Evaluation on Partially Drained Strength of Silty Soil With Low Plasticity Using CPTU Data

CPTU 데이터를 이용한 저소성 실트 지반의 부분배수 강도 평가

Evaluation on Partially Drained Strength of Silty Soil With Low Plasticity Using CPTU Data

김주현

* Ju-Hyun Kim

*

1Member, Adjunct Professor, Department of Civil Engineering, Dongshin University, 185, Geonjae-ro, Naju-si, Jeollanam-do, Korea

ABSTRACT

The standard piezocone penetration rate of 2 cm/s is proposed in specifications regardless of soil type. However, conditions of standard Piezo Cone Penetration (CPTU) Testings in silty soils with low plasticity vary from undrained to partially drained or fully drained penetration conditions. The partially drained shear strengths of Incheon, Hwaseong and Gunsan silty soils were estimated from the analysis results of the distributions of CPTU-based shear strengths. The CPTU-based shear strengths were compared between the undrained shear strength line and the fully drained shear strength line, which were determined from approximately φ'=3° and φ'=15°, respectively. The internal friction angles obtained from the back analysis and UU-tests tended to increase with decreasing plasticity index, which range approximately from φ'=2° to φ'=14°. The results matchs well with CPTU-based estimation results.

요 지

본 연구에서는 지반 특성에 관계없이 일률적으로 적용되는 피에조콘 관입속도 2cm/s 조건 하에서, 저소성 실트 지반의 경우 부분배수 내지는 완전 배수 현상이 발생된다는 관점에서 저소성 실트 지반의 비배수전단강도선과 완전배수 전단강도선 사이 에서의 피에조콘계수(Nkt)에 의한 전단강도 분포 경향을 기준으로 부분배수 전단강도를 평가하였다. 그 결과, 인천, 화성 및 군산 저소성 실트 지반의 부분배수 내부마찰각(φ′)은 3∼15°에서 분포하는 것으로 분석되었다. 한편, 강제치환 역해석 결과 및 비압밀비배수 삼축시험으로부터 얻어진 내부마찰각(φ′)은 소성지수 감소에 따라 2～14°의 범위에서 분포되어, CPTU 데이 터에 의한 부분배수 내부마찰각(φ′)과 유사한 경향을 나타내어 이에 대한 적용성을 확인할 수 있었다.

Keywords : Partially drained shear strength, Silty soil, Low plasticity, CPTU data, Cone factor 한국지반신소재학회논문집 제16권 2호 2017년 6월 pp. 55 ∼ 66

J. Korean Geosynthetics Society Vol.16 No.2 June. 2017 pp. 55 ~ 66

DOI: https://doi.org/10.12814/jkgss.2017.16.2.055 ISSN: 2508-2876(Print) ISSN: 2287-9528(Online)

Received 21 May. 2017, Revised 10 Jun. 2017, Accepted 13 Jun. 2017

*Corresponding author

Tel: +82-61-330-3138; Fax: +82-61-330-3138 E-mail address: soil1004@hotmail.com (J.-H. Kim)

1. 서 론

국내 항만공사에서 사석경사제와 같은 호안구조물 축 조시, 원지반 점성토를 인위적으로 파괴시키면서 상부 구 조물 하중에 대한 지지력이 확보되는 깊이까지 양질의 성 토재로 치환시키는 강제치환공법이 폭넓게 적용되어왔는 데, 이러한 이유는 원지반의 지지력 확보를 위해 적용되는

모래다짐말뚝공법, 심층혼합처리공법 등에 비해 시공속도 가 빠르며, 경제적인 시공을 도모할 수 있기 때문이다.

부산 및 광양 지역과 같이 고소성 점토지반 조건에서는 설계치환 깊이와 호안축조 완료 후 원위치에서의 확인 보 링에 의한 실측 치환깊이가 유사한 경향을 나타낸 반면에, 실트 및 모래함유량이 많은 서해안 저소성 지반조건에서는 설계치환 깊이의 절반에도 미치지 못하는 결과가 얻어지 는 사례가 많은 것으로 보고되고 있다(Kim et al., 2016).

