시멘트 및 바이오폴리머 혼합 지반의 동적 특성 및 지반응답해석 평가
Evaluation of Dynamic Properties and Ground-Response Analysis of Soil Reinforced with Cement and Biopolymer
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Abstract
2016년 경주지진과 2017년 포항지진 이후에도 지속적으로 지진이 발생하여 지진에 대한 경각심이 크게 증가하였다. 지진에 의해서 구조물뿐만 아니라 인명피해까지 발생하고 있어 지진 피해를 감소시키기 위해서는 구조물의 내진성능 향상 및 내진설계가 필수적이다. 구조물의 내진성능을 향상시키기 위해 지반을 개량 및 보강하고 구조물의 내진성능을 평가하기 위해서는 해당 구조물 부지의 동적 특성을 고려한 지반응답해석이 수행되어야 한다. 또한, 현재까지 시멘트가 지반개량을 위한 재료로 많이 사용되었지만 최근 친환경적 시공을 위한 바이오폴리머를 이용한 지반개량공법 역시 다수 연구되고 있다. 하지만 바이오폴리머를 이용한 지반개량 시 동적 특성의 변화와 그에 따른 지반응답해석에 대한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 바이오폴리머를 이용하여 지반개량 시 효과를 확인하기 위해 시멘트와 알긴산 나트륨을 혼합한 시료를 이용하여 공진주 시험을 실시하였다. 또한, 개선된 시료의 동적 특성을 활용하여 지반응답해석을 수행하여 지반개량 시 지반의 안정성을 확인하였다. 그 결과 바이오 폴리머를 흙과 혼합 시 지반의 동적 특성인 전단탄성계수와 감쇠비의 영향을 주는 것을 확인하였고 지반응답해석 결과 지표면 최대지반가속도가 감소하는 것을 확인하였다.
Trans Abstract
In Korea, earthquakes have continued to occur even after the occurrence of Gyeongju and Pohang earthquakes of 2016 and 2017, respectively, raising awareness of earthquakes. Because earthquakes cause damage to not only structures but also humans, it is essential to improve the seismic performance and design earthquake-resistant structures to minimize earthquake damages. If the seismic performance of a structure is improved through ground improvement and reinforcement, ground response analysis should be performed considering the dynamic properties of the site of the structure. In addition, cement has been widely used as a material for ground improvement, but recently, ground improvement methods in which biopolymers are utilized for ecofriendly construction have been investigated extensively. However, studies on the changes in the dynamic properties of ground improved using biopolymers, and the ground-response analysis has not been investigated in detail. In this study, resonant column tests were performed using samples mixed with cement and sodium alginate to evaluate the effects of ground improvement using a biopolymer. In addition, the dynamic properties of the improved samples were adopted in performing the ground response analysis, which demonstrated confirmed the ground stability after ground improvement. From the results, the ground dynamic properties, shear modulus, and damping ratio were influenced when the biopolymer and cement were mixed with the soil. Furthermore, the ground response analysis confirmed that the maximum ground acceleration on the surface decreased.
1. 서 론
지진은 지반 변형, 해당 부지 구조물 및 인명 피해를 발생시킨다. 최근 2016년 경주지진 및 2017년 포항지진으로 구조물과 인명 피해가 크게 발생하였고, 이에 따라 지진에 대한 경각심도 올라가고 있다. 국내 구조물 기초 설계 시에는 지진에 의한 피해를 감소시키기 위해서 내진설계의 기준이 강화되고 있다. 하지만 국내 내진설계 기준이 바뀌기 전에 완공된 구조물은 내진설계가 고려되어 있지 않은 경우가 있기 때문에, 내진 성능 향상을 위한 보강공법이 필요한 실정이다. 내진 성능 향상을 위한 공법의 한가지로 구조물 하부 지반에 약액을 주입하는 그라우팅 공법이 있다. 지반에 주입하는 약액으로써 시멘트가 가장 대표적으로 사용되고 있지만, 최근 환경적인 문제가 부각되면서 친환경적 소재를 이용한 지반 개량공법이 많이 연구되고 있는 실정이다.
