지반 액상화는 흙유체간의 복잡한 동적상호작용에 의해 발생하므로 액상화 현상을 규명하고 액상화 모델링을 위한 데이타를 얻기 위하여 실험을 통한 액상화 연구가 널리 수행되고 있다. 본 연구에서는 원지반의 구속압을 모사할 수 있는 원심모형실험을 수행하여 수평지반의 액상화 거동을 분석하였다. 25cm두께의 지반에 40g의 원심가속도를 가하여 10m 두께의 원지반을 모사하였는데, 동적진동과 소산의 시간상사비 차이를 제거하기 위해 점성유체를 사용하였다. 실험결과로부터 과잉간극수압 소산거동은 침강현상과 압밀현상의 복합적 작용결과임을 확인하였다. 또한, 침강속도, 지반 가속도 진폭, 그리고 입자침강시의 동적 투수계수 값은 지반 구속압의 영향을 크게 받음을 알 수 있었다.
지반 액상화는 흙유체간의 복잡한 동적상호작용에 의해 발생하므로 액상화 현상을 규명하고 액상화 모델링을 위한 데이타를 얻기 위하여 실험을 통한 액상화 연구가 널리 수행되고 있다. 본 연구에서는 원지반의 구속압을 모사할 수 있는 원심모형실험을 수행하여 수평지반의 액상화 거동을 분석하였다. 25cm두께의 지반에 40g의 원심가속도를 가하여 10m 두께의 원지반을 모사하였는데, 동적진동과 소산의 시간상사비 차이를 제거하기 위해 점성유체를 사용하였다. 실험결과로부터 과잉간극수압 소산거동은 침강현상과 압밀현상의 복합적 작용결과임을 확인하였다. 또한, 침강속도, 지반 가속도 진폭, 그리고 입자침강시의 동적 투수계수 값은 지반 구속압의 영향을 크게 받음을 알 수 있었다.
Soil liquefaction occurs by complex dynamic interaction between soil particles and pore fluid. Therefore, experimental researches have been widely performed to analyze liquefaction phenomena. In this research, centrifuge tests were performed to analyze the liquefaction behavior of horizontal sand gr...
Soil liquefaction occurs by complex dynamic interaction between soil particles and pore fluid. Therefore, experimental researches have been widely performed to analyze liquefaction phenomena. In this research, centrifuge tests were performed to analyze the liquefaction behavior of horizontal sand ground. Centrifugal acceleration was 40g and the thickness of model ground was 25cm, which simulates 10m thickness in prototype scale. Viscous fluid was used as pore fluid to remove the time scaling difference between dissipation and dynamic shaking. Test results showed that the dissipation of excess pore pressure is the combined behavior of solidification and consolidation. In addition, the solidification rate, the ground acceleration amplitude, and the dynamic permeability during solidification were influenced by the confining pressure.
Soil liquefaction occurs by complex dynamic interaction between soil particles and pore fluid. Therefore, experimental researches have been widely performed to analyze liquefaction phenomena. In this research, centrifuge tests were performed to analyze the liquefaction behavior of horizontal sand ground. Centrifugal acceleration was 40g and the thickness of model ground was 25cm, which simulates 10m thickness in prototype scale. Viscous fluid was used as pore fluid to remove the time scaling difference between dissipation and dynamic shaking. Test results showed that the dissipation of excess pore pressure is the combined behavior of solidification and consolidation. In addition, the solidification rate, the ground acceleration amplitude, and the dynamic permeability during solidification were influenced by the confining pressure.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 원심모형실험을 수행하여 지반 구속압이 액상화 지반의 거동에 미치는 영향을 분석하고, 액상화 지반의 과잉간극수압 소산 거동 및 이와 관련된 침하 거동을 살펴보고자 한다. 원지반의 액상화 거동을 구현하기 위하여 진동 시간과 유체의 투수성에 대한 상사 법칙을 엄격히 적용하여 원심모형실험을 수행하였고, 지반 내 과잉간극수압 지반 가속도, 그리고 지표 침하 등을 측정하여 그 결과를 분석하였다.
