Spatial Variation of Void Ratio and Permeability by Smear and Its Changing Behavior during Consolidation :Part I. Physical Model Test and Analysis

地 盤 工 學

第29卷 第4C 號·2009年 7月 pp. 137~144

스미어로 의한 점성토 지반의 간극비 및 투수계수의 위치별 차이와 압밀 중 변화 거동에 대한 연구 :

Part I. 실험 및 거동 분석

Spatial Variation of Void Ratio and Permeability by Smear and Its Changing Behavior during Consolidation :

Part I. Physical Model Test and Analysis

윤찬영*·손대진**·천성호***·정충기****

Yune, Chan-Young·Son, Dae Jin·Chun, Sung-Ho·Chung, Choong-Ki

···

Abstract

In this research, the ground with smeared zone was reconstructed using the large consolidation test apparatus. And the recon- stituted kaolinite samples at different locations were retrieved for the oedometer test. From the oedometer test results the per- meability-void ratio-effective stress behavior was investigated. Based on the experimental analysis, spatial differences of permeability according to the drainage distance by both smear and radial drainage consolidation reduced as the consolidation proceeds and eventually disappeared in normally consolidated region. And the spatial variation of permeability by radial drain- age consolidation showed larger differences in smaller extent than the spatial variation of permeability by smear.

Keywords :smear, spatial variation of permeability, radial drainage consolidation, large consolidation test

···

요 지

본 연구에서는 대형압밀시험 장비를 이용하여 연직배수재 타설로 스미어가 발생된 지반을 모사하고 실험을 수행하였다. 스 미어가 발생한 카올리나이트 모형지반에서 배수재로부터의 거리에 따라 시료를 채취하고 이를 이용하여 표준압밀시험을 실 시하였으며, 이로부터 투수계수-간극비-유효응력의 3차원 거동을 분석하였다. 실험결과 스미어 발생으로 나타나는 위치별 투 수계수 차이와 스미어와 무관하게 방사배수 압밀 중 나타나는 위치별 투수계수 차이는 모두 압밀진행에 따라 감소하며 정규 압밀영역에서 거의 사라진다. 또한 스미어로 인한 것보다 방사배수 압밀로 인한 위치별 투수계수 차이가 상대적으로 더 작 은 영역에서 더 크게 나타났다.

핵심용어

스미어, 위치별 투수계수 차이, 방사배수 압밀, 대형압밀시험

···

1. 서 론

연직배수공법은 우리나라에서 연약지반의 개량을 위하여 가장 보편적으로 사용되는 공법이지만 연직배수재를 설치할 때 발생하는 주변지반의 교란으로 인하여 압밀이 지연되고 연약지반 개량효과가 저하된다. 이를 스미어 현상이라고 하 며 스미어 발생시 연직배수재 주변 지반의 투수계수가 감소 하고 이로 인하여 압밀 지체현상이 발생한다.

압밀해석에서 스미어를 고려하기 위한 이론적 연구는

년대부터 이루어졌으나 이를 실험적으로 규명하기 위한 연구는 주로 1990년대 이후부터 활발히 이루어지고 있다.

Bergado

등(1991), Onoue 등(1992), Indraratna와 Redana

(1998), Almeida

등(2000), Bo 등(2000), Hird와 Moseley

(2000), Sharma

와 Xiao(2000) 등은 스미어가 발생할 때 배

수재 주변지반의 간극비 및 투수계수 등의 변화를 측정하여 스미어 영역의 크기를 산정하고 실제 스미어를 고려한 압밀 해석에서 사용할 수 있는 투수계수의 기준을 제안하였다. 또 한 Hird와 Moseley(2000)는 맨드렐의 팁 각도, 삽입속도, 점성토지반의 두께 등이 스미어 현상에 미치는 영향을 연구 하였다. 그러나 이러한 연구들은 대부분 연직배수재 타설시 발생하는 스미어 영역의 크기를 산정하고 이를 해석에 적용 하기 위한 연구이며, 스미어 발생으로 인한 간극비와 투수계

*정회원·교신저자 강릉원주대학교 토목공학과 조교수 (E-mail : [email protected])

