연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하 ... - 한국지반공학회

한국지반공학회논문집 제27권 1호 2011년 1월 pp. 53 ~ 63연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한해석방법 비교연구A Comparison of Analysis Methods on Mechanical Behavior of StoneColumn Reinforced in the Soft Sabkha Deposit김 세 원 1 Kim, Sewon 이 철 호 2 Lee, Chulho김 기 호 3 Kim, Kiho 최 항 석 4 Choi, HangseokAbstractIn this study, a composite behavior of stone columns reinforced in a soft ground, Sabkha, has been evaluated byperforming a series of field measurements and numerical analyses. Field load tests were performed to verify the effectof the composite ground reinforced by stone columns in Kayan, Saudi. The settlement measured in the field test wascompared with the settlement calculated by the Priebe method and the numerical analysis using ABAQUS. It is foundthat the settlement estimated using the Priebe method significantly overestimated the settlement measured in the fieldtest. In addition, it is confirmed that consideration of confining effect exerted by surrounding adjacent stone columnsin a numerical simulation is indispensable to estimate accurately the settlement of stone column composite ground.요지본 논문에서는 일련의 현장시험과 수치해석을 통해 연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동 특성을평가하였다. 스톤컬럼으로 보강된 복합지반의 침하거동특성을 평가하기 위해 Saudi의 Kayan 지역에 시공된 스톤컬럼에 대한 현장 재하시험을 수행하였다. 스톤컬럼의 보강효과를 평가하기 위해 현장시험결과와 Pribe의 간편법, 그리고수치해석 결과를 상호 비교 분석 하였다. 수행된 연구결과, Priebe 제안식으로 산정한 침하량은 스톤컬럼이 시공된실제 현장의 침하량보다 과다하게 평가함을 확인하였다. 또한, 수치해석을 통해 스톤컬럼이 보강된 복합지반의 거동을 예측할 때, 주변에 시공된 스톤컬럼들의 구속에 의한 지지력이 향상되는 효과를 적절히 고려해야 함을 알 수 있었다.Keywords : Load test, Numerical analysis, Priebe method, Sabkha, Settlement, Stone column1. 서 론스톤컬럼 공법은 자갈, 쇄석 등을 연약지반에 강제로압입하여 재하하중을 말뚝과 지반이 서로 분담하도록하여 지지력을 향상시키고, 이로 인한 연약 지반의 침하저감 기능을 갖는다. 또한, 스톤컬럼 자체가 일종의연직배수재의 역할을 함으로서 연약점토에서 압밀을촉진시킨다. 현장에 시공된 스톤컬럼은 연약지반에 원1 텍사스 A&M 대학 토목공학과 박사과정 (Graduate student, Department of Civil Engrg, Texas A&M Univ., USA)2 고려대학교 건축사회환경공학부 박사과정 (Graduate student, School of Civil, Environmental & Architectural Engrg., Korea Univ.)3 정회원, 삼성엔지니어링 차장 (Member, Deputy General Manager, Samsung Engrg. Co., LTD)4 정회원, 고려대학교 건축사회환경공학부 부교수 (Member, Associate Prof., School of Civil, Environmental & Architectural Engrg., Korea Univ., hchoi2@korea.ac.kr,교신저자)* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2011년 7월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 53

