<토질 공부>1.11~13 지반설계를 위한 지반 모델링 : 지반물성

1.11~13 지반물성

지반물성(파라미터)은 지반상태를 정의하거나(지층모델에 이용), 지반거동의 수학적 모델링에 요구되는 파라미터(지반거동의 모델링에 이용)를 말한다.
지반재료의 물성을 ‘지반정수’, ‘지반파라미터’, ‘입력치(파라미터)’ 등을 부르기도 한다. 설계물성은 설계결과를 지배하므로 각 설계코드에서는 물성 평가 절차성을 중시하며 평가과정에 따라 ‘측정치’→‘유도치’→‘특성치’로 구분하기도

흙지반	암지반
흙의 3상으로 구해지는 상태정수 e, w, Υ, s, Gs	불연속면 방향성 평사투영법으로 정의하는 주향과 경사, 경사방향 암지반의 원위치 상태를 시추조사를 통해 정의하는 RQD, TCR
기본적성질 사질토: 입도분포, Dr 점성토: 점토광물, Atterberg 한계	불연속면 특성을 나타내는 정의요소 방향성, 연속성, 크기, 간격, 빈도, 거칠기, 굴곡도, 틈새, 충진물질, 절리부 누수여부
흙지반의 공학적 분류 통일분류법, AASHTO 분류법	암지반의 공학적 분류 RMR분류법, Q-System분류법

일반적으로 변형 파라미터라 함은 지반의 변형거동을 해석에 요구되는 지반물성으로서 다음과 같이 구분할 수 있다.
정적거동 파라미터: 탄성계수 E, 포아슨비 μ, 지반반력계수 Kv,Kh, 암반 절리면의 수직강성계수 Kn, 전단강성계수 Ks
동적거동 파라미터: 동탄성계수 Ed, 감쇠비 D
압밀거동 파라미터: 압밀계수 Cv, 압축계수 Cc
지반의 변형파라미터는 일반적으로 지반의 종류(PI, OCR, Dr), 시험응력경로, 변형률, 구속응력, 배수조건 등에 따라 달라지므로 특정 지반문제에 사용할 변형파라미터 평가시 이들 조건이 부합되는지 검토해야 한다

- 탄성침하량 산정 : 탄성계수 E, 포아슨비 μ

- 압밀침하량 산정 : 압축지수 Cc(또는 재합축지수 Cr)

- 압밀소요시간 산정 : t=TvH^2/Cv(압밀계수 Cv)

- 연성법에 의한 전면기초 설계시 합리적인 접지압 산정 : 연직 지반반력계수 Kv, 스프링계수 kv=Kv*B

- 흙막이벽체의 탄소성지반상 연속보 해석에서 굴착단계별 변화되는 토압산정 : 수평 지반반력계수 Kh, 스프링계수 kh=Kh*D

- 측방유동에 의한 말뚝의 안정성 평가시 수치해석에 의한 측방유동압 산정 : 수평 지반반력계수 Kh, 스프링계수 kh=Kh*D

강도 파라미터는 입자, 간극수, 배수조건, 생성구조, 시험응력경로 등에 따라 변화한다. 대표적인 영향 요인은 응력경로와 배수조건이며 강도파라미터 산정시 이에 대한 영향이 적절히 고려되어야 한다.
응력경로와 배수조건을 고려한 강도파라미터 선정방법

흙의 종류	건설 형태	적절한 삼축시험과 강도 종류
점성토	단기안정문제(건설 직후)	UU 또는 CU 시험 : 적절한 원위치 응력수준의 비배수 강도
	단계 시공	CU 시험: 적절한 응력수준에서 비배수 강도
	장기안정문제	간극수압을 측정하는 CU바 시험 또는 유효응력 파라미터를 위한 CD시험
사질토	모든 경우	현장시험이나 직접전단시험에 의한 배수강도 파라미터(Φ')
c'-Φ' 재료	장기안정문제	간극수압을 측정하는 CU바 시험 또는 유효응력 파라미터를 위한 CD시험

투수계수(k)는 유속과 동수경사 간 비례상수(v=ki)이며, 이의 물리적 의미는 매질 내 단위시간당 이동거리이다. 투수계수는 속도의 단위를 가지며 단위는 cm/sec를 사용한다.
흙의 제반특성을 나타내는 물성치 가운데 흙의 종류에 따라 그 차이가 뚜렷하게 나타는 것은 투수계수이다. 따라서 흙의 종류에 따른 개략적인 투수성을 추정할 수 있음

암반의 투수성은 암석과 불연속면으로 구성되며 두 매질은 투수계수 차이가 매우 크므로 암반의 점 투수계수는 위치에 따라 크게 변한다. 따라서 대표단위체적 이상을 택해야 이러한 편차가 배제된 암반의 투수성이 파악될 수 있다는 점을 비교 이해해야 함

하중에 대한 반응(변위 또는 안전율)은 대상문제의 수학적 모델링이 필요하고 모델은 지반물성을 필요로 한다. 지반의 설계해석에서 요구되는 지반물성은 설계해석시 채용하는 구성방정식에 의해서 결정된다.
지반물성을 얻기 위해서 실시하는 지반시험은 구조물에 실제 일어날 수 있는 응력경로로 시험한 결과로부터 얻어져야 한다. 즉, 실제지반의 응력-변형률을 재현할 수 있는 구속조건(초기응력)과 재하조건(응력경로)을 고려한 지반시험을 통해 지반 물성을 결정해야 한다.

지반거동을 탄성-완전소성으로 모델링하여 Hook 탄성모델과 Mohr-coulomb 모델을 채용한 경우라면, 탄성거동을 정의하는 탄성계수와 포아슨비, 그리고 강도를 정의하는 강도정수(점착력, 내부마찰각)이 요구될 것임
지반설계 해석에서 요구되는 지반물성은 초기상태(σvo, σho, Ko, Υt) 정의를 위한 기초물성과 지반의 강성 및 강도를 정의하기 위한 파라미터가 요구된다.