**현대건설(주) 토목환경사업부설계팀사원 (E-mail : [email protected])

***정회원·대림산업(주) 기술연구소토목연구지원팀대리 (E-mail : [email protected])

****정회원·서울대학교 건설환경공학부 교수 (E-mail : [email protected])

수 등의 물성치 변화 및 이러한 물성치의 압밀 중 변화거동 에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 실제로 최근의 연구 에 따르면 스미어가 발생하지 않은 지반이라도 방사배수조 건에서 위치별 물성치 차이가 발생하며 이러한 물성치들이 압밀진행에 따라 변화한다는 사실이 밝혀졌음에도 불구하고

윤찬영과 정충기, 2005; 윤찬영 등, 2008), 기존의 많은 이 론적, 수치적 연구에서 그리고 실무에서도 산정한 스미어 영 역의 투수계수를 압밀 중 변화하지 않는 값으로 가정하고 해석을 수행하고 있다.

본 연구의 Part I에서는 스미어 발생 지반 및 불교란 지 반에서의 간극비 및 투수계수가 압밀 중에 어떻게 변화하는 지 확인하기 위하여 대형압밀시험 장비를 이용하여 스미어 가 발생된 지반을 모사하고 실험을 수행하였다. 스미어가 발 생한 모형지반에서 배수재로부터의 거리에 따라 시료를 채 취하고, 이에 대해 표준압밀시험을 실시하여 압밀 진행에 따 른 위치별 간극비 및 투수계수 변화를 확인하였다. 이러한 일련의 시험을 통하여 스미어 발생에 따른 위치별 간극비와 투수계수의 분포 및 압밀 중 변화거동을 규명하고 그 변화 기작을 분석하였다. 이러한 연구내용을 토대로 Part I의 후속 연구인 Part II에서는 스미어로 인한 물성치의 공간적 분포 및 압밀 중 변화거동을 고려하여 해석할 수 있는 수치해석 기법을 개발하고 검증할 것이다.

2. 실험조건

대형 압밀시험기를 이용하여 연직배수재 삽입과정에서 배 수재 주변에 발생하는 스미어를 모사하였다. 사용된 대형압 밀시험장비는 그림 1과 같이 내경 360mm, 높이 370mm이 고, 컴프레서에서 나오는 공기압을 시험기 상부의 다이아프 램에 가하여 시료에 하중을 가하도록 되어있다. 또한 압밀

중 시료에서 배출되는 유량과 연직 변형을 측정할 수 있고 시험기 하부에는 여러 위치에 바늘 삽입구를 설치하여 필요 한 경우 원하는 위치에서 과잉간극수압을 측정할 수 있으며 기존의 여러 연구에서 이미 그 활용성이 검증된 바 있다(윤 찬영 등, 2007; 윤찬영 등, 2008).

시험과정은 크게 시료준비 및 시료성형, 연직배수재 타설 및 방사배수 압밀, 위치별 시료채취 및 표준압밀시험의 세부 분으로 나뉘어진다.

시료 준비 및 성형과정은 기존의 연구(윤찬영 등, 2007)와 동일한 과정을 거쳤으며, 연직배수조건에서 100kPa 및 200

의 두가지 재하하중으로 균질하게 시료를 성형하였다.

성형이 완료되면 시료에서 하중을 제거하고, 외경 60mm 의 콘형 맨드렐을 이용하여 시료중앙부에 구멍을 뚫어 스미 어가 발생된 지반을 모사하면서 연직배수재를 타설하였다.

이 때 연직배수재는 시료 중앙부의 구멍에 물을 채우고 느 슨하게 모래를 부어넣어 차후 압밀과정에서 배수재 강성 효 과를 최소화할 수 있도록 하였다.

100kPa

및 200kPa의 두가지 하중조건에서 성형된 시료에

대하여 연직배수재가 타설된 직후 다음 그림 2와 같이 시료 중앙부로부터 62.5, 105.0, 147.5mm 떨어진 위치에서 횡방 향으로 시료를 채취하여 KS F 2316의 규정에 따라 표준압 밀시험을 실시하였으며, 이로부터 유효응력 변화에 따른 간 극비 및 횡방향 투수계수를 산정하였다. 이에 더하여 대형압 밀시험기에서 100kPa로 성형한 시료에 대하여 연직배수재 타설 이후 방사배수 조건에서 최종 압밀하중 150 및 250

까지 단계적으로 하중을 재하하면서 대형압밀시험을 진 행시킨 두가지 시료에 대해서도 동일한 위치에서 횡방향 시 료를 채취하여 표준압밀시험을 실시하였다. 이 경우 표준압 밀시험을 위한 시료채취까지 약 6주정도의 기간이 소요되었 으며, 이 후 위치별 시료를 이용한 표준압밀시험까지 포함하

그림

대형압밀시험기

윤찬영 등

여 1회 시험당 약 8주정도의 시험기간이 소요되었다. 이상과 같이 수행된 총 4회의 시험을 표 1에 정리하였다.

