연약지반의 문제점 및 대책 토질기술사 분야 현장조사, 설계 개념 파악.

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1 연약지반의 문제점 및 대책 토질기술사 분야 현장조사, 설계 개념 파악

2 1. 연약지반의 정의 점토나 실트와 같은 미세한 입자의 흙 간극이 큰 유기질토 이탄토
느슨한 모래 등으로 이루어진 토층으로 지하수위가 높은 지반. ➠ 제체의 구조물 안정성 저하와 침하문제 발생 낙동강 유역(김해) 광양, 아산만 등 해안에 산재해 있음

3 2. 연약지반의 판정기준 강도 판단기준; 모래는 상대밀도, 점토는 굳기(consistency)
연약지반 시험;  표준관입시험(N치),  일축압축강도(qu), 콘관입시험(qc)

4 시설물 종류에 따른 연약지반 판정기준 qu : 일축압축강도, qc : 콘관입 지지력, 종류 지반상태 판정 토질 N치
토질 N치 qu(t/㎡) qc(t/㎡) 도로 - 2이하 2.5이하 12.5이하 초연약 2-4 2.5-5 연  약 4-8 5-10 25-50 보  통 고속 이탄층 4이하 5이하 연약지반 점성토 사질토 10이하 철도 20이하 정밀조사필요 2-5 연약층이 두꺼우면 추가조사필요 5이상 50이상 연약지반 아님 건축 qu : 일축압축강도,   qc : 콘관입 지지력, 

5 3. 연약지반의 문제점 시공성 저하 지반의 활동파괴
공사용 장비의 작업성과 주행성이 확보되지 않을 경우 표층 피복처리공법에 의해 작업성과 주행성 확보 기초 지반의 전단 강도 부족에 의해 제체 파괴가 일어난다. >>>> 고결 공법에 의 연약지반 전단강도 증진

6 구조물 지지력 확보 곤난 , 기초지반의 지지력 부족에의한 변위 기초지반의 액상화에 의한 침하나 변위 발생
널말뚝에 의한 기초 터파기 시 저면의 히빙 발생 >>>> 혼합처리, 모래다짐말뚝, 등으로 보강한 예임

7 제체의 침하에 따른 도로폭 축소 도로의 계획고를 일정하게 유지하려면, 장기 침하에 의한 제체 침하랑 만큼 채워 주어야 한다.
도로의 계획고를 일정하게 유지하려면, 장기 침하에 의한 제체 침하랑 만큼 채워 주어야 한다. 배면 흙쌓기는 실제 어려움이 따르므로 초기 건설 시 제체의 폭을 넓게 하는 것이 보통임

8 장기적인 압밀침하로 도로의 공용성 저하; 연약지반 제체의 침하는 운영 개시 후에도 장기간에 걸쳐서 계속되며, 횡단구조물의 단면부족, 배수불량 등 보수를 필요로 하는 문제가 발생

9 급속한 흙쌓기 시 측방 변형이 빠르게 증가하여 활동파괴가 일어남 ⇒ 완속 시공, 압성토
급속한 흙쌓기 시 측방 변형이 빠르게 증가하여 활동파괴가 일어남 ⇒ 완속 시공, 압성토 주변 지반의 변형에 따른 문제 ; 흙쌍기 시 주변 지반 융기로 인한 주변의 논, 밭  및 인접 구조물에 피해를 줄 수 있음 ⇒ 압성토 시공 과 복구 대책공법을 수립 설계의 불확실성; 설계 시에 예측했던 지반의 거동이 실제의 거동과 일치하지 않는 경우가 많음. ⇒ 시공 시 불확실성을 축소하기 위해 계측관리를 시행하여 설계 내용 및 시공법을 조정 연약지반 처리에서 설계나 시공단계에서 불확실성이 많기때문에 고급도로 계획 시 가급적이면 연약지반을 피하는 경우가 많다.

