세립분 함량에 따른 성토재료의 장기침하 거동

국문 초록 (Abstract)

지중구조물 상부 성토 및 뒤채움 지반은 외부 하중을 전달하고 지지하는 역할을 수행하며, 구조물과 상호작용하여 안정성 및 성능 확보에 기여한다. 그러나 이러한 지반의 시간 의존적 변형(Creep)에 따른 장기 침하는 상부 포 장층의 균열·파손, 구조물과의 부등침하 등 심각한 사용성 저하와 안정성 문제를 야기할 수 있다. 문제는 현행 설계 기준(세립분 함량 25% 이하)이 입 도 조건에만 초점을 맞추고 있어, 이를 만족하는 사질토 지반에서조차 장기 침하 문제가 지속적으로 보고되고 있다는 점이다. 이는 즉시 침하 이후의 변 형이 미미할 것이라는 사질토에 대한 일반적인 공학적 인식을 재고하고, 시 간 의존적 거동에 대한 심층적인 검토가 필요함을 보여준다. 이러한 관점에 서 선행 연구 및 현장 사례를 분석한 결과, 앞서 논의된 세립분 함량의 영향 과 함께 고성토 조건의 높은 재하 하중과 시공 시 다짐 불량 또한 장기 침 하를 유발하는 주요 원인으로 분석되었다. 따라서 본 연구는 실제 고속도로 현장에서 채취한 성토재료를 대상으로, 이 세 가지 핵심 인자가 장기압축침 하 거동에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 자체 제 작한 대형 압축 실험기를 활용하여 장기압축실험을 수행하였고, 세립분 함량 에 따른 거동 전환점을 정밀하게 규명하기 위한 목적으로 표준 압밀 시험기 를 이용한 1차원 압축 실험을 실시하였다. 실험 결과, 상대다짐도는 장기 변 형을 지배하는 가장 큰 요인으로 다짐도가 90%에서 70%로 감소할 때 총 변 형률이 최대 12배까지 증가함을 확인하였다. 세립분 함량 또한 고하중 조건 에서 중요한 영향을 미쳤다. 특히 고하중(300kPa)·고세립분(25%) 조건에서는 전체 변형에서 Creep이 차지하는 비율이 약 36~43%에 달했으며, 시간 경과 에 따라 변형이 가속화되는 경향도 함께 확인되었다. 1차원 압축 실험 결과 에서는 공학적으로 안정한 적정 세립분 함량 구간(약 10~20%)과 거동이 전환 되는 전환 세립분 함량 구간(약 21~25%)이 존재함을 규명하였으며, 이는 현 행 기준인 25%가 일부 재료에서는 이미 거동 전환이 완료되는 임계점에 해 당할 수 있음을 의미한다. 또한, 이러한 실험 결과를 바탕으로 기존 장기 침 하 예측 모델을 적용하여 20년 후의 장기 변형을 예측한 결과, 고하중 및 고 세립분 조건에서는 대부분의 예측 모델에서 사질토의 경험적 한계치(1.1%)를 초과하는 변형이 발생할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 현행 세립 분 함량 기준이 고성토 조건이나 다짐 불량과 같은 실제 현장 조건에서 장 기 안정성을 보장하기에 충분하지 않을 수 있음을 정량적으로 보여준다. 따 라서 재료의 입도 특성과 실제 하중 조건을 종합적으로 고려하는 성능 기반 설계 기준의 도입이 필요할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 2
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 2.1 사질토로 구성된 성토체의 장기거동 특성 4
• 2.1.1 국내 성토 구조물의 침하 현황 및 원인 분석 4
• 2.1.2 사질토의 시간 의존적 변형(Creep) 특성 12
• 2.2 세립분 함량에 따른 지반재료의 역학적 거동 18
• 2.2.1 흙의 내부 입자에 따른 구조적 특성 19
• 2.2.2 전환 세립분 함량 이론 및 관련 연구 20
• 2.3 사질토 지반의 장기 침하량 산정 29
• 2.3.1 쌍곡선법 30
• 2.3.2 Creep 계수 31
• 2.3.3 이차압축지수 32
• 2.3.4 곡선적합법 33
• Ⅲ. 실험 재료 및 방법 34
• 3.1 실험 개요 34
• 3.2 실험 재료의 기본 물성 34
• 3.3 실험 장비 및 절차 44
• 3.3.1 대형 압축 실험 44
• 3.3.2 1차원 압축 실험 47
• Ⅳ. 실험 결과 및 분석 50
• 4.1 대형 압축 실험 결과 50
• 4.1.1 상대다짐도에 따른 Creep 거동 분석 50
• 4.1.2 세립분 함량에 따른 Creep 거동 분석 59
• 4.2 1차원 압축 실험을 통한 전환 세립분 함량 분석 68
• 4.2.1 세립분 함량에 따른 압축 특성 69
• 4.2.2 전환 세립분 함량 구간 평가 75
• Ⅴ. 성토재료의 장기침하 평가 81
• 5.1 장기 Creep 변형 예측 및 모델 적용성 평가 81
• 5.1.1 예측 방법 및 기준 81
• 5.1.2 예측 모델별 매개변수 분석 82
• 5.1.3 예측 모델 간 비교 및 적용성 평가 86
• Ⅵ. 결론 93
• 참고문헌 95
• Abstract 100