Saudi Kayan그림 1. 스톤컬럼 시공지역(Kayan, Saudi)통형으로 쇄석을 다지면서 압입하여 말뚝을 지중에 형성시켜 지반을 개량하는 공법으로써, 재하시험을 시행한 모래지반과 같은 경우 밀도증가와 액상화 방지, 수평저항력 등을 증가시키는 효과를 가지게 된다. 쇄석을 이용한 말뚝 시공에 있어 쇄석다짐말뚝은 상하진동을 이용하여 말뚝을 형성하는 반면, 스톤컬럼은 좌우진동을이용하여 연약한 지반에 말뚝을 형성시킨다. 이러한 스톤컬럼이 시공된 지반의 압밀침하량을 산정하기 위해사용되는 방법들은 지반과 말뚝을 단순화하여 만든 근사 계산법들과 탄성이나 탄소성이론을 기본으로 하는수치해석법으로 분류된다. 스톤컬럼의 침하거동에 대한현재까지의 연구 성과들은 주로 지반과 말뚝의 상대적인 강성차이에 의한 응력분담비와 스톤컬럼의 직경과설치간격에 의해 정의되는 치환율을 토대로 한 지반개량계수 평가를 위주로 수행되어 왔다. 지반개량계수란미개량 지반의 침하량에 대한 개량지반 침하량의 비를의미하며, 이 값을 추정하는 방법들로는 경험적인 방법(Greenwood, 1970), 해석적인 방법(Aboshi 등, 1979; Balaam등, 1983; Al-Shamrani, 2004) 및 수치해석을 이용한 방법(Michell 등, 1985) 등이 있다.본 연구에서는 스톤컬럼으로 보강된 복합지반의 침하거동을 평가하기 위하여 그림 1에 나타낸 Arabian Gulf연안 Saudi의 Kayan 지역의 암염층(Sabkha)에 시공된 스톤컬럼에 대한 현장 재하시험 결과를 분석하였다.2. 암염층(Sabkha)의 특성시험 시공 현장인 Kayan 지역은 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재한다. 암염층(Sabkha)은 건조한 기후에서 생성된 퇴적층으로 아라비안걸프 연안을 따라 광범위하게 분포되어 있다. 현장재하시험이 수행된 지역이위치한 아라비아 반도의 동북 해안은 주로 제 3기에 생성된 퇴적암으로 이루어져 있으며 그 일부가 제 4기 및현세의 퇴적층으로 덮여 있다. 따라서 그 주된 구성은고대 및 현세의 암염층(Sabkha)과 풍적토이다. 암염층(Sabkha)은 퇴적 현상에 따라 내륙에서 해안으로 부는바람에 의한 풍적층, 내륙에 위치한 고대 암염층(Sabkha)그리고 현재 퇴적이 진행되고 있는 해안의 암염층(Sabkha)으로 분류된다. 환경, 바람, 기온 및 생화학적인 활동 등이 암염층(Sabkha)을 형성하는 주요인자로서 이러한 암염층(Sabkha)은 염분이 다량으로 함유된 사질층이고, 대개 석회질, 점질토층이 혼재해 있다. 고대의 암염층(Sabkha)은 해수면이 낮아지면서 모래입자 사이의 고화현상에 의해 생성되어 내륙으로 50km까지 분포되어 있고 주로 표고 +5m 이상에서 발견된다(McKenzie, 1981; 남호우, 1989).현재 퇴적중인 해안 암염층(Sabkha)은 해수면을 기준으로 할 때 +2~-6m에서 발견되어 지며 조개껍질을 다량함유하고 있는 실트질 모래층과 주로 해안 근처에서 생성된 석회질 점토층으로 구성된다. 이러한 암염층(Sabkha)의 주된 성상은 그 구조적 특성이 매우 취약하다는데있으며, 일반적으로 지내력이나 압축성 등이 토목 설계기준에 부합되지 않아, 자연 상태로서는 암염층 상부에구조물을 설치하기 어렵고, 파괴 가능성이 커 일반적인조건에서도 그 위험도가 허용치를 초과한다(Khan andHasnain, 1981; Dhowian 등, 1987; Al-Amoudi, 1992; Al-Shamrani and Dhowian, 1997). 이러한 암염층(Sabkha)이54 한국지반공학회논문집 제27권 제1호

