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문제 정의
- 본 연구에서는 강도 감소율을 산정하여 잔류상태에서의 강도 감소량을 정량화하였다. 여기서 강도 감소율이란 잔류 상태에서의 강도 감소량과 최대 전단강도의 비를 의미한다.
- GM 표면상태가 거친(그림 3에는 rough로 표현됨) 경우, GM의 표면이 매끈한(smooth) 경우보다 직접 전단 시험과 경사판 시험(inclined board test) 결과 사이에서 더 큰 전단 강도의 차이를 보였다. 본 연구의 목적은 대형 직접전단 시험을 통해 GM/ GT 사이의 접촉 전단 특성을 측정하여 평가하고, 잔류 상태, GM의 표면 유형, 수침 상태, 연직하중의 크기 등이 전당강도에 미치는 영향 파악하는데 있다. 또한 본 연구 결과를 기존의 연구 결과와의 비교하여 본 연구의 적절성을 확인하였다.
- 시험항목 중 습윤 조건은 토목섬유가 실제 매립지 현장에서 빗물, 지하수 또는 침출수에 젖은 상태에서의 토목섬유의 접촉 전단강도 특성을 알아보기 위해 시행되었다. GT를 수도물(tap water)에 약 3~5시간 동안 적신 후 시험을 실시하였으며, 시험을 실시한 후에는 GT의 무게를 측정하여 물에 의한 GT의 무게 증가를 알아보았다.
가설 설정
- 본 시험에서는 전 단변형 80mm에서의 측정값을 잔류 전단강도라 하였다. 기존의 연구(Stark 등, 1996)에 의하면 80mm의 값은 진정한 의미의 잔류 전단강도라고 하기에는 변위가 작았지만, 본 시험기의 한계로 인해 80mm에서의 강도를 잔류 전단 강도라 가정하고 분석을 실시하였다.
제안 방법
- 그리고 상·하부 상자 에 고정된 토목섬유를 서로 접촉시킨 후, 상재 하중을 가한다. 6, 31, 54, 100, 146(kPa) 크기의 상재 하중이 가해졌으며, 하중을 재하한 후 약 30분이 경과한 후에 전단을 실시하였다. 31-146kFa의 하중은 유압을 통해 재 하되었으며, 6kPa의 경우는 이 무게에 상당하는 사하중을 가하였다.
- 시험항목 중 습윤 조건은 토목섬유가 실제 매립지 현장에서 빗물, 지하수 또는 침출수에 젖은 상태에서의 토목섬유의 접촉 전단강도 특성을 알아보기 위해 시행되었다. GT를 수도물(tap water)에 약 3~5시간 동안 적신 후 시험을 실시하였으며, 시험을 실시한 후에는 GT의 무게를 측정하여 물에 의한 GT의 무게 증가를 알아보았다. 이 경우는 정확한 시험 결과를 얻기 위해, 각 하중 별로 2번씩의 시험을 실시하여 그 값을 평균하였다.
- 대형 직접전단 시험기를 사용하여 매립지의 차수재와 최종 덮개에 사용되는 토목섬유 사이(interface)의 접촉 전단강도를 측정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구의 목적은 대형 직접전단 시험을 통해 GM/ GT 사이의 접촉 전단 특성을 측정하여 평가하고, 잔류 상태, GM의 표면 유형, 수침 상태, 연직하중의 크기 등이 전당강도에 미치는 영향 파악하는데 있다. 또한 본 연구 결과를 기존의 연구 결과와의 비교하여 본 연구의 적절성을 확인하였다. 본 시험의 결과는 국내에서 생산된 토목섬유를 사용하는 매립지를 설계할 때, 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 접촉 전단 강도는 일반적으로 연직응력에 따라 달라진다고 알려져 있다(Wasti & Ozdiizgun, 2001). 본 연구 에서는 하중에 따른 마찰각의 변화를 평가하기 위해 점착력을 고려하지 않는 'Secant 마찰각'을 도입하였다. Secant 마찰각은 가해진 연직 하중과 전단 응력을 이용하여 구하며 (식 (2)), 토목섬유 사이의 경계면의 한계 경 사각을 의미하기도 한다.
