遠心模型試驗에 의한 浚渫 埋立地盤의 擧動 硏究 = (A)study of behavior on dredged fill using geotechnical centrifuge

국문 초록 (Abstract)

오늘날 지반공학분야에서 현장의 지반거동을 예측하기 위한 방법으로 실내모형실험이나 실제 크기의 현장실험을 수행하고 있다. 원형실험의 경우 규모에 따라 시간이나 비용 등의 측면에서 많은 제약과 어려움이 따르지만, 실내모형실험은 원형실험에 비해 매개변수에 따라 다양한 실험을 실시할 수 있다는 장점이 있다.
그렇지만 실험모델을 1G의 중력장에서 제작하여 사용하는 경우는 자중응력이 실제 구조물보다 상대적으로 작기 때문에 실제 구조물의 변형이나 파괴활동을 정확히 표현하는 것이 쉽지 않다.
축소모형을 가지고 실제의 응력상태를 재현하고 변형 및 파괴거동을 파악하는 방법으로는 원심모형실험이 이용되고 있다. 그리고 원심모형실험에서는 실물에 대한 1/n 축소모형을 중력가속도의 n배에 해당하는 원심가속도장에서 실물과 같은 응력상태를 재현하는 실험방법으로서 축소모형을 통해 실제 구조물에서 발생되는 거동을 얻을 수 있다.
일반적으로 흙의 공학적 거동은 구속응력의 크기에 따라 결정되며, 대부분의 지반공학적 문제는 흙의 자중에 의한 응력상태에 의해 지배되므로 모형실험에서 모형구조물과 원형구조물에 대한 공학적 거동간의 상사성을 유지해야 현장의 응력상태를 비교적 정확히 예측할 수 있다.
한편, 준설매립지반의 자중압밀에 관한 실험적 연구는 대부분 실내의 대형토조나 Column 시험과 같은 축소된 모형을 사용하고 있다. 이러한 원형실험은 현장의 원형구조물을 사용하는 경우에는 지반의 거동특성을 정확히 파악할 수 있다는 장점이 있는 반면에 지반의 물성 및 경계조건 등을 변화시키면서 거동에 대한 영향을 조사하기에는 많은 제약이 따른다.
그래서 본 연구에서는 축소된 모형을 사용함으로서 경제적으로 현장 원형구조물의 지반공학적 거동을 재현하기 위하여 인위적으로 원심력을 가하여 현장의 응력상태를 재현시킬 수 있는 원심모형실험기법을 실시하여 준설지반의 압밀거동을 예측하고 분석하는데 이용하였다.
본 연구에서는 모델 법칙이 무차원해석이나 차분방정식을 통하여 어떻게 유추되었는지를 설명하고 실험적 고찰을 통하여 입자의 “size effect”나“time effect”를 규명하고 합리적으로 상사성을 입증하였고 이를 바탕으로 장기간에 걸쳐 방치된 준설지반의 압밀거동과 응력변화를 원심모형시험을 이용하여 단시간 내에 준설지반의 압밀거동을 파악하고 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 원심모형실험을 실시함에 있어서 첫째로 현상의 메카니즘 해명하고 둘째로 상사법칙의 검증하며 셋째로 시공과정의 재현 그리고 마지막으로 특정 실물의 정략적 거동 파악하여 실지반의 불확실한 성질이나 모형과 실물의 상사성을 충분히 인식하고 실시하여 다양한 각도에서 관찰한 실험을 통하여 그 거동을 예측하거나 파악하고자 한다.
우리나라 광양지역의 고함수비 준설지반의 거동에 대한 강도특성과 압밀특성 및 프로그램 해석에 의한 원심모형실험장치의 정용성을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 고함수비 상태의 지반의 초기강도를 구하기 위하여 얇은 판에 의한 방법이나 슬러리 베인 시험장치를 개발하여 함수비와 간극비에 대하여 슬러리지반의 전단강도의 특성을 구하여 회귀분석결과 간극비에 대한 전단강도의 함수식, 을 유추할 수 있었다. 그리고 초기함수비 1,000%에 대하여 실시된 Column 시험결과는 초기높이가 높을수록 침강퇴적에 의한 급속한 변형률로 인해 침하량이 크다는 것을 확인할 수 있었으며 초기투기높이가 높을수록 침강속도가 감소함을 보여주었다.
원심모형실험 결과로부터 압밀침하량에 대한 지반의 변형률은 동일한 조건에 대하여 초기함수비가 높을수록 압축률이 큰 것으로 나타났으며 실험종료후 지반의 평균 간극비는 비슷하지만 심도별 간극비의 분포는 상·하부간에 큰 차이를 보이고 있었다.
또한, 자중압밀단계의 간극비-유효응력-투수계수의 관계를 유추하기 위하여 저응력 침투압밀 시험을 실시한 결과를 Curve fitting 결과 누승함수 형태의 구성관계를 얻을 수 있었다.
구성관계식을 이용하여 대표단면을 프로그램으로 수치해석 한 결과 최종침햐랑은 원심모형 시험기에 의한 자중압밀 실험결과와 유사한 경향의 결과를 보이고 있었으나 원심모형실험 결과보다 다소 작게 산정되었다.
이것은 간극수압의 범위가 큰 지반에서 저응력 압밀시험에 의한 유효응력-간극비-투수계수 사이의 관계식에 대한 산정값의 차이에 기인한 것으로 사료된다. 프로그램 해석에 의한 압밀침하량의 결과를 보면 원심모형실험에 의한 침하량보다 다소 작은 결과를 보이고 있다. 보다 정밀한 결과를 얻기 위해서는 간극비-유효응력, 간극비-투수계수 관계에 대하여 시행착오에 의한 회귀분포식을 산정하여 적용해야 할 것으로 판단된다.

주요어 : 원심모형시험기, 입경효과, 원심력, 중력장, 상사성, 원형

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 5
• 1.3 연구내용 및 방법 11
• 제 2장 이론적 배경 13
• 2.1 모델링 이론 14
• 2.2 모형의 모델링 17
• 2.3 응력상태의 재현 19
• 2.4 힘의 평형관계 24
• 2.5 상사법칙 25
• 2.6 원심모형실험의 제한성 46
• 제 3장 실험적 연구 50
• 3.1 토성시험 50
• 3.2 염분비 측정 50
• 3.3 전단강도 측정 51
• 3.4 Column 시험 61
• 3.5 원심모형실험 65
• 제 4장 실험결과 분석 79
• 4.1 토성시험 79
• 4.2 전단강도시험 80
• 4.3 Column 시험 및 분석 86
• 4.4 원심모형실험 93
• 4.5 결과 비교분석 107
• 제 5장 수치해석 결과분석 109
• 5.1 수치해석 기법 109
• 5.2 수치해석 결과분석 122
• 제 6장 결 론 126
• 참 고 문 헌 128
• Abstract 135