Evaluation of Deformation Characteristics of Residual Soil using Borehole Pressure-Shear Test Apparatus

Abstract

The weathered zone (weathered soil and weathered rock) is used as the main foundation layer of various structures due to their high bearing capacity. Accordingly, evaluating the ground characteristics of the weathered zone is very important for securing the performance and stability of the structure during design. However, since it is hard to obtain undisturbed weathered soil samples and weathered rock cores for evaluation of ground properties, performing laboratory tests is difficult and the reliability of the results is low. Therefore, it is common to evaluate the ground characteristics of the weathered zone through field tests such as standard penetration test (SPT), pressuremeter test (PMT), and borehole shear test (BST). The evaluation of the design parameters via the SPT uses the SPT-N value and the correlation equation between several parameters. However, An empirical correlation for sand is inappropriate for the weathered zone because the SPT is limited to hard soil and not properly applicable to highly weathered rock. Also, the PMT can evaluate the ground properties of the weathered zone, but there is a limitation that it cannot evaluate the strength properties of the ground, which are the cohesion and the internal friction angle. Lastly, the BST can evaluate the strength properties of the ground, but it is not suitable for testing the weathered zone as the BST apparatus is developed for sand. In this thesis, the borehole pressure-shear test apparatus was developed to overcome the limitations of the existing PMT and BST. The developed testing device is suitable for the weathered zone by improving the loading systems and securing the capacity by the motor. Also, the test apparatus is capable of real-time automatic control and measurement. The developed test apparatus can evaluate both deformation characteristics and strength characteristics of the weathered zone. However, the vertical loading system of the developed test apparatus for strength evaluation is currently being studied and improved. A triaxial compression test and a physical model test by developed apparatus were performed to verify the horizontal loading performance and validity of the evaluation on deformation characteristics of the test apparatus. As a result of the physical model test by the developed test apparatus, the pressure-strain behavior of the ground according to the experimental conditions was properly assessed. Via this, verification of the horizontal loading performance using developed test apparatus. Also, the validity of the evaluation of deformation modulus using the developed test apparatus was confirmed. Since the deformation modulus obtained from the physical model test and triaxial compression test showed similar results. With the borehole pressure-shear test apparatus, it is expected to be able to evaluate the ground properties more quickly and efficiently when applied in the field.

풍화대(풍화토 및 풍화암)는 높은 지반지지력으로 인해 국내 여러 구조물의 주 지지층으로 활용된다. 이에 따라 풍화대의 지반 특성을 평가하는 것은 설계 시 구조물의 성능과 안정성 확보를 위해 매우 중요하다. 그러나 풍화대는 지반 특성 평가를 위한 불교란 풍화토 시료 및 풍화암 코어의 채취가 어렵기 때문에 실내시험이 불가능하거나 결과의 신뢰도가 낮다. 따라서 표준관입시험(SPT), 공내재하시험(PMT) 그리고 공내전단시험(BST) 등의 현장시험을 통한 풍화대의 지반 특성 평가가 일반적이다. 표준관입시험을 통한 지반 정수의 평가는 SPT-N값과 여러 정수 사이의 상관관계식을 활용한다. 그러나 토사를 대상으로 제안된 것들이 대부분이며 토사보다 SPT 관입량이 매우 적은 풍화대에 직접 적용하기에 어려움이 따른다. 또한, 공내재하시험은 풍화대의 지반 특성을 평가할 수 있으나 점착력과 내부마찰각인 지반의 강도 특성을 평가할 수 없다는 한계가 있다. 마지막으로 공내전단시험은 토사용으로 개발된 전단시험기를 사용하기 때문에 지반의 강도 특성을 평가할 수 있으나 단단한 풍화대 지반에 적합하지 않다. 이에 본 연구에서는 풍화대의 변형 특성 및 강도 특성을 모두 평가할 수 있는 공내재하-전단시험기를 개발하였다. 개발한 시험기는 실시간 자동 제어 및 계측이 가능하고 전단 플레이트 개선 및 모터를 활용한 가압 용량 확보를 통해 단단한 풍화대 지반에 적합하다. 따라서, 하나의 시험기를 통해 지반의 변형 특성 및 강도 특성을 모두 평가할 수 있으나, 현재 강도 특성 평가를 위한 시험기의 일부 기능은 추가 연구 및 개발 중이다. 따라서, 시험기를 활용한 지반의 변형 특성 평가를 위해 삼축압축시험과 공내재하-전단시험기를 활용한 모형시험을 수행 및 비교하였다. 실내에서 수행한 모형시험 결과, 일반적인 실내시험과 유사하게모형 풍화토 지반의 상대밀도 및 구속압(상재하중)의 크기가 커질수록 지반의 변형계수가 증가하는 경향을 보였다. 또한, 실험 결과에서 구속압의 영향을 제거하기 위해 정규화하여 비교한 결과, 각각의 상대밀도에서 응력-변형률 거동이 일치하는 경향을 나타내었다. 그리고 동일한 조건에서 수행한 삼축압축시험과 모형시험을 통해 평가한 변형계수 결과가 유사하게 나타났다. 이에 본 연구에서 개발한 공내재하-전단시험기의 수평 재하 성능과 시험기를 이용한 풍화토의 변형 특성 평가의 타당성을 검증하였다. 마지막으로, 시험기의 전단 성능 평가와 현장 시험을 통한 비교와 같은 추후 연구를 통해 공내재하-전단시험기의 현장 적용성 검토가 수행되어야 한다. 또한 본 연구에서 개발한 시험기는 공내재하시험과 공내전단시험 모두를 하나의 시험기로 수행할 수 있어 현장 적용 시 보다 신속하고 효율적으로 지반 특성을 평가할 수 있을 것이라 기대된다.