Kim et al.(2016) 은 두 가지 관점에서 이러한 현상이 발

생되는 원인을 제시하였는데, 먼저 비배수 거동 측면에서,

모래 및 실트 함유량이 많은 지반으로부터 시료 채취시 잔

Apparent Internal Friction angle,Φ,

0 20 30 40 50

10

0 50 100 150

Plasticity Index, PI

Fig. 1. Relation of the plasticity index versus the apparent internal friction angle obtained from UU-tests (Ohmaki, 1989)

Table 1. The frequency of apparent friction angles obtained from UU-tests (Ohmaki, 1989)

Range Number of samples Percentage

0° ≤ φu ＜ 3° 101 53

3 ≤ φu ＜ 5° 35 18

5° ≤ φu ＜ 10° 31 16

10° ≤ φu ＜ 20° 16 8

20° ≤ φu 10 5

Total 193 100

류유효응력의 현저한 감소로 인한 일축압축강도의 저평가, 즉, 실제값보다 작은 설계비배수 전단강도를 적용하는데 있다.

두 번째로, 부산 및 광양지역의 고소성 점토지반에 비해 서해안 저소성 실트 지반의 투수계수가 상대적으로 크므 로, 호안 축조 과정에서의 부분배수, 즉, 과잉간극수압의 소산으로 인한 전단강도의 증가현상 때문인 것으로 제시 하였으며, 이러한 원인들로 인해 비경제적인 설계 및 시공 이 이루어지게 된다.

따라서, 첫 번째 원인에 대한 대안으로 저소성 실트 지 반 조건에 대해 완전 비배수 거동의 관점에서 설계 비배수 전단강도를 결정할 때 간이 CU 시험을 적용하여 시료 채 취 후 대기압 조건에서 감소된 잔류유효응력을 고소성 점 토 지반의 수준으로 회복시킨 후 전단강도를 평가하도록 추천하였다.

또한, 부분 배수거동 관점에서 CPTU 데이터를 이용하 여 부분배수 발생 유무를 판단할 수 방법을 제시하였으며, 인천지역의 강제치환 실측 치환깊이와 동일한 값이 얻어 지도록 역해석을 실시하여 내부마찰각(φ′)이 2∼7°의 범 위에서 분포하는 것으로 제시하였다.

그러나, 저소성 실트 지반의 배수정도(압밀도)에 따라 원지반의 유효응력 및 이에 대응되는 내부마찰각이 달라 지므로 실내 및 현장시험을 통해서 구현하기 어려운 측면 이 있으므로 부분배수 조건하에서의 전단강도 평가방법을 제시하지는 못하였다.

본 연구에서는 서해안 지역의 인천, 화성 및 군산 지역 의 간이 CU 시험에서 얻어진 심도에 따른 비배수 전단강 도선과 완전배수 전단강도선을 결정한 후, 이들 두 강도선 사이에서 CPTU 데이터의 상대적인 분포경향을 분석하여 부분배수 내부마찰각을 제시하고자 한다.

2. 저소성 실트지반의 전단강도 특성

항만시설의 기술상 기준·동해설(일본항만협회, 2007)에

따르면, 사질토 지반과 점성토 지반으로 명확하게 구분되 기 어려운 중간적 성질을 갖는 지반에 대해 모래함유율이 50 ∼80% 범위에서 분포할 경우, 중간토로 분류한 후, 투 수계수(k)가 10

cm/s 이상이면 완전배수 거동의 관점에서 사질토의 설계방법을 따르며, 투수계수(k)가 10

cm/s 보 다 작을 때에는 비배수 거동의 관점에서 점성토로 고려하 여 설계를 수행하도록 제시하고 있다.

