PMT(Pressuremeter Test)에 대한 기본이론 및 시험법

오늘은 PMT, Pressuremeter Test에 대한 기본이론 및 시험법에 대해 다루어보도록 할게요.

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PMT(Pressuremeter Test)에 대한 기본이론 및 시험법

1. PMT(Pressuremeter Test) 란? 

 Pressuremeter Test(PMT)는 원통형 팽창 장비인 압력계(Pressuremeter)를 지반에 삽입하여 수평 방향으로 압력을 가하면서 지반의 변형 특성을 측정하는 시험입니다. 시험 중 지반이 저항하는 압력과 변형량을 기록하여, 탄성계수, 전단 강도, 지지력 등의 중요한 지반 특성을 평가할 수 있습니다.

Pressuremeter Test Equipment(Source: Geotechnical Design.Info)

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2. Pressuremeter test(PMT) 절차

Pressuremeter Test Procdess (Source: Paul Mayne )

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1.  보링 및 장비 삽입

• 보링 작업을 통해 지반에 시험용 구멍을 뚫습니다. 이 구멍은 Pressuremeter가 삽입될 공간이 되어요. 
• 원통형 압력계 장비를 목표 깊이까지 삽입합니다. 이 장비는 내부에 팽창 장치가 있어, 공기나 물을 주입하면 지반에 압력을 가할 수 있습니다.

2. 압력 가압 및 변형 측정

• 장비가 목표 깊이에 도달하면, 압력계 내부에 공기 또는 유체를 주입하여 장비가 팽창하며 주변 지반에 압력을 가합니다.
• 이때 지반이 압력에 저항하면서 발생하는 변형을 측정합니다. 압력을 점진적으로 증가시키면서 압력-변형 곡선을 기록합니다.
• 지난번에 다룬 DMT랑 차이가 보이시나요? DMT는 자체 기기가 팽창하면서 압력을 주는 것이고, PMT는 유체나 공기 등을 가해서 압력을 가하고, 그에 따른 변형을 측정하는 것이에요.
• 이렇게 해서 얻는 것은 초기 압력 Po, 탄성계수 E, 전단강도 Tmax, 그리고 Limit Pressure $P_L$이 됩니다.

3. 데이터 분석

• 기록된 압력-변형 데이터를 바탕으로 지반의 변형 특성, 전단 강도, 지지력을 평가합니다.

그럼 이제 데이터 분석을 어떻게 진행하는지 한번 알아보도록 할게요. 

 

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3. PMT 결과 데이터 분석해서 지반 물성 얻기  

PMT 시험에서 측정한 압력-변형 곡선을 바탕으로 다양한 지반 특성을 평가할 수 있습니다. 주요 해석 항목은 다음과 같습니다:

PMT 시험으로 측정한 압력 - 변형 곡선 (Source: Paul Mayne, Georgia Tech)

이 그래프를 보시면, 어느 정도 팽창하다가 저항을 받아 더 이상 압력을 넣을 수 없는 극한값의 압력을 측정해 얻게 되는 Limit Pressure \P_L\, 그리고 응력 - 변형의 기울기에서 얻을 수 있는 탄성계수 E, 그다음 압력을 초기에 주기 시작하면서 변형이 선형으로 발생하는 초기상태에서의 압력값인 Lift-off Pressure \P_o\, 그 다음 원통형 공간에 대한 공동팽창이론(Cavity Expansion Theory)으로 추출해 낼 수 있는 비배수 전단강도 Su 이렇게 4가지를 얻을 수 있는 것이에요. 

