모래-점토-팩 복합토의 거동에 관한 실험적 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

When constructing structures receiving high vertical and horizontal force such as port facilities, caissons and breakwaters on a soft ground on the sea or seashore, it is very important to increase the strength of the ground and inhibit excessive settlement by improving thick soft ground. In Korea, grounds of this condition have been improved usually through displacement method, sand compaction pile (SCP) method, gravel compaction pile (GCP) method, stone column method, deep cement mixing (DCM) method, etc. As these methods have several problems, however, alternative construction methods are being studied actively. Recently, there are an increasing number of studies in Korea and Europe on the method of wrapping the outer wall of granular piles with geosynthetic fibers such as geotextile or geogrid that has a certain level of tensile strength.
In a granular pile reinforced with geosynthetic fiber, the reinforcement material made of geosynthetic fiber in the form of pack inhibits, by the ring or hoop tensile force from the geosynthetic fiber, the lateral deformation of the granular pile in the bulging of the pile by external load and increases horizontal resistance. The reinforcement effect of geosynthetic fiber increases the strength of granular piles, and a soft ground where such granular piles reinforced with geosynthetic fiber are used has increased bearing capacity and shear resistance and decreased settlement, and furthermore, this method consumes a less aggregate compared to the conventional SCP or GCP method. However, there are not many cases of construction using sand or stone piles reinforced with geosynthetic fiber, and most of related studies are about models using crushed stone as in-fill material or high‐strength geogrid as reinforcing material and not many studies have been made on the behavior of soft grounds using SCPs reinforced with geosynthetic fiber, which has relatively low rigidity.
This study purposed to find the characteristics of behavior such as shear strength and stress concentration ratio of a composite ground improved using SCPs reinforced with geosynthetic fiber as an alternative to the conventional SCP method for improving soft ground, and how these characteristics are affected by the area replacement ratio and the tensile strength of geosynthetic fiber. With this purpose, several triaxial compression tests were carried out in order to examine the shear strength and behavior of composite soil in various conditions (sand-pack, clay-pack, sand-clay and sand-clay-pack). Moreover, loading tests were conducted with artificially remolded model grounds, which are soft cohesive soil grounds improved using SCPs or SCPs reinforced with geosynthetic fiber, using a centrifuge model tester in order to analyze the reinforcement effect of SCPs by geosynthetic fiber, and the bearing capacity, stress concentration characteristic and failure mechanism of the sand-clay-pack composite ground.
According to the results of this study, in the outcomes of the triaxial compression test on composite soil in various conditions reinforced with geosynthetic fiber, the shear strength reinforcement effect of geosynthetic fiber was shown clearly by the increase of cohesion intercept. The increase of shear strength was manifested as the increase of bearing capacity in the model test on the sand-clay-pack composite ground, and when compared with bearing capacity measured for the sand-clay composite ground, reinforcement with geosynthetic fiber increased bearing power by around 2.1 times. In the sand-clay-pack composite ground, the tensile strength of geosynthetic fiber did not have a significant effect on test results due to buckling in the pack piles. This result suggests that the ring or hoop tensile force of geosynthetic fiber developed in the bulging of SCPs does not have a significant effect on the behavior of pack piles in buckling failure. On the other hand, the stress concentration ratio calculated from soil pressure measurements converged on a certain value (around 2.5) in the sand-clay composite ground, but increased continuously until the failure of pack piles in the sand-clay-pack composite ground.