10 4. 지반 공학적 문제점과 지반조사 시험법 문 제 점 지반정수 지반조사 시험법 점성토 지지력활동파괴 전단강도(점착력)
문 제 점 지반정수 지반조사 시험법 점성토 지지력활동파괴 전단강도(점착력) 콘, 베인, 일축압축시험, 삼축압축시험 압밀침하 압밀계수, 배수층 과잉 간극수압 간극수압 측정 압밀시험 인접 지반 변형 변형계수, 초기토압, 지하수위 공내수평재하시험 밀도측정, 삼축압축시험, 지하수위 측정 지중 작용 토압 초기토압, 주동, 수동토압 밀도측정 일축압축시험, 삼축압축시험 반복하중에   의한 침하 동적하중 압밀특성 동적 삼축압축시험 융기 피압수압, 습윤밀도,전단강도 피압대수층의 일축압축시험, 수압측정 지진시의 지반 변형 동적전단변형특성 PS검층, 동적시험, 공진주시험  (또는 삼축비틀림)변형시험 사질토 지지력 전단강도(내부 마찰각) N치, 삼축압축시험 압축 침하 변형계수 공내재하시험, N치 초기지압,  N치 파이핑 수압, 간극비, 투수계수 투수시험, 입도분석 지진시의 액상화 지하수위, 다짐비율 입도구성, 액상화저항력 지하수위측정, N치, 입도분석,  교란되지 않은 시료의 동적  시험

11 5. 연약지반상 제체의 안정성 분석 제체의 활동파괴에 대한 비탈면 안정 검토
연약층의 평균 일축압축강도 에 대한 지반의 한계지지력(qd )을 구하여 한계제체 높이   H EC   를 계산                      ϒE 는 흙의 단위체적중량(t/m3), qd 는 연약층의 두께, 토질 및 비배수 전단강도(Cu) 에 따라   다음 값을 사용하도록 한다. 두꺼운 점토질 지반 /점토 ~ 유기질토가 두껍게 퇴적된 이탄질 지반; 3.6 CU = qd 보통의 점토질 지반; CU = qd 얇은 점토질 지반 및 점토 ~ 유기질토가 끼지 않은 얇은 이탄질 지반; 7.3 CU = qd

12 6. 제체의 침하 예측 S = Si + Sc + Ss S : 총침하량,    Si : 즉시 침하량,    Sc : 압밀침하량,     Ss : 장기침하량     Sr1 : 과재하중 제거시부터 흙쌓기 후 600일  까지의 침하량       (테르자기의 일차원 압밀이론곡선으로부터 구한다 : Sr1') Sr2 : 과재하중 제거시 리바운드량 Sr3 : 시공 후 600일 이후의 장기침하량

13 도로와 배수박스 구조물 잔류침하량 적용사례 구 분 허용침하량(cm) 적 용 도 로 10
구    분 허용침하량(cm) 적                       용 도    로 10 한국도로공사, 일본도로공단, 양산물금지구, 대불공단 20 녹산1단계, 아산공장 30 광양제철소, 고베항 50 하네다공항(운영후 10년 동안) 100 하네다공항(운영후 50년 동안) 배수박스 한국도로공사, 일본도로공단, 하네다공항, 녹산1단계

14 하중의 재하 즉시 일어나는 침하 점토에서는 거의 없으므로 무시 rtE ; 흙쌓기 재료 단위 체적중량 HE ; 흙쌓기 높이
즉시침하(Si) 하중의 재하 즉시 일어나는 침하 점토에서는 거의 없으므로 무시 A ; 지반의 즉시 침하 정수 rtE ; 흙쌓기 재료 단위 체적중량 HE ; 흙쌓기 높이

15 압밀 침하량 간극수압의 소산으로 발생하는 침하량 Terzaghi의 1차원 압밀이론을 근거로 한 3가지 추정 방법 구 분
e-log P법 체적압축계수 (mv)법 압축지수 (Cc)법 계산식 Sc=mv • Δσ •H 설 계 정 수 Sc : 압밀침하량 H : 연약지반 두께(m) mv : 체적 변화계수 eo : 초기 간극비 △σ : 효응력증가량(kg/㎠) Cc : 압축지수 e : 시간경과별 간극비 σo : 원위치 유효응력(kg/㎠) σo 는 연약층 중심부에서의 유효응력임

16 장기 침하량 (Ss) - 이론적으로 흙의 성질이 비압축성이라면 과잉간극수압이 완전히 소산되면 침하는 끝났다고 볼 수 있다. - 그러나 실제로는 1차 압밀이 끝났어도 시간이 지남에 따라 점 토입자의 크리이프 현상에 의해서 침하는 계속 일어난다. 장 기 침하를 확실히 적게 할 수 있는 경제적인 공법은 없음 s : 최종침하량(cm) α : 실측 침하 곡선으로부터 구해 지는 정수(무차원) β : 실측 침하 곡선으로부터 구해지는 정수(무차원) t0 : S-log t 곡선에서 침하량이 직선이 시작 되는 시간(일반적으로 600일)

