느슨한 포화 사질토 층에 위치한 구조물은 지진 시 액상화로 인해 막대한 인적 경제적 피해가 발생하기 때문에 액상화 발생 가능 지반으로 분류된 지역은 구조물의 설계 및 운영 시 액상화 발생 가능성에 주의를 기울어야 한다. 한반도의 경우 중진 지역에 해당되고 역사 문헌의 발생 기록을 제외한 어떤 액상화 피해도 보고되지 않음에 따라 오랫동안 액상화에 대해서는 안전지대로 여겨져 왔다. 하지만, 최근 해외 지진 사례에 의하면 국내 서해안 지역 지반과 유사한 비소성 실트질 흙에서의 액상화 발생과 이로 인한 피해 사례가 종종 보고되고 있다. 본 연구에서는 국내에서의 액상화 가능성 평가 기법 합리화의 일환으로 서해안 두 부지를 대상으로 피에조콘 관입시험(CPTu)과 표준관입시험(SPT) 결과를 이용하여 액상화가능지수(LPI)를 산정하였다. LPI는 심도 20m까지의 액상화 가능성을 통합 적분하여 액상화로 인한 지표면 피해 발생 정도를 지수로 제시한다. 먼저 대상 현장에 대해 시나리오별 액상화 발생 가능성을 평가한 후, CPTu와 SPT로부터 산정된 LPI 값을 비교하였다. 액상화 저항 강도를 의미하는 진동저항응력비(CRR) 값에 의하면, CPTu로부터 구한 보정 콘 선단저항력 (qc1N)CS가 40에서 120 사이인 경우 또는 CRR이 0.23 이하인 경우에 SPT로부터의 산정된 값보다 작게 평가되었다. 또한 CRR 차이는 세립질 함유량이 큰 흙에서 두 방법 간의 차이가 더 크게 나타났다.
포화된 연약 점성토 지반에서 침하량을 예측하는 것은 연약 지반 설계 시 매우 중요하다. 이 연구에서는 낙동강 지류 인접 지역인 김해진영 지구를 대상으로 피에조콘 관입시험을 실시한 지반조사 자료를 참고하여 침하량 산정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방법에 대하여 고찰하였다. 해당 지역의 지반을 두 가지 Robertson Chart(1986, 1990)에 따라 분류하고 대표적인 지반 침하량 산정 공식인 Terzaghi(1925) 침하량 산정 공식 및 Sanglerat(1972) 침하량 산정 공식에 의해 이론 침하량을 산정하였다. 산정된 이론 침하량을 실제로 측정한 계측 침하량과 SPSS 상관분석을 통해 비교함으로써 보정계수를 산정하였다. 연구결과 이론 침하량과 계측 침하량의 평균오차율은 각각 17.28% 및 26.96%로 나타났다. 또한 이 지역의 경우 Terzaghi(1925) 방법에 의한 이론 침하량 산정결과가 Sanglerat(1972) 방법으로 구한 이론 침하량보다 계측 침하량에 더 근접한 것으로 나타나 Terzaghi(1925) 침하량 산정 방법이 더 정밀한 것으로 나타났다. 또한 산정된 보정계수를 사용하면 이 지역의 침하량 예측의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
원추 후면에서 간극수압이 측정되는 표준 피에조콘의 경우, 일반적인 소산곡선은 간극수압이 초기값에서부터 단조적으로 감소하는 경향을 보인다. 그러나, 간극수압이 일시적으로 증가한 후에 감소하는 지연소산 거동이 과압밀비 4 이하의 약간 과압밀된 점성토 지반에서 확인되었다. 이와 같은 비정규적인 소산 거동은 주로 매우 과압밀된 지반에서 발생하는 것으로 보고되었으며, 기존의 연구도 이러한 경우로 한정되어 진행되었다. 본 연구에서는 약간 과압밀된 점성토 지반에서 발생하는 지연소산의 메커니즘을 규명하였다. 피에조콘 시험으로부터 산정된 지반의 특성과 지연소산의 상관성을 분석하였으며, 콘 관입 이후의 소산거동에 대하여 유한차분해석을 수행하였다. 연구 결과, 약간 과압밀된 점성토에서는 원추 선단에서 발생하는 큰 과잉간극수압이 원추 후면 필터로 상향 전파되어 지연소산이 유발되고, 과압밀비(OCR) 및 정수일$(u_0)$과 관련된 원추 선단과 원추 후면의 초기 과잉간극수압비$({\Delta}u_{1i}/{\Delta}u_{2i})$가 지연소산에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
피에조콘 관입시험의 장점은 연속적인 데이터의 취득이 보장되며 결국 대상지반의 신뢰성 있는 분석이 가능하다는 점이다. 따라서 지난 수십년간 국내외에서 콘 관입시험결과로부터 흙분류를 수행하는 많은 연구가 진행되었으며 차트나 도표 등의 형태로 흙분류 방법들이 제안되었다. 그러나 대부분의 차트 또는 방법들은 한국을 제외한 세계 각국의 자료들을 바탕으로 제안되어 국내 지반의 적용성에 대한 검증이 이루어져야 한다. 뿐만 아니라 기존 방법들에서는 사용된 입력자료에 따라 흙분류 결과가 상이한 경우가 있어 적용과 판단에 어려움이 있다. 그러나 불행히도 이러한 차트 형태로 제안된 기존 도표의 경우 지역성 등이 반영되어 수정 또는 보완이 필요하나 수정에 어려움이 있거나 거의 불가능하다. 이에 본 연구에서는 국내 17개 현장에서 수행된 피에조콘 관입시험결과와 채취된 시료에 대한 주상도 및 흙분류결과를 바탕으로 클러스터링 기법과 뉴로-퍼지 이론을 이용한 흙분류 모델을 제안하였다. 제안된 모델을 검증하기 위해 모델 학습 시 사용되지 않는 새로운 피에조콘 관입시험 데이터에 대한 흙분류 결과를 실제 시추결과와 비교하였다. 또한 기존의 소프트컴퓨팅 모델과 Robertson 방법에 의한 흙분류 결과와 제안된 모델의 흙분류 결과를 비교하여 제안된 모델의 효율성을 검토하였다.