0-1-2Soudi Kayan PP and PH projectPre CPT Data for the Ware house Trial Area0 10 20 30 40 50El.Trial CPT A1Trial CPT A2Trial CPT B1Trial CPT B2Trial CPT C1Trial CPT C20-1-2SPT Data from BHW-9 ofGulf consult Report0 5 10 15 20 25 30 35El.MediumDenseSand-3-3-4-4StoneColumn-5-5SabkhaDepth (m)-6-7-6-7-8-8-9-10-9-10SiltySand-11-11-12Cone Resistance (Mpa)-12SPT Data from Bore Log BHW-9그림 2. 스톤컬럼이 시공된 지반의 구성 및 관입시험 결과표 1. 대상지반의 역학적 특성지면으로부터 높이 지반 조건 선단 지지력(q c) 탄성계수 (E)G.L to -1.5m Medium dense sand 10.0 Mpa 25 Mpa-1.5m to -2.0m Medium dense sand 15.2 Mpa 38 Mpa-2.0m to -2.5m Medium dense sand 7.20 Mpa 18 Mpa-2.5m to -6.5m 암염층(Sabkha) 0.40 Mpa 1 Mpa-6.5m to -7.5m 암염층(Sabkha) 6.80 Mpa 17 Mpa-7.5m to -9.0m Silty sand 15.2Mpa 38 MpaE = 2.5 q c존재하는 대상지역의 연약지반 보강을 위해 스톤컬럼을 시공하였고, 현장 재하시험을 수행하여 지반개량효과를 평가하였다. 본 연구에서는 연약한 암염층(Sabkha)에 시공된 스톤컬럼의 보강효과를 파악하기 위해 현장재하시험 결과와 스톤컬럼이 시공된 현장의 예비 설계에 적용된 Pribe의 간편법, 그리고 수치해석 결과를 상호 비교 분석 하였다.3. 현장 재하시험3.1 현장 조건 및 현장 재하시험현장 재하시험이 수행된 지역은 그림 2의 지반조사결과로 부터 지표면으로부터 2.5~6.5m에 걸쳐 압축성이 큰 암염층(Sabkha)이 존재하며, 암염층(Sabkha) 상부에는 비교적 압축성이 적은 조밀한 모래층과 하부에는압축성이 큰 모래층으로 구성되어 있다. 현장에서 획득한 지반조사 결과를 표 1에 정리하였다. 이러한 암염층(Sabkha)이 존재하는 시공 현장 지반개량을 위해 스톤컬럼을 지표면으로부터 9.0m까지 시공하였다. 스톤컬럼에 의한 개량효과를 평가하기 위한 현장 재하시험은그림 3에서 설명하는 바와 같이 (a), (b) 두 지점에서 실시하였으며, 한 본의 스톤컬럼 위에 재하판을 설치한 (a)지점에서는 재하판의 단면적이 1.65m×1.65m, 2.00m×2.00m,2.25m×2.25m인 3가지 경우와 인접한 4본의 스톤컬럼위에 재하판을 설치한 (b)지점에서는 재하판의 단면적연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 55

이 2.00m×2.00m인 1가지 경우로, 총 4가지 Case에 대하여 현장 재하시험이 수행되었다.현장 재하시험은 1.65m×1.65m, 2.00m×2.00m, 2.25m×2.25m크기의 재하판을 그림 4(a)와 같이 소정의 위치에 설치하였고, 그림 4(b)와 같이 재하프레임을 설치한 후, 그림4(c)와 같이 하중을 재하하였다. 현장 계측은 그림 4(d)에서 보는 바와 같이 재하판 상단 5개소에 LVDT를 설치하여 하중 재하시 발생하는 침하량을 측정하였다.3.2 현장재하시험 결과(a)(b)Grid Spacing 2m in both direction: CPT 시험 위치 : 재하판 위치 : 스톤컬럼그림 3. 현장 재하시험 구성도표 2에는 현장 재하시험 각 Case와 시험조건을 정리하였다. Case 1, 2, 4는 앞 절에서 언급한 그림 3의 (a)지점에 1본의 스톤컬럼 위에 재하판을 설치하여 재하시험을 수행하였고, Case 3은 그림 3의 (b)지점에 이웃한 4본의 스톤컬럼 위에 재하판을 설치하여 하중을 재하하였다. 현장 재하시험으로부터 재하하중 크기와 재하판크기에 대한 영향을 비교하기 위해, 표 2와 같은 하중과재하판 크기 조합을 구성하였다. 그림 5는 하중재하 스케쥴과 각 시험 Case에 대한 시간별 계측 침하량을 보여주고 있다. 침하량은 재하판 상단의 5개소에 설치한(a) 재하판 모습(b) 재하프레임 설치(c) 하중 재하그림 4. 스톤컬럼 현장 재하시험 과정(d) 침하량 계측56 한국지반공학회논문집 제27권 제1호

