(Shemelyn Sespene)
1†
(Yun Wook Choo)
추연욱2
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공주대학교 건설환경공학과 박사과정
(Kongju National University)
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공주대학교 건설환경공학부 부교수
(Kongju National University)
Key words (Korean)
소형콘 관입시험기, 소형T-bar 관입시험기, 비배수전단강도, 점토, 카올린, 경험상관계수
Key words
Miniature cone penetrometer, Miniature T-bar penetrometer, Undrained shear strength, Clay, Kaolin, Empirical factor
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1. 서 론
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2. 실험장비 및 방법
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2.1 관입장비
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2.2 모형점토지반
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3. 관입시험 절차
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4. 결과 및 토의
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4.1 관입속도
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4.2 경계효과
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5. 결론 및 요약
1. 서 론
점토의 비배수전단강도(su)는 점토지반 위 건설된 구조물의 지반공학설계 및 안정성평가를 위한 주요 설계정수로 직접전단시험, 베인시험, 관입시험 등 다양한 실내 및 현장시험에
의해 결정된다(Ajmera et al., 2012; Wei et al., 2010). 그 중에서도 콘 관입시험(Cone penetration test;
CPT)과 T-bar 관입시험은 수행의 편의성 및 신속성으로 널리 활용되는 현장시험이다. 또한 CPT와 T-bar시험은 실내실험 및 다른 현장시험들과
병용되어 신뢰성 있는 비배수전단강도를 측정한다(Sheng et al., 2012; Titi et al., 2000). 이러한 두 관입시험은 경험상관계수(Nk)를 이용하여 측정값인 관입저항력(qc)으로부터 비배수전단강도를 추정하고, Eq. (1)과 같다(Remai, 2013).
(1)
여기서, 는 수직응력이다. Table 1은 기존문헌에 제시된 Nk값을 나타낸다. 콘 관입시험기의 경우, 기계식 콘 관입장비를 제외하면, Nk는 9~19의 값을 가진다. T-bar의 경우, Nk는 8~13의 범위이고, Stewart and Randolph(1994)는 10.5를 추천하였다. 이들 기존문헌에 제시된 대부분의 경험상관계수는 표준크기의
콘 관입장비(직경35.7mm~직경43.7mm)와 T-bar (직경40mm, 길이250mm)를 사용하였다. 반면, 원심모형시험을 포함한 축소모형실험에서는
소형의 관입장비가 사용되고 있고, 특히, 원심모형실험의 경우 직경 6mm에서 19mm까지의 콘이 사용되고 있으나(Gui, 1998), 소형 관입장비의
Nk에 대한 자료는 많지 않다.
본 연구에서는 소형콘 관입기와 T-bar 관입기의 비배수전단강도 산정에 사용되는 경험상관계수Nk를 결정하는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여 내경 350mm이고 내측높이 650mm의 강재원형챔버를 이용한 실험시스템을 구축하였다. 직경 10mm와
16mm의 2개의 소형콘 관입기와 직경10mm, 길이40mm의 T-bar관입기가 사용되었다. 3개의 소형관입시험기를 이용하여 챔버경계효과, 관입속도,
직경/형상의 영향을 검토하였다. 챔버를 이용하여 4개의 모형지반을 조성하였고, 각 모형지반은 4가지 선행압밀응력에서 압밀하여 비배수전단강도를 조절하였다.
관입시험 완료직후 샘플을 채취하였고 비압밀비배수(UU) 삼축압축시험을 수행하여 비배수전단강도를 측정하였다. 측정된 비배수전단강도와 관입저항값을 비교하여
각 관입장비의 경험상관계수를 결정하고 기존문헌의 결과와 비교×토의하였다.
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Table 1. Nk Values from Previous Studies
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Ip = plasticity index; Bq = pore pressure ratio; CU = consolidated undrained; UU =
unconsolidated undrained; CAUC = consolidated anisotropic
undrained triaxial compression test; Nk = empirical factor for cone penetrometer;
Nb = empirical factor for T-bar penetrometer
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2. 실험장비 및 방법
2.1 관입장비
본 연구에서는 직경10mm와 16mm의 소형콘과 직경10mm´길이40mm의 소형T-bar가 활용되었고, 각 관입시험기의 팁은 Fig. 1과 같다.
