~ 쇄석다짐말뚝에의한연약지반의액상화저감효과에관한연구 Liquefaction Remediation by Rammed Aggregate Piers(RAP) on Soft Ground 안동석 ), Dong-Seok An, 배경태 ), Kyung-Tae Bae, 박성완 ), Seong-Wan Park ) ) ) 단국대학교토목환경공학과석사과정, Graduate Student, Dept. of Civil and Environ. Engrg., Dankook Univ. 서울산업대학교건설기술연구소박사후연구원, Post-Doc., Inst. of Const. and Tech., Seoul National Univ. of Technology 단국대학교토목환경공학과조교수, Assistant Professor, Dept. of Civil and Environ. Engrg., Dankook Univ. SYNOPSIS : Dynamic numerical analyses were performed to investigate the response of liquefaction remediation of rammed aggregate piers(rap) on soft ground under free strain conditions. The safe factors of the soft ground reinforced by RAP during seismic loading of magnitude. were calculated. The results of simulation showed that factors of safety were affected various area replacement ratios, surcharge loads and depth of RAP systems. Key words : Liquefaction Remediation, Rammed Aggregate Piers, Numerical Analysis. 서 론 조립토다짐말뚝공법은다양한연약지반처리방법중지진시발생하는액상화현상을저감시키기위한연약지반보강에효율적이고경제적인공법으로알려져있다. 쇄석다짐말뚝(Rammed Aggregate Piers, RAP) 은시공시타격에의한반복다짐으로쇄석의횡방향응력을증가시켜주변지반의전단저항력을증가시키고배수를용이하게함으로서지진발생시액상화및지진하중에대한저항력이큰공법이다(Fox and Cowell, 9). 또한, 모래다짐말뚝에비해강성이크고쇄석재료의확보등이용이하여향후연약지반액상화저감공법으로의활용이더욱증대될전망이다. 그러나일반적으로쇄석다짐말뚝으로보강된연약지반의액상화평가시쇄석다짐말뚝과지반을하나의단일물성으로환산하여해석을하고있어, 실제자유변형률(free strain) 이작용하는성토체등의연성기초하부에설치되는쇄석다짐말뚝의경우치환율, 상재하중에따른말뚝과주변지반의위치와깊이별액상화안전율이상이하므로이에따른액상화안전율의구명이필요한실정이다. 따라서본연구에서는연약지반의액상화저감을위하여사용되는쇄석다짐말뚝의적용을위하여동적수치해석을수행하여쇄석다짐말뚝과지반의치환율, 상재하중에따른기초지반의액상화저감효과를고찰하였다. 이를위하여김해시 지역연약지반노반공사부지의포화사질토에대하여규모.의지진하중발생시각각원지반과쇄석다짐말뚝의치환율 %, %, % 로보강한경우의액상화안전율을상재하중과복합지반의위치와깊이별로산정하였다.. 쇄석다짐말뚝설치에따른액상화저감.. 액상화저감메커니즘 쇄석다짐말뚝공법으로보강된지반은다음과같은방법에의해액상화발생위험성을감소시킨다. 쇄석다짐말뚝시공시쇄석다짐에의해발생하는횡방향응력은주변의원지반을다짐시키는효과가있으며이에의해원지반의전단강도증가를유발하여액상화에대한저항력을증가시킨다. 쇄석다짐말 - -
뚝시공에의해형성된말뚝체는 gravel drain으로서작용하여간극수압소산을위한효과적인배수통로로서역할을한다. 쇄석다짐말뚝체는주변지반보다강성이더크기때문에보강지반에작용하는지진하중은강성이큰말뚝체에는큰하중이, 강성이작은원지반에는보다작은하중이전달되는하중분담효과를유발한다. 따라서쇄석말뚝에의해치환된부분은지진하중작용시지반내부에발생하는큰전단응력을소산시키는역할을함으로써보강지반은동일한진동하중에대해결과적으로더큰저항력을발휘한다. 그림.은지진하중작용시쇄석다짐말뚝에의해보강이이루어진복합지반의하중분담효과에대한개념도이다. 그림.. 지진하중작용시쇄석다짐말뚝복합지반의하중분담효과(Fox and Cowell, 9).. 쇄석다짐말뚝보강에의한액상화평가 수정 Seed와 Idriss 방법을사용한쇄석다짐말뚝보강에의한액상화평가는지진에의한전단응력비 (Cyclic Stress Ratio, CSR= τ ) 와지반의액상화저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR= τ ) 와의비교를통해안전율. 를기준으로액상화안정을판단한다( 해양수산부, 999). ()... 