3. 실험결과 및 분석

그림 3에 표준압밀시험으로부터 구한 유효응력-투수계수 관계를 정리하였다. 전체 실험결과로부터 유효응력이 증가함 에 따라 투수계수가 감소하는 전반적인 경향성을 확인할 수 있다. 또한 하중재하초기에는 배수면에 가까울수록 투수계수 가 작아 배수면으로부터의 거리에 따른 위치별 투수계수 차 이가 나타남을 알 수 있다. 하지만 이러한 위치별 투수계수 차이는 압밀진행에 따라 감소하며 실험 1, 2에서는 선행압밀 압의 약 2배 이후에 그리고 실험 3, 4에서는 선행압밀압 이 후에 그 차이가 사라져 위치에 관계없이 동일 유효응력에 대하여 동일한 투수계수를 갖는다.

동일한 실험결과를 간극비와 투수계수의 결과로 분석하여 그림 4에 도시하였다. 간극비와 투수계수의 관계는 많은 연 그림

방사방향 거리별 시료 채취 위치

표

수행된 실험 시료성형압

(kPa)

표준압밀시험 실시 시기 대형압밀 시험에서의

최종 압밀압(kPa)

실험1

연직배수재 타설 직후

실험2

연직배수재 타설 직후

실험3

연직배수재 타설 및 방사배수 대형압밀시험 실시 이후

실험4

연직배수재 타설 및 방사배수 대형압밀시험 실시 이후

그림

투수계수

유효응력 관계

구자에 의하여 선형관계를 갖는다는 사실이 검증되 었으며 이러한 결과는 여러 연구에서 활용되고 있다(Taylor,

1948; Mesri

와 Choi, 1985; Leroueil 등, 1990; Little 등,

1992; Leroueil

등, 1992; Mesri 등, 1994). 본 연구에서도

간극비와 투수계수를 관계로 정리하였다. 그림 4에 서 볼 수 있는 것과 같이 실험 1, 2의 압밀 초기영역을 제 외하고 살펴보면 기존의 연구와 동일하게 간극비와 투수계 수는 선형관계를 갖는 것으로 나타났으며 간극비가 감소할수록 투수계수도 감소하는 경향성을 보여주고 있다.

좀 더 자세히 각 실험별로 살펴보면 실험 1, 2에서 실험초 기(간극비가 최대인 경우) 간극비는 위치에 상관없이 거의 동일하지만 투수계수는 배수면에 가까울수록 작게 나타나고 그 차이는 이후 압밀진행에 따라 감소하여 동일 간극비에 대 하여 동일 투수계수를 갖는 의 1:1 선형관계를 회복 한다. 반면에 실험 3, 4는 실험초기(간극비가 최대인 경우)에 배수면에 가까울수록 작은 간극비를 가지며 그에 따라 배수 면에 가까울수록 작은 투수계수를 갖지만 투수계수와 간극비 의

선형관계는 전 실험과정에 걸쳐 유지된다.

즉, 스미어 발생 직후 시료를 채취하여 실험한 실험 1, 2 와 스미어 발생 후 방사배수 조건에서 정규압밀영역까지 압 밀을 진행시키고 시료를 채취하여 실험한 실험 3, 4는 투수 계수-유효응력 관계(그림 3)에서는 유사한 경향성을 보여주 지만 간극비-투수계수 관계(그림 4)에서는 뚜렷이 구분되는 거동차이를 보여준다.