본 실험에서는 수평지반의 액상화 거동을 분석하기 위해 원심모형실험을 수행한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
과잉간극수압은 진동 중 급 격히 증가하여 액상화에 도달한 후 크기가 일정하게 유지되다가 하부에서부터 소산이 시작된다. 침강 이론에서는 침강속도가 깊이와 상관없이 일정하다고 가정한다. 그러나, 그림에서 각 깊이별로 견고화 시점을 표시해 본 결과 견고층 전면의 이동속도는 깊이에 따라 비선형적으로 변화하며 견고층 전면은 약 60초에 지표면에 도달하는 것으로 나타났다.
제안 방법
침하 판은 진동 중 물에 부유하거나 지반에 근입되지 않도록 실험을 통해 구멍 크기와 적합한 무게를 결정하였다. 가속도계는 총 6개를 사용하였는데 2개는 진동 대의 수평, 수직가 속도를 측정하였고 4개는 지반 내(깊이 : 5cm 10cm, 15cm, 20cm)에 설치하여 깊이별 가속도를 측정하였다. 간극수압계는 지반 내 5개(깊이 : 5cm, 10cm, 15cm, 20cm, 24cm)를 설치하였다.
가속도계는 총 6개를 사용하였는데 2개는 진동 대의 수평, 수직가 속도를 측정하였고 4개는 지반 내(깊이 : 5cm 10cm, 15cm, 20cm)에 설치하여 깊이별 가속도를 측정하였다. 간극수압계는 지반 내 5개(깊이 : 5cm, 10cm, 15cm, 20cm, 24cm)를 설치하였다. 가속도계는 지름 6mm, 길이 12.
본 연구에서는 상사 법칙을 엄격히 적용한 원심모형 실험을 수행하여 원지반의 액상화 거동을 구현하였다. 또한, 액상화 지반의 과잉간극수압 발생, 지속, 그리고 소산 등 전 과정을 계측하고 깊이별로 총 5개의 간극수압계를 설치하여 깊이별 과잉간극수압 분포를 정밀 분석하였다.
미국 볼더 소재 콜로라도 주립대학에서 보유하고 있는 대형 원심모형실험기(그림 4)를 이용하여 수평지반에 대한 액상화 실험을 수행하였다. 콜로라도 대학에서 보유하고 있는 원심모형실험기는 토조를 설치하는 플랫폼의 크기가 L2mxl.
본 실험에서는 점성유체를 사용하여 동적 시간 상사 비와 소산 시간상 사비를 일치시켰다. 일반적으로 원심 모형실험에 사용되는 점성유체는 다음의 특성을 가져야 한다.
본 연구에서는 상사 법칙을 엄격히 적용한 원심모형 실험을 수행하여 원지반의 액상화 거동을 구현하였다. 또한, 액상화 지반의 과잉간극수압 발생, 지속, 그리고 소산 등 전 과정을 계측하고 깊이별로 총 5개의 간극수압계를 설치하여 깊이별 과잉간극수압 분포를 정밀 분석하였다.
본 절에서는 침강시의 소산 속도를 이용하여 동적 투 수계수를 산정한 후 같은 밀도에서의 정적 투수 계수와 비교하였다. 동적 투수 계수 宙는 식 ⑴을 변형한 아래의 식을 이용하여 산정하였다.
원심모형실험에서 얻어진 과잉간극수압, 침하량, 그리고 가속도 측정 결과를 분석하였다. 본 절에서 나타낸 결과는 모두 원형 스케일로 표시하였다.
그러므로 본 연구에서는 원심모형실험을 수행하여 지반 구속압이 액상화 지반의 거동에 미치는 영향을 분석하고, 액상화 지반의 과잉간극수압 소산 거동 및 이와 관련된 침하 거동을 살펴보고자 한다. 원지반의 액상화 거동을 구현하기 위하여 진동 시간과 유체의 투수성에 대한 상사 법칙을 엄격히 적용하여 원심모형실험을 수행하였고, 지반 내 과잉간극수압 지반 가속도, 그리고 지표 침하 등을 측정하여 그 결과를 분석하였다.