- 본 시험에 사용된 장비는 대형 직접전단 시험기로서 개략적인 모습은 그림 4와 같다. 시험기 상부와 하부 상자의 단면 크기는 30cmX 30cm이고, 하부상자는 단단한 재료를 채워 전단면이 평평하게 유지되도록 하였다. 시험기의 구성과 전체적인 과정은 ASTM D 5321 에 제시된 방법을 따랐다.
- 전단 속도는 Imm/min 였으며, 실시된 시험 항목은 표 2에 정리하였다. 이와 같은 시험 조합을 통해 GT의 종류, GM의 표면 상태, 수침 상태 등의 효과를 알아보았다.
대상 데이터
- 건조 상태에서 S-GM과 GT의 접촉 전단강도는 GT(A)와 GT(B)를 대상으로 시험이 실시되었으며(Test A,B), 5개의 상재하중(6~146 kPa) 아래서 변위에 따른 접촉 전단강도의 변화는 그림 5의 Test A, B와 같다. 모든 하중 단계에서 최대 전단강도는 3mm이하의 변위에서 발생하였으며, 빠른 시간 내에 최대 전단강도가 나타난 후 강도가 감소하는 변형률 연화(strain softening) 현상을 확인할 수 있었다.
- 현상을 보이는 경우에는 잔류상태에서의 강도를 측정하여 감소량을 평가하는 것이 중요하다. 본 시험에서는 전 단변형 80mm에서의 측정값을 잔류 전단강도라 하였다. 기존의 연구(Stark 등, 1996)에 의하면 80mm의 값은 진정한 의미의 잔류 전단강도라고 하기에는 변위가 작았지만, 본 시험기의 한계로 인해 80mm에서의 강도를 잔류 전단 강도라 가정하고 분석을 실시하였다.
- 시험에 사용된 토목섬유는 부직포(nonwoven GT)와 HDPE(High density polyethylene) GM이며, 각 토목섬유의 두께 구성 성분, 인장 특성 등은 표 1과 같다.
데이터처리
- GT를 수도물(tap water)에 약 3~5시간 동안 적신 후 시험을 실시하였으며, 시험을 실시한 후에는 GT의 무게를 측정하여 물에 의한 GT의 무게 증가를 알아보았다. 이 경우는 정확한 시험 결과를 얻기 위해, 각 하중 별로 2번씩의 시험을 실시하여 그 값을 평균하였다.
이론/모형
- 본 시험을 통해 구한 접촉 전단강도는 Mohr-Coulomb 파괴 포락선 식을 이용하여 연직 응력의 함수로 표현하였다. 본 시험 결과는 식 (1)에 따라 접촉 전단강도를 산정하였으며, 그 결과는 표 4 및 그림 6과 같다.
- 시험기 상부와 하부 상자의 단면 크기는 30cmX 30cm이고, 하부상자는 단단한 재료를 채워 전단면이 평평하게 유지되도록 하였다. 시험기의 구성과 전체적인 과정은 ASTM D 5321 에 제시된 방법을 따랐다.
성능/효과
- (1) GM의 표면 상태와 포화 유무에 따라 전단변위와 접촉 전단강도 곡선은 서로 다른 모습을 보였다.
- (2) 접촉 전단강도는 Mohr-Coulomb 파괴 포락선을 적용하여 마찰각와 점착력으로 평가할 수 있었으며, 본 시험에서는 좋은 상관관계를 보였다. T-GN/GT에서 큰 마찰각와 점착력이 가지는 것으로 평가되었다.
- (3) 최대 전단강도와 잔류 전단강도를 강도 감소율과 최대/잔류 전단강도의 비를 이용하여 비교한 결과, 강도 감소율은 T-GM에서 가장 크게 나타났으며 Test D를 제외한 거의 모든 시험에서 잔류 전단강도는 최대값의 60-80% 사이에 존재하였다.
- (4) T-GM/GT과 S-GM/GT은 각각 다른 파괴 메카니즘을 보였으며, 이로 인해 T-GM에서 전단강도가 더 증가하였으며 강도 감소량도 더 컸다.
- (5) Secant 마찰각은 하중이 증가함에 따라 감소하였다. 따라서 보수적인 즉 안전한 설계를 실시하기 위해서는 예상되는 하중 혹은 그보다 큰 하중에서 시험 결 과를 이용하여 전단강도를 평가한 후, 설계에 반영하여야 한다.