직경10mm소형콘과 소형T-bar는 직경10mm, 길이350mm의 스테인레스강관으로 연장되어 목표 심도까지 관입될 수 있다. 10mm소형콘과 소형T-bar는
팁 후면에 내부로드셀이 부착되어 관입저항력을 측정한다(Fig. 1). 내부로드셀은 측정부의 4면에 변형률계가 부착되고 full-bridge회로로 연결되어
온도 및 휨변형의 영향을 배제하였다. 변형률계의 외면은 폴리우레탄계 코팅제로 보호되고, 외부는 스테인레스스틸 케이싱으로 싸여서 물리적인 손상으로부터
보호된다. 또한 관입시 발생할 수 있는 흙과 물의 침입을 막는 구조이다. 소형10mm콘에 대한 자세한 정보는 Kim et al.(2015)을 참조한다.
직경16mm콘은 네덜란드의 A.P. van den Berg사의 제품을 사용하였다. 이 3개의 관입장비는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 추를 이용한
재하프레임에 의해 검정되었다. 관입장비는 DAQ시스템에 연결되어 추의 무게와 출력값의 관계를 획득하였다. 측정결과는 Fig. 3과 같고, 10mm-소형콘의
민감도는 0.7571mV/V/kN이고, 소형T-bar는 0.7491mV/V/kN, 16mm-콘은 0.0997mV/V/kN으로 측정되었다.
Fig. 1.
Tips of Penetrometers: (a)10mm-Diameter Cone, (b) 16mm Diameter Cone, and (c) T-bar
in 10mm Diameter and 40mm Long
Fig. 2.
Load Frame Used for Calibration of Cones and T-bar
Fig. 3.
Calibration Results of Cones and T-bar
2.2 모형점토지반
본 연구에서는 인도네시아산 카올린점토가 사용되었다. 기본물성은 Table 2와 같다.
관입시험을 위한 카올린점토는 내경350mm 내측깊이650mm의 강재원형챔버에 조성되었다. 우선 함수비 120%의 카올린슬러리를 교반하여 만들고, 강재원형챔버에
부착되는 압밀프레스를 이용하여 선행압밀하여 조성하였다. 선행압밀하중의 크기를 조절하여 모형지반의 비배수전단강도를 조절하였다.
카올린슬러리의 초기 구성은 Fig. 4와 같다. 점토슬러리를 채우기 전 챔버의 내부벽표면에는 그리스를 도포하여 점토지반과 챔버벽면과의 마찰을 최소화하였다.
선행압밀시 하단배수를 위하여 주문진사를 토목섬유로 말아 70mm높이의 배수층을 챔버내측하단에 조성하였다. 이후, 교반을 4회 하여 함수비 120%의
슬러리점토를 560mm높이를 채우고, 챔버의 상단까지 20mm의 여유를 두었다. 마지막으로 토목섬유시트를 슬러리점토 표면에 놓아, 하부의 배수층과
함께 양단배수조건이 되도록 하였다. 최종적으로 공압에 의해 작동되는 압밀프레스를 챔버상부에 부착하였다(Fig. 5). 압밀프레스는 직경 350mm
챔버를 기준으로 최대 280kPa의 선행압밀응력을 재하할 수 있다. 위의 절차에 따라 총 4개의 모형지반이 원형챔버에 조성되어 각 60kPa, 100kPa,
150kPa, 280kPa에서 선행압밀하여, 점토의 강도를 변화시켰다. 선행압밀과정에서는 침하량과 간극수압을 측정하여 모형지반의 압밀완료 여부를 모니터링하였다.
간극수압은 챔버의 하단부에 연결된 밸브에서 수압이 측정되었다. 침하량과 간극수압이 수렴하여 압밀의 완료를 확인하고 재하판을 제거한 후 관입시험을 수행하였다.
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Table 2. Geotechnical Properties of Kaolin
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Fig. 4.
Schematic of Soil Preparation
Fig. 5.
Pneumatic Pre-Consolidation Press Mounted on the Chamber
3. 관입시험 절차
관입시험은 Table 3과 Fig. 6에 정리된 순서에 따라 수행되었다. 4개의 모형지반에 대하여 3개의 관입기를 Table 3에 나타낸 순서에 따라,
Fig. 6에 나타내진 관입지점에 따라 관입시험이 수행되었다. 4개의 모형지반을 효율적으로 사용하기 위하여 각 모형지반에 여러 번의 관입시험을 수행하였다.
관입계획은 관입시험기의 크기와 형상의 영향, 관입속도, 경계효과를 분석하도록 설계되었다. 첫째로, 10mm콘, 16mm콘, 소형 T-bar을 비교하여
형상과 콘직경의 영향을 분석하고자 하였고, 두 번째로, 관입속도를 0.8mm/s, 12mm/s, 20mm/s, 33mm/s로 관입시험을 수행하고 그
영향을 분석하였다.
