2.1 실험체 계획

이 연구에서는 지반개량을 이용한 전단파속도 및 지반등급의 향상 검증을 위하여 지반개량체의 형상을 변수로 실험적 연구를 수행하였다. Table 2는 이 연구에서 수행한 각 실험체의 변수를 나타내며, Fig. 1은 실험 배치 및 계획도를 나타낸다. Table 2와 같이 전단파속도 측정은 크로스홀 기법을 활용하였으며, 지반개량체 형상은 Fig. 1과 같이 Head Ø1,400mm(깊이 1,000mm), Cone Ø1,400mm~Ø700mm (깊이 1,000mm), Tail Ø700mm로 구성된 변단면 형상과 모든 직경이 Ø700mm로 동일한 원통형 형상으로 각각 계획하였다. 개량 깊이는 12m로 동일하게 계획하였다.

실험체는 Fig. 1과 같이 동일 직경에 지반개량체 형상에 따른 효과를 알아보기 위하여 변단면 형상의 실험체 V-2와 원통형 형상의 실험체 P-3를 동일한 5m 사이에 각각 2EA와 3EA 배치하여 실험을 수행하였다.

Fig. 1. Details of specimens

2.2 현장 지반조건

이 연구에서 적용된 실험구간의 지반조건을 확인하기 위하여 총 2개(BH-1, BH-2)의 시추홀을 통하여 표준관입시험을 수행하였으며, 대상지반의 조사결과는 Table 3에 나타내었다. Table 3과 같이 최상부는 인위적으로 매립한 지층으로 5.0~6.0m의 두께로 분포하며, 토질은 사질토 및 점성토로 구성되어 있다. 사질토는 실트섞인 세립질 모래로 표준관입시험에 의한 N-Value는 3/30~27/30(회/cm), 점성토는 실트질 점토로 N-Value는 2/30(회/cm)로 측정되었다. 퇴적층은 유수에 의하여 운반 및 퇴적되어 쌓인 지층으로서 11.5~11.8m 두께로 매립층 하부에 분포하며, 토질은 실트질 점토, 실트섞인 세립질 모래로 구성되어 있다. 표준관입시험에 의한 N-Value값은 점성토층에서 6/30~15/30(회/cm), 사질토층에서 5/30 ~ 30/30(회/cm)로 측정되었다. 풍화토는 기반암의 상부 풍화대로 모든 시추공에서 확인하였으며, 퇴적층 하부에서 12.5m 이상의 두께로 분포한다. 표준관입시험에 의한 N-Value는 12/30 ~ 23/30(회/cm)이며, 모든 지층은 습윤의 함수상태를 나타냈다.

2.3 실험방법

이 연구에서는 각 층에 대한 지반개량에 따른 전단파속도를 측정하기 위하여 크로스홀기법을 이용하였다. Fig. 2은 크로스홀 기법을 이용한 전단파속도 측정 방법을 나타낸다. Fig. 2와 같이 지표면으로부터 동일 심도에 가진원과 수신기를 위치시킨 후 탄성파을 발생시켜 1m간격으로 30m까지 측정하였으며, 지반개량 전ㆍ후에 따른 전단파 속도를 비교하기 위하여 지반개량 전ㆍ후로 각각 총 3회 측정하였다.

3.1 지반개량 전 전단파속도 측정 결과

Table 4와 5는 이 연구에서 측정된 V-2와 P-3 실험체의 전단파속도 측정결과를 나타낸다. 여기서 각 전단파속도는 측정된 초동시간을 시험홀 간의 거리로 나누어 심도별 전단파 속도를 나타낸 것이다.

Table 4 같이 지반개량 전(A) 측정된 전단파 속도는 매립층에서 118m/s, 퇴적층(모래)에서 163m/s, 퇴적층(점토)에서 236m/s, 풍화토에서 223m/s로 측정되었으며, 지반이 단단할수록 높은 전단파속도를 나타내었다. 해당 실험구간의 평균 전단파속도는 172m/s로 국내 내진설계기준에서 규정하고 있는 기반암깊이 20m초과, 전단파속도 180m/s 미만에 해당하여 S5등급의 지반에 해당되는 결과를 얻었다.

3.2 지반개량 후 전단파속도 측정 결과

Fig. 2. Test method (Cross hole method)

