Reliable estimation of the consolidation state and strength of soft soils is important for the prediction of permanent settlement and strength, particularly when an additional load induced by civil structure construction is added in situ. The effective stress state and void ratio value are particularly critical as they are the most important parameters for consolidation state evaluation and strength estimation. To date, the consolidation behavior of clay has been studied in various civil engineering practices. However, the existing in-situ consolidation characterization approach entails several difficulties in monitoring the effective stress and density variation during the consolidation process.
This thesis focuses on the evaluation of the consolidation state and strength of soft soil using shear waves. The shear wave velocity is a function of the particle composition and inter-particle force, because the shear wave propagates through particle contact in saturated clay. Therefore, the effective stress of a clay media can be evaluated'using the shear wave velocity. Several shear wave-based laboratory tests are performed so as to monitor the shear wave velocity variation during consolidation. Piezoelectric bender element sensors are used to generate and receive shear waves inside laboratory specimens, without soil disturbance.
First, the consolidation state and properties of natural clay deposits are characterized by laboratory consolidation tests using bender element sensors installed in non-disturbed Shelby tube specimens. The vertical effective stress - shear wave velocity relationship for the normally consolidated state is evaluated from laboratory tests. The in-situ consolidation state is evaluated by comparing the in-situ shear wave velocity with the estimated effective stress - shear wave velocity trend. However, the accuracy of the in-situ consolidation state evaluation depends on the in-situ shear wave velocity data. As such, reliable in-situ shear wave velocity testing is one of the most important prerequisites for a reliable in-situ consolidation state evaluation.
The site of interest in this study is evaluated as over-consolidated when the in-situ shear wave velocity is higher than the value estimated in the laboratory, and is conversely determined as under-consolidated when the velocity is lower than the laboratory determined value. The site is classified as normally-consolidated when the in-situ shear wave velocity is close to the laboratory result.
The compressibility parameters of each test are evaluated from the effective stress - void ratio curve from the laboratory data. The in-situ settlement according to additional loading is predictable using the compressibility parameters. The inflection point agrees well with the estimated pre-consolidation stress value.
Laboratory sedimentation tests and consolidation tests are performed to reconstitute the in-situ soil structure and fabric, and to simulate the in-situ sedimentation and self weight consolidation process of normally consolidated dredged and reclaimed deposits. Bender element sensors are used to measure the shear wave velocity during laboratory consolidation tests. In the laboratory consolidation test, the total amount of expected effective stress is applied on the specimen at once. From the measured shear wave velocity and displacement data, the effective stress, void ratio, degree of consolidation, coefficient of consolidation, coefficient of earth pressure at rest, and permeability variation during consolidation are evaluated. Generally, the effective stress, degree of consolidation, and coefficient of earth pressure increase as the vertical shear wave velocity increases, while the void ratio, coefficient of consolidation, and permeability decrease as the shear wave velocity decreases.
As the undrained shear strength of clay is strongly affected by its void ratio, the undrained shear strength can be correlated with the shear wave velocity by comparing the void ratio - shear wave velocity relation and the void ratio - undrained shear strength relationship. Laboratory loading and unloading tests are performed to reconstitute different void ratio conditions under a single effective stress state. The undrained shear strength values are measured via laboratory vane shear tests after unloading. The undrained shear strength shows a linear relationship with the void ratio. Approximation of the undrained shear strength -- shear wave velocity relationship appears to be an accurate method to predict the in-situ undrained shear strength of reclaimed deposits.
The purpose of this study is to verify the accuracy of employing shear waves for soft soil parameter evaluation and to develop an evaluation method for the consolidation state and strength. From the results, it is shown that the shear wave velocity accurately correlates with the effective stress, void ratio, degree of consolidation, coefficient of consolidation, coefficient of earth pressure, permeability, and undrained shear strength. It is expected that the techniques outlined in this thesis will be widely applicable to in-situ monitoring of dredged and reclaimed sites and other soft soil deposits.
연약 점토 지반에 대한 압밀 상태 및 강도 평가는 향후 토목 구조물 시공으로 인해 유발되는 지반 변위 및 지지력 산정을 위해 매우 중요하다. 특히 유효응력과 간극비는 여러 압밀 이론들에 의해 제시되는 압밀 상태 및 강도 평가를 위한 주요 변수들이다. 하지만 실제 현장에서 지반의 압밀 진행 과정에 따른 신뢰성 있는 유효응력 및 간극비 산정에 어려움이 따르고 있는 실정이다. 본 논문에서는 흙의 전단파 속도가 유효응력과 간극비의 함수라는 점에 착안하여 실내 실험을 통한 유효응력 - 전단파 속도, 간극비 - 전단파 속도 상관 관계를 도출하여 이를 현장 전단파 실측 데이터와 비교함으로써 현장의 유효응력 및 간극비 상태를 도출함으로써 현장의 압밀 상태 및 강도를 평가하는 실험적 모델을 제시하는 것을 목표로 한다.
Shelby tube로 채취 가능한 자연 상태의 연약 점토 지반의 경우, 시료 교란을 최소화하여 밴더엘리먼트 센서를 장착하여 단계별 하중을 재하하는 압밀 실험을 수행하였다. 실내 실험을 통해 도출된 유효응력 - 전단파 속도 상관 관계를 현장의 전단파 속도와 비교하여 현장의 압밀 상태를 평가한다. 현장 전단파 속도가 실내 실험값 보다 큰 경우에는 과압밀, 그 반대의 경우에는 미압밀, 그리고 현장 전단파 속도와 실내 실험값이 오차 범위 내에 근사하면 정규압밀 상태로 평가한다.
비교란 시료 채취가 불가능한 준설 매립 점토 지반의 경우, 침강 실험을 통해 시료를 재성형 하였으며, 실내 압밀 실험을 수행하여 준설 매립 점토 지반의 자중 압밀 과정을 재현하였다. 실내 실험을 통해 도출된 유효응력 - 전단파 속도, 간극비 - 전단파 속도 상관 관계를 이용하여, 해당 지반의 전단파 속도에 따른 압밀도, 압밀계수, 횡토압계수, 투수계수 변화를 도출할 수 있었다. 일반적으로, 흙의 전단파 속도가 증가할수록 유효응력, 압밀도, 횡토압계수 등이 증가하며, 간극비, 압밀계수, 투수계수 등은 감소한다.
연약 점토 지반의 비배수 전단 강도는 간극비의 영향을 크게 받는다. 실내 침강 실험으로 재성형 된 시료에 대해 압밀 실험을 수행한 후 재하 하중을 제거하여 동일한 하중에 대해 과압밀비 - 간극비가 상이한 상태를 재현하였다. 서로 다른 간극비를 지닌 흙에 대해 실내 Vane 전단 실험을 수행하여 해당 흙에 대한 간극비 - 비배수 전단 강도 상관 관계를 획득하였다. 이를 기존 압밀 실험에서 유도된 간극비 - 전단파 속도 상관 관계와 비교하면 최종적으로 해당 흙의 비배수 전단 강도 - 전단파 속도 상관 관계를 도출할 수 있다.
본 연구를 통해서 전단파 속도를 이용하여 연약 점토 지반의 유효응력, 간극비, 비배수 전단 강도, 압밀상태, 압밀도, 압밀계수, 횡토압계수, 투수계수 등을 평가 할 수 있는 기법이 제시되었다. 제시된 전단파 속도 기법은 앞으로 준설 매립 지반 등의 연약 지반 시공 현장에서 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
