Experimental study of long-term creep behavior of sandy soil in embankment

Abstract

Creep is a time-dependent deformation phenomenon at constant effective stress. Long-term severe creep deformation of a structure can provoke serviceability issues. Most embankments in South Korea consist of residual soils and are constructed to sustain the allowable settlements for target infrastructures such as railways and roads. Settlement management is one of the critical issues of the embankment, and long-term creep settlement is more critical to the structure, which strictly allows residual settlement. Such long-term deformation problems in structure can be prevented through an investigation on creep deformation in advance. Therefore, early researchers have conducted creep experiments and measured on the embankment to evaluate the susceptibility of creep deformation of the soils. According to studies on creep so far, it is known that the amount of creep deformation over time depends on various variables, such as stress condition, relative compaction, fine contents, etc. The long-term creep behavior of residual soils in embankments has not been thoroughly investigated clearly in South Korea. In this study, the influence factors of the creep deformation in residual soils will be identified, and the extent of each factor and their co-relationship will be analyzed based on the experiment. To achieve these goals, a series of triaxial creep tests were conducted to evaluate the effects of the stress ratio, relative compaction and fine contents. The stress ratio of the simulation condition was determined by embankment simulation results. And relative compaction and fine contents of the specimen or soils were determined according to the domestic and international design guidelines for high-speed rail code. The result of creep deformation under various factors are discussed in detail. Creep strains were analyzed by performing a series of triaxial creep tests. In addition, based on the experimental results, the creep parameters for numerical modeling are evaluated to predict creep deformation in the construction site. Each creep coefficient relationship was evaluated based on the influence factors. As a result, the creep strains decreased relative compaction and increased fine contents and stress ratio. And it is essential to use high-quality embankment materials such as low fine contents and high relative compaction to prevent severe long-term creep deformation.

크리프 현상은 일정한 유효 응력 하에서 발생하는 시간에 따른 변형 현상이다. 각종 구조물에서 장기간에 발생하는 심각한 크리프 변형은 구조물의 기능 수행 문제를 유발할 수 있다. 국내에서 성토체는 주로 사질토로 구성되어 있으며 철도, 도로 등 주요 기반시설의 설계 지반고를 유지하기 위해 시공된다. 성토체는 침하관리가 중요하며, 특히, 엄격한 허용 잔류 침하량을 기준으로 관리하는 경우 장기 크리프 거동으로 인한 침하량 평가가 중요하다. 크리프 변형에 대한 사전 연구를 통해 통해 장기적인 구조 변형 문제등을 예방할 수 있다. 초기 연구자들은 지반의 크리프 변형에 대한 민감성을 평가하기 위해 댐 등의 제방에서 직접 크리프 변형에 대한 계측을 실시하거나 실내 실험을 수행하였다. 지금까지 수행된 연구에 따르면 시간에 따른 크리프 변형량은 응력 조건, 상대 다짐도, 세립분 포함량 등과 같은 다양한 변수에 영향을 받는다. 국내에서 성토체에 대한 장기 크리프 거동은 아직 명확하게 연구된 바가 없어 본 연구에서는 크리프 거동에 대한 영향인자를 성토재료의 세립분 함유량, 성토체의 상대다짐도 및 전단응력비(q/p)로 선정하고 각 영향인자에 따른 크리프 거동을 실험적으로 분석하였다. 크리프 실험에서 적용한 시험조건 중 상대다짐도와 세립분 함유량 조건은 국내, 외 설계기준을 참고하여 결정하였으며, 성토체의 전단응력비는 성토체의 단계성토를 모사한 수치해석 결과를 바탕으로 성토체 내부 응력상태를 대표하는 조건으로 결정하였다. 크리프 압축시험을 통해 평가된 연직 변형률을 이용하여 시간-변형률 관계 그래프에서 선형구간을 회귀분석하여 크리프 계수를 결정하였다. 실험결과 시료의 전단응력비 및 세립분 포함량이 크고 상대 다짐도가 낮을수록 연직 변형률과 크리프 계수가 크게 나타남을 확인하였다. 또한 실험을 통해 구한 크리프 계수를 이용하여 실제 성토체 현장에 적용하여 크리프 침하량을 예측하고 실제 계측된 침하량과 비교하였다. 전단응력비가 큰 성토체의 형상을 고려하였을 때, 효과적인 침하관리를 위해 세립분의 함유량이 낮은 성토 재료 사용과 충분한 다짐 시공을 실시하는 것이 중요할 것으로 판단된다.