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문제 정의
- 그 연구의 일부로서 Duncan 등(1970)은 Hyperbolic 구성모델의 적용을 제안하였으며, 최근 설계단계에서 지반의 거동을 파악하기 위하여 Hyperbolic 모델을 활발히 적용하고 있는 실정이다. 이에 본 논문에서는 방파제의 기초사석에 대하여 대형삼축압축실험을 수행한 다음, 그 결과를 근거로 도출된 실험자료들로부터 일축압축강도가 작은 제주 지방의 현무암에 대한 상기 모델의 적용 가능성을 연구하였다. 이를 위하여 북제주에 위치한 석산 3개소에서 채취한 다공질 현무암 시료에 대하여 대형삼축압축실험을 수행하였다.
제안 방법
- 의 범위로 비교적 작은 일축압축강도를 나타내었다. 3개의 채석장으로부터 모두 9개의 대형 원주형 공시체(직경 300mm ×높이 620mm)를 성형하여 1.0, 2.0 및 3.0 kgf/cm2 등 세 가지 구속압력하에서 축하중을 3mm/min 의 속도로 재하하여 압밀배수(CD)실험을 실시하였다.
- 삼축셀(크기 300mm×620mm)의 응력분포 양상이 대칭이므로 축대칭(axisymetric) 조건으로 시료의 #만 모델링하여 해석을 실시하였으며, 그림 15에 수치해석에 사용된 단면이 나타나 있다. Loading Cap의 구속효과를 고려하여 횡방향의 변위를 구속하였고, 시료에 초기구속압을 재하시켜 등방압밀시킨 후, 축차응력을 가하는 방법으로 응력해석을 실시하였다.
- 그리고 구속압이 증가함에 따라 포아송 비가 작아지는 경향을 보이고 있다. 본 논문에 사용된 해석에서는 구속압 및 변형률에 대한 포아송비의 변화를 고려하지 않고 0.2의 포아송비를 적용하였다.
- 본 연구에서는 9개의 공시체에 대한 대형삼축압축실험을 실시하였으며, 실험에서 얻어진 축차응력-변형율 관계와 축방향 변형율-체적변형율 관계를 그림 7～9에 나타내었다. 이 그림들로부터 실험에 사용된 시료들의 축차응력변형율 관계곡선의 특성은 파괴에 도달하여도 peak 점이 명확하게 나타나지 않은 느슨한 사질토의 압축특성과 유사하게 나타났다.
- 본 연구에서는 대형삼축압축실험의 결과를 검증하기 위하여 Hyperbolic model module을 내장한 Sage-Crisp 프로그램을 사용하여 수치해석을 실시하였다. 삼축셀(크기 300mm×620mm)의 응력분포 양상이 대칭이므로 축대칭(axisymetric) 조건으로 시료의 #만 모델링하여 해석을 실시하였으며, 그림 15에 수치해석에 사용된 단면이 나타나 있다.
- 본 연구에서는 제주도 지방의 방파제의 기초사석에 대한 대형삼축압축실험과 Hyperbolic 구성모델을 이용한 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 대형삼축압축실험의 결과를 검증하기 위하여 Hyperbolic model module을 내장한 Sage-Crisp 프로그램을 사용하여 수치해석을 실시하였다. 삼축셀(크기 300mm×620mm)의 응력분포 양상이 대칭이므로 축대칭(axisymetric) 조건으로 시료의 #만 모델링하여 해석을 실시하였으며, 그림 15에 수치해석에 사용된 단면이 나타나 있다. Loading Cap의 구속효과를 고려하여 횡방향의 변위를 구속하였고, 시료에 초기구속압을 재하시켜 등방압밀시킨 후, 축차응력을 가하는 방법으로 응력해석을 실시하였다.
- 이를 위하여 북제주에 위치한 석산 3개소에서 채취한 다공질 현무암 시료에 대하여 대형삼축압축실험을 수행하였다. 실험에서 나타난 응력-변형율 거동과 대형삼축압축시험을 수치해석으로 시뮬레이션하여 얻은 응력-변형율 거동을 비교 및 분석하여 Hyperbolic 구성모델의 적용성을 검토하였다.