54cm 변위를 계측할 수 있으며 지표면 수직침하계측에 사용하였다 진동 중 LVDT의 침하 봉이 지표면 아래로 침하되지 않도록 침 하 봉에 구멍이 뚫린 침하 판을 부착하였다. 침하 판은 진동 중 물에 부유하거나 지반에 근입되지 않도록 실험을 통해 구멍 크기와 적합한 무게를 결정하였다. 가속도계는 총 6개를 사용하였는데 2개는 진동 대의 수평, 수직가 속도를 측정하였고 4개는 지반 내(깊이 : 5cm 10cm, 15cm, 20cm)에 설치하여 깊이별 가속도를 측정하였다.
대상 데이터
그림 6은 계측기 배치를 보여준다 본 실험에서 이용한 계측기는 LVDT, 가속도계, 그리고 간극수압계이다. 본 시험에 이용된 LVDT는 최대 2.
그림 6은 계측기 배치를 보여준다 본 실험에서 이용한 계측기는 LVDT, 가속도계, 그리고 간극수압계이다. 본 시험에 이용된 LVDT는 최대 2.54cm 변위를 계측할 수 있으며 지표면 수직침하계측에 사용하였다 진동 중 LVDT의 침하 봉이 지표면 아래로 침하되지 않도록 침 하 봉에 구멍이 뚫린 침하 판을 부착하였다. 침하 판은 진동 중 물에 부유하거나 지반에 근입되지 않도록 실험을 통해 구멍 크기와 적합한 무게를 결정하였다.
글리세린-물 혼합물은 밀도가 실리콘 오일보다도 작다는 단점이 있다. 본 실험에서는 메 토로 즈(metolose)를 이용하여 점성유체를 제작하였다. 메토 로즈의 화학적 명칭은 메틸셀룰로오즈(methylcelkilose) 로서 물에 용해되는 셀룰로오즈 매체의 일종이며 흰 분말 형태로 되어있다.
실험에 이용한 모래는 주문진 표준사로서 평균 유효 입경은 0.57mm, 균등계수는 1.48 그리고 최대 건조밀도(而林)와 최소 건조밀도(1血)는 각각 16.60/有과 13.3kN/2이다. 모형지반은 메토로즈 용액을 토조에 채운 후 모래를 수중강사하여 느슨하게 조성하였으며 이렇게 조성된 지반의 포화단위 중량과 상대 밀도는 각각 19.
원심모형실험에 이용된 토조의 내부크기는 길이 40.6cmx 폭 21.6cmx높이 34.3cm이며 두께 12.7mm의 알루미늄판을 이용하여 제작하였다. 또한, 진동 중 흙과 토 조간의 충돌 에너지를 흡수하기 위하여 진동 방향 토조벽면에 1cm 두께의 코르크판을 부착하였다.
성능/효과
(1) 입자가 침강하여 지반이 견고화되면서 일어나는 과잉간극수압 소산의 속도는 깊이가 깊은 곳에서 크고 지표면에 가까워질수록 비선형적으로 감소하여 지표 근처에서는 일정한 값에 수렴하는 경향을 보여 준다.
(2) 액상화 발생 이후의 과잉간극수압 소산은 입자 간의 접촉이 발생하여 일어나는 침강 현상과 침강으로 견고화된 지층 내의 과잉간극수압이 소산되는 압밀 현상 등 복합적인 이유로 발생하는 것을 확인하였다.
(3) 액상화 지반의 총 침하는 진동에 의한 침하와 액상 화후 침강에 의한 침흐卜, 그리고 압밀에 의한 침하 등 3가지로 나눌 수 있으며 전체 침하에서 차지하는 비율은 이 논문에서 수행한 실험의 경우 각각 48%, 26%, 26%로서 침강이 완료된 이후에도 압밀 현상에 의해 상당한 침하가 발생하였다.
(4) 액상화가 발생한 이후 지반 내 가속도 진폭의 변화를 살펴보면 구속압이 작은 지표면 근처에서는 가속도 진폭이 크게 감소하였지만 깊이가 깊어지면서 구속압이 증가하면 할수록 가속도 진폭의 감소폭이 작아지는 것으로 나타났다.
