Title Page

국문초록

Contents

Notations 15

Abbreviations 19

1. INTRODUCTION 20

1.1. Background 20

1.2. Necessity of This Study 21

1.3. Scope and Outline 23

2. LITERATURE REVIEW 26

2.1. Introduction 26

2.2. Empirical Methods for Index Properties 28

2.2.1. Introduction 28

2.2.2. Soil classification 28

2.2.3. Unit weight 32

2.2.4. Relative density 34

2.2.5. Coefficient of lateral stress 37

2.3. Evaluation Methods of Shear Strength 39

2.3.1. Introduction 39

2.3.2. Laboratory test 39

2.3.3. Field test 46

2.4. Evaluation Methods of Deformation Modulus 51

2.4.1. Introduction 51

2.4.2. Empirical methods for elastic modulus 51

2.4.3. Empirical methods for maximum shear modulus 56

2.4.4. Normalized modulus degradation curve 59

3. STUDY AREA AND TEST PROGRAM 68

3.1. Study Area 68

3.2. Geological Characteristics 69

3.3. Experimental Program 74

3.3.1. Sampling and field tests 75

4. TEST RESULTS OF THE DEEP SAND 90

4.1. Introduction 90

4.2. Physical Properties 91

4.2.1. Sampling log 91

4.2.2. Grain size distribution and specific gravity 91

4.2.3. Maximum and minimum density 94

4.2.4. Soil profiling 96

4.2.5. Unit weight 100

4.2.6. Relative density 103

4.2.7. Coefficient of lateral stress 104

4.3. Shear Strength 104

4.3.1. Shear strength from laboratory test 104

4.3.2. Shear strength from in-situ test 109

4.4. Deformation Modulus 111

4.4.1. Elastic modulus 111

4.4.2. Maximum shear modulus (G0)(이미지참조) 119

5. EVALUATION OF SHEAR STRENGTH 124

5.1. Introduction 124

5.2. Correlation between Estimated Shear Strengths 124

5.3. Development of New Empirical Method for Shear Strength 127

5.4. Summary 129

6. EVALUATION OF DEFORMATION MODULUS 130

6.1. Introduction 130

6.2. Correlation between Estimated Deformational Moduli 131

6.2.1. Elastic modulus 131

6.2.2. Maximum shear modulus 132

6.3. Normalized Modulus Degradation Curve 133

6.3.1. Maximum shear modulus 133

6.3.2. Development of Modulus Degradation Curves 136

6.4. Reevaluation of Elastic Modulus Using Modulus Degradation Curves 142

6.5. Development of New Empirical Method for Deformation Modulus 143

6.6. SUMMARY 145

7. SUMMARY AND CONCLUSIONS 146

7.1. Introduction 146

7.2. Evaluation of Physical Properties 147

7.3. Sample Preparation 148

7.4. Shear Strength 149

7.5. Deformation Modulus 150

7.6. Recommendations 151

REFERENCES 152

APPENDIX 165

ABSTRACT 170

Table 2.1. Applicability and usefulness of in-situ tests 28

Table 2.2. Soil behaviour type classification and approximate soil unit weight 31

Table 2.3. Soil behaviour type boundaries 32

Table 2.4. Tentative values of β for various soil types 47

Table 2.5. Typical values of soil attraction α and tanφ' 48

Table 2.6. Modulus factor a for different soil types 53

Table 4.1. Classification of the sands 99

Table 4.2. Test results obtained from drained triaxial compression test 106

Table 4.3. Peak friction angles obtained from triaxial test at sampling depths 109

Table 4.4. Elastic modulus values obtained from triaxial test at sampling depths 114

Table 4.5. Elastic modulus obtained from RC test 116

Table 4.6. Equivalent elastic modulus obtained from PMT 118

Table 4.7. Test results obtained from RC test 120

Table 4.8. G0 estimated from triaxial tests(이미지참조) 120

Fig. 2.1. Soil behaviour type classification 30

Fig. 2.2. Eslami-Fellenius soil profiling chart 32

Fig. 2.3. Multiple regression relationship to estimate unit weight 34

Fig. 2.4. Effect of sand compressibility on the relationship of qc, σ'v0, and Dr(이미지참조) 36