지진하중에의한전단응력비 지진시발생하는전단응력비(Cyclic Shearing stress Ratio, CSR) 는대상지반의지진응답해석으로산정한최대지반가속도를사용하여다음과같이산정할수있다. τ α () 여기서, τ α : 지진하중에의한전단응력비, : 대상층의총상재압( ) : 최대지반가속도( ), : 대상층의유효상재압( ) : 중력가속도( ) 본연구에서는큰지진이발생하지않은국내의여건을고려하여우리나라에적합한지진규모인. 부근에서발생한역사지진기록을선택하여지진응답해석을수행한김수일등() 의연구결과를토대로해석을수행하였다. 지진응답해석의조건과입력지진기록의제원은다음의. 및.에나타난바와같다. 한편, 그림.는위에서수행한지진응답해석으로도출한최대지반가속도를이용하여국내해안매립지에대해산정한전단응력비이다. 심도에따른전단응력비는최대. 이하를나타내고있으므로본연구에서는전단응력비를가장위험치인. 로가정하고액상화저감효과를평가하였다. - -
.... 지진응답해석조건 설계지진가속도.g 설계지진규모. 입력지진기록 Big Bear, Imperial Valley, San Fernando 지하수위위치 심도 m 지진응답해석에사용된입력지진 지진명 제원 지진규모 최대가속도 Imperial Valley 99년 Southern California..g Big Bear 99년 Southern California..g San Fernando 9년 Southern California..g 그림.. 지진응답해석에의한전단응력비( 김수일등, )... 지반의액상화저항응력비 지진시지반의액상화저항응력비 (Cyclic Resistance Ratio, CRR= τ ) 는현장시험을통해산정 한 SPT의 N값,CPT의 q c 또는탄성파시험의전단파속도등을이용하여저항응력비를산정한다. 본연구에서는쇄석다짐말뚝보강에의한복합지반의치환율, 상재하중에따른말뚝과주변지반의위치와깊이별액상화저감효과를평가하기위하여위의조건들을용이하게적용할수있는유한차분해석을수행하여지반의액상화저항응력비를산정하였다.. 수치해석조건 원기둥형태의쇄석다짐말뚝을모사하기위하여축대칭(axisymmetric) 평면변형(plane strain) 해석으로지진하중에의한지반의응력- 변형률을알아내기위하여동적해석을실시하였다(FLAC.). 해석지반은액상화가능성이높은 N치 이하의모래층으로이루어진상대밀도중간정도의포화사질토라고가정하고, 쇄석다짐말뚝보강에의한복합지반의액상화저감효과를살펴보기위하여포화모래층과쇄석다짐말뚝두영역으로모델링하였다. 입력물성치는.과같이현장쇄석다짐말뚝재하시험을수행하여얻은결과를참고하였다( 배경태, )... 수치해석입력물성치 재료 모델 N치단위중량변형계수포아송비내부마찰각 (blow) (, kn/m ) (E, kpa) (, ) 모래지반 Mohr-Coulomb.e. RAP Elastic -.e. - - -
해석영역은각각의치환율에따른단위셀이론(Barksdale and Bachus, 9) 의유효직경으로산정하고, 치환율은국내연약지반처리에일반적으로사용되는저치환율인 %, %, % 로가정하였다. 치환율에따른모래지반의등가반경은원지반을.m로가정함에따라치환율이각각,, % 에대하여.m,.m,.m 로계산되었으며, 쇄석다짐말뚝은현장에서주로적용되는직경.m, 길이.m 로모델링하였다. 해석에사용된지진파는단주기성분이우세한 ofunato항의지진기록과장주기성분이우세한 hachinohe항의실지진기록 개와준설계응답스펙트럼기준을만족하는인공지진기록 개를이용하였다. 실제성토체하부에설치되는쇄석다짐말뚝을모사하기위하여자유변형률조건( 배경태등, ) 으로상재하중을재하하였으며, 각각,, 및 kpa의등분포하중을재하하여액상화저감효과를고찰하였다. 수치해석조건은다음. 와같다... 수치해석조건 지진파치환율 (%) 등분포상재하중 (kpa) ofunato hachinohe artificial. 해석결과및분석.. 복합지반위치에따른액상화저감효과 그림.은쇄석다짐말뚝으로개량된복합지반의심도중심인 G.L. -m에서의말뚝중심거리에따른치환율별안전율을나타낸그림이다. 각각단주기, 장주기지진파인 ofunato, hachinohe 지진및가상인공지진이발생한경우에대하여상재하중이,, 및 kpa 작용한경우에대하여해석을수행하였다. 그림에서와같이대부분말뚝중심부가주변지반보다안전율이크게산정되었으며, 말뚝중심에서가장먼곳보다는말뚝과지반의경계부인.m 근처에서안전율이가장작게나타났다. 한편, 치환율 % 인경우의안전율은말뚝부에서는.., 주변지반에서는.., 치환율 % 인경우에는말뚝부.9., 주변지반.., 또한치환율 인경우에는말뚝부.., 주변지반.. 으로나타나치환율에따라안전율이크게증가하는것으로나타났다. ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) RAP Soil... distance from center RAP(m) RAP Soil.... distance from center RAP(m) RAP Soil.... distance from center RAP(m) (a) 치환율 % (b) 치환율 % (c) 치환율 % 그림.. 복합지반위치에따른액상화안전율.. 복합지반심도에따른액상화저감효과 그림.는위의.절에서안전율이가장작게나타난말뚝과지반의경계부인말뚝중심거리.m - -