따라서, 중간토의 특성, 즉 부분 배수 거동 특성을 고려 한 전단강도 평가방법은 현재까지 제시되지 못하였는데, 이러한 원인은 비배수 또는 완전배수조건 하에서의 설계 전단강도는 통상적으로 각각 하나의 상수값으로 결정될 수 있지만, 부분배수 조건하에서는 동일한 흙이라도 부분 배수 정도(압밀도)에 따라 설계 전단강도가 달라지므로, 압밀 및 배수특성을 충분히 고려해서 결정해야 하기 때문 이다.

Ohmaki(1989) 는 일본 각 지역의 어항구조물 설계를 위

한 지반조사 결과의 DB 작업을 수행하여 Fig. 1 및 Table 1에

나타낸 바와 같이, 소성지수에 따른 비압밀비배수 삼축압

축시험(UU)에서 얻어진 겉보기 내부마찰각을 제시하였는

데, 약 30% 정도가 5° 이상의 값을 나타냈다. 이러한 비율

은 해저면으로부터 포화상태에 놓여 있던 지반조건의 시

Mexico City Clay Attapulgite

Plasticity Index, Ip(%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 400 600 800 1000

0 10 20 30 40 50

Friction Angle, Φ'(degrees)

Soft Clays Soft and Stiff Clays Shales

Clay Minerals

Fig. 2. Values of friction angle, φ′ for clays of various compositions as reflected in plasticity index (after Terzaghi et al., 1996)

험 결과인 것을 고려할 때, 상당히 높은 수치이다.

이론상으로는 완전포화상태에 놓인 시료의 경우, UU 시험결과에서 내부마찰각은 발생되지 않는 것이 원칙이지 만, 모래 및 실트 함유량이 많은 지반 조건으로부터 시료 채취 및 실내시험에 이르는 과정에서 시료의 응력해방 및 기계적 교란으로 인해 시료 내부에 구속압으로 작용하고 있던 부의 간극수압이 손실되어 시료의 포화도가 감소되 는 현상이 발생된다.

따라서, UU-test 과정에서 각각의 구속압을 증가시키면 시료 내부에서 압밀이 발생되어 비배수 전단강도가 증가 되는 현상으로 인해 겉보기 내부마찰각이 발생되며, 모래 및 실트 함유량이 많은 저소성 지반 조건일수록 이러한 경 향이 현저하게 나타나는 것으로 알려져 있다.

점토 지반의 배수 내부마찰각(φ′)은 주로 점토 광물의 구성 및 함유량에 좌우되는데, Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 순수 점토광물 중에서, sodium montmorillonite가 가장 작 은 내부마찰각을, attapulgite(마그네슘과 알루미늄의 규산 염 광물)이 가장 큰 값이 얻어진 것을 알 수 있다. 또한, 연약한 점토, 견고한 점토 및 shale의 일반적인 배수 내부 마찰각은 각각 25∼35°, 20∼35° 및 15∼35°에서 분포한 다. 동일한 소성지수를 갖는 점토 지반에서도 점토함유량 및 구속압 조건에 따라 내부마찰각이 달라지는데, 점토함 유량 20% 이하 및 유효구속압 50kPa 이하에서 높은 내부 마찰각이 얻어진 반면에, 점토함유량이 50% 이상 및 유효 구속압 400kPa 이상의 조건에서 낮은 내부마찰각이 얻어 지는 것으로 알려져 있다(Terzaghi et al., 1996).

3. 시험방법 및 결과분석

3.1 피에조콘관입시험(CPTU)에 의한 토질특성 분석

본 연구는 서해안 지역의 대표적인 토질특성을 나타내 는 인천, 화성 및 군산 지역에서 실시된 지반조사 결과를 이용하여 수행되었다. 흙의 물리적 특성 및 토질분류를 위해 실시된 액성한계, 소성한계와 입도분석시험은 각각 ASTM 4318(2000), ASTM D422(1990) 과 ASTM D2487(2000) 에 따라 수행하였으며, 액성한계 시험은 Casagrande 방법 을 적용하여 수행하였다.

