압밀과 투수는 흙의 중요한 공학적 특성중 하나이다. 일반적으로 점토에 대한 압밀 및 투수계수는 표준압밀시험을 통한 간접적인 방법에 의해 구해지고 있다. 그러나 표준압밀시험은 시료의 포화문제, 간극수압의 측정이 용이하지 않을 뿐 아니라, 횡방향 압밀시험을 수행 할 수 없어 그나마 정확한 횡방향 압밀계수를 산정할 수 없다. 그리고 압밀계수를 구하는데 가장 널리 이용되고 있는 해석방법인 Taylor방법과 Casagrande 방법은 2차압밀이 불분명하고 초기 직선부분을 찾을 수 없는 경우에 대해서는 신뢰성이 떨어진다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 실험상의 단점을 보완할 수 있게 제작된 Rowecell을 이용하여 포항지역의 이암풍화토를 이방성 및 시료의 크기를 고려해 횡방향압밀시험을 실시하고 이 결과를 4가지 해석방법$(Taylor,\; Casagrande,\; Hyperbolic,\; \delta/t-logt)$으로 비교 분석하여 해석방법에 따른 압밀계수의 차이점을 파악하였다. 또한 투수계수(k)와 간극비(e)의 관계를 규정할 수 있는 투수상수를 해석방법에 따라 구하였으며, 압밀시험에서 계산된 간접투수계수의 타당성을 검증하기 위해 Rowecell을 이용한 직접투수시험을 실시하고 그 결과를 비교하였다.
압밀과 투수는 흙의 중요한 공학적 특성중 하나이다. 일반적으로 점토에 대한 압밀 및 투수계수는 표준압밀시험을 통한 간접적인 방법에 의해 구해지고 있다. 그러나 표준압밀시험은 시료의 포화문제, 간극수압의 측정이 용이하지 않을 뿐 아니라, 횡방향 압밀시험을 수행 할 수 없어 그나마 정확한 횡방향 압밀계수를 산정할 수 없다. 그리고 압밀계수를 구하는데 가장 널리 이용되고 있는 해석방법인 Taylor방법과 Casagrande 방법은 2차압밀이 불분명하고 초기 직선부분을 찾을 수 없는 경우에 대해서는 신뢰성이 떨어진다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이러한 실험상의 단점을 보완할 수 있게 제작된 Rowecell을 이용하여 포항지역의 이암풍화토를 이방성 및 시료의 크기를 고려해 횡방향압밀시험을 실시하고 이 결과를 4가지 해석방법$(Taylor,\; Casagrande,\; Hyperbolic,\; \delta/t-logt)$으로 비교 분석하여 해석방법에 따른 압밀계수의 차이점을 파악하였다. 또한 투수계수(k)와 간극비(e)의 관계를 규정할 수 있는 투수상수를 해석방법에 따라 구하였으며, 압밀시험에서 계산된 간접투수계수의 타당성을 검증하기 위해 Rowecell을 이용한 직접투수시험을 실시하고 그 결과를 비교하였다.
Consolidation and permeability are major engineering properties of soil. In clay, coefficient of permeability and consolidation can be calculated by incremental loading consolidation test. However, it is known that the incremental loading test has several deficiencies including long testing time, no...
Consolidation and permeability are major engineering properties of soil. In clay, coefficient of permeability and consolidation can be calculated by incremental loading consolidation test. However, it is known that the incremental loading test has several deficiencies including long testing time, non-uniform stress state, very soft clay and problem of back pressure saturation. Specially, it is not performed with horizontal consolidation test. Several methods have been proposed for obtaining reliable values of $C_v$. Among these, the square root of time-fitting method proposed by Taylor(1948) and logarithm of time-fitting method, also called Casagrande's method, are used extensively in soil engineering practice. But these methods are not amenable for the absence of initial linear portion and have the difficulties involved in distinguishing secondary compression from primary compression. Rowecell consolidation tests were carried out in this study with different trimming axis and sample size. The results were compared with those of other methods; Casagrande,$Taylor,\; Casagrande,\; Hyperbolic,\; \delta/t-logt$. From the results, we explained a relationship between horizontal coefficient of permeability and void ratio was obtained. Finally, the directly measured horizontal coefficient of permeability obtained by using the Rowecell was compared with the permeability derived indirectly from the consolidation test result.
