Estimating the allowable bearing pressure of soils from small-scale plate load and direct shear tests: laboratory-prepared mixtures and natural subgrade soils

기술 요약: 소규모 평판 재하 시험 및 직접 전단 시험을 이용한 허용 지내력 추정

문제 제기
평판 재하 시험(PLT)은 경험적 상관관계에 의존하지 않고 기초 하중을 모사하기 때문에 기초 및 노상 토사의 허용 지내력을 결정하는 데 있어 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 널리 간주된다. 그러나 대규모 PLT는 높은 비용, 긴 소요 시간, 극한 용량 발현을 위한 중량 반력 플랫폼의 필요성 등으로 인해 전규모(full-scale) 시행이 어려운 경우가 많다. 반대로, 표준 관입 시험(SPT)과 같은 대안적인 현장 시험법은 비용 효율적이지만, 타격 횟수, 내부 마찰각, 지내력 사이의 경험적 상관관계에 의존하므로 불확실성을 초래한다. 또한, 불교란 시료 채취가 어려운 사질토의 경우 침하 기준이 설계를 지배하는 경우가 많으나, 표준 실험실 시험은 규모 효과(scale effects)를 적절히 반영하지 못할 수 있다. 따라서 표준 현장 장비를 사용할 수 없는 곳에서도 실행 가능한 실용적이고 신뢰할 수 있으며 보수적인 허용 지내력 추정 방법이 필요하다.

방법론
본 연구는 허용 지내력을 추정하기 위해 소규모 평판 재하 시험(SPLT)과 직접 전단 시험(DST)을 결합한 하이브리드 실험실 절차를 조사한다. 연구는 두 가지 시리즈로 진행되었다:

• 시리즈 A (실험실 제조 혼합토): 모래, 카올린, 굵은 골재를 이용한 6가지 제어된 혼합물을 준비하였다. 토양은 강철 용기에 최대 건조 밀도(MDD)와 최적 함수비(OMC) 상태로 다져졌다.
• 시리즈 B (자연 노상토): 인도 푸네(Pune) 지역의 5개 자연 토양 지점에서 시료를 채취하였다. 토양은 현장 밀도 및 함수비에 맞춰 실험실에서 다져졌다.
• 시험 장치: 두 시리즈 모두 SPLT를 위해 수정된 대형 박스형 직접 전단 장치를 사용하였다. 두 가지 플레이트 크기(0.10 m × 0.27 m 및 0.20 m × 0.30 m)가 사용되었다. 경계 구속 효과를 최소화하기 위해 플레이트는 용기의 가장자리에 배치되었다.
• 절차:
  • DST: 전단 강도 파라미터(점착력 $c$ 및 내부 마찰각 $\phi$)를 결정하기 위해 현장/MDD 상태의 시료에 대해 수행되었다.
  • SPLP: 하중을 단계적으로 가하며, 파괴 또는 장치 용량에 도달할 때까지 침하량을 기록하였다. 극한 플레이트 용량($q_{up}$)은 접선 교차법(tangent-intersection method)을 사용하여 식별하였다.
  • 평가: 허용 지내력($q_a$)은 다음 두 가지 기준 중 최솟값으로 정의되었다:
    1. 전단 기준 ($q_{ns}$): Terzaghi 방정식을 사용하여 DST 파라미터로부터 계산됨 (안전율 $F=3$ 적용).
    2. 침하 기준 ($q_p$): 허용 기초 침하량인 25mm에 해당하는 플레이트 침하량에서의 SPLT 하중-침하 곡선으로부터 결정되었으며, 비점성토의 경우 Terzaghi–Peck 관계식을, 점성토의 경우 선형 관계식을 사용하여 스케일링하였다.
• 검증: 자연 토사에 대한 결과는 다양한 경험적 상관관계를 사용한 SPT 기반 추정치와 비교되었으며, 한 곳(Site 4)에서는 전규모 현장 PLT 결과와 비교되었다.