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Table 3. Testing Conditions for Penetration Tests
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Table 3. Testing Conditions for Penetration Tests (Continued)
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* CPT-10= 10-mm diameter cone; CPT-16= 16-mm diameter cone;= pre-consolidation pressure; B = distance from the wall; D1 = 10mm; D2
=16mm; D3 = 10mm (for T-bar diameter)
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Fig. 6.
Plain View of Penetrations for (a) = 60kPa; (b) = 100kPa; (c) = 150kPa; and (d) = 280kPa
경계거리의 영향은 관입지점과 챔버벽면과의 거리 영향과 기존관입지점과의 거리 영향을 고려하고자 하였다. 10mm콘의 경우 챔버벽으로부터 4.37D(D=콘직경)부터
17.5D까지의 조건에서 관입시험이 수행되었고, 16mm콘의 경우 3.125D에서 6.25D범위가 시험되었다. Bolton et al.(1999)은
단단한 경계면으로부터 최소 10D이상을 떨어트려 관입하도록 제시하였다. 본 실험에서는 직경 10mm콘을 원형챔버의 정중앙에 관입할 때 최대 17.5D이고
최대 경계거리가 되는 반면, 직경16mm콘의 경우 최대 10D 경계거리 확보가 가능하여 직경10mm콘을 중심으로 관입지점을 설계하였다. 따라서 직경
10mm콘으로 실험이 가능한 가장 먼 경계거리인 17.5D(챔버의 정중앙)부터 수직관입장비와 챔버벽면과의 간섭을 피하는 최소 경계거리인 4.37D까지
관입하였다. 직경 16mm콘은 가능한 경계거리인 3.125D에서 6.25D까지의 범위에서 시험되었다.
경계거리 영향분석에서는 반복적인 관입으로 생기는 관입공의 영향을 고려하기 위하여 기존 관입지점으로부터의 거리도 경계거리에 포함하였다. 기존 관입지점으로부터
현재 관입지점까지의 거리를 벽면까지의 최소거리보다 같거나 멀리 되도록 배치하였다. 분석시에도 기존관입지점-현재관입지점사이의 거리를 벽면과의 경계거리와
함께 경계거리로 정의하여 분석하였다. 따라서 기존관입지점과의 거리는 항상 벽면과의 경계거리보다 동일하거나 크도록 선정되었다.
각 모형지반에 대한 모든 관입시험이 완료된 후, 직경 80mm, 높이 140mm의 샘플 4개를 채취하였다(Fig. 6의 TX1부터 TX4 참조).
채취된 샘플로부터 직경 50mm, 높이 100mm의 점토시편을 성형하여 구속응력 50kPa, 100kPa, 200kPa, 400kPa에서 비압밀비배수(UU)
삼축압축시험을 수행하였다.
4. 결과 및 토의
본 연구에서 사용된 직경 10mm 콘과 소형T-bar는 간극수압측정 센서가 삽입되지 않는 형식으로 선단에 다공링이 설치 되어있지 않다. Robertson(1989)은
선단에 설치된 다공링으로 인하여 점토관입시 발생하는 과잉간극수압이 관입저항력에 영향을 준다고 지적하였고 이를 면적비에 의해 보정하도록 제안하였다.
반면, 본 연구의 장비에서는 다공링이 없이 팁과 주면새프트가 실링되어 체결되기 때문에 면적의 차이가 발생하지 않는다. 따라서, 본 논문의 콘 관입시험
결과는 모두 보정전 측정값인 qc를 나타내어 분석하였다. 또한, 본 연구에서는 모든 관입시험은 압밀직후 재하판을 제거한 상태에서 수행되어, 관입저항력이 측정된 위치에서는 상당히 작은
상재압력이 작용하고 있는 조건이므로 이후 결과에서는 상재압력 보정을 하지 않은 qc를 사용하였다.
4.1 관입속도
관입속도 영향을 보기 위하여 1mm/s, 20mm/s, 12mm/s, 33mm/s의 관입속도에서 관입시험을 수행하였다. Fig. 7은 10mm-콘의
관입깊이에 따른 관입저항값을 나타낸다. 모형지반 S2, S3, S4에서 1mm/s 관입속도에 의한 관입저항값이 다른 관입속도의 qc보다 큰 값을 보였다. 모형지반 S4는 지표면에서 170mm까지, S3은 지표면에서 250mm까지 20mm/s관입속도가 33mm/s에 비해 다소 큰
관입저항력을 보이나, 깊어짐에 따라 두 관입속도에서의 qc가 교차하여 역전된다. 전체적으로는 관입속도가 느려짐에 따라 관입저항력은 커지는 경향을 보였다.