부산 및 광양 지역의 조위차 2～4m 전후와 비교할 때 서해안 지역은 약 7～9m 전후로 조위치가 크며, 하천에 의해 운반되어온 토사의 성분이 계절 또는 해가 바뀜에 따 라 매우 크게 달라져 모래 및 실트 함유량이 많은 층이 서로 교호하여 퇴적되는 매우 불규칙한 지층 분포를 나타 낸다(Jeong, 2015).

Kim(2017) 은 서해안 토질에 대해 일부 심도에서 모래 함유율이 50% 이상의 지층이 나타나지만, 전반적으로 실 트 함유율이 약 60% 이상, 모래 및 점토 함유율은 약 20%

이하의 분포를 보이며, 이로 인해 소성지수가 약 20% 이 하의 전형적인 저소성 실트 지반의 특성을 나타내는 것으 로 제시하였다.

한편, 부산 및 광양 지역은 액성한계가 50% 이상이며, 소성지수도 40～50% 이상의 고소성 점토 지반으로 분류 되므로, 비배수 거동관점에서 단기 안정을 수행하게 된다.

그러나, 모래 및 실트 함유량이 많은 서해안 토질은 상

(a) Incheon-A

(b) Incheon-B

(c) Incheon-C

Fig. 3. Test results obtained from CPTU at Incheon site

대적으로 투수계수가 커서 시공 중 배수현상이 발생될 수

있으므로 전응력 조건 하에서 안정성 검토를 수행하는 것 은 적절하지 않으며, 비경제적인 설계를 초래할 수 있다.

CPTU 시험은 ASTM D 5778(2003) 규정에 따라 시험 결과에 영향을 주는 관입속도, 콘의 모양 및 크기, 지반의 응력이력, 압축성, 입자크기 등의 요소를 최소화하기 위해 원추모양의 Cone Probe의 관입속도를 일정한 속도 (2cm/s)

로 유지하고, 선단각 60°C, 선단면적 10cm

, 주면면적 150cm

의 ASTM에서 통용되고 있는 표준콘을 적용하였 다. 이 때, 간극수압 측정을 위한 필터는 콘선단부 바로 뒤쪽에 위치하였다.

Fig. 3 ～5의 인천, 화성 및 군산 지역의 CPTU 시험결과

는 서해안 지역의 전형적인 특성을 나타내는데, 모래 및

실트 함유량이 많은 지층을 만나게 되면 콘선단저항력(q

)

(a) Hwaseong-A

(b) Hwaseong-B

(c) Hwaseong-C

Fig. 4. Test results obtained from CPTU at Hwaseong

및 주면마찰력(f

) 이 심도에 따라 일정하게 증가되는 경향

에서 벗어나 급변하며, 이로 인해 해당 위치에서 과잉간극 수압(u

) 이 정수압(u

) 이하로 떨어지거나 근접하는 특성 을 나타내는데, 이는 지층 내에 다량의 샌드심 층이 불규 칙하게 존재하기 때문이다.

이와 같은 관점에서, 서해안 저소성 지반 조건에 대해 연약지반 설계시, 서해안 지역의 지층 특성이 3차원적으

로 훨씬 더 명확하게 파악되도록 일정한 간격으로 피에조 콘관입시험을 수행하도록 추천하고 있다(Kim, 2017).

서해안 저소성 실트 지반의 CPTU 시험결과와 대조적

인 경향을 나타내는 고소성 점토 지반인 부산지역의 전형

적인 CPTU 시험결과를 Fig. 6에 나타냈는데, 심도가 깊어

짐에 따라 콘저항치(q

), 과잉간극수압(u

) 및 주면마찰력

(f

) 이 심도에 따라 급변하는 층이 존재하지 않으며 유효상

(a) Gunsan-A

(b) Gunsan-B

(c) Gunsan-C

Fig. 5. Test results obtained from CPTU at Gunsan

재압의 증가에 따라 일정한 비율로 증가되는 균질한 지반 특성을 확인할 수 있다. 따라서, 표준관입속도 2cm/s 조건 의 비배수 거동을 나타내는 것을 알 수 있다.