낙동강 하구의 삼각주 점토에 대하여 현장계측, 실내 및 현장토질시험결과를 이용한 산정법들에 의하여 OCR이 분석되었다. 그 결과, 표준압밀시험결과에 의한 OCR이 0.4~0.7인데 반하여, 현장계측값의 분석으로 얻어진 OCR은 0.95~l.20으로 얻어졌다. 소산시험에 의하여 과잉간극수압의 존재를 거의 확인할 수 없었으므로 미압밀점토의 존재는 찾기 어려웠다. 그리고 피에조콘시험을 이용한 Mayne(1991) 및 Cao 등(1996)의 산정법과 콘관입시험을 이용한 Mayne & Kemper(1988)의 산정법에 의한 결과가 현장계측값의 분석법에 의한 결과와 잘 일치하였다.
본 연구에서는 피조콘시험결과를 활용하여 점성토의 과압밀비를 결정하는 대표적 방법들을 비교 평가하였다. 비교 대상으로, 가장 대표적 방법인 Schmertmann 법, Chen and Mayne 법(콘베이스에서 측정하는 $u_2$ 법), Lunne 등 법 및 가장 최근에 발표된 Abu-Farsakh 법을 선정하였다. 각 방법의 비교연구를 위하여 인천항 지역에서 수행된 실내 및 현장시험 결과를 활용하였다. 고려된 모든 방법은 과압밀비를 과소평가하였으며, 그 중 Lunne et al. 법이 k=0.5 경우에 있어 가장 양호를 결과를 보여주었다.
Piezocone penetration testing(CPTu) results such as cone resistance$(q_c)$, sleeve friction$(f_s)$, and pore pressure(u), have been carried out at 5 sites in Honam high-speed railway areas of Korea, in order to continuously estimate the characteristics of soil layers and the undrained shear strength$(S_u)$ in a soft ground. For the applications of the conventional CPTu results to undrained shear strength, the cone factors$(N_{kt})$ were deduced based on Field vane tests, and Monte-Carlo Simulation(MCS). Moreover the correlations of the undrained shear strength of CPTu by soil depths were compared and revised with the results of triaxial compression(UU test), field vane and Dilatometer tests(DMT). The depths of soft foundation at 5 sites in Honam high-speed railway areas were calculated based on the results of the various field tests in addition CPTu. The applicability of CPTu for a soft foundation criterion referred to the criteria of high-speed railway and related agencies in Korea was evaluated.
콘 관입시험 결과는 현장의 비배수전단강도 결정을 위하여 광범위하게 활용되고 있으며, 이를 위하여 지역별로 적절한 경험적 콘 지수($N_{kt}$, $N_{ke}$, $N_{{\Delta}u}$)의 결정이 필요하다. 본 연구에서는 창원 북면 지역 지반에 대하여 일축 압축시험 및 비압밀비배수 삼축압축시험 결과를 이용하여 콘 지수를 산정하였으며, 소성지수 및 간극수압비와의 관계를 고찰하였다. $N_{kt}$, $N_{ke}$, $N_{{\Delta}u}$은 각각 8~40, 7~37, 1~26으로 산정되었으며, 간극수압비와 비교적 큰 연관성이 있음이 고찰되었다.
본 연구에서는 현재 OCR(과압밀비) 값 결정을 위하여 실용적으로 많이 활용되고 있는 경험적 방법인 정규화 콘팁저항치과 과압밀비의 관계상수법에 대하여 분석하였다. 이를 위하여 창원 북면 및 인천 서북면 지역의 연약점 토지반에 대하여 관계상수를 산정하고 고찰하였다. 연구결과, 관계상수 값은 창원북면의 경우 0.28~0.33, 인천 서북면의 경우 0.49~0.6으로, 해외의 기존 연구결과 보다 최대 90% 크게 비안전측으로 산정되어 향후 콘팁저항치와 과압밀비의 관계상수법 사용에 주의가 필요하다 하겠다.
본 연구에서는, 시화지구 북동지역 지반에 대하여 네 가지 종류의 콘계수 값들($N_{kt}$, $N_{ke}$, $N_{{\Delta}u}$, 최근 제안된 $N_e$)과 지반의 특성치들과의 관계를 고찰하였다. 다양한 실험결과를 활용하여 계산한 비배수강도와 실제 측정된 비배수강도를 비교하였으며, 이들 값들과 소성지수와의 관계를 분석하였다. $N_{{\Delta}u}$를 활용하여 구한 비배수강도는 의외로 좋은 결과를 보여주지 못했으며, 소성지수 값이 커질수록 콘계수 값이 커지는 현상이 고찰되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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