점성토의 압밀특성 = Consolidation characteristics of cohesive soil

국문 초록 (Abstract)

국토의 고도 이용에 따라 연약지반 상에 각종 구조물이 건설되고 있으며, 점차 증가하고 있는 추세이다. 그러나 연약지반에 건설된 구조물에서는 필연적으로 상부하중에 의해 침하가 발생하게 된다. 연약지반 구조물의 설계단계에서는 연약점성토층의 총침하량 중 사용 후 발생하는 잔류침하의 허용치를 미리 결정한 후 대책공법 선정과 공사비 산정이 이루어진다. 그러나 장래 사용될 구조물의 경제성과 기능성을 고려하지 않은 허용잔류침하의 불합리한 설정은 과다한 공사비의 투입으로 인한 경제적 손실 또는 부정확한 잔류침하의 예측으로 인한 추가적인 유지보수를 초래할 수 있다.
임의의 시점을 기준으로 발생될 연약지반의 잔류침하를 결정하기 위해서는 먼저 과재하중으로 인한 전체침하량을 결정하여야 한다. 전체침하는 즉시침하, 1차압밀침하, 2차압밀침하로 이루어진다. 현재 널리 적용되고 있는 Terzaghi의 1차원 압밀이론은 성토시 지반을 완전 비배수상태로 가정하여 성토하중과 동일한 과잉간극수압이 발생하며 성토 후 시간경과에 따라 과잉간극수압 소산과정과 동시에 침하가 발생하는 것으로 간주하고 있다. 하지만 실제 현장을 살펴보면 과잉간극수압이 완전히 소산한 후에도 2차압밀이 발생하고 있으나 2차 압밀에 의한 침하량은 종종 간과되었다.
한편, Terzaghi의 1차원 압밀이론이 발표된 이후 2차 압밀에 관한 연구가 활발히 수행되고 있으나 그 평가방법은 아직 명확하게 확립되어 있지 않은 실정이며 실무에서 1차원 압밀해석은 Terzaghi의 1차원 압밀이론에 기초하여 표준압밀시험 결과를 이용한 침하시간 및 침하량의 예측으로 구성된다. 1차원 압밀해석과 그 토질정수는 먼저 정수가 얻어진 압밀시험의 거동을 충분히 설명할 필요가 있다고 생각한다. 연약지반에서의 압밀침하계산에 이용되는 역학정수와 소성지수 및 물리특성과의 상관관계에 대해서는 많은 연구가 진행되어져 왔으나, 현장에 적용하기 위한 소성지수와 압밀특성과의 실험적 연구는 아직 미비한 실정이다.
본 연구에서는 1차압밀 및 2차압밀침하를 명확히 산정할 수 있는 기법, 즉 산정식을 개발하는데 주안점을 두고 있다. 현재까지 설계단계에서는 1차압밀침하량과 2차압밀침하량을 산정하기 위해 주로 Terzaghi의 1차원 압밀이론과 Terada의 계산식을 사용하고 있지만, 이론과 실제는 다소 모순되는 측면을 가지고 있다. 따라서 연약지반 상의 구조물에 있어서 최적의 대책을 마련하기 위해서는 국내 지역별 연약점성토의 공학적 특성이 반영된 정확한 침하량 산정기법의 개발이 필요하게 된다. 이와 같은 목적을 가지고 먼저 서남해안을 중심으로 지역별 연약지반의 분포 및 공학적 특성에 관한 자료를 수집 및 분석하였다. 또한 각 지역별 연약점성토의 성분을 분석하고 이를 바탕으로 국내 연약지반에 대한 소성지수의 변화 및 압밀재하기간의 차이에 따른 압밀특성의 변화를 파악하기 위한 압밀시험을 수행하여 소성지수와 압밀계수, 2차 압축지수의 특성을 정식화하였다. 이를 바탕으로 기존의 침하량 산정식을 대체할 수 있고 2차압밀이 고려된 수정된 침하량 산정식을 제시하였다. 제시된 산정식의 예측 정확성을 검증을 위해 실측치와의 비교 및 검토를 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For an efficient national land use, construction on soft grounds is getting increased. However, settlements induced by static load like surcharge or dynamic load such as traffic load are inevitable. Therefore ground improvement is necessary prior to a construction at the step of design. In general, an appropriate ground improvement method and construction cost are evaluated after estimating an allowable residual settlement which occurs after construction. However the estimation of allowable residual settlement does not take into account the economical efficiency and functionality of a structure, in the future economical loss and additional maintenance may induce consequently.