내진 해석 및 설계는 지진에 의한 반복하중 등의 동적 하중을 고려해야 되기 때문에, 지반의 동적 계수의 정확한 평가가 중요하다. 지반의 동적 계수는 지반의 종류 및 약액주입 등의 보강기법에 의해 영향을 받는다. Hardin and Black (1968)은 흙의 동적 계수인 전단탄성계수와 감쇠비에 영향을 주는 요인으로써 구속압, 포화도, 간극비 흙의 구조 등을 소개하였고, Seed and Idriss (1970)는 순수 모래에 대한 전단탄성계수와 감쇠비 곡선을 평가하였다. 또한, 흙과 시멘트를 혼합한 시료에 대한 동적 계수를 평가하기 위한 연구가 많이 진행되었다(Acar and El-Tahir, 1986; Dvorkin et al., 1991; Baig et al., 1997; Cuccovillo and Coop, 1997; Fernandez and Santamarina, 2001; Yong, 2002; Delfosse-Ribay et al., 2004; Yang, 2008; Yang and Salvati, 2010; Xiao et al., 2014; Hsiao et al., 2016). Im et al. (2017)은 시멘트 이외에 다른 혼합재료로써 바이오폴리머의 일종인 잔탄 껌(Xanthan Gum), 갤런 껌(Gellan Gum)을 흙과 혼합하여 동적특성을 평가하였고 Wang and Mei (2012)는 폐타이어 고무 및 시멘트를 흙과 혼합하여 동적특성 평가 연구를 수행하였다. Lee et al. (2014)은 고무와 흙을 함량에 따라 동적계수의 변화를 비교, 분석하였다. 지반의 동적 계수는 지반응답해석 기법 중 하나인 등가선형응답해석에 활용되는 연구가 수행되어왔다 (Kramer, 1996; Kumar et al., 2014; Adampira et al., 2015; Kim, 2017). 본 연구에서는 시멘트와 바이오폴리머의 일종인 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)을 흙을 혼합하여 공진주 시험을 수행하였다. 그 결과, 혼합시료의 전단탄성계수 및 전단변형률에 따른 감쇠비의 변화를 평가하였다. 또한, 혼합시료의 동적특성을 활용하여 등가선형 지반응답해석을 수행함으로써, 알긴산 나트륨으로 개량된 지반의 지표면 최대지반가속도의 변화를 평가하였다.
2. 시험재료 및 시험방법
2.1 시험재료
본 연구에서는 현장에서 채취한 노상토를 시료로 사용하였다. 보강 효과를 비교하기 위해 혼합재료로써 시멘트 및 바이오폴리머 종류 중 하나인 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)을 사용하였다. 흙 시료의 기본 물성은 Table 1과 같고, 흙의 분류는 통일분류법에 의해 입도가 불량한 모래(SP)로 구분된다.
Property of Sand
바이오폴리머는 자연에서 추출 가능한 재료를 활용하여 파우더 형태로 만든 물질로 본 시험에 사용한 알긴산 나트륨은 Fig. 1과 같은 해조류의 세포벽에서 나오는 알긴산을 통해 만들어진다. 알긴산 나트륨은 점탄성 성질을 가지고 있어 물에 녹여 수용액 형태로 흙 입자 사이 공극에 주입하여 지반의 강도와 강성을 높일 수 있다. 알긴산 나트륨의 재료특성은 Table 2에 나타냈다. 또한, 바이오폴리머와 비교를 위해 사용한 혼합재료로써는 KS L 5201 포틀랜드 시멘트(1종)를 사용하였다.
Sodium Alginate Characteristics
Property of Sodium Alginate
2.2 시험 장치 및 방법
알긴산 나트륨(Sodium Alginate) 및 시멘트로 보강된 흙의 전단 변형률에 따른 전단탄성계수와 감쇠비 산정을 위하여 공진주 시험기를 활용한 실내시험을 수행하였다. 시험에 사용한 공진주 시험장비는 Fig. 2와 같이 Stoke식 공진주 시험기로 원통형의 공시체를 높이 10 cm 직경 5 cm로 성형하여 밑면 고정 및 상부 자유 조건으로 거치한다. 상부에 주파수 범위로 비틂 가진을 주어 공진 주파수를 찾는 방식이다.
Experimental Setup for Resonant Column Test
공진주 시험에 사용한 시료의 혼합비는 Table 3에 나타냈다. 시멘트 혼합비는 Eq. (1)과 같이 흙과 시멘트의 중량비로 나타냈으며 2.5%, 5%, 7.5%씩 증가시키며 제작하였다. 여기서 Wc는 시멘트 중량(g) Ws는 흙 중량(g)이다.
Contents of Mixed Materials
알긴산 나트륨 수용액(Sodium Alginate solution)의 농도는 Eq. (2)와 같이 질량백분율 3.2 wt%로 하여 사용하였다.
제작한 알긴산 나트륨 수용액(Sodium Alginate solution)은 Eq. (3)과 같이 함수비 7.5%로 건조 시료와 혼합하였다. 여기서 Ww는 물의 중량(g), WSA는 알긴산 나트륨의 질량(g)이다.
공시체 성형 시 시료 전체가 균일한 밀도를 가질 수 있게 과소 다짐법을 이용하였고, 시험 시 구속압은 동일하게 100 kPa로 유지하였다.