- 이에 본 논문에서는 방파제의 기초사석에 대하여 대형삼축압축실험을 수행한 다음, 그 결과를 근거로 도출된 실험자료들로부터 일축압축강도가 작은 제주 지방의 현무암에 대한 상기 모델의 적용 가능성을 연구하였다. 이를 위하여 북제주에 위치한 석산 3개소에서 채취한 다공질 현무암 시료에 대하여 대형삼축압축실험을 수행하였다. 실험에서 나타난 응력-변형율 거동과 대형삼축압축시험을 수치해석으로 시뮬레이션하여 얻은 응력-변형율 거동을 비교 및 분석하여 Hyperbolic 구성모델의 적용성을 검토하였다.
대상 데이터
- 공시체 제작에 사용된 시료의 입도분포곡선이 그림 5에 나타나 있다. 3개 시료 모두 균등계수 Cu가 1.6～1.9인 거의 균등한 입자크기를 나타내고 있으며, 상사입도를 적용하여 실험에 사용된 시료의 최대 입경을 50.8 mm로 하였다.
- 대형삼축압축실험에 사용된 시료는 3개소의 채석장(S사, B사, H사)을 대상으로 하였고, 공시체에 사용된 암석의 일축압축강도는 400～800 kgf/cm2의 범위로 비교적 작은 일축압축강도를 나타내었다. 3개의 채석장으로부터 모두 9개의 대형 원주형 공시체(직경 300mm ×높이 620mm)를 성형하여 1.
- 재하대는 4본 지주식으로 이루어져 있다. 실험에 사용된 공시체는 그 크기가 직경 30cm×높이 60cm인 원주형이고, 제한된 공시체 크기 때문에 시료의 입경이 2.0mm～50.2mm로 제한되었다.
이론/모형
- 공시체 제작방법으로는 평행 입자 분포법(Parrallel Grading Method, 그림 6 참조), 절단 치환법(Scalping and Replacement Method), 입자 모형법(Matrix modeling Method) 등이 있으며 본 연구에서는 평행 입자 분포법이 사용되었다. 대형 삼축압축시험시 시료의 직경과 최대 입경의 비는 주로 4～8이며 가장 많이 사용되는 비는 약 1:6이므로 시료의 최대 입경을 50.
성능/효과
- 1. 3개 채석장으로부터 제작한 9개 공시체에 대한 대형삼축압축실험과 이에 대한 수치해석 결과, 축차응력-변형률 거동이 잘 일치하는 것으로 나타났고, 일축압축강도가 400～800 정도인 다공질의 현무암 시료에 대한 Hyperbolic 구성모델의 적용성을 확인하였다.
- Perloff와 Pombo는 삼축시험에서 단부의 구속효과에 대한 수치연구를 통해서 응력-변형률의 비균일성이 크다고 지적한 바 있다. 본 연구에서 수행한 유한요소해석에 의한 동일한 변형율 조건에서 응력상태의 분포를 보여주는 그림 19와 Perloff와 Pombo의 결과를 비교하여 보면 유사한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터 본 연구에서 얻어진 수치해석결과는 실제 거동과 유사한 결과를 모사하고 있다고 볼 수 있으므로 본 연구의 수치해석에 사용된 모델의 정당성은 있는 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 수행한 유한요소해석에 의한 동일한 변형율 조건에서 응력상태의 분포를 보여주는 그림 19와 Perloff와 Pombo의 결과를 비교하여 보면 유사한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과들로부터 본 연구에서 얻어진 수치해석결과는 실제 거동과 유사한 결과를 모사하고 있다고 볼 수 있으므로 본 연구의 수치해석에 사용된 모델의 정당성은 있는 것으로 판단된다.
후속연구
- 2. 정수 중에 자유 낙하하여 구성된 느슨한 사석시료에 대한 대형삼축압축실험 결과는 다짐이 어려운 방파제의 사석제체나 암성토 지반의 응력-변형률 거동을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3. 향후 방파제 사석제체의 거동을 정밀하게 파악하기 위해서는 보다 많은 실험적 연구가 필요하며, 암성토 지반의 경우도 다양한 암석의 종류와 현장다짐조건 등의 변화에 대한 실험적 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이 그림들로부터 3개 채석장에서 채취한 시료에 대한 대형삼축압축실험과 수치해석에서 얻어진 응력-변형율 관계는 다소 차이가 있지만 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 본 연구에서 수행한 대형삼축압축실험과 수치해석의 결과는 정수 중에 자유낙하시켜 형성한 사석 제체나 암성토 지반의 변형거동을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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