에서의 전단파 속도

를 비교한 것으로, 이를 통해 카올리나이트 자중에 따른 영향을 배제하고 회전보의 회전에 따른 교란 영향만을 검토 할 수 있다. 그림 14(a)는 회전보의 설치 이후의 시간에 따 른 V

를, 그림 14(b)는 지반의 V

변화에 따른 V

그림

고정조건 및 회전조건에 따른 시간

전단파 속도 곡선

를 각각 도시하였다.

그림을 보면, 회전보의 설치 직후에는 발진부와 수진부 사 이의 거리(d)가 줄어들수록 교란의 영향이 그만큼 커지게 되 어 회전조건에서의 전단파 속도의 감소폭이 증가하게 되기 때문에 V

의 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만 시간이 지남에 따라, 즉 원지반의 전단파 속도가 증가함에 따라 발진부와 수진부 사이의 거리에 따른 영향이 점차적으 로 줄어들게 되어 V

의 값이 증가하다가 점차 일정한 값에 수렴하게 된다. 이러한 경향은 그림 14(a)에 나타낸 바 와 같이 회귀분석 곡선의 형태로 표시될 수 있는데, 다양한 실험조건에 대해 전단파 속도를 정리하여 비교한 표 3을 통 해 한번 더 확인할 수 있다. 즉, d가 50mm에서 150mm로 증가함에 따라 회전보의 설치 직후의 V

의 값은 0.69에 서 0.84로 커지게 되는 반면, 실험 종료시의 V

의 값을 비교해 보면, 모든 case에 대해 0.92~0.93으로 발진부와 수 진부의 거리와 관계없이 일정하게 나타난다.

한편, 회전조건에 대한 전단파 속도가 거의 대부분 회복된 이후에도 V

의 값이 0.93 이하로 원지반의 전단파 속도 에 비해 약 8% 정도 회복되지 않는데, 이러한 차이는 회전 보의 설치시 발생한 소성변형에 의한 것으로 추정되며, 지반 의 종류에 따라 다른 값을 보일 것으로 예상된다. 따라서 인홀형 탄성파 콘시험을 통해 보다 정확한 원지반의 전단파 속도를 구하기 위해서는 카올리나이트 이외에도 다양한 지 반을 활용한 실험을 통해 보다 정량적인 검토가 이루어져야

할 것으로 판단된다.

5.

요약 및 결론

벤더 엘리먼트를 활용한 인홀형 탄성파콘의 적용성을 분석 하기 위해 카올리나이트를 활용한 실내 모형 토조실험을 수 행한 결과, 아래와 같은 결론을 얻었다.

1.

카올리나이트 지반의 전단파 속도를 시간에 따라 측정한 결과, 시간이 경과함에 따라 자중에 의한 압밀이 진행되어 전단 저항의 증가로 전단파 속도가 증가하고 있음을 알 수 있고, 이러한 경향은 준설토의 자중압밀 과정시 측정되는 침하량과 대수시간 관계 곡선과 유사한 형태를 나타낸다.

2.

벤더 엘리먼트 실험장치를 이용하여 연약 준설지반의 압 밀 거동을 분석할 수 있을 뿐만 아니라 실내시험이나 현 장시험에서 측정하기 힘든 아주 연약한 준설지반의 전단 파 속도의 변화를 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 판 단된다.

3.

인홀형 탄성파 콘 장치에서 콘 롯드에 부착되어 있는 회 전보의 설치시 지반 교란의 영향 때문에 전단파 속도가 급격하게 감소하였다가 연약지반의 딕소트로피(thixotropy) 현상으로 인해 지반의 강성이 회복되는 경향을 보인다. 시 간에 따른 탄성파 속도의 변화는 일정한 함수 관계를 나 타내고 있는데, 실험 초기의 결과만을 이용하여 회귀분석 을 통해 실험 시간을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

그림

발진부와 수진부 사이의 거리에 따른

표

다양한 실험 조건에 대한 전단파 속도 비교

Case

회전보의 설치 직후 실험 종료시

V_s,f (m/sec)

V_s,s

(m/sec) V_s,f /V_s,s V_s,f (m/sec)

V_s,s

(m/sec) V_s,f / V_s,s

경과 시간

Case-1 24.86 17.15 0.69 32.15 29.82 0.93 2,845

Case-2 23.90 19.37 0.81 27.56 25.38 0.92 2,799

Case-3 20.52 17.31 0.84 33.86 31.91 0.92 812

*V_s,f :

고정조건의 전단파 속도, V

회전조건의 전단파 속도

− 103 −

회전보의 설치 직후에는 발진부와 수진부 사이의 거리(d)

가 줄어들수록 교란의 영향이 크게 나타난다. 하지만, 시 간이 지남에 따라, 즉 원지반의 전단파 속도가 증가함에 따라 발진부와 수진부 사이의 거리에 따른 영향이 점차적 으로 줄어들게 된다.