3.2 피에조콘관입시험(CPTU)에 의한 부분배수 전단 강도 평가

저소성 실트 지반이 주로 퇴적된 서해안 지역에서 수행

된 CPTU 데이터를 통해서 알 수 있는 바와 같이, 지층

내에 수 많은 샌드심 층이 존재하므로, 전응력 조건 하에

서 안정성 검토를 수행하는 것은 실제상황에 부합되지 못

하는 측면이 있다. 일반적으로 점성토 지반상에 호안구조

물을 축조하는 과정에서 실제로는 시공완료시까지 원지반

내의 배수현상, 즉, 과잉간극수압의 소산으로 인해 전단강

도의 증가현상이 발생되지만, 안전측 설계를 위해 비배수

거동으로 간주하여 안정성을 평가하게 된다. 그러나, 고소

Fig. 6. Test results obtained from CPTU at Busan Table 1. Strength conditions considering degree of drainage for stability analysis

Clayey soils (c-material) Sandy soils (φ′-material) Low plastic silt (c′, φ′-material) Fully undrained conditions

(U-degree of drainage=0%)

→ Only undrained shear strength, su

Fully drained conditions (U-degree of drainage=0%)

→ Only drained shear strength, φ′

Partially drained conditions (In accordance with U)

→ Partially drained shear strength, cpart′, φpart′

(a) Stress-strain curve for Incheon silty soil at depth = 14.4 m

(b) Stress path for Incheon silty soil at depth = 14.4 m Fig. 7. Stress-strain curve and stress path for Incheon silty

soil at depth = 14.4 m

성 점토지반에 비해 서해안 저소성 실트 지반은 상대적으

로 투수성이 크며 지층 내에 배수층의 역할을 담당하는 샌 드심이 다수 출현하므로 비배수 거동 설계는 때때로 비경 제적인 상황을 초래하게 된다.

이와는 상반된 개념으로 정규압밀점토 및 느슨한 모래 지반을 포함한 약간 과압밀된 지반 조건에서는 비배수 상 태에서 정(+)의 과잉간극수압이 발현되는 반면에, 매우 과 압밀된 점토 및 조밀한 모래의 경우 부(-)의 과잉간극수압 이 발현될 수 있다. 이러한 지층은 전단과정 중에 구속압 의 증가효과로 인해 비배수 상태의 전단강도가 완전배수 상태의 전단강도보다 커질 수 있다. 이러한 상황이 발생될 때에는, 장기안정 관점에서 어떠한 경우에도 대상 지반의 안정성 검토를 위해 실내 및 현장 원위치에서 얻어진 비배 수 전단강도를 적용해서는 안된다.

흙의 특성에 따라 안정성 검토를 위해 적용되는 강도를 개념적으로 지반거동 측면에서 분류하면, 점성토는 비배 수강도(c-material), 사질토는 내부마찰각(φ′-material), 저 소성 실트는 부분배수강도(c′, φ′-material)로 구분할 수 있 으며, Table 1과 같은 조건이 성립된다.

Fig. 7 은 각각 인천 지역에서 채취된 시료의 압밀 비배

수 시험결과로서, 응력-변형률 곡선 및 응력경로를 통해서

알 수 있는 바와 같이, 변형률 증가에 따라 축차응력이 최

대값을 나타낸 후 서서히 감소하는 경향을 보이며, 세 지

역의 배수 내부마찰각은 소성지수 및 모래함유율에 관계

없이 전 심도에 걸쳐서 거의 유사하게 32∼35° 전후의 값

(a) Incheon (b) Hwaseong (c) Gunsan Fig. 8. Internal friction angles obtained from recompression triaxial tests with depth for each site

(a) Incheon (b) Hwaseong (c) Gunsan

Fig. 9. OCRs obtained from the oedometer tests for each site

을 나타냈다(Fig. 8).