- S-GM/GT에서는 본 시험 결과가 다른 연구자의 결과보다 비슷하거나 약간 작은 마찰각을 보였으며, 점착력은 거의 유사하였다. T-GM/GT의 결과의 경우는 본 연구의 결과가 다른 문헌의 결과들에 비해 마찰각은 작게 그리고 점착력은 크게 평가되었다.
- S-GM/GT에서는 본 시험 결과가 다른 연구자의 결과보다 비슷하거나 약간 작은 마찰각을 보였으며, 점착력은 거의 유사하였다. T-GM/GT의 결과의 경우는 본 연구의 결과가 다른 문헌의 결과들에 비해 마찰각은 작게 그리고 점착력은 크게 평가되었다. 따라서 본 연구 결과를 설계시 적용할 때에는 마찰각만을 적용하면 지나치게 보수적인 설계가 될 수 있으므로 꼭 점착력을 고려하여 전단력을 산정하여야 한다.
- (2) 접촉 전단강도는 Mohr-Coulomb 파괴 포락선을 적용하여 마찰각와 점착력으로 평가할 수 있었으며, 본 시험에서는 좋은 상관관계를 보였다. T-GN/GT에서 큰 마찰각와 점착력이 가지는 것으로 평가되었다.
- 그러나, T-GM/GT의 경우는 이와는 다른 양상을 보였다. 경계면이 습윤 상태가 되면서 마찰각은 최대값에서 5.6º 잔류값에서 6.9º 증가하였으나, 점착력의 경우에는 오히려 최대값은 7.3kPa 잔류 상태에서는 3.5kaa이 감소하였다. Ellithy & Gabr(2001)도 이와 유사한 연구 결과와도 발표한 바 있다.
- 그 정도는 다르지만 마찰특성이 연구자에 따라 차이를 보이는 이유는 근본적으로 시험기와 재료의 차이에서 찾을 수 있지만, 더불어 실시된 연직하중의 범위(본 시험에서는 가장 작은 6kPa에서도 시험을 실시함)도 중요한 변수로 작용했음을 알 수 있다. 또한 IBT 나 RST 에 서는 점착력이 거의 0에 가까운 값을 보이나 마찰각은 DST에 비해 크게 평가하는 등, 시험법(DST, IBT, RST) 에 따라서도 차이를 보임을 확인할 수 있다.
- 그 정도는 다르지만 마찰특성이 연구자에 따라 차이를 보이는 이유는 근본적으로 시험기와 재료의 차이에서 찾을 수 있지만, 더불어 실시된 연직하중의 범위(본 시험에서는 가장 작은 6kPa에서도 시험을 실시함)도 중요한 변수로 작용했음을 알 수 있다. 또한 IBT 나 RST 에 서는 점착력이 거의 0에 가까운 값을 보이나 마찰각은 DST에 비해 크게 평가하는 등, 시험법(DST, IBT, RST) 에 따라서도 차이를 보임을 확인할 수 있다.
- 건조 상태에서 S-GM과 GT의 접촉 전단강도는 GT(A)와 GT(B)를 대상으로 시험이 실시되었으며(Test A,B), 5개의 상재하중(6~146 kPa) 아래서 변위에 따른 접촉 전단강도의 변화는 그림 5의 Test A, B와 같다. 모든 하중 단계에서 최대 전단강도는 3mm이하의 변위에서 발생하였으며, 빠른 시간 내에 최대 전단강도가 나타난 후 강도가 감소하는 변형률 연화(strain softening) 현상을 확인할 수 있었다.
- S-GM에서는 연 직응력의 영향이 T-GM에 비해 크게 나타나지는 않았다. 본 시험 결과를 Wasti & Ozdiizgiin(2001)의 연구결과와 비교해보면(그림 10), 연직 응력이 작은 범위(<40kPa)에서는 본 시험에서의 마찰각이 더 크게 나타났으며, 연직 응력이 큰 경우는 마찰각이 작게 평가되었다. 이는 토목섬유 고정 방식을 포함한 시험기의 차이와 재료의 상이함에서 기인한 것으로 판단된다.
- 이는 토목섬유 고정 방식을 포함한 시험기의 차이와 재료의 상이함에서 기인한 것으로 판단된다. 비교를 통해 본 시험 결과가 40kPa 이상의 연직하중에서는 보수적인 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.
