본문내용
1. 토질역학 기초
1.1. 지반 침하의 원리
1.1.1. 탄성침하와 압밀침하의 차이점
탄성침하와 압밀침하는 지반 침하의 발생 원리가 다르다. 탄성침하는 함수비 변화 없이 지반의 탄성변형에 의해 발생하는 침하이다. 즉, 지하수가 아예 없는 점토 지반에서도 발생할 수 있다. 반면 압밀침하는 지반 내 공극 물과 공기의 유출에 따른 체적 변화로 인해 발생한다. 따라서 압밀침하는 지반의 함수비 변화가 수반된다는 차이점이 있다.
점토 지반의 경우 간극비가 크고 투수계수가 작아 압밀침하가 탄성침하보다 훨씬 크게 발생한다. 또한 압밀침하는 장시간에 걸쳐 발생하지만, 탄성침하는 시간이 지나면서 원래 상태로 되돌아오는 특성을 보인다. 즉, 압밀침하는 지반의 체적 변화가 영구적으로 발생하는 반면, 탄성침하는 탄성변형에 의한 일시적인 침하라고 할 수 있다.
1.2. 과잉간극수압의 발생 원리
흙 속에서의 과잉간극수압이 발생하는 원리는 다음과 같다.
실린더 내부 단면적이 A이고 실린더가 물로 채워져 있으며 마찰없는 수밀성의 피스톤과 밸브가 장착되어 있다고 가정하자. 피스톤에 하중 P를 가하고 밸브를 닫은 채로 유지하면 물은 비압축성이기 때문에 전체 하중은 실린더 내부의 물에 전달될 것이고 스프링은 변형이 일어나지 않을 것이다. 이때의 과잉간극수압(△u)은 △u = P/A 로 나타내어지고 이 값은 실린더에 부착된 압력게이지에 의해 관측될 수 있다.
즉, 흙 속에 가해지는 응력이 증가하면 과잉간극수압이 발생하게 되는데, 이는 흙이 비압축성 유체인 물로 포화되어 있기 때문이다. 가해진 응력은 즉시 간극수압 증가로 이어지며, 이렇게 증가된 간극수압은 점차 배수되어 감에 따라 유효응력이 증가하게 된다.
이처럼 과잉간극수압의 발생은 포화된 흙 내부에서 가해진 응력이 간극수압 증가로 나타나는 현상이며, 이는 흙의 압축성과 투수성, 비압축성 간극수의 특성에 기인한다고 볼 수 있다.
1.3. Terzaghi 압밀이론의 적용 범위
Terzaghi 압밀이론은 포화된 점토지반의 압밀 거동을 설명하기 위해 개발된 이론으로, 다음과 같은 가정에 기반하고 있다.
첫째, 흙은 균질하고 완전히 포화되어 있다. 실제 지반은 불균질하고 부분적으로만 포화되어 있는 경우가 많지만, Terzaghi 이론은 이러한 차이를 고려하지 않고 있다.
둘째, 흙 입자와 물의 압축성은 무시할 수 있다. 실제로는 흙 입자와 사간극수의 압축성이 압밀거동에 영향을 미칠 수 있다.
셋째, Darcy의 법칙을 따르며 투수계수가 일정하다. 그러나 실제 지반에서는 응력 수준에 따라 투수계수가 변화할 수 있다.
넷째, 압축토층은 횡적으로 변위되지 못하도록 구속되어 있다. 실제로는 압축토층의 측방 변형이 발생할 수 있다.
다섯째, 유효응력과 압축토층의 간극비는 반비례하는 관계를 갖는다. 그러나 실제 토조직의 변형 특성에 따라 다른 관계를 보일 수 있다.
이처럼 Terzaghi 압밀이론은 실제 지반의 복잡한 거동을 단순화한 모델로, 실제 지반의 거동을 완벽하게 재현할 수 없다. 따라서 Terzaghi 압밀이론을 적용할 때에는 이러한 가정들이 실제 지반 조건과 얼마나 부합하는지 신중하게 검토해야 한다.
1.4. 압밀시험 시료의 준비와 보관
압밀시험 시료의 준비와 보관은 압밀시험 수행에 있어 매우 중요한 부분이다. 함수비를 변화시키지 않도록 하고 시료가 흐트러지지 않도록 충분히 주의해야 한다. 압밀링의 질량, 높이 및 안지름을 잰다. 필요한 시험체 높이보다 5~10mm 큰 시료를 트리머의 회전판 위에 놓고 줄톱, 칼 등을 사용하여 시료를 시험체의 지름보다 3~5mm 큰 원반 모양으로 만든다. 트리머 위에 시료의 윗면에 압밀링을 장착한 커터링을 놓고 날 끝이 닿는 부분의 시료를 줄톱, 칼 등으로 커터링 의 안지름보다 1~2mm 크게 트리머의 상판을 가볍게 누르고 시료에 커터링을 2~3mm 눌러 넣는다. 이 조작을 반복하여 시료를 커터링 안에 틈 없이 넣는다. 이러한 방법으로 시료를 준비하여 함수비 변화를 최소화하고 시료의 교란을 방지한다. 이는 압밀시험 결과의 정확도를 높이기 위한 것이다.
1.5. 압밀배수공법의 종류와 원리
트렌치공법은 인력 또는 습지장비를 이용하여 연약층이 주변부터 폭 0.5~1m, 깊이 0.3~0.7m 정도의 트렌치를 순차로 설치하여 배수와 자연건조에 의하여 표층부의 토질을 개량하는 방법이다. 고함수비의 점성토지반 등에 적용된다. 설치가 간단하고 경제적인 방법이다.
수평배수재 타설공법은 트렌치공법을 개량한 공법으로, 수륙양용 장비를 이용하여 준설매립지반의 상부에 2단으로 길이 2m까지, 간격 30~50m로 원형 배수재를 수평으로 매설하여 배수 및 건조를 촉진하는 공법이다.
수평 진공배수공법은 초연약지반인 준설매립지반의 표층부에 매설선을 이용하여 일정한 간격으로 배수재를 수평으로 매설하고, 진공펌프를 가하여 배수를 촉진시키는 방법이다.
흡입관 진공배수공법은 초연약지반인 준설매립지반의 표층부에 크레인을 이용하여 일정한 간격으로 흡입관을 연직방향으로 설치하고 진공압을 가하는 공법이다.
동결공법...
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