5.

인홀형 탄성파 콘시험을 통해 보다 정확한 원지반의 전단 파 속도를 구하기 위해서는 카올리나이트 이외에도 다양 한 지반을 활용한 실험을 통해 보다 정량적인 검토가 이 루어져야 할 것이다.

감사의 글

이 논문은 2005년 정부(교육인적자원부)의 재원으로 한국 학술진흥재단의 지원을 받아 수행된 연구(KRF-2005-214-

D00372)

로 이에 감사드립니다.

참고문헌

권오순 등(2006) 지속 가능한 연약지반 역학적 특성 평가를 위한

Piezoelectronics

의 실용화 연구. 한국건설교통기술평가원.

김형주, 오근엽(1999) 연약한 준설 매립 점성토지반의 자중압밀 과정에 관한 연구. 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제

권 2호, pp. 129-138.

김홍종, 선창국, 조성민, 허 열(2005a) SCPT에서 지반의 깊이별 전단파 속도 결정 과정에 대한 분석. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제25권 제3C호, pp. 201-214.

김홍종, 조성민, 선창국(2005b) SCPTU에 의한 지반의 전단파 속도와 콘 관입 특성값의 상관관계 분석. 대한토목학회 논문 집, 대한토목학회, 제25권 제3C호, pp. 215-226.

목영진, 정진훈, 김영수(2005) 지반의 동적물성치 측정을 위한 인홀 탄성파시험의 최근 발전. 한국지반공학회 논문집, 한국 지반공학회, 제21권 제1호, pp. 105-114.

목영진, 정재우, 한만진(2006) 연약지반의 강성 측정을 위한 벤 더 엘리먼트의 현장 적용성 연구. 한국지반공학회논문집, 한 국지반공학회, 제22권 11호, pp. 37-45.

정재우, 목영진, 장인성(2005) 현장 토목 계측을 위한 벤더 엘리 먼트의 적용성 연구. 한국지반공학회 논문집, 한국지반공학회, 제21권 5호, pp. 215-223.

해양수산부(2004) 해양콘관입시험기 개발

Baligh, M. M. (1985) Strain path method. Journal of Geotechnical Engineering, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.

111, No. 9, pp. 1108-1136.

Brignoli, E. G. M., Gotti, M., and Stokoe, K. H. II. (1996) Measure- ment of shear waves in laboratory specimens by means of piezoelectric transducers. Geotech. Test. J., Vol. 19, No. 4, pp.

384-397.

Celestino V. M. (2006) Measurements of Vp and VS in Dry, Unsat- urated and Saturated Sand Specimens with Piezoelectric Transducers. Ph. D. Dissertation, University of Texas at Aus- tin, Texas, USA.

Jang, I. S. (2001) Evaluation of Strength and Consolidation Char- acteristics of Clayey Soils using CPTu and SBPT. Ph. D Disser- tation, Seoul National University, Seoul, Korea.

Jung, M. J. (2005) Shear Wave Velocity Measurements of Normally Consolidated Kaolinite Using Bender Elements. Master The- sis, University of Texas at Austin, Texas, USA.

Lee, J. S. and Santamarina, J. C. (2005) Bender elements: Perfor- mance and signal interpretation. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 131, No. 9, pp.

1063-1070.

Santamarina, J.C. in collaboration with K.A. Klein and M.A. Fam (2001) Soils and waves, Chichester. New York : J. Wiley Sons.

Whittle, A. J. and Aubeny, C. P. (1993) The effects of installation disturbance on interpretation of in situ tests in clay. Predictive Soil Mechanics, Thomas Telford, London, pp. 742-767.

(

접수일: 2007.10.25/심사일: 2007.12.10/심사완료일: 2008.1.8)