표 2. 시험 Case와 시험 조건Case 재하판 위치 재하하중(kN) 말뚝 개수 재하판 크기Case 1 (a) 736 1 1.65m×1.65mCase 2 (a) 480 1 2.00m×2.00mCase 3 (b) 480 4 2.00m×2.00mCase 4 (a) 608 1 2.25m×2.25m800500600400Load (kN)400Load (kN)30020020010000 500 1000 1500 2000 2500Time(min)00 400 800 1200Time(min)22Settlement(mm)4Settlement(mm)4668(a) Case 1 (b) Case 28800800600600Load (kN)400Load (kN)40020020000 400 800 1200Time(min)00 400 800 1200Time(min)22Settlement(mm)4Settlement(mm)4668(c) Case 3 (d) Case 4그림 5. 현장 재하 스케쥴 및 스톤컬럼 침하량8LVDT 계측값의 평균으로 나타냈다. 한 본의 스톤컬럼위에 재하판을 설치하여 시험을 수행한 결과, Case 1의경우 설계하중 368kN이 재하시 3.11mm의 침하가 발생하였고, Case 2는 240kN의 설계하중에서 3.24mm, Case4는 304kN의 설계하중 재하시 2.45mm의 침하가 발생하였다. 4본의 스톤컬럼 위의 재하판에서 수행한 Case3의 경우, Case 2와 같은 재하하중인 240kN를 재하 하였을 때 1.84mm의 침하가 발생하였다. 같은 크기의 재하판과 동일한 하중을 재하한 Case 2와 3을 비교한 결과 무리말뚝의 조건인 Case 3이 단말뚝인 Case 2에 비연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 57

해 침하가 적게 발생하였는데, 이는 무리말뚝의 경우 주변 말뚝으로 인한 구속조건에 의하여 지반 개량효과가큼을 확인할 수 있는 결과이다.4. Priebe의 간편법에 의한 결과 고찰4.1 Priebe의 간편법 개요일반적으로 Priebe 간편법으로 해석된 침하 결과는 현장에서 시공 전에 예비 설계에 중요한 예측 도구로 사용된다. Priebe(1995)는 단위 셀 모형을 이용하여 쇄석다짐말뚝으로 개량된 지반의 침하 감소를 예측하는 방법을 제안하였으며, 단위셀 내의 흙은 탄성체라는 가정을 두고 원지반의 탄성계수와 조립재의 내부마찰각과 지반개량계수를 이용하여 쇄석다짐말뚝으로 보강된 지반의 침하감소를 예측하였다. 이를 위해 다음과 같은 가정을 하였다. 첫째, 쇄석다짐말뚝은 삼축응력 상태에서 소성평형 상태를 유지한다. 둘째, 단위 셀 안의 지반은 탄성재료로서 이상화된다.셋째, 쇄석다짐말뚝과 주변지반의 연직침하량는 같다. 마지막으로 쇄석다짐말뚝은 하부 강성층에 선단 지지한다.앞에서 제시한 가정에 의하여, 지반 내의 쇄석다짐말뚝의 체적변화는 말뚝의 길이가 짧아지면서 수평으로퍼짐(bulging)이 일어나는 것에 직접적으로 관련이 있으며, 이것이 Priebe 간편법의 기본 형태가 된다. Priebe의간편법은 다음과 같다. (1)여기서, 는 스톤컬럼으로 개량된 지반의 침하량, 는 무보강 지반의 최종침하량( ), 은 지반개량계수(factor of settlement improvement), 는 작용하중, 은연약층의 두께, 는 연약지반의 탄성계수이다.스톤컬럼에 의한 지반 개량은 말뚝 재료가 지반내에서 탄성적으로 전단변형을 발생시킨다는 가정 하에서이루어진다. 또한, 말뚝이 시공되는 지반은 말뚝이 설치되는 동안 말뚝 재료가 재배열 된다고 가정한다. 그러므로 지반 평가에 있어서 Priebe의 제안식에서는 스톤컬럼이 시공되는 동안 수동토압이 발생한다는 가정 하에 다음과 같은 지반개량계수 n 0를 이용하여 표현된다. ∙ (2) ∙ ∙ ∙ ∙ 여기서, 는 지반개량계수, 는 스톤컬럼의 단면적,는 단위 셀의 전체 단면적, 는 푸아송비, 는 말뚝의 주동토압계수, 는 말뚝의 내부마찰각이다.이렇게 산정한 를 스톤컬럼과 지반의 면적비를 고려하여 다음 식 (3)을 이용하여 개량계수 을 구하게 된다. ∙ ∙ (3) ∆ ∆ 설계 과정에서 치환재와 유효 상재하중을 적절하게고려하는 것은 간단하지 않지만, 상재하중의 영향을 무시하면 매우 보수적인 설계가 된다. 그러나, 깊이에 따른 쇄석말뚝의 횡적 지지력은 유효 상재하중의 영향으로 인하여 상당히 증가하므로, 개량심도를 고려해야 한다. 심도 계수는 다음의 식 (4)로 나타낼 수 있고, 심도계수를 고려한 개량계수( )는 × 로 구할 수 있다. ∙ ∙ ∙ ∆ ∙ ∆개량심도를 고려하여 산정한 개량계수 를 최종적으로 구하여 식 (1)에 적용하여 스톤컬럼이 시공된 지반의 침하량을 산정할 수 있다.4.2 Priebe의 간편법을 이용한 예비 설계 결과(4)연약한 암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan 지58 한국지반공학회논문집 제27권 제1호