Fig. 2.5. Relative density relationship suggested by Jamiolkowski et al. (2001) 38

Fig. 2.6. Relationship between bearing capacity number and friction angle from large CC tests 47

Fig. 2.7. Chart for predicting φ'p using CPT profiles based on Durgunoglu and Mitchell (1975)... 47

Fig. 2.8. Es of silica sands estimated using CPT profiles(이미지참조) 53

Fig. 2.9. Dr-kG correlation(이미지참조) 58

Fig. 2.10. Modulus degradation vs. shear strain for initial monotonic (static) and dynamic (cyclic) loading conditions 60

Fig. 2.11. Determination of parameters a and b from the Kondner's hyperbolic stress-strain relationship 62

Fig. 2.12. Modulus degradation curves in terms of τ/τmax (이미지참조) 63

Fig. 2.13. Definition of normalized shear stress 66

Fig. 3.1. Location map 68

Fig. 3.2. Geological map around Busan Area 69

Fig. 3.3. Longitudinal section of the Nakdong River deltaic area 70

Fig. 3.4. Stratification at the MJ test site 71

Fig. 3.5. Depositional chronology of Busan and other clays 72

Fig. 3.6. Changes of sea level and ages of the deltaic deposits 72

Fig. 3.7. Depositional environment and geotechnical properties at Hwajeon site 73

Fig. 3.8. Stratigraphy and depositional units with sediment accumulation curve 74

Fig. 3.9. Investigation plan of the MJ site 76

Fig. 3.10. CPTu data point at depth corresponding to SPT sample data 77

Fig. 3.11. DMT/SDMT equipment and its schematic layout 80

Fig. 3.12. Seismograms obtained from SDMT 80

Fig. 3.13. PMT connection diagram and control unit 81

Fig. 3.14. Evaluation of sample homogeneity 84

Fig. 3.15. Automated CKC triaxial testing system 85

Fig. 3.16. General configuration of RCTS equipment 87

Fig. 3.17. Schematic diagram of the motion monitoring system in RC test 88

Fig. 3.18. RC testing technique 89

Fig. 4.1. Typical sand samples 92

Fig. 4.2. Sampling logs 92

Fig. 4.3. Grain size distribution curves 92

Fig. 4.4. Physical properties 93

Fig. 4.5. Microscopic images of sands 94

Fig. 4.6. Increase in maximum density due to additional densification process 96

Fig. 4.7. CPTu profiles 97

Fig. 4.8. Soil profiling based on soil behaviour type index (Ic)(이미지참조) 98

Fig. 4.9. Sand classification and CPTu profiles 99

Fig. 4.10. Comparison of γt values estimated using CPT-based empirical equations(이미지참조) 101

Fig. 4.11. Comparison of γt values estimated using Vs-based empirical equations(이미지참조) 101

Fig. 4.12. Comparison of γt values back-calculated at laboratory with that of the new developed equation(이미지참조) 102

Fig. 4.13. Relation between the back-calculated unit weight and CPT parameter 103

Fig. 4.14. Dr-profiles estimated from CPTu(이미지참조) 104

Fig. 4.15. K0-profiles estimated from CPTu(이미지참조) 104

Fig. 4.16. Typical failures mode at peak and final stages during triaxial testing 106

Fig. 4.17. Stress-strain relationships of sand type II at MDIP-2 107

Fig. 4.18. Stress-strain curves at two different strain rates 107

Fig. 4.19. Friction angle (φ'TC) vs. confining stress (σ'c)(이미지참조) 108

Fig. 4.20. Friction angle (φ'TC) vs. relative density (Dr)(이미지참조) 108

Fig. 4.21. Correlation among the peak friction angle (φ'TC), confining stress (σ'c), and Dr from the triaxial tests(이미지참조) 108

Fig. 4.22. Correlation between φ'TC-Dr-σ'c for samples at each depth(이미지참조) 109

Fig. 4.23. Comparison of φ'-profiles estimated from various empirical equations 110