In order to estimate a residual settlement of soft ground, total settlement due to surcharge should be first estimated. The total settlement is composed of immediate settlement, primary settlement, and secondary settlement.
In Terzaghi's one dimensional consolidation theory, the ground is assumed to be perfectly undrained condition during embankment so that the same excess pore water pressure as surcharge is generated, and the settlement to be occurred as the pore water pressure dissipates. There is, however, secondary consolidation after excess pore water pressure dissipation in reality and is ignored.
Although several researches have been carried out on secondary consolidation evaluation method, but it seems to be still unclear. In practice, consolidation time and settlement are estimated using data obtained from standard consolidation tests on the basis of Terzaghi's theory.
Many studies are focused on the relationships between mechanical and physical parameters and plastic index. For practical application unfortunately, few experimental studies have been conducted on relationship between plastic index and consolidation characteristics. Besides, because estimations of primary and secondary consolidations are based on Terzaghi's theory and Terada's method, the results seem to be far different from those obtained from field. Therefore, it is necessary to develope of a more reliable estimation method, which takes into account engineering characteristics of soft clayey soils.
The primary object of this study is to develop a new technique for estimation of primary and secondary consolidations at the design stage.
To do this, an effect of plastic index and consolidation loading duration on time-settlement relationship as well as the characteristics of settlement, coefficient of consolidation, compression index and secondary compression index and pore water pressure were investigated more simple and accurate technique of settlement evaluation. In addition, the proposed equation for compression index, coefficient of consolidation and secondary compression index was verified by numerical analyses using modified Cam-Clay and Sekiguchi models.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구목적 = 1
• 1.2 연구동향 = 3
• 1.3 연구내용 및 방법 = 5
• 2. 기본이론 = 7
• 2.1 Terzaghi의 1차원 압밀이론 = 7
• 2.2 2차 압밀 = 11
• 2.2.1 2차압밀의 정의 = 11
• 2.2.2 2차압밀침하 = 11
• 2.2.3 C/C_(c)의 개념 = 13
• 2.3 구성모델 = 15
• 2.3.1 수정 Cam-Clay 모델 = 15
• 2.3.2 탄ㆍ점소성 구성모델 = 19
• 3. 국내 연약지반의 분포 및 공학적 특성 = 28
• 3.1 지역별 연약지반 분포특성 = 28
• 3.1.1 국내 연안의 연약지반 생성기원 = 28
• 3.1.2 점토광물 = 31
• 3.2 연약점성토의 공학적 특성 = 36
• 3.2.1 물리적 특성 = 37
• 3.2.2 압밀특성 = 41
• 4. 압밀시험 = 45
• 4.1 시료준비 = 45
• 4.2 시험내용 및 방법 = 49
• 5. 압밀시험 결과분석 = 52
• 5.1 재하기간에 따른 하중-침하특성 = 52
• 5.2 2차압축지수 특성 = 64
• 5.3 압밀계수 특성 = 73
• 5.4 1차압밀 특성 = 82
• 5.4.1 간극수압 특성 = 82
• 5.4.2 Terzaghi 압밀이론과 시험결과의 비교분석 = 85
• 6. 압밀정수 산정식의 개발 및 검증 = 91
• 6.1 압밀정수 산정식의 도식화 = 91
• 6.2 실측 침하곡선과의 비교분석 = 93
• 6.2.1 불교란시료 압밀시험 자료 = 93
• 6.2.2 현장 계측자료 = 95
• 6.3 다차원 압밀의 유한요소해석 = 97
• 6.4 수치해석 결과 = 102
• 6.4.1 수치해석에 사용된 토질정수 = 102
• 6.4.2 소성지수 변화에 따른 침하특성 = 106
• 6.4.3 구성모델에 따른 시간-침하량 특성 = 108
• 7. 결론 = 111
• 참고문헌 = 114