Tanaka et al.(2001) 는 일본 Ishinomaki 지역의 중간토 와 Norway Drammen 지역의 lean clay의 배수 내부마찰 각은 모래함유율 및 소성지수에 관계없이 약 42° 전후를 나타내며, Terzaghi et al. (1996)는 소성지수 20% 전후의 점토 지반의 경우 35° 정도의 값을 나타내는 것으로 제시 하였다. 특히, 일본 Ishinomaki 지역의 토질은 국내 서해안 지역의 토질조건과 매우 유사한 특성을 보이는데, 세 지역 의 시험결과에서는 이보다 다소 작은 값을 나타냈다.

실제 지반조사가 이루어진 세 지역은 퇴적 이력상 유효 상재압의 변화를 경험하지 않은 정규압밀 상태의 지반 조 건에 해당되지만, 지표면으로부터 약 3∼4m 심도까지 표 준압밀시험결과, 과압밀비(OCR) 3.0 전후의 값을 나타내

며 그 이하의 심도에서는 정규압밀상태에 놓인 것으로 분 석되었다(Fig. 9).

이러한 원인은 표층에 가까울수록 화학적 결합(chemical bonding) 및 고결(cementation)작용이 발생되었기 때문이 며, 이러한 지반 상태를 통상적으로 Normally Consolidated Aged Clay(NCA) clay 로 칭한다(Hanzawa et al., 1983; Kim et al., 2016).

정규압밀지반은 직접적인 하중을 경험한 경우에만 전 단강도가 발현되므로 지표면에서 발휘되는 전단강도는 이 론상 0 이어야 하지만, 세 지역은 지표면에서 9～12kPa의 전단강도가 발휘되는 것으로 분석되어 이러한 경향을 뒷 받침하는 것을 알 수 있다.

따라서, 과압밀 상태에서의 배수 전단강도는 정규압밀

(a) Conceptional diagram (b) Shear strengths

Fig. 10. Range distribution of undrained and fully drained shear strengths considering consolidation condition for Incheon silty soils

상태에서의 값보다 커야 하므로, 과압밀 된 흙이 완전 배 수상태에서 거동하더라도 과압밀 상태에서는 점착력(c') 이 발휘된다. 이러한 개념을 고려하면 포화된 과압밀 점성 토의 배수 전단강도는 식 (1)과 같이 표현된다.

τ = c′+σ′tan φ′ (1) 인천지역의 경우, 화학적 결합(chemical bonding) 및 고 결(cementation)작용으로 인해 지표로부터 약 4m 심도까 지 과압밀 상태에 놓인 것으로 분석되었으므로, 4m 심도 ( σ′

=(18.5-9.8)×4=35kPa) 에서 과압밀 및 정규압밀 상태 의 파괴포락선이 만나게 된다. 이는 정규압밀 상태에 도달 할 때까지 점착력이 유지되며, 정규압밀상태에 도달하게 되면 배수 내부마찰각의 함수로만 전단강도가 표현된다는 의미이다. 그러므로, 4m 심도(σ′

=35kPa) 보다 깊은 위치 에서의 배수 전단강도식은 정규압밀상태의 완전배수 내부 마찰각 35°에 유효상재압을 곱한 값인 τ = σ'tan35°로 표 현되어, 점착력(c')은 발휘되지 않게 된다.

한편, 인천지역 지표로부터 4m 심도까지 과압밀 지반 의 완전배수 전단강도식은 정규압밀 상태와 다르게 점착 력이 발휘되므로, τ = 11'+σ'tan23°로 표현되는데, 이 때 과 압밀 조건에서의 내부마찰각 23°는 4m 심도(σ′

=35kPa) 의 위치에서 점착력 11kPa을 유지한 상태에서 과압밀 및 정규압밀 파괴포락선을 도해적으로 연결하여 얻어진 값이다.