Consolidation and permeability are major engineering properties of soil. In clay, coefficient of permeability and consolidation can be calculated by incremental loading consolidation test. However, it is known that the incremental loading test has several deficiencies including long testing time, non-uniform stress state, very soft clay and problem of back pressure saturation. Specially, it is not performed with horizontal consolidation test. Several methods have been proposed for obtaining reliable values of $C_v$. Among these, the square root of time-fitting method proposed by Taylor(1948) and logarithm of time-fitting method, also called Casagrande's method, are used extensively in soil engineering practice. But these methods are not amenable for the absence of initial linear portion and have the difficulties involved in distinguishing secondary compression from primary compression. Rowecell consolidation tests were carried out in this study with different trimming axis and sample size. The results were compared with those of other methods; Casagrande,$Taylor,\; Casagrande,\; Hyperbolic,\; \delta/t-logt$. From the results, we explained a relationship between horizontal coefficient of permeability and void ratio was obtained. Finally, the directly measured horizontal coefficient of permeability obtained by using the Rowecell was compared with the permeability derived indirectly from the consolidation test result.
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문제 정의
그러나표준압밀시험은 시료의 포화문제, 상재하중의 불균일성 그리고 과잉간극수압의 측정이 불가능하며, 특히 횡방향 압밀시험을 수행할 수 없으므로 정확한 횡방향 압밀계수를 산정 할 수 없다. 본 논문에서는 이러한 실험상의 단점을 보완하면서 횡방향 압밀을 수행할 수 있도록 제작된 Rowecell을 이용 포항지 역에 두루 산재하고 있는 이 암풍화토를 대상으로 횡 방향 압밀 및 투수시 험을 이방성을 고려해 실시하고, 그 결과를 Casagrande, Taylor, Hyperbolic method 그리 고 S /t - logt 방법 으로 구해 해석 방법에 따른 횡 방향 압밀계수의 차이를 분석 하고자 한다. 또한 정규압밀 영 역에서 광범위하게 적용될 수 있는 투수 계수( k)와 간극비( e)의 관계함수를 제안하였으며, 압밀 시험에서 얻어진 간접투수계수의 타당성을 검증하기 위해 Rowecell을 이용한 직 접 투수시 험을 실시하고 그 결과를 간접투수계수와 비교하였다.
가설 설정
, 15와 같다. 통상적인 압밀이론에서 압밀계수는 일정하다고 가정한다. 그러나 유효응력이 선행압밀에 이르면 압밀계수는 급격히 감소하고 정규압밀 점토에서는 하중이 증가함에 따라 커지는 경향을 보인다.
제안 방법
본 논문에서는 이러한 실험상의 단점을 보완하면서 횡방향 압밀을 수행할 수 있도록 제작된 Rowecell을 이용 포항지 역에 두루 산재하고 있는 이 암풍화토를 대상으로 횡 방향 압밀 및 투수시 험을 이방성을 고려해 실시하고, 그 결과를 Casagrande, Taylor, Hyperbolic method 그리 고 S /t - logt 방법 으로 구해 해석 방법에 따른 횡 방향 압밀계수의 차이를 분석 하고자 한다. 또한 정규압밀 영 역에서 광범위하게 적용될 수 있는 투수 계수( k)와 간극비( e)의 관계함수를 제안하였으며, 압밀 시험에서 얻어진 간접투수계수의 타당성을 검증하기 위해 Rowecell을 이용한 직 접 투수시 험을 실시하고 그 결과를 간접투수계수와 비교하였다.
본 연구에서 는 포항 두호동 지 역 에 산재 한 이암 풍화토를 채취 실내에서 자연건조시킨 다음 No. 40 체를 이용하여 거르고 이 시료를 액성한계 2배의 함수비로 Fig. 7과 같은 진공 교반 장치 가 부착된 예 비 압밀 토조(27cm X 30cm X40cm)에서 진공압(-60kpa)과 교반기를 동시에 작동시켜 시료속의 공기를 완전히 제거하였다. 그리고 0.