17 공사중 침하량 추정 연약지반공법 설계 시 적용한 대표적인 지반정수들은 실측 침하량과 일치하지 않는 경우가 많음
따라서 압밀이론에 관계없이 실측 침하곡선에 적합한 곡선식을 도출하여 앞으로의 침하를 추정 Y축은 단위 침하량에 소요되는 시간 최종침하량은 t=∞로 보면 ➨ S =SO + 1/b So : 성토 직후 초기 침하량(m) t : 성토 후 경과시간(day) S : 성토 후 t 시간 후의 침하량 a, b : 실측 침하 곡선으로부터 구한 정수(무차원)

18 7 연약지반 개량공법 연약지반 개량공법의 목표 (1) 지반의 파괴에 대한 저항성 제고를 위해 흙의 전단 강도 증대
(1)  지반의 파괴에 대한 저항성 제고를 위해 흙의 전단 강도 증대 (2)  흙의 체적변화와 형상변화를 줄이기 위해  압축성을 저하시키고 전단 변형계수를 증대 (3) 토층수 이동으로 인한 유효응력의 변화를 방지하기 위해 지수성 개선 (4) 느슨한 사질토의 지반에서는 지진이나 지반의 동적거동에 의해 서 간극수압이  상승하여  유효응력 감소에 의한 액상화 현상이 일 어날 수 있으므로 과잉간극 수압의 신속한 소산

19 연약지반개량공법 분류 개량 목적 대상지반 효과 시공시 지반의 교란 비고 침하 안정 개량원리 공 법 침 하 촉 진 저 감 전 단
변 형 강 도 증 가 활 동 항 액 상 화 방 지 사 질 토 세 립 유 기 즉 효 성 치환 굴착치환 ◎ ○ 소 강제치환 배수 연직배수 중 웰 포인트 진공압밀 압밀 샌드 컴팩션 △ 대 바이브로 플로테이션 고결 심층혼합처리 천층혼합처리 약액주입

20 대책공법의 조합 ① 재하중 (프리로딩) + 연직배수 (샌드드레인, 팩드레인, 페 이퍼드레인) ② 재하중 +압성토
③ 연직배수 +모래다짐말뚝 ④ 샌드매트+재하중 (프리로딩) + 연직배수 (샌드드레 인,  페이퍼드레인) ⑤ 샌드매트+토목섬유(Geotextile)+재하중 (프리로딩) + 연 직배수 (샌드드레인, 페이퍼드레인) ⑥ 샌드매트+토목섬유+재하중 +압성토 ⑦ 샌드매트+토목섬유+모래다짐말뚝

21 연직배수공 연직배수공법은 연약층 사이에 주상의 투수층을 땅속에 배치하여 연약한 점성토의 배수거리를 짧게 하여 압밀침 하를 촉진
연직배수공법은 연약층 사이에 주상의 투수층을  땅속에 배치하여 연약한 점성토의 배수거리를 짧게 하여 압밀침 하를 촉진 샌드 드레인; 직경 10 ~ 60cm 정도의 원형단면 페이퍼 드레인(paper drain); 두께 3mm, 폭 10cm 정도의 장방형 단면 팩 드레인(pack drain); 화학섬유로 된 직경 12cm의 자루 에 모래를 채워 타입

22 Terzaghi의 압밀이론에 따른 점토층의 압밀에 요하는 시간과 배수거리와의 관계
(무처리시) ◀ ▶ (처리 시) 위 식은 배수거리를 짧게 하면 점토층의 압밀침하를 단시간에 종료할 수 있음을 의미 t : 압밀시간(sec) CV : 압밀계수(cm2/sec) Th : 시간계수(무차원) H : 점토층의 배수두께(m) D : 샌드드레인의 최대 배수거리 - 연직배수공법은 배수재를 삼각형 또는 정방형으로 배치하여 타설 - 배수재 중심간격을 d라 하면, 삼각형 배치인 경우 D=1.05d, 사각형 배치일 경우D=1.13d