표 3. 스톤컬럼의 물성치탄성계수 E (MPa) 단위중량 (kN/m 3 ) 푸아송 비 점착력 c (kPa) 내부마찰각 (°)144.00 20 0.33 0 42.5표 4. 지반 물성치와 Pribe의 간편법에 고려된 계수Top L.(m)탄성계수(MPa)단위중량(kN/m 3 )점착력(kPa)내부마찰각(°)Case 1 Case 2,3 Case 4n 0 n 1 n 2 n 0 n 1 n 2 n 0 n 1 n 20.0 25.0 18.0 0 33.0 - - - - - - - - -1.4 25.0 18.0 0 33.0 3.18 2.40 2.10 2.32 1.99 1.75 2.00 1.79 1.591.5 38.0 19.0 0 37.0 3.18 2.09 1.62 2.32 1.82 1.42 2.00 1.69 1.332.0 18.0 17.0 0 32.0 3.18 2.59 2.59 2.32 2.08 2.08 2.00 1.85 1.852.4 18.0 8.0 0 32.0 3.18 2.59 2.59 2.32 2.08 2.08 2.00 1.85 1.852.5 1.00 8.0 0 25.0 3.18 3.15 3.80 2.32 2.31 2.68 2.00 1.99 2.276.5 17.0 9.0 0 31.0 3.18 2.62 2.62 2.32 2.62 2.09 2.00 1.86 1.867.5 38.0 11.0 0 40.0 3.18 2.09 1.62 2.32 2.09 1.42 2.00 1.69 1.339.0 38.0 10.0 0 38.0 - - - - - - - - -Ground Water Level 2.40 m표 5. Priebe의 간편법을 적용한 침하해석 결과 비교Case 1 Case 2 Case 3 Case 4재하하중(kN) 368 240 240 304계측 침하량 (mm) 3.1 3.2 1.8 2.5Priebe 제안식에 의한 침하량 (mm) 20.8 13.1 13.1 17.8역을 보강하기 위해 스톤컬럼이 시공되어졌고 스톤컬럼 시공전 Priebe 간편법을 적용하여 스톤컬럼이 보강된복합지반의 침하량을 산정하여 예비 설계가 수행된 결과를 본 절에서 정리하였다. 스톤컬럼으로 치환된 복합지반의 Priebe의 간편법으로 침하량을 예측하기 위해 현장 재하시험에서 예비설계에 적용한 설계 재하하중에대한 침하량을 계산하였다. 즉, 재하판의 단면적으로 환산하였을 때 Case 1의 경우는 135kPa, Case 2, 3, 4는60kPa에 해당하는 각각의 재하 하중에 대하여 지반개량계수를 산정하였고, 표 3에 개량계수 산정에 필요한 현장에 시공된 스톤컬럼의 물성치를 나타내었다. 표 4에서는 각 Case 별로 식 (2)를 이용하여 산정한 n 0와 면적비를 고려한 n 1 그리고 심도계수를 이용하여 산정한 n 2와 이러한 식들의 적용에 필요한 지반 물성치를 정리하였다.앞에서 산정한 지반개량계수를 시공 지반에 적용시켜 스톤컬럼으로 치환된 복합지반의 침하량을 계산하였다. 표 5에 Priebe 간편법에 의한 침하 해석결과와 시험시공한 지반의 현장 재하시험 계측값을 비교하였다.표 5에서 보듯이 스톤컬럼이 시공된 지반의 계측값보다Priebe 간편법을 이용하여 산정된 침하량이 4~8배 가량 크게 나타났다. 또한, 표 5에서 Case 2와 Case 3을비교할 경우, 재하판을 스톤컬럼 1본 위에 위치시켜 동일한 하중을 동일한 재하판 면적에 재하하는 경우(Case2)와 4본의 스톤컬럼 위에 하중을 재하(Case 3)하는 두가지 경우에서 현장에서 계측한 침하량은 상이한 구속조건 때문에 매우 다르게 나타났지만, Priebe 간편법을이용한 침하 해석에 있어서는 두 가지의 경우를 구분지어 적용시킬 수 없다. 즉, Priebe 간편법으로 산정한 침하량은 스톤컬럼이 시공된 실제 현장의 침하량보다 과대 평가된다. 이러한 결과는 Raman(2006)이 말레이시아 지역의 Trans-Asia Railway에 스톤컬럼이 시공된 현장에서 침하량을 현장계측하여 Priebe 간편법으로 설계한 침하량과 비교한 결과 현장 계측값이 Priebe 간편법으로 예상한 침하량보다 매우 작았고, 그 오차가 평균42.3%이라 보고하였다. 본 연구에서도 현장 재하시험이수행된 지역에서 계측된 스톤컬럼의 침하량과 예비 설계에 Priebe 간편법을 이용하여 산정된 침하량을 비교한결과, 기존 문헌에서 제시한 Priebe 간편법의 오차보다매우 크게 침하량을 산정한 것을 알 수 있다. 물론, 그림연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 59