7과 같은 진공 교반 장치 가 부착된 예 비 압밀 토조(27cm X 30cm X40cm)에서 진공압(-60kpa)과 교반기를 동시에 작동시켜 시료속의 공기를 완전히 제거하였다. 그리고 0.037, 0.075, 0.15, 0.3, 0.6kg/cm2으로 단계적인 압밀을 실시하였으며, 예비압밀이 완료된 후 하중을 제거하고 시료를 재하방향(Sample A) 및 재하방향과 수직방향(Sample B) 으로 일정크기로 절단하고 함수비의 변화와 응력변화를 최소화 하기위해 파라핀으로 밀봉한 후 실온에서 보관하였다. 시료의 균일성을 파악하고자 깊이에 따른 함수비 및 단위 중량을 측정하였으며, 그 결과큰 차이를 발견할수 없었다
6kg/cm2으로 단계적인 압밀을 실시하였으며, 예비압밀이 완료된 후 하중을 제거하고 시료를 재하방향(Sample A) 및 재하방향과 수직방향(Sample B) 으로 일정크기로 절단하고 함수비의 변화와 응력변화를 최소화 하기위해 파라핀으로 밀봉한 후 실온에서 보관하였다. 시료의 균일성을 파악하고자 깊이에 따른 함수비 및 단위 중량을 측정하였으며, 그 결과큰 차이를 발견할수 없었다
5cm, 그리고 Rowecell 15cm인 경우 높이 5cm, 지름 15cm로 하였다. 먼저 수직 및 횡방향 배수재를 충분히 끓여 공기 를 제거한 후 시료를 Setting 시 키 고, 시 료와 Diapharm 사이의 공기를 제거하였다. 그리고Cell을 조립하고 시료의 상부에 선행압밀 하중을 가한 후 시료의 완전포화를 위해 Back Pressure# 상부 하중보다 약 20kpa 정도 작은 압으로 수직배수인 경우 상부를 통해 그리고 횡방향 배수인 경우 옆면을 통해 가하고 상재하중과 함께 300kpa까지 점증시켜가며 B - Value값을 측정하였다.
먼저 수직 및 횡방향 배수재를 충분히 끓여 공기 를 제거한 후 시료를 Setting 시 키 고, 시 료와 Diapharm 사이의 공기를 제거하였다. 그리고Cell을 조립하고 시료의 상부에 선행압밀 하중을 가한 후 시료의 완전포화를 위해 Back Pressure# 상부 하중보다 약 20kpa 정도 작은 압으로 수직배수인 경우 상부를 통해 그리고 횡방향 배수인 경우 옆면을 통해 가하고 상재하중과 함께 300kpa까지 점증시켜가며 B - Value값을 측정하였다. B 값이 0.
10의 B valve를 열면서 압밀을 실시하였다. 시험기간중 Back Pressure는 일정하게 유지시켰으며 , 과잉간극수압은 시료의 하단에서 측정하였다. 하중단계는0.
시험기간중 Back Pressure는 일정하게 유지시켰으며 , 과잉간극수압은 시료의 하단에서 측정하였다. 하중단계는0.6, 1.2, 2.4, 4.8kg/cmz 까지 가했으며, 재하시 간은 Oedometer 와 같은 24시간으로 하였다.
11과 같다. 각 단계 별 압밀이 끝난 다음 시 료의 상부 와 하부를 통해 각기 다른 배 압(약5kpa) 을 이용해 시간당 유출되 는 유량을 약 12시간 정도 측정하였다. Sample A인 경우, 동일시료에 대한 직접 투수시험이 불가능하므로 Fig.
12와 같은 방법으로 실시하였다. 먼저 시료중앙 부위를 직경비 (D/d) 약 5로 Cutting한 후 이 부분에 포화된 모래를 넣고 압밀시험과 같은 방법으로 포화시켜 단계별 압밀을 실시한 후 Valve A와 B를 통해 각기 다른 배 압을 이 용 Outward 방향으로 투수시 험을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구의 압밀 및 투수시험에 사용된 장치는 미국 GEOCOMP사에서 제작한 제품을 이용하였으며, 세부시험장치는 간극수압계, 배압장치, Volume Change로 구성되어 있다. Rowecell은 Hydraulic방식을 이용한 직경 15cm, 7.
Oedometer 시험시 시료의 크기는 ASTM Standard D2435에서 제안한지름6cm, 높이 2cm의 시료를 사용하였으며, 하중증가비는 1, 재하시간은 24시간으로 하였다. Rowecell을 이용한 압밀시 험은Fig.
