Journal of the Korean Geotechnical Society ISSN:1229-2427(Print) 2288-646X(Online) 한국지반공학회 논문집

본 연구는 음향학적 기법을 이용하여 지반의 투수계수를 산정하는 새로운 방법을 제시하였다. 연구를 위하여 Biot의 특성 진동수(Characteristic Frequency) 와 지반의 투수계수의 연관성이 포화된 지반에서만 나타나는 것을 확인할 수 있도록 음파의 감쇠 및 전파속도 특성을 포화된 시료와 건조된 시료에 대하여 측정/비교 하였다. 본 연구에서의 시험결과는 특성 진동수는 포화된 지반에서만 나타나며, 음파의 감쇠 특성으로 부터 얻은 특성 진동수와 전파속도 특성으로 부터 얻은 특성 진동수가 서로 매우 유사한 범위를 나타내었다. 한편 음파의 전파속도로 부터 얻은 결과가 감쇠 특성으로부터 얻은 결과보다 판독성이 좀 더 좋은 것으로 나타났다. 또한 본 시험결과를 동일한 시료에 대한 정수위 투수시험결과와 비교했을때 서로가 합리적으로 상응하는 결과를 나타내었으며, 본 연구에서 사용된 음향학적 기법이 사질토 또는 실트질 사질토의 투수계수를 구할 수 있는 비파괴 시험으로 사용될 수 있는 가능성을 보여 주었다.

인공동결 공법은 지반에 영구적인 영향을 초래하지 않는 지반개량 공법으로 인공동결 공법의 효율성 및 설계기준을 결정하는 핵심인자는 물의 흐름이다. 따라서 인공동결 공법을 적용하기 위해서는 동결구근 및 벽체 형성에 물의 흐름이 미치는 영향에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 물의 흐름이 동결구근 및 벽체 형성에 미치는 영향을 극대화하기 위해 순수한 물을 활용한 실내실험과 수치해석 연구를 수행하였다. 열-수리 연계 해석모델을 새롭게 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며, 유량이 동결벽체 형성 시간 및 형상을 결정짓는 핵심인자임을 확인하였다. 나아가, 동결구근 및 벽체를 가시적으로 확인하기 어려운 지반에서 활용성이 높을 것으로 예상되는 동결벽체 형성 시간을 간접적으로 예측할 수 있는 방안을 새롭게 제시하였다.

구조물에 대한 축대칭 쉘요소는 지반과 구조물의 상호작용에 대한 유한요소해석에서 효율성과 정확성을 높이게 된다. 본 논문에서는 Kirchhoff 이론에 근거한 축대칭 쉘요소의 힘평형 방정식과 모멘트 평형 방정식을 유도하였다. 축방향 변형에 대한 지배방정식은 등매개변수 형상함수를 이용한 Galerkin 수식화를 수행하고, 휨에 대한 지배방정식은 고차의 형상함수를 이용하였다. 개발된 축대칭 쉘요소는 지반과의 연계해석을 위하여 지반해석 유한요소 프로그램인 Geo-COUS에 결합하였다. 원형판과 액체 저장 탱크에 대한 예제해석을 통하여 개발된 요소의 정확성을 확인하였다. 그리고 축대칭 쉘요소에 대한 에너지 평형방정식을 제시하였다.

현재 국내에서 하천/해상 교량 공사시 교량기초 설치를 위한 가시설로서 원형 단면의 가물막이(cofferdam)를 많이 적용하고 있다. 기존 케이슨(caisson), 시트파일(sheet pile), 셀(cell) 식 등의 가물막이 공법이 많이 활용되고 있으나 이러한 공법은 설치 및 해체시 많은 시간과 비용이 소요된다. 해상공사에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 시트파일 공법의 경우 지반 관입에 의한 시트파일 손상과 요소 부재 연결 작업의 어려움으로 내적 및 외적 안정성 확보를 위해 주의가 필요하다. 본 연구에서는 서해안 연약지반을 대상으로 원형강관의 석션관입성 설계를 수행하였고, 현장실험을 통하여 원형강관 석션관입 시공이 가능한 것을 확인하였다. 그리고 표준관입시험(N치) 결과보다 콘관입시험(CPTu)을 이용한 지반 분석 결과를 설계에 적용하는 것이 현장 실험 결과와 보다 유사한 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 또한 실트질 사질토 지반에서 상한석션압 이상의 석션압을 적용시 가물막이 내부의 국부적인 파괴(piping 현상)를 유발하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 지능형 다짐기술과 이를 활용한 토공사 품질관리 기준을 분석하고, 현장시험을 통해 대표적인 지능형 다짐값인 CMV(Compaction Meter Value)와 일점시험(평판재하시험 및 현장밀도시험) 결과를 비교 분석했다. CMV와 일점시험 결과 모두 다짐횟수가 증가할수록 커지는 경향을 나타냈다. CMV와 일점시험 결과의 상관성은 높지 않았는데, 이는 불균질한 원지반 강성, 성토재료의 포설 깊이 및 함수비가 각각 CMV와 일점시험 결과에 영향을 주었기 때문이다. 지능형 다짐과 관련한 대부분의 국외 기준에서 지능형 다짐값과 일점시험 결과의 상관관계를 바탕으로 토공사 품질을 관리를 하도록 명시하고 있다. 따라서 지능형 다짐기술을 활용해 토공사 현장의 다짐품질을 관리하기 위해서는 적절한 다짐횟수와 더불어 원지반의 상태, 성토재료의 포설 깊이 및 함수비가 종합적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.