5(a)의 Case 1과 그림 5(b)의 Case 2 경우에는 설계하중재하 후 침하량이 완전히 수렴하지 않고 시간에 따라약간 증가하는 경향을 보이나, 그 증가율은 미비한 것으로 판단된다. 이러한 결과들을 통해 Priebe 간편법으로계산된 침하량으로 스톤컬럼을 시공할 지반을 예비 설계할 경우 과다 설계되어 목표하고자 하는 지반 개량효과를 위해 시공 지반에 보다 많은 스톤컬럼을 시공하게되거나 말뚝의 치환율을 크게 할 수 밖에 없어 시공의경제성에 문제가 있을 것이라 판단된다.5. 수치해석을 통한 복합지반 거동 평가5.1 수치해석 모델링현장 재하시험 결과를 검증하기 위해 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS v6.7-1을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 해석에 사용된 재료의 물성치는 앞 절에서 전술한 동일한 현장조건을 적용하여 해석하였다.스톤컬럼이 시공된 지반의 수치해석은 무리말뚝이 시공된 실제 현장 지반의 구속 조건을 평가하기 위해 지반에 단말뚝만 시공된 조건만을 가정한 해석과 무리말뚝이 시공된 실제 조건을 적용하여 그 결과를 비교하였다.먼저 단말뚝이 시공된 지반에 대한 해석은 말뚝 중심축을 기준으로 축대칭조건이 성립되므로 2차원 축대칭모델을 적용하였다. 그림 6에서 나타낸 바와 같이 경계조건 설정에 있어서 좌-우측면은 수평방향 변위를 구속하였으며, 바닥면은 수평, 연직방향 변위를 구속하였다.재하시험 모델링에서 하중재하는 각 케이스별 재하판의 면적을 고려하여 현장 하중재하 스케쥴과 동일하게하중을 점진적으로 증가시키며 재하하였다. 스톤컬럼과현장 지반조건은 축대칭 4절점으로 모델링하였다. 스톤컬럼과 지반의 모델링에 있어 현장재하 실험 결과에서알 수 있듯이 9m의 말뚝이 시공된 복합지반의 침하량이10mm 미만의 미소변형만 발생하였기 때문에 복합지반의 파괴가 없다고 가정할 수 있으며 Priebe의 간편법에서 적용한 기본가정과 동일하게 스톤컬럼과 지반 모두탄성거동하는 것으로 가정하였다. 스톤컬럼과 지반의각 탄성계수는 표 3과 표 4에서 보여주는 실제 현장의지반 조사 결과와 동일한 탄성계수를 적용하여 해석을수행하였다.주변에 시공된 말뚝의 구속에 의한 지지력 향상을 평가하기 위한 무리말뚝의 모델링은 그림 7과 그림 8에서보여주는 바와 같이 종 방향 두 축에 대해 대칭조건이성립되므로 1/4단면에 대한 3차원 모델링을 수행하였다. 현장 지반과 하부지지층 그리고 쇄석말뚝은 3차원8절점 요소를 적용하였다. 변위경계조건에 있어 수평경계면은 각각 수평방향 변위를 구속하였으며, 바닥면은수평 및 연직방향 변위를 구속하였다. 한편 말뚝에 작용되는 하중은 케이스별 재하판에 점진적으로 하중이 증가하도록 모델링하여 현장 하중재하 스케쥴과 동일하(a) 축대칭 해석모델 및 경계조건그림 6. 단말뚝을 고려한 스톤컬럼의 2차원 축대칭 해석 모델링(b) 해석 격자60 한국지반공학회논문집 제27권 제1호

(a) 3차원 해석 영역그림 7. 무리말뚝을 고려한 스톤컬럼의 3차원 해석 모델링(Case 1,2,4)(b) 1/4단면 해석 격자(a) 3차원 해석 영역그림 8. 무리말뚝을 고려한 스톤컬럼의 3차원 해석 모델링(Case 3)(b) 1/4단면 해석 격자게 하중을 재하하였다.5.2 해석 결과 비교수치해석을 수행하여 현장 재하시험 Case별 단말뚝(2D)과 무리말뚝(3D)의 시간에 따른 침하량을 해석한결과를 현장 재하시험 계측값과 함께 그림 9에 도시하였다. Case 1에서 재하시험 과정에서 하중재하 마지막단계인 736kN 하중 재하시, 무리말뚝 효과를 고려한 수치해석(3D 해석)에서는 7.85mm로 계산되었으며 이는계측값 7.58mm에 매우 근접한 값이다. 그러나 단말뚝을 모사한 수치해석(2D 해석) 결과는 13.54mm로 계측값과 다소 차이가 있었다. 이러한 결과는 Case 2, 3, 4의경우도 마찬가지 나타났으며, 무리말뚝으로 모델링한수치해석 결과가 단말뚝으로 모델링한 해석 결과보다침하량이 적게 나타났으며, 무리말뚝으로 모델링한 수치해석 결과가 현장 계측값과 근접하게 나타나는 경향을 보여주고 있다. 이러한 결과를 통해 무리말뚝이 시공된 지반은 주변 말뚝으로 인한 구속조건으로 지지력이향상되기 때문에 재하시험을 유한요소해석을 이용하여검증하는데 있어서 무리말뚝 조건을 고려해야함을 알수 있다. 같은 크기의 재하판이 1 본의 스톤컬럼 위에설치된 Case 2의 경우와 4 본의 스톤컬럼 위에 설치한Case 3의 경우 수치해석 결과는 침하량이 각각 6.62mm와 4.99mm 로 나타났으며, 이러한 결과 역시 현장 재하시험 계측값과 유사한 경향을 보여주고 있다. 본 연구대상지반에서 ABAQUS를 적용한 유한요소해석은 스톤컬럼이 타설된 복합지반의 침하특성 해석에 적용성연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 61