3. 공진주 시험결과
3.1 시멘트 및 알긴산 나트륨 혼합량에 따른 최대 전단탄성계수
Fig. 3은 시멘트 혼합량과 알긴산 나트륨 수용액(Sodium Alginate solution) 농도에 따른 최대 전단탄성계수를 나타낸다. 건조 흙 시료의 경우 최대 전단탄성계수가 39.5 MPa로 나타났다. 시멘트 혼합시료의 경우 시멘트 혼합량이 2.5%, 5%, 7.5%로 증가함에 따라 최대 전단탄성계수가 각각 59 MPa, 69.4 MPa, 93.5 MPa로 증가하였다. 알긴산 나트륨(Sodium Alginate) 3.2 wt% 수용액 혼합시료는 최대 전단 탄성계수가 46.5 MPa로 건조 시료보다는 약 17% 증가하는 효과를 나타냈다.
Maximum Shear Modulus of Mix Content
3.2 시멘트 및 알긴산 나트륨 혼합량에 따른 정규화 전단탄성계수 곡선
Fig. 4는 시멘트 혼합량과 알긴산 나트륨 수용액(Sodium Alginate Solution) 농도에 따른 정규화 전단탄성계수 곡선을 나타낸 그래프이다. 시멘트 혼합량이 0%에서 2.5%, 5% 7.5%로 증가함에 따라 정규화 전단탄성계수 곡선의 선형구간이 짧아져 건조시료 곡선의 왼쪽으로 이동하는 경향을 나타냈으며 시멘트 혼합량 0%(무처리토) 시료와 비교하여 혼합량이 증가함에 따라 동일한 전단변형율에서 정규화 전단탄성계수가 급격하게 줄어들었다. 알긴산 나트륨 수용액(Sodium Alginate Solution)을 혼합한 시료의 정규화 전단탄성계수 선형구간은 건조 시료에 비해 감소하고, 왼쪽으로 이동하였다.
Normalized Shear Modulus of Mix Content
3.3 시멘트 및 알긴산 나트륨 혼합량에 따른 감쇠비 곡선
Fig. 5는 시멘트와 알긴산 나트륨(Sodium Alginate) 혼합량에 따른 감쇠비 곡선이다. 동일한 전단변형률에서 시멘트 혼합량이 증가함에 따라 감쇠비가 증가하였고 이에 따라 곡선이 왼쪽으로 이동하는 경향을 나타내었다. 알긴산 나트 륨(Sodium Alginate) 혼합시료의 감쇠비 곡선은 전단변형률이 0.01% 이하에서는 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)이 혼합된 시료가 감쇠비가 더 높게 나타났지만, 전단변형률 0.01% 이후로 기울기가 낮아 전단변형률 0.05% 이후에는 건조 시료의 감쇠비가 더 높게 나타났다.
Damping Curve of Mix Materials
이는 흙 공극 사이의 시멘트와 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)은 전단변형률이 증가함에 따라 결합이 붕괴하여 정규화 전단탄성계수 곡선에서 선형구간이 감소하고 감쇠 현상에서 에너지 소산을 막아준 것으로 판단된다.
4. 지반응답해석
4.1 지반응답해석 방법
지진파는 암반에서부터 시작되어 지반을 거쳐 지표면으로 이동하면서 지반의 동적 특성에 따라 증폭 또는 감폭 현상이 일어나게 된다. 따라서, 암반층에서 관측된 지진데이터는 해당 부지의 특성에 따른 지진파 변화를 평가하는 지반응답해석을 실시하여 정확한 지표면 지진하중을 예측하여야 한다.
본 연구에서는 시멘트 또는 알긴산 나트륨 보강재료 혼합량에 따른 지반의 동적 특성 시험결과를 활용하여 지표면 최대지반가속도를 평가하기 위해 등가선형 지반응답해석을 수행하였다. 등가선형 지반응답해석은 선형 해석방법 중에서 지반의 비선형적 동적 특성을 고려하기 위해 반복계산을 수행하는 방법으로 상용프로그램인 DEEPSOIL을 이용하여 수행하였다. 지반을 모사하기 위해 국토지반 정보포털시스템에서 ○○지역 저수지 인근의 시추공 자료를 Fig. 6에 정리하였다. Fig. 6과 같이 해석 대상 지반은 5 m 두께의 화강풍화토, 7 m 두께의 실트질 모래 및 암반층으로 구성되어 있다. 이 중, 상부 5 m 두께의 화강풍화토 부분을 공진주 시험 데이터를 활용하여 원지반과 보강재를 이용한 개량지반으로 모사하여 지반응답해석을 수행하였다. 개량지반의 물성치는 Table 4에 나타냈다. 7 m 실트질 모래와 암반층은 경주지역 물리탐사 실험 데이터를 참고문헌으로 평균값을 취하였다. 본 논문에서는 지반개량에 따른 지반의 동적 특성 변화에 중점을 두고, 추가로 지진파의 탁월 주파수에 따른 비교를 위해서 입력 지진파로는 장주기파 특성의 Hachinohe 지진파, 단주기파 특성의 Ofunato 지진파를 사용하였다.