흙막이 벽체의 해석 시 일반적으로 적용되는 2차원 해석의 경우 굴착 폭이 작으면 토압에 의한 상호간섭이 발생하며, 그 영향으로 굴착 폭이 작은 구간에서는 2차원 해석 시 흙막이 벽체의 수평변위에 대한 신뢰성 확보가 어렵다. 따라서 본 연구에서는 2차원 해석 시 토압에 의한 상호간섭 발생의 범위가 되는 굴착 폭의 경계를 확인하기 위하여 H-pile 토류벽체에 대하여 점성토, 사질토, 사질토 및 풍화암의 지층조건에서 다양한 조건의 굴착 깊이(H)와 굴착 폭(B)에 대하여 2차원 및 3차원 유한요소해석을 수행하여 각 조건에 따른 굴착 폭과 수평변위의 관계를 연구하였다. 연구결과 수평 변위가 비교적 크게 발생하는 점성토에서만 굴착 폭에 따른 해석적 경계를 뚜렷하게 구분할 수 있었고, 그 내용은 굴착규모(B/H) 2.0 이하, 굴착 깊이 10m 이하에서 굴착 폭이 12m보다 작은 경우와 굴착 깊이 10m 이상에서 굴착 폭이 24m보다 작은 경우는 실제 거동과 유사한 3차원 유한요소해석을 하는 것이 합리적이며, 굴착규모(B/H) 2.0 이상, 굴착 깊이 10m 이하에서 굴착 폭이 12m보다 큰 경우와 굴착 깊이 10m 이상에서 굴착 폭이 24m보다 큰 경우는 2차원 유한요소해석을 하여도 무방하다는 결론을 얻었다.

Back-to-Back 보강토옹벽은 좁은 구간에 양립하는 옹벽의 형식을 가지기 때문에 벽체간의 이격거리에 따라 보강재가 겹치게 되어 보강재 간의 상호작용에 의한 응력 변화와 일체화된 상태에서 전체가 거동하는 문제 등으로 설계단계에서 신중한 접근이 필요하나 현재 국내에 정형화된 설계기준이나 지침이 전무한 상태이다. 본 연구는 이러한 Back-to-Back 보강토옹벽에 대해 옹벽폭 대 높이비(옹벽폭비, W_b/H)에 따른 최적 보강길이비에 대해 고찰하였다. 옹벽폭비는 FHWA 설계기준의 Case II에 해당하는 1.1H, 1.4H, 1.7H, 2.0H, 높이는 일반적으로 가장 많이 적용되고 있는 3.0m, 5.0m, 7.0m, 10.0m를 대상으로 하였으며, 각 조건에서 수치해석을 통해 FHWA 설계기준의 적정성과 옹벽의 높이 및 옹벽폭비에 따른 최적 보강길이비를 제안하였다.

본 논문에서는 얕은 기반암 심도 및 지진 위험도가 상대적으로 낮은 지역에서 부지의 고유주기와 입력지진파의 평균주기의 영향에 따른 전단강도 보정의 필요성을 평가하였다. 이를 위해 일반적으로 널리 사용되는 Modified Kondner-Zelasko(MKZ) 모델과 함께 미소변형률뿐만 아니라 대변형률 영역에서의 응력-변형률 거동을 모사할 수 있는 General Quadratic/Hyperbolic(GQ/H) 모델을 사용하였다. 6개 부지의 다운홀 시험 자료와 평균주기가 다른 3개의 입력지진파를 사용하여 1차원 부지응답해석을 수행하였다. 그 결과, 입력지진파의 평균주기뿐만 아니라 부지의 고유주기에 따라 전단강도 보정 적용 유무에 따른 해석 결과의 차이가 발생했다. 부지의 고유주기의 영향을 파악하기 위해 유효최대지반가속도, 최대전단변형률 및 증폭계수와의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과, 부지의 고유주기가 길고 연약한 지반일수록 그 차이가 더욱 커지는 것을 확인하였다.