한편, Kim(2017)은 저소성 실트 지반의 일축압축강도 저평가 현상을 개선하기 위하여 간이 CU 시험을 실시한 후, 인천, 화성 및 군산의 간이 CU 전단강도 증가비는 각 각 2.8kPa/m, 2.9kPa/m 및 2.7kPa/m가 얻어지는 것으로

제시하였다. CPTU 데이터의 q

- σ

를 앞에서 구한 전단강 도 증가비로 나누게 되면, 심도에 따른 콘계수(N

) 가 얻어 지며, 비배수 상태를 기준으로 그 값은 10～16 사이에서 분포하는 것으로 분석되었다.

앞에서 언급한 과압밀 상태, 비배수 및 완전 배수 조건 을 종합적으로 고려하면, Fig. 10과 같이 전단강도 분포범 위를 표현할 수 있게 되며, 이론적으로 두 값 사이에 부분 배수 상태의 전단강도가 분포하게 된다.

인천, 화성 및 군산지역의 저소성 실트 지반에 대해 CPTU 데이터를 기준으로 각각 비배수, 배수 및 부분배수 조건에 대해 전단강도를 산정한 결과를 Fig. 11～13에 나 타냈다. CPTU 데이터에 의한 전단강도가 완전배수 전단 강도보다 크게 평가된 구간이 존재하는데 이러한 원인은 지층 내에 존재하는 수 많은 샌드심으로 인해 정수압보다 작은 과잉간극수압이 발생되어 콘저항치(q

) 가 크게 평가 된 결과로 추정할 수 있다. 따라서, 완전배수 상태의 전단 강도보다 큰 값을 적용할 수 없으므로 이에 대한 주의를 요한다.

세 지역의 CPTU 분석결과를 종합적으로 기술하면, 콘

선단저항력(q

) 및 주면마찰력(f

) 이 심도에 따라 일정하게

증가되는 경향에서 벗어나 급변하며, 샌드심으로 인해 과

잉간극수압(u

) 이 정수압(u

) 이하로 떨어지는 위치가 지

층 내에 다수 존재하게 되므로, CPTU 데이터가 완전배수

전단강도선을 크게 벗어나 훨씬 값을 나타내는 것을 확인

할 수 있다. 전반적으로 피에조콘 관입 중에 비배수 및 부

분배수 상태가 교호하는 형태를 나타내며 내부마찰각의

변화폭은 매우 크지만, 부분배수 내부마찰각은 3°에서 15°

(a) Incheon-A (b) Incheon-B (c) Incheon-C Fig. 11. Shear strengths of Incheon silty soils under undrained, drained and partially drained conditions

(a) Hwaseong-A (b) Hwaseong-B (c) Hwaseong-C

Fig. 12. Shear strengths of Hwaseong silty soils under undrained, drained and partially drained conditions

(a) Gunsan-A (b) Gunsan-B (c) Gunsan-C

Fig. 13. Shear strengths of Gunsan silty soils under undrained, drained and partially drained conditions

Fig. 14. Internal friction angles obtained from UU test results and back analysis values versus plasticity index (PI) for Incheon silty soils (back analysis values from Kim et al., 2016)

사이에서 분포하는 것으로 분석되었다.

한편, Kim et al.(2016)에 의해 제시된 인천지역 강제치 환 깊이의 역해석 결과에 의한 내부마찰각(φ′)에 추가하여 비압밀비배수 삼축시험(UU)로부터 구한 겉보기 내부마찰 각(φ′)을 소성지수에 따라 함께 도시하여 Fig. 14에 나타냈 다. 원래 포화상태에 있던 시료라도 시료 내부의 모래함유 량이 많을수록 또는 소성지수가 낮을수록 시료채취로부터 실내시험에 이르는 과정에서 응력해방 및 기계적 교란으 로 인해 구속압으로 작용되었던 부(-)의 간극수압이 소실 되는 현상이 발생된다. 이로 인해 시료의 포화도가 감소되 며 유효응력을 잃게 되는데, 이 때 구속압을 증가시킬수록 시료 내부에서 압밀이 발생되어 강도증가 현상이 나타나게 되며, 이 값이 겉보기 내부마찰각(φ)으로 표현되게 된다.

