현장계측 및 실내시험 결과를 이용한 연약지반 측방유동 판정 사례 연구 = A case study for lateral flow determination in soft ground using field measurements and laboratory test results

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The use of soft grounds to develop new lands is increasing due to the expansion of social overhead capital(SOC) and the increasing demand for public facilities. When constructing embankment or structures on soft grounds, stability issues frequently occur due to lateral flow of the structure, slope failure, etc., caused by excessive settlement. The Current lateral flow evaluation methods are mainly used during the design stage to assess the possibility of lateral flow. However, studies on evaluating the possibility of lateral flow during actual constructions on site are lacking.
In this study, out of the proposed lateral flow evaluation methodsused to determine the root causes of slope and road embankment failuresand lateral flow of bridge structures on soft grounds, the methods proposed by Tschebotarioff(1973) and Tavenas et al.(1979) were used to determine their practical applicability in the construction field. To this end, additional soil samples were collected and tested to analyze the engineering characteristics of the ground, and the same consolidation analysis during the design stage was then conducted to analyze the correlation between settlement and horizontal displacement. In addition, the laboratory test results and field measurements were compared to confirm if the consolidation settlement and shear strength of the ground increase after embankment construction, which were evaluated during the design stage. The results were compared to determine whether they were consistent with those obtained on site. Based on the results, the relationships between the overburden pressure and undrained shear strength of soft ground, and between the measured settlement and horizontal displacement according to the change in embankment height were investigated to evaluate lateral flow. In addition, to investigate the effect of unit weight of embankment material on lateral flow, the methods proposed by Tschebotarioff(1973) and Tavenas et al.(1979) were used to assess their practical applicability and consistency with real-world practice.
When the consolidation exceeded 90%, lateral flow was determined using the method proposed by Tschebotarioff(1973), which was based on the relationship between the overburden pressure change and undrained shear strength according to the embankment height. Based on the results, the original ground before the embankment appeared to be stable, as indicated by the value below the reference line of Py=3.0Cu. However, as the overburden load increased, the overburden pressure in the entire section was 3.14∼5.14 times the undrained shear strength. Hence, it can be said that the ground experienced shear deformation and lateral flow. By evaluating the lateral flow using the method proposed by Tavenas et al.(1979), which was based on the relationship between the actual settlement and horizontal displacement on site, the location with the least horizontal displacement showed stable ground status, as indicated by the value below the lower limit of the proposed empirical formula.
The values for two of the three areas with large horizontal displacement were distributed between the lower and the upper limits, indicating that shear deformation began to ocCur. The value for the location with the largest horizontal displacement exceeded the upper limit, and the ground is said to experience lateral flow due to shear failure. By analyzing the effect of the change in embankment material on the lateral flow by varying the unit weight in four stages, the overburden pressure was found to exceed the shear strength as the unit weight increased, resulting in shear failure of the ground because the overburden pressure was more than 5.14 times the undrained shear strength.
The above results show that the lateral flow evaluation methods proposed by Tschebotarioff(1973) and Tavenas et al.(1979) are in good agreement with those of field case studies. There fore, construction management can be fulfilled economically and safely by preventing lateral flow if the possibility of lateral flow can be determined by performing field measurements prior to constructing embankment or structures on soft grounds.

국문 초록 (Abstract)