( 1986)가제안한 방법을 따랐다. 시료의 크기는 Rowecell 7.5 cm 인 경우높이 3cm, 지름 7.5cm, 그리고 Rowecell 15cm인 경우 높이 5cm, 지름 15cm로 하였다. 먼저 수직 및 횡방향 배수재를 충분히 끓여 공기 를 제거한 후 시료를 Setting 시 키 고, 시 료와 Diapharm 사이의 공기를 제거하였다.
데이터처리
& Prakash, K.(I987)가 제안한 Rectangular Hyperbolic 방법 그리 고 Pandian, N. S., Sridharan, A. & Kumar, K. S. (1992) 가 제안한 <5/t - logt 방법을 이용해 횡 방향 압밀계수를 비교 분석하였다.
이론/모형
Rowecell을 이용한 횡방향 직접투수시험의 투수 계수 산정식은 Fig. 4와 같이 수압차에 의하여 흐름이 발생할 경우 반경 r인지점에서 미소부분의 dr에 대한 유량은 Darcy 의 법칙을 적용하여 식 (12)와 같이 나타낼 수 있다.
H.( 1986)가제안한 방법을 따랐다. 시료의 크기는 Rowecell 7.
성능/효과
그러나 유효응력이 선행압밀에 이르면 압밀계수는 급격히 감소하고 정규압밀 점토에서는 하중이 증가함에 따라 커지는 경향을 보인다. 본 논문에서도 하중증가에 따라 압밀계수는 대부분 증가하는 경향을 보였으며, A시료인 경우 Taylor 방법으로 구한 #값이 Casagrande 방법으로 구한 #값보다 약 1.04 - L16배 정도 크게 나타났고, B시 료에서 는 Taylor 방법 으로 구해진 &값이 1.06 - 1.65배 정도 크게 나타났다. 이러한 경향은 Duncan, J.
Sample A 역시 동일한크기의 시료에 대해서는 해석방법에 따른 차이가 크게 나타나지 않았다. 시료크기에 따른 영향을 살펴보면 이방성에 관계없이 시료크기가 비교적 작은 Oedometer, Rowecell 7.5cm의 n값이 Rowecell 15cm의 n값보다 약 1.5 - 2배 정도 작게 나타나지 만, C값은 대략 10배 정도 크게 나타났다. 따라서 같은 종류의 흙이 라 하더 라도 시료크기 에 따라 n, C값은 달라진다고 할 수 있다.
또한 Table. 4의 압밀시험에 의해 구해진 투수상수를 이용해 구한 간접투수계수를 직접투수계수와 비교해 보면 동일한 간극인 경우 직접투수계수가 간접투수계수보다 조금더 크게 나타났으며, 이러한 차이는 시 료의 크기 가 작을수록 더 크게 나타남을 알 수 있었다.
1) 횡방향 압밀계수를 해석방법별로 비교해 본 결과 Sample A인 경우Taylor방법이 Casagrande방법으로 구한 값 보다 약 1.04 -1.16배 정도 크며, Hyperbolic 방법으로 구한값은두가지 방법으로 구한값사이에 존재하므로 초기압축곡선을 구할 수 없는 경우엔 매우 좋은 방법으로 생각된다. Sample B인 경우엔 Taylor 방법으로 구해진 #값이 Casagrande 방법보다 1.
2) Cr0(rowe) - Cjgofrowe) , 와 Ci9Q(oedo) - Ggo(rowe) 의 관계식을 이 용해 Oedometer 시 험 으로간접 적 인 횡 방향 압밀 계수를 구할 수 있다.
3) 횡방향 압밀계수는 동일한 시료라 하더라도 시료의 크기와 이 방성 에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다.
4) 간극비와투수계수의 관계에서 & - e"/(l + e)의 관계가 선형적임을 알 수 있었으며, 여기 서 얻어진 투수상수 n, C 값 역시 시료의 크기와 이방성에 따라 각기 다른 값들을 나타내었다.
5) 압밀시험에서 구한 간접투수계수를 직접투수계수와 비교한 결과 시료의 크기와 방향성 이 동일 한 경우 직접투수계수가 간접투수계수보다 다소 크게 나타났다.
위의 결과를 통해 본 이암풍화토의 횡방향압밀 및 투수 특성은 시료의 크기, 이방성의 영향그리고해석방법에 따라 차이가 있음을 알수 있었다. 따라서 횡방향 투수계수의 선정시 공학자의 적절한 판단이 요구된다고 하겠다.
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