따라서, 이론상으로는 비압밀비배수 삼축시험(UU)에서 내부마찰각이 발생될 수 없지만, 토질 특성으로 인해 발휘 되는 겉보기 내부마찰각을 개념적으로 볼 때, 부분배수 상 태에서 어느 정도 크기의 내부마찰각이 발휘될 수 있을지 에 대한 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 강제치 환 역해석 결과 및 UU-test로부터 얻어진 내부마찰각(φ′) 은 소성지수 감소에 따라 2～14°의 범위에서 분포하며, CPTU 데이터에 의한 부분배수 내부마찰각(φ′)과 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있다. 실무에서 부분배수 전 단강도를 적용할 때에는 강제치환 역해석을 통해 제시된 부분배수 내부마찰각의 범위 2～7° 및 간이 CU 강도에 의한 결과 등을 종합적으로 고려해서 3～5° 사이의 범위 에서 설계자의 판단으로 적용할 것을 안전측 해석측면에 서 추천한다.

그러나, 부분배수 전단강도 평가 방법은 완전한 형태로

제시된 사항이 아니므로, 실무 적용시, 비배수 관점에서의 간이 CU 방법을 우선적으로 적용하고 부분배수 강도에 의한 값은 보조적 수단으로 실제 지반안정성 관점에서 어 느 정도의 여유분이 있는지에 대한 판단 수단으로 적용하 는 것이 현 단계에서는 바람직할 것으로 판단된다.

지금까지 CPTU 데이터, 비배수 및 완전배수 전단강도 를 이용하여 부분배수 강도의 평가방법에 대해 살펴보왔 으나, 가장 어려운 사항은 먼저 부분배수 상태에서 대상 지반의 간극수압을 고려한 유효응력(

) 을 어떻게 평가 할 것인지에 대한 부분이다. 또한, 실내시험에 의한 전단 강도평가는 완전비배수 또는 완전배수 조건에서 이루어지 므로, 부분배수 조건의 부합되는 전단강도 평가방법에 대 해 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 지반 특성에 관계없이 일률적으로 적용 되는 피에조콘 관입속도 2cm/s 조건 하에서, 저소성 실트 지반의 경우 부분배수 내지는 완전 배수 현상이 발생된다 는 관점에서 저소성 실트 지반의 비배수전단강도선과 완 전배수 전단강도선 사이에서의 피에조콘계수(N

) 에 의한 전단강도 분포 경향을 기준으로 부분배수 전단강도를 평 가하였다.

(1) 인천, 화성 및 군산 지역에서 채취된 시료를 이용하여 압밀비배수삼축시험으로부터 얻어진 완전배수 내부 마찰각은 소성지수 및 모래함유율에 관계없이 전 심 도에 걸쳐서 거의 유사하게 32～35° 전후의 값을 나타 냈는데, 이는 국내 서해안 저소성 지반과 유사한 지층 특성을 나타내는 일본 동북지역인 Ishinomaki 에서의 결과인 42° 보다는 다소 작은 값을 나타냈다.

(2) 비배수전단강도선과 완전배수전단강도선 사이에서의 CPTU 데이터에 의한 전단강도 분포 경향으로 배수특 성(비배수, 부분배수 및 완전배수 거동)을 판단할 수 있었으며, 인천, 화성 및 군산 저소성 실트 지반의 부 분배수 내부마찰각(φ′)은 3～15°에서 분포하는 것으 로 분석되었다.

(3) 강제치환 역해석 결과 및 비압밀비배수 삼축시험으로

부터 얻어진 내부마찰각(φ′)은 소성지수 감소에 따라

2 ～14°의 범위에서 분포되어, CPTU 데이터에 의한

부분배수 내부마찰각(φ′)과 유사한 경향을 나타냈다.

이를 통해서 피에조콘관입시험으로 구한 부분배수 전 단강도의 적용성을 확인할 수 있었다.

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