주요 결과

• 실험실 혼합토 (시리즈 A):
  • 모래-카올린 질량의 20%를 골재로 치환했을 때 극한 플레이트 용량은 31~75% 증가하였고, 최대 건조 밀도는 약 0.2 g/cm³ 증가하였다. 그러나 높은 극한 용량이 반드시 높은 안전 지내력을 보장하는 것은 아니었다. 토양 6은 가장 높은 극한 용량을 보였음에도 불구하고, 부드러운 하중-침하 반응으로 인해 토양 5(850 kN/m²)보다 낮은 침하 기반 압력(360 kN/m²)을 나타냈다.
  • 침하 기준이 6개 혼합물 중 5개에서 허용 압력을 결정하였다. DST에서 유도된 전단 기반 순 안전 용량(451–1024 kN/m²)은 침하 기반 압력보다 1.4배에서 2.8배 더 높았으며, 이는 이들 토양에 대해 DST만을 사용하는 것이 불충분하게 보수적(unconservative)임을 나타낸다.
  • 플레이트 폭 비율을 사용하여 플레이트 극한 하중을 기초 용량으로 직접 외삽하는 방식은 불안정한 결과(133 ~ 1533 kN/m² 범위)를 보여 신뢰할 수 없는 것으로 판단되었다.
• 자연 토양 (시리즈 B):
  • 자연 사질토의 경우, 0.20 m 플레이트와 DST를 결합하여 도출된 허용 압력은 SPT 기반 값의 88%에서 95% 범위였다. 0.10 m 플레이트는 SPT 추정치의 62%에서 82% 범위를 나타내어 더 보수적인 값을 제공하였다.
  • Site 4 (연약하고 소성 지수가 높은 실트)의 경우, SPLT 결과(0.10 m 플레이트 29 kN/m², 0.20 m 플레이트 36 kN/m²)는 전규모 현장 PLT의 안전 지내력인 33 kN/m²를 포괄(bracketed)하였다.
  • 모든 자연 토사 사례에서 SPLT 기반 추정치는 SPT 기반 추정치보다 낮거나 같았으며, 이는 본 절차의 보수적인 성격을 확인시켜 준다.

주요 기여 및 의의
본 논문은 전규모 현장 시험이 불가능할 때 허용 지내력을 추정하기 위한 실용적이고 저비용인 방법론을 제안한다. 주요 기여는 SPLT(침하 기준용)와 DST(전단 기준용)를 결합하는 것이 신뢰할 수 있고 보수적인 추정치를 제공한다는 점을 입증한 것이다.

• 보수성: 본 연구는 이러한 하이브리드 접근 방식이 표준 SPT 상관관계와 비교하여 보수적인 결과를 생성하며, 연약 지반 조건에서 현장 PLT 데이터와 밀접하게 일치함을 검증하였다.
• 침하 지배: 사질토 및 혼합토에서 침하 기준이 일반적으로 허용 압력을 결정한다는 기존의 견해를 강화하며, 이는 전단 강도 파라미터만을 고려할 경우 놓칠 수 있는 요소이다.
• 플레이트 크기 효과: 본 연구는 작은 플레이트(0.10 m)는 매우 보수적인 반면, 큰 플레이트(0.20 m)는 SPT 기반 값에 더 가까운 추정치를 제공하여 안전성과 경제적 설계 사이의 균형을 제공한다는 점을 강조한다.
• 적용성: 본 절차는 무거운 반력 프레임을 동원할 수 없는 토목 공학 분야, 특히 도로 노상, 노반 및 교대(abutment) 등의 분야에서 예비 설계 또는 스크리닝 도구로서 유효한 방법으로 제시된다.

한계 및 향후 과제
저자들은 테스트가 강성 용기 내의 재가공된(remoulded) 토양에서 수행되었음을 인정하며, 이는 자연 토양의 구조, 층리 및 포화 효과를 완전히 대표하지 못할 수 있음을 의미한다. 작은 플레이트에서 기초로의 외삽은 불확실할 수 있는 경험적 스케일링에 의존한다. 또한, 비교 대상으로 사용된 SPT 기반 벤치마크 자체도 경험적이다. 저자들은 본 방법이 예비 설계에는 유망하지만, 최종 설계 전에는 현장 테스트를 통해 검증되어야 한다고 결론지었다. 향후 과제로 불교란 시료에 대한 SPLT 결과와 현장 PLT의 비교, 포화 조건 평가, 그리고 DST, CBR, SPLT가 가능한 새로 설계된 휴대용 기기를 이용한 더 넓은 범위의 토양 유형 테스트를 제안하였다.