(5) 본 실험조건에서 입자 침강시의 동적 투수 계수는 정적 투수 계수보다 약 9배 컸으며, 동적 투수 계수 값은 액상화 지층 두께가 커질수록 증가하는 것으로 판단된다.
침강 이론에서는 침강속도가 깊이와 상관없이 일정하다고 가정한다. 그러나, 그림에서 각 깊이별로 견고화 시점을 표시해 본 결과 견고층 전면의 이동속도는 깊이에 따라 비선형적으로 변화하며 견고층 전면은 약 60초에 지표면에 도달하는 것으로 나타났다.
그러므로 입자 침강시의 동적 투수 계수는 지표면 근처 수렴된 소산 속도 값을 적용한 경우 정적 투수 계수의 약 5배로서, 하익수 등(2003)이 수행한 40cm 두께의 액상화 지반에 대한 1-g 진동 대 실험 결과와 일치한다. 그리고 액상화 지층 전체의 소산 속도 평균값을 적용한 경우 동적 투수 계수 값은 정적 투수 계수의 약 9배로 커지는 것으로 나타났다. 즉, 과잉간극수압의 소산 속도는 얕은 곳보다 깊은 곳에서 더 크며 식 (1) 로부터 계산되는 동적 투수 계수 값은 소산 속도에 비례하므로 전체깊이에 대한 동적 투수 계수의 평균값은 층의 두께에 비례하여 증가할 것으로 판단된다.
메토로즈 용액의 점성은 농도가 증가하거나 온도가 감소함에 따라 증가하는 경향을 보여준다. 본 실험에서의 원심가속도는 40g이기 때문에 40cps에 해당하는 농도를 측정한 결과 1.61%로 나타났다. 또한 콜로라도 대학의 원심모형실험 장치는 온도 유지 장치에 의해 방의 온도가 23.
그림 12는 가속도 퓨리에 스펙트럼의 진폭을 보여준다. 입력진동의 주성분인 1Hz 성분의 가속도 진폭은 토조 바닥면에서 지표면에 가까워질 수 록 점차 감소하지만, 3Hz와 5Hz 성분의 진폭은 토조 바 닥면(깊이 8m)에서 커졌다가 지표면에 가까워질수록 점차 감소하였다. 이 현상은 큰 구속압에 의해 강성이 큰 하부깊이에서 고주파수 성분의 크기가 증폭되었기 때문으로 판단된다.
그림 7에서 침강이 완료된 시점으로 판단되는 약 60초 근처에서 침하량의 증가 기울기가 약간 증가하면서 견고화된 층에서 압밀침하가 발생한다. 전체 침하에서 각 단계가 차지하는 비율은 진동 중의 침하가 약 48%, 침강에 의한 침하가 약 26%, 그리고 압밀에 의한 침하가 약 26%로서 침강이 완료된 이후에도 압밀 현상에 의해 큰 침하가 발생하였다.
참고문헌 (7)
하익수, 김명모 (2003), '1-g 진동대시험을 이용한 진동하중을 받는 포화된 모래지반의 투수계수 변화 추정', 한국지반공학회 논문집, Vol.19, No.6, pp.363-369
Florin, V.A and Ivanov, P.L. (1961), 'Liquefaction of Saturated Sandy Soils', Proceedings of the 5th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Paris, 1, 1961, pp.107-111
Ko, H.Y. (1988), 'Summary of the state-of-the-art in centrifuge model testing', in W.H. Craig, R.G. James & AN. Schofield, eds, 'Centrifuges in Soil Mechanics', Balkema, Rotterdam, pp.11-18
Kokusho, T. (1999), 'Water film Effect on Lateral Spreading of Liquefied Sand', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.125, No.10, pp.817-826
Lambe, P.C. (1981), 'Dynamic centrifuge modeling of a horizontal sand stratum', Sc. D. Thesis, Dep. of Civil Engineering, Mass. Inst. Technology, Cambridge, Mass. USA
Scott, R.F. (1986), 'Solidification and Consolidation of A Liquefied Sand Column', Soils and Foundations, Vol.26, No.4, pp.23-31
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