국문 초록 (Abstract)

국내에서 해상 또는 해안의 연약지반에 항만시설, 케이슨, 방파제 등 큰 연직력 및 수평력을 받는 구조물을 축조할 경우에 두꺼운 연약지반을 개량하여 강도를 증가시키고 과도한 침하 발생을 억제하는 것은 매우 중요한 사항이다. 그동안 국내에서는 이런 조건의 지반을 개량하기 위하여 치환, 모래다짐말뚝(sand compaction pile, 이하 SCP), 자갈다짐말뚝(gravel compaction pile, 이하 GCP), 쇄석기둥(stone column), 심층혼합처리(deep cement mixing, 이하 DCM) 등의 공법들을 많이 이용하였다. 그러나 이와 같은 공법들에는 여러 문제점이 있어 대체공법에 대한 관심과 연구가 많아지고 있다. 최근 유럽과 국내에서는 소정의 인장강도를 갖는 지오텍스타일(geotextile) 또는 지오그리드(geogrid) 등의 토목섬유로 골재말뚝(granular pile) 외벽을 감싸는 공법에 대한 연구가 증가하고 있다.
토목섬유 보강 골재말뚝에서 토목섬유로 제작된 팩(pack) 형태의 보강재는 외부하중에 의한 말뚝 벌징(bulging)시 토목섬유에서 발휘되는 링인장강도(ring or hoop tensile force)를 통해 말뚝의 수평방향 변형이 억제되고 수평 저항력은 커지게 된다. 이러한 토목섬유 보강효과로 골재말뚝의 강도가 증가되는데, 토목섬유 보강 골재말뚝이 시공된 연약지반에서는 지지력 및 전단저항력이 증가되고, 지반변형(침하)이 감소되는 효과를 볼 수 있으며, 기존 모래다짐말뚝(SCP) 또는 자갈(쇄석)다짐말뚝(GCP)공법에 비해 골재 소모량이 감소되는 효과가 발생하게 된다. 하지만 이와 같이 토목섬유로 보강된 모래나 쇄석말뚝은 아직까지 국내 시공사례가 적고 관련 연구들이 주로 채움재로 쇄석 또는 고강도 지오그리드를 사용한 모델에 대한 것이므로 상대적으로 강성이 작은 토목섬유로 보강된 모래다짐말뚝이 시공된 연약지반의 거동에 대한 연구는 국내․외에 그리 많지 않다.
이 연구는 기존 연약지반 개량공법인 모래다짐말뚝공법(SCP)의 대체 공법으로 모래다짐말뚝을 토목섬유로 보강한 팩말뚝이 시공된 복합지반의 전단강도(지지력)와 응력분담비 등 거동특성에 대해서 치환율, 토목섬유 인장강도가 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이를 위해 다양한 조건의 복합토(모래-팩, 점토-팩, 모래-점토, 모래-점토-팩)에 대한 삼축압축시험을 실시하였다. 또한, 연약한 점성토 지반에 모래다짐말뚝과 토목섬유로 보강된 모래다짐말뚝이 시공된 모형지반을 원심모형시험기를 이용하여 조성한 후 재하시험을 실시하여 토목섬유에 의한 모래다짐말뚝 보강효과와 모래-점토-팩 복합지반에 대한 지지력, 응력분담 특성 및 파괴 메커니즘을 파악하고자 하였다.
