비고결화된 흙의 전단파 속도는 모세관 현상을 무시할 수 있는 경우 유효응력의 함수로 표현할 수 있다. 그러나 지반에서의 응력상태는 등방성인 경우보다는 이방성인 경우가 대부분이므로 이러한 유효응력은 파가 전파되는 방향과 입자가 움직이는 방향의 두 가지로 나눠진다. 또한, 전단파 속도는 입자 특성에 따라 실험적으로 결정되는 ${\alpha}$계수와 ${\beta}$지수에 영향을 받는데 ${\beta}$지수의 경우 입상 매질(particulate material)의 접촉 특성(입자크기, 입자모양, 입자들의 구조)에 따라 결정되며, ${\alpha}$계수는 패킹(packing)의 형태(즉, 간극률과 coordination number), 입자를 만드는 재료의 특성, 입자간의 접촉 거동, 구조의 변화에 따라서 변화한다. 본 연구에서는 입자구조의 특성이 다른 점토, 모래, mica등의 재료로 압밀시험을 실시하고 벤더 엘리먼트를 통하여 유효응력 방향과 입자 이방성에 따른 전단파 속도를 측정하였다. 연구 결과, 둥근 입자로써 입자자체가 등방성인 경우에는 응력이방성에 의하여 전단파 속도의 크기가 달라지는 것으로 나타났다. 또한 전단파 속도는 동일한 응력 하에서 입자 배열에 의존하는 것으로 나타났다. 이번 연구는 지반구조물의 설계와 시공 시 전단파 속도와 전단탄성계수는 매우 신중하게 계산되고 사용되어져야 함을 제시하고 있다.
비고결화된 흙의 전단파 속도는 모세관 현상을 무시할 수 있는 경우 유효응력의 함수로 표현할 수 있다. 그러나 지반에서의 응력상태는 등방성인 경우보다는 이방성인 경우가 대부분이므로 이러한 유효응력은 파가 전파되는 방향과 입자가 움직이는 방향의 두 가지로 나눠진다. 또한, 전단파 속도는 입자 특성에 따라 실험적으로 결정되는 ${\alpha}$계수와 ${\beta}$지수에 영향을 받는데 ${\beta}$지수의 경우 입상 매질(particulate material)의 접촉 특성(입자크기, 입자모양, 입자들의 구조)에 따라 결정되며, ${\alpha}$계수는 패킹(packing)의 형태(즉, 간극률과 coordination number), 입자를 만드는 재료의 특성, 입자간의 접촉 거동, 구조의 변화에 따라서 변화한다. 본 연구에서는 입자구조의 특성이 다른 점토, 모래, mica등의 재료로 압밀시험을 실시하고 벤더 엘리먼트를 통하여 유효응력 방향과 입자 이방성에 따른 전단파 속도를 측정하였다. 연구 결과, 둥근 입자로써 입자자체가 등방성인 경우에는 응력이방성에 의하여 전단파 속도의 크기가 달라지는 것으로 나타났다. 또한 전단파 속도는 동일한 응력 하에서 입자 배열에 의존하는 것으로 나타났다. 이번 연구는 지반구조물의 설계와 시공 시 전단파 속도와 전단탄성계수는 매우 신중하게 계산되고 사용되어져야 함을 제시하고 있다.
Shear wave velocity of uncemented soil can be expressed as the function of effective stresses when capillary phenomena are negligible. However, the terms of effective stresses are divided into the direction of wave propagation and polarization because stress states are generally anisotropy. The shea...
Shear wave velocity of uncemented soil can be expressed as the function of effective stresses when capillary phenomena are negligible. However, the terms of effective stresses are divided into the direction of wave propagation and polarization because stress states are generally anisotropy. The shear wave velocities are affected by ${\alpha}$ parameters and ${\beta}$ exponents that are experimentally determined. The ${\beta}$ exponents are controlled by contact effects of particulate materials (sizes, shapes, and structures of particles) and the ${\alpha}$ parameters are changed by contact behaviors among particles, material properties of particles, and type of packing (i.e., void ratio and coordination number). In this study, consolidation tests are performed by using clay, mica and sand specimens. Shear wave velocities are measured during consolidation tests to investigate the stress-induced and inherent anisotropies by using bender elements. Results show the shear wave velocity depends on the stress-induced anisotropy for round particles. Furthermore, the shear wave velocity is dependent on particle alignment under the constant evvective stress. This study suggests that the shear wave velocity and the shear modulus should be carefully estimated and used for the design and construction of geotechnical structures.