23 (압밀 시간 추정 방식) ① Barron Barron(1948)은 Terza- ghi의 1차원 압밀이론에 기초를 두고 점토의 투수계수 및 체적압축계수가 압밀중에 변화하지 않는다는 조건하에서 중공원주 방사형 압밀이론을 제안하고 배수재가 설치된 지반의 거동을 자유변형율(연성재하) 조건과 등변형율(강성재하) 조건으로 가정하여 침하양상과 압밀과정을 검토하였다. 실제조건에서 상단면의 형태가 자유변형 인지 등변형인지는 중공원주의 압축에 의한 단부조건에 의존하지만 유효원의 반경에 비해서 드레인의 길이가 상당히 긴 경우에는 등변위 조건으로 가정하더라도 큰 오차는 없는 것으로 알려져 있다.  등변형율 조건에서 Barron의 압밀방정식은 다음과 같다. 여기서, u : 임의의 위치와 시간의 과잉간극수압(%),    t : 전 연직응력의 증가 이후의 시간(sec)          z : 깊이방향의 심도(cm)                        r : 동심원상의 중심으로부터 고려하고자 하는 지점의 거리(cm)    Cv연직방향 압밀계수(cm2/sec)     Ch수평방향 압밀계수(cm2/sec) 위 식은 간극수가 연직방향 및 수평방향으로 흐를 경우의 압밀방정식이다. 그러나, 일반적으로 연직배수재는 점토층의 두께에 비해 상당히 작은 간격으로 타설되기 때문에 연직방향의 흐름은 무시하고 수평방향의 흐름만을 고려하여 압밀해석을 한다.          여기서 n : 간격항비(=de/dw), Ch : 수평방향 압밀계수(c㎡/sec) t : 압밀도를 구하고자 하는 임의의 시간(sec), dW : 연직배수재의 환산직경(cm), de : 등가유효원의 직경(cm) Uh : 평균압밀도(%) 그러나 상기의 Baron의 식은 교란영역(smear zone)과 배수저항(well resistance) 효과를 고려하지 않으므로 압밀도를 과대평가하는 경향이 있다. , 

24 여기서, ds : 드레인 주변의 교란영역의 직경(cm), kh : 원지반의 수평방향 투수계수(cm/sec)
② Hansbo Hansbo(1981)는 연직배수재의 설치시 지반이 교란영향(smear effect) 및 배수재의 배수저항을 고려하여 임의의 깊이에서 압밀도를 계산하는 방법을 다음과 같이 제안하였음 여기서, ,  F(n) : 드레인 간격의 영향,  Fs : 교란의 영향(smear effect)    Fr : 배수저항(well resistence)의 영향 배수재의 타설시 발생하는 지반교란의 영향으로 인한 투수계수의 감소효과는 투수계수 감소율 (kh/kS)을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.        여기서, ds : 드레인 주변의 교란영역의 직경(cm),       kh : 원지반의 수평방향 투수계수(cm/sec)         ks : 교란영역의 수평방향 투수계수(cm/sec)      ds/dw : 교란영역의 반경비 일반적으로 연직배수재는 타설심도가 깊은 경우에는 통수능력에 제한이 있으므로 배수재의 배수저항(well resistance)을 고려하기 위한 계수 Fr은 다음과 같다.   여기서, z : 배수재의 배수거리(cm)    L : 배수재의 길이(cm)     kh : 원지반의 수평방향 투수계수(cm/sec) qw: 배수재의 통수 능력(cm3/sec) ③ Yoshikuni 배수저항의 영향이 무시할 정도로 작은 경우, 즉 드레인의 통수능력이 큰 경우는 Hansbo의 방법은 전체 평균압밀도를 고려한 해를 구하기가 복잡하기 때문에 잘 이용되지 않으며 이러한 경우에 대해 Yoshikuni(1979)는 배수저항을 고려하여 다음과 같이 압밀도를 제안하였다.

25 n : de/dw(간격비) , t : 압밀도를 구하고자 하는 임의의 시간(sec)
여기서, ,    n : de/dw(간격비) ,    t : 압밀도를 구하고자 하는 임의의 시간(sec)         dw : 연직배수재의 직경(cm)     de : 등가유효원의 직경(cm)     H : 배수재의 타설심도(cm)     kw : 드레인의 투수계수(cm/sec) ④ Onoue Onoue(1988)는 Youshikuni가 제안한 배수저항계수(L)을 사용하여 투수성에 관계없이 교란영역과 배수저항의 효과를 고려 할 수 있는 식을  다음과 같이 제안하였다.       여기서,    ,       ⑤ 압밀시간 연직배수재에 의한 지반개량의 목적은 주어진 기간내에 소요의 압밀도를 달성하기 위한 것으로 배수재의 배치간격을 조정함으로서 가능하다. 또한, 지반 교란 및 배수저항의 영향을 고려하여 연직배수재로 지반을 개량할 경우, 소요 압밀도를 얻기 위한 압밀소요시간은 다음과 같이 구할 수 있다. 실제로 연직방향의 배수효과를 고려한 평균압밀도는 Carrillo에 의하면 다음과 같다.   여기서,  U  : 수평방향의 압밀도      Uv : 수평방향의 압밀도     Uv : 연직방향의 압밀도