002Settlement (mm)46810121416계측값ABAQUS 2DABAQUS 3D0 500 1000 1500 2000Time (min)Settlement (mm)481216계측값ABAQUS 2DABAQUS 3D0 200 400 600 800 1000 1200Time (min)(a) Case 1 (b) Case 200Settlement (mm)481216계측값ABAQUS 2DABAQUS 3D0 100 200 300 400 500 600 700 800 900Time (min)Settlement (mm)481216계측값ABAQUS 2DABAQUS 3D0 200 400 600 800 1000Time (min)(c) Case 3 (d) Case 4그림 9. 수치해석 결과 비교Vertical stress increment (kPa120906030Case 1 (말뚝부)Case 1 (점토부)Case 2 (말뚝부)Case 2 (점토부)Case 4 (말뚝부)Case 4 (점토부)Stress concentration ratio, n2.82.62.42.200 50 100 150Pressure (kPa)2100 200 300 400Load (kN)(a) 재하하중에 따른 말뚝부와 지반의 응력증분그림 10. 재하하중에 따른 응력분담비(b) 재하하중에 따른 응력분담비이 있음이 판단되었다.그림 10은 단말뚝 위에 재하판을 설치하고 점진적으로 하중을 재하한 Case 1, Case 2, Case 4를 해석한 경우말뚝부와 지반에서 발생한 연직응력증분값과 그 값을비교하여 재하 하중에 따른 응력분담비(=스톤컬럼에 발생한 응력/지반에 발생한 응력)를 산정하여 도시한 것이고, 본 현장에서 예측된 복합지반의 응력분담비가 2~3정도임을 알 수 있다. 말뚝부의 연직응력증분은 재하판으로부터 1m 아래 말뚝 중심의 해석 결과이고 지반의연직응력증분은 동일한 높이에서의 말뚝과 말뚝 중간위치의 지반의 연직응력 증분 해석값이다. 예측된 응력분담비는 일반적 스톤컬럼이 시공된 현장의 설계에 적62 한국지반공학회논문집 제27권 제1호

용하는 응력분담비와 유사한 결과이다. 또한, 재하하중이 클수록 응력분담비가 감소하는 경향을 확인할 수 있는데, 이러한 해석 결과를 통해 지반에 많은 하중이 전달되는 복합지반의 응력분담거동을 확인할 수 있다.6. 결 론본 연구에서는 연약지반의 개량에 있어 말뚝이 시공된 복합지반의 침하거동특성을 규명하기 위해 연약한암염층(Sabkha)이 존재하는 Saudi의 Kayan 지역의 스톤컬럼이 시공된 현장에서의 재하시험 결과를 Priebe 간편법과 수치해석으로 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.(1) 시공 현장 지반개량을 위해 스톤컬럼을 지면으로부터 9.0m 깊이까지 시공하였고, 재하시험은 재하판의 크기에 따라 4 가지 Case로 수행되었다. 현장재하시험에서 계측된 스톤컬럼의 침하량에 비하여Priebe 간편법을 이용하여 산정된 침하량이 4~8배가량 크게 나타났다. 이는 Priebe 간편법을 설계에적용할 경우, 상당히 과다 설계되어 목표하고자 하는 지반 개량효과를 위해 보다 많은 스톤컬럼을 시공하거나 말뚝의 치환율을 크게 할 수 밖에 없어 시공의 경제성에 문제가 있을 것으로 판단된다.(2) 현장시험 계측 침하량을 ABAQUS 프로그램을 이용한 수치해석을 통하여 단말뚝만 고려한 2차원 해석과 무리말뚝을 고려한 3차원 해석을 수행한 결과,계측 침하량과 무리말뚝을 고려한 해석 침하량이유사함을 보이고 있어 주변말뚝으로 인한 구속조건으로 지지력이 향상되었음을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 본 연구 대상지반에서 스톤컬럼이 타설된 복합지반의 침하특성 해석에 있어 수치해석을 이용한 복합지반의 침하량 예측의 적용성이있다고 판단할 수 있다.(3) 수치해석을 통해 스톤컬럼과 지반에서 발생한 연직응력 증분값을 비교하여 응력분담비(=스톤컬럼에발생한 응력/지반에 발생한 응력)를 산정한 결과2~3정도로 나타났다. 또한 재하하중이 클수록 응력분담비가 감소하는 경향을 확인할 수 있는데. 이러한 결과를 통해 지반에 많은 하중이 전달되는 복합지반의 응력분담거동을 확인할 수 있다.참 고 문 헌1. 