이와 같이 실험 1, 2와 실험 3, 4에서 나타나는 거동특성 의 차이 및 그 원인은 기존의 연구 및 본 연구의 실험결과

를 토대로 다음과 같이 유추해볼 수 있다. 먼저 연직배수재 를 타설하고 스미어가 발생한 직후 위치별로 시료를 채취하 여 압밀시험을 실시한 실험 1과 2는 스미어가 발생하였음에 도 불구하고 위치에 상관없이 동일한 간극비를 갖지만 배수 면에 가까울수록 투수계수는 작게 나타난다. 즉 점성토 지반 에서 스미어 발생시에 배수면 주변에서 발생하는 변형은 비 배수 변형이므로 부피변형이 없고 위치에 관계없이 동일한 간극비를 갖지만 배수재 타설로 인한 주변지반의 교란 및 이로 인하여 유발되는 점토입자구조의 변화로 투수계수가 감 소한다. 현장에서 스미어를 발생시키고 위치별 함수비 및 투 수계수 측정을 통하여 스미어 영역을 산정한 기존의 연구(정 하익 등, 1999)에서도 이와 유사하게 스미어 발생 직후 위 치에 따른 간극비의 차이는 거의 없지만 투수계수는 배수면 근처에서 감소하는 결과를 보여준다. 하지만 이러한 위치별 투수계수 차이는 그림 3의 결과와 같이 압밀진행에 따라 감 소하며 선행압밀압의 약 2배 이후에는 간극비와 투수계수의

1:1

선형관계를 회복한다. Sharma와 Xiao(2000)의

연구에서도 마찬가지로 스미어로 인한 위치별 투수계수 차 이가 압밀진행에 따라 감소하는 경향을 확인할 수 있다.

반면에, 스미어를 발생시킨 후 그대로 대형압밀시험기에서 선행압밀압 이후까지 방사배수 압밀을 진행시키고 위치에 따 라 시료를 채취하여 압밀시험을 실시한 실험 3과 4는 그림

에서 볼 수 있는 것과 같이 전체 압밀과정에서 간극비와 투수계수의

선형관계가 유지된다. 하지만 시료 채취 직후의 간극비는 배수면에 가까울수록 작으며 이로 인 하여 그림 3에서 볼 수 있는 것과 같이 실험초기에 위치별

e logk–

e logk–

e logk–

e logk–

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e logk–

그림

간극비

투수계수 관계

투수계수 차이가 나타난다. 이러한 위치별 투수계수 차이는 스미어로 인하여 발생한 위치별 투수계수 차이와 마찬가지 로 압밀진행에 따라서 감소하며 선행압밀압 이후에는 거의 사라진다. 즉, 스미어 발생 직후 나타나는 위치별 투수계수 차이와 방사배수 압밀진행에 따라 나타나는 위치별 투수계 수차이는 그 유발 원인이 다르지만 모두 압밀진행에 따라 감소하며 정규압밀영역에서는 거의 사라진다는 결론을 얻을 수 있다.

이 때 실험 3, 4에서 스미어 발생 직후에 나타나는 위치 별 투수계수 차이는 정규압밀영역까지 압밀을 진행시키고 시 료를 채취하므로 실험 1, 2의 결과에 따르면 투수계수차이가 사라져야하지만 여전히 투수계수차이가 존재한다. 다만 이때 의 투수계수차이는 앞서 분석한 바와 같이 위치별 간극비 차이로 인하여 나타나는 투수계수 차이이다. 즉, 스미어로 인 하여 발생한 위치별 투수계수차이는 압밀진행에 따라 사라 지지만 방사배수 압밀에 따른 다른 유발 요인에 의하여 위 치별 투수계수차이가 여전히 나타난다는 것을 알 수 있다.

방사배수 압밀에서 위치별 간극비 및 관련물성치의 차이가 나타나는 것은 배수면으로부터의 거리에 따른 압밀속도의 차 이에 의한 것으로 판단된다. 배수면에서 가까울수록 압밀속 도가 빠르며 배수면에서 멀어질수록 압밀속도는 느려진다.

