The evaluation of field degree of consolidation on soft clays has been an important problem in the areas of geotechnical engineering. Monitoring either settlements or pore water pressures has been widely adopted to evaluate the degree of consolidation in the filed, but occasionally they have some problems in practical application. The objective of this study is the development and feasibility study of a procedure to evaluate the degree of consolidation of soft clays based on the shear wave velocity ($V_s$).
As a first step, the testing procedure and accuracy of the bender element test, which has been widely used to measure the shear wave velocity of soils in the laboratory, were verified. The bender element (BE), resonant column (RC), and torsional shear (TS) tests were performed on the same specimens. Two clean sands for which the frequency effect on the small-strain shear modulus ($G_{max}$) is negligible were tested at various densities and mean effective stresses under dry and saturated conditions. Based on the test results, methods of determining travel time in BE tests were evaluated by comparing the results of RC, TS, and BE tests. Also, methods to evaluate $G_{max}$ of saturated sands from the $V_s$ obtained by RC and BE tests were investigated by comparing the three sets of test results; Biot’s theory on frequency dependence of $V_s$ was adopted in order to consider dispersion of a shear wave in saturated conditions.
A procedure to evaluate the degree of consolidation of soft clay during ground improvement was proposed on the basis of collected experimental data from the existing studies on the relation between $V_s$ and effective stress of clayey soil, and the applicability of the proposed evaluation procedure was investigated based on a case study performed in field. A research site where soft clay layers were consolidated by surcharging loads was chosen. Laboratory tests were performed to determine the relation between $V_s$ and effective stress. Field seismic tests were conducted several times during the consolidation of the clay layers. The tests results show that the $V_s$ increased significantly as clays consolidated. The degrees of consolidation at each field stress states were derived from the laboratory and field results. In most stress states, the degree of consolidation evaluated using the $V_s$ matched well with that obtained from field settlement record, showing the potential of applying the method using shear waves in the evaluation of field degree of consolidation on soft clay deposits
To verify the reliability of proposed method, large scale consolidometer tests were conducted using model container. Tests were performed for two kinds of clay models. The model container used was equipped to monitor $V_s$, excess pore water pressure, and settlement for various drainage paths and loading levels. Test results show that the dissipation behavior of excess pore water pressure after loading can be properly described by Terzaghi’s 1-D consolidation theory. It was also observed that the $V_s$ increases quickly as excess pore water pressure dissipates- i.e. as effective stress increases. It implies that the $V_s$, rather than excess pore pressure or settlement, can be practically used for the estimation of consolidation degree of clay soil. Verification results show that the degree of consolidation estimated from the proposed method using $V_s$ is a little lower than those estimated from the excess pore water pressure and settlement. The initial drop of $V_s$ after loading seems to be the main reason for this error because the accuracy of the proposed method was improved when tested clay soil was in initial slurry state - in this case, the influence of initial drop is negligible.
연약점토 지반의 개량 현장에서 대상 점토지반의 개량효과 평가는 상부 구조물의 안정성 및 공사일정의 결정 등을 위하여 매우 중요하다. 현재, 현장 실무에서는 간극수압 또는 침하량 계측을 통한 압밀도 평가방법이 널리 이용되고 있으나, 각 방법들은 측정 정확성 및 적용성에 있어 문제점을 가지고 있다. 본 논문은 연약점토 지반의 개량효과 평가를 위해 이용 가능한 하나의 새로운 방법으로 전단파 속도를 이용한 개량효과 평가방법을 제안하고, 그 신뢰성 검증 및 현장 적용성을 평가하는 것을 목표로 하고 있다.
우선, 실내에서 전단파 속도를 평가하기 위하여 널리 이용되고 있는 벤더엘리먼트 시험기법의 검증에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 공진주/비틂전단 시험장비에 벤더엘리먼트를 부착하여 동일한 시험시편에 대하여 다양한 조건에서 세 가지 시험을 동시에 수행하였다. 벤더엘리먼트 시험을 수행하여 획득한 시험신호와 수치해석신호와의 비교를 통하여 벤더엘리먼트 시험시의 전파시간 결정방법을 고찰하고, 이를 통해 평가한 전단파 속도를 공진주 및 비틂전단 시험으로 평가한 전단파 속도와 비교함으로써 세 가지 시험결과가 잘 일치 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Biot의 이론을 적용하여 포화조건에서 전단파의 분산특성을 고려함으로써 타당한 비교를 수행할 수 있었으며, 벤더엘리먼트 시험시 전단파 속도로부터 최대전단탄성계수 산정을 위한 방법을 고찰하였다.
점토지반의 전단파 속도와 유효응력 관계에 관한 기존 연구결과들을 바탕으로 전단파 속도를 이용한 연약점토 지반의 개량효과 평가방법 및 그 절차를 제안하고, 이를 실제 연약점토 지반 개량현장에 적용하여 보았다. 대상현장의 개량 전 원지반 상태에서 비교란 시료를 채취하고 벤더엘리먼트를 부착한 압밀시험을 수행하여 전단파 속도와 유효응력 관계를 산정하였다. 대상현장에서 재하성토에 의한 점토지반의 압밀과정중 다운홀 시험을 수 차례 수행함으로써 압밀이 진행됨에 따라 점토지반의 전단파 속도가 점차 증가하는 것을 명확하게 확인할 수 있었으며, 이를 산정한 전단파 속도와 유효응력 관계에 적용함으로써 해당 시점에서의 점토지반의 유효응력의 증가량, 곧 압밀도를 산정하였다. 전단파 속도를 이용하여 평가한 압밀도는 현장 침하계측결과를 이용하여 평가한 압밀도와 비교적 잘 일치하였으며, 따라서 제안된 전단파 속도를 이용한 압밀도 평가방법의 적용성을 확인할 수 있었다.
제안한 방법의 타당성을 보다 엄밀히 검증하기 위하여 실내에서 모형 토조시험을 이용한 연구를 수행하였다. 토조내 점토지반의 과잉간극수압 소산 및 전단파 속도 변화 형상을 계측하기 위한 장비를 제작하여 토조에 부착하고, 2종의 점토지반을 조성하여 대형압밀시험을 수행하였다. 하중 재하 후 배수거리에 따른 과잉간극수압 소산 형상은 Terzaghi의 1차원 압밀이론에 의한 경향과 잘 일치하였으며, 과잉간극수압이 빠르게 소산하는 경우 전단파 속도 역시 빠르게 증가하는 것을 관측함으로써 전단파 속도가 유효응력의 증가, 곧 압밀도 평가에 이용 가능함을 확인할 수 있었다. 전단파 속도측정결과를 제안한 방법에 적용하여 산정한 압밀도는 침하량 및 과잉간극수압으로 산정한 압밀도에 비하여 조금 과소하게 나타났으며, 이는 하중재하 후 전단파 속도의 초기감소현상 때문으로 판단된다. 초기 슬러리 상태의 점토지반과 같이 초기감소현상이 작은 경우 전단파 속도로 산정한 압밀도는 과잉간극수압으로 산정한 압밀도와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