공동팽창이론(Caivty Expansion Theory)를 이용해 점토분석에 필요한 물성값들 얻기

: 원통형 도구에 대한 공동팽창이론을 이용한 다음 식을 통해 비배수 전단강도 Su를 얻을 수 있습니다.

$$P_L = \sigma_{ho} + S_u \times [1+ln(I_R)]$$

$$P_o = \sigma_{ho}$$

$$ G: Shear Modulus, E = 3G(특정 케이스에서).$$

$$ Rigidity Index I_R = {G \over S_u}$$

 

그리고 그래프를 보면 알 수 있겠지만, 이 흙이 어느정도 압력까지는 탄성구간을 유지하고, 그 이후로는 탄-소성 구간으로 접어드는지도 확인할 수 있습니다. 탄소성구간에 들어가면 변형이 발생했을 때 다시 되돌아오지 못하게 되는데요, 아래 그래프를 보면 대강 3 tsf정도에 해당합니다. 300 kPa정도로, 사실 이 정도면 되게 이상적인 흙으로 봐야 해요. 왜냐하면 흙은 탄성구간이 거의 없다시피 하거든요. 대부분 변형을 받기 시작하면 탄소성거동, 소성거동, 한계거동 이쪽 구간이 많습니다.

응력 - 변형곡선의 초기 압력 값을 Lift-off pressure로 산정. 이는 σ_ho값과 같음.

 

1번의 기울기로 얻을 수 있는게 비배수 전단강도 Su

Limit Pressure는 이렇게 Vo = Volume Change인 부분에서 Pressure를 예측해서(이미 극한값으로 갈수록 선형적 거동중이므로) 측정

이렇게 P, σ_ho, 그리고 Su값을 얻게 되면, 

$$P_L = \sigma_{ho} + S_u \times [1+ln(I_R)]$$

이 식에서 \(I_R)\값을 구할 수 있고, \(I_R)\과 Su 값을 알고 있으므로 Shear Modulus G 값을 구할 수 있게 됩니다. 그럼 탄성계수도 얻을 수 있게 되네요.  

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4. PMT의 장점과 한계 

장점:

• 수평 변형 특성 평가: PMT는 수평 방향에서의 지반 변형을 평가할 수 있어, 다른 시험에 비해 보다 구체적인 변형 특성을 알 수 있다고 합니다.
• 다양한 지반에서 사용 가능: 사질토, 점토, 암반 등 다양한 지반에서 사용 가능하며, 각 지반의 특성에 맞춘 해석이 가능합니다. 사질토에서나 가능한 SPT랑 점토에서만 가능한 CPT, VST랑은 조금 다르죠?
• 정확한 전단 강도 측정: PMT는 지반의 전단 강도를 정밀하게 측정할 수 있어 기초 설계와 지반 안정성 평가에 적합합니다.
• 또 보다시피 이론적 배경이 확실히 탄탄한 편이에요.

한계:

• 비용: PMT는 장비가 복잡하고, 보링 작업이 필요하기 때문에 비용이 많이 듭니다. 
• 시간 소요: 보링과 장비 설치에 시간이 걸리며, 현장 조건에 따라 시험 시간이 길어질 수 있습니다.
• 이 2가지 이유로 높은 수준의 전문가를 요구한다는 것도 단점이에요. 
• 지반 교란: 보링을 통해 장비를 삽입하는 과정에서 지반 교란이 발생할 수 있으며, 민감한 지반에서는 시험 결과의 신뢰도가 낮아질 수 있습니다. 그리고 이 지반 교란을 하는 과정에서 장비가 쉽게 손상되는 문제점도 있습니다.

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이렇게 PMT는 어느정도 이론이 근거가 되는 현장지반조사실험이라는 것을 알게 되었습니다. PMT는 삽입하고 지반 내에서 유체나 가스 등으로 가압을 가해 그로 인해 발생하는 지반의 변형을 측정하는 실험으로, 변형 - 응력 그래프와 공동팽창이론의 개념을 결합시켜 여러 가지 지반 물성을 얻을 수 있습니다. 하지만 실험이 전문적인 난이도를 요구한다는 한계가 있기도 합니다.

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다음번에는 가장 많이 쓰는 현장지반조사실험방법 중 하나인 CPT에 대해 다루어보겠습니다.