이렇게 배수면으로부터의 거리에 따른 차별적 압밀진행이 압 밀거동에 미치는 영향은 윤찬영과 정충기(2005)에 의하여 수 치해석적인 연구가 진행된 바 있다. 배수면에서 가까운 영역 은 압밀시작 후 곧 압밀이 완료되며 2차압축(secondary

compression)

이 진행되므로 전체지반의 압밀완료 시점에서

더 작은 간극비를 갖는다. 또한 방사배수 압밀에서는 하중재 하방향이 연직방향이라도 압밀 중 횡방향의 변형이 발생한 다. Al-Tabbaa(1995)는 수치해석을 통하여 방사배수 압밀 중에 배수면 쪽으로 횡방향 변형이 발생하는 현상을 예측한 바 있으며, Baek과 Moriwaki(2004)는 실내시험을 통하여 이를 실제로 측정하였다. 방사배수 압밀에서 발생하는 배수 면쪽으로의 횡방향 변형은 압밀완료후에도 완전히 회복되지 않고 남아 배수면으로부터의 거리에 따른 간극비차이를 유 발시킨다. Atkinson 등(1985)과 Pyrah 등(1999)은 균질한 점토 시료를 방사배수(혹은 횡방향 배수) 조건에서 압밀시키 고, 압밀이 완료된 시료에서 위치별로 함수비를 측정하여 스 미어가 발생하지 않은 시료에서도 방사배수 압밀 시에 배수 면 근처에서 더 작은 간극비를 갖는다는 사실을 간접적으로 확인한 바 있으며, 윤찬영 등(2008)도 방사배수 압밀 후 위 치별 함수비 측정 및 간극수압 측정을 통한 방법으로 위치 별 간극비를 산정하고 두 결과의 비교를 통하여 압밀 완료 후 배수면으로부터의 거리에 따른 간극비차이가 나타난다는 사실을 확인하였다.

이상의 분석결과를 정리하면 스미어 발생 시 배수재 주변 에서는 점성토의 비배수변형 및 이로 인한 지반 교란으로 인하여 간극비 변화없이 투수계수가 감소하며 그 영향은 압 밀진행에 따라 감소하여 선행압밀압의 약 2배에 이르러서는 거의 사라진다. 하지만 압밀진행에 따라 스미어로 인한 위치 별 투수계수 차이가 사라지더라도 방사배수 압밀에서는 스 미어와 관계없이 압밀 중 배수면으로부터의 거리에 따른 간 극비 차이가 나타나며 이로 인하여 스미어 발생시와 비슷한

그림

유효응력

간극비 관계

위치별 투수계수차이가 나타난다. 이 역시 위치별로 시료를 채취하여 압밀시험을 수행하면 압밀진행에 따라 그 차이가 감소하여 선행압밀압 이후에는 사라지지만 실제로 방사배수 조건에서 압밀이 계속 진행되는 경우에는 이 차이가 압밀과 정 전반에 걸쳐 지속적으로 나타나며 압밀거동에도 큰 영향 을 미칠 것으로 판단된다.

역시 동일한 실험결과를 간극비와 유효응력의 관계로 정리 하여 그림 5에 도시하였다. 현장의 불교란 시료와 달리 실 험실에서 짧은 기간동안 성형하였으며, 소성성이 작은 대표 적인 실트질 점토인 카올리나이트를 사용하였기 때문에 선 행압밀하중이 명확히 나타나지는 않지만 모든 실험에서 압 밀이 진행됨에 따라(유효응력이 증가함에 따라) 간극비가 감 소하는 전반적인 경향성을 보여주고 있다. 하지만 실험 1, 2 와 실험 3, 4를 비교해보면, 스미어 발생 직후 위치별 압밀 시험을 실시한 실험 1, 2는 동일한 초기간극비를 갖고 압밀 진행에 따른 압축특성도 거의 동일한 반면 실험 3, 4는 압 밀초기에 배수면에 가까울수록 작은 간극비를 갖고 이 후 압밀진행에 따라 그 차이가 점차 감소한다. 다만 실험 2와

은 압밀후반부에 약간의 편차가 나타나지만 각 실험간의 경 향성을 확인하는 데는 큰 무리가 없는 것으로 판단된다.

스미어가 발생된 지반의 위치별 투수계수 차이 및 압밀 중 변화거동을 개념적으로 명확히 하고 후속연구인 Part II 에 적용하기 위하여 그림 3, 4, 5의 결과를 토대로 유효응 력-간극비-투수계수의 관계를 3차원 공간상에 단순화하여 그

림 6과 같이 개념도로 나타내었다.

실험 1과 2는 그림 6(a)에 도시되었으며 실험 3과 4는 그림 6(b)에 도시되었다. 두 그래프에서 실험 1, 2와 3, 4 에서의 투수계수 변화거동의 차이를 명확히 확인할 수 있다.