최근에는 블록식 방파제의 단점을 보완하고 경제적인 설계가 가능한 타이셀소파블록에 대한 관심이 증가하고 있다. 타이셀소파블록은 각 블록을 말뚝으로 결속한 구조체로 활동저항성이 매우 우수한 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 실내모형실험을 통해 말뚝의 관입으로 인한 타이셀소파블록의 수평저항력 증가를 명확하게 확인할 수 있었다. 그리고 말뚝의 수평저항력은 블록의 상재하중에 상관없이 거의 일정하게 나타났다. 말뚝이 분담하는 수평저항력은 블록과 블록사이의 마찰이 담당하는 수평저항력 증감에 따라 변화하였다. 말뚝을 두개 관입시킨 실험에서는 싱글말뚝을 사용한 경우 보다 전반적으로 수평저항력이 크게 나타났으나 말뚝의 저항 거동은 다르게 나타났다.

우리나라는 산지가 많은 지형적인 특성으로 교통의 편리를 위해 산지를 절취하여 변형시키는 공사가 매년 증가하고 있다. 특히 산지를 절치하여 변형시킬 경우 자연재해로 인한 사면 붕괴, 환경문제 등의 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하고자 판넬식 옹벽, 보강토 옹벽 등의 다양한 보강공법이 있다. 하지만 Bottom-up방식의 경우 경사굴착으로 인한 추가 토공처리가 필요하며 되메움과 다짐불량에 의한 안정성 저하 등의 문제점을 지니고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 Bottom-up방식의 문제점을 해결하기 위해 Top-down방식에 대해 현장 적용시험 및 수치해석을 통해 안정성 분석을 수행하였으며, 대표단면을 선정하여 Bottom-up방식과 Top-down방식에 대해 안정성 비교분석하였다.

압밀 그라우팅 공법은 액상화 취약 느슨한 사질토 지반의 보강에 널리 사용되고 있다. 특히 기존에 상부 구조물이 있는 지반의 경우, 압밀 그라우팅 수직 주입이 불가능하여, 수평 주입이 대안으로 제시되고 있는 상황이다. 현재 대부분 이론과 실험은 압밀 그라우팅의 수직 주입 공법을 다루고 있는 반면, 수평 압밀 그라우팅 공법에 대한 연구는 매우 부족하다. 본 연구에서는 수평 압밀 그라우팅 공법에 대한 실내 2차원 실험을 통해 상부 구조물이나 주입 심도를 대변하는 상부 응력에 따른 그라우트 구근 형상과 팽창 방향을 분석하였다. 그 결과 그라우트 구근의 단면은 응력 이방성과 느슨함의 정도에 따라 주로 타원형으로 팽창함을 발견하였다. 특히, 낮은 상부 응력과 낮은 상대 밀도의 조건에 수평축이 긴 타원형으로 수평 방향으로 발달하였고, 상부 응력과 상대 밀도가 증가함에 따라 그 형상이 원형에 가까워지고 수직 방향으로 팽창하였다. 본 연구를 통해 수평 압밀 그라우팅 공법의 구근 팽창에 대한 이해가 높아지고 나아가 보다 정확하고 효율적인 현장 시공 설계가 가능할 것으로 기대된다.

본 연구는 온도에 따른 점성토의 전단 변형의 특성의 모사에 초점을 맞춘다. 일반적으로 온도가 상승할수록 정규압밀선은 간극비와 평균유효응력의 평면에서 하향 이동한다. 하지만 한계상태선은 온도변화에 따라 정규압밀선만큼 이동하지는 않는다. 따라서, 온도가 증가할수록, 한계상태 평균유효응력과 선행압밀 평균유효응력의 차이는 감소한다. 이를 반영하기 위해, 본 연구에서는 한계상태 평균유효응력을 기준으로 두 부분으로 나뉘어진 경계면을 적용하였다. 또한 Bangkok 점성토에 대해서 경계면을 구축하고, 비배수 삼축압축시험에 대해서 요소해석을 실시하였다. 요소해석 결과, 제안된 모델은 복잡한 강성 혹은 발달 법칙 없이 실험 데이터와 유사한 점성토의 온도에 따른 역학적 거동을 잘 모사하였다.

암반내의 절리는 암반의 전체적인 역학적 거동에 중요한 역할을 한다. 암반에 대한 수치해석은 절리면의 역학적 물성, 방향성, 간격 그리고 연속성을 정교하게 모델링할수 있어야 한다. 본 논문의 내재적 절리-연속체 접근법은 절리군을 포함한 암반의 역학적 모델을 제시한다. 암반에 대한 강성 텐서는 온전한 암석과 절리군의 역학적 특성으로부터 산정하였다. 이는 온전한 암석과 절리군에 대한 연속적 강성 시스템의 컴플라이언스 텐서 합으로부터 산정할 수 있다. 암반사면의 평면파괴에 대한 수치해석은 기존의 daylight envelope과 측면한계를 적용하는 경험적인 방법과 상당히 일치함을 확인하였다. 개발된 내재적 절리-연속체 모델은 연속체 기반으로 수식화되어 기존의 절리에 대한 열-수리-화학적 실험적 결과들을 실제 수치해석에 적용할수 있을 것이다.