Fig. 4.24. Variation in friction angles in terms of soil compressibility 111

Fig. 4.25. Characteristic stiffness-strain curve 112

Fig. 4.26. Typical triaxial compression test results 113

Fig. 4.27. E25(TX) vs. σ'c plots for samples at each depth(이미지참조) 113

Fig. 4.28. Typical modulus degradation curves from RC tests 114

Fig. 4.29. Modulus degradation curves from RC tests 115

Fig. 4.30. Average axial strain corresponding to E25(이미지참조) 115

Fig. 4.31. Comparison of elastic modulus profiles from CPT based equations 117

Fig. 4.32. Typical pressure-strain curve obtained from PMT 118

Fig. 4.33. Unloading-reloading loops from pressuremeter test 118

Fig. 4.34. Cavity pressure vs. probe radius curve obtained from PMT 118

Fig. 4.35. G0(RC) vs. σ'c plots for samples at each depth(이미지참조) 119

Fig. 4.36. Determination of soil parameters Cg and ng(이미지참조) 120

Fig. 4.37. Comparison of maximum shear modulus profiles from CPT based equations 121

Fig. 4.38. In-situ shear wave velocity profiles measured from SDMT 122

Fig. 5.1. Relationship between bearing capacity number and friction angle obtained from triaxial compression tests 125

Fig. 5.2. Comparison of friction angles estimated from various methods 126

Fig. 5.3. Variation of tan φ', Ic, and (qc/σ'v) with depth(이미지참조) 127

Fig. 5.4. Variation of tan φ', and (qc/σ'v) with Ic(이미지참조) 127

Fig. 5.5. Relationship between tanφ'TX/Ic10 and (qc/σ'v0)0.1/Ic10(이미지참조) 128

Fig. 5.6. Comparison between the measured and estimated φ' values 128

Fig. 5.7. Comparison between the measured and predicted friction angle profiles 129

Fig. 6.1. Comparison of elastic modulus values obtained from different tests 132

Fig. 6.2. Comparison of G0 values obtained from various tests(이미지참조) 133

Fig. 6.3. Relationship between back-calculated kG and Dr(이미지참조) 134

Fig. 6.4. Comparison of G0 values obtained from various tests with the CPT-based existing and the newly developed equations(이미지참조) 135

Fig. 6.5. Typical triaxial compression test results 137

Fig. 6.6. Comparison between measured and calculated elastic moduli 137

Fig. 6.7. Modulus degradation curve in terms of normalized elastic modulus and stress ratio from triaxial tests 138

Fig. 6.8. Normalized modulus degradation curves obtained from triaxial tests 139

Fig. 6.9. Curve fitting of unloading curve 140

Fig. 6.10. Measured and back-calculated pressure-strain curves from MB4-2 (35-36m) 141

Fig. 6.11. Modulus degradation curves obtained from PMT for all sands 142

Fig. 6.12. Elastic modulus values re-evaluated using different tests results and predicted using the newly developed equation 143

Fig. 6.13. E25/G0 vs. qt/σ'v0 relationship(이미지참조) 144

 낙동강 삼각주 지역은 부산광역시의 서쪽에 위치하며, 약 20㎢에 걸쳐 두꺼운 퇴적층으로 덮여있다. 이 퇴적층은 때때로 100m를 초과하며, 대략 5개의 층으로 구성되어 있다: 상부 실트질 모래층, 상부 점토층, 하부 모래층, 하부 점토층 및 모래/자갈층의 순서로 기반암 위에 놓여있다. 이 지역은 1990년대 초기부터 부산신항, 산업 및 주거단지 등을 조성하기 위한 수많은 매립사업이 진행되어 왔다. 최근에 이르러 조성된 지반 위에 고층건물 및 대형 공공 구조물 등이 축조되기 시작하였다. 국내에서는 통상 그러한 구조물의 기초로서 강관말뚝을 사용하여 기반암 또는 조밀한 모래층과 같은 지지층까지 근입하고 있다. 이러한 경우에 말뚝길이는 70-80m에 달하기 때문에 기초공사를 위하여 고비용이 소요된다. 따라서 대안으로 고강도콘크리트(PHC)를 하부 모래층 내에 근입하는 것을 고려하였다. 그러나 점토지반과는 달리 하부 모래층에 대한 지반특성은 거의 조사되지 않아서 모래에 대한 체계적인 지반조사가 요구되었다.

