Effects of Stress History on Secondary Compression of Lightly Overconsolidated Clays = 약과압밀 점성토의 이차압축에 응력이력이 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

점성토층이 두꺼운 연약지반 위에 건설된 토목 구조물의 장기 안정성 평가를 위해서는 장기 침하량을 정확하게 예측하는 것이 중요하다. 침하 저감을 위해 선행재하(preloading) 공법 적용되면, 실제 운용하중 단계에서 점성토 지반은 대개 약과압밀(lightly overconsolidated) 상태에 놓이게 된다. 이때 발생하는 구조물 하중은 일반적으로 작은 하중증가비(LIR < 1)를 가지므로, 전체 침하량에서 이차압축이 차지하는 비중이 매우 지배적이다. 그러나 본 연구의 실험 결과에 따르면, e-log t 관계는 뚜렷한 비선형성을 보였으며, 이는 이차압축지수 Cα를 상수로 간주하는 기존의 설계 관행 및 가설과 상충한다. 이러한 비선형성을 정량적으로 해석하기 위해 Janbu의 시간저항(time resistance) 개념과 Mitchell의 거듭제곱 법칙(power law) 프레임워크를 도입하였다.
분석 결과, 선행재하 이후 운용하중 단계에서 나타나는 복잡한 크리프 거동을 설명하는 데 있어 재하 과압밀비(OCRr)만으로는 충분하지 않으며, 제하 크기(OCRu)의 변화가 지반의 구조적 연화(structural softening)를 유발하여 이후의 압축 거동을 근본적으로 변화시키는 것으로 나타났다. 이러한 강한 경로 의존성(path-dependency)은 제하 크기를 고려하지 않는 표준 재하시험이 현장 거동을 정확히 예측하는 데 한계가 있음을 시사한다.
이에 본 연구에서는 특정 제하 이력을 반영한 현장 모사 재하시험(Field-simulated Loading, FL)의 필요성을 강조한다. 또한, 현장 모사 재하시험의 시간 집약적 특성을 극복하기 위해 MAPE 분석을 기반으로 시험 기간을 단축한 실험 프로토콜을 제안하였다. 연구 결과, 최종 운용하중 상태에서 단 3일간의 계측만으로도 비선형 크리프 매개변수를 신뢰성 있게 산정할 수 있었으며, 이는 지반공학 실무에서 고정밀의 효율적인 침하 예측을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Accurate prediction of long-term settlement is paramount for assessing the stability of civil infrastructures constructed on soft ground with thick clay layers. When preloading with surcharge is applied to mitigate settlement, the clay deposits typically reach a lightly overconsolidated state during the service load stage. Since the subsequent structural loads often involve a small load increment ratio (LIR < 1), secondary compression becomes the dominant component of the total settlement. However, experimental data from this study reveal a significantly nonlinear e-log t relationship, contradicting the conventional engineering practice of assuming a constant secondary compression (Cα). To provide a rigorous quantitative interpretation of this nonlinearity, Janbu’s time resistance concept and Mitchell’s power law framework were employed.
The analysis reveals that the reloading overconsolidation ratio (OCRr) alone is insufficient to characterize the complex creep behavior of Busan clay observed during the service load stage following preloading. Instead, variations in the unloading magnitude (OCRu) were found to fundamentally alter the subsequent compression behavior by inducing different levels of structural softening. This strong path-dependency suggesets that standard loading tests, which fail to account for the specific unloading history, are limited in their ability to accurately predict field performance. Consequently, this research emphasizes the necessity of field-simulated loading (FL) tests. To overcome the time-intensive nature of such tests, an optimized protocol was proposed based on MAPE analysis. The results demonstrate that nonlinear creep parameters can be reliably identified with only 3 days of monitoring at the final service load, providing a high-fidelity and efficient basis for settlement prediction in geotechnical practice.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Problem Statement 2
• 1.3 Objectives 4
• Chapter 2 Literature Review 6
• 2.1 Secondary Compression Characteristics 6
• 2.1.1 Definition of Secondary Compression 6
• 2.1.2 Definition of Secondary Compression Index, Cα 6
• 2.1.3 Typical Assumptions for Analysis 8
• 2.1.4 Mechanisms and Deviations 9
• 2.2 Effects of Stress History on Secondary Compression 9
• 2.2.1 Influence of OCR 9
• 2.2.2 Unloading, Swelling, and Softening 11
• 2.2.3 Unloading Magnitude and Hysteresis Loop 13
• 2.3 The Isotache Concept and EVP Models 15
• 2.3.1 The Isotache Concept and EVP Models 15
• 2.3.2 Distorted Isotaches in Overconsolidated State 17
• 2.4 Frameworks for Nonlinear Creep 18
• 2.4.1 Janbu’s Time Resistance Concept 18
• 2.4.2 Empirical Power Law 21
• Chapter 3 Materials and Methods 25
• 3.1 Test Material: Busan Clay 25
• 3.2 Experimental Program: Oedometer Tests 25
• 3.3 Data Analysis and Prediction Methodology 28
• 3.3.1 Janbu’s Time Resistance Concept 28
• 3.3.2 Empirical Power Law 29
• Chapter 4 Test Results and Analysis 30
• 4.1 Consolidation Characteristics of Busan Clay 30
• 4.2 Secondary Compression under Field-Simulated Loading 32
• 4.2.1 Influence of OCRr (FL tests) 32
• 4.2.2 Influlence of OCRu (FLU tests) 34
• 4.3 Nonlinear Creep Using Janbu’s Framework 36
• 4.3.1 Influence of OCRr (FL tests) 36
• 4.3.2 Influlence of OCRu (FLU tests) 37
• 4.3.3 Influence of Stress History using Janbu’s Framework 38
• 4.4 Nonlinear Creep Using Power Law Framework 40
• 4.4.1 Influence of OCRr (FL tests) 41
• 4.4.2 Influlence of OCRu (FLU tests) 41
• 4.4.3 Influence of Stress History using Power Law Framework 42
• Chapter 5 Discussions 44
• 5.1 Stress Path Effects: Standard vs. Field-Simulated 44
• 5.2 Limitations in Predicting Field-Simulated Responses from Standard Loading Tests 47
• 5.3 Practical Efficiency and Reliability of Testing Program 50
• 5.3.1 Baseline Validation (7-day Full Dataset) 50
• 5.3.2 Predictive Performance (1-, 2-, and3-day Datasets) 51
• 5.3.3 Practical Implications for Experimental Efficiency 53
• Chapter 6 Conclusions 56
• References 58