Shear wave velocity of uncemented soil can be expressed as the function of effective stresses when capillary phenomena are negligible. However, the terms of effective stresses are divided into the direction of wave propagation and polarization because stress states are generally anisotropy. The shear wave velocities are affected by ${\alpha}$ parameters and ${\beta}$ exponents that are experimentally determined. The ${\beta}$ exponents are controlled by contact effects of particulate materials (sizes, shapes, and structures of particles) and the ${\alpha}$ parameters are changed by contact behaviors among particles, material properties of particles, and type of packing (i.e., void ratio and coordination number). In this study, consolidation tests are performed by using clay, mica and sand specimens. Shear wave velocities are measured during consolidation tests to investigate the stress-induced and inherent anisotropies by using bender elements. Results show the shear wave velocity depends on the stress-induced anisotropy for round particles. Furthermore, the shear wave velocity is dependent on particle alignment under the constant evvective stress. This study suggests that the shear wave velocity and the shear modulus should be carefully estimated and used for the design and construction of geotechnical structures.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
2001). 본 연구에서는 입 자 구조의 특성이 다른 점토, 모래, mica 등의 재료로 압밀 시험을 실시하면서 벤더 엘리먼트를 이용하여 전 단파 속도를 측정하여 유효응력의 크기와 입자 이방성 에 따른 미소변형 거동 특성을 규명하고자 한다.
제안 방법
점토는 서해안에서 채취한 해성 점토 를 사용하였다 각 시료의 비중 초기간극비 등을 표 2와 3에 정리하였다. Mica 시료는 자연 건조된 시료를 압밀 셀(cell)을 5개 층으로 나누어 다짐(tamping)방법에 의하여 조밀한 시료를 조성하였다. 각각의 층은 동일한 무게 의 시료로 나누었다.
작용 연직유효응력은 각 하중단계에서 2배로 증가시 켰으며, 최대 작용 연직유효응력은 각 재료의 특성을 고려하여 Mica의 경우 158kPa, 점토의 경우 629kPa까지 가하였다. Mica의 경우 건조시료이므로 하중 재하 후 30분 이후 다음 단계의 하중을 재하하였으며, 점토의 경우 재하 하중에 의해 발생한 과잉간극수압 소산시간을 고려하여 다음 단계의 하중을(약 24시간 소요) 재하하였다. 전단파 속도의 측정은 작용 연직응력이 모두 유효 응력으로 전환되었다고 판단되는 다음 단계 하중 재하 직전에 측정하였다.
그림 5와 같이 전단파 속도를 측정하기 위하여 고안 된 압밀셀을 이용하였다. Vs(VH)를 측정하기 위하여 상 부와 하부 캡에, Vs(H\Q를 측정하기 위하여 압밀 셀의 벽면에 각각 1쌍의 벤더 엘리먼트를 설치하였다. 즉, Vs(HV)용 벤더 엘리먼트와 VJHH)용 벤더 엘리먼트는 압밀셀 벽면에서 직각을 이루고 있다.
즉, Vs(HV)용 벤더 엘리먼트와 VJHH)용 벤더 엘리먼트는 압밀셀 벽면에서 직각을 이루고 있다. 각 벤더 엘리먼트 의 전기적 간섭(cross-talk)를 방지하기 위하여 전기적 차폐(electrical shield)를 하였다. 폭 4mm, 길이 11mm의 y-poled PZT5H4E를 병렬방식으로 연결하여 사용하였 으며 압밀 셀에서 돌출된 길이는 4mm이다.
5fcRi)에서 시험하기 위하여 동일한 깊이에 벤더 엘리먼트를 설치하였다. 둘째, 6쌍의 벤더 엘리먼트를 파의 진행방향은 %방향으로, 입자 움직 임(particle motion) 방향은 q 빙향 (。= 0°) 부터 气 빙향 (0 = 90 °) 까지 변하도록 설치하였다 즉 그림 3에 나타낸 것과 같이。= 0 ° 는 파의 진행 방향과 입자 움직임 방향이 90 ° 인 V』HV)이며, 。= 90。는 파의 진행 방향과 입자 움직임 방향이 0。인 Vs(HH)를 의미한다.