연구결과로 토목섬유를 보강한 다양한 조건의 복합토에 대한 삼축압축시험 결과에서 토목섬유에 의한 보강효과는 점착절편 증가효과로 뚜렷하게 나타났으며, 모래-점토-팩 복합지반에 대한 모형시험결과에서는 토목섬유 보강효과가 지지력 측면에서 매우 우수한 것으로 나타났다. 모래-점토-팩 복합지반에 대한 재하시험결과를 기존 모래다짐말뚝(SCP)공법을 모사한 모래-점토 복합지반에 대한 지지력 측정결과와 비교 할 때 토목섬유 보강에 의한 지지력 증가효과는 약 2.1 정도인 것으로 나타났다. 모래-점토-팩 복합지반에 대해서는 팩말뚝에 발생된 좌굴(buckling)로 인하여 토목섬유 인장강도가 시험결과에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으므로, 모래다짐말뚝 벌징(bulging) 발생시 발현되는 토목섬유의 링인장강도(ring or hoop tensile force)는 거동에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
한편, 토압측정결과로 산정된 응력분담비의 경우 일정한 값(약 2.5)으로 수렴하는 모래-점토 복합지반과 달리 모래-점토-팩 복합지반의 경우 팩말뚝 파괴시까지 계속적으로 증가하는 큰 차이점을 보이는 것으로 나타났다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 i
• 표목차 iv
• 사진목차 vi
• 기호설명 viii
• 국문초록 xii
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 관련 연구동향 2
• 1.3 연구목적 및 내용 4
• 1.4 연구방법 4
• 제 2 장 모래-점토-팩 복합지반의 특성 고찰 6
• 2.1 개요 6
• 2.2 모래-점토-팩 복합지반의 기본 개념 6
• 2.2.1 모래-점토-팩 복합지반의 강도증가 개념 6
• 2.2.2 복합지반의 거동해석을 위한 등가원주(unit cell) 개념 8
• 2.3 모래-점토-팩 복합지반의 치환율 13
• 2.4 모래-점토-팩 복합지반의 응력분담 16
• 2.5 모래-점토-팩 복합지반의 전단강도 18
• 2.6 토목섬유의 특성 20
• 2.6.1 토목섬유 개요 20
• 2.6.2 토목섬유의 역학적 특성 22
• 2.6.3 토목섬유의 보강기능 23
• 2.6.4 토목섬유의 역학시험 24
• 제 3 장 삼축압축시험 25
• 3.1 시험에 사용된 재료 및 장비 25
• 3.1.1 시험에 사용된 흙 25
• 3.1.2 삼축압축시험기 26
• 3.1.3 원심력 압밀 시험기 27
• 3.2 점토시료의 성형 및 압밀압력 결정 28
• 3.2.1 점토시료의 성형 28
• 3.2.2 압밀압력 결정 28
• 3.3 모래-팩 복합토의 삼축압축시험 29
• 3.3.1 모래-팩 복합토 삼축압축시험에 사용된 섬유 29
• 3.3.2 모래-팩 복합토의 삼축압축시험방법 31
• 3.3.3 모래-팩 복합토 시험의 결과 및 분석 32
• 3.4 점토-팩 복합토의 삼축압축시험 41
• 3.4.1 점토-팩 복합토 삼축압축시험에 사용된 섬유 41
• 3.4.2 점토-팩 복합토 삼축압축시험방법 41
• 4.4.3 점토-팩 복합토 시험의 결과 및 분석 43
• 3.5 모래-점토-팩, 모래-점토 복합토의 삼축압축시험 50
• 3.5.1 모래-점토-팩 복합토 삼축압축시험에 사용된 섬유 50
• 3.5.2 모래-점토-팩, 모래-점토 복합토 삼축압축시험방법 51
• 3.5.3 모래-점토-팩, 모래-점토 복합토 삼축압축시험결과 및 분석 54
• 제 4 장 모형시험 75
• 4.1 모형시험에 사용된 재료 및 장비 75
• 4.1.1 모형시험에 사용된 흙 75
• 4.1.2 모형시험에 사용된 흙의 역학적 특성 77
• 4.1.3 모형시험에 사용된 토목섬유 83
• 4.1.4 모형시험에 사용된 장비 84
• 4.2 모형시험 방법 89
• 4.2.1 시험 조건 89
• 4.2.2 모형지반 조성 및 재하시험 90
• 4.3 모형시험 결과 및 분석 96
• 4.3.1 하중-침하 관계 96
• 4.3.2 토압측정결과 107
• 4.3.3 지반 변형 특성 117
• 4.3.4 토목섬유 보강 모래다짐말뚝 경제성 분석 119
• 4.4 단일 팩말뚝 압축강도시험 121
• 4.4.1 개요 121
• 4.4.2 시험방법 122
• 4.4.3 시험결과 및 분석 123
• 제 5 장 결 론 126
• 5.1 삼축압축시험 결과 126
• 5.2 모형시험 결과 127
• 5.3 종합결론 및 향후 연구내용 129
• 참고문헌 130
• 영문초록 135