Fig. 7.
Effect of Penetration Rate for 10-mm Diameter Cone
직경 10mm-콘은 관입속도가 증가함에 따라 관입저항력이 감소하였으나 그 변화량은 크지 않았다. 관입속도에 따른 qc 감소 경향은 Kim et al.(2008)과 Chung et al.(2006)의 선행연구와 일치한다. 이들에 의하면 관입속도에 따라 배수조건에 달라지며
이는 정규화관입속도 V (=v·D/cv; 여기서 v는 관입속도, cv는 압밀계수)가 4~10범위에서 비배수조건에서 부분배수조건으로 변화하고, 이때 관입속도의 감소로 인하여 관입저항력이 증가할 수 있다. 또한 Lunne
et al.(2011)와 Nanda et al.(2017)는 관입속도에 따라 관입저항력이 감소하다가 증가하는 오목한 변화 경향을 보인다고 발표한 바
있고, 관입속도가 느려지면 부분배수조건으로 점토지반 내부에 발생하는 과잉간극수압이 소산되어 강도가 증가하고 관입저항력이 증가하는 반면, 관입속도가
빨라지면 비배수조건으로 점토의 점성효과가 지배적으로 나타나 관입저항력이 증가한다고 설명하였다. 따라서 본 연구의 직경 10mm-콘은 압밀효과가 나타나는
영역에 위치하는 것으로 판단된다.
4.2 경계효과
경계효과는 관입지점과 가장 가까운 경계벽체까지의 거리의 영향과 가장 인접한 기존 관입지점까지 거리의 영향이 고려되었다. Fig. 8(a)는 16mm-콘의
경계거리에 따른 관입저항값을 나타낸다. 100mm에서 250mm까지 측정된 qc저항값의 차이는 0.5%에서 0.8%로 미미하였다. Fig. 8(b)는 10mm-콘에 대한 경계효과를 나타낸다. 10mm콘의 최대경계거리인 17.5D의
경우는 챔버의 중앙지점에 관입된 조건으로, 다른 관입속도의 qc보다 큰 값을 보였고, 관입깊이100mm~250mm범위의 qc에 대하여 12.8%에서 25.3%의 차이를 보였다. 다른 선행압밀응력에서 압밀된 모형지반에서도 유사하게 17.5D경계거리 관입이 최대의 qc저항값을 보였다. 그 외의 경계거리 4.375D, 8.75D, 10D, 13.125D에서 측정된 관입저항값은 0.9%에서 6.7%정도의 차이를 보였다.
10mm콘의 경우 4.375D에서 13.125D까지의 경계거리 범위에서는 경계거리 효과가 크지 않았다.
Fig. 8.
Effect of Boundary Distance
4.3 경험상관계수 Nk
관입시험기의 직경과 형상의 영향을 분석하기 위하여, 사용된 모든 소형관입시험기의 경험상관계수 Nk를 계산하여 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9의 관입저항값 qc는 관입깊이 100mm에서 250mm까지의 측정값을 평균한 값으로 사용하였고, 비배수전단강도 su는 관입시험후 수행된 UU시험결과를 사용하였다. 최종적으로 이들의 추세선을 구하여 Nk를 산정하였다. 그 결과 10mm-콘의 경험상관계수 Nk는 챔버 중앙에 20mm/s 관입속도로 시험된 경우 21.82 (Fig. 9의 CPT-10@20mm/s)로, 1mm/s로 관입된 경우 21.414
(Fig. 9의 CPT-10@1mm/s)로 산정되었다. 16mm-콘의 경우 Nk=13.5 (Fig. 9의 CPT-16@20mm/s)로, 소형T-bar는 13.3 (Fig. 9의 T-bar@20mm/s)으로 산정되었고, 이들은
20mm/s의 관입속도에 대한 값이다.
Fig. 9.