각각의 층은 동일한 무게 의 시료로 나누었다. 또한 입자 구조적 이방성을 묘사하기 위하여 mica 입자를 횡방향으로 배열하였다.
벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파 속도의 응력유도 이방성을 평가하였다. 입자 구조적 고유이방성을 피하기 위하여 둥근 입자(round particle)가 주류를 이루는 Ottawa F-110시료를 이용하였다.
주변 장치로는 발신 벤더 엘리먼트에 입력신호를 주 기 위한 Function generator(Agilent 33220A), 수신 벤더 엘리먼트에서 받은 신호의 노이즈제거와 증폭을 위한 Filter-Signal Amplifier(Krohn-Hite Model 3364, low-pass filter f= 50kHz, high-pass filter f=500Hz) 및 디지털 오실 로스코프(Agilent 54624A 100MHz)로 이루어져 있다. 입력 신호로는 single sinusoidal wave(5Vpp)를 이용하였으며, 고주파수의 잡음을 제거하기 위하여 stacking(1024개 신호적용)을 실시하였다.
작용 연직유효응력은 각 하중단계에서 2배로 증가시 켰으며, 최대 작용 연직유효응력은 각 재료의 특성을 고려하여 Mica의 경우 158kPa, 점토의 경우 629kPa까지 가하였다. Mica의 경우 건조시료이므로 하중 재하 후 30분 이후 다음 단계의 하중을 재하하였으며, 점토의 경우 재하 하중에 의해 발생한 과잉간극수압 소산시간을 고려하여 다음 단계의 하중을(약 24시간 소요) 재하하였다.
Mica의 경우 건조시료이므로 하중 재하 후 30분 이후 다음 단계의 하중을 재하하였으며, 점토의 경우 재하 하중에 의해 발생한 과잉간극수압 소산시간을 고려하여 다음 단계의 하중을(약 24시간 소요) 재하하였다. 전단파 속도의 측정은 작용 연직응력이 모두 유효 응력으로 전환되었다고 판단되는 다음 단계 하중 재하 직전에 측정하였다. 제하(unloading)과정도 동일한 방법으로 실시하였다.
전단파 속도의 응력이방성을 평가하기 위해 다음의 순서로 시험장치를 준비하였다. 첫째, Ottawa F-110 모래를 강사법으로 이방적 응력 체계인 町 =&戶1상태 (& = 0.51=/齐'1)로 조성한 후 동일한 크기의 연직 유효응력 하(q = = 2.5fcRi)에서 시험하기 위하여 동일한 깊이에 벤더 엘리먼트를 설치하였다. 둘째, 6쌍의 벤더 엘리먼트를 파의 진행방향은 %방향으로, 입자 움직 임(particle motion) 방향은 q 빙향 (。= 0°) 부터 气 빙향 (0 = 90 °) 까지 변하도록 설치하였다 즉 그림 3에 나타낸 것과 같이。= 0 ° 는 파의 진행 방향과 입자 움직임 방향이 90 ° 인 V』HV)이며, 。= 90。는 파의 진행 방향과 입자 움직임 방향이 0。인 Vs(HH)를 의미한다.
대상 데이터
벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파 속도의 응력유도 이방성을 평가하였다. 입자 구조적 고유이방성을 피하기 위하여 둥근 입자(round particle)가 주류를 이루는 Ottawa F-110시료를 이용하였다. Ottawa F-110시료의 기본 물성치(index properties)는 다음 표 1과 같으며 Ottawa F-110시료의 입자 사진은 그림 2와 같다.
전단파 속도의 입자 구조적 이방성을 시험하기 위하여 대표적인 이방 재료인 mica(운모)와 해상 점토를 이용하였다. Mica는 비늘 모양의 알루미늄계 천연광물로 광물함유 성분에 따라 백운모(muscovite), 금운모(phlogopite), 흑운 모(biotite) 등으로 나눠지며 본 연구에는 그 중 백운모를 사용하였다.