본 연구는 하부 모래의 주된 지반정수인 전단강도 및 변형계수를 평가하는데 초점을 맞추었다. 사질토의 전단강도는 일반적으로 내부마찰각(Φ')으로 표현되며, 변형계수는 미소변형 상태에서의 전단계수(G0)와 중간 변형률(일반적으로 25% 파괴강도, E25)에서의 탄성계수로 정의한다. 모래의 비교란 시료채취는 어렵기 때문에 모래의 토질정수는 경험적 방법에 주로 의존하고 있다. 비록 콘관입시험(CPT)에 근거하여 수많은 경험적 방법이 제안되어 있지만, 하부 모래층에 적용한 결과는 아주 넓은 범위에 걸쳐 변화한다. 이러한 이유는 자연 모래의 퇴적특성을 충분히 고려하지 않고 여러 종류의 상업용 모래를 사용하여 경험식들을 제안하였기 때문이다. 특히, 변형계수는 모래의 종류, 연령, 응력이력, 응력 이방성 등과 같은 자연 모래의 퇴적특성에 크게 좌우된다. 그래서 기존의 경험식들을 해당지역의 자연모래에 적합하게 적용할 수 있는지를 검증하여야 하며, 동시에 자연점토의 고유특성을 고려할 수 있는 특정한 경험식을 개발하여야 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 체계적인 실험계획이 준비되었다. 즉, 명지지역의 두 지점에서 시료채취, 물리성 실험, 시료준비, 실내 전단실험 [삼축압축시험(TX) 및 공진주 시험(RC)] 및 현장토질실험 [공내재하시험(PMT), CPTu 및 전단파 팽창시험(SDMT)]을 실시하였다. 교란 모래는 분할관 샘플러(split spoon sampler)을 사용하여 채취하였다. 하부 모래층은 물리적 특성과 "거동지수(Soil behavior type index)"에 근거하여 3종류로 구분하였다. 교란시료는 "슬러리 변위법(Slurry displacement method)"에 의하여 재구성하였으며, 총 39개의 삼축압축시험이 수행되었다.

삼축압축실험으로 얻어진 전단강도는 6개의 기존 경험식(유효과재응력과 콘저항에 근거한)으로 평가된 값을 과대 또는 과소평가하였다. 따라서 기존 경험식에서 고려한 두 함수뿐만 아니라 모래의 종류를 고려하여 새로운 경험식을 개발하였다. 개발된 새로운 경험식은 기존의 경험식들에 비하여 전단강도를 아주 잘 예측한다. 한편, 위에서 언급한 여러 종류의 실험으로 얻어진 변형계수는 기존 경험식들을 사용하여 예측한 값들과 비교하였다. 그 결과, TX와 PMT 실험결과를 통상적인 방법으로 분석하여 얻어진 탄성계수는 현장 값들에 비하여 과소평가되었다. 따라서 TX, RC 및 PMT 결과를 사용하여 곡선조정계수(∫ 및 g)를 산정하고 SDMT로부터 얻어진 G0를 적용하여 "정규화 변형감소곡선(normalized modulus degradation curve)"를 구축하였다. 이 곡선을 이용하여 E25를 재평가 하였다. TX실험결과를 사용하여 재평가된 값(E25)은 PMT에 의한 값들 및 G0에 근거한 경험식에 의한 결과와 아주 잘 일치하였다. 마침내, E25를 산정하기 위한 경험식은 CPT결과를 이용할 수 있도록 개발하였으며, 실험결과와의 비교를 통하여 적용성이 입증되었다.

본 연구로부터 얻은 중요한 결론은 모래의 전단강도와 변형계수를 효과적으로 예측하기 위해서는 어떤 지역의 자연 모래에 대한 고유특성을 충분히 반영하여야 한다는 것이다. 따라서 기존의 경험식에서 고려한 모래의 조밀도 뿐만 아니라 퇴적토의 연령, 응력이력 및 모래 종류와 같은 퇴적특성을 고려하여야 한다. 향후 연구는 새로운 경험식이 세계 도처의 다른 모래에 적용될 수 있는 지의 여부이다. 그러므로, 새로운 경험식은 여러 다른 모래에 적용하여 각각의 퇴적특성에 적합하도록 적절히 수정하는 것이 극히 바람직하다.