지점에서의복합지반심도에따른치환율별안전율을나타낸그림이다. 각각단주기, 장주기지진파인 ofunato, hachinohe 지진및가상인공지진이발생한경우에대하여상재하중이,, 및 kpa 작용한경우에대하여해석을수행하였다. 지면근처에서는안전율이.9.으로.보다작아액상화에다소위험한것으로나타나쇄석다짐말뚝으로보강시지면액상화안정처리에신중해야할것으로판단된다. 또한, 심도 m 부근부터안전율이크게증가하여..으로대부분액상화에안전한것으로나타났다. Depth(m) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) Depth(m) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) Depth(m) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) (a) 치환율 % (b) 치환율 % (c) 치환율 % 그림.. 복합지반심도에따른액상화안전율.. 치환율과상재하중에따른액상화저감효과 그림. 및.는위의. 및.절의복합지반의심도 m, 말뚝중심거리.m 지점에서의치환율과상재하중에따른안전율을쇄석다짐말뚝으로보강하지않은원지반과의해석결과와비교한그림이다. 각각원지반과치환율,, % 의쇄석다짐말뚝으로보강된복합지반에대하여단주기, 장주기지진파인 ofunato, hachinohe 지진및가상인공지진이발생한경우에대하여상재하중이,, 및 kpa 작용한경우에대하여해석을수행하였다. 그림.에서와같이치환율에따른액상화저감효과를살펴보면원지반의안전율이.. 로액상화에위험한것으로나타났으나, 치환율이,, % 로증가함에따라안전율이각각..,..,..으로증가하여치환율증가에따른액상화저감효과가큰것으로나타났다. 한편, 그림.에서와같이상재하중에따른액상화저감효과를살펴보면원지반의안전율이.. 로액상화에위험한것으로나타났으나, 상재하중이,,, kpa으로증가함에따라안전율이각각..,..,..,..로쇄석다짐말뚝으로인한액상화저감효과는큰것으로나타났으나, 상재하중증가에따른액상화저감효과는다소미미한것으로나타났다. ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) ofu(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) hachi(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) arti(=kpa) ofu(soil) hachi(soil) arti(soil) ofu(as=%) ofu(as=%) ofu(as=%) hachi(as=%) hachi(as=%) hachi(as=%) arti(as=%) arti(as=%) arti(as=%) ofu(soil) hachi(soil) arti(soil) area replacement ratio surcharge load(kpa) 그림.. 치환율에따른액상화안전율그림.. 상재하중에따른액상화안전율 - -
. 종합 동적수치해석을실시하여쇄석다짐말뚝으로보강된복합지반의치환율, 상재하중에따른말뚝과주변지반의위치와깊이별액상화저감효과를고찰하였다. 본연구에서얻은결과는다음과같다. () 복합지반위치에따른액상화저감효과를살펴보면, 대부분말뚝중심부가주변지반보다안전율이 크게산정되었으며, 말뚝중심에서가장먼곳보다는말뚝과지반의경계부에서안전율이가장작 () 게나타났다. 복합지반심도에따른액상화저감효과를살펴보면, 지면근처에서는액상화에다소위험한것으 로나타났으나, 심도 m 부근부터안전율이크게증가하여대부분액상화에안전한것으로나타났 다. () 치환율과상재하중에따른액상화저감효과를살펴보면, 치환율이,, % 로증가함에따라액 상화저감효과가큰것으로나타났으나, 상재하중증가에따른액상화저감효과는다소미미한것 으로나타났다. 참고문헌. 김수일, 박근보, 박성용, 서경범 (), 국내지진규모를고려한중진지역에서의액상화평가기법에관한연구, 한국지진공학회논문집, 제 권, 제 호, pp... 배경태, 이종규 (), 연약지반의쇄석다짐말뚝에대한거동분석(I), 한국지반공학회논문집, 제 권, 제 호, pp. 9.. 해양수산부 (999), 항만및어항시설의내진설계준서, 한국해양연구소. Barksdale, R. D. and Bachus, R. C. (9), Design and Construction of Stone Column, FHWA, pp... Fox, N. S. and Cowell, M, J. (9), Geopier TM Foundation and Soil Reinforcement Manual, pp. 9. - -