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1. 연약지반의 정의
연약지반은 상부구조물을 지지하기 어려운 지반을 말하는것입니다. 그러한 지반은 주로 점토나 실트와 같이 미세한 입자로 구성된 흙이나 간극이 큰 유기질토 또는 Peat및 느슨한 모래 등으로 구성되어 있습니다. 또한 이러한 토층의 성질은 퇴적이 계속될수록, 지하수위가 높을수록, 상부 퇴적된 토층의 두께가 얇고 단위줄량이 작아서 작은 토피압만을 받은 경우일수록 상부구조물을 지지하기 어려운 연약지반을 형성합니다. 연약지반을 구성하는 흙은 매우 다양한데 이를 정량적으로 구분하기는 어려우나 기준이 있어야 하기에 연약지반 판정기준을 도로설계요령에서는 아래와 같이 정의합니다.
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구분 |
연약층두께(m) |
N치 |
qc(kg/cm2) |
qu(kg/cm2) |
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점성토 및 유기질토 |
D≤ 10 |
4 이하 |
8 이하 |
0.6 이하 |
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D>10 |
6 이하 |
12 이하 |
1.0 이하 |
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사질토 |
10 이하 |
여기서 qc는 연약층의 콘지수 qu는 일축압축강도를 의미합니다.
2. 연약지반에서 계측의 필요성
연약지반의 경우 계측이 필수다라고 하는데 그 이유는 연약지반에서 성토 공사를 하기전 Boring을 통해 지반의 특성을 파악합니다. 하지만 지반의 특성이라는게 조사를 통해서 대표값을 산정한다고 해도 그 특성이 모든곳에 일정하게 적용되는 즉, 일률적인것이 아니기 때문에, 시공 장소에 따라 강도 및 지반특성이 다릅니다. 즉, 조사 계획단계에서 그 특성을 정의하는데 어려움이 있는것이죠. 그렇기 때문에 시공중 그 거동을 계측을 통해 파악하고 시공법을 조정합니다. 여기서 시공법이란 성토고 및 속도등을 말합니다. 연약한 점성토 위에 성토 공사를 하는경우 일반적으로 발생하는 문제점은 "활동파괴(Sliding, 슬라이딩)" 과 압밀침하 입니다. 또한 주변 구조물 등이 있는 경우 소음과 진동 지반 변위가 문제가 될수 있습니다. 이러한 문제점은 필요에 따라 사전 검토평가되며 이를 토대로 시공합니다. 그러나 많은 사람들이 지적하고 있듯 "계산과 실제의 차이", "지반 특성의 차이", "자료를 통해 수정하는 정보의 정확도" 등에 의해 불확실성이 있을수 밖에 없습니다. 그렇기에 사전설계에서 계산된 안전율과 침하량 등은 평균치 혹은 대표값으로 간주될 수 밖에 없으며 실제 현장에서는 사전 설계와 달리 안전측 문제가 발생하거나 역으로 위험측에서 아무런 문제가 발생하지 않는 경우가 있습니다. 사전 설계에서 내포될 수 밖에 없는 이러한 불확성으로 현장 계측이 필요합니다.
3. 연약지반 현장계측의 2가지 형태
1) 계측시공 : 계측시공은 불확실성에 대해 사전 설계에서는 경제성 및 합리성을 유지하는 선에서 '안전측'에 들도록 설계하고 현장 시공에서는 사전 설계대로 시공하는 것을 전제로하는 현장계측을 말합니다.
2) 정보화 시공 : 현장 계측을 통해 직접 입수되는 정보에 따라 필요할 경우 설계 내용을 변경하여 불확실성에 대처함으로 현장 시공의 최적화를 이룰 목적으로 실시되는 현장계측을 말합니다.
4. 연약지반 계측기
1) 지중경사계 : 성토사면부 지반내 수평방향 변형량과 변형속도를 측정합니다. 성토중앙부의 최대침하량과 함께 분석해 성토사면의 안정관리를 하며 측방유동 토압에 의한 교대의 안정성을 확인합니다.
2) 층별 침하계 연약점성토의 심도별 압밀침하량 측정 및 지표면 침하량과의 비교분석합니다. 측정된 침하량을 이용해 지반의 층별 압밀정수를 추정합니다.
3) 간극수압계 : 성토하중에 의한 지반내 간극수압의 변화를 측정하고 과잉간극수압의 소산정도 및 유효응력증가량을 유추학수 있습니다. 압밀효과를 확인할수 있고 압밀 진행 및 강도증가를 확인할수 있습니다.
4) 지하수위계 : 성토에 의한 지하수위의 변화를 파악할수 있고 간극수압과 비교해 과잉간극수압의 소산정도 및 유효응력 증가량을 유추할수 있습니다.
5) 지표면 침하판 : 설치지점의 전침하량을 측정하고 성토속도를 조절 재하(성토)하중 제거시기를 결정할수 있습니다.
6) 지표면 변위 말뚝 : 성토사면부 외곽지반의 수직방향 변형량과 변형 속도를 측정합니다. 외곽지반의 융기량을 분석해 성토사면의 안정관리에 이용됩니다.
5. 연약지반 관리 - 침하관리와 안정관리
연약지반의 침하관리와 안정관리의 핵심은 지반의 움직임입니다. 지반이 아래로 변형한다는 것은 침하가 된다는것이기에 침하관리를 하는것이고 옆으로 움직이는것을 변형이라고 하며 이를 관리하는것을 안정관리라고 합니다.
1)침하관리
침하관리는 침하 및 간극수압 계측결과를 이용해 장재 최종침하량을 예상합니다. 현재의 압밀도를 추정해 성토속도를 조절하고 선행재하하중의 제거시점을 파악할수 있습니다. 침하관리를 위한 방법으로는 쌍곡선법, Hosino법, Asaoka법 등이 있습니다.
쌍곡선법은 침하의 평균속도가 쌍곡선적으로 감소한다는 가정에 근거한 것으로 초기 실측침하량으로부터 장애 임의시간에서 침하량 또는 최종침하량을 예측하는 방법으로 성토시공중 단기간 예측에 적용합니다.
Hosino법은 침하속도가 시간의 평방근에 비례한다는 기본원리에 근거한 것으로 초기 실측침하량으로부터 장애 임의시간에서의 침하량과 최종침하량을 구하는 방법입니다.
Asaoka법은 일차원 압밀방정식에 의거하여 하중이 일정할때 침하량을 나타내는것으로 장래 침하량을 예측하는 방법입니다.
2) 안정관리
안정관리는 지반의 변형량과 변형속도로부터 안정성의 검토 및 간극수압 발생 및 소산의 이상유무 파악 및 압밀진행상황을 확인하는것을 말합니다.
Matsuo -Kawamura법은 성토의 파괴사례를 조사해 성토중앙부의 침하량 S와 성토경사면의 수평변위량의 관계가 일정한 파괴준선으로 표심됨을 발견하고 시공중윽 측정치를 표시해 파괴기준선에 근접하는가 멀어지는가에 따라 안정, 불안정 여부를 판단합니다.
Tominaga - Hashmoto법은 침하량과 측방변위량을 측정 도시하여 관리하는 방법입니다. 초기단계 기준선을 표시하고 기준변위보다 크게되거나 기준선보다 하향으로 진행되는 경우 위험한 상태로 판단합니다.
Kurihara법은 성토 경사면의 수평변위 속도에 착안하여 관리하는 방법으로 측정치가 어느 한계치를 넘는 경우에 위험으로 판단합니다.