실험 1, 2에서는 스미어 발생 직후 배수면으로부터의 거리에 따라 투수계수는 다르지만 간극비와 압축특성은 동일하다.

반면에 실험 3, 4는 배수면으로부터의 거리에 따라 투수계수 뿐만 아니라 간극비와 압축특성도 다르지만 압밀 전 과정에 걸쳐

선형관계가 유지된다. 실험 1, 2 및 3, 4 두 종류의 실험에서 위치별 투수계수의 차이가 발생하는 원 인과 압밀 중 변화거동이 다름에도 불구하고 투수계수-유효 응력 평면에 투영된 그래프는 유사하게 나타나며 따라서 두 경우 모두 위치별 투수계수 차이로 인하여 압밀이 지체될 수 있다. 특히 앞서 언급된 바와 같이 Atkinson 등(1985),

Pyrah

등(1999), 그리고 윤찬영 등(2008)의 연구결과에 따르

면 방사배수 압밀 중 발생하는 위치별 간극비 차이 및 이로 인하여 유발되는 투수계수 차이는 압밀완료 후에도 지속적 으로 남아 차후 압밀거동에 영향을 줄 수 있다. 따라서 압 밀진행에 따라 스미어의 영향은 감소하는 반면 위치별 간극 비 차이로 인한 투수계수 차이의 영향은 지속적으로 남아 차후 압밀거동에 영향을 준다는 연구결과를 바탕으로 보았 을 때, 스미어 영역에서의 투수계수를 산정한 후 이를 압밀 중 변화하지 않는 값으로 가정하고 해석을 수행하는 현재의 연약지반 개량 설계에서, 방사배수 압밀로 유발된 위치별 투 수계수 차이에 의한 압밀지체는 전혀 고려되고 있지 않는 반면에 스미어로 인한 위치별 투수계수 차이에 의한 압밀지 체는 실제보다 과대평가되고 있는 것으로 판단된다.

스미어 및 위치별 물성치 차이로 인한 투수계수의 차이와 그 영향범위에 대한 분석을 위하여 그림 3의 결과를 동일응 력에 대한 시료 중앙부로부터의 거리에 따른 위치별 투수계 수 분포로 정리하여 그림 7에 다시 도시하였다. 이 때 선행 압밀압 이전은 실선으로 선행압밀압 이후는 점선으로 표시 하여 선행압밀압 전후의 투수계수 분포 및 거동차이를 확인 할 수 있도록 하였으며 배수재가 있는 부분은 음영으로 표 시하였다. 그림 7과 같이 도시하였을 때 위치에 따른 투수 계수 분포형태를 명확히 확인할 수 있으며, 이러한 위치별 투수계수 차이가 하중증가에 따라 감소하여 정규압밀영역에 서는 거의 사라진다는 것도 알 수 있다. 이 때 실험 1, 2 에서 스미어 영역의 직경은 배수재 직경의 5배까지 나타났 으며 스미어 영역과 불교란 영역에서의 투수계수 비 k

는 스미어 발생 직후에 실험 1과 2에서 각각 1.31, 1.65로 나 타났다. 참고로 기존의 연구(Jamiolkowski와 Lancellotta,

1981; Jamiolkowski

등, 1983; Hansbo 등, 1981; Hird 등,

1992; Sharma

와 Xiao, 2000)에서 스미어 영역의 크기는 배

수재 직경의 2~5배로 제안되었으며, 투수계수 비는 1~10으 로 제안된 바 있다. 이에 비하여 실험 3, 4에서 위치별 간 극비 차이로 인한 투수계수 감소영역은 배수재 직경의 약