Soil types of Site for Ground Response Analysis (KGS, 2010)
Input Parameters for Ground Response Analysis
4.2 지반응답해석 결과
Fig. 7은 등가선형 지반응답해석 수행을 통해 구한 지표면의 최대가속도를 순수지반의 최대지반가속도로 나누어 정규화 값을 나타낸다. 지표면 최대지반가속도가 시멘트 혼합량이 증가함에 따라 감소하였다. 예를 들어 7.5% 시멘트 혼합 지반은 순수지반에 비해 Ofunato 지진의 경우 17%, Hachinohe 지진의 경우 16%의 지표면 최대가속도 감소를 나타내었다. 알긴산 나트륨 수용액 혼합 지반에서는 Ofunato 및 Hachinohe 지진에 대하여 각각 5%, 4%의 최대지반가속도 감소를 나타내었다.
Normalized PGA of Mixed Materials
5. 결 론
본 연구에서는 바이오폴리머 중 하나인 알긴산 나트륨(Sodium Alginate)과 시멘트를 건설현장에서 사용되는 노상토와 혼합하여 시료를 제작하였다. 공진주 시험을 수행하여 보강 시료의 동적 특성인 최대 전단탄성계수, 정규화 전단탄성계수 곡선, 감쇠비 곡선을 산정하였다. 공진주 시험을 통해 산정한 시료의 동적 특성을 활용하여 등가선형 지반응답해석을 수행하고, 지표면 최대지반가속도를 평가하였다. 본 연구에서 활용된 알긴산 나트륨 3.2 wt% 농도 수용액의 시료에서의 함수비는 7.5%이다. 이는 사용된 알긴산 나트륨의 질량이 흙 질량 대비 0.25%(1 g의 알긴산 나트륨)에 해당하기 때문에, 보강을 위해 사용된 시멘트의 양(2.5%~ 7.5%)보다 상대적으로 적지만, 시멘트 2.5%의 혼합시료보다 비슷하거나 우수한 성능을 보이고 있다. 본 연구에서 관찰된 구체적인 결과는 다음과 같다.
(1) 처리되지 않은 순수 건조 시료와 시멘트를 혼합한 시료의 최대 전단탄성계수를 비교하였을 때, 시멘트 혼합량이 증가함에 따라 최대 전단탄성계수는 증가한다.
(2) 처리되지 않은 순수 건조 시료와 알긴산 나트륨 수용액을 혼합한 시료의 최대 전단탄성계수를 비교하였을 때 알긴산 나트륨 3.2 wt% 수용액 혼합시료의 최대 전단탄성계수는 17% 증가한다.
(3) 시멘트 혼합시료의 정규화 전단탄성계수 곡선은 시멘트 함량이 증가함에 따라 선형구간이 짧아져 순수 건조 시료 곡선의 왼쪽으로 이동하는 경향을 나타낸다.
(4) 시멘트 혼합시료의 감쇠비 곡선은 시멘트 함량이 증가함에 따라 최소 감쇠비가 증가하여 동일한 전단변형률에서 건조 시료보다 혼합시료가 더 큰 감쇠비를 보였다.
(5) 알긴산 나트륨 수용액 혼합시료의 정규화 전단탄성계수 곡선은 처리되지 않은 건조 시료보다 선형구간이 짧아져 건조 시료 곡선의 왼쪽으로 이동한다.
(6) 알긴산 나트륨 수용액 혼합시료의 감쇠비 곡선은 저변형률에서는 같은 전단변형률에서 감쇠비가 더 크게 나타나다가 0.05% 전단변형률 이후에서는 처리되지 않은 시료의 감쇠비가 더 높게 나타난다.
(7) 공진주 시험결과를 활용하여 등가선형 지반응답해석을 수행한 결과 시멘트 혼합량이 증가함에 따라 최대지반가속도가 감소한다. 알긴산 나트륨 수용액 혼합시료는 최대지반가속도의 감소가 미비하다.
(8) 알긴산 나트륨 수용액 농도에 따른 최대 전단탄성계수와 정규화 전단탄성계수 곡선 그리고 감쇠비 곡선에 관한 연구가 향후 필요할 것으로 사료된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원(과제번호: 20CTAP-C153021-02)으로 수행되었습니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.