- 습윤 상태에서 S-GM과 GT의 변위에 따른 접촉 전단 강도(그림 5의 Test C)를 살펴보면, 모든 하중 단계에서 최대 전단강도는 2mm 이하의 변위에서 발생하였으며, 본 경우 역시 최대 전단강도가 나타난 후 즉각적으로 강도가 감소하였다. 상재하중 54 kPa이상의 조건에서는 전단강도가 최대점에 다다른 후 일시적으로 감소하였다가 다시 증가하는 모습을 보였다. 이는 전단이 진행됨에 따라 접촉면에 과잉 간극 수압이 발생하여 나타난 결과라고 판단된다.
- 습윤 상태에서 S-GM과 GT의 변위에 따른 접촉 전단 강도(그림 5의 Test C)를 살펴보면, 모든 하중 단계에서 최대 전단강도는 2mm 이하의 변위에서 발생하였으며, 본 경우 역시 최대 전단강도가 나타난 후 즉각적으로 강도가 감소하였다. 상재하중 54 kPa이상의 조건에서는 전단강도가 최대점에 다다른 후 일시적으로 감소하였다가 다시 증가하는 모습을 보였다.
- 이는 전단이 진행됨에 따라 접촉면에 과잉 간극 수압이 발생하여 나타난 결과라고 판단된다. 시험 종료 후 GT의 무게를 측정하였 더니, 100g에서 400g으로 300%의 무게가 증가하였다.
- 단지 80mm는 진정한 잔류상태에 이르기에는 부족한 변위이기 때문에 이러한 경향이 나타난 것으로 판단되며 만약 더 큰 변위에서의 값을 얻어서 이를 잔류강도로 한다면 연직응력에 따른 경향을 파악할 수 있을 것이라 생각된다. 이처럼 최대 및 잔류 강 도 비의 경향을 파악할 수는 없었지만, Test D를 제외한 모든 경우에서 잔류 전단강도는 최대 전단강도의 60~ 80% 사이에서 분포함은 관찰할 수 있었다.
- 표 4를 보면 Test A, B의 경우 아주 높은 상관관계를 나타내고 있으며, Test C, D, E의 경우도 Test A, B 에 비해서는 낮지만 비교적 높은 상관관계를 보이고 있었다. Test A, B는 비록 GT의 성질이 약간의 차이가 있지만, 두 경우 모두 S-GM/GT 사이의 전단강도를 표현해주는 것으로, 최대 마찰각은 7-8º 최대 점착력은 1.
후속연구
- 즉, 낮은 연직하중 아래에서는 물이 윤활작용을 하지만, 하중이 증가할수록 물이 오히려 마찰력을 증가시키는 작용을 하게 된다. 그러나, 아직까지는 이러한 변화를 일으키는 정확한 메카니즘을 파악하지 못했으며, 이 부분에 관하여는 추가적인 연구가 필요하다.
- 그림 7에서 볼 수 있듯이 최대 강도와 잔류 전단강도의 비는 연직응력 에 따라 변하였는데, 본 연구 결과에서는 어떤 경향을 찾기는 힘들었다. 단지 80mm는 진정한 잔류상태에 이르기에는 부족한 변위이기 때문에 이러한 경향이 나타난 것으로 판단되며 만약 더 큰 변위에서의 값을 얻어서 이를 잔류강도로 한다면 연직응력에 따른 경향을 파악할 수 있을 것이라 생각된다. 이처럼 최대 및 잔류 강 도 비의 경향을 파악할 수는 없었지만, Test D를 제외한 모든 경우에서 잔류 전단강도는 최대 전단강도의 60~ 80% 사이에서 분포함은 관찰할 수 있었다.
- 또한 본 연구 결과를 기존의 연구 결과와의 비교하여 본 연구의 적절성을 확인하였다. 본 시험의 결과는 국내에서 생산된 토목섬유를 사용하는 매립지를 설계할 때, 기초적인 자료로 활용될 수 있을 것이다.
- 0 kPa이었다. 이 값들은 설계 대상 매립지의 하중 조건이 본 시험이 실시된 하중 범위(6~146kPa)인 경우에는 적용이 가능할 것으로 판단된다. 한편 T-GM은 S-GM에 비해 아주 큰 전단강도를 나타내고 있었으며(그림 6), 그림 6에서 실선으로 표시된 부분은 건조 상태의 GT, 점선은 습윤 조건에서의 결과를 가리킨다.
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