26 샌드매트깔기공 연약지반의 압밀로 인해 배출되는 물의 원활한 배수를 위한 상부 배수층의 역할과 시공장비의 주행성 (trafficability)을 확보하기 위한 지지층 역할 여과기능

27 (샌드매트의 두께 산정) 장비 주행성에 대한 샌드매트 두께 산정
대상지반이 연약 점토지반인 경우에는 비배수 전단강도가 장비의 주행성을 결정하는 주요인자가 된다. 따라서 대상 연약지반의 비배수 전단강도가 주어지면 이를 사용하여 설계시 지반의 허용지지력값을 산정할 수 있고, 이로부터 장비의 주행성을 고려한 샌드매트의 두께를 결정할 수 있다. 참고로 연약지반의 평균 콘 지지력을 바탕으로 가정된 샌드매트의 표준두께는 다음과 같다. 표층의 콘지지력 (kg/㎠) 샌드매트의 두께 (cm) 2.0 이상 50 2.0 ～ 1.0 50 ～ 80 1.0 ～ 0.75 80 ～ 100 0.75 ～ 0.5 100 ～ 120 0.5 이하 120 (2) 배수기능에 대한 샌드매트의 두께 산정 연약지반 상부에 부설되는 샌드매트는 연약지반이 압밀침하를 하면서 배출되는 간극수에 대한 수평배수로 역할을 수행할 수 있어야 한다. 따라서 연약층이 두꺼운 경우, 흙쌓기 폭이 넓은 경우, 압밀로 인한 물의 배출이 많은 경우 등에는 배수로의 역할을 적절히 수행하기 위하여 충분한 샌드매트 두께가 요구된다. 샌드매트층에 의해 유발되는 총 침하량이 연약지반의 압밀침하량이라고 가정하면 단위길이당 총 압밀배수량은 다음과 같다. 여기서, Q : 압밀배수량(m3/s) L : 샌드매트의 배수거리(m) S : 단위시간당 배출되는 수량(m3/sec/m) k : 샌드매트 투수계수 h : 샌드매트두께(m) :Δhw; 배수거리에 따른 샌드매트 소요  수심(m)

28 토목섬유 매트 깔기공 - 지반보강을 위한 합성섬유로 소재는 폴리프로필렌(polypropylen)과 폴리에스터 (polyester)가 있음 - 기능;  여과, 배수, 분리, 보강 - 최근에는 격자형의 지오그리드나 셀 형태의 폴리머 합성재로 대체되고 있는 추세임 구 분 목  적 폴리프로필렌 매트 ․기존 연약지반과 모래층의 혼합을 차단하여 모래매트의 기능 유지 ․장비의 초기 진입시 필요한 운행성의 증진 ․지반의 지지력 향상 ․여과층으로서 배수효과 증진 폴리에스터 매트 ․연약지반 흙쌓기시 지지력 증대 및 비탈면 안정 ․연약지반 흙쌓기시 장비 주행성 확보 ․흙쌓기의  기층 안정

29 압성토 공법 - 압성토공법은 기존의 제체 외측에 하중으로 작용하는 작은 제체를 축조하여 기초지반의 활동파괴에 대해  저항하는 하중을 증가시켜 활동 파괴를 방지 - 압성토 부분은 공사용 도로, 부체도로, 환경시설대 등으로 활용될 수 있는 이점이 있음                                                                                                                                                                       압성토의 높이 H는 일반적으로 다음 식으로 구한 값을 표준으로 설계한다.                       여기서,  H    : 압성토 높이   HEC     : 한계 제체 높이     Fs    : 안전율(보통 3.0)

30 8.장기침하 대책 (1) 잔류침하량이 큰 구간의 여유폭의 확보(시공완료 후 5년 간의 침하량)
(2) 공사중 침하를 고려해서 일반 제체부의 더돋기 ▶▶포장 계획고에 맞춤 (3) 잔류침하량이 클 것으로 예상되는 구간에서는 잠정포장을 검토(부등침하) (4) 암거의 여유단면의 확보 (5) 말뚝기초를 가지는 기초저면의 공동화 대책▶▶발포콘크리트 충전(이를 위 한 파이프 사전 설치) (6) 연약지반상에 설치되는 측구나 배수관은 침하가 진행한 후에도 기능을 유지 하거나 보수가 용이한 구조로 한다. (7) 부등침하 및 장기 침하 시 높이 조정 가능한 방호책 설치 (8) 상,하수도, 통신관로, 전력관 공공 서비스 시설은 교대 접속부 등 커다란 단 차가 발생하기 쉬운 장소에서 매설은 피함. 부득이한 경우 매설 시 세심한 주 의가 필요

31 ~끝~