대표적인 조성식은 K2A14(Si3Al)2 O2O(OH)4와 같으나 실제의 조성은 광물의 산지에 따라 많은 차이가 있을 수 있다. 점토는 서해안에서 채취한 해성 점토 를 사용하였다 각 시료의 비중 초기간극비 등을 표 2와 3에 정리하였다. Mica 시료는 자연 건조된 시료를 압밀 셀(cell)을 5개 층으로 나누어 다짐(tamping)방법에 의하여 조밀한 시료를 조성하였다.
측정된 전단파 신호의 초동(first arrival)은 근접장 효 과(near field effect)를 고려하여 선택하였으며(Senchez- Salinero et al. 1986), 전단파의 이동거리 Le 두 벤더 엘리먼트의 tip-to-tip간 거리로 하였다(Dyvik and Mad shus 1985; Viggiani and Atkinson 1995; Fernandez 2000). Mica와 점토의 하중 재하 및 제하 시 측정된 전 단파 신호를 그림 6에 나타내었다.
각 벤더 엘리먼트 의 전기적 간섭(cross-talk)를 방지하기 위하여 전기적 차폐(electrical shield)를 하였다. 폭 4mm, 길이 11mm의 y-poled PZT5H4E를 병렬방식으로 연결하여 사용하였 으며 압밀 셀에서 돌출된 길이는 4mm이다. 모든 벤더 엘리먼트는 방수를 위하여 에폭시로 코팅하였다.
성능/효과
그림 7에서 둥근 점은 Vs(VH)를 삼각점 은 Vs(HV)를 나타내며 soild point는 하중 재하단계를, open point는 하중 제화 단계를 나타낸다. VS(VH), VS(HV) 모두 유효응력의 증가에 따라 증가하는 경향을 보이며, 하중 제하 시에는 유효응력의 감소에 따라 Vs(VH), Vs (HV) 모두 감소하는 경향을 보인다. 또한, 하중 제하 시 전단파 속도가 하중 재하 시의 전단파 속도보다 빠른데, 이것은 횡방향 응력 구속현상 때문으로 판단된다.
Casagrande, A. and Wilson, S.D. (1952), 'Effect of rate of loading on the strength of clays and shales at constant water con tent', Geotechnique, Vol.2, No.3, pp.251-263
Duncan, A.M. and Seed, H.B. (1966), 'An isotopy and stress reorientation in clay', Journal of Soil Mechnaics and Foundation Engineering, ASCE, Vol.92, No.SM 5, pp.21-50
Dyvik, R. and Madshus, C. (1985), 'Lab measurements of Gmax using bender element', Proc. ASCE convention on Advances in the art of testing soils under cyclic conditions, pp.186-196
Fernandez, A.L. (2000), 'Tomographic imaging the state of stress', PhD thesis, Civil Engineering, Georgia Institute of Technology, 298p
Knox, D.P., Stokoe, K.H.II., and Kopperman, S.E. (1982), 'Effect of state of stress on velocity of low-amplitude shear waves propa gating along principal stress directions in dry sand', Geotechnical Engineering Report GR 82-23, University of Texas at Austin
Lade, P.V. and Tsai, J.I. (1985), 'Effects of Localization in Tria xial Tests on Clay', Proc of 11th Inter. Conf. on Soil Mech and Found Eng, San Francisco, Vol.2, pp.549-552
Lee, J.S. and Santamarina, J.C. (2005), 'Bender elements: perfor mance and signal interpretation', Journal of Geotechnical and Ge oenvironmental Engineering, ASCE, Vol.131, No.9, pp.1063-1070
Roesler, S. K. (1979), 'Anisotropic shear modulus due to stress anisotropy', Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.105, No.7, pp.871-888
Sanchez-Salinero, I., Rosset, J.M., and Stokoe, K.H.II. (1986), 'Analytical studies of body wave propagation and attenuation', Report GR-86-15, University of Texas, Austin. 272p
Santamarina, J.C., Klein, K.A., and Fam, M.A. (2001), 'Soils and Waves-Particulate Materials Behavior, Characterization and Process Monitoring', John Wiley and Sons, New York, 488p
Viggiani, G. and Atkinson, J.R. (1995), 'Interpretation of bender element tests', Geotechnique, Vol.45, No.1, pp.149-154
Yu, P. and Richart, F.E.Jr. (1984), 'Stress ratio effects on shear modulus of dry sands', Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.110, No.3, pp.331-345
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.