사회간접자본의 확충과 공공 시설물 등에 대한 수요 증가 요구로 부족한 토지 확보를 위해 연약지반의 활용이 증대되고 있다. 이들 연약지반에 각종 구조물을 시공할 때 지반의 과다한 침하에 의한 구조물의 측방유동, 사면 활동 파괴 등으로 구조물의 안정성에 관련된 문제가 빈번히 발생하고 있다. 지금까지의 측방유동에 대한 평가방법들은 주로 연약지반 설계 시에 측방유동에 대한 가능성을 평가할 수 있는 방법들이 연구 제시 되어 실제로 현장시공 중 측방유동 발생 가능성에 대한 평가방법에 관한 연구는 부족한 실정이다.
본 논문에서는 연약지반 위에 도로 성토 시공 중 사면 활동과 교대 구조물의 측방유동이 발생한 현장의 실사례를 근거로, 발 생 원인 등을 규명하기 위해 지금까지 연구 제안 되어진 방법 중 Tschebotarioff(1973) 및 Tavenas et al. (1979)가 제안한 측방유동 판정방법을 이용하여 판정함과 동시에 이들 판정방법의 실무적용성에 대해서도 평가를 시행하였다. 이를 위해 대상 지역의 지반에 대해 추가로 자연 시료를 채취하여 지반의 공학적 특성을 분석한 후에 지반이 디자인된 압밀해석을 시행하여 침하와 수평 변위와의 상관성을 분석하였다. 또한, 연약지반 설계 시 예측된 압밀침하랑과 성토 후 증가한 지반의 전단강도 등이 실제로 현장과 일치하는가를 확인하기 위하여 실내시험 결과치와 현장 계측결과 등을 비교하여 차이점을 확인하였다. 상기와 같은 결과를 근거로 측방유동을 평가하기 위해, 성토 높이 변화에 따른 상재 압력과 연약지반의 비배수전단강도와의 관계 및 계측 침하량과 수평 변위와의 관계, 성토재료의 단위중량 변화가 측방유동에 미치는 영향을 확인하기 위한 성토재료의 단위중량 변화와 비배수전단강도 관계를 Tschebotarioff(1973) 및 Tavenas et al.(1979) 연구자로부터 제안된 측방유동 판정법으로 판정하여 현장사례와 일치성을 확인하고 실무적용 가능성에 대해서 평가하였다.
연약지반의 압밀도가 90% 이상일 때 단계별 성토 높이에 따른 상재압력 변화와 비배수전단강도의 관계로부터 Tschebotarioff(1973)가 제안한 판정법을 이용 측방유동을 판정하였다. 그 결과는 성토 전의 원지반 상태는 Py=3.0기준선 이하에 위치하여 안정된 상태를 보였으나, 상부 성토 하중이 증가할수록 전 구간에서 상재 압력이 비배수전단강도의 3.14배를 초과하여 5.14배 아래 범위에 있어 지반은 전단변형과 측방유동이 발생한 것으로 평가 되었다. 현장실측 계측 침하량과 수평 변위의 관계로부터 Tavenas et al.(1979)가 제안한 방법으로 측방유동을 판정한 결과 실제로 현장에서 수평 이동이 가장 적었던 1개소는 제안 경험식의 하한계선 아래에 위치하여 안정된 지반상태를 보였다. 수평 이동이 큰 것으로 확인된 3개소 중 2개소 구간은 하한계선과 상한계선 사이에 분포되어 지반은 전단변형 발생이 시작되었고, 현장에서 수평 이동이 가장 컸던 1개소 구간은 상한계선 밖에 위치하여 지반은 전단파괴에 의한 측방유동이 발생한 것으로 분석되었다. 그리고 성토재료의 변화가 측방유동에 미치는 영향을 확인하기 위해 성토재료의 단위중량을 4단계로 변화시켜 측방유동에 미치는 영향을 판정한 결과, 성토재료의 단위중량이 증가할수록 지반의 전단강도 증가속도보다 상재 압력의 증가로 이어져 비배수전단강도의 5.14배를 초과하여 지반은 전단 파괴되는 결과를 얻을 수 있었다.
이상과 같은 결과는 Tschebotarioff(1973) 및 Tavenas et al.(1979)가 제안한 측방유동 판정방법은 이번 현장사례 연구와 같이 잘 일치하고 있어 연약한 지반 위에서 성토하거나 구조물을 설치하는 경우 현장 실무에서 계측결과 등을 이용하여 측방유동 가능성을 사전에 간편하게 판정하는 방법으로 활용한다면 측방유동을 방지함으로써 경제적이고 안전한 구조물 시공관리가 될 수 있다고 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구배경 및 목적 1
• 제2절 연구 동향 3
• 제3절 연구내용 및 범위 7
• 제2장 이론적 배경 8
• 제1절 측방유동의 개요 8
• 제2절 측방유동 메카니즘 8
• 1. 연약지반 위에 성토 시 8
• 2. 교대 뒤채움 9
• 3. 연약지반 위에 도로 성토 10
• 4. 측방유동 패턴 11
• 제3절 측방유동에 영향을 미치는 요소 14
• 1. 연약지반 규모 14
• 2. 성토체 규모 14
• 3. 연약지반의 비배수전단강도 16
• 4. 연약지반의 안전율 17
• 5. 연약지반의 지반계수 19
• 6. 연약지반의 안정수 20
• 7. 성토속도 21
• 제4절 측방유동에 의한 지반의 거동 특성 23
• 1. 측방유동의 변형 거동 23
• 2. 측방 유동에 의한 지중 변형률 25
• 3. 지반의 침하 토량과 측방유동 토량 26
• 4. 측방유동이 발생되는 한계하중 29
• 제5절 측방유동 판정방법 33
• 1. 사면활동에 대한 판정방법 33
• 2. 교대 측방유동 판정방법 37
• 3. 연약지반의 비배수전단강도 이용 방법 47
• 4. 계측에 의한 방법 49
• 제3장 측방유동 현장 사례 50
• 제1절 현장의 개요 50
• 제2절 지반의 특성 51
• 1. 지층의 구성 51
• 2. 연약지반 분포 52
• 3. 지반의 물리적 특성 52
• 4. 지반의 역학적 특성 53
• 제3절 현장시공 및 계측관리 현황 54
• 1. 현장시공 현황 54
• 2. 현장 계측관리 현황 58
• 제4장 측방유동 원인분석 및 고찰 60
• 제1절 원인분석 및 고찰 60
• 1. 지반의 전단강도 분석 60
• 2. 현장 계측결과 분석 66
• 3. 압밀침하량 분석 68
• 4. 이론침하량 및 계측 침하량, 수평 변위량 분석 79
• 제5장 분석결과 및 판정법 실무 적용성 고찰 80
• 제1절 계측결과 등을 이용한 측방유동 판정 및 실무 적용성 분석 80
• 1. 개요 80
• 2. 상재압력과 비배수전단강도 관계분석 결과 80
• 3. 계측 침하량과 수평 변위 관계분석 결과 82
• 4. 성토재료 단위중량과 측방유동의 관계분석 결과 84
• 제6장 결 론 86
• 참고문헌 88
• Abstract 91
• 감사의 글 94