Fig. 3(a)와 Fig. 3(b)는 변단면 형상과 원통형 형상으로 지반개량 후 측정된 전단파속도 결과를 각각 나타낸다. Fig. 3에서 Non은 지반개량 전에 측정된 전단파속도를 나타내며, V-2는 변단면 형상, P-3은 원통형 형상으로 지반개량을 수행한 후 측정된 결과를 나타낸다. Table 4와 Fig. 3(a)와 같이 상부(Head)의 직경을 1400mm, 하부(Tail) 직경을 700mm로 지반개량 후 측정된 V-2의 전단파속도는 매립층에서 163m/s, 퇴적층(모래)에서 184m/s 로 측정되었으며, 각각 45m/s, 27m/s 의 전단파 속도가 상향되었다. Fig. 3및 Table 4, 5에서 퇴적층(점토) 및 풍화토는 지반개량을 수행하지 않은 지반으로 Non실험체와 동일한 전단파속도를 나타내야 하지만 Non실험체 계측 이후 지반개량체의 양생기간 동안 우기에 의한 지하수 상승과 지층의 함수량 차이 등의 환경적 요인에 의하여 차이가 발생한 것으로 판단된다. Table 4와 같이 V-2실험체의 평균 전단파 속도는 184m/s로 측정되었다. 상기에 기술한 대로 미개량 구간인 퇴적층(점토) 및 풍화토에 대한 전단파속도의 오차를 최초 측정(A)시로 보정(C)할 경우 190m/s로 보정되며, 내진설계기준에서 제시하고 있는 180m/s 초과로 S5등급에서 S4등급으로 1단계 상향됨을 확인하였다.

Table 5와 Fig. 3(b)와 같이 상부와 하부 직경이 0.7m로 동일하게 지반을 개량한 P-3실험체는 매립층에서 140m/s, 퇴적층(모래)에서 174m/s로 측정되었으며, 각각 22m/s와 14m/s의 전단파 속도가 상향됨을 확인하였다. P-3실험체의 평균 전단파 속도는 183m/s, 보정(C)시 186m/s로 V-2 실험체와 동일하게 S4등급으로 1단계 지반등급이 상향됨을 확인하였다.

Table 4와 5, Fig. 3과 같이 지반개량을 진행하는 경우 지반개량의 형상과 관계없이 전단파속도는 상향하는 것으로 나타났다. 전단파속도는 매립 등에 의한 지반이 연약한 상부에서는 V-2와 같이 치환면적이 클수록 평균 전단파속도는 크게 상향되는 것을 확인하였으며, 지반이 단단해지는 하부층으로 갈수록 개량효과는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 점토층의 경우 모래층에 비하여 개량효과는 감소하는 것으로 나타났다.

4.1 국내 지반별 전단파속도

Fig. 4는 국내 건설현장에서 수행된 24곳의 지반조사 결과에 따른 전단파속도와 N-Value 관계를 나타낸다. Fig. 4와 같이 점토질의 경우 동일한 N-Value에서 사질토에 비하여 낮은 전단파속도를 나타내었으며, N-Value 5/30이상으로 증가시 증가폭은 감소하였다. 또한, 이러한 경향은 매립층, 퇴적층, 풍화토와 관계없이 동일하게 나타났다. Fig. 4와 같이 각 지층조건에서의 N-Value와 전단파속도의 분포범위는 점토층의 경우 N-Value 1/30 ~ 28/30, 전단파속도 84 ~ 248m/s 범위에 분포하고 있으며, 사질토의 경우 N-Value 3/30 ~ 30/30, 전단파속도는 146 ~ 343m/s 범위에 분포하고 있다.

4.2 N-Value에 대한 전단파속도 예측식

Fig. 3. Shear wave velocity versus depth relationships

현재 국내에서 주로 사용되고 있는 토질별 전단파속도 예측식은 대부분 일본에서 연구된 제안식이다. 기존에 제안된 예측식들은 기존 시험 결과를 바탕으로 회귀분석을 통하여 제안된 식으로 기존 실험결과를 다소 분산되어 결과를 예측하고 있으나 현장 시험결과를 바탕으로 제시되어 실제 적용에 있어서는 신뢰성이 높다고 판단된다. 그러나 이러한 외국의 예측식은 국내 지반특성과 조건이 다르기 때문에 적용에는 한계가 있다. 이 연구에서는 Table 6과 같이 4.1절에서 수집한 기존시험결과와 이 연구에서 수행된 결과를 이용하여 국내지반에 적합한 전단파속도 산정식을 제안하였다.

Fig. 4. Shear wave velocity versus N-value using existing results

Fig. 5는 기존 실험결과를 이용하여 Ohta and Goto(1978), Okamoto(1989), Imai and Tonouchi(1990)이 제안한 식과 이 연구에서 제안한 식의 비교를 나타낸다. Fig. 5(a)와 같이 Ohta and Goto는 점토와 사질토에 관계없이 N-value 10이하에서는기존 실험결과를 다소 과소평가하는 경향을 나타내었으며, 전체 실험결과에 대하여 평균 1.13과 변동계수 18.9%로 예측하였다. Okamoto는 Fig. 5(b)와 같이 기존실험결과에 대해서 평균 0.85, 변동계수 17.7%로 예측하였으며, N-Value와 관계없이 다소 과대평가하는 경향을 나타내었다. Imai and Tonouchi는 Fig. 5(c)와 같이 평균 1.12와 변동계수 19.7%를 나타내었으며, N-Value가 10이하에서는 기존실험결과를 과소평가, N- Value 10이상에서는 과대평가하는 경향을 나타내었다. 이 연구에서 제안한 예측식은 Fig. 5(d)와 같이 평균 1.02와 변동계수 14.3%로 점토 및 사질토에 관계없이 N-Value에 대하여 합리적으로 예측하였다.