현장실측 및 수치해석을 통한 서해안 연약지반의 압밀 거동에 대한 연구 = A Study on the Consolidation Behavior of West Coast Soft Ground Based on Field Monitoring Data and Numerical Analysis

국문 초록 (Abstract)

서해안의 연약지반을 대상으로 도로구간(수직배수재 시공)과 단지구간(자연배수 조건)을 선정하여 침하에 따른 압밀특성을 실측자료와 수치해석을 통해 검토하였다. 성토 후 약 36개월에 걸쳐 압밀침하와 과잉간극수압의 변화 데이터를 바탕으로 Soft Soil 모델을 적용한 Plaxis 3D 해석을 통하여 설계·수치해석·간편식을 통한 결과를 종합적으로 비교 분석하였다.
계측결과 도로구간의 최종침하량은 약 0.36∼0.61 m로 설계목표 침하량에 근접하여 수렴하였다. 반면 단지구간은 설계치 대비 약 60∼70% 수준에 머물러 장기압밀 침하가 이미 완료된 것으로 판단된다. 이러한 차이는 배수조건 외에도 성토 유지기간, 성토에 따른 유효응력 증가량, 지반이력 등 복합적인 요인에 의한 영향으로 해석된다.
Plaxis 3D 해석은 도로구간과 단지구간 2개소씩 대표구간을 설정하여 분석한 결과 실제 침하와 오차율 5% 이내로 거의 근사한 침하량을 확인할 수 있었다. 이를 통해 수치해석의 신뢰성을 확보하였고 과잉간극수압과 침하량과의 관계를 통해 연약지반의 압밀 특성을 합리적으로 재현하고 있음을 검증하였다.
또한 실무적 활용성을 높이기 위한 시간에 따른 압밀도 관계를 단순화하여 예측식을 제안하였다. 계측 기반으로 보정된 속도상수를 도입하여 정리하였다.
식을 통해 압밀속도 상수를 산정하여 침하량을 예측시 초기의 급격한 즉시침하는 충분히 반영되지 않지만 압밀 종료시점에서는 오차율 10% 내의 신뢰성도 높은 결과를 보여주었다.
그러나 초기 간편식은 즉시침하를 정량적으로 반영하는데 한계가 있었다. 이러한 한계를 보완하고자 즉시침하와 압밀침하를 동시에 고려할 수 있는 최종 간편식을 제안하였다.
간편식을 적용한 결과 예측값과 계측값 간의 오차율은 10% 내외로 유지되었고 실무 적용 측면에서도 활용 가능성을 확인하였다. 또한 국내 동해안, 서해안 및 남해안의 연약지반에 위 식을 활용하여 지역별 매개변수를 산정하고 검증함으로써 신뢰성을 확인하였다. 따라서 본 간편식은 연약지반의 침하 거동을 효과적으로 분석·예측할 수 있다는 점에서 의미가 있으며 향후 유사한 연약지반의 침하 관리에도 적용성이 높다는 점에서 실무적 활용 가치가 큰 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 Ⅰ장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 기존연구 동향 1
• 1.2 연구목적 3
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 연약지반의 정의와 특성 5
• 2.2 연약지반의 공학적 문제와 실무적 쟁점6
• 2.3 압밀침하 이론 7
• 2.3.1 압밀 이론 7
• 2.3.2 Terzaghi 압밀침하 이론 8
• 2.3.3 선행압밀응력 15
• 2.3.4 Cam-Clay 이론19
• 2.4 연약지반 개량 공법(연직배수공법) 21
• 2.4.1 프리로딩 및 연직배수공법 21
• 2.4.2 Drain 등가환산원 및 영향원 검토22
• 2.4.3 Smear zone 23
• 2.4.4 배수저항(Well resistance) 25
• 2.5 연약지반 개량 공법(수평배수공법) 26
• 2.5.1 수평배수층의 기능 및 검토사항 26
• 2.5.2 쇄석매트 포설 방법 비교 28
• 2.6 Plaxis 기반 연약지반 유한요소 해석의 이론적 배경 29
• 2.6.1 Plaxis의 기본 개념29
• 2.6.2 모델링 가정 및 해석 설정 30
• 2.7 연약지반 침하 예측을 위한 해석기법 31
• 제 3 장 지반특성에 기반한 연약지반 개량과 계측 운영 33
• 3.1 지반조사에 따른 설계정수 도출33
• 3.1.1 지반조사 33
• 3.1.2 물리적 특성 35
• 3.1.3 역학적 특성 37
• 3.1.4 구간별 특성 분석39
• 3.1.5 설계정수 산정40
• 3.2 연약지반 개량 과정 42
• 3.3 계측기 설치47
• 제 4 장 침하량 및 압밀기간 산정 49
• 4.1 사질토 침하 예측 방법 49
• 4.2 점성토의 압밀침하 예측 방법 51
• 4.3 이론식을 통한 침하량 산정 52
• 4.4 설계와 시공의 차이를 보이는 요소57
• 4.4.1 압밀계수의 불확정성57
• 4.4.2 선행압밀응력의 불확정성 58
• 4.4.3 지반정수의 불확정성의 예 59
• 제 5 장 수치해석 61
• 5.1 수치해석 조건 61
• 5.1.1 수치해석의 메쉬 설정 61
• 5.1.2 재료모델 62
• 5.1.3 PBD 배치 및 해석 순서63
• 5.1.4 해석 물성치 결정65
• 5.1.5 해석범위 검토67
• 5.2 도로구간 수치해석68
• 5.2.1 도로구간 1(R-PM-1) 68
• 5.2.2 도로구간 2(R-PM-5) 75
• 5.3 단지구간 수치해석81
• 5.2.1 단지구간 1(D-PM-1) 81
• 5.2.2 단지구간 2(D-PM-3) 86
• 제 6 장 결과분석 92
• 6.1 현장 계측자료 분석 92
• 6.1.1 침하계측 92
• 6.1.2 도로구간 침하계측 결과분석 93
• 6.1.3 단지구간 침하계측 결과분석 94
• 6.2 수치해석과 계측값 비교검증95
• 6.2.1 도로구간 수치해석계측 비교분석95
• 6.2.2 단지구간 수치해석계측 비교분석96
• 6.3 계측자료 기반 압밀침하 간편식 제안 97
• 6.3.1 Taylor(1948) 평균압밀도 기반 속도상수 산정97
• 6.3.2 속도상수() 보정값 산정 98
• 6.3.3 지수형 속도상수 (day )값 도출 99
• 6.3.4 간편식 제안 100
• 6.3.5 압밀단계별 간편식 산정 결과102
• 6.3.6 계측Plaxis간편식 침하량 비교 분석 104
• 6.4 즉시침하를 보완한 최종 간편식 제안107
• 6.4.1 즉시침하를 반영한 간편식 보정 107
• 6.4.2 즉시침하를 반영한 최종 간편식 검증 108
• 6.4.3 다른 지역에 적용하기 위한 일반식 도출111
• 제 7 장 결론116
• 7.1 연구 요약 116
• 7.2 향후 연구 방향 118
• □ 참고문헌119
• □ Abstract126