Comparison of Undrained Shear Strength to Tip Resistances
10mm콘의 경험상관계수Nk가 16mm-콘의 Nk 보다 크게 산정되어 콘 직경의 영향을 받는 것으로 나타났고, 이는 de Lima and Tumay(1991), Tumay et al.(1998),
Titi et al.(2000)의 직경16mm-콘과 직경43.7mm-콘에 대한 연구결과와 일치한다. Titi et al.(2000)는 de Lima
and Tumay(1991)과 Tumay et al.(1998)의 결과를 인용하여, 콘 직경이 작아짐에 따라 큰 관입저항력이 측정된다는 것을 재확인
하였다. 또한 Titi et al.(2000)은 Sweeney (1987)의 연구결과를 인용하여, 직경 22.8mm에서 35.7mm (단면적으로 4.1에서
10 cm2)인 콘의 경우, 관입저항력이 주면마찰저항력보다 콘 직경의 영향을 더 많이 받는다고 발표하였다. Dejong et al.(2011)은 직경43.7mm-콘에
대하여 Nk=14.18을 제시하였고, 이는 본 연구의 10mm-콘의 Nk보다 작은 값이다. 따라서 본 연구와 Dejong et al.(2011)의 결과는 소형관입장비는 직경이 큰 현장관입장비보다 큰 경험상관계수를 가진다는
결과로, 경험상관계수에 대한 콘 직경의 영향이 있음을 의미한다. 반면 본 연구에서 사용된 직경16mm-콘의 경우 Dejong et al.(2011)의
콘과 매우 유사한 경험상관계수를 보였다.
T-bar는 10mm콘에 비해 작은 값을 나타내며 관입단면의 형상의 영향이 있음을 의미한다. 소형T-bar의 저항값이 10mm직경콘에 비해 48%에서
51%정도 작은 값을 보였다. 이는 Dejong et al. (2011)의 설명과 일치하고, T-bar는 full-flow메커니즘을 유도하기 때문에
T-bar관입저항력이 콘 관입저항력보다 40%에서 80% 작게 측정된다고 설명하였다. 그러나 Dejong et al.(2011)의 T-bar관입기는
직경40mm, 길이250mm으로 경험상관계수가 10.03으로 측정되었고, 이는 본 연구의 소형T-bar의 상관계수보다 작게 측정되었다.
5. 결론 및 요약
본 연구에서는 직경10mm와 16mm의 소형콘과 직경10mm, 길이40mm의 소형T-bar의 카올린점토에 대한 경험상관계수 Nk를 측정하였다. 내경350mm, 내측높이650mm의 원형챔버에 선행압밀프레스를 탑재하여 모형지반을 조성하였고, 60kPa, 100kPa, 150kPa,
280kPa의 4가지 선행압밀응력에서 모형지반을 조성하여 비배수전단강도를 조절하였다. 4개의 비배수전단강도 조건을 가지는 모형지반에 대하여 관입시험을
수행하였고, 관입속도, 경계거리, 직경 및 형상조건에 따른 영향을 분석하였다. 관입시험 완료후 채취된 샘플을 이용하여 UU시험을 수행하고 비배수전단강도를
측정하였다. 소형관입장비들의 경험상관계수 Nk를 산정하고 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
경계거리에 따른 분석결과, 직경16mm-콘은 경계거리의 영향이 미미하였으나, 직경10mm-콘은 약간의 경계효과영향을 보였다. 관입속도에 따른 분석결과,
직경10mm-콘은 관입속도가 증가함에 따라 관입저항력이 감소하였다. 관입속도 증가에 따른 관입저항력 감소 경향은 선행결과 연구결과와 일치하는 경향으로
본 연구의 직경 10mm콘의 경우 관입속도 1mm/s에서 33mm/s는 부분배수로 인한 압밀효과가 나타나는 조건에서 비배수조건으로 전이되는 영역에서
시험된 것으로 판단된다.
콘의 직경과 T-bar형상에 따라 상관계수가 변화하는 것으로 나타났다. 측정된 상관계수는 직경10mm콘은 21.82, 직경16mm콘은 13.5, 소형T-bar는
13.3로 나타났다. 두 소형콘은 T-bar보다 큰 관입저항력을 측정하는 것으로 나타났고, 이는 Dejong et al.(2011)의 연구결과와 동일한
경향이다. 직경10mm콘은 직경16mm콘보다 큰 상관계수를 가져 직경의 영향이 있는 것으로 나타났다. de Lima and Tumay(1991),
Tumay et al.(1998), Tini et al.(2000)도 콘 직경에 대한 유사한 영향을 보고한 바 있다.
본 연구에서 얻어진 결론은 사용된 인도네이산 카올린, 소형콘과 소형T-bar에 적용가능하며, 다른 점토재료와 다른 직경의 관입장비에 대해서는 추가
연구가 필요하다.