배로 스미어 영역보다는 작게 나타났으나 불교란 영역과 교란영역의 투수계수 비 k

는 실험 3과 4에서 각각

1.73, 1.57

로 나타나 스미어 효과와 비교하였을 때 상대적으

로 더 작은 영역에서 더 큰 투수계수 차이를 유발하는 것으 로 나타났다. 따라서 스미어로 인한 압밀지체보다 방사배수

e logk–

그림

차원 공간상에 도시된 투수계수

간극비

유효응력 관계

압밀에 따른 위치별 간극비 차이에 의한 압밀지체가 더 클 것으로 예상된다. 또한 스미어 효과는 압밀진행에 따라 감소 하는데 비하여 방사배수 압밀에 따른 위치별 간극비 차이로 유발된 투수계수 감소효과는 압밀 완료후에도 남아 차후의 압밀거동에 지속적으로 영향을 주게되므로 압밀지체에 미치 는 영향이 가중될 것으로 판단된다. 하지만 본 연구는 카올 리나이트 재성형 지반에 대한 제한적인 실험결과의 분석이 므로 추후 다양한 지반 조건에 대한 실험을 통하여 그 영향 을 정량적으로 분석하고 압밀 중 스미어 영역의 물성치 변 화를 고려한 이론적, 해석적 연구를 통한 민감도 분석이 함 께 진행되어야 할 것으로 판단된다.

4. 결론및 향후 연구과제

본 연구에서는 대형압밀시험 장비를 이용하여 연직배수재 타설로 스미어가 발생된 지반을 모사하고 실험을 수행하였 다. 스미어가 발생한 카올리나이트 모형지반에서 배수재로부 터의 거리에 따라 시료를 채취하고 이를 이용하여 표준압밀 시험을 실시하였으며, 이로부터 압밀 진행에 따른 위치별 간 극비 및 투수계수 변화를 확인하였다. 이러한 시험결과 다음 과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1.

스미어 발생시 배수재 주변에서는 점성토의 비배수 변형

및 이로 인한 지반 교란으로 투수계수가 감소하지만 그 영향은 압밀진행에 따라 감소하여 선행압밀압의 약 2배에 이르러서는 거의 사라진다. 그러나 스미어가 발생하더라도 초기간극비와 압축특성은 배수면으로부터의 거리와 관계 없이 거의 동일하다.

2.

방사배수 압밀 중에는 스미어와 관계없이 배수면으로부터 의 거리에 따른 간극비 차이가 나타나며 이로 인하여 스 미어 발생시와 비슷한 위치별 투수계수차이가 나타난다.

이 경우 의 1:1 선형관계가 압밀 전과정에 걸쳐 서 유지되며 위치별로 시료를 채취하여 압밀시험을 실시 하면 압밀진행에 따라 그 차이가 감소하여 선행압밀압 이 후에는 사라지지만 실제로 방사배수 조건에서 압밀이 계 속 진행되는 경우에는 이 차이가 압밀과정 전반에 걸쳐 지속적으로 나타나며 압밀거동에도 큰 영향을 미칠 것으 로 판단된다.

3.

카올리나이트 시료를 이용하여 실험한 본 연구에서 스미 어 영역의 크기는 배수재 직경의 5배, 스미어 영역과 불 교란 영역에서의 투수계수 비 는 1.31 및 1.65로 나타났 다. 이에 비하여 방사배수 압밀에 따른 위치별 간극비 차 이로 인한 투수계수 감소영역은 배수재 직경의 약 3.5배, 투수계수 비는 1.73 및 1.57로 나타나 스미어 효과와 비 교하였을 때 상대적으로 더 작은 영역에서 더 큰 투수계

e logk–

그림

동일 응력에서의 투수계수 분포형태

수 차이를 유발하는 것으로 나타났다.

4.

압밀진행에 따라 스미어로 인한 위치별 투수계수 차이는 점차 감소하는 반면 방사배수 압밀에 따른 위치별 간극비 차이로 인한 투수계수 차이는 지속적으로 남아 차후 압밀 거동에 영향을 주게 된다. 따라서 스미어 영역에서의 물성 치를 압밀 중 변화하지 않는 값으로 가정하고 해석을 수 행하는 현재의 연약지반 개량 설계에서 방사배수 압밀로 유발된 위치별 투수계수 차이에 의한 압밀지체는 전혀 고 려되고 있지 않는 반면에 스미어의 영향은 실제보다 과대 평가되고 있는 것으로 판단된다. 추후 다양한 지반 조건에 대한 실험을 통하여 그 영향을 정량적으로 분석하고 실제 해석에서 이를 고려할 수 있는 연구가 필요할 것으로 판 단된다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부(건설교통부)가 주관하고 한국건설교 통기술평가원이 시행하는 2005년도 건설핵심연구개발사업(05 건설핵심C11)에 의해 수행되었습니다.

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접수일: 2008.9.1/심사일: 2008.12.6/심사완료일: 2009.5.19)