남호우 (1989) ARABIAN GULF 연안의 SABKHA 토질 개량 공법, 대림기술정보 1,2,2 pp.16-28.2. Aboshi, H., Ichimoto, E., Enoki, M. and Harada, K. (1979), “TheCompozer- a method to improve characteristics of soft clays byinclusion of larger diameter sand column”, Proc. of Int. Conf. onSoil Reinforcement, Paris, pp.211-216.3. Al-Amoudi, O. S. B. (1992), Studies on soil-foundation interactionin the sabkha environment of Eastern Province of Saudi Arabia,Ph.D. Thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals,Saudi Arabia.4. Al-Shamrani, M. A. (2004), “Applicability of the rectangular hyperbolicmethod to settlement predictions of sabkha soils”, Geotechnicaland Geological Engineering, Vol.22, pp.563-587.5. Al-Shamrani, M. A. and Dhowian, A. W. (1997), “Preloading forreduction of compressibility characteristics of sabkha soil profiles”,Engineering Geology, Vol.48, No.1-2, pp.19-41.6. Balaam, N. P. and Poulos, H. G. (1983), “The behaviour of foundationssupported by stone columns”, European Conference onSoil Mechanics and Foundation Eng., Vol.8, No.1, pp.199-204.7. Dhowian, A. W., Erol, A. O., Sultan, S. (1987), “Settlement predictionsin complex sabkha soil profiles”, Bulletin of EngineeringGeology, No.36, pp.11-21.8. Greenwood, D.A (1970), “Mechanical improvement of soils belowground surface”, Proseedings, Ground Engineering conf., Institutionof Civil Engineering, June. pp.11-12.9. Khan, I. H. and Hasnain, S. I. (1981), “Engineering properties ofsabkha soils in the benghazi plain and construction problems”,Engineering Geology, Vol.17, No.3, pp.175-183.10. McKenzie, J. A. (1981), “Holocene dolomitization of calcium carbonatesediments from the coastal sabkhas of Abu Dhabi, UAE:a stable isotope study” Journal of Geology, Vol.89, pp.185-198.11. Mitchell, J. K. and Huber, T . R. (1985), “Performance of a stonecolumn foundation”, Journal of Geotechnical Eng., ASCE, Vol.111,No.2, pp.205-223.12. Priebe, H. J. (1995), The design of vibro replacement, GroundEngineering, Technial paper GT 07-13 E.13. Raman, S. (2006), Comparison of Predicted Settlement Behaviorto the Field measurement of Stone Column Improved Ground,M.S. Theis, Universiti Teknologi Malaysia, Malaysia.(접수일자 2010. 8. 5, 심사완료일 2010. 12. 6)연약 암염층(Sabkha)에 보강된 스톤컬럼의 침하거동에 관한 해석방법 비교연구 63